Ревизия быстрых

FR22 — четвертая конференция по быстрым реакторам. Предыдущая состоялась в 2017 году в Екатеринбурге. Нынешняя была запланирована на 2021 год в Пекине, но из-за пандемии ее перенесли на год и провели в гибридном формате: часть мероприятий — очно в Вене, часть — в онлайн-­режиме. Российская делегация участвовала удаленно, собравшись на площадке ОКБМ им. И. И. Африкантова в Нижнем Новгороде.

Открывая конференцию, генеральный директор МАГАТЭ Рафаэль Мариано Гросси напомнил о том, что сейчас весь мир решает задачи устойчивого развития, борьбы с климатическими изменениями и глобального энергетического перехода. Ядерная энергетика, в том числе быстрые реакторы, — технология, которая поможет справиться с этими вызовами.

«Помимо того что быстрые реакторы, как и все ядерные реакторы, низкоуглеродны, они еще и соответствуют ключевым параметрам устойчивости: уменьшают воздействие отходов на окружающую среду, извлекая при этом значительно больше энергии из топлива. Быстрые реакторы могут стать мостиком к еще более безопасной и эффективной ядерной энергии, обеспечив многие поколения устойчивой чистой энергией», — сказал М. Гросси.

Он напомнил также о том, что преимущества быстрых реакторов обсуждались на климатическом саммите ООН СОР26 в 2021 году в Глазго, и эта тема будет подниматься на СОР27, который пройдет этой осенью в Египте.

Растущий интерес к «быстрой» тематике отметил и спецпредставитель Росатома по международным и научно-­техническим проектам Вячеслав Першуков. «Если раньше на конференциях FR говорилась только о дизайне быстрых реакторов, то сейчас обсуждается широкий круг вопросов. Такая трансформация идеологии конференций позволяет говорить о переходе глобального ядерного сообщества к новому этапу формирования атомной энергетики», — подчеркнул он.

Китайская стремительность
О том, что у Китая — большие планы на атомную энергетику, чиновники и руководство китайских госкорпораций напоминают с завидной частотой. Выступая на FR22, представитель Китайского института атомной энергии Хунъи Ян привел такие цифры: в 2021 году совокупная энергетическая мощность атомных станций составила 53,26 ГВт — на 11% больше, чем в 2020 году. Правда, в общем энергобалансе страны это всего 4,9%. Хунъи Ян напомнил, что Китай поставил перед собой цель достичь пика выбросов к 2030 году, а к 2050-му стать углеродно нейтральной страной. «Ядерная энергетика — важное для Китая направление, которое поможет выполнить международные обязательства по сокращению выбросов углерода», — подчеркнул он. Поэтому к 2035 году совокупная мощность китайских АЭС должна составить 150 ГВт (10% от общего энергобаланса), а к 2050 году — более 300 ГВт.

Сейчас основной источник атомной энергетики Китая — водо-водяные реакторы. Однако стратегия развития отрасли предусматривает работы по трем направлениям: тепловые, быстрые и термоядерные реакторы, рассказал Хунъи Ян. Он напомнил о том, что в Китае с 2011 года работает экспериментальный натриевый CEFR. В ближайших планах — сюрприз! — строительство не одного, как анонсировалось раньше, а двух демонстрационных натриевых CFR‑600 к 2025 году. Первый блок сооружается, в апреле на площадке в проектное положение был установлен первый парогенератор. Для второго блока, как следует из презентации, на 30% выполнен эскизный проект.

К 2030 году планируется запустить промышленный быстрый натриевый реактор мощностью около 1000 МВт. Также в стране разрабатываются проекты малого модульного быстрого натриевого реактора мощностью от 1 до 3 МВт и малого реактора мощностью 1 МВт со свинцово-­висмутовым теплоносителем; для этого же теплоносителя будет строиться крупномасштабный подкритический стенд.

Еще один интересный китайский проект — комплекс IFRES. Он напоминает российский ОДЭК: как рассказал Хунъи Ян, IFRES будет включать несколько реакторов на быстрых нейтронах и один модуль регенерации топлива, который может располагаться на той же площадке. «Нахождение быстрых реакторов и модуля регенерации на одной площадке обусловлено необходимостью интеграции процессов замкнутого топливного цикла. Быстрый реактор будет выполнять три функции: производство электроэнергии, воспроизводство топлива и трансмутация высокоактивных отходов. Модуль регенерации топлива состоит из линии пирохимической обработки и производства топлива (для переработки и регенерации)», — подчеркнул Хунъи Ян. По его словам, ежегодная перегрузка быстрого реактора в IFRES составит около 20 тонн смешанного топлива, а ежегодная подпитка сторонним обедненным ураном — 1,2 тонны.

