Значение новой технологической платформы для ядерной энергетики России

Евгений АДАМОВ
Научный руководитель проектного направления «Прорыв» и АО «НИКИЭТ»
Е-mail: EOAdamov@rosatom.ru

Андрей КАШИРСКИЙ
Начальник аналитического отдела АО «Прорыв»
Е-mail: AnAKashirsky@rosatom.ru

В настоящий момент лидирующие позиции России в сфере ядерной энергетики признаны на международном уровне и не вызывают сомнений. В мировом рейтинге Россия занимает 5‑е место по установленной мощности АЭС (с учетом временно остановленных энергоблоков в Японии), 4‑е – по годовому объему производимой электроэнергии (после США, Франции и Китая) и 1‑е – по количеству энергоблоков, сооружаемых за пределами национальных границ.
Несмотря на сохранение с 1989 г. примерно одного и того же суммарного уровня производства электроэнергии в стране, начиная с 2000 г. доля ЯЭ в балансе электроэнергии России выросла на 5%. Последние годы ее доля в производимой в стране электроэнергии составляет примерно 20%. В мировом потреблении первичной энергии доля ЯЭ в настоящее время составляет всего около 4%, а в электрической генерации снизилась с 17,5% до примерно 10% за период с 1996 г. по настоящее время. Такое положение дел связано с усилением позиций конкурирующих технологий генерации на базе ВИЭ, общественной реакцией на тяжелые аварии (Три-­Майл-­Айленд, Чернобыль, Фукусима), ростом затрат на безопасность АЭС и, наконец, отсутствием социально приемлемых решений проблемы накопления отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и радиоактивных отходов (РАО) и поддержания режима нераспространения ядерного оружия.

На фоне остальных стран Россия выделяется также тем, что является единственной страной, успешно эксплуатирующей реакторы на быстрых нейтронах промышленного уровня мощности – БН‑600 и БН‑800. В 2023 г. на энергоблоке с БН‑800 Белоярской АЭС завершилось формирование 100% активной зоны с МОКС-топливом, что является важнейшей вехой в части отработки технологий замкнутого ядерного топливного цикла в России. Важно отметить, что в настоящий момент Россия является единственной страной, создающей ядерную энергетическую систему (ЯЭС), полностью удовлетворяющую критериям «IV поколения», изложенным ранее в материалах основанного в 2000 г. форума GIF (Generation IV International Forum), Согласно уставу [2], целью данного форума является разработка концепции одной или нескольких ядерных энергетических систем четвертого поколения, которые могут обеспечить конкурентоспособные по цене энергетические продукты, решая проблемы ядерной безопасности, утилизации ядерных отходов, поддержки режима нераспространения и общественного восприятия ядерной энрегетики. Понятно, что для выполнения данной цели помимо реактора необходимы также производства, обеспечивающие его топливный цикл, т. е. все необходимые переделы, от получения сырья и изготовления топлива, до переработки ОЯТ и окончательной утилизации отходов. Такая система в настоящий момент создается в г. Северске, Томской области на площадке АО «СХК» в рамках проектного направления «Прорыв» госкорпорации «Росатом». Проект предполагает создание опытно-­демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК), который включает энергоблок с быстрым реактором БРЕСТ-ОД‑300 «естественной безопасности» со свинцовым теплоносителем и пристанционные модули по производству топлива и переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) [3]. В 2023 г. на объекте завершился монтаж строительных конструкций градирни, выполнены монтаж опорной плиты корпуса блока РУ и устройство шахты РУ.

В 2024 г. на площадке ОДЭК в рамках проведения международного форума «АТОМЭКСПО‑2024» выполнен тестовый запуск линии карботермического синтеза на модуле фабрикации ядерного топлива. До пуска энергоблока в 2027 г. модуль фабрикации произведет стартовою загрузку активной зоны реактора. Запуск замыкающего элемента ОДЭК – модуля переработки ОЯТ, ожидается в 2030 г. Таким образом, в России создаются все необходимые элементы новой технологической платформы для преодоления ключевых барьеров крупномасштабного развития ядерной энергетики. Тиражирование подобных комплексов, но уже коммерческих, позволит выполнить следующие задачи:
исключить тяжелые аварии, требующие эвакуации населения (Три-­Майл-­Айленд, Чернобыль, Фукусима);
исключить какие‑либо ограничения по топливной базе, поскольку система воспроизводит делящиеся материалы с коэффициентом 1 благодаря быстрому спектру нейтронов в реакторе и нитридному топливу;
исключить захоронение радиоактивных отходов, представляющих неприемлемый риск для населения и окружающей среды, так как потенциально долгоживущие опасные радионуклиды рециклируются в топливном цикле системы;
технологически обеспечить режим нераспространения ядерного оружия, поскольку переработка осуществляется без выделения урана и плутония оружейного качества, а система способствует утилизации «привлекательных» ядерных материалов;
обеспечить конкурентоспособную стоимость производимой электроэнергии, что дает полную независимость от каких‑либо природных ресурсов в обозримой перспективе, снижение обременения по хранению и захоронению отходов АЭПК и эффективное использование топлива за счет высокой глубины выгорания топлива.

