The actual scientific and technical problems of nuclear energy

Full Text

Интрига настоящего момента для атомной отрасли России заключается в появлении новых тенденций в развитии мировой энергетики, и в первую очередь мировой электроэнергетики, заставляющих переосмыслить типовые прогнозы роста установленных мощностей АЭС, известные с середины ХХ в. Примечательно, что в основе этих тенденций лежат как разного рода объективные факторы, так и их определённая трактовка, которая не всегда может считаться адекватной.

Во-первых, за последние годы изменилась производная роста объёмов ежегодного производства электроэнергии, стабильно наблюдаемого на протяжении всех лет истории электроэнергетики (рис. 1). Если в начале 1990-х годов этот рост происходил с убыстрением (то есть вторая производная была положительной), то сегодня темпы роста потребления электроэнергии снижаются, на основании чего делается вывод, что не стоит прогнозировать слишком большого увеличения этих объёмов в ближайшей перспективе, тем более если мы говорим о перспективе в десятки лет, а именно такими масштабами оперирует ядерная энергетика.

Во-вторых, наблюдающееся развитие энерго­сберегающих технологий, особенно технологий возобновляемых источников энергии, порождает ощущение, что в создании новых энергоисточников нет необходимости и можно обойтись имеющимися мощностями.

В-третьих, имея в виду конкурентные пре­имущества возобновляемых источников энергии, связанные с экологией и быстротой освоения этих ресурсов, часто делают вывод, что ядерная энергетика из энергетической картины мира может относительно безболезненно быть вытеснена.

Напомним, что в настоящее время в мировом производстве электроэнергии ядерная энергетика составляет около 10 %, а в нашей стране – почти 19 %. При этом в Европейской части России на атомные электростанции (АЭС) приходится около 40 % производства электроэнергии. Немаловажно и то обстоятельство, что сегодня экспорт атомных станций – один из ключевых несырьевых экспортов нашей страны, причём экспортов высокотехнологичных. По объёмам он сопоставим с поставками за рубеж вооружений: на ближайшее десятилетие "Росатомом" уже законтрактовано строительство 36 блоков за рубежом на сумму более 130 млрд долл.

Спрашивается, какие существуют основания рассчитывать на дальнейшее развитие ядерной энергетики и предлагать её в качестве перспективной составляющей российской экономики, учитывая вышеперечисленные тенденции?

В первую очередь не следует забывать, что прогнозы по энергопотреблению в мире могут кардинально поменяться буквально за ближайшее десятилетие. Основания тому – уже начавшаяся в мире масштабная электрификация транспорта, процессы цифровизации, довольно затратные по энергопотреблению, которые идут не только в нашей стране, но и во всём мире. В частности, в Евросоюзе они являются одним из приоритетных направлений научно-технического развития. Наконец, неравномерность развития мировых регионов говорит о том, что потенциал развития электроэнергетики колоссальный: около миллиарда жителей Земли сегодня не обеспечены электроэнергией. Заметим, что произошедший за последние 20 лет более чем троекратный рост производства и потребления электроэнергии в Азиатском регионе вывел его в число мировых лидеров. Таким образом, если ориентироваться на возможность изменения тенденций в потреб­лении электроэнергии, то мы придём к тому, что необходимость новой генерации электроэнергии для мировой экономики по-прежнему существенна, и ядерная энергетика может составить значительную составляющую в этой генерации.

Отдельного комментария заслуживает выгодность вложений в ядерную энергетику, поскольку строительство атомной станции – дело, безусловно, очень дорогостоящее. Оно растягивается по окупаемости на десятилетия. Если говорить на языке экономистов, оперируя средневзвешенной себестоимостью электроэнергии (так называемой LCOE – Levelised Cost of Energy), которая включает все затраты от сооружения до вывода из эксплуатации, то нетрудно увидеть, что сегодня в результате массового внедрения возобновляемых источников энергии LCOE для них уже находится на уровне или даже опустилась ниже LCOE всех остальных источников генерации. Тем не менее необходимо иметь в виду определённую условность этих расчётов, в большой степени зависящих от типа электростанции и используемых агрегатов, характера природных условий, времени полной загрузки и др. Так, для ветростанций Германии LCOE колеблется от 3,9 до 13,8 евроцентов за кВт·ч [2]. Следует также помнить, что возобновляемые источники энергии обладают весьма низкой плотностью потока энергии, то есть требуют больших затрат и площадей для размещения, крайне сильно зависят от погодных условий и времени суток, мало пригодны для основного энергоснабжения крупных потребителей – городов и предприятий, что вызывает необходимость дополнительного резервирования мощности.

