Более полувека назад, в 1954 году в Физико-энергетическом институте в Обнинске была запущена первая в мире АЭС. В 1960—1970 годы ядерная энергетика воспринималась как однозначное благо, вершина прогресса и спасение человечества от энергетического голода.
Материал опубликован на портале "Частный корреспондент".
В 1980–1990-е полярность резко сменилась — «бог из машины» превратился в дьявола. Начало нового века, похоже, опять изменило курс, спираль развития вышла на новый виток. Начинается «атомный ренессанс», а атомная энергетика становится одним из основных направлений инновационного развития России.
С чем он связан, и какие выгоды Россия может из него извлечь, «Частный корреспондент» выяснил у Владимира Каграманяна, советника генерального директора ГНЦ ФЭИ.
— Почему пошли разговоры о ядерном ренессансе, что позволяет на это надеяться?
— Прежде всего, темпы строительства новых реакторов и заявленные планы на будущее. Если Индии и Китаю удастся в полной мере реализовать свои замыслы, то лет через 20 количество энергетических реакторов в мире может примерно удвоиться (по последним данным МАГАТЭ, их 438). Для сравнения: за последнюю четверть века число работающих на планете реакторов почти не изменилось.
— Что же произошло в мире, что он стал поворачиваться лицом к ядерной энергетике?
— С одной стороны, экономикам развивающихся стран остро требуются новые энергетические мощности. С другой, уроки Тримайл Айленд и Чернобыля пошли атомной индустрии впрок, позволив выйти на новый уровень безопасности. И общество это оценило. С третьей, человечество ищет возможности слезть с нефтяной иглы, и ядерная энергетика, на сегодня обеспечивающая около 15% глобальных потребностей в электричестве, самый реальный способ это сделать.
— Есть ли принципиальная технологическая разница между теми реакторами, которые строились раньше, и теми, что планируются к вводу в будущем?
— Да, есть. Существует два принципиально разных типа атомных реакторов — на тепловых и быстрых нейтронах. Все коммерческие энергетические реакторы, существующие сегодня, тепловые. При этом тепловая атомная энергетика по самой своей сути не более чем временное, промежуточное решение, рано или поздно нам придётся переходить к быстрым реакторам. В принципе, это было понятно ещё в 1950-е годы, но решение всё откладывалось до лучших времён. Теперь же время, похоже, пришло.
Сейчас Чернобыль — город с населением около 4000 человек. В основном это работники предприятий зон отчуждения. Другая ситуация в Припяти — этот город навсегда покинут из-за слишком сильного радиационного загрязнения. Это советский город. Он «прожил» всего 16 лет. Здесь 1986 год. Здесь навсегда СССР.
В декабре 2009 года в Киото прошла конференция, которая расставила точки над i. Если атомная энергетика будет жить, ей нужны быстрые реакторы. Невозможно развиваться энергетике, у которой сырьевая база мизерна — урана-235, нужного для тепловых реакторов, в десять раз меньше, чем газа. И даже если допустить, что запасы доступного урана увеличатся в десять раз, допустим, научимся мы из океана его добывать эффективно, остаётся проблема отходов.
На Киото-2009 развитые ядерные державы определились с технологиями и планами на первую половину XXI века (горизонты планирования в ядерной энергетике довольно далёкие). Индия уже строит быстрые реакторы сама, а Китай заключил соглашение с Россией о постройке двух быстрых реакторов БН-800. Специфика ситуации в том, что работающего БН-800 у нас пока нет. Этот реактор в нашей стране строится на Белоярской АЭС (запуск должен состояться в 2013 году), а сейчас Россия располагает только прототипом БН-600 (цифра означает мощность в мегаваттах), запущенным 30 лет назад. Но у других ядерных стран — США, Франции, Японии — работающих быстрых реакторов сейчас нет вообще.
Здесь необходимо сделать поясняющее отступление.
