Путь к «зеленой» энергетике для ядерных энерготехнологий

Авторы

• Першуков Вячеслав, специальный представитель госкорпорации «Росатом» по международным и научно-техническим проектам
• Артисюк Владимир, советник генерального директора госкорпорации «Росатом»
• Каширский Андрей, начальник аналитического отдела АО «Прорыв»

В современном мире можно выделить три основных фактора, определяющих тенденции развития мировой энергетики:

• принятие ООН 17‑ти целей устойчивого развития (ЦУР) после 2015 г., среди которых обозначены ЦУР № 7 «Недорогостоящая и чистая энергия» и ЦУР № 13 «Борьба с изменением климата»;
• подписание Парижских соглашений по климату, требующих как можно скорее выйти на пик выбросов парниковых газов и приступить к его абсолютному сокращению в глобальном масштабе с тем, чтобы во второй половине XXI века свести нетто-­выбросы к нулю, то есть достичь равновесия между антропогенными выбросами парниковых газов и их поглощением из атмосферы;
• пандемия коронавируса, объявленная ВОЗ в марте 2020 г., которая вызвала шоковые явления в мировой экономике и акцентировала необходимость бесперебойного электроснабжения системы здравоохранения и социального обеспечения.

В результате принятия климатических соглашений, большинство стран развернуло активную работу по формированию перечня технологий, которые позволяют определить тренды развития энергетических систем, соответствующих политике «зеленой» энергетики. Характерным примером является разрабатываемая в настоящее время в Еврокомиссии таксономия, определяющая единую схему оценки экономической деятельности, стимулирующей инвесторов и промышленность развивать технологии, способствующие выполнению Парижских соглашений. Аналогичный документ сформирован и в России.

Если провести анализ этих условий, то к перечню технологий, которые достойны субсидирования, относятся только три вида генерации энергии – солнечная, ветровая и гидроэнергетика. Ископаемые виды также не исключаются при условии внедрения технологий захвата и хранения углерода (carbon cupture and storage-­CCS) и его конвертирования в полезные продукты для промышленности. Группа экспертов, подготовивших документ, подтвердила низкоуглеродные параметры ядерной энергетики, но не рекомендовала на данном этапе включать ее в таксономию. Причина – трудность в оценке того, что ядерная энергетика удовлетворяет более широкому критерию отсутствия значительного воздействия на окружающую среду («do no significant harm»), который подразумевает минимальное воздействие на водные ресурсы, сохранение биологического разнообразия, надежность обращения с отходами (в первую очередь с ядерными), включая возможность реализации т. н. «циркулярной экономики», в основе которой лежит принцип возобновления ресурсов.

Такое структурирование технологий вполне оправдано и обладает рядом общих позиций. В первую очередь, это независимость производства энергии от сырьевой составляющей, делающей производство электроэнергии крайне чувствительным к волатильности рыночных цен на энергоносители. В то же время, ЦУР ООН № 13, фокусируется на недорогостоящей энергии, что должно минимизировать зависимость потребителя от цен на ископаемое топливо и его исчерпаемость, тем самым снизив спекулятивную составляющую в обеспечении рынка потребителей электроэнергии. Существующая ядерная энергетика, основанная на открытом топливном цикле и реакторах на тепловых нейтронах, использует в основном уран‑235 (доля которого в природном уране 0,071 %). Таким образом, топливная база для такой энергетики составляет всего 6 % ископаемых энергоресурсов планеты (рис. 1).

Рис. 1. Ресурсная база для ядерной энергетики в открытом и замкнутом топливных циклах

При этом, себестоимость ядерной генерации напрямую зависит от цен на уран, формирующихся на сырьевой бирже. На рис. 2 приведена динамика цен на урановое сырье за последние 20 лет.

Рис. 2. Динамика цен на уран по данным WNA

Несмотря на низкую долю стоимости сырья в общем объеме себестоимости, сильные колебания цены (достигающие 30 % даже на относительно стабильном рынке последних лет) оказывают заметное влияние на стоимость электроэнергии, которая во многих странах является системообразующей и контролируемой государством. Величины тарифов на генерацию, устанавливаемые регуляторами от государства, не в состоянии обеспечить быструю реакцию на изменение биржевых цен, что приводит к финансовой неустойчивости компаний, обслуживающих АЭС.

