Владимир УСАНОВ, один из ведущих специалистов Росатома в области системного анализа развития ядерной энергетики, эксперт МАГАТЭ и руководитель российской части проектов Generation-4 («Поколение-4») и ИНПРО, рассказал о текущем статусе реализации этих международных инициатив, сегодняшней и возможной перспективной роли нашей страны в устойчивом развитии ядерной энергетики
По словам докладчика, символично, что в самом начале третьего тысячелетия практически одновременно были организованы два крупных международных проекта в области атомной энергетики. Первый – международный проект по инновационным ядерным реакторам и топливным циклам (ИНПРО) – был инициирован Россией. Второй – международный форум Generation-4 – инициатива США в сотрудничестве с Агентством по ядерной энергии Организации экономического сотрудничества и развития. Цель обоих проектов – кардинально улучшить атомную энергетику в аспектах экономики, нераспространения, рационального использования ресурсов, экологии. Инструментами решения поставленных задач и поиска ответов на вызовы признаны инновации в технологической и институциональной сфере (законодательство, международное сотрудничество и т. д.). ИНПРО и «Поколение-4» – взаимодополняющие проекты. Проект ИНПРО (МАГАТЭ) – это исследование перспектив устойчивого развития в широком контексте, без углубления в технические детали отдельных систем. Проект «Поколение-4» – это разработка инновационных реакторных технологий и систем.
«Поколение-4»
К настоящему времени 14 стран и организаций подписали хартию Международного форума «Поколение-4». Организационная структура форума «Поколение-4»: высшее руководство осуществляет политическая группа; отдельные структуры реализуют работу по техническим направлениям; организационную и техническую работу выполняет расположенный в Париже технический секретариат Агентства по ядерной энергии ОЭСР. Для разработки в проекте «Поколение-4» выбраны шесть реакторных систем: реакторы быстрый натриевый, быстрый газовый, сверхвысокотемпературный газовый, сверхкритический водяной, свинцовый быстрый и жидкосолевой. Каковы задачи этих направлений?
Быстрый натриевый реактор, хорошо освоенный в атомной отрасли России, – это замыкание топливного цикла с плутонием и малыми актинидами. Участники форума «Поколение-4» рассматривают различные конструкции, мощности, корпусную и петлевую компоновки. Последнее время стали интенсивно прорабатываться модульные реакторы электрической мощностью от 50 до 150 МВт. Оцениваются различные виды топлива – МОКС, СНУП и металлическое.
Назначение быстрых газовых реакторов – это развитие технологии быстрых реакторов как альтернативы натриевым. Основная направленность – замыкание ядерного топливного цикла. В отличие от натриевых реакторов, ставится цель достижения высоких температур.
Назначение сверхвысокотемпературных газовых реакторов – обеспечение технологических процессов промышленности: производство водорода, термохимия и другие функции. Ставится задача по достижению температуры теплоносителя на выходе выше 900 градусов Цельсия, цель – получение 1000 градусов. Рассматриваются разные спектры нейтронов, в основном тепловой. Теплоноситель предполагается гелиевый, замедлитель – графит. Предлагаемое топливо – многослойные гранулы с графитовым и керамическим покрытием.
Активно развиваемое в нашей стране направление быстрых реакторов со свинцовым теплоносителем по целенаправленности близко к выполнению всех требований к быстрым реакторам нового поколения. В качестве теплоносителя предлагается свинец или эвтектический расплав свинец-висмут. Рассматриваются широкий спектр мощностей, различные виды топлива, методики переработки топлива – усовершенствованные водные, пирометаллургические технологии, их сочетание.
Основное назначение сверхкритического водяного реактора – повышение КПД, улучшение экономических характеристик, конструкция со сверхкритическими параметрами воды. Рассматривается тепловая мощность от 30 до 150 МВт со спектром как тепловых, так и быстрых нейтронов.
Основное назначение жидкосолевого реактора – организация переработки РАО, включая эффективное сжигание младших актинидов из ОЯТ легководных реакторов. Конструкции реакторов на расплаве солей – с жидким топливом и спектром нейтронов от теплового до быстрого.
