Николай Николаевич Пономарёв-Степной – советский и российский физик-ядерщик, академик РАН, академик АН СССР, доктор технических наук, профессор. Лауреат Ленинской премии и Государственной премии СССР. В настоящее время – научный консультант генерального директора концерна Росэнергоатом.
– Николай Николаевич, Концерн «Росэнергатом» отмечает свой четвертьвековой юбилей, атомная энергетика существует уже более шести десятилетий. А если заглянуть в будущее? Каким будет «мирный атом» через 25, 50, 100 лет? Какие реакторные технологии наиболее перспективны с точки зрения экономики и экологии?
– Во-первых, уверен в том, что к середине нынешнего века атомная энергетика получит практически неограниченный ресурс топлива. Известно, что реакторы могут производить не только энергию, но и новое ядерное топливо. Реакторы на быстрых нейтронах могут производить новое топливо в количестве большем, чем сожгли. Такие реакторы освоены в России. На Белоярской АЭС работают быстрые натриевые реакторы БН-600 и БН-800. Подчеркну, что это одна из немногих технологий, по которым Россия занимает лидирующее положение в мире. Уже в ближайшие десятилетия мы сможем серийно строить АЭС с такими быстрыми реакторами. В сочетании с действующими АЭС с реакторами ВВЭР и общим замкнутым ядерным топливным циклом мы создадим двухкомпонентную атомную энергетику, которая будет иметь практически неограниченные ресурсы ядерного топлива и обеспечит снижение объемов радиоактивных отходов. Становление двухкомпонентной ядерной энергетической системы с замыканием топливного цикла, по сути, нацелено на формирование нового технологического уклада атомной энергетики в условиях нарастающих глобальных ограничений природных ресурсов.
Во-вторых, атомная энергетика будет производить не только электричество, но и водород. Водород востребован как экологически чистое топливо для транспорта, в промышленности и быту. Водород с высокой эффективностью может быть преобразован в электроэнергию. Водород используется также во многих промышленных технологиях для производства широкого ассортимента товаров. Основной козырь водорода – это неограниченные сырьевые ресурсы – вода, а на начальном этапе и углеводороды. Атомная энергетика способна, используя как сырье воду и углеводороды, экологически чисто производить водород и водородосодержащие продукты. Для крупномасштабного производства водорода будут использованы высокотемпературные гелиевые реакторы, ключевые технологии которых освоены в России.
Потребности и рынок водорода и продуктов на его основе в дальнесрочном плане сравнимы в энергетическом эквиваленте с электроэнергией. Построив атомно-водородную энергетику, мы перейдем в эру практически неограниченных энергетических ресурсов и создадим экологически безопасную безуглеродную энергетику.
– Атомная энергетика – отрасль консервативная. Наверное, то, о чем вы говорите, кому-то может показаться фантастикой…
– Это не фантастика, а реальные стратегические инициативы Концерна «Росэнергоатом». Фактически атомная энергетика в предлагаемой конфигурации становится возобновляемым источником энергии. Но можно и о фантазиях. «Их есть у меня». Давнишняя мечта – полететь на Марс. В России полвека назад разработаны и опробованы уникальные ядерные технологии – термоэмиссионные реакторы и ядерные двигатели, которые необходимы для этой миссии. Но решение о полете приходится откладывать по разным причинам: то неудачное противостояние планет, то вопрос о фантазиях, да и затраты такие, что под силу только вскладчину всему миру. Помните Булата Окуджаву: «Надо б лампочку повесить, денег все не соберем».
– Вернемся к двухкомпонентной системе. Существует мнение, что реакторы на быстрых нейтронах должны конкурировать с тепловыми реакторами по своей экономике и постепенно вытеснять их из обращения. Есть ли истина в таких рассуждениях?
– Это заблуждение. В реакторы ВВЭР и их зарубежные аналоги вложены колоссальные средства. На технологии реакторов такого типа базируется мировая атомная энергетика. Это система, которая может и будет работать еще сотню лет. Поэтому нацеленность на то, чтобы «убить» ВВЭР, сама по себе абсурдна. Но совершенствовать их надо. На международном рынке им становится трудно конкурировать с новыми агрессивными игроками. Необходимо разрабатывать новые энергетически и экономически продвинутые проекты.
