Статья


*
9-10 за 2000 год
Конъюнктура. Прогнозы. Тенденции
Н.Н. Пономарев-Степной
РНЦ “Курчатовский институт”
Сценарий ядерной энергетики России в наступающем веке
*
В двадцатом веке человечество освоило ядерную энергию сначала в качестве оружия, а затем и как новый энергетический источник, адаптированный для применения в мирной ядерной энергетике (ЯЭ). Использование ядерной энергии открывает новые возможности развития энергетики без ограничений со стороны ресурсов топлива и позволяет снизить темп загрязнения среды продуктами горения органического топлива. Предполагаемые значительные масштабы ядерной энергетики предопределяют необходимость решения сложных проблем в области экономики, безопасности, воспроизводства топлива, радиоактивных отходов и нераспространения ядерного оружия, что в свою очередь определяет текущие задачи развития энергетики.

Сегодняшний уровень ЯЭ
Решение энергетических проблем человечества с помощью ядерной энергетики потребует совершенствования и развития ядерного топливного цикла, вовлечения в ЯЭ новых видов ядерного топлива, разработки ядерных энергетических установок различных типов и уровней мощности с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах для удовлетворения различных потребительских запросов и решения структурных задач ЯЭ.
Многие необходимые элементы структуры будущей ЯЭ получили к настоящему времени достаточный уровень развития. Разработаны и освоены проекты легководных реакторов большой и средней мощности, созданы заделы по реакторам на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем и по высокотемпературным реакторам, имеется опыт создания и эксплуатации жидкосолевых реакторов. Однако многое еще предстоит сделать для создания целостной структуры ЯЭ, способной к долговременному и широкомасштабному развитию.
Для крупномасштабной ядерной энергетики необходимо получение и использование искусственных делящихся изотопов плутония и урана–233, требующих реализации замкнутых топливных циклов. Без воспроизводства и повторного использования ядерного топлива ядерная энергетика лишается перспективы, поскольку ресурсы дешевого урана при использовании его в тепловых реакторах в энергетическом эквиваленте меньше нефти и газа и много меньше угля.
При переходе к устойчивому развитию, наряду с созданием замкнутого топливного цикла ЯЭ с расширенным воспроизводством топлива, должны быть решены задачи обращения с РАО и разработки проектов реакторов, соответствующих структуре будущей ядерной энергетики и способных удовлетворить разнообразные потребности населения в различных регионах мира. Многокомпонентная структура ЯЭ позволяет различным типам реакторов наилучшим образом удовлетворить необходимым требованиям: по сферам применения (электричество, тепло, опреснение воды, транспорт, воспроизводство топлива, наработка полезных и трансмутация опасных изотопов); по уровню мощности (большие, средние и малые автономные энергоисточники); по спектру нейтронов (быстрые реакторы; тепловые реакторы; реакторы пережигатели долгоживущих РАО).
В более отдаленном будущем часть задач по обеспечению общества энергией возьмет на себя термоядерная энергетика.
Потенциальная возможность извлечения из топливного цикла мирной ядерной энергетики ядерных материалов, пригодных для оружейного использования, сохраняет опасность распространения ядерного оружия. Технологическая схема ядерных энергоустановок, предприятий топливного цикла и форма используемого топлива должны разрабатываться с учетом требований нераспространения ядерного оружия. Необходимо кардинальное повышение эффективности системы нераспространения ядерного оружия, которое должно предусматривать организационные и технические мероприятия как в сфере топливного цикла мирной ядерной энергетики, так и в сфере обращения с ядерными материалами. Ныне действующая политика гарантий, контроля и ограничений передачи "чувствительных" ядерных технологий не ядерным странам не обеспечивает эффективных барьеров на пути нераспространения ядерного оружия.
Создание ядерных энергетических технологий, в полной мере учитывающих уроки полувекового опыта и отвечающей условиям большой энергетики, требует активных совместных действий стран, заинтересованных в ЯЭ и обладающих необходимым для этого научно-техническим потенциалом и опытом. Промышленноразвитые страны, заботясь о будущем, должны содействовать внедрению имеющихся проектов в развивающиеся страны.
Президент Российской Федерации на "Саммите Тысячелетия" выступил с инициативой по энергетическому обеспечению устойчивого развития человечества, кардинальному решению проблем нераспространения ядерного оружия и экологическому оздоровлению планеты Земля. Инициатива Президента Российской Федерации основана на критическом анализе состояния мировой ЯЭ и на одобренной Правительством России “Стратегии развития ЯЭ России до середины XXI века”. В выступлении Президента России сделано предложение об организации международного Проекта под эгидой МАГАТЭ, нацеленного на решение ключевых проблем ЯЭ. Целью Проекта является объединение усилий всех заинтересованных стран для разработки Концепции энергетического обеспечения устойчивого развития человечества, кардинального решения проблем экологического оздоровления планеты Земля и нераспространения ядерного оружия.