Докладчик отметил, что работа в проекте «Поколение-4» организована на двух уровнях сотрудничества: статус высшего уровня реализуется на основе системных договоренностей, более низкий статус – на основе меморандума о взаимопонимании предполагает обмен информацией (не включающий доступа к результатам НИОКР и экспериментов). По системным договоренностям осуществляется сотрудничество по быстрым реакторам с натриевым теплоносителем, по быстрым газовым, сверхвысокотемпературным газовым и сверхкритическим водяным реакторам. Сотрудничество по быстрым реакторам со свинцовым теплоносителем и жидкосолевым реакторам осуществляется в рамках меморандума о взаимопонимании.
Что касается перспективных видов топлива, рассматривается широкий спектр: металл, нитрид, карбид, расплавы солей. К инновационным теплоносителям отнесены свинец, расплав солей, газ. Рассматриваются инновационные решения для систем активной и пассивной безопасности, конструкционных материалов. Прорабатываются системы радиохимической переработки топлива: усовершенствованная гидрометаллургическая, пирометаллургическая и пирохимическая переработка как в сочетании с гидрометаллургической переработкой, так и без гидрометаллургической переработки. В некоторых задачах (в первую очередь это касается жидкосолевых реакторов) видна сложная проблема разработки систем отбора и переработки топлива.
Рассматриваются инновационные системы преобразования энергии – газовая турбина, сверхкритические параметры воды и газа. Ставится задача улучшения экономики, снижение полных капитальных затрат. Есть основания надеяться на возможности, которые открывают малые модульные реакторы. Новое веяние – так называемые гибридные системы: сочетание возобновляемых источников энергии и АЭС. Возникает много вопросов по этим системам и особенно их экономическим перспективам, но в странах, где ВИЭ широко развиты, такая проблема актуальна.
Изучаются технические и технологические меры усиления защищенности от распространения и методы расчета: компьютерные коды и бенчамарки. В основном разработка моделей и методов расчета проходит на национальных уровнях, «в глубине» проектов. Однако реализована интенсивная связь всех проектов с Агентством по ядерной энергии ОЭСР. Агентство занимается широким спектром физической проблематики: это реакторная физика, физика и химия топливных циклов, ядерная безопасность по критичности, материаловедение, радиационная защита, ядерные данные и т. д. По сути, это отдельный большой международный проект.
В курсе всех дел
Краткий обзор активного российского участия в инициативе «Поколение-4» докладчик начал с жидкосолевого реактора. Кроме России, участниками данного направления являются Австралия, Евросоюз (Евроатом), Франция, Швейцария, США и Канада; статус наблюдателей имеют Китай, Южная Корея и Япония. Исследования проводятся по ряду направлений, но прежде всего актуален поиск оптимальной конструкции такого реактора. Рассматриваются шесть альтернативных вариантов, и это затрудняет фокусировку на проработке конкретных задач. Для жидкосолевого направления исключительно важна разработка методов расчета, компьютерных кодов и валидации, в том числе по нейтронике. Важны изучение свойств расплава солей, конструкционных материалов, экономическая оценка. Несмотря на то что перспективная конструкция не выбрана, можно констатировать, что интерес к направлению сохраняется: в Евроатоме выделено финансирование на новый проект жидкосолевого реактора. В рамках инициативы «Поколение-4» опубликована «Белая книга» по безопасности этого типа реакторов.
Участники направления свинцовых быстрых реакторов – Россия, Евросоюз, США, Япония, Южная Корея и Китай. Завершена оценка безопасности, первый вариант документа по проектам и критериям безопасности пересмотрен после комментариев от рабочей группы по безопасности проекта «Поколение-4» из МАГАТЭ и США. Подготовлена «Белая книга» по вопросам нераспространения и физической защиты. Выполнен запрос на вклад в годовой отчет 2019 года, в котором излагаются результаты (он ежегодно публикуется и хранится в открытом доступе). Относительно вклада участников, бесспорно, в этом проекте Россия занимает лидирующее положение, и все наши партнеры внимательно изучают нашу работу. Росатом последовательно реализует план по реализации проекта БРЕСТ-300, и эта деятельность вызывает активный интерес за рубежом. Следует отметить продвижение и других проектов: так, Евроатом определил площадку в Румынии для проведения экспериментальных исследований по проекту ALFRED.