Но у реакторов ВВЭР, как у более ранних продуктов атомной отрасли, есть недостатки, и недостатки системные. ВВЭР «съедают» дефицитный уран-235. Да и постоянное накопление отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) тоже влияет на экономику. Но в то же время эти реакторы производят новый продукт – плутоний, который содержится в ОЯТ. Поэтому, конечно, надо найти способ, как этой системе помочь. Для этого, во-первых, следует перерабатывать ОЯТ и использовать накопленный в нем плутоний, а во-вторых, избавиться, по крайней мере, от наиболее опасных, долгоживущих радиоактивных отходов.
Концепцию решения этой проблемы доложил еще в 1968 году на Всемирном энергетическом конгрессе в Москве академик Анатолий Петрович Александров, которого я считаю своим учителем. В докладе было обосновано предложение, что плутоний, который накапливается в ВВЭР, надо сжигать. Где сжигать? Не в ВВЭР, потому что это не очень выгодно. Плутоний надо сжигать в быстрых реакторах. Таким образом, быстрые реакторы (или в нашем случае – быстрые натриевые реакторы) «протягивают руку помощи» реакторам ВВЭР. Быстрые реакторы «съедают» ОЯТ, причем съедают очень эффективно, так что при этом еще воспроизводят новое топливо – больше, чем сожгли. Этого топлива тепловым и быстрым реакторам хватит для того, чтобы развивать атомную энергетику нужными темпами.
Таким образом, решается проблема ограниченности запасов природного урана. Мы воспроизводим топливо, и – в этом новое качество атомной энергетики! – она становится ресурсонезависимой.
Почему возникают сложности в обычной, традиционной углеродной энергетике? Топливо и его запасы! За них в современном мире идет борьба. Быстрые реакторы в структуре атомной энергетики восполняют ресурсы топлива, снижают объемы хранилищ ОЯТ и сжигают наиболее опасные минорные актиниды. Именно поэтому я категорически против того, чтобы БН рассматривались как конкуренты реакторов ВВЭР, на чем настаивают некоторые из моих коллег. И именно поэтому мы говорим о необходимости двухкомпонентной атомной энергетики, в которой функционируют и тепловые, и быстрые реакторы, связанные общим замкнутым топливным циклом. Такая атомная энергетика, масштабы которой не ограничены ресурсами природного топлива, необходима для удовлетворения энергетических потребностей развивающегося мира.
– Вопрос, относящийся уже непосредственно к сфере технологий: какие топливные композиции вам видятся наиболее перспективными?
– Для меня этот вопрос не предмет дискуссий – в обозримом будущем это топливо должно быть оксидным. В реакторах ВВЭР – это оксид урана, в реакторах БН –МОКС-топливо, то есть смесь оксида урана и оксида плутония, в перспективе реакторы ВВЭР также должны быть способны использовать МОКС-топливо с плутонием, наработанным в БН. Эта позиция не означает, что мы не должны вести поиск и исследования другого топлива с лучшими данными по надежности, безопасности и экономике.
– В западных странах необходимость развития атомной энергетики сегодня обосновывается даже не экономией ресурсов, а ее чистотой, «экологичностью» – отсутствием вредных выбросов в атмосферу. Учитывается ли этот фактор в стратегических планах развития отрасли?
– Да, атомная электроэнергетика в нашей стране способствует сокращению вредных выбросов в атмосферу предприятиями энергетического комплекса страны. Но этого мало. Существенное сокращение загрязнения окружающей среды мы получим, когда атомная энергетика включится в производство водорода. Сегодня основной продукт атомной энергетики – это электроэнергия. В мировом энергоресурсе «атомное» электричество занимает менее10 %, и надежды на то, что мы сможем существенно увеличить эту долю, не так велики. В то же время существует такой уникальный элемент, как водород, который может широко использоваться в качестве энергоносителя и химического реагента в различных промышленных технологиях. Освоив производство водорода, атомная энергетика может выйти с занимаемого в настоящее время «пятачка» на значительно большую долю в балансе энергоресурсов. Это повысит вклад атомной энергетики в сокращение вредных выбросов, а также расширит ассортимент продуктов атомной отрасли. Водород станет новым ключевым продуктом Росатома и Росэнергоатома.
