Японская развилка

15.03.13 13:41

Мирная атомная программа Японии – страны, пережившей в 1945 г. ядерную бомбардировку – стартовала в 1956 г. Всего через десять лет (июль 1966 г.) вступил в строй первый атомный энергоблок АЭС «Tokai-1» с газоохлаждаемым реактором «Magnox» на 160 МВт, приобретенным у Великобритании.

Однако лишь несколько первых реакторов были куплены напрямую за рубежом (преимущественно в США). Впоследствии японские компании «Hitachi Co Ltd», «Toshiba Co Ltd» и «Mitsubishi Heavy Industry Co Ltd» приобрели у американцев техническую документацию и получили лицензии на самостоятельное проектирование и строительство АЭС. Так, «Mitsubishi» освоила технологию PWR, разработанную «Westinghouse», а «Hitachi» и «Toshiba» – технологию BWR компании «General Electric».

С 1973 г. атомная энергетика стала национальным приоритетом Японии. Стране, которая была вынуждена обеспечивать 80 % своих потребностей в энергоносителях за счет импорта, причем около 70 % электроэнергии вырабатывала на арабской нефти, период мировых кризисов, войн и эмбарго 1970-х годов нанес сокрушительный удар по энергобезопасности. В стремлении спастись от нефтяной зависимости Япония сделала ставку на АЭС и за 30 лет нарастила долю атомной энергетики в выработке электроэнергии с 1 % до 29 %.

В результате к концу первого десятилетия XXI века Япония по числу действующих атомных энергоблоков вышла на третье место в мире, уступая лишь США (104) и Франции (59): в стране восходящего солнца на 16 АЭС эксплуатировались 55 энергоблоков суммарной мощностью 49 580 МВт. Причем все реакторы были на легководном теплоносителе: 23 реактора на воде под давлением (PWR), 28 кипящих ректоров (BWR) и 4 усовершенствованных кипящих реактора (ABWR). Хотя стратегия дальнейшего развития предусматривала освоение технологии реакторов на быстрых нейтронах с замыканием ядерно-топливного цикла.

Проблема в том, что собственных запасов урана, так же как и углеводородов, в Японии нет. Импорт природного урана осуществлялся из Австралии, Канады, Намибии, Нигера и США, в последние годы к ним добавился Казахстан. Невысокие цены на сырье делали привлекательным развитие реакторов на тепловых нейтронах, однако уже в ту пору японцы задумывались о внедрении замкнутого ядерно-топливного цикла, с вовлечением в производство отвального урана-238 и плутония из отработанного ядерного топлива. Не случайно Япония овладела полным топливным циклом (включая обогащение свежего топлива, переработку ОЯТ и утилизацию высокоактивных отходов), и достаточно далеко по мировым меркам продвинулась в применении уран-плутониевого «MOX»-топлива (Mixed-Oxide fuel), причем, не дожидаясь освоения технологии быстрых реакторов, начала его внедрение на действующих легководных реакторах. Родилась так называемая «плутермальная» (от «plutonium» + «thermal») программа по переработке плутония, получаемого из использованного топлива.

Существенный вклад в освоение уран-плутониевой топливной программы внес первый экспериментальный завод по переработке ОЯТ «Tokai-mura». Всего в Японии 14 заводов, перерабатывающих ОЯТ, и самым новым и крупным является «Rokkasho-mura», использующий технологию французской «Areva». До его строительства переработка ОЯТ в основном производилась «British Nuclear Fuels Limited» и «Areva» Европе, после чего новое топливо и остеклованные высокоактивные отходы возвращались в Японию. Используя зарубежные перерабатывающие мощности, Япония приступила к внедрению «плутермальной» программы на восьми тепловых реакторах, начав загрузку уран-плутониевого топлива с уровня 25-30 % активной зоны. В перспективе планировалось довести ее до 100 %.

 

Фукусима-1 до аварии (фото pageranker.ru)

 

Несмотря на интенсивный рост, нельзя сказать, что развитие атомной энергетики Японии проходило безоблачно. Так, из-за проблем с надежностью и частых отключений энергоблоков в 1970-х годах средний коэффициент использования установленной мощности АЭС Японии составлял всего 46 %. Существенное влияние оказала и сейсмическая активность практически всей территории страны: так, по итогам землетрясения 2007 г. были остановлены несколько энергоблоков АЭС «Kashiwazaki-Kariwa». Но одним из наиболее раздражающих общественность факторов стала корпоративная закрытость, утаивание событий, происходящих на АЭС. Так, «Tokyo Electric Power Co» (небезызвестная «TEPCO», оператор «Fukushima I»), была вынуждена признать, что в период 1977-2002 гг. фальсифицировала данные по трем АЭС с целью ослабить контроль со стороны правительственных инспекторов. Президент компании подал в отставку. До аварии оставалось менее 10 лет...

