Развитие мировой энергетики в 21 веке, скорее всего, как и прежде будет определяться тремя главными тенденциями: ростом численности населения планеты, глобальным сближением по уровню удельного потребления энергии в разных странах и ростом энерговооруженности в товарном производстве, что обеспечивает рост производительности труда. С середины 60-х годов прошлого века, т.е. немногим более, чем за полвека, численность населения планеты увеличилась в 2.3 раза, потребление первичной энергии выросло в 3.7 раза, и энерговооружённость производительных сил возросла 1.6 раза.
Удельное потребление первичной энергии (потребление в расчете на человека) в мире росло с невысоким темпом, около 0.6% в год, а в последние десятилетие еще ниже - 0.3% в год. Высокие темпы роста потребления первичной энергии в мире, в предыдущие полвека, определялись главным образом ростом экономик развивающихся странах. Именно в них развитые страны переносили энергоемкие и ресурсоемкие производства, организовали, так называемый, процесс глобализации и обоснованно гордились, извлекая солидную прибыль из такого разделения труда. Постепенно разница в удельном потреблении первичной энергии между развитыми и развивающимися странами уменьшилась с 24 до 3 раз. Развивающийся мир наращивал #потребление первичной энергии со значительно большей интенсивностью и в настоящее время стал реальным конкурентом лидерам мировой экономики.
Сейчас мир подошел к состоянию, которое кратко можно характеризовать как глобальную неопределенность перспективы будущего энергетического развития, усугубленную нарастающими экологическими проблемами. Это вызвано следующими обстоятельствами. Большая часть прогнозов склоняется к необходимости дальнейшего наращивания потребления первичной энергии мировой экономикой. Наиболее скромные оценки предполагают, что к концу этого века потребление первичной энергии в мире увеличится не менее чем в два раза. Более сложным представляется вопрос о структуре потребляемой первичной энергии. Бытующие до этого представления о небольшой деформации сложившейся к настоящему времени структуры первоисточников энергии меняются. Причиной тому кардинально изменившиеся в последние десятилетия представления о влиянии деятельности людей на глобальные климатические изменения. В первую очередь, на повышение среднегодовой температуры поверхности Земли. Несмотря на то, что количество антропогенной энергии, потребляемой цивилизацией, по-прежнему мало (менее 0.0001), в сравнении с энергией, поступающей на Землю от Солнца, рост температуры поверхности Земли с начала индустриальной эпохи (1900 г.) составил около 1 Со (рис.1). Сейчас за отсутствием иной аргументации активно продвигается идея негативного влияния на #климат таких антропогенных факторов как парниковые газы, наиболее значимым из которых назначен СО2.
В настоящее время около 80% энергии, используемой людьми в экономике, извлекается из ископаемых углеводородов, что и обеспечивает рост антропогенного СО2 в атмосфере. Несмотря на то, что доля СО2 в парниковом эффекте невелика, он ответственен примерно за 6% эффекта, основной парниковый газ — это пары воды, но повышенное внимание к углекислому газу сейчас доминирует. Строгих доказательств, что именно СО2 – главный источник проблемы глобального потепления нет, и, более того, совсем не обязательно, что, избавившись от антропогенной эмиссии СО2, климат на Земле вернется к более прохладному. Однако, приняв эту гипотезу в как доказанную, в мировую энергетику начинают активно внедрять технологии, которые в процессе производства энергии не ведут к эмиссии парниковых газов. В первую очередь речь идет об использовании энергии ветра и солнечного излучения для удовлетворения потребностей в энергии.
Большая неопределенность в динамике потепления с одной стороны и пугающие негативные последствия для климата, которые могут наступить уже ближайшем будущем, с другой объективно затрудняют принятие взвешенных решений и выработку стратегии на перспективу. Принимаемые международным сообществом решения и рекомендации зачастую выглядят скороспелыми, политизированными и вызывают скептическое отношение к их эффективности. Возможно, в проблеме парниковых газов истинный мотив навязывания «новых» энерготехнологий совсем не связан с заботой об экологии, а это – просто попытка воспрепятствовать росту экономик развивающихся стран. Для них сосредоточиться в энергетическом строительстве преимущественно на возобновляемых источниках – путь к большим ограничениям в экономическом росте. Таким образом современные лидеры стремятся сохранить свое привилегированное положение еще на какое-то время.