Энергетика XXI века
На пороге нового века
Заканчивающийся 20-й век продемонстрировал возрастающую мощь человеческого разума. Освоение ядерной энергии, выход в космос, развитие электроники и информатики создают исключительные возможности для прогресса человеческого общества. На фоне этого прогресса особенно видны проблемы, с которыми общество входит в 21-й век. На смену развития в условиях неограниченных ресурсов наступает время, когда оценки доступных ресурсов становятся сравнимыми с их потребностями на просматривающемся интервале времени, а среда обитания начинает не справляться с последствиями реализации наших потребностей. Особенно это проявляется в сфере производства и потребления энергии.

Тенденции энергетики
Мировое сообщество озабочено неравномерностью производства и потребления энергии в различных регионах мира.
Тенденцией 21-го века будет стремление к более равномерному потреблению энергии на душу населения в различных регионах мира. Обычно в прогнозах консервативно предполагается, что к середине 21-го века произойдет удвоение производства энергии. В качестве основных конкурирующих первичных энергетических ресурсов энергии будут фигурировать органическое топливо (уголь, нефть, газ), ядерная энергия и солнечная энергия.

XXI век-этап крупномасштабной атомной энергетики
Динамика развития и долевое участие каждой энергетической технологии в балансе мирового производства энергии определяются в основном: ресурсами топлива и воздействием на окружающую среду. В конечном счете, это сводится к экономической приемлемости того или иного энергетического ресурса.
Энергоресурсы. Сравнение запасов энергоресурсов органического топлива с величиной потребляемой энергии в 21-ом веке не вызывает тревоги. Однако, истощение запасов нефти и газа уже в наступающем веке потребует заметного увеличения использования угля.
Оценки запасов ядерного топлива в земной коре и в водах океанов даже при консервативных предположениях о возможном извлечении этих материалов показывают, что использование ядерной энергии в любых масштабах не встретит ресурсных ограничений на обозримый период времени.
Экологические пределы. При производстве энергии в окружающую среду возвращаются отходы и низкопотенциальное тепло. В последние десятилетия активно изучается глобальное потепление климата. Это потепление связывается с парниковым эффектом, обусловленным выбросом газообразных продуктов сгорания. Это одно из принципиальных ограничений наращивания производства энергии за счет сжигания органического топлива.
Для ядерных источников характерна компактная форма отходов и технически обоснованная возможность концентрации и локализации радиоактивных продуктов сгорания. Суммарная масса ядерных отходов в миллионы раз отличается от массы отходов при сжигании органики. Потенциальная экологическая опасность использования ядерной энергии связана с образованием радиоактивности. Возникающая радиоактивность не превышает по количеству распадов активность исходных сгорающих элементов. Однако количество распадов в единицу времени в облученном топливе превышает радиоактивность исходного ядерного сырья на протяжении нескольких тысяч лет. Этим определяется проблема безопасности ядерной энергетики: образующаяся короткоживущая радиоактивность должна быть локализована в обозначенном временном интервале.
Динамика энерготехнологий. Информация о вкладе различных энерготехнологий в мировое производство энергии позволяет проследить динамику развития основных энерготехнологий: древесина, уголь, нефть, газ, ядерная энергия.
Практически неограниченные ресурсы ядерного топлива, высокая энергоемкость, компактность отходов, экологическая совместимость, а также наличие апробированных технологий, доказанная экономическая конкурентоспособность и техническая безопасность делают ядерную энергию фаворитом в обеспечении значительной доли энергопроизводства ко времени очередной смены энергоносителя в 21-ом веке.
Таким образом, 21-й век - это век становления крупномасштабной ядерной энергетики.