На этом фоне конкурентоспособность ядерной энергетики может быть обеспечена при учёте следующих её очевидных достоинств:

• стабильная генерация;
• большая мощность и высокая плотность генерации энергии;
• обеспеченность эффективным топливом (теплотворная способность в миллион раз выше, чем у органического топлива);
• долговременность и низкие эксплуатационные расходы;
• независимость от волатильности цен на органическое топливо;
• отсутствие выбросов окислов углерода.

Однако эти достоинства могут быть приняты во внимание лишь в случае, если ядерная энергетика будет удовлетворять следующим требованиям.

Во-первых, это безусловное обеспечение безопасности в отношении крупных аварий. Именно угроза крупных аварий и представляет основную платформу для негативного отношения к ядерной энергетике, так или иначе укоренившуюся и старательно укореняемую отдельными средствами массовой информации и пропагандистами альтернативной энергетики в головах людей. Неслучайно, что после аварии на Чернобыльской АЭС темпы роста мирового производства электроэнергии на АЭС снизились в 6 раз. Во-вторых, мы обязаны идти по пути повышения экономической эффективности АЭС, что требует решения целого ряда научно-технических задач, о которых будет сказано ниже. В-третьих, не надо забывать, что ядерная энергетика обладает определённой экологической привлекательностью уже сейчас, поскольку эта энергетика безуглеродная, а тенденция на безуглеродную энергетику – едва ли не главная в наше время. Но, конечно, мы должны позаботиться и о том, чтобы минимизировать угрозу накопления радиоактивных отходов, которые образуются в результате деятельности атомных станций. В перспективе желательно перейти на так называемый замкнутый ядерный топливный цикл, который минимизировал бы и наши потребности в природном уране, и объёмы отходов ядерной электроэнергетики.

Рис. 1. Мировое производство электроэнергии по годам [1]

Удовлетворение вышеперечисленным требованиям может быть достигнуто путём совершенствования основных на сегодня реакторов ВВЭР – водо-водяных энергетических реакторов. Следует отметить, что за всё время работы АЭС с реакторами типа ВВЭР на них не было зарегистрировано ни одной крупной аварии. Тем не менее после катастрофы на Чернобыльской АЭС, хотя и произошедшей с реактором иного типа – РБМК, в конструкцию реакторов ВВЭР были заложены новые дополнительные барьеры безопасности. Сегодня мы говорим о том, что дополнительные рекомбинаторы водорода внутри контайнмента3, пассивные системы отвода тепла, не требующие для своей работы электропитания и систем управления, и, наконец, ловушка расплава [3], обеспечивающая локализацию и охлаждение ядерных материалов после аварии наивысшего типа – расплавлении активной зоны реактора – стали уникальной "визитной карточкой" повышенной безопасности российских ВВЭР.

Вместе с тем экстенсивное наращивание систем безопасности приводит к удорожанию энергоблока. Необходимое (наряду с обеспечением безопасности) для поддержания высокого экспортного потенциала российских реакторов и АЭС повышение их экономической эффективности планируется обеспечить техническими решениями, которые поэтапно сделают возможным отказ от борного регулирования, отказ от использования циркониевых сплавов в активной зоне, повышение КПД и коэффициента воспроизводства, снижение расхода урана. Фактически речь идёт о новом поколении реакторов ВВЭР с регулированием спектра нейтронов в активной зоне реактора в процессе работы (ВВЭР-С) [4, 5] и использованием теплоносителя со сверхкритическими параметрами (ВВЭР-СКД) [6 – 8]. Возможности создания таких реакторов (и некоторых других, о которых пойдёт речь ниже) в значительной степени ограничены характеристиками имею­щихся конструкционных материалов; именно в области технического материаловедения необходим прогресс для обеспечения развития атомной техники.

