Деловую программу конгресса «Атомэкспо-2017» открыл «круглый стол» «Инновационные технологические решения на жизненном цикле атомной энергетики как условие устойчивого развития»
Актуальность темы, как отметил директор по управлению жизненным циклом ЯТЦ и АЭС Госкорпорации «Росатом» Владислав Корогодин, обусловлена двумя важнейшими причинами. Первая – это востребованность «зеленой» энергетики. Задача ограничить воздействие энергетического производства на окружающую среду поставлена в качестве ключевой в «климатическом» докладе ООН 2014 года и подтверждена на декабрьской конференции 2015 года по климату в Париже. Энергетические стратегии следующего десятилетия в развитых странах формируются с расчетом на безуглеродную энергетику и «зеленые» технологии. Ядерная энергетика не только соответствует требуемым критериям, но является референтной промышленной технологией, имеющей возможность стать к концу столетия крупнейшим мировым источником «зеленого» энергопроизводства.
Вторая причина, почему тема инновационного развития атомной энергетики не теряет актуальности, – это потребность в новых свойствах ядерной энергетической системы. В рамках «круглого стола» на «Атомэкспо-2016», посвященного проблеме топливообеспечения как комплексного решения для конкурентоспособности и экологической приемлемости атомной энергетики в настоящем и будущем, стартовала дискуссия о двухкомпонентной атомной энергетике с замкнутым топливным циклом. Эта дискуссия вызвала большой интерес участников, и было принято решение продолжить тему.
Начав с анализа эволюции энергопотребления и энергосистем в мире и встраивания в эти процессы ядерной энергетики, участники «круглого стола» рассмотрели решения двухкомпонентной системы как основного вопроса ядерной энергетики, определяющего ее долгосрочную конкурентоспособность и общественную приемлемость: безопасность, экологичность, экономичность, ресурсную эффективность и обеспечение режима нераспространения ядерного оружия. Была рассмотрена аналитика мировых экспертов, консалтинговых компаний и агентств по атомной энергии, тренды и перспективы с позиции разработчиков, производителей продуктов и услуг жизненного цикла атомных станций и ядерного топлива.
Вписать АЭС в ландшафт
Выступление Анатолия Порядина, руководителя практики стратегии и трансформации компании «Эрнст энд Янг», было посвящено фундаментальным факторам трансформации энергосистем и вопросу, как должна измениться атомная энергетика, чтобы сохранить себя в меняющемся мире. Мировая энергетика в настоящее время находится на переломном историческом этапе, отметил докладчик. Портфель источников генерации стабильно эволюционирует в развитых и развивающихся странах, изменения происходят за счет снижения доли угля; идет значительный всплеск использования газа, особенно в таких странах с активным промышленным развитием, как Китай и Индия.
Что должна сделать атомная энергетика, чтобы «вписаться» в энергетический портфель будущего? Атомная энергетика является отраслью, в которой себестоимость производства электроэнергии растет по требованиям безопасности, также на росте стоимости сказывается необходимость вывода из эксплуатации примерно 20 % всех реакторов в период 2030–2040 годов. В то же время себестоимость производства возобновляемой электроэнергии в «офшорной» ветроэнергетике снижается. С альтернативной энергетикой тоже не все просто; с технологической точки зрения рынок быстро насыщается. «Эрнст энд Янг» формирует рейтинг стран возобновляемой энергетики, и мы видим, что он уже стабилизировался. Поскольку происходит значительное перенасыщение рынка, пересубсидирование различными странами проектов ветроэнергетики, каждый новый проект становится менее инвестиционно привлекательным, чем предыдущие. Но это составляющие сегодняшнего дня; в будущем же мы увидим три значительные тенденции, которые изменят ландшафт энергетики будущего и требования к производителям энергии.
Прежде всего, следует ожидать развития технологий, связанных с накоплением энергии и на стороне потребителя, и – более крупномасштабного – на стороне оператора. Это цифровые технологии, которые поменяют, в каком-то смысле усложнят, но и упростят, сбалансируют энергосистему.
Второй силой является регуляторная составляющая. Регулирование во многих странах поддерживает либерализацию и децентрализацию энергетической системы.