Ядерная энергетика России 21-го века
Признаки крупномасштабной ядерной энергетики
Прогнозируя значительное развитие ядерной энергетики, необходимо оценить ее признаки в энергетике будущего века.
Доля атомной энергии в производстве энергии может составлять более десятка процентов. Доля атомной энергии в производстве электрической энергии достигнет нескольких десятков процентов. Потребуется осваивать и другие области применения атомной энергии, такие как бытовое и промышленное теплоснабжение, технологические процессы, транспорт. Внедрение ядерной энергии на транспорте будет осуществляться в виде ядерных энергетических установок для морских судов, плавучих станций, а также, возможно, в виде искусственного топлива, которое можно производить, используя ядерную энергию в технологических процессах. Ядерная энергия найдет применение в космосе для получения тяги и электричества.
Неизбежно расширение перечня стран, использующих ядерную энергию. Внедрение ядерной энергии в странах и регионах, в которых отсутствуют мощные энергетические сети, потребует создания ядерных установок средней и малой мощности.

Необходимые условия и черты крупномасштабной АЭ
Особенности крупномасштабной ядерной энергетики, такие как увеличение объемов использования ядерной энергии, расширение областей ее применения, расширение круга стран, использующих ядерные установки, характеризуют качественное изменение и делают необходимым уточнить условия и требования, которые должны быть обязательными для системы и элементов крупномасштабной атомной энергетики.
Безопасность. Образующаяся при функционировании атомной энергетики радиоактивность должна быть надежно локализована в интервале времени, когда ее уровень превышает радиоактивность исходных сырьевых материалов. Надежная локализация радиоактивности – это последовательная реализация концепции глубокоэшелонированной защиты, включающей систему технологических барьеров, ограничивающих распространение радиоактивности, мероприятия по предотвращению аварийных нарушений барьеров и мероприятия по снижению аварийных последствий.
Крупномасштабная ядерная энергетика требует демонстрации нового, более высокого уровня безопасности, который должен быть воспринят обществом. Это требование равновелико относится ко всем элементам топливного цикла: атомная станция, реактор, отработанное ядерное топливо, его хранение, транспортировка, переработка, захоронение.
Современные атомные станции демонстрируют приемлемый уровень безопасности, опираясь на опыт эксплуатации и реализуя дополнительные мероприятия по повышению безопасности с учетом уроков имевших место аварий. Безопасность остальных элементов ядерного топливного цикла и в первую очередь производств по переработке отработанного ядерного топлива и по обращению с радиоактивными отходами обоснована в меньшей степени, что вызывает нарекания общественности. Требуется приложить серьезные усилия, как в области фундаментальных и прикладных исследований, так и в области разработок и технологических реализаций, чтобы достичь в этих звеньях эквивалентного уровня безопасности.
Для перспективной ядерной энергетики, учитывая ее предполагаемое широкое распространение в, том числе, в развивающиеся страны, цель уменьшения исходной опасности атомного объекта (в первую очередь ядерно-энергетической установки) становится центральной. Это достигается оптимальным выбором его конструкции, наличием необходимого комплекса свойств и характеристик. В системе средств и способов обеспечения безопасности на первый план будет выдвигаться максимальное использование и развитие свойств внутренней защищенности.
В снижении исходной опасности объекта – база уменьшения стоимости защитных средств и всей станции и устранения возможности аварий со значительными радиационными последствиями (“тяжелых” аварий). Один из примеров исследований в этом направлении является программа “Расплав”, выполняемая в РНЦ “Курчатовский институт” в содружестве со многими странами OECD.
Принципиальным компонентом безопасности является необходимый уровень культуры безопасности в звеньях государственного и технического управления, а также в сфере производства. Расширение круга стран, использующих атомную энергетику, и, особенно, из числа развивающихся стран, делает эту проблему особенно актуальной.
Воспроизводство ядерного топлива (Pu, U-233). Ныне действующие реакторы используют в лучшем случае около одного процента добываемого урана. В этих условиях имеющиеся экономически приемлемые запасы урана могут обеспечить топливом ядерную энергетику нынешнего масштаба менее чем на сто лет. Топливная база широкомасштабной ядерной энергетики должна быть основана на воспроизводстве и повторном использовании делящихся ядерных материалов - плутония и урана-233. Замкнутый топливный цикл является обязательным условием крупномасштабной ядерной энергетики ХХ1 века.
Гарантии нераспространения. Такие признаки крупномасштабной ядерной энергетики как увеличение объемов, расширение областей применения, расширение круга стран, расширенное воспроизводство и переработка топлива могут сказаться на риске распространения и необходимо выполнить значительный круг работ, направленных на повышение гарантий нераспространения. В 1977 году в США, основываясь на приверженности политике нераспространения, приняли решение о прекращении работ по переработке ОЯТ и работ по использованию плутония в топливном цикле.
Проблема распространения ядерных материалов (??????? 1) и технологий будет требовать постоянного внимания, учитывая научно-технический прогресс в области информационных систем, системы распространения знаний, повышение уровня знаний, и в области технологий получения опасных ядерных материалов.
Должны быть разработаны и внедрены организационные и технические меры, технологические барьеры на пути несанкционированного распространения ядерных делящихся материалов, которые обеспечивают защиту ядерных материалов на уровне риска их доступности из источников естественного происхождения.
Требование снижения риска распространения будет влиять на отбор технологических решений во всех звеньях топливного цикла крупномасштабной ядерной энергетики, направляя их на уменьшение накопления пригодных для оружия ядерных материалов и использование конструктивных схем, затрудняющих выведение ядерных материалов из цикла.
Экономическая конкурентоспособность. Решающую роль в выборе того или иного источника энергии в конкретной ситуации будут играть экономические показатели. Набор компонентов стоимости производства электричества должен включать не только стоимости непосредственной генерации электричества, но и стоимость компенсации воздействия на окружающую среду. При этом важно учитывать это воздействие на человека и окружающую среду при нормальных условиях работы и при возникновении аварийных ситуаций для всего топливного цикла.
Среди энергетических источников разного типа только ядерная энергетика способна замкнуть затраты на компенсацию воздействия на окружающую среду. Это обусловлено высокой энергоемкостью ядерного топлива и соответственно компактной формой отходов. Органические источники энергии не способны к замыканию затрат по выбросу СО2. Дополнительная составляющая, так называемой, “социальной” стоимости, которая учитывает воздействие каждой технологии на человека и окружающую среду, даже без учета воздействия СО2, более значима для органического топлива и особенно для угля. Экономической конкурентоспособность ядерной энергии существенно повышается, если учитывать не только стоимость непосредственной генерации электричества, но и стоимость компенсации воздействия на окружающую среду при производстве энергии (“внешняя цена” производства электроэнергии). Таким образом, ЯЭ помогает человечеству замедлить рост стоимости энергии при увеличении мирового энергопроизводства.
В силу большой емкости капитальной составляющей и длительности окупаемости энергетическое производство относится к разряду естественных монополий, что затрудняет действие рыночных механизмов в этой сфере. Поэтому наряду с экономическими аргументами при выборе той или иной энергетической технологии необходима политическая воля и настрой общества.