У водорода есть еще один плюс. Если для транспортировки электроэнергии, которую мы получаем на АЭС, необходима развитая сеть, то для транспортировки водорода наряду с трубопроводами могут использоваться локальные средства доставки, что важно для удаленных регионов, в том числе для островных государств.
Как можно получить водород? По сути, есть два его сырьевых ресурса. Первый – это углеводородное сырье (нефть, природный газ и т.д.). Второй – вода. Ныне промышленное производство водорода использует в основном технологию паровой конверсии метана (ПКМ). Это химическое взаимодействие природного газа (CH4) и водяного пара (H2O), которое происходит при высокой температуре с подводом тепла. В результате этой реакции получается водород и окислы углерода. Каждая сырьевая компонента дает свою половину в объеме производимого водорода. В нынешних производствах ПКМ необходимое тепло получается за счет сжигания примерно такого же количестве природного газа, что и требуется для ПКМ. Таким образом, эффективность использования природного газа для получения водорода снижается приблизительно в два раза. При низкой стоимости природного газа эта потеря не так значима. Более существенный недостаток – это выброс продуктов сгорания в атмосферу. Обе проблемы решаются, если вместо сжигания природного газа использовать тепло от ядерного реактора. Я предвижу хитрый вопрос: «Но и в основной реакции ПКМ образуются окислы углерода. Что делать с ними?» Есть разница, эти окислы углерода образуются и циркулируют в замкнутом контуре, их можно выделить, захоронить или использовать.
Итак, для получения водорода в этом процессе необходим реактор, который способен дать высокотемпературное тепло.
Выше я говорил о мечте полета на Марс. Так вот, для этого полета нужно иметь разгонный ракетный двигатель с удельной тягой раза в два больше, чем в традиционном двигателе, а для этого необходимо нагреть рабочее тело – водород – до температуры около 3000 град. С. Сейчас трудно в это поверить, но еще в 60–70-е годы прошлого века в России разработали и испытали такие реакторы и такие двигатели. В этом направлении мы превзошли мировые результаты. Технологии таких реакторов легли в основу разработок высокотемпературных реакторов с гелиевым теплоносителем, которые были нацелены на внедрение в атомную энергетику и образовали атомную часть атомно-водородной энергетики.
Итак, технология экологически чистого производства водорода из природного газа в системе атомно-водородной энергетики основана на использовании безопасных модульных высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) и технологий переработки углеводородов и водяного пара в водород без выбросов в атмосферу углекислого газа. Для переработки природного газа с получением чистого водорода предлагается технология адиабатической конверсии метана с получением метано-водородной смеси с последующим мембранным выделением водорода.
ВТГР имеют ряд особенностей, которые стимулируют их применение в атомной энергетике:
- высокие температуры повышают эффективность генерации электричества (~50%) и открывают возможность использования ВТГР для технологических процессов;
- модульная конструкция реактора, пассивные системы расхолаживания, керамическая основа активной зоны, отрицательные обратные связи по температуре и мощности обеспечивают наивысший уровень безопасности и невозможность расплавления активной зоны при тяжелых авариях;
- использование топлива в виде микрочастиц с многослойными керамическими покрытиями обеспечивает сверхвысокое выгорание (~десятки процентов) и сжигание минорных актинидов;
- модульная компоновка эффективна для малых и средних АС с высоким уровнем внутренней безопасности и маневренностью, что важно при сооружении в труднодоступных районах, странах с энергетикой небольшого масштаба и при использовании реакторов для технологий.
В России разработаны проекты ВТГР для производства электроэнергии, энерготехнологического применения, атомных станций средней и малой мощности. Создана экспериментальная база, разработаны и экспериментально отработаны ключевые технологии реактора, керамического топлива, системы преобразования энергии, оборудования и конструкционных материалов. С участием Концерна «Росэнергоатом» разработаны проекты модульных реакторов, обладающих исключительными свойствами безопасности для энерготехнологического применения:
- МГР-Т – для производства водорода и электричества (тепловая мощность блока 600 МВт);
- МГР-МВС – для производства метано-водородной смеси (тепловая мощность блока 250 МВт).
Таким образом, технологическая база и уверенность, что это возможно, у нас есть.
– Николай Николаевич, насколько то, о чем вы говорите, важно для российской экономики в целом?
