Практика покажет
ТЕХНОЛОГИИ / #6_2021
Иллюстрация: Влад Суровегин
Смогут ли быстрые реакторы сравниться по экономической эффективности с тепловыми? Каковы главные сложности при переработке ОЯТ и какие технологии будут применяться в «Прорыве»? В чем потенциальные преимущества замкнутого топливного цикла? На эти и другие вопросы отвечает доктор химических наук, научный руководитель направления «Разработка технологии ЗЯТЦ» АО «Прорыв» Андрей Шадрин.
Биография эксперта
Андрей Юрьевич ШАДРИН родился в 1961 году в Ленинграде. Окончил инженерно-физико-химический факультет Ленинградского технологического института им. Ленсовета (ЛТИ). Получил диплом инженера химика-технолога по специальности «Технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов». Дипломную работу выполнял в Радиевом институте им. В. Г. Хлопина. Там же работал с 1984 по 2010 год. Прошел путь от старшего техника до директора отделения прикладной радиохимии. В августе 2010 года перешел на работу во ВНИИНМ им. А. А. Бочвара на должность заместителя по науке директора Центра по обращению с РАО и ОЯТ и выводу из эксплуатации.
В Радиевом институте в 1991 и 2006 годах защитил диссертации на соискание степеней кандидата и доктора химических наук.
Основные области научных интересов: переработка облученного ядерного топлива реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, фракционирование высокоактивных отходов, жидкостная и сверхкритическая экстракция.
В Радиевом институте в 1991 и 2006 годах защитил диссертации на соискание степеней кандидата и доктора химических наук.
Основные области научных интересов: переработка облученного ядерного топлива реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, фракционирование высокоактивных отходов, жидкостная и сверхкритическая экстракция.
Вопрос об экономической эффективности замкнутого топливного цикла остается открытым. У него есть две составляющие.
Первая: все существующие быстрые реакторы дороже реакторов на тепловых нейтронах. Да, есть все предпосылки к тому, чтобы доказать (и я думаю, что уже в этом году это будет доказано) возможность строительства быстрого реактора, сопоставимого по эксплуатационным затратам и по стоимости выработки электроэнергии с тепловыми. Но пока это не подтверждено.
Вторая: непонятно, что делать с высокоактивными отходами.
Расчеты показывают, что стоимость захоронения облученного топлива без переработки и стоимость переработки ОЯТ плюс захоронение ВАО (без урана и плутония) сопоставимы. Однако есть нюанс: мы более или менее точно знаем, сколько будет стоить переработка. А опыта подземного захоронения ОЯТ у нас нет — и точных цифр его стоимости тоже нет. Есть приблизительные оценки, но насколько они соответствуют действительности, пока неизвестно. Добавлю, что захоронение ОЯТ в Российской Федерации запрещено.
В проекте «Прорыв» разработаны технологии, позволяющие выделить из ОЯТ не только уран и плутоний, но и нептуний, америций и кюрий. Если не выделять из отходов америций, кюрий и нептуний, придется обеспечивать безопасность хранения РАО в течение сотен тысяч лет. Если эти элементы выделять, то речь идет уже о столетиях. На такой срок прогнозировать геологическую обстановку в районе хранилища можно относительно точно.
А что произойдет в течение сотен тысяч лет, никто предсказать не может.
Обязаны ли мы так далеко заглядывать вперед — вопрос философский. Но очевидно, что экономика в этом случае непрозрачна.
Первая: все существующие быстрые реакторы дороже реакторов на тепловых нейтронах. Да, есть все предпосылки к тому, чтобы доказать (и я думаю, что уже в этом году это будет доказано) возможность строительства быстрого реактора, сопоставимого по эксплуатационным затратам и по стоимости выработки электроэнергии с тепловыми. Но пока это не подтверждено.
Вторая: непонятно, что делать с высокоактивными отходами.
