Российские атомщики взялись доказать, что вечный двигатель существует
Для начала коротко и по возможности доступно объяснимся в терминах-понятиях.
Двухкомпонентная - значит такая, где традиционные АЭС с реакторами на тепловых нейтронах не конкурируют с реакторными технологиями на быстрых нейтронах (инновационными и пока что единичными), а завязаны с ними в одну экономическую и, главное, производственно-технологическую цепочку.
А новая технологическая платформа ядерной энергетики предусматривает помимо такой синергии между разными типами атомной генерации еще и новые подходы в организации ядерного топливного цикла: уже сегодня-завтра - сбалансированного, а в перспективе - практически замкнутого. И, разумеется, новые виды топлива (МОКС, РЕМИКС, СНУП), новые способы производства и обращения с ним.
Первое представление о таком, в идеале - почти безотходном, круговороте делящихся материалов и технологических переделах дает публикуемая вместе с этой статьей инфографика. А поводом для выбора самой темы можно считать начавшееся в городе Северске Томской области строительство инновационного реактора, а точнее, опытно-демонстрационного энергоблока БРЕСТ-ОД-300 на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. На одной площадке с ним будут возведены и уже возводятся модуль переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) и здесь же - модуль по фабрикации/рефабрикации топлива для новых загрузок в реактор с использованием переработанного ОЯТ. То есть реализуется на практике, на одной пристанционной площадке мини-модель одной из возможных схем замыкания ядерного топливного цикла.
По горячим следам мы рассказали об этом в недавнем репортаже "Мировой "Прорыв" в Сибири" ("РГ" - 08.06.2021). Сегодня в понимании непростых технологических вопросов, организационных подходов и новых терминов нам помогут ведущие специалисты и руководители "Росатома", его топливной компании "ТВЭЛ", проектного направления "Прорыв" и их зарубежные коллеги.
- Я вижу три основных нововведения в реакторе БРЕСТ и проекте "Прорыв", - откликнулся на событие в Северске руководитель секции развития ядерно-энергетических технологий МАГАТЭ Стефано Монти. - Первое - применение свинца для охлаждения реактора на быстрых нейтронах. Годами многие страны искали оптимальные конструктивные решения для реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем. Теперь мы сможем увидеть действующий энергоблок…
Свинцовые теплоносители, полагает господин Монти, имеют ряд преимуществ. В отличие от натрия они не вступают в химическую реакцию с воздухом и водой, что безопаснее. Усовершенствованный реактор и весь энергоблок на его основе компактнее. Он становится экономически более конкурентным по сравнению с другими типами АЭС и другими источниками чистой энергии.
- Второй важнейший аспект - использование смешанного нитридного уран-плутониевого топлива. Нитриды обладают очень высокой плотностью, что является преимуществом при использовании топлива и обеспечивает высокую теплопроводимость, - акцентировал важные детали эксперт из Вены. - Третьим преимуществом, а возможно, и самым актуальным нововведением этого проекта является даже не сам реактор, а процесс замкнутого топливного цикла, в рамках которого он функционирует. Все объекты находятся на одной сравнительно небольшой площадке.
По словам Стефано Монти, это очень важное преимущество, так как исключается необходимость вывоза отработавшего топлива за пределы атомной станции. А еще очень важный довод в отношении приемлемости ядерной энергетики, особенно когда решается вопрос о размещении новых или расширении уже существующих АЭС.
Когда реактор функционирует в замкнутом топливном цикле, отработавшее топливо, ранее загруженное для генерации энергии, после выгрузки подвергается химической обработке и переработке, причем не один и не два, а множество раз. То есть в случае с реактором на быстрых нейтронах можно получать максимальное количество энергии из условной единицы топлива, многократно вовлекаемого в работу.
- Мы практически приравниваем атомную энергию к возобновляемой, что соответствует идеям и принципам устойчивого развития, - заключает представитель МАГАТЭ.
Такую оценку разделяет и Наталья Никипелова, президент российской топливной компании "ТВЭЛ".
- Технология рециклинга, то есть повторной переработки облученного топлива и других вторичных урановых продуктов, позволят создать энергетическую систему, которая практически полностью сама себя обеспечивает ресурсами, - подтверждает глава "ТВЭЛ". - А ядерная энергетика в определенном смысле становится возобновляемой. Уже использованное в реакторе топливо после некоторой выдержки и специальной переработки будет использовано для производства нового и новой загрузки в реактор…
Такая система-круговорот потребует лишь минимальной дополнительной подпитки ресурсами, уточняет Наталья Никипелова. В качестве добавки при производстве новых партий топлива будут использовать обедненный уран - побочный продукт основного уранового производства.