Согласно Стратегии развития ядерной энергетики России до 2050 г. и перспективы на период до 2100 г. [4], основной прирост установленной мощности РБН в первой половине XXI века предполагается осуществить за счет строительства энергоблоков большой мощности, на уровне 1250 МВт(э). Ключевыми РУ в этом отношении являются БН‑1200М с натриевым теплоносителем и БР‑1200 со свинцовым теплоносителем. На сегодняшний день на площадке Белоярской АЭС проведены все виды изысканий, завершена разработка ОБИН, проведена отраслевая экспертиза для сооружения энергоблока № 5 Белоярской АЭС с БН‑1200М. Ввод в эксплуатацию энергоблока запланирован на середину 2030‑х гг. В части сооружения промышленных энергокомплексов (ПЭК) с РУ БР‑1200, основанных на опыте проектирования и сооружения ОДЭК, особое внимание сегодня уделяется возможности их приоритетного размещения в энергосистемах Урала и Сибири.

Стоит отметить, что в данных регионах есть большой потенциал для замещения крупных угольных электростанций в целях улучшения экологической обстановки и повышения роли низкоуглеродной генерации в энергетике. При этом технологически и экономически оправданным представляется размещение подобных энергокомплексов не менее чем с двумя РБН вместе с пристанционными топливными производствами замкнутого ЯТЦ (ЗЯТЦ). Последние расчеты экономической эффективности промышленных энергокомплексов, выполненные по актуальным результатам проектных проработок, показывают, что энергоблоки АЭС с РБН при серийном сооружении и достижении целевых технико-­экономических показателей могут обеспечить конкурентоспособное производство электроэнергии в сравнении с парогазовыми установками и ВИЭ, сооружаемыми на территории России. Реализация проектов серийного сооружения АЭС при ставках дисконтирования до 5% приведет к увеличению конкурентоспособности ядерной энергетики и окажет синергетический эффект на экономику РФ. Применительно к ПГУ дополнительно рассмотрено влияние возможного введения платы за выбросы парниковых газов, которая принята в диапазоне от 0 до 50 долл./т СО2.

Тем не менее, стоит также отметить, что подход к развитию атомной промышленности в России, основанный исключительно на базе реакторов большой мощности в некоторой степени ограничивает потенциал для широкомасштабного тиражирования решений новой технологической платформы. После частичного исчерпания площадок для размещения крупных АЭС, все большую актуальность будут иметь коммерческие энергоблоки средней мощности с характеристиками, позволяющими оптимально встраиваться в существующую энергосистему и учитывать ее потребности в маневренном режиме работы электростанций. Такое решение возможно реализовать, в том числе, на базе ОДЭК, не потеряв ключевые преимущества технологий ядерных систем IV поколения.