• CFR600 — типовой быстрый реактор с натриевым охлаждением бассейнового типа с 2 симметричными контурами и 8 модульными парогенераторами в каждом контуре. Его тепловая мощность — 1 500 МВт, электрическая — 600 МВт.
• Проектирование: готова рабочая документация на строительство первого блока, предварительный проект второго блока готов на 30%.
• Топливо и материалы: ведется разработка материалов для оболочек твэлов; в активную зону CEFR уже была загружена первая партия подкритических сборок для облучения.
• Компоненты: все — в процессе производства.
• Строительство: в процессе. В апреле в проектное положение был успешно установлен первый парогенератор.

(По материалам презентации Китайского института атомной энергии)

Французская многозадачность
Франция, как и Китай, уповает на ядерную энергетику, надеясь с ее помощью достичь углеродной нейтральности (цель Франции — 2050 год). В начале года президент страны Эммануэль Макрон обещал выделить на развитие отрасли до 2050 года «десятки миллиардов евро». Выступая на конференции, представитель комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии (CEA) Фредерик Серр рассказал, что французский ЯТЦ уже замкнут по плутонию: 24 из 56 работающих в стране реакторов имеют разрешение на использование МОКС-топлива, а на заводе в Ла-­Аге переработано 34 тыс. тонн ОЯТ и из него получено 2,6 тыс. тонн МОКС-топлива. План развития энергетики на 2019−2028 годы подтверждает продолжение работ по замыканию топливного цикла — по крайней мере, до 2040 года. По словам Ф. Серра, конечная цель — полное замыкание цикла с использованием быстрых реакторов.

Сейчас в стране рассматриваются два проекта быстрых натриевых реакторов: ANAIS и ATRIUM, которые будут к тому же модульными и малыми — мощностью всего 150 МВт. Оба проекта пока «бумажные», степень проработки — эскиз, цель работ — оценить преимущества и недостатки технологий с точек зрения безопасности и экономики. Ф. Серр объяснил, почему Франция рассматривает именно малую мощность: «Быстрые реакторы большой мощности важны для многократной переработки плутония и замыкания топливного цикла, но не отличаются экономичностью. Снижение мощности поможет оптимизировать экономику таких реакторов». Среди преимуществ таких реакторов Ф. Серр назвал возможность их использования там, где необходима тепловая энергия (промышленность, производство водорода, аммония, метана, опреснение воды).

Кроме натриевого, рассматривается жидкосолевое направление: заявлен проект ARAMIS. По словам Ф. Серра, в 2020 году в Orano стартовали НИОКР, цель которых — подготовить оценку осуществимости такого реактора и подтвердить преимущества концепции ЖСР. В отдаленном будущем рассматривается проект ЖСР ISAC, который будет использоваться для дожигания минорных актинидов.

Загадочная Индия
Индия — не новичок в «быстрой» повестке. Здесь делают ставку на ²³³U, этот изотоп можно получать из тория (запасы которого в Индии впечатляющие — около 290 тыс. тонн, или 30% от общемировых). Более того, бридеры, нарабатывающие ²³³U, должны были стать вторым из трех этапов национальной ядерной стратегии, озвученной еще в 2007 году. Третий этап — переход к реакторам, работающим на тории и ²³³U.

На базе Индийского центра атомных исследований им. Индиры Ганди (IGCAR) в Калпаккаме c 1985 года работает быстрый натриевый исследовательский реактор (Fast Breeder Test Reactor, FBTR). Среди его особенностей — использование уран-плутониевого карбидного топлива, разработанного специально для этого реактора. В 2011 году срок службы FBTR продлили до 2030 года. В IGCAR тогда заявили, что это сделано для крупномасштабного облучения нового металлического топлива и конструкционных материалов активной зоны, необходимых для создания быстрых реакторов следующего поколения. В марте этого года после модернизации активной зоны этот реактор впервые вышел на полную проектную мощность в 40 МВт.

На этой же площадке работает малый исследовательский реактор Kamini, который использует ²³³U, выделенный из облученного тория.

А с 2004 года там же, в Калпаккаме, строится демонстрационный быстрый натриевый PFBR (Prototype Fast Breeder Reactor) мощностью 500 МВт. Предполагалось, что сразу после его завершения стартует строительство серии (от четырех до шести) коммерческих натриевых быстрых реакторов. Вместо этого многообещающий PFBR превратился в печально известный долгострой: его пуск, намеченный первоначально на 2011 год, неоднократно сдвигался. Сейчас называют конец 2022 года.

