«Прорыв» в ядерной энергетике

Евгений Олегович Адамов –
научный руководитель проектного направления «Прорыв» ГК «Росатом» и Научно-­исследовательского и конструкторского института им. Доллежаля, д. т. н., профессор,
e-mail: aeo@proryv2020.ru

Evgeny O. Adamov – Academic Director of the Proryv Project at the Rosatom State Corporation and Dollezhal R&D Institute of Power Engineering, Doctor of Engineering, Full Professor,
e-mail: aeo@proryv2020.ru

Дмитрий Сергеевич Соловьев – ученый секретарь технического комитета проектного направления «Прорыв» ГК «Росатом»,
e-mail: sds@proryv2020.ru

Dmitry S. Solovyov – Academic Secretary of the Proryv Project Technical Committee at the Rosatom State Corporation,
e-mail: sds@proryv2020.ru

Аннотация. В статье анализируются перспективы, проблемы развития современной ядерной энергетики (ядерной энергетики) и пути их решения на основе двухкомпонентной ядерной энергетики. Определены технические требования и требования конкурентоспособности к ядерным энергосистемам для создания крупномасштабной ядерной энергетики. Отмечен переход к долговременному планированию энергетики в зарубежных странах. Представлена информация о стратегии развития ЯЭ в Китае, во многом повторяющая подходы проекта «Прорыв».

Ключевые слова: ядерная энергетика, быстрые реакторы, крупномасштабная ядерная энергетика, конкурентоспособность, безопасность, нераспространение, проект «Прорыв», Стратегия развития ЯЭ, радиационная эквивалентность.

Abstract. The article analyzes the prospects, problems of modern nuclear power industry development and ways to solve them based on two-component nuclear power. Technical requirements and competitiveness requirements to nuclear power systems are defined to create a large-­scale nuclear power industry. Transition to long-term energy planning in foreign countries is noted. The paper provides information on the strategy of nuclear power plant development in China largely repeating approaches of the Proryv Project.

Keywords: nuclear power industry, fast reactors, large-­scale nuclear power industry, competitiveness, safety, non-proliferation, Proryv Project, strategy of nuclear power plant development, radiation equivalence.

Президиум научно-­технического совета госкорпорации «Росатом» в конце декабря 2018 года одобрил стратегию развития ядерной энергетики России до 2050 года и перспективы на период до 2100 года. Она подтверждает консенсус среди специалистов ядерного сообщества – следующим этапом развития является двухкомпонентная ядерная энергетика [2], структура которой к концу столетия показана на рис. 1.

До 2035 года приняты показатели, предусмотренные пока и неутвержденной правительством энергетической стратегии России до 2035 года, а последующая экстраполяция исходит из предположений о весьма скромных темпах развития экономики, демографической стагнации и максимально достижимого уровня мощности АЭС в 90 ГВт – практически утроение к сегодняшнему уровню. Консервативный подход снижает эту планку до 70 ГВт.
Зона неопределенности, представленная на рис. 1, определена возможностью достижения АЭС с реакторами на быстрых нейтронах конкурентоспособности как с АЭС с реакторами ВВЭР (на тепловых нейтронах), так и с парогазовыми установками. С учетом прогноза ИНЭИ РАН (рис. 2), к 2035 году возобновляемые солнечные и ветровые источники в РФ не вой­дут в зону конкурентоспособности, а потому и не рассматриваются.

Для сравнения конкурентоспособности АЭС с парогазовыми установками в рамках проекта «Прорыв» еще в 2015 году были определены как критерии капитальные затраты (CAPEX), так и критерии стоимости производства энергии (LCOE). Учитывалось, что в российских реалиях цена электроэнергии не достигла уровня, соответствующего лучшим мировым практикам с точки зрения капитальных вложений, удельного расхода топлива, коэффициента использования установленной мощности и т. д. Именно поэтому действующие сейчас АЭС по стоимости производства энергии соизмеримы с действующими ныне в России парогенераторными установками. Еще большие преимущества действующей ядерной энергетики демонстрируются по себестоимости производства на уровне 1,5 руб./кВт·ч. Однако следует учитывать, что определяются они в основном энергоблоками еще советской постройки, амортизация которых завершена. Для энергоблоков, сооруженных в рамках договоров о предоставлении мощности, ситуация далеко не столь радужная. Поэтому критерии конкурентоспособности (рис. 3, 4) следует рассматривать не только как экономические требования к новым блокам с реакторами на быстрых нейтронах, но и как требования к ядерной энергетике вообще.