Расчеты показывают, что стоимость захоронения облученного топлива без переработки и стоимость переработки ОЯТ плюс захоронение ВАО (без урана и плутония) сопоставимы. Однако есть нюанс: мы более или менее точно знаем, сколько будет стоить переработка. А опыта подземного захоронения ОЯТ у нас нет — и точных цифр его стоимости тоже нет. Есть приблизительные оценки, но насколько они соответствуют действительности, пока неизвестно. Добавлю, что захоронение ОЯТ в Российской Федерации запрещено.
В проекте «Прорыв» разработаны технологии, позволяющие выделить из ОЯТ не только уран и плутоний, но и нептуний, америций и кюрий. Если не выделять из отходов америций, кюрий и нептуний, придется обеспечивать безопасность хранения РАО в течение сотен тысяч лет. Если эти элементы выделять, то речь идет уже о столетиях. На такой срок прогнозировать геологическую обстановку в районе хранилища можно относительно точно.
А что произойдет в течение сотен тысяч лет, никто предсказать не может.
Обязаны ли мы так далеко заглядывать вперед — вопрос философский. Но очевидно, что экономика в этом случае непрозрачна.
Частичное замыкание
И в России, и во Франции топливный цикл частично замкнут. В России он замкнут по урану: мы перерабатываем топливо ВВЭР‑440, РУ АПЛ и изготавливаем из регенерированного урана новое топливо — для реакторов РБМК, а выделяемый плутоний храним. Уже началось освоение плутониевого топливного цикла: первое оксидное смешанное уран-плутониевое топливо, плутоний для которого выделен из ОЯТ ВВЭР, уже загружено в реактор БН‑800.
Во Франции цикл замкнут по другому варианту — плутониевому: урановое топливо тепловых реакторов перерабатывают ради плутония. Мощность заводов по переработке при этом полностью не используется, перерабатывают ровно столько топлива, сколько нужно для изготовления MOКС‑топлива для реакторов на тепловых нейтронах.
Как выглядит сегодня переработка ОЯТ? Выгруженное из реактора топливо содержит плутоний, который можно использовать второй раз. Но перед переработкой ОЯТ необходимо поместить во временное хранилище, так как существующие технологии предполагают его выдержку в течение семи лет. Все это время плутоний не используется — мертвым грузом лежит на складе — и это влечет определенные экономические потери. Соответственно, чем быстрее перерабатывать ОЯТ, тем меньше будет потерь.
В проекте «Прорыв», решая вопрос переработки ОЯТ, выбрали комбинированную технологию. На опытно-демонстрационном комплексе, который строится сейчас в Северске, на первых стадиях процесса переработки будут проводиться пирохимические высокотемпературные операции, которые позволят убрать основную массу продуктов деления и сократить время выдержки топлива. На следующих стадиях будут проводиться гидрометаллургические операции, с помощью которых можно выделить америций и кюрий и получить смесь урана, плутония и нептуния высокой чистоты, которая требуется для изготовления таблеточного топлива.
Но поскольку такая инновационная технология, как пирохимия, не проверена в промышленных масштабах, а реактор должен работать, было принято решение пойти на дополнительные затраты и реализовать гидрометаллургическую часть таким образом, чтобы на первых этапах освоения комбинированной технологии можно было перерабатывать топливо БРЕСТа без пирохимии, с выдержкой примерно три года.
И в России, и во Франции топливный цикл частично замкнут. В России он замкнут по урану: мы перерабатываем топливо ВВЭР‑440, РУ АПЛ и изготавливаем из регенерированного урана новое топливо — для реакторов РБМК, а выделяемый плутоний храним. Уже началось освоение плутониевого топливного цикла: первое оксидное смешанное уран-плутониевое топливо, плутоний для которого выделен из ОЯТ ВВЭР, уже загружено в реактор БН‑800.
Во Франции цикл замкнут по другому варианту — плутониевому: урановое топливо тепловых реакторов перерабатывают ради плутония. Мощность заводов по переработке при этом полностью не используется, перерабатывают ровно столько топлива, сколько нужно для изготовления MOКС‑топлива для реакторов на тепловых нейтронах.