Для успешной коммерциализации решений ОДЭК целесообразно:
выполнить оценку потенциального экономического эффекта от перевода всех опытно-­демонстрационных элементов ОДЭК в коммерческое, серийное исполнение;
выполнить проработку возможности увеличения КПД АЭС ПЭК средней мощности за счет дополнительного нагрева пара перед турбиной с использованием тепловой энергии органического топлива;
продолжить НИОКР в обоснование новых конструкционных материалов с доведением теплотехнических параметров РУ и ЭБ до лучших возможных показателей в целях увеличения КПД АЭС.
Современные АЭС с РУ на тепловых нейтронах работают с КПД на уровне 35%, что ниже КПД в 45% у современных тепловых электростанций и значительно ниже КПД парогазовых электростанций последнего поколения, равного 60%. АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, такими как БРЕСТ-ОД‑300, обладают КПД на уровне 43%. Увеличение КПД АЭС до уровня 50% и выше, при безусловном соблюдении норм и правил ядерной и радиационной безопасности, позволит улучшить экономические показатели комплексов средней мощности и заменить часть старых, низкоэффективных ТЭС, работающих на органическом топливе. Теоретическая возможность достижения таких параметров на примере быстрых и тепловых реакторов приведена в работах [5, 6].
Замещение органического топлива низкоуглеродными источниками энергии является ключевым вопросом в современной энергетической политике. При планировании замещения одной технологии генерации на другую стоит учитывать то обстоятельство, что такой переход имеет значительные социально-­экономические последствия для населения, напрямую или косвенно связанного с выводимыми из эксплуатации объектами. Глобальный тренд на сокращение доли использования органического топлива в энергобалансе безусловно повлияет на судьбу сотни тысяч людей, работающих в отраслях энергетики, связанных с нефтегазовой и угольной инфраструктурой. Это в конечном счете может негативно сказаться на стабильности регионов, экономически зависимых от использования полезных ископаемых в той или мной степени. Важно отметить, что переход на альтернативные источники энергии предоставляет также новые возможности для создания высококвалифицированных рабочих мест и развития новых отраслей экономики. Проекты в сфере ядерных энергетических технологий создают новые рабочие места в области исследований и разработок, производства и установки оборудования, а также в сфере строительства и эксплуатации АЭС и различных предприятий ядерного топливного цикла, что, в конечном счете, приведет к экономическому росту и развитию, увеличению инвестиций и стимулированию инноваций. Одним из вариантов поддержки регионов, где переход к низкоуглеродным технологиям генерации представляет особую целесообразность (например, регионы с высокой концентрацией угольных станций), может быть строительство объектов новой технологической платформы, а именно, промышленных энергокомплексов, объединяющих реакторные и топливные технологии на одной площадке. Такие объекты будут представлять большой интерес для региональных экономических субъектов, с точки зрения создания новых рабочих мест, гарантирующих стабильный запрос на высококвалифицированный персонал на долгие десятилетия вперед.
Отдельно стоит отметить, что развитие новой технологической платформы ядерной энергетики также усилит позиции международного присутствия России на зарубежных рынках. В условиях обострения конкуренции на нефтяном и газовом рынках для обеспечения собственной экономической безопасности Россия стратегически заинтересована в ускоренном развитии экспорта высокотехнологичной, наукоемкой продукции на базе ЯЭ. АЭС и услуги ЯТЦ стали одними из ключевых несырьевых направлений экспорта для страны. Однако конкуренция на внешнем рынке в последние годы обостряется. Кроме традиционных конкурентов (США, Франция, Япония, Канада) на рынок выходят другие игроки (в первую очередь Китай), предлагающие аналогичные реакторы на тепловых нейтронах и дешевые кредитные ресурсы. В этом отношении разрабатываемые в России инновационные реакторные и топливные технологии создают предпосылки для формирования совершенно уникального предложения для всей мировой атомной промышленности. Формирование второй компоненты ядерной энергетики в России в виде реакторного парка РБН создает экономически оправданных, эффективных потребителей не только отечественных, но и зарубежных плутония и минорных актинидов – наиболее проблемных с радиологической точки зрения составляющих отходов ядерного топлива [7]. Регенерированные из ОЯТ материалы также могли бы использоваться для производства топлива для действующих или будущих реакторов на территории заказчика услуг АЭПК России. Формируемая в России ядерная энергетическая система IV поколения с замыканием ядерного топливного цикла на базе РБН использует Pu в качестве возобновляемого энергетического ресурса и позволяет экологически и экономически приемлемо утилизировать минорные актиниды, образуемые в результате облучения топлива. Сегодня Россия является единственной страной мира, где существуют все предпосылки для получения референций и успешного масштабирования вышеприведенных решений в перспективе 10–20 лет. Одновременно страна может стать международным центром рынка услуг по обращению с ОЯТ и РАО на базе технологий, которые чрезвычайно трудно воссоздать или скопировать в любой другой стране мира. В этом отношении можно уверенно утверждать, что ставка на инновации в ядерной энергетике России создаст необходимые предпосылки для кардинального увеличения доли высокотехнологичного экспорта страны и укрепит ее технологический суверенитет на долгие годы вперед.