В перспективе предполагается переход отечественной ядерной энергетики на новую технологическую платформу – с замкнутым топливным циклом и решением проблемы отработавшего ядерного топлива и накопления радиоактивных отходов (РАО). При этом ядерная энергетика должна как минимум стать двухкомпонентной: наряду с основными производителями электроэнергии – реакторами ВВЭР, значительную составляющую должны приобрести АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, способные обеспечить наработку ядерного топлива с использованием природного (необогащённого) или отвального урана, дожигание в реакторах минорных актинидов и кардинальное снижение объёмов образующихся РАО.

Создание двухкомпонентной ядерной энергетики выводит на передний план целый комплекс задач, требующих расчётно-теоретических и экспериментальных исследований в связи с вовлечением в топливный цикл плутония и минорных актинидов, увеличением глубины выгорания топ­лива и удельной тепловой мощности, обеспечением требований радиоэкологии и безопасности.

Считается, что конструкция реакторной установки реакторов нового типа должна быть интегральной, что позволит локализовать даже маловероятные утечки теплоносителя в корпусе реактора и избежать самого опасного, чем может грозить ядерная энергетика, – крупной аварии, требующей эвакуации населения со всеми вытекающими последствиями.

Напомним, что сегодня Россия является единственной страной в мире, которая эксплуатирует энергетические реакторы на быстрых нейтронах и тем самым ещё владеет необходимым технологическим преимуществом, которое мы в значительной степени потеряли в других отраслях промышленности. Сохранение этого лидерства путём разработки и освоения прогрессивных технологических решений, включая реакторные установки на быстрых нейтронах с натриевым и свинцовым теплоносителями, на пути к двухкомпонентной ядерной энергетической системе будет способствовать поддержанию экспортного потенциала отрасли и минимизации рисков развития ядерной энергетики, связанных с неопределённостью энергетического рынка и ресурсного обеспечения [9, 10].

С целью повышения экологической привлекательности ядерной энергетики анализируются возможности ускоренного внедрения ядерного топ­ливного цикла с мультирециклированием ядерных материалов, включающего извлечение и повторное использование делящихся компонент ядерного топлива наряду с эффективным обращением с образующимися радиоактивными веществами перед их захоронением. Фракционирование и переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) вместе со "сжиганием" наиболее опасных продуктов реакций – минорных актинидов – неотъемлемая часть такой стратегии.

Помимо разрабатываемых реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, для трансмутации минорных актинидов можно использовать и другие реакторные установки с большими потоками нейтронов, например, так называемые жидкосолевые реакторы (ЖСР). Основные и весьма существенные преимущества ЖСР – это устранение необходимости традиционной фабрикации таблеточного топлива, крайне затруднённой даже для америция и практически нереальной для кюрия, возможность без изменения конструкции использовать широкий спектр топливных загрузок, включающих плутоний и все минорные актиниды (в том числе кюрий) из накопленного ОЯТ. Вследствие высокой удельной энергонапряжённости активной зоны и циркуляции расплавленного топлива дожигание минорных актинидов в ЖСР происходит весьма эффективно [11, 12].

Сказанное обосновывает целесообразность разработки проекта ЖСР опережающими темпами, не дожидаясь внедрения в энергосистему реакторов на быстрых нейтронах и перехода на двухкомпонентную энергетику. При этом следует учитывать, что переработка ОЯТ с помощью ЖСР может стать для "Росатома" и нашей страны новой эффективной статьёй международного бизнеса, не требуя при этом сооружения большого количества реакторных установок.

Возможная организация процесса замыкания ядерного топливного цикла без непосредственного перехода к реакторам на быстрых нейтронах, в том числе используя уже существующие возможности, схематически изображена на рис. 2. Как видно, схемой предусмотрена возможность использования регенерированного топлива разного типа, технически реализуемая уже сегодня и привлекающая всё больший интерес, в том числе при строительстве новых АЭС.