Как выглядит сегодня переработка ОЯТ? Выгруженное из реактора топливо содержит плутоний, который можно использовать второй раз. Но перед переработкой ОЯТ необходимо поместить во временное хранилище, так как существующие технологии предполагают его выдержку в течение семи лет. Все это время плутоний не используется — мертвым грузом лежит на складе — и это влечет определенные экономические потери. Соответственно, чем быстрее перерабатывать ОЯТ, тем меньше будет потерь.
В проекте «Прорыв», решая вопрос переработки ОЯТ, выбрали комбинированную технологию. На опытно-демонстрационном комплексе, который строится сейчас в Северске, на первых стадиях процесса переработки будут проводиться пирохимические высокотемпературные операции, которые позволят убрать основную массу продуктов деления и сократить время выдержки топлива. На следующих стадиях будут проводиться гидрометаллургические операции, с помощью которых можно выделить америций и кюрий и получить смесь урана, плутония и нептуния высокой чистоты, которая требуется для изготовления таблеточного топлива.
Но поскольку такая инновационная технология, как пирохимия, не проверена в промышленных масштабах, а реактор должен работать, было принято решение пойти на дополнительные затраты и реализовать гидрометаллургическую часть таким образом, чтобы на первых этапах освоения комбинированной технологии можно было перерабатывать топливо БРЕСТа без пирохимии, с выдержкой примерно три года.
Термины и определения
Пирохимические операции — высокотемпературные; как правило, имеются в виду электрохимические процессы в расплавах солей.
Гидрометаллургические операции — операции, протекающие в водных растворах, обычно азотнокислых.
Гидрометаллургические операции — операции, протекающие в водных растворах, обычно азотнокислых.
По сравнению с нынешними семью годами это большой прогресс. Конечно, у нас есть опыт переработки отдельных тепловыделяющих сборок и с меньшим временем выдержки, например, два года, но не в промышленных масштабах. Один из директоров завода по переработке топлива на ПО «Маяк», по образованию металлург, любит говорить: «У себя в лаборатории я сварю любой металл, любой сплав, а вот поставить его на производство и варить в печи — совершенно другая задача». Один раз переработать топливо с двухлетней выдержкой можно на основе существующих технологий без особых ухищрений, но задача состоит в том, чтобы завод работал в таком режиме постоянно.
А использование пирохимии позволит сократить время выдержки до года. Конечно, пока речь идет об одном-двух реакторах, разница в затратах будет не так заметна. А если реакторов будет, скажем, 100, выигрыш окажется существенным. Возможно, лет через 15 нам предстоит ответить на вопрос: а нужна ли вообще гидрометаллургия или можно обойтись пирохимией? И если все-таки нужна, то каково оптимальное соотношение этих двух технологий?
Опыт (и французов, и наш собственный) показывает, что первые 10−20 лет на таких предприятиях происходит серьезная переделка технологий. Поэтому, когда мне говорят, что нужно составить программу НИОКР для завода, я, честно признаюсь, впадаю в ступор: если бы мы могли предвидеть будущие проблемы, мы бы обязательно прямо сейчас начали придумывать их решения. Но мы не до конца понимаем, как будет развиваться промышленное производство. Химию процессов мы понимаем. Лабораторно, на стендах все проверено — теперь дело за производством.
Возьмем для примера получение оксидов урана и смешанных оксидов урана методом восстановительной термохимической денитрации. Мы осуществили этот процесс на 100-граммовых количествах в лаборатории с использованием урана, плутония и нептуния. Затем провели испытания в промышленном объеме (10 тонн в год) на установке, на которой можно работать только с ураном. Следующий шаг — убедиться, что все будет эффективно работать и на плутонии. А это можно сделать только в ОДЭК. Почему? Потому что такая установка может быть размещена только там, где есть источник плутония, и вокруг нее должны быть созданы системы биологической защиты, а также обращения с отходами. И лучше бы проверять не одну установку денитрации, а сразу пять-шесть. Грубо говоря, треть основной технологии. Для того чтобы обеспечить такую проверку в реальных масштабах, мы вынуждены перенести часть рисков на завод и начать проектировать этот завод — что мы и сделали.