Выступая на FR22, представитель IGCAR Арун Кумар Бхадури обрисовал индийскую программу развития быстрых реакторов так: сейчас завершается первая стадия, в основе которой — исследования на FBTR; вторая стадия, до 2030 года — технико-­экономическая демонстрация «быстрого» направления, в основе — многострадальный PFBR; наконец, третья стадия — коммерциализация, сроки — до 2047 года, в основе — промышленный быстрый реактор, который в презентации спикера назван FBR-MOX будет построен, мощностью 500 МВт. Первый сдвоенный блок строится также в Калпаккаме.

Южная Корея: выжидательная позиция
Южная Корея занимается быстрыми реакторами давно: еще в 2009 году на конференции FR Корейский институт атомных исследований (KAERI) представил свою стратегию создания быстрых натриевых реакторов и замыкания топливного цикла. Планировалось, что к 2013 году страна закончит предварительные исследования экономической целесообразности развития быстрых реакторов и ЗЯТЦ, после 2020 года начнется строительство первого в Южной Корее энергетического быстрого реактора, параллельно — к 2025−2026 годам — пустят демонстрационный топливный центр. Однако исследования подготовительного этапа затянулись.

На FR22 представитель KAERI Че Ян Лим подчеркнул, что цель развития «быстрых» натриевых технологий в Корее — решение вопросов обращения с ОЯТ, и озвучил новую стратегию (куда менее амбициозную, чем 12 лет назад): до 2026 года подготовить новый план развертывания технологии быстрых реакторов. «Корейская программа развития быстрых натриевых реакторов неуклонно движется к технологической демонстрации трансмутации высокоактивных отходов и безопасности быстрых реакторов. Однако конкретный план развертывания технологии будет зависеть от принятия решения по развитию технологии пирохимической переработки», — говорилось в презентации спикера. Че Ян Лим напомнил эволюцию развития южнокорейской «быстрой» программы: еще с конца 1990‑х годов велись разработки эскизного проекта натриевого реактора бассейнового типа KALIMER‑600 мощностью 600 МВт. С 2012 года ведется разработка проекта демонстрационного реактора PGSFR мощностью 150 МВт (причем в 2015 году сообщалось о планах корейцев опробовать топливные сборки на российском БОР‑60). Однако к сооружению реактора Корея пока не приступила. Текущий статус проекта: «Завершена разработка документации по проектированию и анализу системы (это эквивалент отчета по анализу безопасности, Safety analysis report — SAR). Ожидание дальнейшего решения правительства о развертывании „быстрых“ технологий».

Также, по словам Че Ян Лима, KAERI получил правительственный грант на разработку малого модульного натриевого реактора SALLUS (Small, Advanced, Long-­Cycled and Ultimate Safe) мощностью 100 МВт, причем планируется использовать «побочные» технологии концепции PGSFR.

Вот какие выводы сделаны в презентации: «1. Национальную политику Южной Кореи в области обращения с ОЯТ все еще можно охарактеризовать как выжидательную. Направление политики следует определить на основе осуществимости тех или иных вариантов обращения с ОЯТ.

2. Корея пока не отказалась от планов строительства быстрого реактора с натриевым теплоносителем; реализация этих планов тесно связана с национальной политикой в области обращения с ОЯТ.

3. АЭС малой мощности на базе быстрых реакторов с натриевым теплоносителем разрабатываются с использованием „побочных“ технологий и данных, полученных в рамках программы создания прототипа быстрого реактора PGSFR. Конечная цель — создание энергетического реактора с долгим топливным циклом.

4. Ведется разработка „сквозных“ технологий для энергетических реакторов на быстрых нейтронах и сжигателей трансурановых элементов с натриевым теплоносителем».

Япония: разработки продолжаются
В прошлом году в Японии был принят Шестой стратегический энергетический план. Ключевая цель — достижение углеродной нейтральности к 2050 году, причем уже к 2030 году доля возобновляемых источников энергии должна быть на уровне 36−38%. Долю атомной энергетики в общем энергобалансе страны планируется уменьшать, однако атом остается важным источником базовой нагрузки. Как объяснил Камиде Хидэки из японского Агентства по атомной энергии (JAEA), до 2030 года в части атомной энергетики планируется проводить НИОКР по следующим направлениям: разработка быстрых реакторов в сотрудничестве с зарубежными партнерами; демонстрация технологии малых модульных реакторов, также в сотрудничестве с зарубежными партнерами; наконец, использование технологии высокотемпературного газоохлаждаемого реактора для производства водорода.

