Источник
Ядерная энергия - LiveJournal.com
Выбор редакции
10 апреля, 00:02

Новые фоточки ИТЭР

  • 0

Ничего особо интересного за последний месяц нам iter.org не показал, но тем не менее. Начнем с центральной части - здания токамака, шахты реактораШахта реактора закончена в строительных конструкциях, и накрыта сверху крышкой, которая в какой-то момент позволит сформировать некое подобие чистой комнаты для опережающего монтажа некоторых элементов токамака (например сферических подшипников, на которых будет стоять криостат). В нижней части кадра видно начало формирования перекрытия между уровнями L2 и L3 - под ним видна большая камера для расположения инжекторов нейтрального пучка, а в самом перекрытии видна арматура опоры одного из баков системы гашения пара (нужной для конденсации пара на случай аварии типа "разрыв водных коммуникаций в горячий токамак"). Полезно сравнить вид здания токамака с фотографией полугодовой давности - разница ровно в один этаж, как и полагается. Всего строителям предстоит выполнить еще 1,5 этажа в бетоне и затем накрыть это все легкой металоконструкцией - надо полагать, что где-то через 1,5 года строительство здания токамака будет завершено.Если взглянуть налево, то там на заднем плане видна тоже постепенно подходящая к концу стройка системы сброса тепла ИТЭРСильнокликабельноВ мае там должен начаться монтаж оборудования. Если посмотреть в другую сторону, то можно увидеть уже начавшийся монтаж оборудования криокомбинатаПод циферками тут следующие штуки: 1: 6х400 м3 газгольдеров газообразного гелия (всех волнует вопрос, как будет выглядеть их заправка), 2: 1х125 м3 газгольдер газообразного азота, 3: ректификационные колоны производства жидкого азота, 4: генератор азота на короткоцикловой абсорбции (добывает азот из атмосферы), 5: 100 кубометровый бак жидкого азота, 6: теплообменники для получения гелия с температурой 80К (сброс тепла системы производства жидкого гелия и обеспечение нужд комплекса с температурой 80К), 7: здесь пока ничего нет, но будет горизонтально лежащий бак жидкого гелия на 190 кубов.На заднем плане, кстати, видно готовую строительную часть ОРУ 66 киловольт (между зданиями магнитных конверторов и большими трансформаторами). Здания магнитных конверторов, кстати, уже почти готовы, в том числе кондиционирование и вентиляция - почему-то на остальных строениях процесс установки этой немаловажной вещи основательно застопорился, здание №61, например, уже 1,5 года как достроено, но вентиляцией все никак не обзаведется. Мне кажется в какой-то момент такой подход еще аукнется срывами срока всего проекта.Наконец, пара фоточек изнутри, где идет какой-никакой монтаж оборудования. Например сборочных стендов для предварительной сборки сегментов реактора:Готовый наполовину стенд собирают в здании предварительной сборки, примыкающем к зданию токамака. Собирают уже полгода и не без проблем, обещают дособрать в июне и провести все испытания (в т.ч. испытания системы позиционирования элементов для сборки) до февраля 2019. Если верить Главному План-Графику, утвержденному в 2016 году, то начало сборки токамака должно начаться в 3 квартале 2019 с опускания основания криостата в шахту реактора - но совсем не похоже что это реально. Например, раньше во всех описаниях проекта можно было встретить такой момент, что для внутрикриостатных систем нужна высокая чистота, и сборку надо вести в условиях чистой комнаты - не похоже, что за 18 оставшихся месяцев можно успеть достроить здание токамака включая подкрановые пути для местных мегакранов, разобрать временную стенку между ним и зданием предварительной сборки, обеспечить везде необходимую вентиляцию и вычистить объемы.Впрочем, до очередных переносов графика еще, пожалуй, далеко.Наконец последняя картинка - армирование "короны" на дне шахты токамака. Эту "корону" забетонируют (по плану - до августа) и затем на нее будет происходить опирание 23 тысяч тонн реактора.В процессе бетонирования внутрь короны будет установлен первый высокотехнологичный элемент - сверхпроводящий фидер полоидальной катушки №4 Закладная часть фидера (слева) и его упрощенное сечение (справа).

01 апреля, 00:44

Бельгия приняла программу отказа от атомной энергетики

Федеральное правительство Бельгии пришло к согласию об «энергетическом пакте». Об этом заявил в своём Twitter премьер-министр страны Шарль Мишель по итогам заседания совета министров в сокращённом составе."Le Pacte Energetique" обсуждался в Бельгии уже довольно давно, и мне кажется, что в нем как в призме концентрируется вся проблематика будущего европейской электроэнергетики, поэтому кажется интересным посмотреть на него более внимательно.На первый взгляд "Энергетический пакт" напоминает немецкий "Энергоповорот" в миниатюре - отказ от угля и атома в пользу солнца и ветра. Особенно если ориентироваться на сайт проекта, где я не нашел ни одной цифры по данной программе. Но есть поддерживающие моделирования, где цифр в избытке, например вот. После прочтения начинает вырисовываться немного другая картина - Бельгия вместо замещения угля и атома возобновляемыми источниками после 2025 (или 2035 года, о чем дальше) сядет на импортный газ и импортную электроэнергию, не смотря на то, что основными плюсами "Le Pacte Energetique" называется энергонезависимость и локальные рабочие места. Давайте сначала посмотрим на цифры установленной мощности электростанций:Здесь отображены установленные мощности для 3 сценариев - EV2017 и UP18 - это просто немножко разные модели, а UP18-Nuc учитывает закрытие 2 самых молодых блоков АЭС не в 2025 году, а в 2035. Видно, что объем ВИЭ-генерации будет нарастать очень вяло, даже по самому оптимистичному сценарию с 2016 по 2030 год должно прирасти чуть меньше 5 гигаватт солнечных мощностей (Китай столько вводит за один месяц), а ветра 8,6 ГВт. С точки зрения генерации электроэнергии основной упор придется на газ и импорт:Сегодня на все возобновляемые источники приходится 13% генерации, а в 2040 по плану - 42%. Половина от выпадающей атомной генерации будет замещаться газом, еще какая-то заметная часть - импортом электроэнергии. Не похоже на программу развития страны - создания рабочих мест и решения вопросов энергобезопасности. Самое "прекрасное" в этом плане то, что вместо сокращения выбросов СО2 мы увидим их увеличение - напомню, что Германия из-за "зеленого Энергоповорота" по-видимому не сможет выполнить собственные цели по сокращению эмиссии СО2, и в 2020 году можно ожидать скандалов по этому поводу. Складывается ощущение, что программа принята не по рациональным соображениям. Ее причиной стала невозможность продления или замещения двух атомных электростанций страны Doel и Tihange.АЭС Doel находится на севере страны, включает в себя 4 блока: №1 и №2 - два блока PWR мощностью по 454 МВт, пуск 1975 (с общим машзалом) поставки Westinghouse, №3 - блок мощностью 1054 мегаватта поставки Framatome введенный в строй в 1982 году и и наконец 4 блок снова от Westinghouse с мощностью 1090 МВт пущенный в 1985.В 2003 году в Бельгии был принят закон, по которому срок работы станций ограничивался величиной 40 лет, т.е. 1 и 2 блок должны были быть закрыты в 2015 году. Однако в последний момент правительство Бельгии продавило сквозь парламент продление срока эксплуатации для 1 и 2 блока на 10 лет.  Таким образом на данный момент разрешена эксплуатация блока №3 до 2022 года и блоков 1,2,5 до 2025 года.АЭС Tihange состоит из трех блоков. Tihange-1 введен в строй в 1975, это PWR поставки Framatom мощностью 1010 мегаватт, Tihange-2 в эксплуатации с 1983, PWR мощностью 1055 мегаватт поставки Framatom, наконец блок №3 пущен в 1985 и это 1090 мегаваттный PWR от Westinghouse. Аналогично 1 и 2 блоку АЭС "Дул", 1 блок АЭС "Тианж" был продлен на 10 лет специальным решением парламента. Как мы видим, рациональные аргументы позволяли обходить даже законы, принятые парламентом страны. С учетом того, в США уже начались кампании по продлению АЭС до 80 лет, даже политическая невозможность строительства новых станций, на первый взгляд не должна помешать не прекращать эксплуатацию существующих. Однако, похоже, в Европе существует давление со стороны Еврокомиссии (аналога правительства Евросоюза) на ограничение сроков службы существующих АЭС 40 летним значением. Так, например, чехи признались недавно, что за продление блоков АЭС Дукованы за 40 летний срок "предстоит битва". Это давление исходит от Германии, твердо вставшей на рельсы отказа от атомной энергии, и теперь продавливающей такой же подход по всем европейским странам, видимо выбрав "непродление за 40 лет" как удобный "мягкий" инструмент. И если для Бельгии закрытие АЭС к 2025 году грозят просто финансовыми потерями, то скажем, для Франции, и больше - для всей европейской энергетики сокращение 40 гигаватт АЭС к 2030 году будет фактически катастрофой, купировать которую будет возможно только в полуавральном режиме строительства двух сотен ГВт ВИЭ-генерации + систем хранения энергии и множества новых интерлинков для перетоков.Себестоимость электроэнергии в Бельгии из моделирования, упомянутого выше. Стоиомсть газа при этом взята средняя между максимумом 13 года и минимумом 16. Виден рост оптовых цен в два раза к 2040 году.Возможно немцы, которые финансово могут позволить себе перестроить свою энергосистему на ВИЭ-рельсы считают, что "энергоповорот" остальной Европы затягивается, поэтому считают правильным ставить остальные страны в безвыходную позицию. Однако хотелось бы верить, что рационализм все же восторжествует, как это произошло, например, в Швеции и будут найдены какие-то формы сосуществания атомной энергетики и возобновляемых источников.