Третья сила – потребители, которые сами становятся производителями энергии. Если раньше энергосистемы передавали энергию в одну сторону, то сейчас ее можно передавать, сбрасывать в обе стороны. Это означает, что спрос на электричество будет расти больше, чем на энергию вообще, и это, по мнению докладчика, приведет к значительным изменениям во всей цепочке участников энергосистемы. Произойдет сдвиг добавленной стоимости энергетических решений, появление новых игроков. Примером может быть Google, который давно уже занимается развитием энергетических решений.
Рост спроса на электричество будет определяться двумя факторами. Первый, со значительной степенью неопределенности, – это темп развития электромобилей. Для развивающихся рынков будет характерен рост электрификации транспорта, дальнейшее развитие использования электричества для обогрева и кондиционирования.
Во многом изменится вся энергосистема. В отличие от системы, нацеленной на индустриальное развитие, она будет меняться с точки зрения направленности на «умное» развитие, основанное на сервисной экономике потребления. Соответственно, энергосистема сильно усложнится и окажется пронизана цифровыми технологиями. Представители атомной технологии должны понять, что нужно сделать атомной энергетике, чтобы встроиться в меняющийся глобальный порядок. Не все страны будут трансформироваться одинаково, не везде похоже сформируются факторы перехода на глобальную энергетику.
Возможно появление нескольких кластеров, где развитие событий будет идти по-разному. Уже сейчас есть страны, которые потребляют много электроэнергии, где работает сервисная экономика и рынок электроэнергетики сильно либерализован рыночными факторами. К примеру, США, особенно побережье Калифорнии, или Евросоюз – это уже зрелые сервисные экономики, в которых созданию распределенных энергосистем способствует и демографический фактор. Соответственно, в них будет преобладать децентрализация, возрастет роль возобновляемой энергии, и атомная энергетика, скорее всего, будет балансирующим элементом базовой нагрузки в крупных центрах энергопотребления.
Другим кластером будут развивающиеся страны, для которых вход в атомную энергетику – это большой порог себестоимости.
Третий кластер – это ряд стран, в которых атомная энергетика уже сейчас развита или которые встают на этап ее развития. С учетом трансформации глобальной энергетики в сторону сервисных отраслей и «зеленых» технологий традиционно приемлемая для таких стран атомная энергетика должна будет трансформироваться, чтобы удержать баланс между различными источниками электроэнергии. В этом кластере конкурентоспособность атомной технологии зависит от решения проблем с малыми реакторами, увеличением эффективности, выводом из эксплуатации. В этом случае атомная энергетика сможет лучше вписаться в новый децентрализованный ландшафт.
Какой будет атомная энергетика, сегодня в точности неизвестно, но очевидно одно: атомным игрокам нужно быть достаточно гибкими, чтобы суметь адаптироваться к меняющемуся миру. Не надо забывать о ключевом элементе создания стоимости – это чистая низкоуглеродная технология, которая может быть приемлема для тех стран, где необходима гибкость источников генерации и где складываются тенденции, позволяющие реализовать атомные технологии в реальности. Будущее видится в развитии малых реакторов, в развитии возобновляемой составляющей в топливе и формировании энергетических решений для развивающейся цифровой экономики. В технологической части необходимо учитывать возможные доходы от реализации проектов переработки отходов, вывода из эксплуатации. Компетенции необходимо развивать как гибкие не только с точки зрения атомной составляющей, но и обратить внимание на технологии децентрализованных энергосистем.
В заключение докладчик подчеркнул, что вопросы атомной энергетики нельзя решать в одиночку. По многим направлениям – малым реакторам, переработке отходов, увеличению эффективности – российской атомной отраслью сделаны значительные заделы. Но многое можно сделать быстрее и в большем масштабе. Чтобы сформировать технологические вопросы атомной отрасли, которые позволят вписаться в новый ландшафт, необходима дискуссия и совместные усилия для решения этих вопросов.