Тема, где также лидирует Россия, – направление реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Следует отметить, что российские специалисты завершили оценку проекта БН-1200 на основе методик форума «Поколение-4», выполнили работы по кодам и экспериментальным исследованиям в области безопасности. Проект БН-1200 признан как дизайн-трек «Поколения-4», поскольку отвечает требованиям к реакторам четвертого поколения. Таким образом, первая система четвертого поколения уже определилась.
ИНПРО
На Саммите тысячелетия 6 сентября 2000 года на площадке ООН Президент РФ Владимир Путин выдвинул инициативу по энергетическому обеспечению устойчивого развития человечества. Россия предложила реализовать при участии МАГАТЭ соответствующий международный проект; на генеральной конференции МАГАТЭ эта инициатива была поддержана и оформлена как проект ИНПРО. Главная цель – удостовериться, что в XXI веке и далее ядерная энергетика может вносить достойный вклад в энергопотребности устойчивого развития человечества (Владимир Усанов напомнил, что сегодня атомная генерация занимает заметное, но сравнительно скромное место в мировой энергетике и не является лидером прироста доли). Вторая задача ИНПРО – определить пользователей атомных технологий и создать представительный форум для поддержки развивающихся инициатив на национальном и международном уровне, оценить потребности пользователей. Число стран и организаций, разделяющих цели ИНПРО и принимающих участие в работе, выросло к настоящему времени до 42. Проект полностью встроен в структуру МАГАТЭ и является отдельной структурной единицей – секцией ИНПРО. Это само по себе большое достижение, поскольку в агентстве найти подобную незанятую нишу сложно, отметил докладчик.
План действия ИНПРО охватывает четыре программные области. «Глобальные сценарии» – это развернутые сценарии устойчивого развития ядерной энергетики на мировом и региональном уровнях; «Инновации» – изучение инновационных технологий ядерной энергетики и институциональных механизмов, поддерживающих устойчивое развитие; «Оценка устойчивости и стратегия» – помощь государствам в разработке долгосрочных национальных стратегий посредством применения методологии ИНПРО и «Диалог-форум» – площадка взаимодействия стран, где обсуждаются и оцениваются достигнутые результаты, формируются предложения развивающимся странам, оцениваются потребности потенциальных заказчиков.
Безусловно, достижение проекта – разработка и широкое применение методологии оценки ядерно-энергетических систем по критериям устойчивого развития. Методология имеет иерархическую структуру из базовых принципов, требований пользователя, критериев и пределов приемлемости. Эти составляющие развернуты в области экономики, инфраструктуры, обращения с отходами, устойчивости к распространению, физической защиты и безопасности и воздействия на окружающую среду. Ядерно-энергетическая система признается соответствующей концепции устойчивого развития, если отвечает всем требованиям пользователей и базовым принципам методологии.
Эта методология уже прошла широкую обкатку в разных странах. Одной из первых ее опробовала Россия применительно к проекту БН-800; затем оценку своих систем по методологии ИНПРО выполнили Бразилия, Аргентина, Армения, Индия, Южная Корея, Китай, Белоруссия и Индонезия. Методология получила широкое развитие и позволила провести всесторонний анализ ядерных систем, определить направления НИОКР для повышения характеристик программы по критериям устойчивого развития. В настоящее время методология ИНПРО является единственным согласованным на международном уровне руководством по оценке ядерно-энергетических систем по критерию устойчивого энергетического развития.