25 марта, 13:48

Еще один термоядерный стартап получает финансирование

  • 0

Пару недель назад СМИ заполонили новости о создании нового термоядерного стартапа Commonwealth Fusion Systems, который получил начальные инвестиции в 50 млн долларов от итальянского энергетического гиганта Eni на создание своего прототипа энергетического термоядерного реактора. Это очень интересный и важный проект, и о его месте среди других термоядерных стартапов и физических концепций я и расскажу сегодня.Итак, новый стартап делает ставку на токамак под названием SPARC, а команда его состоит из выходцев из лаборатории термоядерной плазмы MIT. Люди из индустрии уже из этих двух фактов могут догадаться, что речь идет о установке прототипирующей замечательный концепт токамака ARC - и это действительно он. SPARC - это сверхпроводящий токамак с высоким полем - одна из двух (вторая - это сферические токамаки) альтернативных к классическим токамакам веток развития этих замкнутых магнитных ловушек. Получение финансирования - очень важный момент, т.к. до этого ветвь токамаков с большим полем преследовали неудачи, а ведь это одно из немногих направлений, у которого есть шансы стать основой термоядерной энергетики (в отличии от классических токамаков, у которых этих шансов нет).Итак, сильное магнитное поле - в чем его плюсы, минусы и почему это важно? Давайте для начала посмотрим, как зависит термоядерная мощность P от размера токамака (задаваемого большим радиусом плазменного бублика R) и индукции магнитного поля BITER FEAT - этот тот ИТЭР, который строят сейчас (ITER EDA - изначальный концепт 90х, больше по размерам и мощности). Видно, что если увеличить поле с 5 до 10 тесла (на оси плазменного шнура), то ту же термоядерную мощность можно получить при вдвое меньшем размере, что выливается в 10 раз меньшую стоимость. Вдумайтесь, насколько критично для экономики энергоустановки может быть снижение стоимости реактора в 10 раз при неизменной мощности!Однако, понятно, что такие поля не даются бесплатно. Более того, до недавнего времени большие магниты с полями выше 6 тесла (внутри реактора, сам магнит имеет поле примерно в два раза выше) могли быть только медными - а это означает совершенно сумасшедшие электрические мощности идущие на нагрев обмоток такого сильнопольного магнита и прокачку охлаждающей воды в объемах "плавательный бассейн в секунду". Для ИТЭР, например, мощность на создание полей в медных магнитах составляла бы 1,9 гигаватта. Даже ученым такие установки не очень нравятся - в процессе импульса медные оболочки прогреваются, меняется ток и поле, т.е. плазменный выстрел не получается стационарным. Такие токамаки не способны быть энергетически окупаемыми, поэтому разработчики сосредоточились на токамаках с низкотемпературными сверхпроводниками.Здесь показана значения поля, доступные конструкторам сверхпроводящих токамаков при использовании самого сильного низкотемпературного сверхпроводника Nb3SnОднако ситуация поменялась примерно 10 лет назад, когда появились первые производства высокотемпературных сверхпроводящих ReBCO кабелей второго поколения. При низких температурах (ирония терминологии - кабели скорее высокопольные, чем высокотемпературные для реальных применений) ReBCO ленты способны выдавать поля в 2-2,5 раза выше классических низкотемпературных.Инженерный образец соленоида с высоким полем из высокотемпературного сверхпроводника.Конечно, пока реальное инженерное применение ВТСП пока скорее искусство, чем практика: например есть проблема пережога кабелей при потере сверхпроводимости, дороговизна и крайняя сложность в производстве лент, сложности с проектированием охлаждения и прочностных свойств - но все это преодолимо.Именно здесь на сцену появляется концепт токамака ARC (который, кроме того, пересматривает еще несколько болевых точек классических токамаков - например бланкет). Однако ARC - это большая и весьма прорывная установка, которая требует ~10-15 лет на создание и ~3 миллиардного бюджета.  Нужен прототип, которые снимет часть рисков и опасений с ARC. Именно таким прототипом является SPARCПри стоимости в 100-200 млн долларов по значению Q (отношение термоядерной мощности к мощности подогрева) установка затыкает все имеющиеся в мире, в т.ч. стоящий 2 миллиарда долларов JT-60SA. Кстати, если посмотреть на график выше, что можно две отметки - C-mod и Alcator C - на самом деле это один и тот же небольшой токамак Alcator C, который долгое время эксплуатировался именно в плазменной лаборатории MIT и достиг в т.ч. рекорда по магнитному полю плазмы - 12 Тесла. Именно MIT на сегодня обладает наибольшим опытом в области токамаков с высоким полем, здесь в прошлые годы были разработаны два аванпрокта: FIRE и BPX, ориентированных на достижение высокой мощности и Q в малом объеме за счет высоких полей. Однако это установки с медными магнитами, а значит - тупиковые в энергетическом поле.Необходимо вспомнить, что в подмосковном институте ТРИНИТИ тоже в 1987 году был построен "токамак с сильными полем" ТСП, и главное - грандиозный энергокомплекс для питания медных электромагнитов этого токамака. ТСП, к сожалению так и не заработал (при первых запусках была прожжена стенка, а в 90х уже не было финансирования для восстановления), однако на базе этой инфраструктуры предлагалось в свое время построить совместно с итальянцами токамак IGNITORМедные тороидальные катушки с захолаживанием до температуры жидкого гелия, полоидальные катушки из сверхпроводящего диборида магния, поле на оси в 10 тесла - в общем ИГНИТОР являлся хорошим примером проектов токамаков с сильным полем (термоядерная мощность в 1/5 от ИТЭР при массе установки в 1/50 от ИТЭР), однако финансирование на него так и не было выделено. Сходства концепции SPARC с другими предложениями высокопольных токамаковИ отличия от предыдущих концептов: ВТСП в отличии от меди имеет перспективу развития, требует маленькую энергоинфраструктуру, позволяет часто проводить эксперименты.На этом моменте может сложится картина, что токамаки с сильным полем - это серебряная пуля, позволяющая почти бесплатно на порядок улучшить технические характеристики токамаков, и даже удивительно, что ИТЭР все еще не перепроектирован под ВТСП.На самом деле физика вносит тут одну весьма неприятную проблему, которая давно висит дамокловым мечем над токамачным направлением в целом.Смотрите - если мы нашли способ при той же мощности резко уменьшить размеры установки, то плотность энергии, падающей на стенки токамака растет как квадрат коэффициента уменьшения размеров к мощности. Первая стенка, дивертор - элементы, которые в ИТЭР работают на грани (и в некоторых моментах - за гранью) инженерных возможностей человечества, в ARC/SPARC должны быть улучшены в 100 раз.Этот момент является самым сложным для токамаков с высоким полем, хотя идеи для выхода из тупика тут есть - увеличение поверхности дивертора, "развертка" точки прихода плазмы в дивертор по поверхности дивертора осциллирующим магнитным полем, газовый детачмент (т.е. образование газовой мишени, в которую придет плазма), все наработки по охлаждению - сдаваться создатели SPARC не намерены, хотя говорят о том, что не помешал бы специальный маленький токамак для исследования различных конфигураций и технологий дивертора.Кроме поверхностного выделения энергии плазмы есть еще и нейтроны, которые для DT реакции уносят 86% энергии. В маленькой машине просто нет достаточно места для размещения достаточных объемов экранировки (эта же проблема является краеугольной для сферических токамаков) - а значит ВТСП магниты будут получать очень заметную нейтронную дозу и даже более того - прямой нагрев такой мощности, которую очень сложно отводить с помощью текущего жидкого гелия.На последнем моменте хотелось бы заострить внимание:Здесь показаны компоновочные исследования для SPARC - количество 10секундныз запусков, после которого сверхпроводник и изоляция начинают ощутимо деградировать. Видно, что без экранирования установка приходит в негодность за несколько тысяч запусков, что, впрочем намного превосходит общий опыт реальных DT (а не DD) запусков, который составляет 3000 секунд в 875 запусках.Нагревание магнитов нейтронами тоже является серьезной проблемойПолученные значения (1-3 мегаватта подогрева на метр кубический магнитов) не совместимы с простым охлаждением текущим жидким гелием, т.к. теплоемкость его невелика. Даже с кипящим жидким гелием этот вариант не совместим - нужно кипятить 392 литра гелия в секунду с образованием 290 кубометров в секунду - в такой установке просто невозможно прокачивать такие количества. Однако кипящий жидкий водород или неон выглядят гораздо лучшеТемпература кипения водорода (20,4 К) и неона (27,1 К) - вполне рабочий вариант для ВТСП, и получается, что магнитная система вполне может "завязаться" в совершенно новом стиле. Однако это требует большого объема инженерных разработок, которые будет сложно выполнить небольшому стартапу.Впрочем, возможный приз в виде значительного удешевления энергетического токамака привлекает. На данный момент Commonwealth Fusion Systems намеряны сосредоточится на детальном проектировании своего SPARC и поиске дальнейших инвестиций, т.к. 50 млн долларов совершенно недостаточно для строительства этой установки. Весьма интересным моментом, как мне кажется, является то, что CFS рассматривает вариант работы с тритием уже на такой небольшой установке, что пока не было реализовано ни одним другим термоядерным стартапом (да и собственно научных термоядерных установок с тритием история знает всего 3 - токамаки JET и TFTR и лазерный УТС NIF). Возможность реализации этого зависит от количества собранных в проект в будушем денег, т.к. даже небольшое количество трития на установке вздувает ее стоимость на несколько десятков млн. долларов.По мнению создателей SPARC получение лицензии на установку с тритием не запредельно сложный процесс.В заключение хочется привести "TODO лист" плазменной лаборатории MIT по пути создания энергетического токамака с высоким полем, и возможные пути выполнения различных элементов этого TODO листаP.S. большинство слайдов были нагло надерганы с презентации главы Commonwealth Fusion Systems Боба Мумгарда, где есть еще разные интересные моменты.