Сегодня в «большой» атомной энергетике и ядерном оружии в качестве «горючего» в основном используются лишь два изотопа: уран-235 и плутоний-239. Урановое топливо для тепловых реакторов, с 3—5% содержанием U235 получают из природного урана путём обогащения. Дело в том, что большую часть природного урана (99,3%) составляет более стабильный изотоп-238, так что на долю урана-235 в земной коре приходятся лишь жалкие 0,7%.
В большинстве атомных реакторов применяется урановое топливо, в нём содержание урана-235 составляет первые проценты, реже десятки процентов (остальное приходится на уран-238, который в реакции деления не участвует). Плутония в природе нет, он накапливается в результате облучения нейтронами урана-238 в реакторе. В облучённом ядерном топливе (ОЯТ, это то топливо, которое уже поработало внутри реактора) тепловых реакторов накапливается так называемый энергетический плутоний, в котором доля изотопа-239 около 60% (остальное приходится на высшие изотопы плутония 240, 241 и 242). Плутонием можно «топить» тепловые реакторы, однако здесь он менее эффективен, чем уран-235, а процесс получается более дорогим.
Для изготовления ядерного оружия сначала использовался высокообогащённый уран. Но более эффективен плутоний с высоким содержанием изотопа — 239. Такой плутоний оружейного качества нарабатывается в специальных технологических реакторах (заточенных на получение не энергии, а именно ядерных материалов).
Исторически сложилось, что атомная энергетика использовала в основном уран-235, а оружейники — плутоний, полученный из урана-238 под действием распада того же самого урана-235. Но у этой устоявшейся системы есть свои недостатки.
Во-первых, извлекаемые запасы земного урана-235 относительно невелики. Если говорить о разведанных сейчас месторождениях и нынешних темпах потребления, то этот изотоп должен кончиться даже раньше, чем нефть с газом. Какой смысл развивать подобную энергетику?
Во-вторых, в ОЯТ, которое выгружают из реактора, накапливаются радиотоксичные продукты, в том числе энергетический плутоний, который неэффективно использовать в тепловых реакторах. Что с ними делать — не очень понятно. Сейчас, как правило, ОЯТ во всех странах хранят при атомной станции (что не может продолжаться вечно) и рассматривают варианты его окончательного захоронения в глубоких геологических формациях. Но подходящие формации ещё надо найти, а заодно получить согласие местного населения, которое, как правило, не очень-то радуется перспективе соседства с ядерным хранилищем. Всё это бывает не так просто. Поэтому часто решения по ОЯТ просто откладывают на будущее.
В-третьих, ядерные державы накопили гигантские запасы урана-238, оставшегося после выделения урана-235. Его нужно где-то хранить.
В-четвёртых, за годы холодной войны в США и СССР было накоплено много оружейного плутония, от которого вроде бы нужно частично избавляться. А как уже было сказано, существующие реакторы плутоний переваривают неважно. Просто закопать в землю (как предлагали американцы) не позволяет хозяйственная рачительность и опасения за возможные проблемы в будущем.
Все эти проблемы вроде бы могут решить быстрые реакторы, которые можно кормить смесью плутония (оружейного или энергетического) и урана-238. Причём специфика быстрых реакторов в том, что они могут воспроизводить столько же плутония (из урана-238), сколько потребляют. Отношение этих двух величин называется коэффициентом воспроизводства (КВ). Его можно сделать равным единице и тогда реактору понадобится только стартовая порция плутония, и дальше нужно будет добавлять в топливо лишь дешёвый и доступный уран-238. Если КВ больше единицы, то реактор позволяет получать и электроэнергию, и лишний плутоний (для других быстрых реакторов или для оружия) — такой реактор называют бридером. Если КВ меньше единицы, то в реакторе можно утилизировать лишний плутоний, и он называется выжигателем.
Итак, быстрые реакторы решают проблему ограниченного запаса урана-235, поскольку работают фактически на уране-238, а плутоний в них выступает эдаким неразменным рублём (существуют также варианты быстрых реакторов, в которых расходуемым топливом выступает торий-232, а неразменным рублём — получаемый искусственно уран-233).