Состояние и ближний план ядерной энергетики

Действующие АЭС
В России сегодня эксплуатируется 29 ядерных блоков общей установленной электрической мощности 21.2ГВт. В их числе 13 энергоблоков с реакторами типа ВВЭР, 11 энергоблоков с реакторами типа РБМК, 4 энергоблока типа ЭГП Билибинской АТЭЦ с канальными водографитовыми реакторами и один блок на быстрых нейтронах БН-600. Продолжается эксплуатация в режиме энергообеспечения канальных уран-графитовых реакторов в г. Северск и г. Железногорск, а также опытных реакторов БОР-60 и ВК-50 в НИИАР (г. Дмитровград). В 1999 году АЭС России выработали 120 млрд кВтч электроэнергии. За счет увеличения КИУМ эта выработка оказалась на 16% больше, чем в 1998 году.
Обеспечение безопасности действующих АЭС – основное условие функционирования ядерной энергетики. Работающие блоки первого и второго поколений введены в эксплуатацию в разное время, сооружались по разным проектам и в различной степени удовлетворяют современным нормам и правилам. На основе анализа требований современных нормативов и проектных решений разработаны и внедряются концепции повышения безопасности действующих блоков АЭС с ВВЭР и РБМК. По объективным показателям, включая экспертизу зарубежных специалистов, эксплуатационная безопасность действующей ядерной энергетики является приемлемой. В то же время наблюдается корреляция между повышением КИУМ и числом аварийных остановов К.

