Профессор НИЯУ МИФИ, заслуженный работник высшей школы Владимир Харитонов сделал обзор современного состояния мировой ядерной энергетики и проанализировал возможные пути ее развития.
О влиянии энергетики на развитие цивилизации сказано немало. Есть мнения крайнего толка, например такое: «История развития человеческой цивилизации была и остается историей развития энергетики: освоения новых видов энергетических ресурсов, борьбы и войн за контроль над ними и над коммуникациями. Все прочее второстепенно». Отчасти это справедливо.
Чем больше производится и потребляется энергии в стране, тем выше ее благосостояние, валовой внутренний продукт, качество жизни и так далее. В то же время современная цивилизация, понимая ограниченность ресурсов, проводит политику энергосбережения. В результате в ряде наиболее развитых стран рост ВВП фактически не связан с ростом потребления энергии.
О структуре мирового потребления первичной энергии
Более 85% потребления первичной энергии человечеством приходится на углеводороды: уголь, нефть и газ. Ядерная энергия занимает всего лишь 5%. Сейчас довольно бурно развиваются возобновляемые источники (солнечная, ветровая энергия, ряд других), но пока их вклад в производство первичной энергии не выше 3%.
Электроэнергия — пожалуй, самый удобный вид энергии: она легко преобразуется в другие виды, контролируется, измеряется. Поэтому иногда качество жизни населения и степень цивилизованности страны оцениваются по количеству производимой электроэнергии на душу населения. Более 66% всей электроэнергии в мире производится также из углеводородов. Ядерная энергетика сегодня дает около 11%, а солнечная, ветровая и другие возобновляемые источники энергии — около 5%, то есть довольно быстро догоняют ядерную.
Вследствие высокой капиталоемкости энергетики крупнейшие мировые компании проводят регулярный мониторинг ее развития, пытаются его прогнозировать, но с переменным успехом. Прогноз МАГАТЭ, например, утверждает, что в 2050 году производство электроэнергии в мире удвоится по сравнению с 2018 годом и составит более 51 000 ТВт·ч в год, то есть темпы роста составят около 2,3% в год. Согласно ряду других прогнозов, они окажутся в диапазоне 1−3% в год.
Динамика исчерпания традиционных энергоресурсов
Очень важный показатель развития энергетики и экономики в стране — наличие у нее энергетических ресурсов и обеспеченность ими на длительную перспективу. По нефти лидируют Венесуэла (46,5 млрд тонн), Саудовская Аравия (36,5 млрд тонн), Канада (28 млрд тонн). Ресурсы России — 11,9 млрд тонн нефти. По запасам природного газа в тройке лидеров — Иран (33,6 трлн м³), Россия (32,9 трлн м³), Катар (25,1 трлн м³).
Мировые невозобновляемые ресурсы (углеводороды и уран), по геологическим данным, составляют 45 тыс. ЭДж. Их потребление достигло 525 ЭДж в год и непрерывно возрастает. Ряд математических моделей показывают, что в 2030—2040-х годах будет достигнут пик предложения углеводородного топлива и урана. Последует довольно быстрый спад, и к концу века традиционные ископаемые ресурсы будут в значительной степени исчерпаны.
Напротив, потребность в первичной энергии в мире растет примерно на 1,5% в год. Поэтому после 2040-х годов возникнет заметный, постоянно возрастающий дефицит первичной (традиционной) энергии; чем существеннее будут расти потребности в ней, тем выше окажется дефицит.
Дефицит энергии: как его покрыть?
Какие источники можно использовать для покрытия прогнозируемого дефицита энергии?
Во-первых, разработка нетрадиционных ресурсов, требующая новых технологий и повышенных инвестиций (сланцевые нефть и газ, газогидраты, растворенные в морской воде соли урана и так далее). Во-вторых, освоение возобновляемых ресурсов. Энергия солнца колоссальна, ее хватило бы на удовлетворение всех потребностей человечества, но она распределена по нашей планете очень неравномерно, рассеяна в пространстве и непостоянна во времени. Ветровые электростанции работают наиболее эффективно, когда скорость ветра превышает 10 метров в секунду. Это довольно серьезный ветер, и далеко не везде такие возможности есть. Наиболее «древний» возобновляемый источник энергии — гидроэнергия, но ее потенциал почти исчерпан. И все же в последнее время активно развиваются возобновляемые источники энергии, в первую очередь солнечная и ветровая энергетика.