Докладчику был задан вопрос: как долго в странах, где атомная энергетика существует, будет по-прежнему отделен вопрос проблем бэк-энда и безопасного хранения отработавшего топлива от вопроса генерации? Автор доклада полагает, что эти два вопроса станут в перспективе неразделимы: решать вопросы переработки ядерных отходов потребуется прежде всего в странах, где атомная энергетика достаточно долго развивалась и уже накоплено немало активных отходов. Но поскольку государства, где атомная энергетика уже развита, как правило, выступают и продавцами атомной технологии для остального мира, тот фактор, насколько они смогут решить у себя вопросы наследия, станет дополнительным ценностным предложением чистой и низкоуглеродной энергетики, без «отягчающих обстоятельств». Никому не интересно иметь дело с атомными отходами. Странам, которые встают на путь развития атомной энергетики, необходима чистая безотходная энергия. То, насколько страны-продавцы сумеют решить вопрос, связанный с переработкой атомных отходов, сделает более конкурентным их предложение для других стран.
Замкнутый цикл, а не замкнутый круг
О безальтернативности замыкания топливного цикла для развития атомной энергетики рассказал Евгений Адамов, выступивший с сообщением «Замыкание ядерного топливного цикла на базе реакторов на быстрых нейтронах». Он отметил, что ключевой фактор развития энергетики в мире состоит в росте потребностей человечества в электроэнергии: чтобы добиться среднего по Европе уровня потребления для всех живущих на планете, даже при замедлении роста численности населения, надо примерно вдвое увеличить производство электроэнергии. До 1 млрд человек сегодня не имеют доступа к электричеству. Поскольку каждые 40–60 лет энергетика начинает новый старт (происходят как технологические изменения, так и выбытие выработавших ресурс мощностей), это позволяет анализировать, какие виды генерации целесообразны. Говоря о ядерной энергетике, следует понимать, что возможности соревноваться с другими источниками сегодня не столь хороши даже в России. В мире доля первичных энергоресурсов АЭС (уран-235) при сегодняшнем состоянии атомной энергетики по отношению к ископаемому органическому топливу составляет порядка 6 %, остальное – уголь, газ и нефть. Но при переходе к замыканию ядерного топливного цикла картина меняется радикально: при использовании изотопа урана-239, при замыкании топливного цикла, этот элемент имеет возможность стать основным энергетическим источником. Энергетика, которая существует в настоящее время, даже при переходе на уран-ториевый цикл (это потребует огромных затрат, сопоставимых с созданием уран-плутониевого цикла), не способна закрыть потребность в увеличении производства электроэнергии в перспективе. Но замыкание топливного цикла с использованием быстрых реакторов имеет столь значительный потенциал, что весь прирост электрогенерации в мире может принять атомная энергетика.
Пройдя в 1980-е годы пик производства электроэнергии на АЭС, до 18 %, мировая атомная энергетика затем начала терять свою долю. Падение в настоящее время стабилизируется, в этом основной вклад Китая, и меньше – всех остальных стран. Но в общем объеме генерирующих мощностей в 2016 году было введено меньше 10 ГВт атомной генерации, при этом 51 ГВт – ветровой и рекордные 71 ГВт – солнечной генерации. Это говорит о состоявшейся победе возобновляемых источников энергии. Но из понятия «возобновляемой» генерации несправедливо выбрасывается ядерная энергия, которая может считаться возобновляемой с большим правом, чем остальные: солнце и ветер используют необъятный потенциал, но не увеличивают его. Тогда как ядерная энергетика при замыкании топливного цикла способна увеличивать объем топлива в количествах больших, чем использовано для его производства. По справедливости говоря, перечисление возобновляемых источников необходимо начинать с ядерной энергетики.
Проблема традиционной ядерной энергетики: прежде всего, это страх перед крупными авариями. В ряде стран после аварии на Фукусиме пришли к выводу, что проблема не столько в культуре безопасности, сколько в технологических причинах. Все программы в нашей стране с 2000 года в той или иной степени говорят о переходе к использованию быстрых реакторов «естественной безопасности». Этот термин привнес американский физик Элвин Вайнберг; после аварии на АЭС «Три-Майл-Айленд» он предложил термин «внутриприсущая безопасность», inherent safety. Другой термин, охватывающий это понятие, «естественная безопасность», укоренился в программных российских документах. В 2010 году была принята специальная Федеральная целевая программа, в рамках которой развивается замыкание топливного цикла на реакторах естественной безопасности.