Важной вехой развития ИНПРО стала организация совместных исследований стран-участников. Это интересный формат сотрудничества, когда страны выбирают совместную тему и совместно прорабатывают ее в течение нескольких лет. Одно из важных исследований выполнено по архитектуре глобальной ядерно-энергетической системы с участием 16 стран и Евросоюза. Была создана аналитическая основа оценки сценариев развивающихся энергосистем, которая включает согласованные сюжеты развития атомной энергетики; прогнозы спроса на ядерную энергию в глобальном масштабе; гетерогенную модель мировой ядерной энергетики (с учетом особенностей различных стран); инструменты и подготовку баз данных существующих и будущих ядерных реакторов. На этой основе проведен анализ результатов моделирования с использованием ключевых индикаторов, которые отражают значимые цели и должны быть достигнуты через инновационные технологии и институциональные решения.
В дальнейшем разработанный подход широко использовался в сценарных исследованиях ИНПРО. Докладчик привел примеры результатов по двум важным проектам: «Синергия» и «Дорожная карта». Цель проекта «Синергия» – оценка эффекта синергии технологий (сочетание реакторов с различными характеристиками) и международного сотрудничества. Проведено 28 исследований в разных странах. В некоторых из этих исследований рассмотрение физических вопросов занимало значительное место. Так, Канада оценила, что можно получить преимущества благодаря нейтронному спектру канадских реакторов на тяжелой воде (этот спектр имеет преимущества перед спектром легководных реакторов). Было доказано, что если перерабатывать топливо легководных реакторов и дожигать америций в реакторах с тяжелой водой, то можно получить значимый экономический эффект.
Цель исследований Евросоюза и Франции – получить оценку промышленных перспектив разделения и трансмутации минорных актинидов для региональных услуг. Во французском исследовании было показано, что трансмутация минорных актинидов значительно уменьшает их запас в геологическом хранилище, но при этом их объем в реакторах и установках топливного цикла увеличивается. Только трансмутация всех минорных актинидов позволяет стабилизировать их накопление. Трансмутация только америция приведет к уменьшению зоны захоронения высокоактивных отходов примерно в семь раз, а всех минорных актинидов – до 10 раз. Более высокое содержание минорных актинидов на этапах обращения с топливом потребует значительной модификации конструкции реакторов, хранилищ и транспортных систем для решения проблем тепловой и радиационной защиты. Сложность операций также возрастет; они чрезвычайно затруднены из-за присутствия кюрия; проект становится сложнее на порядок, чем вариант, когда трансмутируется только америций. Наконец, экономические исследования в Евросоюзе и Франции показывают, что затраты с процессом трансмутации растут для натриевых реакторов на быстрых нейтронах до 10 % дополнительных затрат и до 30 % – в случае использования подкритических систем с ускорителями. Важное значение в исследованиях, которые проводили Россия и Франция, имеет двухкомпонентная ядерная энергетика.
Докладчик остановился на вопросе, который связывает физику и перспективы международного сотрудничества. По его словам, страны, которые являются исключительно потребителями коммерческой ядерной энергетики, смогут еще долго использовать реакторы на тепловых нейтронах в открытом цикле, и проблема отходов для них стоит в основном как долгосрочная. Но некоторые страны продвинулись в развитии реакторов на быстрых нейтронах и ставят перед собой задачи достижения новых рубежей (ключевых событий) на пути построения ядерной энергетической системы с замкнутым ЯТЦ, полностью отвечающей требованиям энергообеспечения устойчивого развития. Они будут технологически подготовлены для того, чтобы предоставить услуги по обращению с ОЯТ другим странам. Выгода для пользователей – сокращение затрат на инфраструктуру национальной ядерной энергосистемы, решение проблем ОЯТ и РАО. Выгода для обладателей технологий – расширение бизнеса, снижение затрат за счет эффекта масштаба производства. Выгода в целом для ядерной энергетики – повышение экономичности и безопасности глобальной ядерной энергосистемы при использовании отработанных технологий и стандартов передовых стран, расширение ресурсной базы за счет использования делящихся материалов облученного топлива, снижение риска распространения. В повестке дня – демонстрация безопасности и экономической эффективности новых реакторных технологий и технологий топливного цикла, средств транспортировки ОЯТ и готовности к реализации стратегии устойчивого развития ядерной энергетики на региональном и глобальном уровнях.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