Выбор редакции
23 марта, 19:33

Американцы дают больше денег на ИТЭР в 2019 году, но все равно недостаточно

  • 0

Если кому-то еще кроме меня интересна интрига вокруг американского (недо)финансирования ИТЭР, то буквально с полсуток назад парламент США согласовал бюджет FY2019, где ИТЭР будет профинансирован на 122 млн долларов.Начавшийся на площадке монтаж оборудования (на фото - гелиевые газгольдеры криокомбината) приводит к росту затрат.Это меньше долговременного плана 2016 года, где надо было бы выделить в FY19 в 175 млн баксов и меньше суммы 212, которая реально нужна в силу того, что в FY2018 американцы сильно ужали финансирование, но все же заметно больше, чем изначально запланированные 65 млн. В общем визит Бернара Биго в сенат/конгресс/администрацию позволил настричь еще 60 млн баксов.Следует напомнить, что деньги страны-участницы тратят на in-kind вложения, т.е. разработку/производство у себя оборудования, материалов, технологий, из которых будет собиратся реактор и кэш-вложения, расходуемые, скажем, на сборку всего этого на площадке, работу интегратора (ITER IO) и некоторые отдельные куски проекта, которые не попали в in-kind (например, гелиевый криокомбинат профининсирован так).Раньше сумма кэш-вложений была в районе 300 млн евро в год, соотвественно американцам, имеющим 9% проекта, приходилось отдавать ~30 млн долларов в год, а остальное (~90 млн) они тратили у себя в стране. Однако с началом сборки реакторных систем и токамака ИТЭР кэш-вложения начали сильно расти, емпни, в 18 году до порядка 450 млн евро, а в 19 - 600+. Отсюда и растущие требования к вложению стран-партнеров. 