Ближний план
Ближайший этап работ по атомной энергетике определен Правительством России в виде “Программы развития атомной энергетики Российской Федерации на 1998-2005 годы и на период до 2010 года”, утвержденной в 1998 году. В Программе сформулированы основные цели работ:
- надежное и конкурентоспособное снабжение потребителей тепловой и электрической энергией;
- обеспечение безопасной эксплуатации действующих АЭС;
- продление ресурса существующего парка АЭС;
- разработка и внедрение АЭС третьего поколения, в максимальной степени использующих освоенные технологии;
- подготовка технологии и начало снятия с эксплуатации АЭС, выработавших ресурс;
- надежное обеспечение атомных станций ядерным топливом;
- подготовка к созданию замкнутого топливного цикла;
- разработка новых перспективных энергоблоков и создание условий для перехода к крупномасштабному развитию атомной энергетики.

Прогноз
Прогноз развития атомной энергетики России до последнего времени имел значительную неопределенность. Однако, последние события в ТЭК России, связанные со снижениями поставок природного газа электростанциям России, поставили вопрос о компенсации этого снижения за счет АЭС. Разработаны и предложены Правительству России следующие мероприятия: повышение КИУМ действующих АЭС, продления их срока службы, быстрая достройка АЭС высокой степени готовности и строительства новых блоков с реакторами третьего поколения.
Решение о достройке блоков и строительстве новых блоков с реакторами третьего поколения оказывается оправданным при имеющихся больших проектных и строительных заделах, которые были сделаны на предыдущих этапах развития экономики страны в предположении значительных темпов развития атомной энергетики. Правительство России рассмотрело и одобрило “Стратегию развития атомной энергетики России в первой половине ХХ1 века”, в которой, как первый этап, конкретизированы эти предложения. Прогнозируется утроение установленной мощности АЭС к 2030 году. При реализации этой стратегии доля выработки электроэнергии АЭС возрастет с 15% в 2000 году до 21 % в 2020 году.
Состояние мировой ядерной энергетики характеризуется широким диапазоном прогнозов ее развития на предстоящем этапе. Прогнозы МАГАТЭ на 15-20 лет вперед показывают стагнацию атомных мощностей промышленно развитых стран Европы и Америки. На этом фоне реализуется активное развитие атомной энергетики в странах азиатского региона. Наряду с наращиванием ядерных мощностей в азиатских странах, уже имеющих АЭС, следующий этап будет характеризоваться расширением круга стран, использующих атомную энергетику. Это - страны азиатского региона, ближнего Востока, Африки, Южной Америки.
В отдаленной перспективе ядерная энергетика с высокой вероятностью будет играть значительную роль в обеспечении человечества энергией. Задачей сегодняшнего дня является поиск, выбор и обоснование пути от состояния неопределенности к широкомасштабной ядерной энергетике отдаленного будущего.

Пути развития ядерной энергетики
Мировое сообщество не имеет единого решения задачи выбора пути движения к крупномасштабной ядерной энергетике. Каждая страна определяется самостоятельно, сообразуясь с экономическими, социальными и политическими условиями. Долгосрочная стратегия развития ядерной энергетики России, сформулированная в одобренном Правительством документе “Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине ХХ1века”, определяет в качестве генеральной цели создание крупномасштабной ядерной энергетики, участвующей в обеспечении энергетических потребностей общества в электроэнергетике, теплоснабжении, промышленных технологиях и на транспорте.

Ядерный промышленный комплекс
Достижение значительных объемов ядерного производства энергии при сохранении низкой стоимости топливной составляющей невозможно обеспечить без расширенного воспроизводства топлива. Стратегия замкнутого цикла снижает потребности в добыче исходного топлива и делает экономичным вовлечение в ядерную энергетику запасов более дорогого естественного сырья.
Для выполнения этих функций должен функционировать ядерный комплекс, включающий все необходимые звенья. Реализация широкомасштабной ядерной энергетики требует существенного развития таких звеньев как реакторы для расширенного воспроизводства ядерного топлива, радиохимическое производство переработки отработавшего топлива, производство топлива из регенерированных ядерных материалов и захоронение отходов.