И наконец, третий источник — это бридинг (размножение) ядерного топлива: получение ²³⁹Pu из ²³⁸U и ²³³U — из ²³²Th. Уникальность ядерной энергетики состоит в ее способности производить новое, искусственное топливо в количестве большем, чем сгорает исходного ²³⁵U. Благодаря бридингу энергетические ресурсы ядерной энергетики возрастают более чем в 140 раз, что может снять проблему дефицита энергии на длительную перспективу (тысячелетие и более). Однако сегодня работают только два промышленных прототипа реакторов-бридеров: БН‑600 и БН‑800 на Белоярской АЭС в России. Остальные 443 энергетических реактора в мире — тепловые, они лишь частично используют реакции бридинга и не имеют долгосрочной перспективы из-за низкой эффективности использования природного урана.
Несколько слов о принципах ядерного бридинга. Деление ядра ²³⁵U вызывает один нейтрон, а в результате деления образуется в среднем 2,4 вторичного нейтрона. При делении ²³⁹Pu образуется еще больше вторичных нейтронов — 3 и более.
С одной стороны, чем энергичнее нейтрон, вызывающий деление, тем больше образуется вторичных нейтронов и тем больше с их помощью можно производить нового топлива — ²³⁹Pu из ²³⁸U или ²³³U из ²³²Th. Можно также трансмутировать радиоактивные нуклиды, с тем чтобы уменьшить количество радиоактивных отходов.
С другой стороны, чем ниже энергия нейтрона, вызывающего деление, тем больше вероятность деления и тем меньше требуется делящегося нуклида для образования критической массы. Если средняя энергия нейтронов, вызывающих деление, приближается к температуре топлива в реакторе, то вероятность деления увеличивается в 1000 раз по сравнению с вероятностью деления от быстрых нейтронов, каковыми являются вторичные нейтроны, образующиеся при делении.
Поэтому целесообразно разбавлять уран замедлителем нейтронов — тяжелой или легкой водой, графитом — для уменьшения количества необходимого делящегося нуклида и создания критмассы. По этому пути идет развитие реакторов на тепловых нейтронах. Но при этом ухудшаются условия для бридинга.
Наилучшие условия для бридинга создаются в реакторе с быстрым спектром нейтронов, при использовании в качестве делящегося нуклида ²³⁹Pu, а не ²³⁵U.
Пока лучше освоен уран-плутониевый топливный цикл, однако в ряде стран, особенно в тех, где много тория, например в Индии, ведутся исследования в области ториевого цикла.
Рассмотрим далее развитие главных «безуглеродных» конкурентов ядерной энергетики — солнечной и ветровой энергетики.
Электричество из пустыни
В 2009 году стартовал весьма амбициозный проект Desertec, предполагавший строительство крупнейшей в мире системы солнечных электростанций в пустыне Сахара на севере Африки.
Электроэнергия должна была поступать в Европу по высоковольтным магистралям, проложенным по дну Средиземного моря. В 2009 году был создан консорциум, в который вошли около 20 немецких компаний, а также их коллеги из Италии и Испании. Интерес к проекту проявляли инвесторы из Алжира, Марокко, Саудовской Аравии, Франции, Греции и Китая. Общий запланированный объем инвестиций — около € 400 млрд.
Предполагалось, что уже к 2020 году Desertec будет обеспечивать не менее 15% потребностей Европы в электроэнергии, а после выхода установок на полную мощность электростанции смогли бы вырабатывать до 100 ГВт экологически чистой энергии. Однако в 2012 году проект был свернут. Одной из главных причин этого эксперты называют многочисленные «оранжевые» революции, прокатившиеся по северному побережью Африки в 2011 году.
Несмотря на неудачу проекта Desertec, прирост установленной мощности и производства электроэнергии ВИЭ в мире значительно превышает прирост АЭС: с 2000 по 2016 год в мировой ветроэнергетике было построено 451 ГВт, солнечной энергетике — 301 ГВт, тогда как в ядерной энергетике — только 36 ГВт, то есть в 21 раз меньше. При этом дополнительно произведенное количество электроэнергии на АЭС только в шесть раз уступает ВИЭ — и это связано с непостоянством работы ВИЭ.