К. Хидэки подробно остановился на сотрудничестве Японии с другими странами по направлению быстрых реакторов. В 2014—2019 годах JAEA, Mitsubishi Heavy Industries (MHI) и Mitsubishi FBR Systems (MFBR) вместе с французскими CEA и Framatome работали в рамках коллаборации ASTRID, выполнив 11 задач по проектированию и 28 НИОКР. С конца 2019 года участники работают в новой коллаборации по созданию быстрого натриевого реактора. Кроме того, в конце января 2022 года JAEA, MHI и MFBR присоединились к проекту быстрого реактора от компании Terra Power. В рамках сотрудничества стороны будут обмениваться ядерными технологиями. В частности, Япония планирует разрабатывать технологии безопасной эксплуатации реактора.

К. Хидэки также рассказал о японских разработках в части искусственного интеллекта (ИИ) ARKADIA. Он назвал три ключевых элемента платформы: система виртуального моделирования энергетической установки (Virtual Plant Life System, VLS), позволяющая смоделировать работу реактора на протяжении всего его жизненного цикла; система управления знаниями (Knowledge Management System), аккумулирующая данные экспериментов, моделирования, проектирования, эксплуатации и т. д; а также усовершенствованная система оптимизации проекта на базе ИИ.

США: бизнес с опорой на государство
Об успехах США в разработке быстрых реакторов рассказала представитель Управления по атомной энергии министерства энергетики США Алиса Капонити. Она отметила, что по итогам 2020 года доля атомной энергетики в общей энергетической корзине страны составляла 20%. В то же время среди низкоуглеродных источников энергии, к которым США причисляют атомную энергетику, доля атома самая высокая — 52%. Сегодня атомные станции отвечают за базовую выработку. А вот в будущем, по планам США, в парк АЭС, кроме больших водо-водяных реакторов, вой­дут малые модульные и микрореакторы.

А. Капонити рассказала о научно-­исследовательской программе США в области быстрых реакторов. По ее словам, коммерческое применение таких реакторов потребует решения двух задач: во‑первых, преодоления технических сложностей с целью сокращения затрат и повышения экономической конкурентоспособности; во‑вторых, предоставления верифицированных экспериментальных и эксплуатационных данных для лицензирования. Поэтому приоритетные области научно-исследовательской работы следующие:

• отбор, сохранение и упрощение доступа к данным, накопленным министерством энергетики США, по металлическому топливу для быстрых реакторов, НИОКР и эксплуатационным данным для их использования в разработке и лицензировании;
• изучение наиболее эффективных вариантов реализации основных компонентов и датчиков реактора и систем для мониторинга надежности его работы, предложенных разработчиками быстрых реакторов;
• использование мощностей испытательной площадки METL для демонстрации работы инновационных компонентов и контрольно-­измерительного оборудования в прототипированной натриевой среде;
• усовершенствование, сопоставительный анализ и валидация существующих проектов быстрых реакторов и кодов безопасности;
• предоставление технической базы для одобрения Американским обществом инженеров-­механиков (ASME) пригодности современных конструкционных материалов к использованию в быстрых реакторах.

Также А. Капонити перечислила основные проекты реакторов (все они — коммерческие инициативы, получающие господдержку), которые сейчас реализуются в стране.

Это, во‑первых, атомная станция с малыми модульными реакторами NuScale, которая должна быть построена на территории Национальной лаборатории Айдахо. Станция будет состоять из шести реакторов (а не 12, как планировалось до 2021 года) мощностью 77 МВт каждый и общей мощностью 462 МВт. Ввод в эксплуатацию первого модуля, по словам А. Капонити, запланирован на 2029 год. Напомним, что американские регуляторы завершили в 2020 году рассмотрение по существу заявки NuScale Power на сертификацию проекта ММР NuScale мощностью 50 МВт и одобрили его в целом с тремя изъятиями.

Во-вторых, это проект быстрого натриевого реактора от Terra Power мощностью 345 МВт, который планируется построить на площадке выводимой из эксплуатации угольной станции в Вайоминге.

В-третьих, это малый модульный реактор Xe‑100 от стартапа X-energy. Xe‑100 — высокотемпературный газоохлаждаемый реактор — один из двух передовых проектов ММР, который Минэнерго США выбрало для федеральной поддержки строительства демонстрационной установки в рамках Программы развития передовых реакторов (ADRP). Четырехблочную станцию общей мощностью 320 МВт планируется построить в штате Вашингтон уже в 2027 году. «Такой реактор идеально подходит для производства водорода и технологического тепла», — отметила А. Капонити.

