Ядерная энергетика: глобальный взгляд
Мнение автора может не совпадать с позицией редакции
Доктор наук, профессор НИЯУ МИФИ Виктор Мурогов критически анализирует историю, состояние и перспективы развития ядерной технологии.
Ядерная энергетика — передовой фронт более чем в 30 наиболее развитых в промышленном отношении странах. Под эгидой МАГАТЭ многие страны — новички ядерного клуба (newcomers) планируют развитие и использование ядерных технологий, строительство АЭС. Это очень важно, если учесть, что 100 стран в мире импортируют более 50% энергоресурсов, а 40 стран не имеют собственных источников энергии.
Атомная энергетика достигла стабильного состояния: в мире сегодня работают 442 реактора суммарной мощностью примерно 392 ГВт (эл.), 54 блока — на стадии строительства.
Ядерная наука и технологии вносят в большинстве стран мира определяющий вклад в дальнейшее развитие неэнергетических областей экономики, таких как сельское хозяйство и производство продуктов питания, в том числе пресной воды, ядерная медицина (диагностика и лечение) на базе использования ядерных источников и радиоизотопов, наука, техника и промышленность. Так, объем рынка ядерной медицины в США в 5−7 раз превышает объем бизнеса в ядерной энергетике.
В то же время наличие ядерного оружия у пяти великих ядерных держав (США, Россия, Китай, Франция, Великобритания), являющихся основой Совета Безопасности ООН, действие Закона о нераспространении ядерного оружия (Non-Proliferation Treaty — NPT), работа МАГАТЭ и других международных организаций обеспечивают базис режима мировой безопасности.
Энергетическую основу современной цивилизации по-прежнему составляет органическое топливо (нефть, газ, уголь) — более 85% от общего энергетического баланса, до 70% в выработке электроэнергии.
То есть говорить сейчас о выполнении ЯЭ своей фундаментальной задачи (той, о которой говорили пионеры-основатели Средмаша) — вытеснении органики как базового топлива нашей цивилизации — преждевременно.
Критический анализ развития и использования результатов ядерной науки и техники показывает, что наиболее успешно ядерные технологии были освоены и применены в оборонной сфере. В этом направлении были сконцентрированы основные ресурсы государств, как материальные, финансовые, так и человеческие. Мирное использование ядерной технологии стало практически конверсией результатов развития оборонной технологии. Технология ядерного топливного цикла (ЯТЦ) изначально была направлена на получение «чистого» плутония в ограниченных объемах. Огромный успех был достигнут в развитии промышленного высокого обогащения 235U на базе центрифуг.
Развитие реакторостроения для АЭС определялось требованиями развитого промышленного производства и рынка. Практически оно свелось к эволюционному усовершенствованию АЭС на базе успешной капитализации реакторов первого поколения.
Сегодня развитие реакторной науки остановилось. Основы достижений прошлых лет определялись решением конкретных технологических задач (материаловедение, программные комплексы и т. п.). Придуманные более 60 лет назад промышленные реакторы-бридеры до сих пор существуют лишь в единичных экземплярах.
Поспешная капитализация ядерной технологии на начальном этапе ее развития привела к «втискиванию» этого принципиально нового источника энергии в прокрустово ложе пароводяного термического цикла. В итоге сегодня термодинамические показатели АЭС остаются на уровне 1960-х годов и являются наиболее низкими в энергетике (~ 30%, ~ 60−65%). Это обуславливает экономические потери новой уникальной технологии создания термоядерного реактора (парадокс: температура плазмы в термоядерном реакторе достигает миллионов градусов при рабочей температуре термодинамического цикла этого реактора ~ 300 °С).
Вывод: ядерная энергетика, реакторная наука остановились на «младенческом» уровне развития. Требуются возрождение творческого духа в реакторной науке и технике, «штучная» подготовка специалистов нового уровня.
Согласно данным PRIS, в общей сложности на 11 АЭС России эксплуатируются 38 энергоблоков установленной мощностью 28,5 ГВт, из них 21 энергоблок с реакторами типа ВВЭР (три энергоблока ВВЭР‑1200, 13 — ВВЭР‑1000 и пять — ВВЭР‑440 различных модификаций).
Государственная поддержка ядерной отрасли России обеспечила рост доли АЭС в производстве электроэнергии за последние 10 лет с 16% до 19% (в Европейской части России — почти до 40%), в то время как в мире за это же время доля АЭС упала с 16% до 10% от всего объема производимой электроэнергии. Сегодня Росатом — мировой лидер по количеству энергоблоков АЭС в зарубежном портфеле проектов (36 в 12 странах) и по обогащению урана (38% мирового рынка).
В то же время недостаточно развитая машиностроительная база (производство корпусов, турбин и т. п.) требует участия иностранных фирм (в счет нашего кредита на строительство АЭС).