В сложившихся условиях мировые аналитические центры, в первую очередь, Мировое Энергетическое Агентство (МЭА) представляют сценарные варианты развития с ориентиром на преимущественное использование безуглеродных технологий [1, 2]. В варианте «STEPS» [1], наиболее приближенном к современному состоянию энергетики, предполагается, что к середине века доля возобновляемых источников энергии увеличится до 30%, доля угля сократиться в 2 раза с современных 20%. В этом сценарии предполагается что эмиссия СО2 сохраниться на современном уровне. Для того, чтобы обеспечить нулевую эмиссию СО2 к середине века, в сценарии «NZE» необходимо будет полностью отказаться от использования угля, сократить потребление природного газа и нефти в три раза, увеличить долю возобновляемой энергетики до 60% в общем энергобалансе. Кроме этого сократить рост потребления энергии, ограничившись современным уровнем. При рассмотрении этих перспективных сценариев, авторы обходят молчанием варианты, рассчитанные на интенсивное развитие атомной энергетики. В популяризируемых сейчас сценариях доля атомной энергетики остается на уровне 10-15%. И это, несмотря на то, что по критерию минимального загрязнения атмосферы парниковыми газами ни один из способов энергопроизводства не может с конкурировать с атомной энергетикой. Выработка электроэнергии на #АЭС в 160 раз ниже в сравнении с генерацией использующий природный газ, а с учетом «углеродного следа», т.е. эмиссии СО2 при производстве оборудования для соответствующей технологии, АЭС в десятки раз меньше эмитируют парниковых газов по сравнению с той же ветрогенерацией или PV(PV - получение энергии от солнечных батарей).
Причина такой дискриминации АЭ, явно не проговаривается, но по совокупности публикаций можно предположить, что главную опасность мировое сообщество видит в вероятности радиационного загрязнения окружающей среды в результате тяжелой аварии и необходимости создания так же радиационно опасного замкнутого топливного цикла.
Скорее всего, постепенно доверие к атомной энергетике будет восстановлено, в том числе и «по факту», за счет активного строительства новых мощностей в Китае, Индии, других странах. Будут найдены новые проектные решения, обеспечивающие приемлемую для общества безопасность. Возможно, последующее развитие пойдет по пути разработки реакторов пониженной мощности, обеспечивающих кратно более высокий уровень безопасности и способных обеспечить достойное переформатирование энергетической генерации в сторону распределенной энергетики [3, 4]. По этой причине, говорить о каком-то закреплённом мнении относительно места ядерной энергетики в энергопроизводстве явно преждевременно.
Объективный анализ разных способов получения энергии в большом объеме для целей экономики, при жестком ограничении на эмиссию парниковых газов делает атомную энергетику, по существу, безальтернативным вариантом. Препятствия активного развития по этому пути, связанны с вероятностью радиоактивного загрязнения окружающей среды и длительного инвестиционного цикла при строительстве АЭС. Эти задачи являют собой трудности технологического характера и, конечно, будут преодолены. Сейчас их разрешение видят на пути освоении технологий индустриального сооружения станций, что, в практической реализации, открывает путь для единичных генерирующих мощностей примерно на порядок меньших в сравнении с современными.
Прогнозировать перспективу развития ядерной энергетики России, ориентируясь на бытующие в мировом экспертном сообществе рекомендации нет оснований. Россия является лидером в обеспечении мира энергией и будущее развитие энергетической отрасли для нее не безразлично. По этой причине, объективно, заказ на будущее и предложения по его реализации в мире Россия будет выдвигать, в том числе, и для обеспечения собственных интересов и сохранения места в мировой иерархии.
Развитие атомной энергетики России наиболее естественно рассматривать в контексте практики ее присутствия в современной энергетической системе. К настоящему времени сложилось такое положение, что использование атомной энергии, главным образом, связано с электроэнергетикой, и ее перспективы, в определяющей мере, ориентированы на развитие именно этой отрасли. В то же время, постоянно предлагаются проекты по перспективному использованию атомной энергии и для других целей, например, для выработки промышленного тепла разного температурного потенциала, для создания энергоустановок теплоснабжения или для целей опреснения воды, получения водорода и т.д. Однако, все эти несомненно привлекательные области применения, по разным причинам, пока остаются лишь списком, умножающим демонстрацию потенциала отрасли.
Масштаб электрогенерации в России на ближайшие десятилетия определяется, с одной стороны, руководящими документами стратегического характера, например, «Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года» [4, 5] и, с другой стороны, реальным развитием экономики по сравнению с мировой, появлением новых обстоятельств, что не всегда находит отражение в официальных стратегических заданиях. Это важно, поскольку допускает некоторую «вольность» в прогнозировании.
Хорошо известно, что изменение ВВП (Внутреннего Валового Продукта) плотно коррелирует с ростом электропотребления. Такая корреляция характерна для всех стран в мире, в том числе и для России. По данным Росстата результаты развития экономики России после распада СССР наглядно показывает зависимость изменения ВВП и электропроизводста в стране.
Сравнивая современное состояние электроэнергетики России с тем, что было в СССР следует обратить внимание на значимые изменения. За последние 30 лет Россия существенно ослабила свои позиции. В удельном потреблении энергии, она опустилась с 10 места в мире в 1990 г. на 30 место в 2020 г. В настоящее время, доля затрат экономики на электроэнергию составляет около 6% в год в сравнении с аналогичным мировым показателем около 3%. Исходя только из этих двух определяющих показателей, можно уверенно констатировать, что потенциал восстановления утраченных позиций для российской электроэнергетики большой и он несомненно будет востребован. Бытующие ошибочные представления о значимости электропроизводства для экономики, в том смысле, что электроэнергии в стране и так достаточно, ее плохо покупают и т.п. неизбежно потеряют свою актуальность, придется обратиться к реальности и осознать, что рост экономики без роста электропотребления невозможен. Для заметного роста экономики России необходимо будет увеличивать производство и потребление электроэнергии в ближайшие двадцать лет, как минимум, в 1.4-1.5 раза. По существу, известный призыв «электрификация всей страны» остается столь же актуальным и в наше время, так же как в момент своего рождения, в начале прошлого века.
С учетом таких потребностей роста электрогенерации для наращивания мощностей АЭ складываются благоприятные предпосылки. Вот наиболее весомые. Особенность отечественной экономики, преимущественно сохраняющей сырьевую ориентацию, предполагает экспорт природных ресурсов в возрастающем масштабе, а условия, складывающиеся на мировом энергетическом рынке, этому благоприятствуют. Все возрастающее преобладание тенденции применения энерготехнологий с относительно малой эмиссией углекислого газа, существенно повышают привлекательность использования природного газа, в качестве первичного энергоисточника.
Россия является основным поставщиком природного газа на европейский рынок, кроме этого растут амбиции в отношении его поставок на азиатский рынок. В таких условиях использование газа внутри страны для целей электрогенерации, скорее всего, будет претерпевать затруднения. В настоявшее время атомная генерация позволяет сэкономить, в том числе и для экспорта, около 50 млрд. куб. м природного газа в год. Учитывая большую разницу цен на внутреннем и внешнем рынке, России выгоднее продавать газ за границу, и для получения необходимого объема электроэнергии использовать другой источник первичной энергии. Частично для наращивания электрогенерации будет использоваться уголь, несмотря на более высокую эмиссию парниковых газов при его сжигании. Россия пока не проявляет избыточного рвения во внедрении «зеленых» технологий. Есть основания полагать, что модные сейчас тенденции, акцентирующие внимание на использовании возобновляемых источников энергии, в первую очередь, ветра в недалекой перспективе ослабнут, а мощный потенциал атомной энергетики в реализации «зеленых» целей будет задействован более полно.
Атомная #энергетика, с точки зрения ее экологической чистоты, конечно, наиболее привлекательна даже в сравнении с популярными в настоящее время возобновляемыми источниками. Во время эксплуатации АЭС никаких парниковых газов не образуется, и «углеродный след», вызванный эмиссией парниковых газов на предприятиях, изготавливающих оборудование для АЭС, весьма мал. Материалоемкость АЭС в сравнении с современными мощными ветрогенераторами с десятки раз меньше. Так, например, материалоемкость (масса материалов на один МВт. установленной мощности) современного генератора составляет около 1000 тонн на один МВт [6], а для АЭС этот индикатор более чем в 30 раз меньше, даже если учитывать потребность в материалах для сооружения контаймента – защитной оболочки реактора. Это самое «весомое» оборудование АЭС, вес контаймента реактора ВВЭР-1000 около 30000 тонн.
Очень большая материалоёмкость возобновляемых источников энергии приводит к значительному углеродному следу. В расчете на жизненный цикл получается, что эмиссия парниковых газов для ветрогенераторов всего лишь в 5 раз меньше в сравнении с парогазовыми установками [7].
Не лишне обратить внимание на следующие обстоятельства. Кампания по борьбе с парниковыми газами т.е. за минимизацию антропогенного влияния на климат выглядит странно при сохранении философии общественного развития, основанной на принципах неограниченного роста потребления. Другой аспект так же вызывает недоумение. Формирование климата планеты обусловлено, в первую очередь, взаимодействием трех глобальных физических явлений - солнечным излучением, движением воздушных масс и круговоротом воды в природе. Казалось бы, что именно эти три стихии #Солнце, #Ветер и #Вода должны обрести «охранную грамоту» и запрет на вмешательство в их естественное взаимодействие. В противном случае последствия такого вмешательства непредсказуемы. Сейчас нет ни одной математической модели климатических изменений на долгосрочную перспективу, предсказаниям которой можно было бы довериться. Наращивая масштаб ветрогенерации, меняя естественный характер переноса воздушных масс, можно поменять и сложившуюся розу ветров с непредсказуемыми последствиями.
Реальная забота об экологической стабильности как раз требует придерживаться стратегии невмешательства в энергетический баланс природных стихий. Необходимо всячески воспрепятствовать масштабному использованию для целей энергетики таких природных ресурсов как солнечная #радиация, водные ресурсы и движение воздушных масс. При таком комплексном и естественном проявлении беспокойства и заинтересованности в сохранении природы, ядерную энергетику следует рассматривать в качестве самого надёжного и продуктивного поставщика энергии для цивилизации.
Конечно, минимизировать #загрязнение окружающей среды нужно, однако меры применяемые для этого не должны представлять опасности нарушения сложившегося природного равновесия.
Объективный анализ складывающейся ситуации позволяет констатировать, что в сложившихся условиях атомная энергетика, скорее всего, будет постепенно укреплять и восстанавливать утраченные позиции, пошатнувшиеся после ряда тяжелых аварий, приведших к радиоактивному загрязнению территорий. Вместе с этим все в большей степени становится очевидным, что опасность радиоактивного загрязнения окружающей среды вызывает большую озабоченность и становится, главным препятствием масштабного развития атомной энергетики в мире.
Развитие атомной энергетики в России, несмотря на благоприятную атмосферу, как со стороны общественного мнения, так и по причине готовности индустриально-строительной базы для возведения новых блоков, осложняется некоторыми обстоятельствами. В настоящее время в России работают два типа реакторов на тепловых нейтронах – реакторы ВВЭР и реакторы РБМК. Установленные мощности ВВЭР несколько превосходят РБМК. Однако в отношении реакторов РБМК принято решение не продлевать срок их эксплуатации более 45 лет и в течение ближайших 15 лет все они должны быть выведены из эксплуатации. Главной причиной такого решения является процесс деформации блоков графитовой кладки, которая заполняет активную зону. Под действием нейтронного облучения могут возникнуть искривления технологических каналов, в которых размещаются в том числе и органы регулирования. Это затруднит безопасную эксплуатацию реакторов. Конечно, возможна модернизация графитовой кладки РБМК, чтобы избавиться от этого недостатка, но принято решение их остановки и ввода в эксплуатацию замещающих мощностей с реакторами ВВЭР – водо-водяной #реактор корпусного тапа. Реакторы этого типа превалируют и в мировой энергетике. И модернизации их конструкций, проведенные в последние десятилетия, по оценкам экспертов, существенно повысили безопасность. Сложившееся положение – необходимость вывода из эксплуатации почти половины мощностей, сдерживает рост общей установленной мощности АЭС, и к 2035 году ожидается, что она составит около 40 ГВт эл. Это позволит увеличить производство электроэнергии на АЭС примерно на 30%.
К строительству сейчас предполагаются модернизированные реакторы ВВЭР -1000 [8]. Модернизация АЭС-2006 соотносится, главным образом, с увеличением мощности реактора до 1200 МВтэ (эл.) [9], ВВЭР-ТОИ[10] – это проект дальнейшей оптимизации реактора компоновки АЭС, увеличение мощности до 1300 МВт (эл.) Проект ВВЭР-ТОИ по мнению разработчиков и авторов проекта должен успешно конкурировать с подобными станциями на мировом рынке. Новые модернизации реакторов ВВЭР обеспечивают большую мощность и лучшую экономику АЭС используют новые системы безопасности.
Реакторы ВВЭР предполагают и дальнейшее развитие, главным образом, с ориентацией на замкнутый топливный цикл. В настоящее время проектируются реакторы ВВЭР-С – реактор с регулируемым спектром нейтронов в активной зоне реактора, для повышения эффективности топливоиспользования и увеличения коэффициента воспроизводства топлива до 0.94. Реактор ВВЭР-СКД – реактор со сверхкритическими параметрами водяного теплоносителя с целью повышения параметров пара и достижение термодинамического КПД установки до 45% , одновременно предполагается и повышение эффективности использования топлива – увеличения коэффициента воспроизводства топлива до 0.94 [11,12].
С учетом потребности рынка в реакторах средней мощности в настоящее время на базе реактора ВВЭР-ТОИ разрабатывается реактор средней мощности ВВЭР-600 [13].
Все больший интерес как в мире, так и в России начинает проявляться к реакторам малой мощности, начиная с 10 до 300 МВт. В конце 2016 года был создан международный консорциум для реализации стратегической задачи – начать коммерческую эксплуатацию малых реакторов с середины 2020-х годов. В его состав входят авторитетные компании такие как: AREVA, Bechtel, Energy Northwest, Fluor, NuScale Power и др. В России недавно введена в эксплуатация первая в мире плавучая АЭС «Академик Ломоносов» мощностью 70 МВт (эл.) с двумя реакторными установками КЛТ-40С [14]. Сейчас в разработке проект АЭС малой мощности с реактором РИТМ [15].
В дополнении к этим проектам, для потребностей замкнутого топливного цикла, сжигания минорных актинидов ведется разработка ЖСР (жидко-солевой реактор) [16].
Исторически сложилось так, что отечественное ядерное сообщество всегда рассматривало перспективу с ориентацией на атомную энергетику большого масштаба. Пока это не получилось, но традиции сильны и стремление работать именно на такую перспективу, не угасает. Важнейший вопрос, подлежащий решению, при такой постановке проблемы, это обеспечение ее топливом. Запасы природных делящихся изотопов ограничены одним ураном 235, которого в природном уране всего 0.71%. По этой причине с давних пор научное и инженерное сообщество уделяет повышенное внимание реакторам на быстрых нейтронах, способных эффективно конвертировать природные уран-238 или торий-232 в делящиеся изотопы плутоний-239 или уран-233. Эффективно – это значит в результате работы реакторов на быстрых нейтронах делящихся изотопов получается больше, чем исчезает при производстве энергии. Предполагалось, что структура будущей атомной энергетики будет состоять из тепловых и быстрых реакторов в пропорции примерно 3:2. Чтобы такая система обеспечивала сама себя искусственным топливом, конвертируя уран-238 в плутоний, необходим высокий коэффициент воспроизводства на уровне 1.4-1.5. Топливный цикл такой энергетической системы, в которой из облученного топлива после химической переработки выделят искусственно полученные делящиеся изотопы для новых загрузок ядерных реакторов, получил название замкнутый топливный цикл.
В рамках этой концепции были построены три промышленных быстрых реактора БН-350, БН-600 и БН-800[17]. В этих реакторах для охлаждения активной зоны используется жидкий натрий, который плохо замедляет нейтроны, и по этой причине энергетический спектр нейтронов остается жестким, т.е. в нем превалируют нейтронов высокой энергии (быстрые нейтроны). Благодаря этому, коэффициент воспроизводства новых делящихся изотопов получается больше единицы. Реактор БН-350 (быстрый натриевый реактор электрической мощностью 350 МВт) в настоящее время выведен из эксплуатации. Химическая переработка высокоактивного топлива, выгруженного из реакторов после облучения, еще разрабатывается. Для промышленных объемов изготовление загрузок быстрых реакторов основывается преимущественно на использовании обогащенного природного урана, а не плутония.
После тяжелых аварий на АЭС требования по безопасности к ядерным реакторам были существенно ужесточены. Это вызвало необходимость сделать менее напряженными условия эксплуатации, в том числе и быстрых реакторов, и сейчас высокие показатели по конвертации сырьевых изотопов в искусственные делящиеся, как предполагалось ранее, не получаются. В такой ситуации сформировалась новая концепция развития АЭ под именем «Прорыв», с новым типом быстрого реактора БРЕСТ [18], в котором активная зона должна охлаждаться жидким свинцом при относительно невысокой энергонапряженности. В этом реакторе коэффициент воспроизводства снижен до величины 1.05. Т.е. этот реактор способен нарабатывать новое топливо только для себя. И ядерная энергетическая концепция изменилась на следующую. В ближайшие время в системе будут присутствовать два типа реакторов ВВЭР и БРЕСТ или другой быстрый реактор, а в перспективе останутся только быстрые реакторы типа БРЕСТ. Именно для реализации такой стратегии и предполагается к строительству быстрый реактор со свинцовым теплоносителем и демонстрационный завод по переработке ОЯТ.
Почему именно сейчас понадобилось столь агрессивно продвигать новации с быстрыми реакторами, аргументировать объективными условиями, складывающимися в топливообеспечении АЭ, непонятно. Конечно, в отдаленной перспективе следует серьезно побеспокоиться о сырьевой базе атомной энергетики, и потребуется вовлечение в топливный цикл сырьевых изотопов, однако, на ближайшую сотню лет дефицит природного урана атомной отрасли не грозит. Запас времени для более глубокого изучения вопроса о замыкании топливного цикла еще есть. К настоящему времени установленные мощности атомной энергетики в мире составляют около 400 ГВт (эл.) и на выработку электроэнергии с начала эксплуатации АЭС до настоящего времени, а это более 50 лет, было потрачено порядка 1.5 млн. тонн природного урана. Разработанные к настоящему времени месторождения, готовые к использованию, способны поставить на рынок еще порядка 7.5 млн тонн, так утверждается в Красной Книге Уран-2016 [19]. При таких объемах доступности природных ресурсов урана, не следует торопиться со строительством быстрых реакторов.
Дополнительным фактором, который следовало бы прояснить еще до организации замкнутого топливного цикла, это вопрос о его радиационной чистоте. В рамках проекта «Прорыв» активно продвигает идею о том, что замкнутый топливный цикл реактора «БРЕСТ» обладает свойством радиационной эквивалентности в следующей трактовке. Радиоактивность нестабильных изотопов, высвобожденная при добычи природного урана будет после переработки ОЯТ в таком же количестве возвращена в природу и роста радиационной нагрузки на нее (природу) не будет. Не станем обсуждать некоторые особенности в расчетах, которые встречаются при обосновании этого положения применительно к проекту «Прорыв». Привлечем внимание лишь к одному очень важному упущению, которое может оказаться принципиальным при определении приемлемости замкнутого топливного цикла. Простая технологическая особенность сопровождающая практическую реализацию любой технологии разделения смесей на компоненты связана с образованием, так называемых, безвозвратных потерь. При переработке ОЯТ всегда будет присутствовать такой фактор как безвозвратные потери, т.е. часть облученного топлива с содержащимися в нем радиоактивными продуктами деления и другими изотопами попадет в эти потери и, в конечном итоге, выйдет из-под контроля, т.е. радиоактивные изотопы найдут пристанище, в том числе, и в тех местах, где контроля за их присутствием не будет. Доля безвозвратных потерь небольшая, однако, они будут постоянно копиться по мере переработки облученного топлива и, в конечном итоге, найдут свое прибежище в каких-то местах окружающей среды. Возможно эти потери будут равномерно рассредоточены в пространстве, а возможно и сконцентрированы в ограниченных объемах, но суммарное их количество будет значимым. В работе [20] показано, что даже при самых оптимистических предположениях о чистоте технологических процессов при переработке ОЯТ и доле безвозвратных потер на уровне 0.1%, в окружающей среде за счет этих потерь накопиться активность примерно в 500 раз превосходящая радиоактивность, высвобождаемую при добыче природного урана (рис.3). Неприятность состоит еще и в том, что эта активность будет накапливаться медленно и достигнет своих максимальных значений в пределах ста лет. Т.е. такой топливный цикл создаст проблемы не для нас, а для будущих поколений. Вряд ли можно рассчитывать на одобрение обществом масштабного развития АЭ при таких неприятных особенностях замкнутого топливного цикла.
Как справиться с этой проблемой, развивая атомную энергетику исключительно на основе реакторов деления, пока не ясно.
Физически указанная неприятность состоит в том, что при выделении новых, искусственно полученных ядер делящихся изотопов одновременно приходится высвобождать из топливной матрицы большое количество радиоактивных продуктов деления. Допустимыми могут быть следующие режимы переработки ОЯТ. Первый – когда нестабильные изотопы в ОЯТ уже претерпели цепочки ядерных превращений до стабильных изотопов и активность ОЯТ уже незначительна, либо, когда количество нестабильных изотопов в топливной матрице, где накапливаются новые делящиеся изотопы, очень мало, т.е. переработке топлива подвергается ОЯТ с очень малым выгоранием. В случае первого варианта, доступным для переработки будет ОЯТ с очень длительной выдержкой (несколько сотен лет). Конечно, такой вариант никак не будет способствовать решению проблемы топливообеспечения АЭ. Другой вариант, малое выгорание топлива в реакторах, потребует уменьшение длительности кампании в 100 и более раз, с экономической точки зрения это совершенно неприемлемо.
Наиболее понятным вариантом избавления от этой неприятности является использование при переработке топлива с очень низкой активностью, а это допустимо только в том случае, если для конверсии сырьевых изотопов в делящиеся в том месте где образуется новое топливо не будут, одновременно с нейтронами, образовываться и радиоактивные продукты деления. Это может быть реализовано в бланкете термоядерного реактора, где следует разместить только сырьевой изотоп, например, торий-232, а нейтроны будут поступать в бланкет из активной зоны термоядерного реактора, образуясь в результате синтеза ядер трития и дейтерия. Идея использовать термоядерные установки для конверсии сырьевых изотопов в делящиеся была предложена еще И.В. Курчатовым [21] в середине прошлого века. Для этого есть очевидные физические предпосылки. В термоядерной реакции образование одного нейтрона сопровождается выделением 17 МэВ энергии без образования продуктов деления. В то же время в реакторе деления один нейтрон, который может быть использован для конверсии сопровождается выделением примерно 180 МэВ энергии, и этот нейтрон сопровождается образованием примерно 2 ядер продуктов деления.