Для блоков с ректорами на тепловых нейтронах решение проблем безопасности и конкурентоспособности связывается с внедрением реакторов со спектральным регулированием, а также с переходом на сверхкритические параметры по давлению, по аналогии с тепловыми электростанциями. Спектральное регулирование, вместо борного, предполагает отказ от циркониевых оболочек ТВЭЛ (исключение пароциркониевой реакции), а, следовательно, и от спецкорпуса с соответствующим снижением капиталовложений.
Для блоков с реакторами на быстрых нейтронах реализация требований конкурентоспособности выглядит не столь очевидной: весь опыт, как в СССР (БН‑350, БН‑600), так и в РФ (БН‑800) говорит о прямо противоположной тенденции. Такова же и практика во Франции: от Rapsodie до Superphenix экономика не стала преимуществом реакторов на быстрых нейтронах. Поэтому до сих пор многие их приверженцы ищут другие ниши для оправдания их присутствия в сфере ядерной энергетики: наработка топлива при исчерпании запасов урана по доступной цене, а также решение проблемы отходов ядерного топлива при его переработке и трансмутации наиболее долгоживущих изотопов.
От окончательного решения этой дилеммы зависит будущее ядерной энергетики, поэтому успех проекта «Прорыв», в комплексе решающего проблемы замыкания топливного цикла на базе реакторов на быстрых нейтронах, определит и будущее этого вида генерации [3, 4]. Доказав свою конкурентоспособность, ядерная энергетика получит возможность для реализации и остальных своих преимуществ, прежде всего, по сохранению органики для внеэнергетического использования, а также в качестве ключевой безуглеродной генерации.

Вслед за Россией, к долговременному планированию энергетики приступили и другие страны. Прежде всего, это касается Китая, беспрецедентное развитие энергетики которого в предшествующие годы (рис. 5) было насущной потребностью в условиях быстрого (до 12% в год) развития экономики.

Ясно, что для такого развития использовались имевшиеся в стране сырьевые ресурсы, прежде всего угля, в силу чего Китай стал одним из основных производителей СО2, объектом критики на экологических форумах. Понимая необходимость решения экологических проблем, наиболее остро ­ощущаемых в районах основной городской агломерации, Китай развивает все виды альтернативных органике генераций, в том числе и ядерную. Несмотря на то, что в последнее десятилетие рост генерирующих мощностей ветровых и солнечных электростанций в Китае обгонял в разы рост ядерной энергетики (рис. 6), производство энергии оказалось сравнимым (рис. 7).

Для возобновляемых источников энергии, прежде всего, ветряных, в Китае уже приняли долгосрочную (до 2050 года) стратегию развития, в то время как сооружение АЭС регулируется пятилетними планами, корректируемыми практически ежегодно в сторону увеличения числа строящихся энергоблоков. Так, в 2018 году введены в эксплуатацию 7 энергоблоков АЭС (в РФ – 2 энергоблока). Примечательно, как Китайский институт атомной энергии рассматривает перспективы ее развития в стране (рис. 8).

Прежде всего, следует отметить, что теперь уже не только Россия, но и другая страна, активно развивающая ядерную энергетику, считает необходимыми долгосрочные стратегии. На рис. 8 показан ее консервативный вариант, когда к концу века мощность АЭС в Китае достигнет 500 ГВт (суммарная мощность всех АЭС мира на начало 2019 года составляла около 400 ГВт). В оптимистичном варианте – втрое больше, причем и в этом случае доля электропроизводства на АЭС не превысит 30%.
Большой вопрос – состоится ли любой из этих сценариев, однако еще более интересен подход к структуре ядерной энергетики. Первый период развития, предположительно заканчивающийся в 2030-е годы, естественно, на реакторных установках на тепловых нейтронах, выводит ядерную энергетику на уровень мощности около 200 ГВт. Затем вводятся только АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, и именно их мощность к концу столетия должна достигнуть, в зависимости от сценария, от 500 до 1500 ГВт, в то время как реакторы на тепловых нейтронах (аналоги наших ВВЭР) исчерпают свой ресурс и будут выведены из эксплуатации.