Кроме обеспечения «атомных строек» материалами, оборудованием, а также финансирования проектов (в том числе с учетом возможностей местной промышленности, банков), предусматривается участие иностранных фирм в поставках оборудования. Также ведется подготовка необходимых специалистов на базе российских вузов и организаций, а также работа с населением на базе создаваемых информационных центров.
Кроме того, топливный дивизион Росатома ТВЭЛ гарантирует обеспечение работы АЭС ядерным топливом, с возвратом ОЯТ в Россию на хранение и последующую переработку. Тем самым российской ядерной отрасли гарантируется рынок производства, обогащения и переработки топлива. Сегодня Россия занимает до 38% мирового рынка обогащения топлива, свыше 15% мирового рынка производства топлива. Тем самым реализуется наш успех в развитии технологии центрифужного обогащения.
Выполнение этих двух рыночных экономических задач обеспечивает решение третьей задачи — формирование политического влияния в стране (регионе) строительства АЭС.
В то же время экспортная ориентация ядерной отрасли России на страны-newcomers обуславливает застой как в развитии инновационных технологий, так и в системе ядерного энергетического образования в России.
В промышленном масштабе в последние 40 лет реализуется лишь один традиционный тип реакторов — водо-водяные. Реакторы ВВЭР‑440, ВВЭР‑1000, ВВЭР‑1200 представляют единую технологическую линейку. Новые концепции, такие как реактор повышенной безопасности ВПБР‑600, не находят развития.
Экспортная ориентация означает подготовку специалистов из стран-newcomers для эксплуатации АЭС стандартного типа, т. е. операторов с обязательным знанием инструкций и системы управления. Фактически в рамках стандартных образовательных программ готовятся специалисты по технологиям прошлого века. Разработка и развитие новых технологических решений при таком подходе исключаются.
В отрасли нет стимула для подготовки молодого поколения творческих специалистов-энтузиастов, которые смогли бы создать и реализовать инновационные реакторные технологии. Аналогичная ситуация складывается в большинстве стран Старого света, породивших ядерную технологию. Практически все направления международного проекта GIF‑4 являются попытками реализации экспериментальных разработок 1960−1970-х годов.
Страны-newcomers характеризуются низким уровнем знаний и опыта. Необходимо создание системы сбора и передачи нужных знаний и опыта в странах- донорах. В то же время отрасль концентрирует внимание на внутренних кадровых проблемах с упором на управление носителями знаний (кадрами), а не самими знаниями.
Есть и еще одна существенная проблема: по своим термодинамическим показателям современные АЭС находятся на уровне углеводородной энергетики 1960−1970-х годов с КПД 30−35%. При этом вся современная энергетика развивается на закритических параметрах с КПД до 60−65% (например, парогазовый цикл).
Из письма академика П. Л. Капицы первому заместителю председателя СНК СССР В. М. Молотову, 1945 год
Запасы урана для тепловых реакторов PWR, BWR меньше запасов нефти, так как этот тип реакторов использует только около 0,5% энергетических запасов природного урана. Принципиальное решение использования практически неограниченных ресурсов природных урана и тория на базе наработки вторичных «искусственных» делящихся изотопов (плутония и 233U) в ядерной энергетике известно с 1940-х годов. Необходимо создать реакторы-бридеры, работающие в замкнутом ядерном топливном цикле (ЗЯТЦ) с наработкой и повторным использованием вторичных делящихся изотопов.
Более 75 лет ведутся разработки и исследования в этом направлении, и в результате сегодня в мире работают только два промышленных энергетических реактора на быстрых нейтронах (БН‑600 и БН‑800, оба в России) из 442 реакторов. При этом работают они в основном на 235U (как и ВВЭР) и не являются бридерами, поскольку их ядерный топливный цикл (ЯТЦ) не замкнут: выделенный при переработке ОЯТ плутоний повторно в промышленном масштабе не используется. Разработка технологии ЗЯТЦ в ядерной энергетике для мирных целей cтала, как и создание АЭС, конверсией «оружейной» технологии, придуманной для наработки изотопно-чистого «оружейного» плутония. Там требовались килограммовые количества изотопно-чистого 239Pu, а ЗЯТЦ должен использовать тонны «энергетического» плутония смешанного изотопного состава, в том числе из ОЯТ водо-водяных реакторов.
Попытка США в 1964—1968 годах разработать и реализовать на базе быстрого реактора EBR‑2 замкнутый безводный ЯТЦ на основе инновационной интеграции быстрых реакторов и технологии пирометаллургии и электрохимии (Integral Fuel Cycle — IFC) оказалась промышленно и рыночно неприемлемой. Впоследствии попытки повторить безводный ЯТЦ применительно к оксидному топливу безуспешно предпринимались в отечественном НИИАРе (Димитровград).