Цели, которые преследует российский проект замыкания топливного цикла, сформулированы с начала 1990-х годов, когда начали задумываться об исключении тяжелых аварий на детерминистическом, а не на вероятностном уровне. Вторая задача, которую решает проект замыкания топливного цикла, – это максимальное использование урановых ресурсов. Третья задача – избавиться от «отложенных» проблем хранения облученного ядерного топлива (корректнее звучит английский термин spent fuel, он не предполагает коннотацию, которая связывает облученное ядерное топливо с отходами). Около 90 % в «отработавшем» топливе – пригодный для энергетической генерации изотопный состав, который должен использоваться.
Следующая задача – прийти к радиационно эквивалентному захоронению радиоактивных отходов.
Наконец, следует внимательно рассмотреть требование экономической конкурентоспособности. Когда крупные мировые компании говорят о невозможности атомной энергетики конкурировать с новыми видами генерации, следует понимать, что они опираются на мировую статистику, которая, в свою очередь, имеет определение наибольшего вида лжи.
Проект замыкания топливного цикла интегрировал линию, которую разработчики реактора, ОКБМ им. И.И. Африкантова, ведут уже в течение многих лет, оставаясь единственными в мире создателями работающих энергетических реакторов на быстрых нейтронах. Введен в эксплуатацию и успешно работает БН-800. Следующий проект БН-1200 проходит экспертизу, можно надеяться, что в течение десятилетия, с 2020 до 2030 года, он будет реализован (в виде, соответствующем требованиям к быстрым реакторам).
Опасение «реактивностных» аварий – одна из причин, замедливших развитие традиционной атомной энергетики. Но с переходом на использование плотного топлива, оптимального для быстрых реакторов, мы исключаем вероятность «реактивностных» аварий. Смешанное уран-плутониевое нитридное топливо делает реактивностную аварию физически невозможной, детерминистически исключенной.
Одна из особенностей реакторной установки будущего – интегральная конструкция, когда теплоноситель первого контура не выходит за пределы корпуса реактора. Это решает проблему, которая проявилась в пяти авариях из шести крупнейших, – потерю охлаждения активной зоны.
В настоящее время состояние работ, которые связаны с замыканием топливного цикла и развитием быстрых реакторов в нашей стране, позволяет говорить о мировом лидерстве. Кроме пуска БН-800, важно отметить быстрое развитие работ по плотному топливу. Мы уже достигли 7,2 % выгорания топлива, причем исчерпание ресурса сборок, разгерметизация, не происходит. В наших планах с 2017 по 2018 год выпустить концептуальные проекты быстрых реакторов. Предварительные результаты экспертизы проекта БН-1200 показывают, что потребуется некоторое время на совершенствование, чтобы он соответствовал всем параметрам. И с 2020 по 2030 годы у нас открывается возможность для полномасштабного развития энергетики.
Принято приводить пример США, хотя сегодня это не образец для подражания в области ядерной энергетики. Компания – создатель большинства энергетических реакторов в мире, Westinghouse Electric Corporation, находится сегодня в сложном положении, но не следует преувеличивать проблему: сегодняшний президент США находился в подобном положении шесть раз. Westinghouse вновь получит импульс для развития, как только достроит новые блоки в США и на китайской АЭС «Саньмэнь». Выводы, к которым компания Westinghouse пришла еще в 2015 году: путь, которым следует проект «Прорыв», является столбовым для развития ядерной энергетики. Еще важнее свидетельство нового министра энергетики США Ричарда Перри: 30 лет отсутствия строительства АЭС в США привели к значительным проблемам, утрачен потенциал, который поддерживает и гражданскую энергетику, и безопасность страны. Нельзя повторять этот печальный опыт, завершил выступление Евгений Адамов.
Проверено – значит, верно!
С сообщением «Перспективы создания двухкомпонентной ядерной энергетической системы – взгляд российского заказчика» перед участниками «круглого стола» выступил первый заместитель генерального директора по эксплуатации АЭС АО «Концерн Росэнергоатом» Александр Шутиков. Он отметил, что Концерн по многим аспектам мероприятий Федеральной целевой программы замыкания топливного цикла имеет взаимопонимание с ответственными исполнителями программы, но необходимо обсудить программу с практической точки зрения, исходя из достижений сегодняшнего дня. Позиция Концерна опирается именно на реалии – задачу безопасно и надежно эксплуатировать атомные энергоблоки АЭС по отработанной технологии и при этом обеспечить экономическую эффективность эксплуатации в условиях конкуренции с другими источниками генерации.