Мировые инвестиции в развитие солнечной и ветровой энергетики достигают $ 300 млрд в год, в то время как в ядерную энергетику вкладывается не более $ 10 млрд. Страны — лидеры по инвестициям в ВИЭ: Китай (более $ 110 млрд в год), США (более $ 50 млрд), Великобритания (около $ 25 млрд).
Мировая ядерная энергетика сегодня
Наибольшее количество ядерной электроэнергии производится в Западной Европе и Северной Америке. Быстро развивается Азиатский регион, особенно Китай и Индия. Лидеры по производству ядерного электричества — США (805 ТВт·ч в год, 99 реакторов, 20% производства электроэнергии в стране), Франция (379 ТВт·ч в год, 58 реакторов, 72%), Китай (247 ТВт·ч в год, 45 реакторов, 4%). В Китае строится по пять-шесть новых реакторов в год. Если бы Китай удовлетворял свои потребности в энергии только с помощью угля, неизбежно наступил бы транспортный и экологический коллапс. Поэтому Китаю необходимо развивать и ядерную энергетику, и ВИЭ, чем он активно и занимается. В Европе, включая Россию, — 194 реактора, вырабатывающих 30% всей электроэнергии. Мощно развивает ядерную энергетику Южная Корея: сегодня эта небольшая по территории страна с населением 51,5 млн человек имеет установленные мощности 22 ГВт (для сравнения: у России — 28 ГВт).
В 2018 году в 31 стране, где проживает более двух третей человечества, работали 445 реакторов суммарной мощностью 396 ГВт. Показательно, что страны, обладающие значительными запасами углеводородных ресурсов — газа и нефти (Иран, Саудовская Аравия, Канада, ОАЭ и другие), активно строят или планируют сооружать АЭС. С одной стороны, это диверсификация источников энергии, с другой — все учитывают неизбежность исчерпания углеводородов и, естественно, сильную волатильность цен в связи с этим.
Какие типы реакторов работают сегодня в мире?
В основном, тепловые реакторы. Из них наибольшее распространение получили реакторы с водой под давлением (pressurized water reactors — PWR, в России они называются ВВЭР). Более 80% — реакторы корпусного типа: корпус из нержавеющей стали диаметром около 4,5 метров, высотой 15−20 метров, с толщиной стенок 25−30 см. Корпус держит давление 160 атмосфер, необходимое для того, чтобы получить достаточно высокую температуру кипения воды и тем самым — высокий КПД преобразования тепла в электричество (хотя бы на уровне 33%).
Долгое время основным критерием развития ядерной энергетики была безопасность. Однако если мы хотим увидеть больший вклад ядерной энергетики в общий энергобаланс — например, более 25%, и при этом на длительную перспективу, — то такие масштабы требуют новых критериев. Во-первых, это обеспечение конкурентоспособности ядерной энергетики с другими видами электрогенерации. Во-вторых, исключение аварий, требующих эвакуации или отселения людей и загрязняющих территории (максимально допустимый ущерб — потеря блока АЭС). В-третьих, это полное использование энергетического потенциала сырья на длительную перспективу. В-четвертых, радиационно-эквивалентное обращение ядерных материалов в топливном цикле с сохранением природного радиационного баланса. И в‑пятых, это усиление режима нераспространения ядерного оружия за счет исключения наработки и выделения чистых ²³⁵U и ²³⁹Pu оружейного качества, а также, возможно, постепенный отказ от использования технологий разделения (обогащения) изотопов урана.
Если посмотреть на все типы реакторов с точки зрения этих критериев, то получается, что реакторы на тепловых нейтронах, использующие менее 1% добываемого урана, не обеспечены ресурсами на длительную перспективу, хотя они достаточно надежны, конкурентоспособны и безопасны. Поэтому без быстрой ядерной энергетики (бридинга) долгосрочный сценарий развития большой ядерной энергетики маловероятен.
Сегодня в мире в основном строятся реакторы поколений III и III+, к ним относятся наши ВВЭР‑1200 и ВВЭР-ТОИ. Есть проект Generation IV, его разрабатывает международный коллектив специалистов, в том числе российские ученые. Это разработка конструкции реакторов и ядерно-энергетических систем в целом, приемлемых для общественности и удовлетворяющих всем вышеперечисленным критериям, начиная с 2030—2040-х годов.