 

АЭС «Томари»

 

Анатомия Фукусимы

К тяжелой аварии на АЭС «Fukushima I» 11 марта 2011 г. привела катастрофическая совокупность двух стихий: землетрясения и цунами. Тем не менее, просчеты проектировщиков, разместивших топливные баки резервных дизель-генераторов на затапливаемом уровне, и преступную экономию на строительной высоте защитной дамбы, не рассчитанной на столь высокую волну, могли бы нивелировать эксплуатационники – если бы не были потеряны первые часы после катаклизма. Потеряны в попытке «сохранить лицо», традиционно утаив реальную информацию от коллег и правительственных органов.

Если абстрагироваться от индивидуальных особенностей, авария на «Fukushima I» по системным причинам сродни аварии на Чернобыльской АЭС.

В СССР атомные станции были разделены между двумя ведомствами: Минэнерго и Минсредмашем. Вследствие этого - затруднен обмен информацией и единый подход к поддержанию квалификации специалистов, отсутствуют единые системы взаимопомощи и реагирования на чрезвычайные ситуации, единые принципы управления и подготовки персонала; межведомственные барьеры затрудняют обмен опытом среди специалистов, принцип корпоративности препятствует объективной оценке информации о происшествиях. Итог – Чернобыль...

В Японии атомные станции эксплуатируют девять (!) разных компаний. И пусть они, на первый взгляд, не являются прямыми конкурентами (находятся в разных префектурах), но принцип «не выносить сор из избы», «не потерять лицо» преобладает над здравым обменом эксплуатационным опытом – как позитивным, так и негативным. А правительство оказывается не в силах разрушить этот «кодекс молчания», объединить интересы девятерых «игроков» ради общенациональной безопасности атомной энергетики. Итог – «Fukushima I».

 

Конечно, нельзя не отметить и конструктивные недостатки первого поколения кипящих реакторов BWR. Например: стержни управления и защиты находятся в нижней части реактора и вводятся в активную зону снизу вверх. В то время как современная концепция предусматривает аварийное введение стержней СУЗ сверху вниз – то есть фактически падение без каких-либо усилий извне, просто под действием силы тяжести, которую «отключить» физически невозможно. Однако в реакторах BWR такой принцип невыполним: над активной зоной расположены центробежные и жалюзийные сепараторы пара (то есть стержням СУЗ места нет), к тому же физика реактора подразумевает наиболее эффективное воздействие именно снизу. На «Fukushima I» стержни СУЗ по сигналу сейсмодатчиков сработали штатно и погасили реакцию. Однако их «нижнее» расположение, подразумевающее проходки в нижней части корпуса реактора, могло впоследствии сыграть негативную роль в сохранении его герметичности и способствовать выходу радиоактивной воды в гермооболочку (а далее – во внешнюю среду).

К недоработкам японских атомщиков можно отнести и отсутствие системы подавления водорода (который образовывался в ходе высокотемпературной пароциркониевой реакции, для снижения давления «сдувался» персоналом сначала из реактора в гермооболочку, затем из гермооболочки попадал под своды реакторного зала и там взрывался, разнося «шатер» строительных конструкций).

Наконец, когда стало ясно, что все три ступени резервирования электроснабжения потеряны, можно было сразу начать закачку морской воды в реакторы с помощью внешних подручных средств (тех же пожарных машин): да, безвозвратно губить энергоблоки, но предотвратить расплавление активной зоны (в итоге произошедшее на трех реакторах из шести). Но с этим ответственным решением тоже промедлили.

 

АЭС «Ниигата» (фото atomic-energy.ru)

 

Закрыть или возобновить?

Всплеск негативного общественного мнения после аварии «Fukushima I» привел к остановке в течение 2011 – начала 2012 гг. всех действующих АЭС. Согласно законодательству Японии, после любой остановки атомного энергоблока – даже на регламентное техобслуживание и перегрузку топлива – для последующего пуска требуется согласие местных властей. Правительство под давлением общественности объявило о ликвидации атомной энергетики до 2040 года. В результате Япония меньше чем за год осталась без атомной энергетики, обеспечивавшей почти 30 % потребностей страны.