"Благодаря переработке ядерного топлива бесконечное количество раз ресурсная база атомной энергетики станет практически неисчерпаемой, - это уже заявление главы "Росатома" Алексея Лихачева. - А для будущих поколений снимается проблема накопления ОЯТ".
К этому историческому повороту, по словам главы "Росатома", наука и практика двигались 60 лет. Ведь идеи о замыкании ядерного топливного цикла были высказаны советским физиком Александром Лейпунским и поддержаны академиком Курчатовым вскоре после ввода в строй первой атомной электростанции в Обнинске. Исследования и дискуссии перешли в плоскость ОКР, технических проектов и реального строительства с принятием в России ФЦП "Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года". Теперь ее эстафету приняла Комплексная программа "Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года".
Нынешний президент НИЦ "Курчатовский институт" Михаил Ковальчук не без оснований сравнил переживаемый момент с началом в России Атомного проекта 2.0 - ориентированного уже исключительно на развитие мирной атомной энергетики и на цели устойчивого развития. Он действительно знаменует начало нового этапа в развитии мировой атомной энергетики и закрепляет за Россией глобальное технологическое лидерство в этой сфере.
- Мы гордимся тем вкладом, который топливный дивизион "Росатома" вносит в реализацию проекта, - говорит Наталья Никипелова. - Ведь создается не только новое поколение реакторов, но и новое поколение технологий ядерного топливного цикла. А это включает разработку топлива, которое обеспечит эффективную работу быстрого реактора со свинцовым теплоносителем и будет полностью состоять из рециклированных ядерных материалов, таких как плутоний и обедненный уран. И, конечно, создание эффективных, безопасных, экономически приемлемых технологий переработки облученного топлива, обращения с отходами, создание для этих целей уникальных производств.
В рамках общего проекта в "ТВЭЛ" разрабатывают принципиально новый вид ядерного топлива - уже упомянутое смешанное нитридное уран-плутониевое (СНУП-топливо) для энергоблока с "быстрым" реактором БРЕСТ. Сейчас его экспериментальная партия проходит испытания в действующем "быстром" энергетическом реакторе БН-600 на Белоярской АЭС. Параллельно продолжается работа по созданию второго поколения твэлов с более высоким уровнем выгорания, которые должны использоваться, когда производство СНУП-топлива перейдет на этап рефабрикации.
- Новый завод-модуль по переработке облученного топлива будет полностью автоматизированным, поскольку фабрикация СНУП-топлива предполагает обращение с плутонием, - поясняет Наталья Никипелова. - По срокам это условно третья очередь в проекте. Что касается модуля фабрикации и рефабрикации, другими словами - производства свежего топлива из переработанного, то на нем уже выполнен основной объем строительных работ, и в 2020 году мы приступили к монтажу уникального технологического оборудования.
А общие контрольные сроки, по словам научного руководителя проектного направления "Прорыв" Евгения Адамова, таковы: реактор БРЕСТ-ОД-300 надо ввести в 2026 году. Но еще ранее, уже к 2023 году, предстоит запустить и освоить модуль фабрикации и рефабрикации. Еще через год планируется начать сооружение модуля переработки облученного топлива.
- Успешная реализация этого проекта позволит нашей стране стать первым в мире носителем атомной технологии, полностью отвечающей принципам устойчивого развития - в экологичности, доступности, эффективности использования ресурсов, - заключает глава "Росатома" Алексей Лихачев. - Мы вновь подтверждаем свою репутацию мирового лидера в области ядерных технологий, предлагая уникальные решения, направленные на улучшение жизни людей.
Цифра
96 процентов от массы отработавшего ядерного топлива составляют материалы, которые можно использовать повторно.
Владислав Корогодин, директор по управлению жизненным циклом ЯТЦ и АЭС госкорпорации "Росатом":
- Сбалансированный ЯТЦ - это включение АЭС с реакторами на тепловых нейтронах в двухкомпонентную систему с замкнутым ядерным топливным циклом. Наша цель - комплексное продуктовое предложение для мирового рынка. Оно адресовано клиентам, имеющим проблемы с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ), и содержит решение этих проблем: рецикл ядерных материалов и отсутствие радиоактивных отходов, требующих глубинного геологического захоронения. Развитие новой технологической платформы российской ядерной энергетики - реакторов на быстрых нейтронах (РБН) с замкнутым ЯТЦ - позволяет решить вопрос с утилизацией высокоактивных долгоживущих РАО путем их сжигания в "быстрых" реакторах. Остающиеся короткоживущие РАО достигают радиационной эквивалентности с природным ураном менее чем за 300 лет, а радиологической эквивалентности - всего за 100 лет. Одновременно с этим регенерированный уран возвращается клиентам в виде нового топлива, снижая потребление природного урана. Выделенный плутоний в двухкомпонентной системе может многократно рециклироваться, кратно снижая расход природного урана. Наша новая технологическая платформа с РБН и технологиями замкнутого ЯТЦ позволяет включить зарубежные легководные реакторы в глобальную двухкомпонентную ядерную энергосистему без ограничений по сырьевой базе, без накопления ОЯТ и долгоживущих РАО.