Три «атомных» пути
При прогнозировании развития ядерной энергетики приходится учитывать множество факторов; среди них: оценка ресурсов, анализ ядерного топливного цикла, включая добычу, конверсию, обогащение, фабрикацию ТВС, обращение с ОЯТ и так далее. Эксперты разных стран, в том числе международный коллектив МАГАТЭ, используют различные программные продукты, позволяющие оптимизировать процесс построения сценариев. Одна из наиболее распространенных программ, которую поддерживает МАГАТЭ (в рамках проекта ИНПРО), — MESSAGE. Кроме того, имеются национальные программы (в России, например, активно используется программа CYCLE). С помощью этих инструментов можно формировать достаточно надежные прогнозы, хотя исходные данные сегодня отличаются большой неопределенностью по многим факторам.
Эксперты выделяют три основные группы сценариев развития ядерной энергетики: полный отказ, инерционные сценарии и развитие на базе реакторов на быстрых нейтронах.
Итак, первая группа сценариев — отказ от ядерной энергии. Некоторые страны уже встали на этот путь. При анализе динамики вывода АЭС из эксплуатации учитываются как проектный срок службы реакторов, так и возможное его продление. Однако в любом случае во второй половине XXI века ядерная энергетика в этом сценарии прекратит существование. Предполагается, что все выбывающие мощности ядерной энергетики будут компенсированы ВИЭ.
Каковы будут последствия? Во-первых, при выводе из эксплуатации более 440 реакторов необходимо будет обеспечивать их радиационную безопасность. Во-вторых, останется проблема «ядерного наследия»: отработавшего ядерного топлива, радиоактивных отходов и тому подобного.
Вторая группа сценариев — инерционные, так называемые business as usual. По этим сценариям, ядерная энергетика развивается с помощью тепловых реакторов нынешнего типа (или поколения IV) теми темпами, которые обеспечиваются имеющейся промышленной базой и политической поддержкой.
Несколько лет назад МИФИ составил прогноз установленной мощности АЭС в ряде стран на основе стохастического моделирования жизненных циклов тепловых реакторов. Согласно этим прогнозам, в Китае к 2035 году будет в два раза больше реакторов, чем сейчас в США — крупнейшей ядерной державе.
В конце 2017 года Всемирная ядерная ассоциация (WNA) представила амбициозную программу развития мировой энергетики «Гармония». Цель этой программы — достичь к 2050 году 25% мирового производства электроэнергии на АЭС (сейчас 10,5%). Для этого потребуется создать более 1000 ГВт новых ядерных мощностей. То есть придется строить сначала по 10 реакторов в год, затем дойти до 33 реакторов (в последние пять лет вводилось по 5−10 реакторов в год).
Однако в вышеописанных сценариях не учитывалась ограниченность ресурсов природного урана. С 2009 года МАГАТЭ подразделяет эти ресурсы на четыре ценовые категории: себестоимостью добычи ниже $ 40 за 1 кг, ниже $ 80, ниже $ 130 и ниже $ 260. Последних — по геологическим данным, которые обнародовала МАГАТЭ, — около 8 мегатонн. Есть данные о том, что в традиционных источниках содержится около 13 мегатонн урана, но цена его добычи пока не определена: она может быть в два раза больше, то есть $ 500 за 1 кг.
Ресурсы самого дешевого урана в ближайшие годы будут выработаны практически полностью; уже началось использование ресурсов себестоимостью до $ 80 за 1 кг и выше. Чем выше стартовый темп развития ядерной энергетики, тем быстрее исчерпываются ресурсы урана. Так, для реализации программы «Гармония» на тепловых реакторах к 2050 году потребуется около 5,5 мегатонны природного урана из разведанных 8 мегатонн с себестоимостью добычи до $ 260 за 1 кг.
В связи с исчерпанием дешевых ресурсов урана можно ожидать в ближайшие годы роста цен на природный уран. При относительно высоких темпах развития ядерной энергетики (около 3% в год) к 2030 году себестоимость добычи урана удвоится, а еще через пять лет (к 2035 году) утроится. Следовательно, будет расти топливная составляющая стоимости электроэнергии АЭС на тепловых нейтронах. Кроме того, более 80% добытого урана будет храниться в виде отвального (обедненного) урана, образующегося при обогащении до ≈5% природного урана для изготовления топлива. Остальные 20% добытого урана будут превращены в отработавшее ядерное топливо с высокой долгоживущей радиоактивностью.