Результаты не замедлили сказаться. Япония была вынуждена запускать законсервированные ранее тепловые электростанции, наращивать газовую генерацию и закупки углеводородного топлива за рубежом, в результате завершив финансовый год с колоссальным дефицитом бюджета. Но это не спасло: пришлось вводить национальные меры по ограничению энергопотребления, особенно в летний период (когда возрастает нагрузка из-за кондиционеров). С дефицитом энергии боролись разными методами, вплоть до введения свободного «пляжного» дресс-кода для офисных служащих. Тем не менее, угроза принудительных «веерных отключений», столь известных россиянам по кризису 1990-х, нависла над Японией. В результате пришлось вынужденно возобновить работу двух реакторов – 3-го и 4-го энергоблоков АЭС «Ohi».

Нынешнее правительство Японии под руководством Синдзо Абэ уже не столь категорично в отрицании будущего атомной энергетики, как предыдущий кабинет. По словам премьер-министра, Япония не может позволить себе замедлить развитие из-за дефицита и высоких цен на электроэнергию, вызванных закрытием полусотни атомных реакторов по всей стране. Однако новые требования к безопасности, предъявляемые к АЭС Японии, настолько жесткие, что потребуют существенных финансовых затрат на модернизацию. Например, необходимо построить на АЭС защищенные центры управления, откуда персонал смог бы управлять системами отвода остаточного тепловыделения в условиях, схожих с фукусимскими. Станциям, расположенным на морском побережье (а это подавляющее большинство АЭС, поскольку тем самым достигалась существенная экономия в системе охлаждения) понадобится возвести или нарастить имеющиеся защитные стены от цунами. Все это требует больших затрат и отодвигает повторный пуск остановленных энергоблоков на несколько лет.

 

Фото publico.es

 

Замедление быстрых

Делая ставку на ядерно-топливную независимость, Япония определила своим стратегическим направлением реакторы на быстрых нейтронах с замкнутым ядерно-топливным циклом. Однако не смогла преодолеть ряд технологических и эксплуатационных проблем.

В 1977 г. был запущен экспериментальный быстрый реактор с натриевым теплоносителем «Joyo» мощностью 140 МВт, на котором отрабатывались физические основы технологии быстрых реакторов. В 1994 г. вступил в строй опытный быстрый реактор «Monju» мощностью 280 МВт. Дальнейшие планы у Японии были глобальными: к 2025 г. получить демонстрационный прототип быстрого реактора мощностью 1500 МВт и реализовать национальную независимость от внешнего мира на основе уран-плутониевого замкнутого ядерно-топливного цикла. Однако с «Monju» не заладилось.

Вскоре после пуска, в декабре 1995 г., из-за вибрации, вызванной колебаниями потока натрия, разрушился наконечник чехловой трубы термопары, погруженной во внутреннюю полость трубопровода. Поскольку между термодатчиком и проходкой в трубопроводе существовал зазор, через него началась утечка натрия. И все бы ничего: натрий был нерадиоактивный, чистый, из 2-го контура. Но, пока персонал разбирался в ситуации, переведя энергоблок на ручное управление, во внутреннее помещение вытекло несколько сотен килограммов (по некоторым оценкам, до 3-х тонн) жидкого металла. При контакте с воздухом натрий начал интенсивно окисляться («гореть»), выделяя такое количество тепла, что в помещении даже оплавились некоторые металлические конструкции.

И опять раздражающим фактором для общественности стали попытки эксплуатирующей компании «сохранить лицо», скрыть информацию о происшествии, чтобы не возбуждать население. Вышло все наоборот: реактор «Monju» так и не возобновил работу. Намерение перезапустить реактор было остановлено судебным решением по иску местных жителей в 2003 г. И, хотя в 2005 г. Верховный Суд отменил местный судебный запрет, реактор так и не заработал: в августе 2010 г., при операциях по перегрузке топлива внутри реактора, сорвался с защелки и упал с высоты 2 метров передаточный механизм (трубчатая конструкция длиной 12 метров и весом 3,3 т). И, опять же, ничего страшного, но упавший внутри реактора механизм перекрыл возможность дальнейших операций с топливными сборками. Процедура его извлечения завершилась лишь в июне 2011 г., но тогда препятствием к запуску стал уже «фукусимский синдром».

Тем не менее, японцы не теряют надежду освоить технологию быстрых реакторов: во всяком случае, они продолжают изучение опыта успешной эксплуатации российского быстрого реактора БН-600 и перспектив строящегося БН-800.