Во-вторых, любая технология электрогенерации должна обеспечивать минимальное воздействие на окружающую среду, в том числе и на атмосферу планеты. Это возможно только при резкой декарбонизации производства электроэнергии. Однако, изучение возобновляемых источников через призму более широкого критерия «do no significant harm» и рамок «циркуляционной экономики» ставит ряд вопросов к самим ВИЭ. В настоящее время появились публикации, свидетельствующие о значительных проблемах при выводе из эксплуатации оборудования для ВИЭ, отработавшего свой срок, как в ветровой, так и в солнечной энергетике. При анализе занимаемой площади в процессе строительства парков генерации на основе ВИЭ также проявляется существенное различие уровней отчуждаемых земель (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение занимаемой площади для различных энергопарков (полная занимаемая площадь)

Такое сравнение выгодно демонстрирует компактность объектов ядерной энергетики. Аналогичный вывод можно сделать и по влиянию природных климатических изменений на эффективность работы генерирующих установок. Только в 2020–2021 гг. наблюдалось значительное количество внеплановых остановок ветровых генераторов и солнечных панелей при воздействии внешних погодных условий. При этом КИУМ АЭС практически не зависит от внешних условий и определяется эффективностью работы операторов, качеством топлива и дизайном активной зоны реакторов. При установленных 393 ГВт электроэнергии (443 энергоблоков), средние значения КИУМ для АЭС колеблются в достаточно узком диапазоне 0,7–0,95, что существенно выше даже характерных значений ВИЭ.

Удельная потребность в основных энергоемких материалах (металл, бетон, стекло) самая низкая для АЭС, что несомненно обусловлено высокой концентрацией начальной энергии в ядерном топливе (рис. 4).

Рис. 4. Удельная материалоемкость при использовании различных видов генерации

Кроме того, ядерную энергетику можно смело называть безопасной. Прошедшие десятилетия охарактеризовали ядерную энергетику для многих слоев населения как катастрофически опасную, что связано изначально с военными целями использования ядерного оружия как самого разрушительного в истории человечества. Но и мирное применение потенциала ядерной энергии свидетельствовало о возможных неуправляемых процессах (Три-­Майл-­Айленд, Чернобыль, Фукусима), приводящих к авариям, вероятность которых соответствует уровню обеспечения безопасности 10–6. Степень влияния аварий на АЭС на жизнь населения значительно меньше, по сравнению с обычными техногенными катастрофами на угольных, газовых и гидро-­электростанциях, или ежегодным ущербом здоровью от угольных ТЭС, но развитая в обществе радиофобия кратно увеличивает риски использования ядерной энергии в общественном мнении.

Разрешением проблем использования ядерной энергетики в открытом цикле является нахождение технических решений по переработке, вторичному использованию или захоронению ядерных отходов (ОЯТ). Нерешенность проблемы ОЯТ не позволяет отнести ядерную энергетику к разряду «зеленой», несмотря на тот факт, что выбросы CO2 в период эксплуатации практически равны нулю. Опубликованная динамика накопления ОЯТ в мире свидетельствует о двукратном увеличении объемов в ближайшие 20 лет (рис. 5).

Рис. 5. Прогноз накопления ОЯТ при использовании открытого ядерного цикла по регионам планеты

Наибольший прирост ожидается в странах Юго-­Восточного региона, где развитие ядерной генерации осуществляется высокими темпами (в первую очередь, Китай). Многие страны ограничивают развитие технологий переработки ОЯТ, что связано с требованием нераспространения ядерного оружия и опасностью неконтролируемого выделения из ОЯТ плутония оружейного качества. Именно по этой причине ряд стран (Германия, США и др.) рассматривают только вопрос окончательного захоронения ОЯТ в горных массивах. Однако, при условии первичной переработки необходимо подтвердить изоляционные характеристики матриц для удержания радиоактивных изотопов (в первую очередь, минорных актинидов) на период до нескольких сотен тысяч лет. Такого опыта у человечества нет, и именно поэтому дискуссии затягиваются на десятилетия, оставляя вопрос не решенным.

В настоящее время основной парк ядерной энергетики базируется на АЭС с реакторами на тепловых нейтронах большой мощности, работающих в условиях открытого ядерного топливного цикла. Анализ конкурентоспособности показывает, что ядерные технологии обеспечивают требования экономической эффективности по уровню приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) при сравнении не только с объектами ВИЭ, но и традиционной газовой генерации (рис. 6). Использование ставки дисконтирования 5 % соответствует стандартам МАГАТЭ для объектов ядерной генерации с большим сроком жизненного цикла (60 лет).

