Альтернатив замыканию топливного цикла пока нет – считает Владислав Игоревич Корогодин, директор по управлению жизненным циклом ядерно-топливного цикла и АЭС, Госкорпорация «Росатом». Задача, которая стоит перед энергетикой и перед человечеством в целом, – это обеспечить достаточный уровень электрогенерации для поддержания технологического прогресса, улучшения условий жизни людей как в развитых странах, так и на всех континентах. При этом энергетика должна обеспечивать человечество недорогой электроэнергией, не нанося ущерба экологии планеты и здоровью людей.
По структуре выработки электроэнергии в «Сценарии новой политики», который разработан в 2016 году Международным энергетическим агентством после решений Парижской климатической конференции, мы видим, что доля атомной энергетики, как одного из четырех видов экологически чистой энергетики (вместе с генерацией ГЭС, ветра и солнца), растет незначительно. Однако общий объем энерговыработки прогнозируется увеличить на 46 % уже к 2040 году. При этом можно увидеть, что, хотя углеродная энергетика занимает приблизительно те же объемы в генерации, ее доля с сегодняшних двух третей сокращается в будущем энергобалансе мира до половины.
Уже после 2040 года существуют четкие и понятные предпосылки, что именно за счет атомной энергетики можно увеличить выработку, изменив структуру мирового энергобаланса в сторону экологически чистых решений. Поскольку возможности применения солнечных, ветровых станций ограничены климатическими и погодными условиями, они не могут стать технологией базовой генерации, которая может и должна составлять не менее половины для надежной работы энергосистемы. Очевидно, что потенциал ГЭС тоже ограничен.
При этом к ядерной энергетике также предъявляются новые требования. Это безопасность и экологическая приемлемость, экономичность и ресурсоэффективность, обеспечение режима нераспространения ядерного оружия. Эти требования могут быть реализованы в двухкомпонентной ядерной энергосистеме – быстрые реакторы в сочетании с реакторами на тепловых нейтронах в замкнутом ядерном топливном цикле. Такая система в определенной мере уже сегодня существует в России. Установленная мощность энергоблоков с реакторами на тепловых нейтронах составляет 25,6 ГВт, блоков с реакторами на быстрых нейтронах – пока 1,5 ГВт, тем не менее у нас действуют оба источника генерации. Существуют и элементы замкнутого ядерного цикла – переработка ОЯТ, изготовление топлива с использованием продуктов переработки (регенерированных урана и плутония) как для реакторов на тепловых нейтронах, так и для быстрых реакторов.
Именно путь, связанный с реализацией двухкомпонентной энергетики, поможет решить проблему наследия, которая является одним из условий развития и в целом будущего ядерной энергетики.
Задачи перехода к замкнутому ядерному топливному циклу в логике требований к результату формулируются следующим образом. Первая задача – это фракционирование высокоактивных отходов в целях ухода от захоронения в глубокие геологические формации, для обеспечения безопасности и экологической приемлемости. Вторая задача – это отработка промышленных технологий безотходной переработки ОЯТ, повторное вовлечение урана, многократный рецикл плутония, который возможен именно в двухкомпонентной системе, когда за счет восстановления изотопного состава плутония, нарабатываемого в быстрых реакторах, можно обеспечить многократное рециклирование. И третья, крайне важная задача, – международное сотрудничество в соответствии с существующими ролями стран в двухкомпонентной системе для соблюдения режима нераспространения.
Обращение с ОЯТ в открытом и замкнутом цикле, в страновом разрезе, представлено на рис. Следует отметить, что страны, проповедующие концепцию переработки ОЯТ и рецикла, сегодня формируют основную повестку расширения ядерной энергетики в мире. Действительно, развитие технологий и желание общественности поддержать развитие ядерной энергетики связано с решением переработки ОЯТ. Не буду останавливаться подробно на технологических аспектах обращения с ОЯТ, наших достижениях и планах, а перейду к тому, что такое двухкомпонентная энергетика. Это синергетическое существование парка реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, которое позволяет в десятки раз повысить эффективность использования потенциала исходного природного урана за счет того, что в быстрых реакторах будет использован изотоп урана-238 практически в полном объеме. Понятно, что систем со 100 %-ным КПД не бывает, но такое использование природного урана в двухкомпонентной системе позволит увеличить эффективность использования природного урана в 100–150 раз. Этого вполне достаточно для обеспечения потребности человечества в электроэнергии в горизонте ближайшего тысячелетия. При этом замыкание ЯТЦ требует эффективных решений по совершенствованию технологий переработки ОЯТ, фракционирования, включения в топливо минорных актинидов и дожигания их (как возможный вариант) в реакторах на быстрых нейтронах.
Мир, дружба, энергия
Мирное сосуществование реакторов на тепловых и быстрых нейтронах позволит удешевить стоимость выработки атомной энергии, в частности, и для технологии ВВЭР, потому что переход на коэффициент воспроизводства 0,7–0,8 в результате использования более высокоэнергетического спектра нейтронов позволит, возможно, уйти от борного регулирования, и прийти к существенному удешевлению проекта, отказаться от циркония и исключить вероятность пароциркониевых реакций; перейти на иные оболочки твэлов.