Реакторы
Разнообразие признаков и условий существования крупномасштабной атомной энергетики определяет многокомпонентную структуру ядерных реакторов. В крупномасштабной ядерной энергетике будут присутствовать реакторы различного типа. Многокомпонентная структура позволяет различным типам реакторов наилучшим образом удовлетворить необходимым требованиям: по сферам применения (электричество, тепло, опреснение воды, транспорт, воспроизводство топлива, наработка полезных и трансмутация опасных изотопов); по уровню мощности (большие, средние и малые автономные энергоисточники); по спектру нейтронов (быстрые реакторы; тепловые реакторы).

Реакторы разных типов будут решать следующие задачи:
- производство тепловой и электрической энергии;
- расширенное воспроизводство ядерного топлива и обеспечение необходимого баланса нейтронов;
- выжигание долгоживущих радиоактивных отходов.
Наиболее важными проектами реакторов нового поколения являются:
- эффективный реактор - размножитель;
- ядерные энергетические установки малой энергетики для удаленных районов, в том числе, транспортабельные установки;
- реакторы для теплоснабжения, технологий, опреснительных систем;
- реакторы, работающие в базовом и маневренном режимах.
Производство энергии. Тенденцией развития энергетических реакторов будет продолжение линии на их использование для производства электричества. Будет продолжено строительство реакторов большой и средней мощности, хорошо зарекомендовавших себя на предыдущих этапах. Наряду с этим будут реализовываться линии в направлении дальнейшего увеличения мощности и в направлении реакторов малой мощности. Масштабы российских энергосистем европейской части и требование конкурентоспособности с ТЭЦ на органическом топливе обосновывают тенденцию увеличения единичной мощности блока, а нацеленность на мировой рынок делает необходимым иметь для российского и зарубежного применения российский проект энергоблока, не уступающий западным проектам по мощности и другим показателям.
Для производства электричества будет использовано сочетание тепловых реакторов типа ВВЭР третьего поколения и реакторов-размножителей в характерном для них диапазоне больших мощностей. Требование снижения воздействия на окружающую среду приводит к необходимости повышения эффективности генерации электрической энергии. Удовлетворению этого требования будет способствовать разработка высокотемпературных гелиевых реакторов.
Объективно начавшийся процесс расширения сферы использования ядерной энергии (когенерация тепла и электричества, источники бытового тепла, промышленное теплоснабжение) позволяет прогнозировать развитие этого процесса в новом веке. Внедрение атомной энергии в промышленное теплоснабжение и, особенно, в энергоснабжение технологических процессов стимулирует разработки проектов высокотемпературных гелиевых реакторов.
Целесообразно довести до реализации и освоить станции теплоснабжения высокой безопасности (АСТ) как альтернативу в оптимальном решении задачи обеспечения теплом крупных регионов.
Наличие труднодоступных регионов с низкой плотностью населения делает оправданным использование автономных ядерных источников малой мощности для тепло- и электроснабжения. В наибольшей степени требованиям автономных энергоисточников удовлетворяют АТЭЦ с реакторами на естественной циркуляции с максимальным использованием пассивных средств защиты и расхолаживания. На основе необслуживаемых морских установок предлагается разработать полностью автономные теплоэлектроцентрали и опреснительные центры малой мощности повышенной безопасности. Технической базой проектов таких реакторов является судовая атомная энергетика.
Судовая атомная энергетика продемонстрировала свои возможности в экономике России. Будет продолжаться развитие судового атомного реакторного строения для транспортных целей, а также для создания плавучих атомных станций. Плавучие атомные станции могут быть использованы для производства энергии и опресненной воды. В более далекой перспективе представляет интерес использование технологий атомного подводного флота для освоения морской добычи и транспорта нефти и газа. Такие системы могут иметь значение в отдаленном будущем и для морской добычи урана.
Дальнейшее освоение космоса с созданием больших долговременных орбитальных станций, космических технологических комплексов, больших информационных и навигационных систем, реализация экспедиций к планетам Солнечной системы неминуемо потребуют использования ядерных источников, вырабатывающих электроэнергию или тягу, или и то и другое. Нельзя исключить, в далекой перспективе, возможность размещения мощных ядерных источников в космосе для энергоснабжения Земли.
Расширенное воспроизводство. Функция расширенного воспроизводства топлива на основе плутония и урана-233 возьмут на себя реакторы размножители. Преимущественно - это реакторы на быстрых нейтронах. Для воспроизводства урана-233 рассматриваются также реакторы на тепловых нейтронах. Одно из предложений это модификация реактора ВВЭР для работы с торий–урановым циклом. Количественное соотношение реакторов-размножителей и реакторов, потребляющих топливо, определится нейтронным и нуклидным балансом всей структуры атомной энергетики. Поиск оптимальных решений и разработка реакторов размножителей является существенным компонентом работ по реакторам нового поколения.
Исследования и разработки предыдущего этапа убеждают в возможности решения этой задачи в первой половине 21-го века, не уходя далеко от уже освоенных технологий. В качестве эффективных реакторов размножителей наряду с совершенствованием быстрых натриевых реакторов рассматриваются быстрые реакторы с тяжелым металлическим теплоносителем с использованием опыта разработки судовых реакторов и быстрые реакторы, охлаждаемых гелием, с использованием опыта разработки тепловых высокотемпературных гелиевых реакторов.
Реакторы - размножители, имеющие большую мощность блока, будут использоваться для выработки базовой электрической нагрузки. Неизбежна их тесная связь с технологическим комплексом переработки топлива. Эти соображения, а также требования нераспространения привязывают их к ограниченному числу высокотехнологических стран с крупными электросетями.
Долгоживущие актиниды. Используя различие нейтронных свойств тепловых и быстрых реакторов, можно оптимизировать многокомпонентную структуру ядерной энергетики, снижая суммарное в структуре количество долгоживущих трансурановых элементов. Положительный нейтронный баланс системы реакторов ядерной энергетики может обеспечить не только расширенное воспроизводство ядерного топлива, но и выжигание наиболее опасных радиоактивных отходов. (Таблица 2). Для этих целей может быть разработан специальный тепловой реактор-выжигатель, работающий самостоятельно или в подкритическом режиме в комбинации с внешним источником нейтронов. Перспективными вариантами для этой цели являются реактор на расплавах солей, высокотемпературный гелиевый реактор и мишень со свинцом или сплавом свинец-висмут.
Предвидится расширение использования реакторов для наработки радиоактивных изотопов медицинского, технического и энергетического применения.