В заключение представитель Минэнерго отметила, что усовершенствованные реакторы имеют решающее значение для достижения национальных и глобальных климатических целей. США продолжают фундаментальные НИОКР по направлению быстрых реакторов и совершенствованию топливного цикла.

GIF: быстрые как перспективные
Свой обзор быстрых реакторов представил и Роберт Хилл, технический директор Generation-­IV (GIF) — международной инициативы, цель которой — исследования и разработки ядерных энергетических технологий следующего поколения. GIF объединяет 13 стран плюс Евроатом, куда входят 27 стран ЕС.

Как рассказал Р. Хилл, GIF выбрал шесть реакторных технологий для дальнейших исследований и разработок: быстрый реактор с натриевым охлаждением (SFR), быстрый реактор с газовым охлаждением (GFR), быстрый реактор со свинцовым охлаждением (LFR), реактор на расплаве солей (MSR), реактор со сверхкритическим водяным охлаждением (SCWR) и сверхвысокотемпературный реактор (VHTR).

Р. Хилл сделал обзор направлений работы по натриевой тематике. Он отметил, что наиболее активно реализуются четыре НИОКР в этой области: системная интеграция и оценка, безопасность и эксплуатация, перспективные виды топлива, проектирование компонентов и вспомогательные объекты. «Научно-­исследовательская деятельность по разработке быстрых реакторов с натриевым теплоносителем ведется по следующим направлениям: реакторы контурного типа, бассейнового типа и малые модульные реакторы», — отметил Р. Хилл. По его подсчетам, сейчас восемь стран — членов GIF работают над проектами натриевых реакторов, шесть стран — над проектами свинцовых реакторов и три страны — над проектом газоохлаждаемого реактора.

Первые среди быстрых
Россия — пока единственная страна в мире, имеющая опыт промышленной эксплуатации быстрых реакторов. Поэтому в своих докладах российские атомщики рассказывали об опыте промышленной реализации технологической платформы, включающей все ключевые этапы: от фабрикации нового топлива и строительства разных типов быстрых реакторов до освоения процессов переработки ОЯТ.

В. Першуков напомнил, что сейчас в стране разрабатываются несколько концепций быстрых реакторов: натриевые, свинцовые и свинцово-­висмутовые. Первые две — в рамках проектного направления «Прорыв».

Полностью проработан и готов для промышленного освоения проект натриевого реактора БН‑1200 — этот реактор станет пятым энергоблоком Белоярской АЭС. Решение о начале его строительства ожидается в этом году, ориентировочные сроки пуска — начало 2030‑х. «По сравнению с БН‑800 в этом проекте реализован ряд существенных технических инноваций. Благодаря этому себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на БН‑1200, будет ниже, чем на стандартных ВВЭР‑1200. Так мы развеем миф о том, что реакторы на быстрых нейтронах приводят к удорожанию электроэнергии», — отметил В. Першуков.

Параллельно строится реактор БРЕСТ-ОД‑300 со свинцовым теплоносителем — в прошлом году состоялась церемония заливки первого бетона, запуск запланирован на 2026 год. Помимо реактора на площадке Опытно-­демонстрационного комплекса (ОДЭК) будет находиться двухмодульный завод по фабрикации и переработке топлива. Строительство модуля фабрикации находится на заключительной стадии, ведется монтаж оборудования, запуск в эксплуатацию намечен на 2023 год. Также проектируется модуль переработки топлива, его строительство должно стартовать в 2026 году. В 2030 году ОДЭК будет целиком построен и начнет работу.

Также разрабатывается проект свинцового реактора большой мощности — БР‑1200. Его реализация начнется после пуска БРЕСТа.

В России работают и над концепцией быстрого модульного реактора СВБР‑100, теплоносителем в котором выступает свинец-­висмут. Свинцово-­висмутовая технология развивалась в СССР с 1950‑х годов, долгие годы успешно эксплуатировались судовые реакторы с этим теплоносителем. О преимуществах этой технологии на FR22 рассказал советник генерального директора АО «АКМЭ-инжиниринг» и АО «ГНЦ РФ — ФЭИ» (входит в Росатом) Георгий Тошинский. Он отметил повышенную безопасность и потенциальную высокую эффективность свинца-­висмута как теплоносителя.