Рис. 2. Возможности и пути замыкания ядерного топливного цикла

В качестве ещё одного возможного направления технологического развития ядерной энергетики рассматривается малая ядерная энергетика, развёртывание которой может быть целесообразно с учётом низкой плотности населения нашей страны и ограниченности охвата территории электрическими сетями.

Потенциально объекты использования малой ядерной энергетики существуют, они хорошо известны и не сводятся сегодня исключительно к числу оборонных. Это главным образом объекты локальной энергетики или крупные единичные потребители – такие, как предприятия нефтегазового промысла, горно-обогатительные комплексы, металлургические предприятия, аэропорты и порты. Небольшое, но стабильное энергоснабжение посредством атомных станций малой мощности (АСММ) необходимо метеорологическим и гидрологическим станциям, для обеспечения радиосвязи, радиолокационной и навигационной поддержки транспортной инфраструктуры в Арктике и др. Существенно, что АСММ также могут стать предметом экспорта в страны Юго-Восточной Азии, Африки, Океании и др.

Высокие капитальные затраты на строительство АЭС означают рост LCOE при снижении мощности станции. Вот почему довольно старая идея об АСММ до сих пор не была реализована, несмотря на обилие (более четырёх десятков!) проектов подобного рода. Однако сегодня речь идёт о том, чтобы делать такие станции индустриально с полной заводской готовностью или с высокой степенью готовности, выпускать их серийно, добившись повышенной (в идеале – полной) автономности. Тем самым можно будет существенно сократить расходы на проектирование, капитальное строительство на местах и эксплуатацию, минимизировать численность обслуживаю­щего персонала.

Таким образом, если мы сможем реализовать конструкцию станции, которая будет привезена на место и, не требуя специального обслуживания при эксплуатации, отработает какое-то время, а потом будет увезена обратно (перегруз топлива и выгрузка ОЯТ также предусматриваются в заводских условиях или организуются специальным транспортабельным модулем), то отношение к АСММ как к экономически малопривлекательному объекту изменится. Добавим, что при использовании в отдалённых районах может быть востребована АСММ, работающая в режимах теп­лоснабжения или когенерации (с одновременным отбором как электрической, так и тепловой энергии), опреснения воды и/или выработки водорода.

Технологии получения и использования водорода в энергетических целях в последнее время привлекают повышенное внимание в развитых странах, говорят даже о ренессансе водородной энергетики. Действительно, во всё более и более актуальных вопросах, связанных с декарбонизацией промышленности, транспорта и энергопотребления, необходимостью иметь эффективные буферы – накопители энергии для повышения устойчивости энергетических систем, в том числе включающих возобновляемые источники энергии, наиболее интересные, экономически и социально выгодные решения основаны на использовании водорода. С этой точки зрения, разворачивание сегодня научно-технологической деятельности, нацеленной на расширение масштабов производства и использования водорода в экономике страны, представляется делом насущным и крайне своевременным.

Потребление водорода в мире быстро растёт, и, согласно современным прогнозам, рынок водорода в перспективе до 2050 г. способен занять долю до 18 % в структуре глобальной энергетики. В январе 2017 г. в ходе Всемирного экономического форума в Давосе был образован Международный водородный совет. В этот совет вошли ведущие мировые компании, в том числе нефтяные, которые признали, что широкомасштабное использование водорода может стать новым этапом развития энергетики. А премьер-министр Японии Синдзо Абэ на совещании по проблемам новой энергетики в 2017 г. в Токио заявил о намерении первыми в мире построить общество, основанное на использовании водорода, и со временем полностью отказаться от нефти и природного газа как топлива.