Таким образом, инерционные сценарии развития ядерной энергетики на тепловых реакторах не позволяют увеличить долю АЭС в мировом производстве электроэнергии в долгосрочной перспективе.
Двухкомпонентная энергетика: кардинальное решение проблем
На мой взгляд, идея двухкомпонентной ядерной энергетики сегодня не имеет альтернативы. Чтобы правильно вписать в развитие ядерной энергетики реакторы на быстрых нейтронах, необходимо взаимодействие тепловой и быстрой энергетики. Тепловые реакторы производят сравнительно дешевую электроэнергию, поскольку их технологии уже достаточно хорошо отработаны; а быстрые реакторы благодаря бридингу обеспечивают топливную базу и для тепловых реакторов, и для себя, уменьшая потребность в природном уране и продлевая ресурсную базу. Двухкомпонентная ядерная энергетика, объединенная замкнутым топливным циклом, обеспечит кардинальное решение основных проблем ядерной энергетики: обращение с отработавшим топливом, с радиоактивными отходами и повышение эффективности использования природного урана.
Интенсивность роста этого направления зависит не только от ресурсов природного урана и от темпов накопления нового искусственного топлива, но и от политической воли лиц, принимающих решения.
Какие именно реакторы на быстрых нейтронах будут наиболее эффективны в развивающейся двухкомпонентной ядерной энергетике? Пока трудно однозначно ответить на этот вопрос, но технологически лучше всего освоены реакторы с натриевым охлаждением, такие как БН‑600 и БН‑800. Близится к завершению проектирование коммерческого реактора БН‑1200. Однако с точки зрения критериев большой ядерной энергетики предпочтительнее использовать в качестве теплоносителя быстрых реакторов свинец, а не натрий. Поэтому и в России, и в рамках международного проекта GIF-IV разрабатываются не только реакторы типа БН, но и реакторы со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ.
Рассмотрим некоторые варианты третьей группы сценариев, с быстрыми реакторами.
Самый экстремальный сценарий был разработан в 2017 году группой из 18 международных экспертов, которые попытались ответить на вопрос: что будет, если заменить всю углеводородную энергетику ядерной для предотвращения глобального потепления?
Чтобы полностью заменить углеводородную энергетику, необходимо до конца века построить примерно 19 тыс. реакторов мощностью по 1 ГВт, то есть иметь установленную мощность АЭС 19 ТВт (1 ТВт=1000 ГВт), что почти в 50 раз больше, чем сейчас. Для этого авторы сценария предлагают в тепловых реакторах PWR и тяжеловодных реакторах PHWR нарабатывать плутоний для запуска реакторов БН. По их расчетам, заводы по переработке ОЯТ во Франции, Японии и России могут перерабатывать топливо от реакторов суммарной мощностью 120 ГВт, производя плутоний в количестве 30 тонн в год. Таким образом, ежегодно можно запускать семь быстрых реакторов типа французского Superphénix мощностью 1240 МВт с коэффициентом воспроизводства 1,2. С 2020 по 2040 год нужно строить ежегодно по 100 реакторов PWR и не менее семи БН, а начиная с 2050 года и до конца века — по 300 реакторов на быстрых нейтронах. В таком сценарии для развертывания тепловых реакторов потребуется вдвое больше природного урана, чем разведанные ресурсы по себестоимости до $ 260 за 1 кг.
Казалось бы, фантастическая идея. Но давайте разберемся, так ли уж недостижима эта цифра — 300 новых быстрых реакторов в год?
Авторы сценария отмечают, что в минувшем веке в мире вводили в эксплуатацию до 20−30 реакторов в год. Во Франции с населением 60 млн человек был период, когда строили по 6−8 реакторов в год, то есть 0,1 реактора на 1 млн человек в год. В странах, где сейчас строятся ядерные реакторы, проживает 3 млрд человек, это в 50 раз больше, чем во Франции. Значит, теоретически можно строить по 100−300 реакторов в год.