– Суть в том, что, если странах уходит от положения «сырьевого придатка», нам просто необходимо переходить на производство продуктов с более высокой добавленной стоимостью. Обе предлагаемые технологии опережающего развития – БН в двухкомпонентной атомной энергетике с замкнутым ядерным топливным циклом и производство водорода в структуре атомно-водородной энергетики с модульными ВТГР – нацелены на реализацию этой стратегической задачи.
– Над этими проблемами сегодня работают только атомщики?
– Двухкомпонентная атомная энергетика – это специфическая задача Росатома. По атомно-водородной энергетике, к сожалению, ни Газпром, ни предприятия нефтехимии, ни другие энергоемкие отрасли промышленности не берутся за решение проблемы внедрения атомных реакторов в энергоемкие технологические процессы. И нам – я имею в виду Росатом и Росэнергоатом – необходимо и по силам взять эту инициативу на себя, с задачей получать на атомных энерготехнологических станциях из воды и углеводородного сырья продукты с высокой добавочной стоимостью: водород и его переделы. Таким образом, наряду с двухкомпонентной системой в атомной энергетике мы получим еще и двухпродуктовую атомную энергетику, которая производит электроэнергию и водород.
– Имеются ли данные о степени востребованности водорода в настоящее время?
– В 2008 году в книге «Атомно-водородная энергетика» нами были собраны данные по потребностям в водороде, перспективе его производства и потребления в мире. Прошло почти десять лет, и эти данные, естественно, нуждаются в обновлении. Исключительные свойства водорода обеспечивают ему перспективу применения в самых различных областях энергетики, на транспорте и в промышленности. На сегодня потребление водорода в мире составляет около 50 млн т. Крупнейшие потребители (до 90% общего объема) – химическая и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности. В XXI веке ожидается резкий рост спроса на водород в связи с переходом базовых технологических отраслей на новые методы производства качественных продуктов и развитием экологически чистого транспорта. Наибольший вклад в перспективный рост мирового спроса на водород следует ожидать от автотранспорта и систем рассредоточенного энергоснабжения при использовании водородных топливных элементов. При масштабном освоении технологий производства, транспортировки и хранения водород может быть использован и для решения проблем большой энергетики. Среди них следует выделить аккумулирование энергии в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок, особенно для АЭС, энергоснабжение локальных потребителей и дальнее теплоснабжение.
– В какие примерно сроки реально осуществить программы, о которых идет речь: создать двухкомпонентную энергетику, выйти на замыкание топливного цикла? Что для этого нужно? Когда обретет жизнь ресурсонезависимая энергетика?
– В ближайшей перспективе желательно завершить все проектные работы по энергоблоку БН-1200 с МОКС-топливом, использующим плутоний из ОЯТ ВВЭР, с замыканием топливного цикла в составе двухкомпонентной атомной энергетики подойти к возможности строительства. Жизнь покажет оптимальное соотношение тепловых и быстрых реакторов в этой двухкомпонентной системе – сколько в ней должно быть реакторов ВВЭР и сколько БН. Но во всяком случае, к началу 2030-х желательно иметь элементы двухкомпонентной системы: БН-1200, замыкание топливного цикла, ВВЭР, который конкурентоспособен и готов к МОКС-топливу.
– Каковы, по вашей оценке, перспективы технологии свинцовых реакторов, разрабатываемой в настоящее время?
– Вопрос о выборе типа быстрого реактора для атомной энергетики обсуждается практически с самого начала разработки Атомного проекта. В конце сороковых годов прошлого века прошли развилку в пользу жидкого натрия. Другие жидкие металлы – ртуть, свинец, сплав свинец – висмут – в то время были отклонены как по ядерно-физическим соображениям, так и по их тепло-гидравлическим и физико-химическим свойствам. С тех пор технология быстрых реакторов с натриевым теплоносителем разрабатывалась как основная. Тем не менее наряду с натриевой технологией проводились исследования различных направлений быстрых реакторов, которые не потеряли актуальности и в настоящее время. Следует отметить концепцию быстрых реакторов, работающих в открытом цикле, идея которой была высказана С.А. Фейнбергом на II Женевской конференции; поисковые исследования и разработки проектов быстрых гелиевых реакторов, которые благодаря уникальным ядерно-физическим и физико-химическим свойствам гелия могут обеспечить наивысший коэффициент воспроизводства среди других вариантов быстрых реакторов; ведутся поисковые исследования быстрых реакторов и топливного цикла с использованием жидкосолевого расплава теплоносителя и топлива. Проектное направление «Прорыв» разрабатывает быстрый реактор со свинцовым теплоносителем БРЕСТ, который в сочетании с пристанционным топливным циклом в виде промышленного энергетического комплекса предлагается как основа будущей атомной энергетики.