Идея водородной энергетики для нашей страны не нова; её проработка активно велась во второй половине прошлого века. Основными препятствиями широкому внедрению водорода считались высокая энергоёмкость производства и взрыво­опасность кислород-водородной смеси, требующая специальных мер безопасности, в том числе при хранении/транспортировке водорода в баллонах высокого давления. Эти факторы делали использование водорода в энергетике и на транспорте экономически невыгодным. С тех пор изменилось многое. Изменения, связанные в том числе с научным и технологическим прогрессом, затронули все элементы водородной цепочки "производство – хранение/транспортировка – потребление". Появившиеся излишки генерирующих мощностей требуют организации гибкого процесса энергонакопления, и производство водорода способно служить универсальным и весьма эффективным способом использования таких излишков. Если говорить о потреблении, то прежде всего речь идёт о водородных топливных элементах – наиболее интересном и перспективном способе использования водорода как на транспорте (для электродвижения), так и для мобильных устройств, – имеющих более высокую (в 3 – 6 раз) плотность энергии на единицу массы и, соответственно, кратное увеличение длительности работы устройства без подзарядки по сравнению с литиевыми батареями. В области хранения и транспортировки появились новые эффективные адсорберы водорода – как твёрдые (борсодержащие) соединения, так и жидкие (на основе нитридов металлов и интерметаллидов), что позволяет уйти от хранения водорода в баллонах высокого давления.

"Росатом" имеет богатый опыт разработок по водородной тематике во всех элементах жизненного цикла обращения водорода, что позволяет оперативно включиться в формирующийся мировой тренд. Наиболее принципиальный вклад атомная отрасль может внести в развитие водородной энергетики на стадии крупномасштабного производства водорода с помощью так называемого высокотемпературного газоохлаждаемого ректора, концепция и возможности применения которого для целей водородной энергетики в нашей стране достаточно давно и хорошо проработаны [13, 14].

Отдельно следует сказать о термоядерном синтезе как о потенциальном источнике фактически бесконечной энергии. Аргументы, зачем можно и дóлжно заниматься этой проблемой, у нас сегодня те же, что были более 60 лет назад на заре термоядерных исследований. Главные – это, конечно, отсутствие углеродсодержащих выбросов, принципиальная невозможность разгона реактора (термоядерные реакции – не цепные) и неограниченность топливных ресурсов: как известно со школьных времён, энергосодержание дейтерия, находящегося в стакане воды, эквивалентно энергосодержанию бочки (барреля) бензина.

Что сделало человечество в области освоения термоядерной энергии за истекшие годы? Довольно много, и сегодня мы вплотную приблизились к финишной черте: мы уже умеем демонстрировать возможность производства термоядерной энергии, правда, на очень сложных устройствах и в течение короткого времени.

Строящийся в настоящее время на юге Франции в ядерном центре Кадараш токамак ИТЭР (интернациональный термоядерный экспериментальный реактор) является, без преувеличения, самым крупным и самым дорогим научным проектом современности [15]. ИТЭР – это крупнейшая коллаборация ведущих мировых держав. В неё вошли Россия, США, Европейский союз, Япония, потом к ним присоединились Китайская Народная Республика, Индия и Корея.

На рис. 3 стрелками показаны сложные технологические элементы, которые изготавливаются разными сторонами коллаборации. Несмотря на то, что проект движется и строительство идёт успешно, первая плазма в токамаке ИТЭР будет получена только в 2025 – 2026 гг., а на реальный режим работы с дейтериево-тритиевой смесью токамак выйдет не ранее 2035 г. Спрашивается, зачем мы делаем такое дорогое устройство, не только же из чисто научного интереса?

Рис. 3. Основные элементы токамака ИТЭР и страны – разработчики этих элементов [15]

Для нашей страны ключевое значение имеет то, что, участвуя в этом проекте, мы получаем доступ к самым современным технологиям, причём развиваемым не только у нас, но и во всём мире – согласно договору по ИТЭР. Каждый партнёр, в том числе Российская Федерация, имеет право на получение безвозмездных лицензий на использование технологий, созданных в рамках проекта ИТЭР, для собственных (национальных) целей. Поэтому сегодня все участники коллаборации (кроме России) имеют собственные национальные программы и проекты, финансируемые на уровне, превышающем вклады этих стран в проект ИТЭР. Такие национальные программы необходимы для освоения и последующего использования полученных ИТЭР результатов и технологий. Достаточно упомянуть технологии сверхпроводников, мощных источников частиц и электромагнитного излучения, самых прецизионных диагностик плазмы и многое другое.