Принципиальная схема двухкомпонентной атомной энергетики может быть изображена с достаточно сложными связями, но в реальности достаточно проста и интуитивно понятна. Это существующие технологии с конверсией, обогащением, фабрикацией топлива, генерацией энергии, переработкой ОЯТ и возвратом продуктов рецикла в реакторы на тепловых нейтронах, плюс фабрикация топлива для быстрых реакторов, переработка их ОЯТ, «выравнивание» изотопного состава плутония для его возможного рецикла. Напомню, при рецикле продуктов работы реакторов на тепловых нейтронах, если при свежем топливе содержится отработавшим порядка 1 % плутония, изотоп плутония-239 в массовой доле изотопов составляет порядка 55 % (до 60 %), однако первого рецикла изотопный состав существенно ухудшается, доля 239-го изотопа снижается до 35–40 %. Лишь добавление плутония быстрых реакторов позволяет восстановить изотопный состав и обеспечить многократные рециклы.
Фракционирование и дожигание минорных актинидов – это ключевой вопрос, который связан с экологической приемлемостью. Россия и Франция ведут переработку без фракционирования; регенерированные уран и плутоний уже сейчас рассматриваются и используются как полезные продукты. Остеклованные высокоактивные отходы включают минорные актиниды, цезий, стронций и ряд других элементов с достаточно длительным периодом спада активности. В случае переработки ОЯТ с фракционированием, мы можем уйти от концепции глубинного захоронения РАО (количество которых существенно снизится) к концепции выдержки и захоронения в приповерхностных могильниках, безопасность и надежность которых можно уверенно обосновать, опираясь на существующий уровень накопленных технологий строительства и оценку истории строительства человечества.
Дрова для будущей печки
Один из вопросов – перспективы использования РЕМИКС-топлива. Под термином «ремикс» понимаются разные вещи; в целом к этому топливу можно отнести все продукты, связанные с замыканием цикла. Топливо из регенерированного урана, плутония, МОКС – это все разновидности РЕМИКСа. Мы рассматриваем два основных направления. Первое – это гомогенный РЕМИКС, когда в топливной композиции (в пределах одной таблетки) присутствуют одновременно регенерированные уран и плутоний. Такое топливо более понятно с точки зрения обоснования его поведения в реакторе, физики активной зоны, но оно дороже в производстве: приходится совершать большее количество операций с плутонием, что требует соответствующих мер безопасности при работе с такого рода материалами.
Второй вариант – так называемый гетерогенный РЕМИКС, когда таблетки регенерированного урана и плутония размещаются в разных твэлах, хотя и могут объединяться в единую сборку. Такой РЕМИКС более сложен в обосновании, но экономичнее в производстве. Он позволяет использовать унифицированные технологические решения: одни и те же линии могут изготавливать МОКС-твэлы для РЕМИКС-топлива как для быстрых, так и для тепловых реакторов. Мы отрабатываем оба пути: в Госкорпорации «Росатом» фактически открыт проект, связанный с этими направлениями. Оценивается рыночная востребованность, потребности клиентов. Мы понимаем, что решение должно ориентироваться на реакторы проекта АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ, а развитый парк таких реакторов лишь создается сегодня, и у нас есть время пройти все стадии обоснования технологий производства РЕМИКС-топлива. С другой стороны, если смотреть на ситуацию сегодняшнего парка реакторов в России, эффективным будет решение направить плутоний в быстрые реакторы, а регенерированный уран – в реакторы на тепловых нейтронах. Тем более что регенерированный уран, полученный от переработки нашего ОЯТ, мы используем в реакторах РБМК. На следующем шаге, по мере выбывания РБМК, мы сможем регенерированный уран использовать в ВВЭР.
В целом если бы отработанное РЕМИКС-топливо в наших руках было уже сегодня, мы бы располагали хорошим товаром как для собственных нужд, так и для внешнего рынка.
Распространять благо
Мы находимся в подготовительной стадии работы, апробируем технологии двухкомпонентной энергетики, дорабатываем технологии замыкания топливного цикла, чтобы приблизить переход к двухкомпонентной энергетике. Этот этап в разных странах может быть реализован по-разному, многое зависит от эволюции подходов к обеспечению режима нераспространения. Понимание ситуации, которая в настоящее время сложилась в мире, определяет следующие роли стран в двухкомпонентной системе: страны, которые имеют реакторные технологии на быстрых нейтронах, могут оказывать услуги всем государствам, которые эксплуатируют парк реакторов на тепловых нейтронах, для решения их проблем (топливообеспечение, переработка ОЯТ). То есть двухкомпонентная система существует не в каждой стране в отдельности, а в мире в целом. Соответственно, страны, имеющие парк реакторов на тепловых нейтронах, формируют запрос и пользуются всеми возможностями, в том числе экономией природного урана при рецикле.
Как будет развиваться картина энергетики в следующем столетии, пока точного ответа нет, но очевидно, что двухкомпонентная атомная энергетика может стать основной базовой системой до конца столетия. Возможен полный переход на быстрые реакторы, или управляемого термоядерного синтеза, но уже и возможности двухкомпонентной системы позволят нам решить проблему обеспечения человечества электроэнергией в горизонте ближайшего тысячелетия, двигаясь эволюционным путем.
Алексей Комольцев для журнала РЭА (по материалам выступления)