Рис. 6. LCOE электростанций на Урале при ставке дисконтирования 5 % для ТЭП 2035 г., в отн. ед. (за единицу принято значение LCOE мин. АЭС с РТН)

При анализе экономики ВИЭ, которые по объективным причинам не могут обеспечить стабильную поставку электроэнергии, часто рассматривают вариант их резервирования газотурбинными установками. Такое резервирование приведет к увеличению LCOE и, соответственно, к ухудшению конкурентоспособности ВИЭ. Тем не менее, многие эксперты отмечают, что дальнейшего снижения капитальных затрат солнечных и ветровых электростанций можно достичь путем увеличения мощности производства энергоустановок на крупных заводах (как это произошло в Индии и Китае). Очевидно, ядерная энергетика в XXI веке должна быть конкурентоспособной при сравнении с любой альтернативной технологией генерации. Если достигнутый уровень развития реакторных технологий не позволяет гарантировать сохранение конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынке в долгосрочной перспективе, значит, ей необходим новый рыночный продукт с более высокими требованиями экономической эффективности. Таким продуктом может стать НТП, которая постоянно развивается с накоплением положительного опыта проектирования, сооружения и эксплуатации БР и объектов ЗЯТЦ. Расчеты показывают, что уровень капитальных затрат перспективных АЭС с БР нового поколения в России окажутся на 20 % ниже по сравнению с показателями, достигаемыми текущим поколением ВВЭР. При этом, топливная составляющая стоимости электроэнергии на БР с замкнутым ЯТЦ не должна превышать тот же параметр для ВВЭР, работающего в открытом цикле.

Описанные выше проблемы развитой ядерной энергетики на базе открытого ядерного топливного цикла свидетельствуют о значительных барьерах на пути общественного признания традиционной генерации электроэнергии с использованием ядерных технологий к разряду «зеленых», несмотря на отсутствие углеродного следа. Проведенные в период 2000–2020 гг. циклы исследований и разработок институтов «Росатома», Курчатовского института и организаций РАН позволили сформировать новую технологическую платформу ядерной энергетики, исключающую описанные выше проблемы и подтверждающие ряд технических решений для построения «зеленой» ядерной энергетики.

Ученые физики еще на заре ядерной эры обосновали факт того, что получаемые в результате облучения нейтронами урана‑238 изотопы плутония‑239 по своим характеристикам и энергопотенциалу представляют собой новый вид ядерного топлива. Э. Ферми (в США) и А. И. Лейпунский (в СССР) доказали, что самоподдерживающаяся цепная реакция деления на быстрых нейтронах, приводит к существенному, по сравнению с традиционными реакторами на тепловых нейтронах, избытку нейтронов, которые могут быть направлены на производство плутония‑239 или на трансмутацию радиоактивных ядер из ОЯТ. Именно это природное явление было заложено в требования к конструкции БР-реакторов на быстрых нейтронах, позволяющих осуществить задачу воспроизводства сырьевой базы ядерной энергетики в условиях ЗЯТЦ (рис. 1).

Вовлечение плутония из ОЯТ реакторов на тепловых нейтронах в ЗЯТЦ с реакторами на быстрых нейтронах позволяет полностью снять ограничения по ресурсам (в России при ускоренном переходе всей ядерной энергетической системы на БР интегральное потребление урана не превысит 230 тыс. т) и выделить с последующим рециклированием в ядерных реакторах все проблемные ядерные материалы из отходов (плутоний, уран, минорные актиниды), отправляемых в пункт геологического захоронения. В результате такой подход позволит снизить потенциальную биологическую опасность и пожизненный радиационно-­обусловленный риск (LAR) возможной индукции онкозаболеваний от ядерных отходов, отправляемых на захоронение до допустимого стандартами безопасности уровня и в приемлемых временных интервалах. В открытом цикле ОЯТ после облучения направляется на промежуточное хранение с последующим либо окончательным захоронением в качестве отходов, либо выделением из него высокоактивных ядерных отходов, содержащим минорные актиниды вместе или без плутония для окончательного захоронения в глубоких геологических пластах. Для многих стран эти опции неприемлемы по политическим, экологическим и другим причинам, связанным с вопросами безопасности окружающей среды. Радиотоксичность ОЯТ со временем будет снижаться, однако потребуются сотни тысяч лет прежде чем уровень радиотоксичности отходов сравняется с природным ураном. Целью БР в этом отношении является использование U, Pu и MA из ОЯТ ректоров на тепловых нейтронах таким образом, чтобы на захоронение пошли исключительно продукты деления. Радиотоксичность этих отходов также со временем достигнет уровня природного урана, но для этого потребуются всего лишь несколько сотен лет, что в конечном счете является гораздо более приемлемым сроком в сравнении с опцией открытого цикла. Такой подход позволяет практически до нуля сократить негативное влияние отработанных ядерных отходов на окружающую среду, выполняя одно из главных требований по критериям чистой «зеленой» энергетики.