Топливный цикл
Замкнутый топливный цикл, включающий переработку отработанного ядерного топлива, извлечение и повторное использование ядерных материалов, является необходимым условием крупномасштабной ядерной энергетики 21-го века.
Нерешенные проблемы обращения с РАО и ОЯТ вызывают в обществе сомнения в перспективе развития ядерной энергетики. Наряду с разработкой традиционных технологий изоляции и захоронения РАО для трансурановых нуклидов следует искать способы вовлечения части из них в топливный цикл. По мере развития и внедрения радиохимической переработки топлива будет увеличиваться возможность извлечения все большего количества и номенклатуры полезных радиоактивных изотопов.
Вопрос об обращении с облученным ядерным топливом реакторов будет решаться на основе сопоставления затрат на переработку, обращение с отходами и выгоды от использования выделенных при переработке ядерных материалов с затратами на захоронение облученного ядерного топлива. По этой причине в настоящее время в ряде стран реализуется решение об отложенном контролируемом хранении отработанного ядерного топлива.
При развитии ядерной энергетики и, в том числе, при расширении числа стран, использующих ядерные реакторы, возникает вопрос об организации в этих странах работ по обращению с облученным ядерным топливом и радиоактивными отходами. Две особенности ядерного цикла: радиационная опасность технологий топливного цикла и риск распространения, будут ограничивать распространение технологий топливного цикла. Экономическая эффективность переработки облученного ядерного топлива проявится только при достаточно больших масштабах производства, что потребует консолидации стран, развивающих эту технологию.
Природные ресурсы тория, превышающие ресурсы урана, и его невысокая стоимость создают дополнительные возможности неограниченного по ресурсным соображениям развития атомной энергетики. Вовлечение тория в топливный цикл не только расширит топливную базу, но и облегчит решение проблемы захоронения радиоактивных отходов. В последнее время наряду с указанными преимуществами тория изучается возможность его использования в действующих или разрабатываемых реакторах с целью улучшения решения проблемы нераспространения. Сочетание уран-плутониевого и уран-ториевого топливных циклов является наиболее вероятным сценарием ядерной энергетики будущего.