В связи с такой постановкой задачи возникают системные вопросы, на которые хотелось бы получить ответ. Изначально проект быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем был нацелен на создание единого комплекса: энергоблок со свинцовым реактором совместно с пристанционным замкнутым топливным циклом, рассчитанным на переработку собственного ОЯТ. Такая конфигурация, на мой взгляд, оставляет вне внимания системные проблемы обращения с ОЯТ и топливообеспечения действующей ныне атомной энергетики на тепловых реакторах. Кроме того, существенно снижает возможность выбора площадок для сооружения этих комплексов в нашей стране и возможность предложений их на международном рынке. Так ли это? Хотелось бы услышать ответы на эти вопросы.
Если вопрос касается состояния научно-технических разработок, то здесь много проблем, над решением которых конструктора продолжают работать. Это и плотное, смешанное уран-плутониевое нитридное топливо, и технология свинцового теплоносителя, и бетонный корпус, и основное оборудование. По возможности я участвую в их обсуждении на научно-технических советах и на редакционной коллегии журнала «Атомная энергия». Но в этой публикации мне не хотелось бы заочно обсуждать научно-технические проблемы этих реакторов. Предстоит еще длительная и ресурсоемкая работа по решению этих научно-технических проблем.
– Быстрые натриевые реакторы в отношении зарубежных заказчиков таких вопросов не предполагают?
– Здесь тоже надо вести себя осторожно. Поэтому мы и говорим: БН будут находиться у нас, в России. Мы даем вам, наши иностранные заказчики, ВВЭРы с полным топливным обеспечением. Привозим вам топливо, вы его сжигаете, получаете ОЯТ, мы его забираем, привозим к себе, перерабатываем, сжигаем полученный плутоний в реакторе БН, получаем электроэнергию.
Это оптимальный вариант, и, в принципе, мы весь мир можем обеспечить топливом, развив у себя хорошую компоненту БН и замыкание топливного цикла. Если же какие-то страны скажут «нет, отдайте реактор БН нам», это вопрос, над которым надо думать уже не атомщикам, а политикам и дипломатам.
– Разработка, внедрение и использование передовых технологий всегда имеет и кадровую компоненту. Вы говорите: через десять лет должен быть пущен БН-1200, нужно делать водород. Насколько в этом плане Концерн готов к выполнению стоящих перед ним задач?
– В конце июня этого года я был на научно-практической конференции по быстрым натриевым реакторам в Екатеринбурге. После этого побывал на Белоярской АЭС, а также в Уральском федеральном университете, где действует кафедра по атомной энергетике, тесно связанная с Белоярской атомной станцией. От этого посещения у меня осталось исключительно благоприятное впечатление. Прежде всего – от сотрудников АЭС и их понимания технологических процессов. В общении сразу понимаешь, что на АЭС уже 40 лет работают с натриевой технологией, что это их повседневная жизнь, и что – это главное! – они заинтересованы в развитии этой технологии, видят в ней будущее, свое и своих детей. По сути, эти люди – готовые кадры и для БН-1200, и для других наших перспективных проектов, и им надо дать возможность двигаться дальше. Хорошее впечатление я получил и при посещении университета. Так что есть источник квалифицированных кадров для реализации новых направлений опережающего технологического развития.
И в заключение. На основе своего опыта и понимания проблем и перспектив атомной энергетики предлагаю пути опережающего технологического развития:
- двухкомпонентная атомная энергетика с замкнутым ядерным топливным циклом и реакторами ВВЭР и БН;
- атомно-водородная энергетика с реакторами ВТГР для производства нового продукта – водорода.
Задача на очередные 25 лет понятна. Теперь – за работу!
Алексей Комольцев для журнала РЭА