А использование пирохимии позволит сократить время выдержки до года. Конечно, пока речь идет об одном-двух реакторах, разница в затратах будет не так заметна. А если реакторов будет, скажем, 100, выигрыш окажется существенным. Возможно, лет через 15 нам предстоит ответить на вопрос: а нужна ли вообще гидрометаллургия или можно обойтись пирохимией? И если все-таки нужна, то каково оптимальное соотношение этих двух технологий?
Опыт (и французов, и наш собственный) показывает, что первые 10−20 лет на таких предприятиях происходит серьезная переделка технологий. Поэтому, когда мне говорят, что нужно составить программу НИОКР для завода, я, честно признаюсь, впадаю в ступор: если бы мы могли предвидеть будущие проблемы, мы бы обязательно прямо сейчас начали придумывать их решения. Но мы не до конца понимаем, как будет развиваться промышленное производство. Химию процессов мы понимаем. Лабораторно, на стендах все проверено — теперь дело за производством.
Возьмем для примера получение оксидов урана и смешанных оксидов урана методом восстановительной термохимической денитрации. Мы осуществили этот процесс на 100-граммовых количествах в лаборатории с использованием урана, плутония и нептуния. Затем провели испытания в промышленном объеме (10 тонн в год) на установке, на которой можно работать только с ураном. Следующий шаг — убедиться, что все будет эффективно работать и на плутонии. А это можно сделать только в ОДЭК. Почему? Потому что такая установка может быть размещена только там, где есть источник плутония, и вокруг нее должны быть созданы системы биологической защиты, а также обращения с отходами. И лучше бы проверять не одну установку денитрации, а сразу пять-шесть. Грубо говоря, треть основной технологии. Для того чтобы обеспечить такую проверку в реальных масштабах, мы вынуждены перенести часть рисков на завод и начать проектировать этот завод — что мы и сделали.
В поисках равновесия
Реактор БРЕСТ — это реактор с равновесной активной зоной. На старте туда загружается уран-плутониевое топливо — можно даже просто классический 235U. Но рано или поздно БРЕСТ выйдет на равновесие: изотопный состав делящихся материалов в топливе будет практически неизменным в течение всей топливной кампании.
Потенциально такая равновесная зона дает два огромных преимущества. Во-первых, она не имеет ограничений по числу рециклов, вплоть до того, что после окончания эксплуатации БРЕСТа топливо из него можно будет перегрузить во вновь построенный реактор. Во-вторых, если таких реакторов будет много, то не имеет значения, из какого реактора топливо вынимать и в какой ставить. Это значительно упростит работу заводу по производству топлива.
В моем понимании весь комплекс, который сейчас строится, включая БРЕСТ, — это светлый образ будущего топливного цикла. Это то, к чему мы можем прийти и должны стремиться. Но нужно понимать, что переходный период затянется на сотню лет. В течение этого времени очевидным решением станет двухкомпонентная энергетика, когда в связке будут работать тепловые и быстрые реакторы.
Уже сейчас начата работа по вовлечению плутония в топливный цикл. Выделенный из топлива тепловых реакторов плутоний после переработки используется для загрузки быстрого реактора БН‑800.
Пока быстрых реакторов в России всего два (БН‑600 и БН‑800), строится БРЕСТ, обсуждаются планы строительства БН‑1200М и БР‑1200. А плутоний при переработке ОЯТ выделяется ежегодно, и его надо где-то хранить. И это обходится дороже, чем хранение ОЯТ. Получается, что сейчас экономически невыгодно выделять плутоний — только с прицелом на будущее, когда будет осуществлен переход на быстрые реакторы.
Вот тут и возникает дополнительная опция — то, что называется топливом REMIX: плутониевое топливо для тепловых реакторов.
Конечно, ошибочно думать, что при двухкомпонентной схеме не будет отходов, требующих захоронения. Останутся достаточно опасные продукты деления. Выгорание у быстрых реакторов планируется на уровне 12−20%. Это значит, что 20% (пятая часть) 238U превратится в 239Pu и разделится. А у тепловых реакторов сейчас выгорание на уровне 5−6%. Если брать в килограммах, это примерно двадцатая часть от всего загруженного урана.
