Атомная энергетика станет быстрой

26 декабря 2010

В России с этого года действует ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения». Львиная её доля посвящена быстрым реакторам и замкнутому топливному циклу. Задача по формированию новой технологической базы атомной энергетики с реакторными установками на быстрых нейтронах включена в президентскую программу модернизации и технологического развития экономики страны. 

Идея быстрых реакторов и замкнутого ядерного топливного цикла — неисчерпаемого источника ядерной энергии — появилась на заре атомной эры. США, СССР, Франция, Великобритания, Германия, Япония в период интенсивного роста своих экономик стремились к созданию «быстрой» атомной энергетики, но не достигли желаемого результата. Сегодня состояние её технологического развития находится на чрезвычайно низком уровне. И только в России уже более 30 лет успешно работает единственный в мире промышленный быстрый реактор БН‑600. В случае принятия и реализации государственной программы ускоренной коммерциализации быстрых реакторов экономика получит мощный энергетический локомотив модернизации и, что более важно, возможность снижения сырьевой зависимости. Возможно, это последний шанс для страны — других передовых технологических разработок такого масштаба и уровня у России не осталось.
 

ОПЫТ РОССИИ
 

В СССР пионером идеи быстрых реакторов стал Александр Лейпунский. Он был уверен, что масштабное развитие отрасли возможно только на этой технологической базе. Шаг за шагом учёный доказывал осуществимость такой программы. Активно развивать быстрые реакторы начали в стране в 1950‑е годы и к 1980‑м достигли внушительных результатов: у нас работал первый в мире энергетический реактор БН‑350 (Казахстан, сейчас в режиме вывода из эксплуатации), у нас пущен БН‑600 (Белоярская АЭС). На обоих вначале возникали проблемы, однако сегодня работа БН‑600 соответствует самым высоким требованиям безопасности. В начале 1980‑х годов была принята программа строительства малой серии БН‑800. По ней подразумевалось появление не только четырёх новых реакторов, но и завода по производству МОКС-топлива для быстрых реакторов и переработке ОЯТ тепловых реакторов для восстановления плутония. В будущем комплекс планировалось дополнить заводом для переработки ОЯТ быстрых реакторов. Конечной целью называлось формирование промышленной технологии и переход к интенсивному развитию быстрых реакторов. В то время мы, в отличие от своих главных конкурентов — французов, концентрировали усилия на технологии натрия, освоив её в совершенстве, но при этом отставали по топливному циклу. Реактор БН‑600 работал, в основном, на урановом топливе, зато обошёл французские аналоги по основным эксплуатационным показателям, а также стоил дешевле. Во многом стратегия дальнейшего развития этого сегмента отечественной атомной отрасли зависит от того, какую политическую задачу поставит руководство страны. Если ориентироваться преимущественно на внутренний рынок, то с учётом приоритетных задач по повышению энергоэффективности экономики и наличия запаса дешёвого органического топлива мы могли бы занять позицию западных стран, то есть не строить новые АЭС и переходить на быстрые реакторы по мере отмирания тепловых. Но если атомпром должен решать проблемы экспорта, сделать его высокотехнологичным, если Россия хочет модернизировать экономику, то ответ очевиден. В этом случае нужно строить новые АЭС, развивать быстрые реакторы и ЗЯТЦ сегодня и как можно быстрее занимать пока ещё свободные ниши на мировых рынках — например, сейчас мы продаём два реактора БН‑800 Китаю.
 

БЫСТРОЕ БУДУЩЕЕ РОСАТОМА
 

В последнее десятилетие в России преобладала ориентация на внутреннее потребление, что предполагало наличие времени на создание и доводку новых технологий. Так появилась на свет нашедшая своё место в ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения» концепция свинцового реактора БРЕСТ, которая рассчитана на дальнюю перспективу и требует значительных материальных и нематериальных затрат. Более продвинутым является проект реактора со свинцово‑висмутовым теплоносителем, вызвавший интерес не только у государства, но и у частного бизнеса. Для его коммерциализации госкорпорация «Росатом» создала с «ЕвроСибЭнерго» совместное предприятие «АКМЭ-инжиниринг», чтобы построить опытную установку первого энергетического реактора такого типа — СВБР‑100. Постепенно растёт понимание того, что с багажа, накопленного по натриевому направлению, можно получить отдачу буквально через несколько лет. На натриевые реакторы есть спрос в Индии и Китае. Результатом взаимодействия двух тенденций — ориентации на внутреннее и внешнее потребление, на дальнюю перспективу и на день сегодняшний — стал принятый правительством вариант ФЦП, включающий в себя все три вида быстрых реакторов: натриевый, свинцовый и свинцово‑висмутовый.
По каждому к 2020 году запланировано появление головных блоков. Для экспериментальных установок государство обязалось оплатить и проектирование, и строительство (для СВБР — в партнёрстве с частным бизнесом). А вот для БН‑1200 бюджетные деньги выделяются только на проект. Его возведут с привлечением средств Росэнергоатома, что де-факто будет признанием коммерческого статуса реактора. Точно такая же дилемма — выбор между долго- и ближнесрочной перспективами, стоит перед создателями топлива для быстрых реакторов и методов переработки ОЯТ. И здесь, как и в реакторных технологиях, мы постараемся одновременно добыть и синицу, и журавля. «Журавлём» по большей части занимается ФЦП, в которой много внимания уделено направлениям, сулящим прорыв, — сухим методам переработки, нитридному топливу и так далее. Но параллельно программа не забывает о «синице» — хорошо изученном и многократно проверенном во всём мире таблеточном МОКС-топливе. Дополнительную поддержку технологиям топливного цикла, готовым к коммерциализации, окажет программа по ЯРБ, в которую включены традиционные водные методы переработки ОЯТ. Но помимо топлива и теплоносителя реактору нужны конструкционные материалы. Лучше всего с ними дело обстоит у натриевых реакторов БН. Накопленный опыт позволяет гарантировать достижение проектных параметров строящегося БН‑800 с использованием проверенных при эксплуатации БН‑600 сталей. Естественно, специалисты вносят в их состав некоторые добавки, модифицированные образцы испытываются в материаловедческих сборках на БН‑600, и никаких проблем здесь не предвидится. Для БН‑1200 пока предполагается продолжать эволюционное движение и не отходить от доказавшей свою надёжность стали ЭП‑450. Что касается свинцовых и свинцово‑висмутовых реакторов, то для них ещё предстоит выполнить большой объём материаловедческих НИР.
 