На сегодняшний день, напомнил докладчик, энергоблоки с водоохлаждаемыми реакторами составляют более 95 % реакторного парка Концерна. Блоки, которые Россия поставляет за рубеж, также основываются на технологии ВВЭР. Системными проблемами технологии, о которой говорилось предыдущими докладчиками, является нарастающий объем отработанного ядерного топлива, проблема изоляции отходов, а также эффективность использования природного урана. Решение этих проблем мы видим одинаково – это создание двухкомпонентной ядерной энергосистемы с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах и с замкнутым ядерным топливным циклом.
Что из себя представляет атомная энергетика России? Сегодня Концерн эксплуатирует 35 энергоблоков, установленная мощность приближается к 28 ГВт, при этом 11 ГВт составляют канальные реакторы РБМК и 1,4 ГВт – быстрые реакторы, два реактора БН. Надо сказать, что эксплуатация идет надежно и безопасно, за последние годы на АЭС Российской Федерации уровень событий, который отражается и фиксируется регулятором, не превышал уровень 1 (единственное нарушение). За последние годы мы приняли в эксплуатацию новый энергоблок проекта АЭС-2006 с реактором ВВЭР-1200, принадлежащий к поколению «3+», с повышенным состоянием безопасности.
Почему нам необходима двухкомпонентная система? В предстоящие 15–20 лет будут практически выведены из эксплуатации реакторы РБМК, к 2034 году последний РБМК будет остановлен. Вместо реакторов РМБК вводятся новые энергоблоки ВВЭР-1200. На смену АЭС-2006 придет ВВЭР-ТОИ с проектным ресурсом, заложенным уже сейчас до 60 лет, а с применением новых конструкционных материалов для корпуса и внутрикорпусных устройств этот ресурс может быть увеличен и до 100 лет, с возможностью дальнейшего продления. Таким образом, с учетом продления действующих энергоблоков третьего поколения с возможностью работы до 2045–2065 годов, хотим мы или нет, в следующий век мы придем с легководными реакторами, основным парком эксплуатируемых реакторов в России. С другой стороны, как говорилось, развивая технологию быстрых реакторов и введя в эксплуатацию БН-800, созданы основы для дальнейшего развития технологии БН и отработки опытно-промышленной технологии замыкания ядерного топливного цикла. На сегодняшний день только технология быстрых реакторов с натриевым теплоносителем готова к промышленному освоению.
Следует отметить, что развитие технологии БН с двухкомпонентной ядерно-энергетической системой бессмысленно без переработки ОЯТ реакторов ВВЭР как источника плутония для быстрых реакторов. При этом быстрые реакторы создают топливную базу для реакторов ВВЭР, работающих на МОКС-топливе. Соотношение энергоблоков как 1:2, 1:3 или 1:5 определяется стратегией развития атомной энергетики и ее сырьевым обеспечением.
Докладчик не стал подробно останавливаться на преимуществах двухкомпонентной ядерной системы с замкнутым ядерным топливным циклом, однако добавил, что такая система откроет новые возможности для Госкорпорации «Росатом» на внешнем рынке за счет экспорта ВВЭР совместно с лизингом ядерного топлива, коммерческого и технического сотрудничества по технологии быстрых реакторов и дополнительного набора услуг по хранению и переработке ядерного топлива зарубежных АЭС с последующим использованием выделенных ядерных материалов в реакторах БН.
Несколько слов о роли разных компонент в энергетических системах. Быстрые реакторы в основном работают в базовом режиме, с возможностью вырабатывать электроэнергию при запасе маневрирования примерно в 25 %, а блоки с реакторами ВВЭР вырабатывают электроэнергию в режиме маневрирования, выполняя требования системного оператора. При этом следует помнить, что все энергоблоки включены в единую энергосистему, и большие единичные мощности отдельных блоков, 1200 МВт, заставляют эксплуатирующую организацию иметь блоки, которые будут работать в маневренных режимах и регулировать уровень генерации и частоту энергосистемы.