Примечательно также, что пока у Китая есть только один экспериментальный реактор на быстрых нейтронах электрической мощностью около 20 МВт (CEFR), а при строительстве энергоблока мощностью 600 МВт (CFR‑600) они запросили и получают помощь российских специалистов и промышленности. Оптимальным для реакторов на быстрых нейтронах является плотное топливо. В связи с этим планируется использовать MOX‑топливо на начальном этапе эксплуатации как CFR‑600, так и CFR‑1000, с последующим переходом на металлическое смешанное уран-плутониевое топливо. Очевидно, что на этом варианте Китай остановился, копируя многолетние американские подходы: понимая неизбежность перехода к реакторам на быстрых нейтронах, они следовали объявленным Аргоннской национальной лабораторией (ANL) приоритетам. Как известно, разработки таких реакторов в США были остановлены еще в 70-е годы прошлого столетия из-за опасения бесконтрольного распространения основного оружейного материала – плутония. Тем не менее теоретические расчеты, выполненные в ANL, и испытания топливных композиций в Айдахо продолжались. Удивительно, но, сотрудничая с Westinghouse, китайские специалисты не обратили внимание, что еще в 2015 году эта компания объявила, что связывает будущее ядерной энергетики с быстрыми реакторами, использующими свинец в качестве теплоносителя, а также смешанное нитридное уран-плутониевое топливо. Причины, очевидно, те же, что и доводы по выбору этого топлива. В настоящее время производственный комплекс достроен и начат монтаж оборудования.
Еще более существенно, что с экспериментального производства Сибирского химического комбината уже сошли более 1000 тепловыделяющих элементов, испытания которых не только в исследовательских реакторах в АО «ГНЦ НИИАР» (Димитровград), но и в промышленном реакторе БН‑600 достигли выгорания 7,5% по тяжелым атомам, то есть более высокого, чем в тепловых реакторах. Ни один из тепловыделяющих элементов при реакторных испытаниях не разгерметизировался, что свидетельствует о запасе ресурса их работоспособности. Достижения в создании плотного топлива в РФ являются уникальными, опережающими на десятилетие мировые.
Обостряющиеся проблемы отложенного решения по отработавшему ядерному топливу, ежегодно накапливающемуся в мире в количестве более 10 тысяч т, смещают приоритеты в сторону поиска вариантов их окончательного решения. Еще в 1990-е годы в ряде публикаций [5, 6] была показана возможность достижения потенциала биологической опасности радиоактивных отходов после трансмутации наиболее долгоживущих изотопов, сравнимого по опасности с добываемым урановым сырьем примерно через 300 лет, в зависимости от степени очистки этих отходов от примесей и учета миграционного фактора (рис. 9).

В 2018 году под руководством российского радиоэколога, чл.‑ корр. РАН В. К. Иванова было показано, что онкологические риски радиоактивных отходов и уранового сырья выравниваются еще быстрее, менее чем через 100 лет [7]. Таким образом, выбранный радиационно-­эквивалентный подход при замыкании ядерного топливного цикла позволяет решить одну из вечных проблем ядерной энергетики.

Основные вехи создания двухкомпонентной ядерной энергетики представляются следующими:

1. Завершение научно-­исследовательских работ по реактору БН‑1200М и проектных проработок для достижения конкурентоспособности АЭС. Успех этих работ позволяет уже до 2030 года ввести в эксплуатацию первый энергоблок, решающий проблемы сырьевого обеспечения на многие сотни лет, достижения радиационной эквивалентности РАО и уранового сырья, а также технологического усиления режима нераспространения.
2. Создание опытно-­демонст­рационного комплекса на площадке Сибирского химического комбината (топливное производство в 2021 году, энергоблок с радиоактивной установкой БРЕСТ-ОД‑300 в 2026 году, модуль переработки отходов ядерного топлива в 2028 году) комплексно решает задачи замыкания ядерного топливного цикла, а при успехе эксплуатации реактора БРЕСТ-ОД‑300 и подтвержденной конкурентоспособности позволит отказаться от натрия с его проблемами, и с первой половины 2030-х годов обеспечить развитие ядерной энергетики на базе реакторов естественной безопасности.

Ограниченные возможности сооружения АЭС внутри страны, о которых шла речь в начале статьи, компенсируются значительным экспортом энергоблоков. За прошедшие годы к ним добавились новые договоренности в Китае и Узбекистане. В то же время нельзя не учитывать, что в 2018 году в Китае были введены в эксплуатацию энергоблоки АР‑1000. В предположении, что их капиталовложения окажутся существенно ниже за счет ряда небесспорных с точки зрения безопасности технических решений, а также учитывая значительные кредитные ресурсы этой страны, можно ожидать со стороны Китая вместе с Westinghouse конкуренции на рынках третьих стран. Опережающее создание технологий замыкания ядерного топливного цикла и референтных блоков реакторов на быстрых нейтронах позволит сохранить РФ лидирующие позиции в экспорте АЭС, поставках топлива (не только традиционного, но и смешанного нитридного уран-плутониевого топлива) и услуг, обучения специалистов.
В последние годы активно обсуждаются перспективы атомных станций малой мощности, особенно в связи с задачами по развитию северных регионов и Арктики. Россия, обладающая огромным опытом создания радиоактивных установок для подводного и ледокольного флота, может конвертировать эти технологии в наземные энергоблоки для использования в районах, удаленных от сетевых структур и не имеющих местных сырьевых энергетических ресурсов. Одной из таких установок, разработанной НИКИЭТ им. Доллежаля, является «Шельф» (рис. 10).

При тепловой мощности реактора 28,4 МВт и электрической мощности 6,6 МВт такая атомная станция малой мощности идеально подходит для энергообеспечения в удаленных и труднодоступных районах с децентрализованным энергоснабжением. При современном среднем тарифе на электроэнергию, например, в населенных пунктах Республики Саха (Якутия) на уровне 68 руб./кВт·ч и 9,8 тысяч руб./Гкал тепла, такие станции оказываются более чем конкурентоспособными видами генерации энергии.