 

Фото dc2.net23.info

 

Мал и не удал?

Большие надежды до фукусимской аварии возлагали японцы на экспансию реакторов малой мощности. На протяжении почти 10 лет шли переговоры между компанией «Toshiba» и удаленным поселком Галена на Аляске (США), который обеспечивается электроэнергией от дизель-генераторов, в результате чего стоимость киловатт-часа достигает 56 центов, т.е. среднее домохозяйство платит в месяц за электроэнергию до $6 тыс. Японцы предложили построить в деревне быстрый натриевый реактор типа 4S (super-safe, small and simple – сверх-безопасный, маленький и простой) мощностью 10 МВт. Сам реактор, заглубленный в землю, должен был работать без доступа персонала, обслуживания и перезагрузки 30 лет, в блоке с расположенным на поверхности турбогенератором. Стоимость киловатт-часа предполагалась порядка 11 центов. Однако, по ряду причин, проекту этому так и не суждено было сбыться.

Частично виноваты сами японцы: изначально предлагая поставить пилотный экземпляр реактора бесплатно (т.к. рынок сбыта малых АЭС огромен, но для продаж требуется действующий референтный энергоблок), впоследствии они заговорили о коммерческой выгоде.

Возникли проблемы с финансированием охраны реактора: по американским законам, вне зависимости от мощности ядерной установки ее должен охранять профессиональный воинский контингент, содержать который не по силам поселку в 700 жителей.

Главное же – сверхсложная процедура лицензирования нового реактора по законам США. Особенно, если это затрагивает интересы местной компании, предлагающей свою малую АЭС с реактором «Hyperion».

Есть и технические вопросы. Японцы, понадеявшись на абсолютную надежность своей техники, сделали реактор полностью недоступным для обслуживания на месте: только в заводских условиях, по истечении 30-летней кампании. Однако практика показывает, что полную надежность механизмов не может гарантировать даже японское качество техники. Кроме того, применена совершенно новая схема управления реактивностью: отражатель нейтронов очень медленно (со скоростью 4 мм в месяц) движется вдоль длинной активной зоны, и только в месте его нахождения идет ядерная реакция. Опыта длительной эксплуатации такой схемы в мире еще не существует.

Фукусимские события, в довесок к остальным проблемам реактора проекта 4S, привели к его практическому фиаско. Во всяком случае, на ближайшее десятилетие.

 

Фото liveinternet.ru

 

Точку ставить рано

Невзирая на трудности, которые принесла авария «Fukushima I», у японской атомной энергетики есть неплохие шансы на возрождение. Накоплен немалый опыт эксплуатации (если объединить его по девяти эксплуатирующим организациям). Японцы сумели освоить строительство АЭС в весьма сложных сейсмических зонах (даже устаревшие реакторы «Fukushima I» без проблем выдержали катастрофическое землетрясение). У них есть изрядные наработки по созданию и использованию уран-плутониевого MOX-топлива. Наконец, они быстро строят (на согласование строительства может уйти до 20 лет, а на сооружение – 4 года) и продумывают последующий вывод из эксплуатации. Например, вывод из эксплуатации первой АЭС «Tokai-1» займет 20 лет: 10 лет будет снижаться радиоактивность, затем будут удалены парогенераторы и турбины, далее реактор будет демонтирован, здания – снесены, а освободившееся место готово к дальнейшему использованию. Кстати, уже существует план демонтажа аварийной АЭС «Fukushima I»: в 2012 г. началось удаление неповрежденных топливных сборок из реакторов, в 2022 г. начнется удаление расплавившегося топлива, а полный демонтаж станции завершится к 2042 г.

Сейчас Япония рассматривает также альтернативные варианты энергоснабжения: началась пробная добыча метаногидрата (разновидности природного газа, встречающегося под океанским дном в виде твердого снегоподобного вещества), планируется построить 143 ветровые турбины в море у побережья Фукусимы (по суммарной мощности они смогут заменить одну пятую часть выбывшей из эксплуатации АЭС «Fukushima I»). Тем не менее, без атомной энергетики Японии не обойтись – это понимает правительство, поймет и общественность: по итогам опроса среди мэров «приатомных» городов, 5% готовы одобрить перезапуск АЭС на любых условиях, 49% - при условиях повышения безопасности и открытости перед населением, 28% - затруднились с ответом, и лишь 18% категорически против. Значит, пройдя трудный исторический этап и сделав серьезные выводы, японская атомная энергетика имеет шансы на возрождение.

 

Руслан Новорефтов

Читайте также: