Реакторы замкнутого цикла: Российский путь к созданию новой энергетики к 2030 году

Президент РФ Владимир Владимирович Путин заявил о том, что к 2030 году Россия создаст первую в мире замкнутую энергосистему.
Разберем вкратце, что это такое и зачем нужно.
Для начала напомним, что о опытной эксплуатации реакторов по переработке отходов мы писали год назад, вот здесь.

Итак, заявляется, что ядерная энергетика стоит на пороге революции, призванной решить ее ключевые проблемы: исчерпаемость ресурсов урана, растущие объемы отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и риски распространения ядерных материалов. Ответом на эти вызовы является концепция замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ), и Россия сегодня является мировым лидером в ее практической реализации, с четкой целью — создать к 2030 году работающий промышленный образец полного цикла.

Что такое замкнутый цикл? От отходов к ресурсу

В отличие от преобладающей сегодня системы открытого (разомкнутого) цикла, где отработавшее топливо считается окончательным отходом и готовится к захоронению, замкнутый цикл — это стратегия безотходной и ресурсонезависимой энергетики.

Процесс, отрабатываемый в России, кардинально меняет парадигму:

1. Выработка энергии: Топливо работает в энергоблоке.
2. "Выгорание" и воспроизводство: В реакторах на быстрых нейтронах (БН) не только вырабатывается энергия, но и "сжигаются" долгоживущие радиоактивные элементы (минорные актиниды), а из неделящегося урана-238 нарабатывается новое топливо (плутоний).
3. Переработка: ОЯТ на специальном заводе разделяется на ценные компоненты:
   Уран и плутоний — извлекаются для изготовления нового топлива (МОКС-топливо).
   Минорные актиниды — возвращаются в реактор для окончательного "выжигания".
   Продукты деления (осколки) — это и есть те самые отходы, подлежащие захоронению. Но здесь кроется ключевое преимущество.

Физико-экономическое обоснование: Почему замкнутый цикл выгоден?

Ключевое преимущество ЗЯТЦ — радикальное изменение характера и объема отходов.

• В открытом цикле мы захораниваем ОЯТ целиком, а в его составе содержатся долгоживущие изотопы (например, плутоний-239 с периодом полураспада 24 000 лет, америций-432 — 7370 лет). Их радиоактивность невысока, но сохраняется сотни тысяч лет, что требует создания чрезвычайно сложных и дорогих хранилищ, рассчитанных на геологические периоды.
• В замкнутом цикле после переработки остаются в основном короткоживущие продукты деления (например, цезий-137 и стронций-90 с периодом полураспада около 30 лет). Да, они обладают высокой радиоактивностью, но именно из-за малого периода полураспада. Это значит, что их опасность снижается на порядки уже за 300-500 лет.
• Необходимо понимание того, что запасы урана при всей их кажущейся огромности КОНЕЧНЫ. Большая часть добывавемого урана - это условно стабильный изотоп U238 (4,468×10⁹ период полураспада, то есть 4,5 миллиарда лет!), в ядерной энергетике используется U235, а его в природе более чем в 100 раз меньше, чем более "тяжелого" собрата-238. Большая часть экспертов полагает, что современные добываемые запасы урана истощатся к 2090 году, некоторые пессимисты считают более вероятным 2060-й. Это значит, что уже скоро мы столкнемся с нехваткой урана - и тут разрабатываемый Россией замкнутый цикл способен дать нам топлива еще на сотни лет!!!

Что это дает на практике?

1. Снижение стоимости хранения. Нет необходимости строить хранилища, рассчитанные на десятки тысяч лет. Достаточно могильников, обеспечивающих безопасность на несколько столетий, что технологически проще и на порядки дешевле.
2. Снижение объема отходов. Объем высокоактивных отходов после переработки составляет лишь 3-5% от исходного объема ОЯТ.
3. Решение экологической проблемы. Проблема долгоживущих радиоактивных отходов, которая является главным аргументом противников атомной энергетики, фактически снимается.
4. Появление нового источника топлива.

Таким образом, ЗЯТЦ превращает проблему вечных отходов в задачу управления отходами с управляемым и относительно коротким периодом опасности.

История и текущее состояние: Российский задел для рывка

Российская программа основана на советском научно-техническом заделе.

• История: Работы академиков А.И. Лейпунского и И.В. Курчатова заложили основу. Успешный пуск БН-600 на Белоярской АЭС (1980) доказал надежность технологии быстрых реакторов.
• Текущая платформа: Введенный в 2016 году энергоблок БН-800 — это первый в мире промышленный реактор, работающий на МОКС-топливе и замыкающий цикл. Параллельно на Горно-химическом комбинате (ГХК, Железногорск) действует современный Опытный демонстрационный центр (ОДЦ) по переработке ОЯТ, где отрабатываются технологии будущего.

Российские работы по дожиганию минорных актинидов: от экспериментов к практике

Пока переработка фокусируется на уране и плутонии, следующая задача — включение в цикл минорных актинидов (МА): нептуния, америция, кюрия. Именно они определяют миллионолетний период опасности отходов. Россия ведет эту работу на опережение.

Процесс, отрабатываемый в России, выглядит так:

1. Выработка энергии: Топливо работает в энергоблоке.
2. "Выгорание": В реакторе на быстрых нейтронах (БН) не только вырабатывается энергия, но и нарабатывается новое делящееся вещество (плутоний) из урана-238.
3. Переработка: На Горно-химическом комбинате (ГХК) ОЯТ разделяется:
   Уран и плутоний — извлекаются для изготовления нового топлива (МОКС-топливо).
   Минорные актиниды — возвращаются в реактор для "выжигания".
   Продукты деления — лишь ~3% от объема ОЯТ, это отходы, подлежащие захоронению. Их объем и период опасности радикально меньше.

Ключевая цель Росатома: Создать технологический комплекс, где отходы одного реактора становятся топливом для другого, увеличив топливную базу ядерной энергетики в десятки раз.

Текущие практические шаги:

1. Создание опытных партий топлива с МА: Ведутся работы по изготовлению т.н. REMIX-топлива и топлива с добавками америция. Партии такого топлива уже произведены для исследовательских реакторов.
2. Эксперименты на исследовательских реакторах: На реакторах БОР-60 (Димитровград) и МИР (НИИАР) успешно проводятся облучательные эксперименты с образцами топливных композиций, содержащими МА. Цель — изучить поведение актинидов в условиях реактора и подтвердить возможность их эффективного деления (дожигания).
3. Планы на ближайшее будущее: Отработанные на исследовательских реакторах технологии станут основой для создания промышленных твэлов (тепловыделяющих элементов) с МА для реактора БН-800, а в перспективе — для БН-1200. Это позволит перейти от экспериментов к промышленному "выжиганию" самых проблемных долгоживущих отходов.

Результат: Дожигание МА позволит не просто сократить, а минимизировать объем отходов, требующих длительного захоронения. Оставшиеся после такого "выжигания" отходы будут иметь период потенциальной опасности не тысячи лет, а сотни лет, что является технологически управляемой задачей.

Планы России до 2030 года: Создание промышленного образца ЗЯТЦ

Стратегия Росатома является поэтапной и нацелена на создание к 2030 году полноценного промышленного энергокомплекса с ЗЯТЦ.

Ключевые вехи на пути к 2030 году:

• Запуск энергоблока БН-1200: Строительство на площадке Белоярской АЭС должно начаться в ближайшие годы. БН-1200 — это уже коммерческий энергоблок, призванный доказать экономическую эффективность технологии. Его КПД будет сопоставим с лучшими тепловыми реакторами, но с ключевым преимуществом — способностью замыкать топливный цикл.
• Формирование замкнутой топливной цепочки "БН-800 — Переработка — БН-1200".
• Внедрение технологий дожигания МА: К 2030 году планируется отработать и начать внедрять на БН-800/БН-1200 технологии трансмутации минорных актинидов, сделав следующий шаг к полной безотходности.

Ожидаемый результат к 2030 году: На площадке Белоярской АЭС и ГХК будет функционировать первый в мире промышленный кластер ЗЯТЦ. Это будет демонстрационная модель ядерной энергетики будущего: эффективной, безопасной и решающей проблему отходов за счет трансформации их в короткоживущую форму, что радикально удешевляет окончательное захоронение.

Текущее состояние в мире: Возрождение интереса

В XXI веке интерес к ЗЯТЦ вернулся с новой силой из-за обострения глобальных проблем: изменения климата, необходимости безуглеродной энергетики и роста объемов ОЯТ.

Страны-лидеры:

1. Россия: Мировой лидер в этой области.
   БН-800 (введен в 2016 г.) на Белоярской АЭС работает на смешанном уран-плутониевом топливе (МОКС-топливо) и является ключевым элементом для отработки технологий ЗЯТЦ. Опытные партии актинидов уже дожигаются.
   Строится БН-1200 – более мощный и коммерчески ориентированный реактор. Его запуск станет решающим шагом в использовании отходов ядерной энергетики на благо человечества.
   Развивается инфраструктура: завод по переработке ОЯТ на ГХК (Горно-химический комбинат) в Железногорске.
2. Китай: Вкладывает огромные ресурсы в ядерную энергетику.
   Экспериментальный реактор на быстрых нейтронах CEFR работает с 2011 года.
   Строятся два демонстрационных коммерческих бридера CFR-600, запуск первого ожидается в ближайшие годы.
   Китай рассматривает ЗЯТЦ как стратегическое направление для обеспечения энергетической независимости.
3. Индия: Имеет уникальную программу, ориентированную на использование тория (все остальные работают с ураном-238).
   Поэтапный план предполагает использование запасов тория через его преобразование в делящийся уран-233 в реакторах на быстрых нейтронах.
   Прототипный реактор PFBR находится на стадии запуска.
4. Франция, Япония, США и Южная Корея: Активно ведут научно-исследовательские работы (проекты ASTRID во Франции, JSFR в Японии), но коммерческие проекты пока отложены в пользу научного поиска и решения проблем безопасности.

Итого мы видим пока что безусловное лидерство стран BRICS в данном высокотехнологичном сегменте рынка.

Перспективы: Глобальное лидерство

Успех российской программы к 2030 году откроет беспрецедентные перспективы:

• Технологический суверенитет: Россия станет единственной страной, обладающей готовой технологией энергетики будущего.
• Экспортный потенциал: Возможность предлагать другим странам не просто АЭС, а комплексное решение "атомная генерация + переработка отходов".
• Экологический стандарт: ЗЯТЦ позиционирует атомную энергетику как наиболее чистое и устойчивое решение проблемы энергетики и климата.

Заключение

Пока мир обсуждает будущее атомной энергетики, Россия реализует самый амбициозный проект в этой области. План создания к 2030 году работающего промышленного образца замкнутого цикла — это конкретная государственная программа. Ее успешное выполнение не только гарантирует России энергетическую независимость на тысячелетия, но и решит главную экологическую проблему атома, доказывая, что ядерные отходы можно не хоронить навечно, а эффективно перерабатывать и "дожигать", радикально снижая затраты и риски для будущих поколений. Работы по дожиганию минорных актинидов выводят российскую программу на уровень, недостижимый для других стран, и закладывают основу для атомной энергетики с практически нулевым долгосрочным воздействием на окружающую среду.