Стратегия развития ядерной энергетики России

Правительство России рассмотрело и одобрило “Стратегию развития атомной энергетики России в первой половине ХХ1 века”. Разработка Стратегии нацелена на решение долговременных топливно–энергетических проблем России и исходит из представлений о наиболее вероятном развитии мировой энергетики. Основное содержание стратегии составляет создание необходимых предпосылок к развитию крупномасштабной атомной энергетики и реализации ее принципиальных особенностей. Будущее атомной энергетики России зависит от решения трех главных задач:
- поддержание безопасного и эффективного функционирования действующих АЭС и их топливной инфраструктуры;
- постепенного замещения действующих АЭС энергоблоками традиционных типов повышенной безопасности (энергоблоки третьего поколения) и осуществления в последующие 20-30 лет умеренного роста установленной мощности атомных энергоблоков и увеличения экспортного потенциала;
- разработка и овладение в промышленных масштабах ядерной технологией, отвечающей требованиям крупномасштабной энергетики по экономике, безопасности, нераспространению и топливному балансу.
Этапы стратегии предусматривают:
до 2010 года
- Рост установленной мощности атомной энергетики до 30ГВт(эл) и поддержание ее безопасного состояния
- Повышение КИУМ, продление срока эксплуатации, ввод в действие блоков высокой и средней готовности, сооружение блоков третьего поколения
- Реконструкция РТ-1, расширение хранилищ ОЯТ, комплекс утилизации и захоронения РАО
- Начало утилизации оружейного плутония
- НИР и ОКР по замкнутому топливному циклу
- Российские и международные проекты по реакторам четвертого поколения (ГТ-МГР, эффективный бридер, малые ЯЭУ)
- до 2030 года
- Рост установленной мощности до 60 ГВт(эл)
- Вывод из эксплуатации энергоблоков первого и второго поколений и замещение их установками третьего поколения
- Формирование технологической базы для перехода к крупномасштабной атомной энергетике
- до 2050 года
- Создание инфраструктуры крупномасштабной атомной энергетики

Заключение
Открытие ядерной энергии является одним из ярких примеров воздействия интеллекта на человеческое общество. Это открытие поставило человечество на грань катастрофы, оно же предоставило неограниченные возможности обеспечения энергией жизни на Земле.
Что же заставляет общество осторожничать?
Долгая человеческая память хранит тень Хиросимы. Она заслоняет нам опасности мира, ограниченного по ресурсам и по адаптации к отходам нашей деятельности. Люди еще не прочувствовали эти опасности и безоглядно сжигают уголь, нефть и газ, оставляя потомкам жизнь в парнике, наполненном выхлопными газами.
Одним из ключей их преодоления является ядерная энергия. Международное сотрудничество поможет обеспечить эффективное и безопасное использование ядерной энергии.

Таблица 1.
Оценка риска распространения для различных исходных ядерных материалов (относительные значения)

см. файл

Параметры сценария создания арсенала:

- 'T'- длительность периода создания арсенала ;
- ‘F’- стоимость создания арсенала, включая стоимость исходного материала;
- 'S' - скрытность создания арсенала увеличение скрытности ведет к увеличению риска;
- ‘D’-технологическая безопасность;
- ‘A’-доступность исходного материала;

Символы:

- ‘o’ - математическое ожидание;
- ‘н’ и ‘в’ - нижняя и верхняя границы интервала.

Исходный материал:

- LEU-низкообогащенный уран;
- HEU-высокообогащенный уран;
- RPu-реакторный плутоний;
- WPu-оружейный плутоний.




Таблица 2.

Трансурановые нуклиды в равновесном замкнутом топливном цикле
системы ядерной энергетики, т/ГВт(э)

см. файл

Обозначения:
ТР - тепловой реактор
БР - быстрый реактор
ЖСР- жидкосолевой реактор


Таблица 3.
Сравнение использования плутония
в энергетических реакторах разного типа

см. файл


*
© 1997-2018. Журнал «Инновации» при содействии СПбГЭТУ «ЛЭТИ»