Одним из ключевых преимуществ БР является возможность применения принципиально новых подходов к обеспечению безопасности. Быстрые реакторы, разрабатываемые на базе принципов естественной безопасности, призваны решать задачи по исключению аварий на АЭС, требующих эвакуации населения:

• реактивностные аварии (разгон на мгновенных нейтронах);
• аварии с потерей теплоотвода;
• пожары и взрывы на АЭС, которые могут привести к необходимости эвакуации населения.

Естественная безопасность позволяет также сократить количество различных необходимых инженерных мер и систем безопасности АЭС, что положительно влияет на оценку экономической конкурентоспособности разрабатываемых энергоблоков.

Можно констатировать (рис. 7), что инновационные технологии БР и ЗЯТЦ позволят решить ключевые системные проблемы текущей платформы ядерной энергетики, наличие которых в настоящий момент обуславливает осторожное отношение к ней в мире. Эти технологии предназначены для развития атомной генерации на принципиально новой технологической платформе:

• техническая безопасность ядерной энергетики: исключение аварий, требующих эвакуации населения;
• экологическая безопасность топливного цикла: решение проблем обращения с долгоживущими высокорадиоактивными отходами и накопления ОЯТ;
• политическая нейтральность атомной энергетики: технологическая поддержка режима нераспространения;
• конкурентоспособность;
• устойчивое обеспечение топливными сырьевыми ресурсами (тысячи лет) с устранением необходимости добычи урана для нужд электроэнергетики.

Рис. 7. Новая технологическая платформа – путь ядерной энергетики в «зеленую»

В России сегодня, в рамках проекта «Прорыв», создается новая технологическая платформа ядерной энергетики на базе создания инновационных БР с замкнутым ядерным топливным циклом. В июне 2021 года знаменательным событием проекта стало начало строительства АЭС с реактором на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-ОД‑300 электрической мощностью 300 МВт(э) с плановым сроком ввода в 2026 г. АЭС будет являться составной частью опытно-­демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК), построенного в г. Северск Томской области (рис. 8). Кроме реакторной установки ОДЭК также будет располагать предприятиями пристанционного ядерного топливного цикла (ПЯТЦ) для фабрикации и переработки ядерного топлива, что в конечном счете должно продемонстрировать успешную реализацию замкнутого цикла в рамках одной площадки. Строительство модуля фабрикации нового уран-плутониевого нитридного топлива уже завершено и осуществляется монтаж технологического оборудования. Ввод модуля фабрикации в эксплуатацию планируется в 2024 г., когда и планируется начало изготовления первых топливных сборок для загрузки в реактор БРЕСТ-ОД‑300.

Естественным продолжением ОДЭК является создание промышленных энергокомплексов, где в рамках одной площадки будут находиться уже коммерческие энергоблоки большой мощности с пристанционными модулями фабрикации и переработки топлива, удовлетворяющие на высоком уровне международные критерии устойчивого развития и циркулярной экономики. Создание подобных комплексов позволит минимизировать транспортные потоки потенциально опасных ядерных материалов и реализовать «короткий» внешний топливный цикл БР, что эффективно, с точки зрения оптимизации балансов Pu, для развития широкомасштабной ядерной энергетики. Промышленное освоение этих технологий и их тиражирование в России и мире позволит обеспечить бескомпромиссный переход атомной энергетики в разряд «зеленых» и возобновляемых технологий уже в первой половине XXI века.