Как создается база новой российской ядерной энергетики.
Далеко не все знают о том, что в Европе и США интерес к ядерной энергетике вот уже на протяжении четырех десятилетий последовательно падает. Доля генерации электроэнергии на атомных электростанциях в мире с 1980-х годов по настоящее время уменьшилась с 18 до 9%. Причины - ошибки прошлых этапов и связанные с ними трагические события (Три-Майл-Айленд, Чернобыль, Фукусима), а также отсутствие общепринятого решения о том, что делать с отработанным ядерным топливом, которого в мире скопилось около 250 тысяч тонн.
При этом госкорпорация «Росатом» в 2019 году приняла и начала реализовывать долгосрочную (до 2100 года!) программу развития атомной энергетики, предусматривающую кардинальное техническое перевооружение отрасли и завоевание лидирующих позиций в сфере использования мирного атома.
Каковы были предпосылки для запуска этого амбициозного проекта? Какие новые научные и технологические решения необходимы для ускоренного продвижения вперед? Ответы на эти вопросы на декабрьской научной сессии Общего собрания членов Российской академии наук, посвященной роли РАН в решении проблем научно-технологического развития страны, дал председатель Научно-технического совета ГК «Росатом», научный руководитель Российского федерального ядерного центра - Всероссийского научно-исследовательского института технической физики им. академика Е.И.Забабахина академик Георгий РЫКОВАНОВ.
Ученый привел ряд аргументов, доказывающих целесообразность ускоренного развития атомной энергетики (АЭ). Первый основан на сравнении энергоемкости различных природных ископаемых. В сегодняшних реалиях (использование тепловых реакторов с открытым ядерным циклом, работающих на уране (U-235)) энергетические запасы атомного топлива существенно уступают другим ископаемым источникам - уголь, нефть, газ. Однако если начать в широких промышленных масштабах вовлекать в оборот более распространенный в природе U-238, применяя реакторы на быстрых нейтронах, ситуация радикально изменится. За счет оптимального режима использования ядерного сырья и замыкания топливного цикла энергетическая база АЭ увеличится в 150 раз, что выведет атомную отрасль на приоритетную позицию в общем балансе энергоресурсов. Запасов U-238, по подсчетам ученых, хватит на четыре тысячи лет. Уголь же, например, закончится через 400 лет.
Немаловажное значение имеют и экологические причины. Атомные электростанции (АЭС) не загрязняют атмосферу и не оказывают отрицательного воздействия на глобальные климатические процессы, связанные с выбросами углекислого газа и потеплением. Отрицательными моментами активно развиваемых сегодня ветровой и солнечной энергетик являются относительно высокая ресурсоемкость и необходимые для разворачивания батарей и генераторов огромные площади, на порядки большие, чем требуется для работы АЭС.
Кроме того, развитие ядерной энергетики экономически выгодно. По существующим прогнозам, только в дружественных России (в соответствии с распоряжением Правительства РФ №430-р от 2022 года) странах до 2050-го года будет введено от 190 до 320 гигаватт атомных мощностей. Этот рынок высокотехнологичных работ оценивается приблизительно в 1,6 триллиона долларов.
С учетом перечисленных факторов в Росатоме и была принята стратегия развития двухкомпонентной атомной энергетики. Такое название она получила в связи с тем, что базируется на двух типах установок. Первый - усовершенствованные водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР), стандартные реакторы такого типа сегодня являются основой АЭ страны; второй - реакторы на быстрых нейтронах (РБН). За обоснование концепции двухкомпонентной ядерной энергосистемы ее авторы Евгений Адамов, Владимир Асмолов и Михаил Ковальчук получили Государственную премию в области науки за 2023 год.
В рамках разработанной программы ВВЭР и РБН планируется заменить установками с улучшенными показателями безопасности, экономической эффективности и удлиненным сроком службы. Это позволит повысить КПД процесса и замкнуть топливный цикл. Таким образом, атомная отрасль, по сути, перейдет в разряд возобновляемых источников энергии. Дело в том, что U-238 в них будет превращаться в делящийся материал и относящиеся сегодня к категории радиоактивных отходов долгоживущие минорные актиниды в результате трансмутации станут топливом. Благодаря рециклингу снизится потребность в природном уране, уменьшатся объем и токсичность радиоактивных отходов.