Мировой "прорыв" в России: мнения и отклики
Алессандро АЛЕМБЕРТИ, ученый-ядерщик, эксперт в области быстрых реакторов, Италия:
- Хочу поздравить российских коллег с этим важнейшим событием - началом сооружения первого в мире реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и первого энергоблока четвертого поколения, который будет построен в России.
Проект "Прорыв", частью которого является реактор БРЕСТ, - это воплощение в жизнь технологии замыкания ядерного топливного цикла, которая была мечтой наших предшественников. Он действительно может подтолкнуть нас к началу новой эры в области ядерных технологий. И мы открыты к этому яркому будущему, в котором ядерная энергия будет мирно использоваться на всей планете.
Уильям МЭГВУД, генеральный директор Агентства по ядерной энергии при Организации экономического сотрудничества и развития, Австрия:
- Сложно сказать, каким будет будущее для энергетики, окружающей среды или атомных технологий. Но мы точно знаем, что если мы хотим добиться процветания атомной отрасли, то нам нужно внедрять инновации, и этот проект - инновации в деле. Поэтому я поздравляю всех, кто принимал в этом участие, поздравляю строителей, поздравляю моих друзей в России, которые воплотили эту мечту в жизнь. И я вам немного завидую. Вы задали очень высокую планку для своих коллег со всего мира, которые тоже работают над инновациями в сфере новых технологий. Мы надеемся, что последуем за вами, а пока будем следить за тем, как новые технологии разрабатываются в интересах всего человечества.
Тору ОБАРА, профессор Токийского института, Япония:
- В настоящее время мы сталкиваемся с серьезной проблемой изменения климата. Снижение выбросов парниковых газов является необходимым для решения этой проблемы. Эффективное использование ядерной энергии - один из способов достичь этой цели. Реакторы на быстрых нейтронах способны не только замыкать топливный цикл, но и использовать более эффективно ресурсы природного урана. Кроме того, они могут сократить количество радиоактивных отходов. А использование свинца в качестве теплоносителя позволяет упростить реакторную технологию и улучшить показатели безопасности. Я с огромным интересом наблюдаю за развитием этого проекта, в том числе и за процессом замыкания топливного цикла.
Профессор Шон ГИ РИ, конгрессмен, экс-глава Министерства образования, науки и техники Республики Корея:
- Я думаю, что "Прорыв" - это один из самых многообещающих и лучших проектов в области атомной энергетики, которые реализуются сегодня в мире. Этот проект, безусловно, положит начало новой эре в истории человечества в целом и ядерной энергетики в частности. Самым важным фактором в деле мирного использования атома является безопасность. Второй фактор - это конкурентоспособность. А третий - поставки сырья и программа по ядерным отходам. И этот проект сможет ответить на все такие вызовы.
Ицань У, академик Китайской академии наук, директор Института ядерных энергетических технологий (КНР):
- Начало строительства БРЕСТа - очень обнадеживающая новость для всех мировых исследователей, которые занимаются разработкой реакторов со свинцовым теплоносителем и других инновационных ядерно-энергетических систем. А проект "Прорыв" поможет исследовать важный путь к устойчивому развитию энергетики. Ведь при замыкании ядерного топливного цикла большая часть урана, содержащегося в топливе, может быть в достаточной степени использована повторно. Таким образом, объем, токсичность и продолжительность жизни долгоживущих радиоактивных отходов будут значительно сокращены, а потребность в новых ресурсах урана может быть значительно снижена.
Китай также занимается разработкой реакторов со свинцовым теплоносителем и инновационными направлениями ядерной энергетики. Ведущая китайская исследовательская группа FDS, которую я представляю, на протяжении десятилетий проводит соответствующие исследования. Мы надеемся, что благодаря совместным усилиям глобальных игроков ядерно-энергетического сообщества атомная энергия сможет стать устойчивой базой для долгосрочного развития и принесет пользу будущим поколениям. Все люди смогут жить в экологичном мире с низким уровнем выбросов углерода.