Попутно быстрые реакторы решают поставленные выше вопросы: куда девать запасы плутония, накопленного в ОЯТ тепловых реакторов и высвобождаемого в процессе сокращения ядерных арсеналов, а также урана-238, накопленного в огромных количествах в виде отвалов обогатительного производства — всё это пойдёт в дело. И, наконец, быстрые реакторы сильно сглаживают проблемы ОЯТ, об этом подробней в продолжении интервью.
— Как организован топливный цикл тепловых реакторов?
— Смотрите, в реактор гигаваттной мощности нам нужно загрузить примерно 20 тонн обогащённого урана. Через год топливо нужно заменить на свежее. За этот год в реакторе «сгорела» только одна тонна из 20, но менять всё равно нужно. Во-первых, изменилась реактивность топлива — с ним будет тяжело дальше работать, во-вторых, дольше не выдержат конструкционные материалы топливных элементов (сталь при интенсивном облучении нейтронами быстро теряет прочность). Итак, у нас получилось 20 тонн радиоактивных отходов — ОЯТ. Но чтобы получить исходные 20 тонн обогащённого урана, вы выкопали 200 тонн природного урана. 180 тонн, после процедуры обогащения, пошли в отвал. Получается, что сжигая тонну урана, мы имеем 199 тонн отходов — часть в отвале обогащения в складах стоит, часть в ОЯТ. Хорошая арифметика.
Атомная энергетика не вредит экологии. Экология тут ни при чём. Тут психология человеческая. Испуг. Почему вообще сбросили бомбы на Хиросиму и Нагасаки? Что, люди дураки, что ли? Нет, нужен был просто какой-то шок, чтобы люди прозрели… Нужно было помочь человечеству осознать, что оно зашло в тупик, в какой-то кризис. Ведь кризис — это не начало чего-то, а конец. Пока не наступит понимание того, что мы не понимаем, мы собственное поведение не изменим…
Отвалы обогащения, конечно, занимают место, но они хотя бы не несут особой опасности. А что делать с ОЯТ? Здесь есть разные варианты. Один — централизованно закопать всё это очень глубоко на хорошее геологическое хранение. Так планируют поступить, например, Швеция и Финляндия. Второй — хранить отходы при самой станции, откладывая окончательное решение на будущее. И то и другое решение сдерживает дальнейшее масштабное развитие АЭ в мире. В первом случае, так называемые плутониевые шахты требуют постоянного внимания и контроля. Во втором случае, мы фактически перекладываем ответственность за решение на будущие поколения.
Существует и третий вариант — переработать отходы и разделить их на фракции, чтобы потом каждой распорядиться отдельно. В этих 20 тоннах ОЯТ около тонны — продукты деления (различные радиоактивные изотопы), 200 кг плутония, 30 кг младших актинидов, а всё остальное уран.
И здесь ситуация для тепловых и быстрых реакторов кардинальным образом отличается. В тепловых и плутоний особо не нужен, и уран потребуется опять обогащать. В быстрых реакторах мы можем использовать все эти компоненты повторно, ну кроме продуктов деления и актинидов (хотя есть идея и актиниды закрутить в работу, физика позволяет). При такой системе ОЯТ почти не накапливается — получается замкнутый цикл.
— Но отходы у быстрых реакторов всё равно будут?
— Будут, конечно, безотходной технологии в принципе не бывает. Но их будет намного меньше. Если мы убираем больное место ОЯТ тепловых реакторов — плутоний, то это позволяет уменьшить нагрузку на геологическое хранилище раз в 10. Выгрузили, некоторое время подержали, тепловыделение спало, переработали. То, что надо захоронить — захоронили (продукты деления), а что можно — используем для топлива (уран, плутоний, младшие актиниды частично).
В продолжении интервью с Владимиром Каграманяном «Частному корреспонденту» «История о том, почему тормозили быстрые реакторы» и «Быстрые реакторы — шанс России».
Беседовал Владислав Бирюков, "Частный корреспондент".