В России исследования и разработки в облас­ти УТС развиваются в направлениях освоения энергии как "чистого" термоядерного синтеза, так и в сфере создания гибридных систем. Концепцию гибридного реактора следует рассматривать в увязке с ключевыми проблемами устойчивого развития ядерной энергетики и замыкания топливного цикла. Главное преимущество гибридного термоядерного реактора по сравнению с любой другой ядерной установкой, обеспечивающей конверсию сырьевых изотопов в делящиеся, заключается в использовании термоядерных нейтронов высокой энергии, что позволяет почти в 10 раз увеличить интенсивность наработки новых делящихся изотопов из сырьевых при одинаковой мощности установок. Это важнейшее качество приводит к тому, что присутствие гибридных термоядерных реакторов в структуре ядерной энергетической системы можно ограничить небольшой (менее 15 %) долей и при этом в полном объёме решить проблему обеспечения топливом [16, 17]. Реакторы деления, составляющие основу существующей атомной энергетики, будут обеспечены делящимися изотопами, произведёнными в гибридных реакторах. Одновременно с этим гибридные реакторы будут обеспечены тритием, наработанным в реакторах деления. Вторая возможная задача гибридных реакторов – высокоэффективное дожигание минорных актинидов, накапливающихся в результате работы ядерных реакторов.

Несколько особняком стоят работы по так называемому инерционному термоядерному синтезу, принцип которого состоит в поджиге (микровзрыве) термоядерной мишени за время, меньшее времени её разлёта. Такие работы позволяют продвинуться в область сверхплотных состоя­ний вещества и сверхвысоких плотностей энергии, что имеет ещё и принципиальное значение для фундаментальной науки. Заметим, что помимо овладения такими технологиями термоядерный синтез продемонстрировал большое количество побочных технологических применений, которые уже сейчас внедрены в промышленность.

Подводя итог, хотелось бы отметить, что перечисленные здесь направления развития ядерной энергетики – все без исключения – основаны на продвижении отечественной ядерной науки и развитии сферы высоких технологий, что отвечает требованиям утверждённой Президентом РФ Стратегии научно-технологического развития, обеспечивая энергетическую и национальную безопасность нашей страны. Следует подчеркнуть, что атомная отрасль до сих пор остаётся одной из самых наукоёмких и высокотехнологичных сфер нашего народного хозяйства и при этом обеспечивает экономический профицит, довольно заметный в бюджете страны. Чтобы сохранить эти позиции, атомной отрасли необходимы системные инвестиции в научно-технологическое развитие. Перечисленные нами направления этого развития в настоящее время включены в национальный проект "Атомная наука, техника и технологии", который Госкорпорация "Росатом" предлагает к реализации.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарны многочисленным коллегам по Госкорпорации "Росатом" за плодотворные обсуждения, в том числе в ходе отраслевой научной конференции 3 – 4 апреля 2018 г. Особую признательность выражаем В. Е. Фортову за рассмотрение перспектив развития атомной энергетики на заседании Совета по приоритетному направлению научно-технологического развития Российской Федерации "Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии" 25 октября 2018 г. и Е. О. Адамову, В. Г. Асмолову, Л. А. Большову, А. В. Дубу, И. А. Ермакову, О. В. Крюкову, Н. Н. Пономарёву-­Степному, А. А. Саркисову за подготовку и представление материалов на данном заседании.

¹ Более точен термин "ядерная энергетика", который мы будем употреблять в статье, сохранив одновременно исторически устойчивую терминологию: атомная отрасль, атомная электро­станция (АЭС) и т.п.

³ Контайнмент – герметичная оболочка, выполняющая функцию обеспечения пассивной безопасности энергетического ядерного реактора, предотвращая выход радиоактивных веществ в окружающую среду при тяжёлых авариях.

About the authors

Yu. A. Olenin

Author for correspondence.
Email: YuAOlenin@rosatom.ru

D. E. Sc, Deputy CEO in science and strategy

V. I. Ilgisonis

Email: vilkiae@gmail.com

References

Supplementary files