Выбор редакции
18 марта, 18:11

Смоленская АЭС

  • 0

13 марта я удачно съездил на Смоленскую АЭС, посмотрел, впечатлился и задал вопросы, которые собирал в анонсе этого мероприятия. За организацию визита спасибо ИЦАЭ и лично  Наталье Кибисовой и Аревик Акопян, а так же сотрудникам Смоленской АЭС Роману Петрову и Анастасии Лобозовой. Визит у меня получился с группой учителей физики из Смоленска, хотя не везде мы ходили вместе.Формулируя внутри себя ощущения от САЭС непосредственно в день визита я понял, что традиционный подход не очень-то и получится. Во-первых чаще всего до АЭС доезжают фотоблогеры, делающие упор на фото станции. В моем же случае это сделать сложно - и фотограф я довольно криворукий и ужесточение безопасности не позволяет сегодня делать общих планов САЭС, снимать ОРУ и подходы, т.к. на этих фотографиях видна физическая защита станции. Во-вторых я наверное пересмотрел других репортажей о визитах на АЭС с РБМК - некоторые ракурсы были знакомы до боли, хотя я никогда живьем на РБМК не был.Поэтому мой репортаж будет состоять в основном из того, чего я не видел и не слышал в других отчетах плюс из лично запомнившихся моментов. Часть фотографий я одолжу других посетителей САЭС, побывавших там до меня.Общий вид на АЭС с моста над напорным подводящим каналом системы охлаждения конденсаторов АЭС (с) Илья Варламов. Правее виден Административно-Бытовой Корпус (АБК)При подходе к АЭС очень сложно понять ее реальные размеры - небольшие объекты на карте оказываются вполне себе приличными промышленными сооружениями, одни здания закрывают другие, и в целом, наверное ощутить масштаб станции можно только с воздуха или проработав на ней энное время. Вход в комплекс осуществляется через проходную в АБК. Для таких нерегулярных посетителей, как мы, проход напоминает аэропортовый контроль: сначала металлодетектор и проверка документов охраной АЭС, затем та же процедура сотрудниками Росгвардии (которые раньше назывались Внутренние Войска МВД). Сотрудники станции проходят быстрее - электронный пропуск + биометрический контроль + личный пароль.АБК станции удивляет лишь полным отсутствием какой-то сакральности - офис и есть офис. Производственная система Росатома, направленная на формирование корпоративной культуры, привела к завешиванию этого офиса слегка угнетающим количеством плакатов, экранов с роликами, стендов с раздаточным материалом и т.п.Приличный объем здания АБК занимает санпропускник станции, выполняющий функции разделителя между зоной с возможной радиоактивной контаминацией (она же "зона контролируемого доступа", ЗКД) и остальным миром. Санпропускник функционально делится на 4 зоны: шкафчики с "гражданской" одеждой, от которых сотрудники идут дальше в одном нижнем белье и переходных тапочках. Дальше расположен гардероб чистой спецодежды: это хлопчатобумажная одежда, что-то вроде резиновых галош и средства индивидуальной защиты: каска и беруши. Посередине есть еще большое душевое отделение с контролем загрязнения на входе и выходе из него.Удивительно, что ходить в спецодежде не так и весело - на блоке температура около 30 градусов, обувь откровенно жаркая, постоянно сидящая на голове каска тоже не добавляет комфорта. Смотря фотографии, я был уверен, что передвигаться в этих пижамах гораздо приятнее. Плюс, как я прикинул, даже очень резво пробегающие санпропускник работники АЭС все равно тратят за день около часа для двух проходов в одну сторону и двух в другую (включая выход на обед). Кстати, странным новшеством оказалось полное отсутствие скамеек для одевания-раздевания, судя по фотографиям - раньше они были. Как я понимаю, одинаковый в плане санпропускник занимает 4 этажа АБК, еще один этаж сверху занимает подразделение, обеспечивающее индивидуальный дозиметрический контроль.Следующая зона санпропускника - это дозконтроль работников. Работники получают из автоматического хранилища термолюминисцентные дозиметры (для снятия показания с которого нужно специальное оборудование), мы получали прямопоказывающие (с экранчиком) дозиметры-радиометры. Забавное обстоятельство - если все бытовые дозиметры имеют шкалу с 1 мкР/ч или 10 нЗв/ч, то здесь дозиметр начинает показывать мощность дозы с 1 мкЗв/ч, т.е. примерно с 6-8 фоновых значений, в 100 раз больше бытовых. До этого горит веселый 0.Термолюминисцентные дозиметры и правила их использованияПройдя санпропускник на всех станциях с РБМК мы попадаем в почти километровый коридор идущий внутри деаэраторной этажерки вдоль машзала. Поскольку это основная магистраль, идущих по своим делам работников станции там довольно много. Пройдя примерно 150 метров вдоль - сворачиваем направо в реакторное отделение блока №1. Первая точка - помещение электродвигателей главных циркуляционных насосов. На картинке ниже оно отмечено цифрой 7.Тут надо отметить, что в целом ГЦН РБМК-1000 мощностью по 4,3 МВт - весьма непростые агрегаты, но снаружи, как и в остальных элементах энергоблока, эта сложность не видна. Приходится додумывать. Например расход насоса - 2,2 кубометра воды в секунду, это вот такая емкость в секунду с каждого насоса:Ну а насосы на станции выглядят так:Слева за стенкой, как видно из схемы - водяные коммуникации контура многократной принудительной циркуляции воды. Стенка герметичная и довольно массивная. Я кинул взгляд на дозиметр - он показывал все так же 0, хотя в водяных коммуникациях под нашими ногами должен идти распад продукта активации изотопов кислорода - радионуклидов 16N, 17N. Но, то ли их уже мало в воде, то ли металл экранирует - общий фон меньше 1 микрозиверта в час.Дальше идем к реакторному залу. По схеме видно, что для этого подняться значительно выше (на ~25 метров). Обычно это происходит на лифте, но для нас - пешком по неосвещенной лестнице, что сразу напомнило мне ролик с подъемом ровно по этой же лестнице на ЧАЭС.Не перепутайте - видео с остановленной ЧАЭС, а не мое с САЭС.Дальше - реакторный зал. На входе - монитор системы радиационного контроля:Значения мощности дозы - от долей микрозиверта до ~40 микрозиверт в час на крышке бассейна выдержки. Реактор весьма хорошо экранирован - меньше одной миллионной гамма квантов долетает до реакторного зала. Немного удивляет объемная бета-активность в 8,2 кБк на кубометр на одном датчике и 17,9 кБк/кубометр на другом - это уже довольно приличные значения. Возможно это радиоактивные благородные газы (Криптон, Ксенон, Аргон).Наконец, каноническое место: "пятак", верхняя укрывная конструкция РБМК-1000.Общий вид на зал:Реактор РБМК-1000 канальный, включает в себя 1661 технологический канал, чуть больше 200 из которых занято поглощающими стержнями системы управления и защиты (СУЗ), а остальное - тепловыделяющими сборками (ТВС). Перегрузка топлива происходит с помощью автоматизированного экранированного манипулятора, который называется разгрузочно-загрузочной машиной. Выглядит она вот так:Опять тут пример скрытой сложности. За внешне довольно простой конструкцией скафандра биозащиты скрывается набитая разнообразной механикой машина, умеющая на ходу подключаться к технологическим каналам, наполненным водой под давлением 70 атмосфер и температурой 270 градусов, и извлекать отработанные ТВС и ставить новые. Перегрузки выполняются на РБМК практически каждый день (~300 раз в году), т.к. на САЭС используют топливо с обогащением в 2,8% (есть более новое с профилированием обогащения и средним около 3%, которое надо перегружать чуть-чуть реже). Общее представление о механике РЗМ и о процессе перегрузки дает вот этот роликРеактор РБМК, кстати, известен еще неповторимым "рисунком" перегрузки. Если на ВВЭР-1000 стараются придерживаться нескольких вариантов перестановки ТВС, то здесь за "карьеру" реактора порядок установки ТВС может никогда не повторится - 1400 каналов и разное время работы ТВС в центре (~3 года) и на краю (~5 лет) приводят к очень большому разнообразию вариантов, какая ТВС пойдет следующей на замену.В целом тут есть один философский момент. РБМК-1000 в свое время разрабатывался, как "простое" решение, в том плане, что он не требует уникального корпусного оборудования, разработки и обкатки множества решений (т.к. здесь много решений и технологий было взято с промышленных уран-графитовых реакторов). Однако в итоге получился, как мне кажется, монстр с невероятным количеством труб и арматуры, сложной механикой и логикой операций, требующий большого количества усилий по поддержанию в рабочем состоянии. На мой дилетантский взгляд, ВВЭР, хоть тоже не простая система, все же проще и удобнее, как энергетический реактор. При этом идея за счет перегрузки на мощности иметь очень высокий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) не оправдалась - реакторному оборудованию периодически все равно нужен ремонт, а значит и остановки. На ВВЭР удается совмещать ремонт и перегрузку топлива, поэтому реальный КИУМ ВВЭР и РБМК примерно одинаков.Но вернемся к реакторному залуНаверху по периметру зала располагается стенд развески разнообразных устройств, которые опускаются в технологические каналы реактора (и самих каналов, которые заменяются в среднем после ~15 лет работы, т.е. фактически - один канал раз в несколько дней). Например на фото выше справа - разнообразные приспособления для ремонта, а слева - подвески топлива. Топливо собирают прямо на АЭС из трех элементов - подвес и 2 пучка твэлов, которые приходят с завода. После сборки ТВС обмывают спиртом, загружают в специальную шахту, откуда ее забирает РЗМ и выполняет перегрузку канала. Старую ТВС РЗМ опускает в один из двух бассейнов выдержки, расположенных рядом с пятаком реактора.Наша группа, стоящая как раз на крышке одного из двух бассейнов выдержки.В каждый БВ можно поместить около 750 ТВС, а всего порядка 1500 - примерно на 5 лет работы. Ровно столько же в среднем и должны высвечиваться ТВС, за это время их радиоактивность снижается в 100000 раз. Черенковское свечение от свежих сборок видно глазами, но сфотографировать нормально его у меня не получилось.Элементы РЗМ под замену под черным полиэтиленом, подвесы ТВС правее (лежат горизонтально), тренировочный/калибровочный стенд и шахты для РЗМ. Черно-оранжевая разметка отмечает разгрузочную шахту, через которую вывозят высветившиеся в бассейне выдержки ТВС, опуская через эту шахту ТВС в железнодорожный контейнер, в котором их везут на общестанционное мокрое хранилище.На стенде развески удалось потрогать подготовленный технологический канал, который в скором времени заменит в реакторе отработавший своеКанал по центру кадра, уходит за край. Нижняя часть - стальная, в середине - циркониевая труба с надетыми на нее графитовыми кольцами для лучшего контакта с кладкой - через этот контакт происходит охлаждение кладки. Внутренний диаметр канала - 80 мм, стенка 4 мм, высота - почти 20 метров.Здесь слева - ТК с надетыми кольцами а справа - без колец.Ну и наконец, кто же откажется потрогать настоящее ядерное топливо, путь и через полиэтилен.Как уже говорилось выше, здесь внутри таблетки диоксида урана с обогащением 2,8%, эрбиевым выгорающим поглотителем. 18 твэлов расположены вокруг центральной несущей конструкции, оболочка твэлов из циркониевого сплава имеет внешний диаметр 13,5 мм и толщину стенки 0,9 мм. Высота каждого из двух пучков твэлов - 3,5 метра. Мощность одной ТВС может составлять до 3 мегаватт.Рядом на стенде развески висели некоторые штуки, которые работники АЭС посовещавшись назвали поглощающими стержнями СУЗ. Поглощающим материалом на РБМК работает карбид бора. К сожалению, ничего про ПС СУЗ из кобальта, которые на САЭС с некоторых пор используются для получения Кобальта-60, мне не сказали :(Еще несколько деталей из реакторного зала, которые обычно не видны на фотографиях пресс-служб или посетителейНебольшая перегрузмашина для перемещения ТВС внутри бассейна выдержки.Так называемая "малая РЗМ", цепляемая на кран. Чаще всего используется для перемещения ТВС из БВ на отгрузку в центральное хранилище.Тренажерный стенд для РЗМ.Аппаратура контроля температуры и уровня воды в бассейнах выдержки. Тут же температура воздуха в реакторном зале - почти 30 С...Контейнеры для твердых радиоактивных отходов, образующихся в процессе работы  - прессуемых (обычно это что-то металлическое) и сжигаемых (например ветошь или пластик).На этом мы покинули реакторный зал и отправились в машзал - место, где пар из реактора, пройдя сепарирующую систему, поступает на турбогенераторы. Турбогенераторов у каждого РБМК 2 штуки, по 500 мегаватт.Две 500-мегаваттные турбины на реактор довольно долго считалось недостатком этого типа реактора - экономичнее было бы поставить 1 турбину на 1000 мегаватт. Однако такая схема позволяет гибче маневрировать мощностью и в теории иметь более высокий КИУМ, что многократно было показано на практике. Сегодня модульные схемы из множества реакторов и турбин рассматриваются как нечто перспективное и прогрессивное - наступление ВИЭ требует уметь маневрировать мощностью.Паровые турбины на РБМК быстроходные (т.е. вращаются со скоростью 50 оборотов в секунду). Пар поступает в цилиндр высокого давления в центре турбоагрегата и растекается на два потока в противоположные стороны проходя кроме цилиндра высокого давления еще и по 2 цилиндра низкого давления (ЦНД) на сторону, после чего конденсируется и через питательные насосы возвращается в реактор.На деле схема потоков пара в турбине гораздо сложнее и включает в себя сепараторы-перегреватели пара, регенеративные подогреватели разного давления, дренажи и прочие ухищрения по поднятию КПД. Интересный момент связан с самим паром - ведь он приходит напрямую из каналов РБМК, а значит даже при 100% очистке (чего не бывает) несет в себе продукты активации кислорода воды - радионуклиды 16N и 17N. Эти изотопы имеют полураспад за 4 и 7 секунд, поэтому в другом типе одноконтурных реакторов - BWR - турбина обычно накрыта биозащитой. Мне было интересно, почему этого не делают на РБМК, и сотрудники АЭС считают, что азот успевает распасться, пока проходит системы сепарации пара и воды. В любом случае, возле ЦВД дозиметр снова показывал 0 мЗв/ч, т.е. фактически меньше 1 мЗв/ч или может быть даже меньше 0,6. Наверняка более точным прибором фон как от 16N, 17N так и от других радионуклидов, которые присутствуют в паре в очень незначительном количестве увидеть было бы можно, но как ни крути он не высок.Обычно видимая на фото линия с турбиной и генератором - это верхушка айсберга, стоящая на примерно 15-20 метрах теплообменного оборудования, маслохозяйства и конденсаторов.Если забить на старания фотографа испортить кадр неправильным фокусом и присмотрется к этажерке оборудования можно заметить там людей, любезно поставленных сотрудниками САЭС для масштаба.Да, хочу еще сказать, что машзал - весьма шумное место с ощутимо вибрирующим полом, но к сожалению, никакое видео полностью этого не передает.Наконец, хочу показать пару фотографий теплофикационного узла САЭС, который используется для отопления города-спутника станции Десногорска. Напомню, что в Китае сейчас есть очень большой интерес к отоплению городов с помощью АЭС, ну вот в Десногорске и других городах-спутниках можно посмотреть на реальный опыт такой теплофикации.Последней ласточкой зоны контролируемого доступа была набранная за визит доза50-70% от дневной дозы, полученной естественным путем за примерно 30 минут нахождения в реакторном зале и где-то 15 минут в машзале/помещении ГЦН. Напомню, что годовой норматив работников АЭС - 20000 мкЗв (или 2 бэр), и разрешено набирать до 50000 раз в 5 лет. Складываются эти дозы, конечно, в основном не ходьбой по ЗКД, а дозозатратными работами, например по ремонту реакторного оборудования. Средняя зарплата специалистов, которые ходят в ЗКД при этом ~70000 рублей, что для города в глубинке Десногорска очень неплохо.Что ж, это были мои впечатления о посещении САЭС, а во второй части попробую рассказать о системе управления, БЩУ и различных историях вокруг РБМК, услышанных в Смоленском Учебно-Тренировочном центре АЭС.