ОБ ЭКОНОМИКЕ И ФИЛОСОФИИ
 

Много споров вызывает вопрос об экономике ЗЯТЦ быстрых реакторов. Есть мнение, что замкнутый цикл на практике окажется гораздо более дорогим, чем открытый у тепловых. Скептики нередко ссылаются на негативный опыт «Суперфеникса», чья стоимость втрое превзошла стоимость серийного PWR сравнимой мощности. Но использовать в качестве примера неудавшийся опыт французов некорректно. Мало кто помнит, но сразу после завершения «Суперфеникса» во Франции стартовала программа по выработке комплекса мер для радикального снижения стоимости строительства быстрых реакторов. Для следующего европейского быстрого реактора — EFR, предлагалось сократить объёмы бетона, металла, рабочей силы и многие другие параметры. В результате из полученных оценок следовало, что первый блок с EFR окажется всего лишь на 30% дороже, чем серийный блок с PWR. А разница по капитальным затратам между последним блоком малой серии EFR и серийным PWR составляла бы только 10%. В России, как уже отмечалось, с экономикой реакторов дела обстоят намного лучше, чем во Франции. Наш БН‑600 сразу получился всего лишь на 40% дороже серийного ВВЭР‑1000 (сравните этот результат с французским «Суперфениксом»). БН‑800, например, по металлоёмкости и удельным объёмам бетона мало отличается от ВВЭР‑1000. Достигнуто это за счёт скрупулёзной работы конструкторов над компоновкой. В проекте БН‑1200 есть задача — или сравняться по капзатратам с тепловыми реакторами или постараться даже снизить этот параметр. Другое дело — вопрос топливной составляющей замкнутого ЯТЦ. Стоимость переработки и изготовления топлива зависит как от выбранной технологии, так и от масштаба. Для Франции, где на заводы по переработке только от местных АЭС доставляется до 1 тыс. т ОЯТ, это экономически выгодно. В России на первых порах сам процесс может оказаться излишне дорогим, если создавать топливный цикл для одного или двух быстрых реакторов.
Экономика появится только тогда, когда объём переработки ОЯТ тепловых и быстрых реакторов достигнет масштаба и когда быстрых реакторов будет много, хотя бы в пределах малой серии. Такой масштаб развития может быть достигнут до 2030 года после ввода завода по переработке ОЯТ тепловых реакторов РТ‑2. В завершение нельзя обойти вниманием вопрос общефилософского плана. Можно ли считать «быструю» энергетику, замкнутый топливный цикл с быстрыми реакторами панацеей, способной справиться сразу со всеми бедами атомной отрасли? Обеспечить её не только ресурсами, и утилизировать плутоний, но и выжечь все долгоживущие высокоактивные младшие актиниды и продукты деления? В принципе можно, но какой ценой и нужно ли это? Среди атомщиков сегодня есть приверженцы крайних точек зрения.
Одни считают, что удельный объём высокоактивных отходов в атомной энергетике настолько мал, что ОЯТ без переработки может быть безопасно захоронено в геологических формациях. Экологическая безопасность такого подхода подтверждается и МАГАТЭ. Швеция и Финляндия с полной общественной поддержкой уже реализуют на практике такой подход. Другие учёные считают, что только после демонстрации технологического способа полного уничтожения долгоживущих высокоактивных младших актинидов и продуктов деления можно будет завоевать общественную поддержку масштабного развития атомной энерегетики. Возможно, что истина где-то в середине. Сегодняшние технологии замыкания цикла позволяют изъять из отходов наиболее долгоживущий и самый опасный с точки зрения возможного распространения плутоний. Причём не просто изъять, а вернуть его в топливный цикл для дальнейшего использования и получения прибыли. Замкнутый топливный цикл позволит утилизировать ядерные материалы из накопленного тепловыми реакторами ОЯТ, устранить необходимость строительства новых хранилищ ОЯТ, а в будущем и один из наиболее трудных этапов — добычу урана. Для ЗЯТЦ не нужны урановые рудники, исчезнет проблема пустых пород и отвального урана. Наконец, замыкание цикла даст большую гибкость при обращении с радиоактивными отходами. При переработке ОЯТ мы имеем возможность выделить младшие актиниды и со временем выбрать на основе практической науки пути оптимального обращения отдельно с каждым видом. Например трансмутировать в специальных зонах этих реакторов или в специализированных реакторах-выжигателях, чтобы минимизировать уровень долгосрочной радиотоксичности ядерных отходов или просто изолировать их в надёжных геологических формациях.

 

Владимир КАГРАМАНЯН