Простые расчеты показывают, что при выделении 1 гр. нового делящегося изотопа из ОЯТ, количество радиоактивности в виде нестабильных ядер для реакторов деления будет примерно в сто раз больше в сравнение с аналогичным процессом, когда накопление новых делящихся изотопов будет происходить в бланкете термоядерного реактора.
В энергетической системе с реакторами синтеза и деления производство энергии разного вида следует закрепить за реакторами деления разного типа и мощности, адаптивных к внешней энергетической среде. Обеспечение этих реакторов ядерным топливом следует поручить термоядерным реакторам, которые производят делящиеся изотопы из сырьевых. Как показали расчетно-аналитические исследования, наилучшим вариантом в качестве сырьевого изотопа для такой ядерной энергетической системы является торий-232. При облучении его термоядерными нейтронами количество нейтронов за счет ядерной реакции испарения (реакции (n,2n) и (n,3n)), для которой нужны термоядерные нейтроны с энергией 14.1 МэВ, увеличивает их количество в 2.5 раза. Размножение нейтронов происходит практически без образования радиоактивных продуктов деления. Делящийся изотоп уран-233, образующийся в этом случае, хорошо подходит для реакторов на тепловых нейтронах вместо урана-235, а может использоваться и в быстрых реакторах при необходимости. Если в реакторах деления не будет присутствовать уран-238, то и минорные изотопы (Am, Cm и др.) образовываться не будут.
Учитывая, что производство нейтронов в термоядерном реакторе примерно на порядок больше в сравнении с реактором деления, доля гибридных термоядерных установок в энергетической системе будет сравнительно небольшая, около 10%. Такого их количества будет достаточно, чтобы обеспечить искусственным топливом все реакторы деления [22]. На рис.5 представлены результат расчета сбалансированной ядерной энергетической системы с реакторами синтеза и деления для одного из гипотетических вариантов роста мировой энергетики.
На этом рисунке закрашенные области: синий-это современные реакторы деления, большей частью водо-водяные реакторы, работающие на обогащенном уране. Коричневая область -гибридные термоядерные реакторы, обеспечивающие производство уран-233 для реакторов деления, зеленая область – реакторы разных типов, использующие уран-233 в качестве ядерного топлива. При расчете топливного цикла, предполагалось, что высокоактивное топливо, выгруженное из реакторов деления, не перерабатывается, а отправляется в долгосрочные хранилища, и допускается к переработке только после длительной выдержки, когда его радиоактивность не сможет оказать заметного влияния на загрязнение окружающей среды, даже в случае заметных потерь при переработке ОЯТ.
Заключение.
Для интенсивного развития атомной энергетики в этом столетии есть серьезные объективные предпосылки. Нарастающие ограничения по использованию ископаемого топлива, значительная неопределенность с возобновляемыми источниками энергии и одновременно рост потребности в энергии благоприятны для атомной отрасли. Однако, насколько полно удастся воспользоваться этими благоприятными условиями, покажет, конечно, только практика.
Наравне с традиционными областями применения атомной энергетики в виде реакторов большой мощности, расширение ряда генерирующих мощностей в направлении реакторов средней и малой мощности, умозрительно представляется весьма перспективным, но, опять же, могут возникнуть обстоятельства, не столько препятствующие их развитию, сколько нивелирующие эту заинтересованность. Какие-то действия в этом направлении, скорее всего, будут предприняты, поскольку без этого обеспечить энергией растущие региональные потребности и реализовать преимущества распределённой генерации будет сложно. Но будет ли сделан акцент на атомную энергетику средней и малой мощности, пока, все же, непонятно. Именно в этом диапазоне мощностей активируют свой потенциал альтернативные способы генерации.
При развитии рынка водородной энергетики, проявится потребность в получении этого энергоносителя в больших масштабах. Для этой цели наиболее приспособлены высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы, которые способны производить водород как непосредственно из воды, так и путем конверсии природного метана, обеспечивая высокую энергоемкость и экологичность энергоносителя. Их разработка длительное время велась в России, но до практического воплощения этих проектов дело не дошло.