Выбор редакции
11 марта, 13:25

Россия не отказалась от членства в ЦЕРН

  • 0

Множество людей попросили прокомментировать новость "Россия отказалась от членства в ЦЕРН", ну вот пример ее. Все довольно просто - это гнилой журнализм, ни слова лжи, но суть перевернута целиком. Как же все на самом деле?Ускоритель CERN SPS подготавливает протонные и антипротонные сгустки для инжекции в Большой Адронный Коллайдер. Когда-то SPS был крупнейшим ускорителем в мире.Более менее нормальный разбор ситуации есть у nplus1, я изложу тут своими словами:Итак, изначально ассоциированными членами ЦЕРН могли быть европейские страны, а все неевропейские участвовали в конкретных проектах этой организации через отдельные соглашения. Так, Россия плотно участвует в коллаборациях детекторов LHC, некоторых элементах самого ускорителя, разнообразных других экспериментах CERN. Но при этом не является членом организации.С 2010 года ЦЕРН решил, что теперь и не-европейские страны могут получить такой же статус внутри организации, соотвественно, различные страны начали подавать заявки на получение статуса ассоциированного члена ЦЕРН. Это сделала и Россия в 2012 году. Однако в 2017 году было подписано некое (в деталях не разбирался) соглашение о взаимодействии Россия-ЦЕРН, которое, как я понимаю, более выгодно для России. Поэтому заявка на вступление в членство была отозвана.Т.е. по сути никакого заметного изменения взаимоотношений ЦЕРН и России не произошло. 

08 марта, 22:41

Солнечные башни в пустыне

  • 0

Наткнулся тут на завораживающий вид на крупнейшую в мире гелиоконцентраторную электростанцию Ivanpah (377 МВт, США)Поля гелиостатов поворачиваются вслед за солнцем, старательно отражая его в нагревательную башню, где нагревается теплоноситель (соль), которая идет в парогенераторы, пар из которых вращает турбины.Concentrated Solar Power (CSP) - технология в свое время была первой, которая дала солнечную энергию по относительно адекватному ценнику (порядка 300 долларов за МВт*ч), но 15 лет назад гораздо более простые и подешевевшие солнечные панельки обскакали. Одновременно с Ivanpah (и относительно не далеко) в строй вводились Topaz Solar и Solar Star - за те же деньги (Ivanpah стоила 2,2 млрд долларов) и на той же площади они имеют в 1,5 раза бОльшую мощность и на порядок меньшие операционные расходы (нет трубопроводов с солью, нет турбогенераторов и прочей машинерии). Да и КИУМ Ivanpah оказался весьма посредственным, в первые 3 года работы не поднимаясь выше 18%, и только в последний год он начал слегка превышать 20% (прошлым летом рекорд - 27% КИУМ).С тех пор солнечные панели подешевели еще в два раза. Можно ли прописать смерть технологии CSP? Не совсем. Есть у нее одно преимущество - возможность задешево хранить дневное тепло в большом теплоизолированном баке с расплавленной солью, т.е. превратить переменчивое солнце в равномерный источник энергии. С увеличением проникновения ВИЭ интерес к системам, которые могут задешево бороться с переменчивостью этих источников растет. В частности, калифорнийская Solar Reserve сейчас предлагает несколько проектов с хранением:1. Crescent Dunes Solar Energy Project - единственная достроенная на сегодня электростанция от Solar Reserve в Неваде, США. 110-мегаваттная электростанция с хранилищем энернии на 1100 МВт*ч (т.е. 10 часов на полной мощности) обошлась в ~900 млн долларов, т.е. на самом деле дороже Ivanpah. Электроэнергия продается с этой электростанции по цене 135$ за МВт*ч, и пока станция показывает гораздо меньшую производительность, чем заявляется разработчик - в лучшем (2016 году) она выработала 172 ГВт*ч против 500 заявленных, как среднегодовая цель. Впрочем, судя по графику, полноценно станция отработала ~3 месяца, а отстальное время находилась на тестах, ремонтах, модернизациях. Впрочем даже в лучшие месяцы производительность не дотягивала до желанных - в лучше случае экстраполяция на год дает 300 ГВт*ч.Crescent Dunes Solar EnergySolar Reserve, впрочем, не унывают, и говорят, что дальше будет лучше. Собственно дальше нас ждут такие проекты:2. Вариант для Австралии - станция Aurora в Port Augustа. В отличии от Чили, здесь уже начато строительство. Мощность электростанции 150 мегаватт, из которых 135 мегаватт доступно в течении светового дня и 8 часового периода после (хранилище на 1100 МВт*ч). Названная стоимость станции - 650 млн австралийских долларов, цена мегаватт*часа - 78 австралийских долларов, что является весьма низкой ценой для Австралии. Интересно, что хранилище энергии Aurora будет в 8,5 раза больше, чем разрекламированная батарея Тесла в том же штате, при том, что цена всей электростанции больше тесловского проекта в ~10 раз.3. Чилийская станция Tamarugal с базовой мощностью 450 мегаватт. Базовая означает, что эту мощность станция может выдавать 24 часа в сутки благодаря хранилищу тепловой энергии на 13 часов работы. Тепловая мощность при этом соотвествует примерно 900 мегаваттам электрических. Стоимость станции пока не называется, но Solar Reserve предложило поставку электроэнергии с этой электростанции по внушительной цене в 50$/МВт*ч - дешевле, чем у большинства новых электростанций. КИУМ при этом должен быть в районе 35%, впрочем, такое улучшение может быть достигнуто за счет 25% преимущества в инсоляции в Чилийской Атакаме перед Калифорнийскими пустынями.Этот проект пока находится на этапе поиска финансирования.4. Еще один проект в Неваде, США - Sandstone. Здесь уже планируется поставить 20 стандартных модулей от SR по 150-200 мегаватт мощности (т.е. всего до 2 ГВт) и иметь 20 ГВт*ч хранилище. Стоимость проекта Solar Reserve оценивает в 5 млрд - т.е. чуть ли не в 10 раз удельно дешевле, чем пилотный проект там же, в Неваде. Планируется достичь такого прогресса за счет серийного производства оборудования и оптимизации строительства.==Конечно, стоит трезво оценивать перспективы этой технологии и проектов: слишком уже далеко впереди сегодня фотовольтаика по ценам, которые для последних проектов в Саудовской Аравии и ОАЭ достигли 20$ за МВт*ч (без хранения). Сверхнизкая себестоимость, пусть и переменчивого электричества делает более выгодными комбинации типа солнечные батареи + газотурбинные ТЭЦ, т.к. в местах с хорошей инсоляцией солнечное электричество уже получается дешевле топливной составляющей СЭС (т.е. выгоднее ставить панели, чем жечь газ).Единственным преимуществом CSP остается хранение энергии, впрочем его однонаправленных характер (т.е. невозможно запасать энергию из сети - только от солнца) опять же подрывает базу. Думается, когда (и если) произойдет еще 2-3 кратное снижение стоимость литий-ионных АКБ, можно будет еще раз оценить перспективы CSP. Ну а пока будем ждать новостей по реализации проектов на этой забавной технологии ВИЭ.