Георгий Рыкованов представил сценарий перехода на новую энергетическую систему и рассказал, какие процессы и технологии находятся в стадии исследования и что предстоит создать с нуля.
Предполагается, что 2025-2035 годы станут этапом становления передовых технологий, проверки их состоятельности, внедрения уникальных компонентов системы, увязки топливных балансов. Запланированные на этот период работы вошли в готовящийся к старту нацпроект «Новые атомные и энергетические технологии».
После этого начнется постепенное замещение действующих АЭС энергоблоками обоих типов повышенной безопасности и эффективности.
Создание новой технологической платформы атомной отрасли идет достаточно успешно, отметил академик Рыкованов. В настоящее время на Кольской АЭС-2 находится в стадии подготовки и проектирования модернизированный водо-водяной реактор ВВЭР-С. Он будет иметь высокую производительность за счет перехода к стопроцентной загрузке уран-плутониевым топливом. Реактор оснащен усовершенствованными системами безопасности. Запуск его головного блока запланирован на 2035 год.
Ключевые элементы стратегии развития двухкомпонентной атомной энергетики отрабатываются на площадке Сибирского химического комбината в Северске (Томская область). Там строится инновационная установка на быстрых нейтронах реактор БРЕСТ-300 - первая в мире ядерная энергосистема IV поколения. Это будет полноценный промышленно-энергетический комплекс: на одной площадке разместятся реактор, завод по изготовлению топлива и предприятие по переработке ядерных отходов. Строительство БРЕСТ-300 началось в 2021 году, пуск реактора запланирован на 2028-й. Проект является частью программы «Прорыв», направленной на развитие ядерных технологий нового поколения.
Россия - мировой лидер развитии и применении новой перспективной пирохимической технологии для обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ). Она основывается на использовании высоких температур (400-800 °C) для переработки ОЯТ путем растворения в расплавленных солях и разделения или электролиза расплавов. Использование пирохимии позволяет сократить время выдержки ОЯТ до переработки с 7 до 1-2 лет. Однако сегодня степень извлечения и очистки урана и плутония все еще не достигает уровня традиционного PUREX-процесса - основного метода переработки ОЯТ на большинстве заводов мира. Этот показатель необходимо повышать.
На повестке дня стоят и вопросы обеспечения промышленного масштаба и стабильности процессов. Работы по совершенствованию технологии активно ведутся. К 2045-2050 годам планируется запустить завод по переработке ОЯТ от реакторов ВВЭР и РБН с использованием самых современных методик.
Совершенствуются и способы хранения высокоактивных ядерных отходов. Сегодня их помещают в матрицы из стекла, которые необходимо где-то безопасно складировать. Российские ученые предложили идеологию радиационно-миграционного захоронения таких блоков, привлекательную с точки зрения простоты воплощения и минимизации расходов.
Решение подсказала природа. На урановых месторождениях, окруженных массивами глинистых пород, радиационные проявления на поверхности не обнаруживаются. Глины оказываются хорошим экраном благодаря гидроизолирующим свойствам.
Проводятся эксперименты по исследованию методов долговременного хранения ОЯТ в контейнерах, окруженных бентонитовой глиной. Методами математического моделирования показано, что при таком способе расчетное время выхода изотопов на поверхность - от тысяч до миллионов лет. Для разработки и тестирования технологий размещения радиоактивных отходов и оценки долгосрочных рисков, связанных с миграцией радионуклидов, в Канском горном массиве вблизи Красноярска на глубине 400-600 метров строится подземная исследовательская лаборатория. Планируемый срок ее введения - 2035 год.
Георгий Рыкованов сообщил, что на сегодня ни в одной стране мира не получено разрешение на захоронение ОЯТ. Надо быть готовым, что такое ограничение будет сохраняться. Это означает, что для масштабного развития атомной энергетики необходимо резко сокращать объемы высокоактивных отходов. С этой целью российские коллективы радиохимиков разрабатывают технологии, нацеленные на выделение различных фракций из ОЯТ и их последующее «дожигание» - перевод в осколки и менее опасные изотопы.