Предприятия ядерного топливного цикла обеспечивают переработку и выделение ядерных материалов, используя для этого отвальный и регенерированный уран, а также выделенный из ОЯТ плутоний.
Еще несколько слов о технологии. Эксплуатирующая организация имеет богатый опыт эксплуатации быстрых реакторов с натриевым теплоносителем, этот опыт накоплен еще с 1950-х годов. Последовательно увеличивая единичную мощность, осваивались новые установки. В настоящее время реактор БН-600 работает уже около 40 лет; пущенный в 2016 году БН-800 также имеет устойчивую эксплуатацию. Разработан технический проект, продолжаются НИОКР по реактору БН-1200. Полученные результаты позволяют говорить, о конкурентоспособности этого блока для будущего строительства. Если мы достигли на реакторе БН-600 за годы эксплуатации – через проведение мероприятий по улучшению топливных циклов – уже 87 % КИУМ и более, то на БН-800 проектный КИУМ составляет 85 %, и также есть возможность его увеличивать. При этом безопасность нового энергоблока с реактором БН-1200, обоснование безопасности, показывает, что исключаются аварии, которые требуют эвакуации населения.
Второй аспект, которым руководствуется эксплуатирующая организация, – это выбор топлива для реакторов БН. Выбор основан на том, что топливо должно иметь высокий показатель эксплуатационной надежности и перспективы повышения достигнутого показателя надежности, энерговыработки и выгорания. В настоящее время, и это уже факт, этим требованиям полностью отвечает либо урановое оксидное, либо МОКС-топливо. Работы по СНУП продолжаются, однако достигнутые характеристики пока несколько ниже, чем у МОКС-топлива. Надо отметить, что в двухкомпонентной ядерной системе именно МОКС-топливо может быть унифицировано для обеих частей двухкомпонентной ядерной энергетики – как для ВВЭР, так и для БН.
Несколько слов о переработке и организации ядерного топливного цикла. Необходимо учитывать, что атомные станции России, как уже говорилось, в основном размещены в Европейской части, и основная доля, более 40 % выработки электроэнергии на этих АЭС, приходится на Европейскую часть, где проживает более 70 % населения. Общественное мнение в местах расположения АЭС достаточно лояльно к атомной энергетике. Полагаю, что изменение отношений при установке в местах расположения АЭС пристанционных объектов по переработке топлива и фабрикации потребует определенных дополнительных работ с общественностью, чтобы технология стала приемлема для общественности.
Надо учитывать, что экономика крупномасштабного производства топливного цикла лучше, чем у производства с относительно небольшой производительностью. Уже есть стабильно работающие производства, такие как «Маяк», СХК и ГХК, где этот процесс можно организовать. Кроме того, централизованный ядерный топливный цикл позволит вовлечь и зарубежного потребителя, эксплуатирующие организации АЭС за рубежом, которые должны быть избавлены от проблем ядерного топлива, хранения и переработки ОЯТ на площадке АЭС. Этот принцип прежде всего касается зарубежных потребителей, имеющих относительно небольшое количество энергоблоков и не планирующих создавать полномасштабную ядерную промышленность.
На сегодняшний день сложилась уникальная ситуация, когда в России есть все необходимые технологии и достаточный опыт эксплуатации всех необходимых элементов для начала двухкомпонентной энергетической системы на основе реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. При этом есть опыт разработки и эксплуатации быстрых реакторов, усовершенствованных реакторов поколения ВВЭР, есть промышленная технология изготовления МОКС-топлива и промышленная технология хранения и переработки ОЯТ реакторов на тепловых и быстрых нейтронах.
Что касается развития основной технологии ВВЭР, в настоящий момент головной блок проекта ВВЭР-ТОИ строится на Курской АЭС, его цель – замещение РБМК. В ближайшие 20–25 лет этот проект будет основным для замещения выбывающих блоков. В дальнейшем наработки, которые существуют в настоящее время у Курчатовского института, в частности связанные с технологией ВВЭР со спектральным регулированием, использованием закритических параметров теплоносителя, также будут востребованы, но, вероятно, за пределами 2025 года.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