Для того чтобы строить 100 реакторов PWR в год, нужно $ 300−400 млрд инвестиций. Такие деньги сейчас тратятся ежегодно на возобновляемую энергетику, значит, это не фантастические цифры. Чтобы строить ежегодно 300 реакторов на быстрых нейтронах, нужен уже $ 1 трлн. Это всего 1% мирового ВВП — тоже не такая уж страшная цифра. Приведенная стоимость электроэнергии РБН будет около $ 80 за 1 МВт·ч.
Конечно, это экстремальный сценарий, и вряд ли политики готовы поддержать его. Но смелость этого сценария обоснована технологическими и экономическими реалиями.
Более скромный сценарий был разработан в рамках проекта INPRO (МАГАТЭ) в 2018 году. В исследовании рассматривается динамика развития энергетики на тепловых и быстрых реакторах с целью достижения установленной мощности АЭС до 5000 ГВт к 2100 году (в 13 раз больше, чем сегодня). Согласно этому сценарию, для оптимизации затрат на ядерный топливный цикл к 2100 году примерно 40% всей ядерной электроэнергии будут производить реакторы на быстрых нейтронах, остальное — тепловые. Однако этот симбиозный сценарий нуждается в 26 Мт природного урана, поскольку бóльшую часть — около 60% — всей энергетики будут производить реакторы на тепловых нейтронах. Такого количества урана с определенной себестоимостью на планете нет.
Пожалуй, наиболее взвешенные сценарии двухкомпонентной ядерной энергетики разрабатываются сегодня в России. Рассматриваются два основных варианта развития событий. В первом варианте предполагается, что тепловые и быстрые реакторы (КВ > 1) будут работать на оксидном топливе, причем плутоний из ОЯТ тепловых и быстрых реакторов будет использоваться для формирования топливных загрузок тех и других реакторов. Предусматриваются централизованная переработка ОЯТ и изготовление свежего топлива.
Во втором сценарии тепловые реакторы будут продолжать работать на урановом оксидном топливе до тех пор, пока хватит доступных по приемлемой стоимости ресурсов природного урана. Быстрые реакторы будут работать и на МОХ-топливе (реакторы БН‑1200), и на смешанном нитридном уран-плутониевом (СНУП) топливе (реакторы БРЕСТ), плутоний для которых может быть извлечен из ОЯТ как тепловых, так и быстрых реакторов. Возможна реализация как централизованного, так и пристанционного ЯТЦ.
Согласно сценарию, в ближайшей перспективе — до 2035 года — будут выведены из эксплуатации реакторы РБМК, ВВЭР‑440, ВВЭР‑1000 предыдущего поколения. Примерно до середины века основную часть электроэнергии в России будут производить реакторы типа ВВЭР-ТОИ. Начиная с середины века в топливный цикл и производство энергии ускоренными темпами должны включиться натриевые и свинцовые реакторы; тепловые же будут постепенно выводиться из эксплуатации.
Пока сделать однозначный выбор в пользу того или иного варианта нельзя из-за ограниченности или неопределенности исходных данных. Тем не менее логика двухкомпонентной ядерной энергетики здесь полностью прослеживается, и, по-видимому, именно в таком виде она будет развиваться и в России, и в мире.
Итак, имеется много взаимоисключающих сценариев: от полного отказа от ядерной энергетики до, наоборот, полного замещения ядерной энергетикой углеводородной — в этом случае неизбежна превалирующая роль реакторов на быстрых нейтронах. Существующая ядерная энергетика — основанная на тепловых реакторах — не имеет долгосрочной перспективы по целому ряду причин. Поэтому в ближайшие годы наиболее перспективным представляется развитие двухкомпонентных ядерно-энергетических систем с объединенным ядерным топливным циклом. Таким образом, снимаются проблемы обращения с ОЯТ — оно будет перерабатываться, из него будет извлекаться топливо для быстрых и тепловых реакторов, снизится количество радиоактивных отходов, нуждающихся в захоронении. Кроме того, будет полностью снята проблема исчерпания ресурсов урана. Однако и этот, наиболее реалистичный сценарий развития ядерной энергетики нуждается в глубоком научном, технологическом и экономическом обосновании.
Россия в этом отношении имеет сильные позиции и проработанную стратегию.