Безопасность — краеугольный камень
Полномасштабное развитие ЯЭ на базе решения перечисленных проблем возможно только при гарантированном обеспечении ядерной и радиационной безопасности АЭС и предприятий ЯТЦ.
Анализ развития ЯЭ показал зависимость конкурентоспособности ЯЭ от реализации перечисленных факторов. Как известно, на начальном этапе развития ЯЭ с использованием оборонной «ядерной» платформы (топливная и промышленная инфраструктура, образование и подготовка кадров) стоимость 1 кВт установленной мощности АЭС с водо-водяными реакторами составляла около $ 200. Современное значение — до $ 4000 за 1 кВт. В чем (кроме инфляции) основная причина такого огромного роста — в 20 раз?
По оценке Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США, только удовлетворение возрастающих требований «инженерной» безопасности привело к ежегодному росту стоимости выработки электроэнергии на АЭС на 10−12%. С учетом дополнительных «пенальти» на ЯЭ, не существующих в традиционной энергетике, рыночная экономика начинает избавляться от этой неконкурентоспособной технологии. Это рационально с точки зрения рынка. Но в действительности практическое использование ядерной энергии начиналось как важнейшая государственная задача (и продолжается в области ядерного вооружения). А ядерная энергетика отпущена в свободное плавание — в рыночных условиях. В результате при числе блоков АЭС менее 500 сохраняется приемлемый риск тяжелых ядерно- радиационных аварий на уровне ЯР ~10-5.
Если ядерной энергетике отводится роль «чистого» источника энергии для решения климатических проблем, то уровень развития ЯЭ в мире, по различным оценкам, должен достичь 5−10 тыс. ГВт (эл.) к 2100 году. Последние оценки представителей ядерных отраслей Старого света показали, что для подготовки к решению этой задачи доля ЯЭ в странах ЕС и США должна составить 20−25%, т. е. к 2050 году надо дополнительно построить не менее 1500 ГВт, учетверив существующие мощности.
На начальном этапе развития мирного использования ЯЭ считалось, что ядерные отходы дают преимущество ЯЭ в силу своей высокой концентрации, ограниченности объема (с возможностью строгого контроля, учета и изоляции) и постепенного радиоактивного распада. Однако присутствие в РАО долгоживущих высокоактивных осколков и актиноидов (в первую очередь, плутония) требует их контролируемого захоронения на сотни тысяч и миллионы лет, что не имеет аналогов в истории человечества.
Только Финляндия и Швеция подошли к реальной конструкции контролируемого хранилища ОЯТ без переработки. До сих пор нет промышленного решения этой проблемы — с переработкой или без, навечно или с возможностью контроля и доступа.
Что касается технологии трансмутации долгоживущих высокоактивных изотопов, то для ее реализации требуются специальные быстрые реакторы с большим избытком нейтронов (так называемые быстрые реакторы-выжигатели), которые пока существуют только на концептуальном уровне.
Если перечисленные проблемы: ограниченность ресурсов и необходимость разработки реакторов-бридеров, развитие и реализация технологии ЗЯТЦ, обращение с отходами, обеспечение приемлемого уровня ядерной и радиационной безопасности установок и технологий АЭС и ЗЯТЦ, — по мнению многих экспертов, являются технико-экономическими, то есть решаемыми при наличии времени, средств и специалистов, то для такой проблемы, как обеспечение ядерного нераспространения, не гарантирована возможность 100% решения.
Известно, что наиболее уязвимы с точки зрения нераспространения технологии обогащения и радиохимии. Переработка ОЯТ в замкнутом ЯТЦ приведет (в рамках рассматриваемой сегодня двухкомпонентной модели развития ЯЭ), дополнительно к существующей технологии обогащения урана, еще к одной «чувствительной» технологии — радиохимической переработке, т. е. выделению из большого количества облученного топлива двух потенциально опасных, с точки зрения нарушения режима нераспространения, материалов: плутония и высокоактивных радиоактивных материалов.
- Как отмечалось в заявлениях экспертных групп МАГАТЭ и конференций участников Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), долговременное принципиальное решение проблемы ядерного распространения лежит в двух плоскостях:
- интернациолизация ядерного топливного цикла (создание международных центров ЯТЦ),
- воспитание нового менталитета как у населения, так и у руководства стран, стремящихся к развитию ядерных технологий.
Как писал еще в 1955 году академик П. Л. Капица, нельзя без смены научно-технического принципа преобразования ядерной энергии в электрическую создать конкурентоспособные новые энергоблоки АЭС.
Достижение полномасштабного уровня развития ЯЭ, способной принять социально-экономические и экологические вызовы, стоящие перед человечеством, потребует принципиально новой концепции развития ЯЭ и ее ядерного топливного цикла. Не менее серьезная задача для нашего общества — воспитание нового менталитета у вступившего в ядерный век человечества.