Проект «Прорыв» — это множество технологий, и большинство из них новые, и для каждой возможны несколько вариантов развития. Сложность еще и в том, что крупных работающих заводов по переработке ОЯТ в мире — меньше пяти, и обмена информацией между ними почти не происходит. Выбрать лучшее решение можно только методом проб и ошибок, но в нашей области цена ошибки выше, чем в других.
Поэтому сроки реализации проекта «Прорыв» я не считаю длительными. Почти все страны перенесли переход к замкнутому топливному циклу на 2040 год и далее, а мы имеем все шансы к этому времени уже иметь стопроцентную промышленную технологию. Демонстрационная установка будет освоена на ОДЭК к 2030 году. Успешно или нет — покажет время. Но я верю, что мы все сделали правильно. Соответственно, получим потенциальное преимущество. А значит, и с монетизацией этой технологии не возникнет проблем.
Реактор БРЕСТ — это реактор с равновесной активной зоной. На старте туда загружается уран-плутониевое топливо — можно даже просто классический 235U. Но рано или поздно БРЕСТ выйдет на равновесие: изотопный состав делящихся материалов в топливе будет практически неизменным в течение всей топливной кампании.
Потенциально такая равновесная зона дает два огромных преимущества. Во-первых, она не имеет ограничений по числу рециклов, вплоть до того, что после окончания эксплуатации БРЕСТа топливо из него можно будет перегрузить во вновь построенный реактор. Во-вторых, если таких реакторов будет много, то не имеет значения, из какого реактора топливо вынимать и в какой ставить. Это значительно упростит работу заводу по производству топлива.
В моем понимании весь комплекс, который сейчас строится, включая БРЕСТ, — это светлый образ будущего топливного цикла. Это то, к чему мы можем прийти и должны стремиться. Но нужно понимать, что переходный период затянется на сотню лет. В течение этого времени очевидным решением станет двухкомпонентная энергетика, когда в связке будут работать тепловые и быстрые реакторы.
Уже сейчас начата работа по вовлечению плутония в топливный цикл. Выделенный из топлива тепловых реакторов плутоний после переработки используется для загрузки быстрого реактора БН‑800.
Пока быстрых реакторов в России всего два (БН‑600 и БН‑800), строится БРЕСТ, обсуждаются планы строительства БН‑1200М и БР‑1200. А плутоний при переработке ОЯТ выделяется ежегодно, и его надо где-то хранить. И это обходится дороже, чем хранение ОЯТ. Получается, что сейчас экономически невыгодно выделять плутоний — только с прицелом на будущее, когда будет осуществлен переход на быстрые реакторы.
Вот тут и возникает дополнительная опция — то, что называется топливом REMIX: плутониевое топливо для тепловых реакторов.
Конечно, ошибочно думать, что при двухкомпонентной схеме не будет отходов, требующих захоронения. Останутся достаточно опасные продукты деления. Выгорание у быстрых реакторов планируется на уровне 12−20%. Это значит, что 20% (пятая часть) 238U превратится в 239Pu и разделится. А у тепловых реакторов сейчас выгорание на уровне 5−6%. Если брать в килограммах, это примерно двадцатая часть от всего загруженного урана.
Проект «Прорыв» — это множество технологий, и большинство из них новые, и для каждой возможны несколько вариантов развития. Сложность еще и в том, что крупных работающих заводов по переработке ОЯТ в мире — меньше пяти, и обмена информацией между ними почти не происходит. Выбрать лучшее решение можно только методом проб и ошибок, но в нашей области цена ошибки выше, чем в других.
Поэтому сроки реализации проекта «Прорыв» я не считаю длительными. Почти все страны перенесли переход к замкнутому топливному циклу на 2040 год и далее, а мы имеем все шансы к этому времени уже иметь стопроцентную промышленную технологию. Демонстрационная установка будет освоена на ОДЭК к 2030 году. Успешно или нет — покажет время. Но я верю, что мы все сделали правильно. Соответственно, получим потенциальное преимущество. А значит, и с монетизацией этой технологии не возникнет проблем.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #6_2021