Большие объемы исследований требуются и для решения задач по увеличению КПД ВВЭР-реакторов, работающих на U-235. В активной зоне реактора при увеличении температуры и давления теплоносителя возникает режим с ухудшенной теплоотдачей. Это сложное физическое явление, которое может снижать безопасность и эффективность работы систем, использующих сверхкритические параметры, до конца не изучено. Понимание этих процессов и разработка средств их предотвращения крайне важны для обеспечения безопасной и стабильной работы установок. Обмен информацией по этой теме идет в рамках МАГАТЭ. С 2022 года российские специалисты в нем не участвуют. Следовательно, необходимо расширять собственные работы по этому направлению, считает Георгий Рыкованов.
Для дальнейшей модернизации реакторных систем в двухкомпонентной ядерной энергетике требуются новые конструкционные материалы с улучшенными свойствами, выдерживающие мощное и долговременное радиационное воздействие. Сегодня на изучение и аттестацию одного образца специальной стали уходит примерно восемь лет, включая пять лет облучения в реакторной зоне. Стоит задача снизить время проведения экспериментов, заменив нейтронное воздействие другими видами облучения (протонным, ионным), схожими по влиянию на структуру материалов, но позволяющими определить их перспективность за более короткий срок. Атомщики возлагают надежду и на цифровое материаловедение - предсказание свойств соединений на основе компьютерного моделирования. При проведении этих исследований и аттестации новых конструкционных материалов представители отрасли надеются на помощь ученых РАН и Курчатовского института.
В рамках нацпроекта «Новые атомные и энергетические технологии» Росатом успешно работает над созданием малых реакторных установок для обеспечения объектов, находящихся в удаленных и труднодоступных районах с децентрализованным энергоснабжением. Сегодня Россия является лидером в разработке и эксплуатации таких объектов. Первая в мире коммерческая плавучая атомная теплоэлектростанция «Академик Ломоносов» с 2019 года успешно работает в Чукотском автономном округе. Обсуждается строительство подобных блоков в Якутии и на Чукотке.
Основной вывод из доклада состоит в том, что в России ядерная энергетика была и будет локомотивом развития науки и широкого спектра индустриальных и технологических сегментов экономики страны. В результате выполнения реализуемой программы нашей стране будут обеспечены лидирующие позиции в таких направлениях, как технологии создания атомных реакторов большой и малой мощности, замыкание топливного цикла, переработка и захоронения ядерных отходов, изучение свойств материалов при радиационном воздействии, термоядерные исследования.
Расширение участия РАН в этих работах - необходимое условие успешной реализации программы.
Академик Георгий Рыкованов любезно согласился ответить на вопросы «Поиска» по материалам доклада.
– На показанном вами графике видно, что в мире доля энергии, вырабатываемой ядерными реакторами, снижается. А каковы динамика и тренды в России?
– В России доля атомной энергетики возрастает. Сейчас она составляет примерно 20% и постоянно увеличивается, хотя не очень быстро, так как приходится постоянно замещать выводимые из эксплуатации блоки новыми. Президентом РФ поставлена задача к 2045 году увеличить долю этого вида энергии до 25%.
– Вы сказали, что ни в одной стране мира не получено разрешение на захоронение отработанного ядерного топлива или высокорадиоактивных отходов. Но сейчас оно же где-то хранится. На каких условиях?
– Сейчас осуществляется не захоронение, а долговременное хранение. Очевидно, что отработанное ядерное топливо или высокорадиоактивные отходы от его переработки лучше хранить под землей, чем на поверхности. В большинстве случаев это, по существу, контролируемое захоронение, поскольку предполагается возможность «переноса» отходов в другое место при возникновении какой-либо непредвиденной ситуации.
– Решены ли упомянутые в вашем докладе ключевые материаловедческие проблемы ядерной энергетики? Годятся ли используемые сегодня материалы для создания перспективных реакторов, о которых идет речь в «дорожной карте» развития двухкомпонентной атомной энергетики? Или для реализации этого проекта необходимы новые материалы, которые предстоит в течение долгих лет исследовать в натурном и численном экспериментах?
– Во всех проектируемых и разрабатываемых в рамках двухкомпонентной стратегии реакторах применяются уже проверенные конструкционные материалы. Новые разработки нужны для дальнейшего развития реакторных систем.
Надежда Волчкова
На снимке: на строительстве реактора БРЕСТ-300.
Фото: news.tpu.ru