Выбор редакции
05 марта, 10:23

Анонс мероприятий

  • 0

13 марта я еду на Смоленскую  АЭС, и если у моих читателей есть какие-то вопросы по РБМК - задавайте их комментариях, а я ретранслирую работникам.Напомню, что Смоленская АЭС - трехблочная АЭС с РБМК, блоки пущены в 1983, 1985 и 1990 годах (последний блок САЭС - самый молодой РБМК). Первые два блока прошли продление эксплуатации до 45 лет, третий в процессе.У меня самого заготовлены такие вопросы:1. Как выглядит продление сроков эксплуатации2. Обращение со свежим и отработанным ядерным топливом - на РБМК этот процесс сложнее и интереснее, чем на ВВЭР3. Резка графита для продления срока жизни блока4. Всякие вопросы по активности в одноконтурном реакторе (в BWR, например, турбина обычно закрыта биозащитой, на РБМК - нет).Кроме того, после САЭС, в Десногорске (город-спутник этой АЭС) в 14.30 в конференц-зале Реабилитационно-оздоровительного и досугового центра (Дворец молодежи), я читаю лекцию по перспективам термоядерной энергетики, которая называется "Термояд - стартап в масштабах планеты".14 числа я буду комментировать показ фильма "Да будет свет!" про мировую термоядерную программу. Фильм такой скорее фестивально-документальный, чем научно-популярный, но все равно, надеюсь ИЦАЭ будет его показывать шире, потому что некоторые моменты там схвачены хорошо.Трейлер фильмаК сожалению, показ в совсем неудобное время и месте (в 10 часов утра 14 марта в Смоленском филиале МЭИ), но если вдруг меня читают студенты смоленского филиала МЭИ - приходите.

02 марта, 19:19

Несколько слов про крылатую ракету с ядерным источником энергии

  • 0

Наверное вы уже в курсе, что вчера Путин в публичном выступлении рассказал про всякое новое оружее, которое разрабатывается в РФ и было там много чего более-менее известного ранее, кроме одного изделия: крылатой ракеты с "неограниченной дальностью за счет сверхмощной ядерной энергетической установки"  в габаритах крылатых ракет "Томагавк" (0,53 м диаметром и весом 1400 кг) или Х-101 (0,74 м описанным диаметром и весом 2300 кг).И вот такое видеоРезюмируя ощущения от показанного проекта можно сказать, что это крайнее удивление на грани недостоверности показанного. Попробую объяснить, почему.Да, исторически разработки крылатых ракет с прямоточным ядерным воздушным двигателем были: это ракета SLAM в США с реактором TORY-II, концепт Avro Z-59 в Великобритании, проработки в СССР.Современный рендер концепта ракеты Avro Z-59, массой около 20 тонн.Однако все эти работы шли в 60х как НИОКР разной степени глубины (дальше всех зашли США, о чем ниже) и продолжения в виде образцов на вооружении не получили. Не получили по той же причине, что и многие другие проработки Atom Age - самолеты, поезда, ракеты с ЯЭУ. Все эти варианты транспортных средств при некоторых плюсах, которые дает бешенная плотность энергии в ядерном топливе, имеют очень серьезные минусы - дороговизна, сложность эксплуатации, требования постоянной охраны, наконец неудовлетворительные результаты разработок, про которые обычно что мало известно (публикуя результаты НИОКР всем сторонам выгоднее выставлять достижения и скрывать неудачи).В частности, для крылатых ракет гораздо проще создать носитель (подводную лодку или самолет), который "подтащит" множество кр к месту пуска, чем морочится с небольшим парком (а большой парк освоить невероятно сложно) крылатых ракет, запускаемых со своей территории. Универсальное, дешевое, массовое средство победило в итоге малосерийное, дорогое и с неоднозначными плюсами. Атомные крылатые ракеты не пошли дальше наземных испытаний.Этот концептуальный тупик 60х годов КР с ЯЭУ, на мой взгляд, актуален и сейчас, поэтому основной вопрос к показанному "зачем??". Но еще более выпуклым его делают проблемы, которые возникают при разработке, испытаниях и эксплуатации подобного оружия, о чем говорим дальше.Итак, начнем с реактора. Концепты SLAM и Z-59 были трехмаховым низколетящими ракетами внушительных габаритов и массы (20+ тонн после сброса стартовых ускорителей). Страшно затратный низколетящий сверхзвук позволял по максимуму использовать наличие практически не ограниченного источника энергии на борту, кроме того, важной чертой ядерного воздушного реактивного двигателя является улучшения кпд работы (термодинамического цикла) при росте скорости, т.е. та же идея, но на скоростях в 1000 км/ч имела бы гораздо более тяжелый и габаритный двигатель. Наконец, 3М на высоте в сотню метров в 1965 году означало неуязвимость для ПВО.Получается, что раньше концепция КР с ЯЭУ "завязывалась" на высокой скорости, где преимущества концепции были сильными, а конкуренты с углеводородным топливом ослабевали.Показанная же ракета, на мой взгляд, околозвуковая или слабосверхзвуковая (если, конечно, верить, что на видео именно она). Но при этом габарит реактора уменьшился значительно по сравнению с TORY-II от ракеты SLAM, где он составлял аж 2 метра включая радиальный отражатель нейтронов из графитаАктивная зона первого тестового реактора TORY-II-A во время сборки. Можно ли вообще уложить реактор в диаметр 0,4-0,6 метра? Начнем с принципиально минимального реактора - болванки из Pu239. Хороший пример реализации такой концепции - космический реактор Kilopower, где, правда, используется U235. Диаметр активной зоны реактора всего 11 сантиметров! Если перейти на плутоний 239 размеры АЗ упадут еще в 1,5-2 раза.Теперь от минимального размера мы начнем шагать к реальном ядерному воздушному реактивному двигателю, вспоминая про сложности. Самым первым к размеру реактора добавляется размер отражателя - в частности в Kilopower BeO утраивает размеры. Во-вторых мы не можем использовать болванку U или Pu - они элементарно сгорят в потоке воздуха буквально через минуту. Нужна оболочка, например из инкалоя, который противостоит мгновенному окислению до 1000 С, или других никелевых сплавов с возможным покрытием керамикой. Внесение большого количества материала оболочек в АЗ сразу в несколько раз увеличивает необходимое количество ядерного топлива - ведь "непродуктивное" поглощение нейтронов в АЗ теперь резко выросло!Размер всего ПВРД с ЯЭУ TORY-IIБолее того, металлическая форма U или Pu теперь не годится - эти материалы и сами не тугоплавкие (плутоний вообще плавится при 634 С), так еще и взаимодействуют с материалом металлических оболочек. Переводим топливо в классическую форму UO2 или PuO2 - получаем еще одно разбавление материала в АЗ, теперь уже кислородом.Наконец, вспоминаем предназначение реактора. Нам нужно прокачивать через него много воздуха, которому мы будем отдавать тепло. примерно 2/3 пространства займут "воздушные трубки".TORY-IIC. Твэлы в активно зоне представляю собой шестигранные полые трубки из UO2, покрытые защитной керамической оболочкой, собранные в инкалоевых ТВС.В итоге минимальный диаметр АЗ вырастает до 40-50 см (для урана), а диаметр реактора с 10-сантиметровым бериллиевым отражателем до 60-70 см. Мои наколеночные прикидки "по подобию" подтверждаются проектом ядерного реактивного двигателя MITEE, предназначенного для полетов в атмосфере Юпитера. Этот совершенно бумажный проект (например температура АЗ предусматривается в 3000 К, а стенки из бериллия, выдерживающего от силы 1200 К) имеет рассчетный по нейтронике диаметр АЗ в 55.4 см, при том, что охлаждение водородом позволяет слегка уменьшить размеры каналов, по которым прокачивается теплоноситель.Сечение активной зоны атмосферного реактивного ядерного двигателя MITEE и минимальные достижимые массы для различных вариантов геометрии АЗ - в скобках обозначены отношения длины к шагу твела (первай цифра), количество твэлов (вторая цифра), количество элементов отражателя (тертяя цифра) для разных композиций. Небезинтересен вариант с топливом в виде Америция 242m и отражателем из жидкого водорода :)На мой взгляд воздушный ядерный реактивный двигатель можно впихнуть в ракету диаметром около метра, что впрочем, все же не кардинально больше озвученных 0,6-0,74 м, но все же настораживает.Так или иначе, ЯЭУ будет иметь мощность ~несколько мегаватт, питаемые   ~10^16 распадов в секунду. Это означает, что сам реактор будет создавать радиационное поле в несколько десятков тысяч рентген у поверхности, и до тысячи рентген вдоль всей ракеты. Даже установка нескольких сот кг секторной защиты не сильно снизит эти уровни, т.к. нейтронны и гамма-кванты будут отражаться от воздуха и "обходить защиту". За несколько часов такой реактор наработает ~10^21-10^22 атомов продуктов деления c с активностью в несколько (несколько десятков) петабеккерелей который и после остановки создадут фон в несколько тысяч рентген возле реактора. Конструкция ракеты будет активирована до примерно 10^14 Бк, хотя изотопы будут в основном бета-излучателями и опасны только тормозным рентгеном. Фон от самой конструкции может достигать десятки рентген на расстоянии 10 метров от корпуса ракеты.Рентген ракеты SLAM. Все приводы пневматические, аппаратура управления находится в капсуле, ослабляющей излучение.Все эти "веселости" дают представление, что и разработка и испытания подобной ракеты - задача на грани возможного. Необходимо создать целый набор радиационно-стойкого навигационного и управляющего оборудования, испытать это все довольно комплексным образом (радиация, температура, вибрации - и все это на статистику). Летные испытания с работающим реактором в любой момент могут превратиться в радиационную катастрофу с выбросом от сотен террабеккерелей до единиц петабеккерелей.  Даже без катастрофических ситуаций весьма вероятная разгерметизация отдельных твэлов и выброс радионуклидов.Конечно, в России до сих пор есть Новоземельский полигон на котором можно проводить такие испытания, однако это будет противоречить духу договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах (запрещение вводилось с целью недопущения планомерного загрязнения атмосферы и океана радинуклидами).Наконец, интересно, кто в РФ мог бы заниматься разработкой подобного реактора. Традиционно изначально высокотемпературными реакторами занимался Курчатовский институт (общее проектирование и расчеты), Обнинский ФЭИ (экспериментальная отработка и топливо), НИИ "Луч" в Подольске (топливо и технологии материалов). Позже к проектированию подобных машин подключился коллектив НИКИЭТ (например реакторы ИГР и ИВГ - прообразы активной зоны ядерного ракетного двигателя РД-0410). Сегодня НИКИЭТ обладает коллективом конструкторов, которые выполняют работы по проектированию реакторов (высокотемпературный газоохлаждаемый РУГК, быстрые реакторы МБИР, БРЕСТ), а ФЭИ и "Луч" продолжают заниматься сопутствующими расчетами и технологиями соотвественно. Курчатовский институт же в последние десятилетия больше перешел к теории ядерных реакторов.Ближайшими родственниками воздушных ЯРД являются ЯРД космические, продуваемые водородом.Резюмируя, хочется сказать, что создание крылатой ракеты с воздушным реактивным двигателеям с ЯЭУ является в целом выполнимой задачей, но одновременно крайне дорогой и сложной, требующей значимой мобилизации людских и финансовых ресурсов, как мне кажется в большей степени, чем все остальные озвученные проекты ("Сармат", "Кинжал", "Статус-6", "Авангард"). Очень странно, что эта мобилизация не оставила ни малейшего следа. А главное, совершенно не понятно, в чем польза от получения подобных образцов вооружений (на фоне имеющихся носителей), и как они могут перевесить многочисленные минусы - вопросы радиционной безопасности, дороговизны, несовместимости с договорами о сокращении стратегических вооружений.P.S. Впрочем "источники" уже начинают смягчать ситуацию: "Источник, близкий к ВПК, рассказал «Ведомостям», что радиационная безопасность при испытаниях ракеты была обеспечена. Ядерную установку на борту представлял электрический макет, говорит источник."

Выбор редакции
23 февраля, 12:31

Небольшой апдейт к "Ядерной реальности космических баз"

  • 0

Год назад у меня был пост про различные проекты ядерных энергоустановок для обеспечения энергией будущих местообитаний человека на других планетах. И вот появились некоторые новые мысли, которыми можно дополнить прошлогодний пост.Речь пойдет про южный полюс Луны, который с высокой достоверностью содержит довольно приличные по объему запасы воды в вечно затененных кратерах. В то же время "вечная затененность" отсекает простое использование солнечных батарей, которые при прочих равных выигрывают у ядерных источников электроэнергии с разгромным счетом. Однако, хорошо известно, что рядом с вечно затемненными кратерами располагаются и "пики вечного света". Мне всегда было интересно, насколько "вечным" является свет на этих пиках, насколько они велики, насколько сложной и дорогой будет в целом солнечная электростанция, которую там можно будет построить.Район южного полюса луны, снятый японской станцией "Кагуйя" с обозначенными пиками вечного света. Эти же точки обсуждаются в тексте ниже. Первый ответ на эти вопросы найти не сложно - пики “вечного” света, примерно десяток которых разбросаны в пределах 100 км от южного полюса, освещены не 100% времени. Для лучшей локации, расположенной на ободе кратера Шеклтон Солнце светит в течении 86% лунного года, а целом же “вечно освещенными” считают площадки, где Солнце светит больше 70% времени. Однако за этим знанием встает более животрепещущий вопрос: а какова максимальная длительность периодов тени? Если солнечные панели на орбите земли уже имеют весовую отдачу в 100+ ватт на килограмм массы, то лучшие литий-ионные аккумуляторы космического исполнения - 100 ватт*час на килограмм массы. Уже через час аккумуляторы сравняются по весу с солнечной электростанцией, отдающей такую же мощность, через сутки превзойдут ее в 24 раза, а через неделю вес солнечной батареи окажется ошибкой округления на фоне веса АКБ. А тем временем на экваторе Луны ночь длится 2 земных недели…Солнечные батареи UltraFlex космического аппарата InSight, имеющие весовую отдачу в 80 Вт/кг на орбите Земли.Здесь легко ввести весовой критерий: если взять, к примеру проект лунной АЭС от NASA Fission Surface Power System (FSP) с полезной мощностью в 40 кВт и весом в 5800 кг, то просто солнечные панели будут легче примерно в 10 раз (с учетом веса поддерживающих конструкций: энергомассовое совершенство панелей дано для невесомости). Однако в условиях хотя бы суточных затмений FSP окажется уже в два раза легче, чем ВИЭ-электростанция. Рендер АЭС FSP на Луне - сам реактор закопан в грунт, из которого торчит только большой радиатор-излучатель сбросного теплаТеперь можно возвратиться к первому вопросу: какова длительность тени на пиках “вечного” света? Спасибо kiri2ll, который заметил, что эти данные появились на википедии, которая ссылается на статью 2010 года по моделированию освещенности южного полюса Луны. Исследователи отмечают две точки - “A” на ободе кратера Шеклтон и “B” на горной гряде в 10 километрах от этого кратера. Точка “А” освещена 81% времени в течении года, точка “B” - 82%. Однако затемнения этих кратеров происходят по разному - на ободе Шеклотона Солнце максимально отсутствует в течении примерно 90 часов, а в худшем лунном дне (который длится 28 земных) освещенность этой точки падает до 44% времени. Безымянному кряжу неподалеку от Шеклтона повезло больше (точнее может повезти будущим колонистам) - максимальная непрерывная длительность тени всего лишь 24 часа, хотя в худший месяц затененность составляет 56%, и включает в себя 12 дней, когда солнце выглядывает совсем не надолго, затем снова скрываясь на период от 12 до 24 часов. Точка “B” при этом является местом с самым “вечным” светом на Луне, а совместно с расположенной в 5 километрах точкой A обеспечивает вообще 94% времени засветки Солнцем. На этой диаграме показано моделирование освещенности в течении 6 месяцев (т.е. 6 лунных дней). Каждая точка показывает направление на солнце и его высоту (отрицательную относительно идеального горизонта) для периода в 1 земной день. Светлые цвета означают освещенность в течении всего дня, темные - что пик находится в тени какое-то время.В отличии от ситуации расположения солнечной батареи на экваторе, где понадобится сверхтяжелый аккумуляторный бэкап, масса солнечной электростанции, размещенной в точке “B” и питающей поселение внутри кратера Шеклтон хотя бы сравнима с ядерной электростанцией, и теоретически дополнительный вес может окупиться за счет ухода от возни с радиационно-опасным объектом и за счет исключения расходов на разработку лунной АЭС. Но не спешите.Топографическая карта окресностей южного полюса Луны. Круг до 80 градусов имеет диаметр 560 км, кратер Шеклтон, на ободе которого расположен сам южный полюс имеет диаметр 21 км. Как видно, по вертикали район южного полюса очень изрезан.Есть еще одно соображение - дистанция. На картах может показаться, что между дном кратера Шеклтон и точки “В” рукой подать, на деле же между ними больше 20 км по горизонтали и 5(!) километров подъема. Даже здесь, на Земле, прокладка ЛЭП на такое расстояние по такой местности - крайне неприятное мероприятие, которого стараются избежать всеми силами. На Луне же, как мне кажется, этот момент ставит крест на красивой идее запитки “вечным светом”, во всяком случае в для поселения внутри кратера Шэклтон в обозримом будущем. Карта NASA. где на южный полюс наложены основные дороги г. Хьюстон и нарисованы точки "вечного света"Отсюда можно сделать вывод: несмотря на относительно положительные для солнечной энергетики цифры по освещенности пиков вечного света, любая серьезная активность в местах залежей водяного льда на Луне потребует ядерных энергоисточников, как минимум на начальном периоде.