Развитие новых областей применения атомной энергетики потребует увеличения расхода топлива, что, конечно, потребует замыкания топливного цикла и вовлечения в топливный баланс сырьевых изотопов. Как было сказано выше, замыкание топливного цикла в том виде, как это предполагается сейчас, с наработкой топлива в реакторах деления (быстрых и тепловых), связано с риском значительного радиоактивного загрязнения окружающей среды при переработке ОЯТ. Это обстоятельство может оказаться настолько важным, что приведет к необходимости либо отказаться от масштабного использования ядерного топлива для целей энергетики, либо каким-то способом кардинально расширить сырьевую базу природного урана, например, за счет урана из морской воды, либо разработать новые технологии получения нейтронов с небольшими энергозатратами и без образования радиоактивных изотопов. Последний вариант соотносится с освоением термоядерной технологии получения нейтронов и использования их для конверсии тория в уран-233 в бланкете термоядерного реактора.
Полувековое развитие атомной энергетики пришло к такому состоянию, что степень неопределённости стратегического пути развития атомной энергетики потеряла свою былую ясность и бытующие ориентиры как в технологиях достижения устойчивого роста, так и в масштабах следует пересмотреть с учетом современных реалий и нарастающей значимости экологических проблем.
Литература:
1. World Energy Outlook 2021, IEA
2. Energy Outlook 2020, BP
3. https://pro.rbc.ru/news/617a9e729a794781f964b094.
4. Презентация «Стратегия деятельности Госкорпорации «Росатом»» Докладчик: Р.А. Головин 29.11.2018 Название документа (innov-rosatom.ru).
5.ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТРАТЕГИЯ Российской Федерации на период до 2035 года, от 9 июня 2020 г, minenergo.gov.ru›
6.Ветрогенератор Enercon E125 wikipedia.org
7.МАГАТЭ, NUCLEAR POWER AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT, IAEA, 2016
8. Асмолов В. Г., Семченков Ю. М., Сидоренко В. А. К 30-летию пуска ВВЭР-1000 // Атомная энергия. — М., 2010. — Т. 108, № 5. — С. 267—277. — ISSN 0004-7163.
9. Проект АЭС-2006 http://atomenergoprom.ru/u/file/npp_2006_rus.pdf
10. А. Ю. Кучумов, А. Ю. Алаев "Концепция безопасности проекта «ВВЭР-ТОИ». // Росэнергоатом — 2011. — № 4
11. ВВЭР со спектральным регулированием – путь к эффективному использованию урана - 238Семченков Ю.М., НИЦ «Курчатовский институт» Мохов В.А., ОКБ «Гидропресс» Алексеев П.Н., НИЦ «Курчатовский институт» Москва, Росэнергоатом, МНТК-2014, 21-23 мая 2014 Презентация http://mntk.rosenergoatom.ru/mediafiles/u/files/2014/Plenar/Semchenkov_YU.M..pdf
12 Алексеев П.Н., Гришанин Е.И., Зверков Ю.А. и др. Концепция пароводяного энергетического реактора. Атомная Энергия, 1989, т. 67, с. 239-243.
13. Презентация РЕАКТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ВВЭР СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ МНТК -2014, Концерн «Росэнергоатом» http://mntk.rosenergoatom.ru/mediafiles/u/files/2014/Plenar/Berkovich_V.YA..pdf
14. AKADEMIK LOMONOSOV-2 (англ.). PRIS — Power Reactor Information System. IAEA.
15. https://rusatom-overseas.com/ru/smr/
16. Новиков В. М., Игнатьев В. В., Федулов В. И., Чередников В. Н. Жидкосолевые ЯЭУ: перспективы и проблемы. — М.:Энергоатомиздат, 1990
17. Реактор на быстрых нейтронах — Википедия (wikipedia.org)
18. Адамов Е.О., Ганев И.Х., Орлов В.В. Достижение радиационной эквивалентности при обращении с радиоактивными отходами ядерной энергетики. — Атомная энергия, 1992, т. 73, вып.3
19. МАГАТЭ, Красная Книга об урановой добыче, atomicexpert.com › page1636668
20. Е.П.Велихов, А.О. Гольцев , В.Д. Давиденко , А.В. Ельшин , А.А. Ковалишин, Е.В. Родионова, В.Ф. Цибульский ПРИЕМЛЕМОСТЬ ЗАМЫКАНИЯ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2021, т. 44, вып. 1, стр.5-12
21. И.В. Курчатов О возможности создания магнитных термоядерных реакторов, Собрание научных трудов, Наука, М., 2012, т5. стр. 78-81.
22. В.Ф. Цибульский, Е.А. Андрианова, В.Д. Давиденко, Е.В. Родионова, С.В. Цибульский «ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ ДЕЛЯЩИХСЯ ИЗОТОПОВ ДЛЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В ГИБРИДНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ», ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2016, т. 39, вып. 4.