20 февраля, 23:02

США начинает новую программу быстрых реакторов?

  • 0

Сенат США утвердил финансирование на концептуальную проработку нового исследовательского быстрого реактора, который пока называет просто  "versatile reactor-based fast neutron source" т.е. "универсальный источник быстрых нейтронов на базе реактора". Напомню, что последний (исследовательский) быстрый реактор и в США Fast Flux Test Facility был остановлен в 1993 году в силу произошедшей к этому моменту полной потерей государством и бизнесом интереса к быстрым реакторам.Верх активной зоны реактора FFTF перед заполнением натрием и пуском в 1978 году.Надо заметить, что умение менеджеров в США быстро закрывать направления, которые перестают казаться перспективными, и не обещают отдачи в ближайшие 5-10 лет, обычно благоприятное для бизнеса, здесь сыграло двоякую роль. Сегодня исследовательские быстрые реакторы, доступные для проверки новых идей - абсолютный эксклюзив, в мире функционирует ровно 1 (одна) такая установка - БОР-60 в институте НИИАР. У кого же не получается попасть в места в активно зоне этого реактора вынуждены довольствоваться либо маломасштабными экспериментами в кольцевых твэлах исследовательских реакторов с тепловым спектром нейтронов, либо строить национальные установки, как сделали в Индии, Японии и Китае (впрочем, Китай пока только в начале пути, с мучительным освоением первого быстрого реактора).В итоге именно вокруг БОР-60 и его наследника МБИР собираются команды, занимающиеся реальной разработкой быстрых реакторов - будь то американские инженеры из TerraPower, финансируемые Биллом Гейтсом или южнокорейские разработчики из KAERI, а так же лишенные на сегодня своего быстрого реактора опытнейшие французы из Areva (теперь Orano). Возможность общения, наблюдения за методиками и частично - топливом ведущих специалистов в такой хайтечной сфере как технологии быстрых реакторов стоит многого. И, кажется, это понимают и американцы, форсируя развитие своего центра притяжения.Молчаливая презентация МБИРПока точно неизвестно, какой из проектов национальных атомных лабораторий США будет двинут вперед, но вот известный американский атомный эксперт Эд Лайман считает, что это реактор FASTER, концептуальную проработку которого сделала Аргонская национальная лаборатория.FASTER - это быстрый реактор тепловой мощностью 300 мегаватт (в 2 раза больше, чем МБИР), охлаждаемый натрием и с несколькими интересными фишками. Во-первых, здесь планируется использовать металлическое топливо, т.е. сплав из урана, плутония и циркония - никакого кислорода, никакого азота в активной зоне. Это топливо обладает двумя важными плюсами - оно очень теплопроводно, что позволяет создавать активные зоны колоссальногой энергонапряженности (и забегая вперед - в FASTER именно такая АЗ) и имеет максимальную концентрацию атомов делящегося вещества из всех вариантов топливных композиций. Что в свою очередь облегчает создание потоков нейтронов высокой мощности. В частности, в FASTER планируются потоки до ~5*10^15 н*c/см^2 - такие же, как в МБИР, в котором концентрация плутония в топливе будет в два раза выше, и чуть ниже, чем в более мощной FFTF.Активная зона реактора шагает от топлива - очень высокое объемное энерговыделение доходящее до 900 мегаватт на кубометр (для сравнения - у ВВЭР ~100 мегаватт, а у БН-600 - 400), высокий подогрев натрия при проходе через АЗ (155 С). Предполагается наличие 3 петлевых ячеек (т.е. там можно организовать петлю с другим теплоносителем - водой, жидким свинцом, газом, расплавом соли и т.п.) и 36 позиций для тестовых сборок и облучательных устройств. Одной из фишек реактора вляется наличие зоны с замедлителем и тепловым спектром, что позволяет исследовать и облучать и образцы, которым нужен тепловой спектр, хотя здесь у реактора будет множество конкурентов.За пределами активной зоны планируется практически стандартное решение: бассеновое размещение теплообменников 1-2 контура и ГЦН 1 контура, разве что одинарная поворотная пробка и внутренняя перегрузочная машина-манипулятор - нестандартное решение (что-то похожее можно увидеть на реакторе MYRRHA). Второй контур - натриевый, отводит тепло на турбогенератор с мощностью около 120 МВт (кпд 40% - примерно стандарный для натриевых реакторов с такой температурой теплоносителя на выходе).Разрез корпуса реактора. Стоимость строительства оценивается в 2,8 млрд долларов (и 13 лет на реализацию, включая НИОКР) разработчиками, Сенат в своем законе указывает гораздо более оптимистичные цифры - 2 млрд и 7 лет. Содержание реактора оценивается в 170 млн долларов в год, при этом производство электроэнергии может приносить 100 млн.Однако, даже не касаясь переменчивости политической коньюктуры, и вполне вероятного закрытия проекта демократической администрацией, которая наверняка рано или поздно придет к власти в США, встает вопрос - кто может быть потребителем услуг такой немаленькой установки? Да, в 5 раз меньший БОР-60 загружен полностью и выкуплен до конца срока службы, однако МБИР, скажем, все таки не набрал пока достаточного количества твердых клиентов, что бы полностью загрузить комплекс (и оплатить производство оборудования, которое бюджет РФ не финансирует). Надо вспомнить, что большими программами быстрых реакторов сегодня занимаются только в рамках национальных стратегий (России, Индии, Китая и с некоторыми оговорками Европы, Японии и Южной Кореи), но не занимается бизнес - т.е. компании типа Areva (т.е. Orano), Westinghouse, GE Hitachi, хотя у последней, например, есть проект быстрого реактора PRISM.Есть и еще один момент. Как я показал не так давно, быстрые реакторы очень хорошо совместимы экономически с переработкой ОЯТ, и плохо - с открытым циклом. А запрет на переработку ОЯТ по всему миру - краеугольный камень политики США, которую она продвигает уже не первое десятилетие.На момент строительства FFTF в середине 70х (на фото), будущее быстрых реакторов в США еще виделось в гораздо более позитивном ключе.Масштабные национальные программы России, Индии и Китая, понятно, не станут клиентами нового американского БР. Бизнес, в основном, тоже не станет в силу плохой совместимости развития быстрых реакторов и политики США, хотя, скажем TerraPower вполне могла бы занять несколько ячеек в активной зоне предлагаемой установки. Какое же будущее ее ждет?