Евгений Адамов, научный руководитель Научно-исследовательского и конструкторского института энерготехники им. Н.А. Доллежаля – о том, как двухкомпонентная атомная энергетика из проектов прорастает в реальность. Свое выступление на сессии Общего собрания РАН Евгений Олегович начал с экскурса в прошлое. Он отметил, что историю ядерной энергетики (ЯЭ) в нашей стране правильнее было бы вести не с 1954 года (год пуска первой АЭС), как это общепринято, а с начала работ над атомным оружием.
Первая ветвь ЯЭ «выросла» из реактора «А» на комбинате «Маяк», созданного для производства плутония; ее вторая ветвь берет свое начало от корпусных ядерных реакторов подводных лодок. Известно, что записка Петра Капицы о мирном использовании ядерной энергии была написана практически сразу после образования Спецкомитета по ядерной энергии. Это произошло в октябре 1945 года. В январе 1946 года Игорь Курчатов заявил: «Нам необходимо в кратчайший срок создать урановый «котел» промышленного назначения». В декабре 1946 года состоялся пуск первого ядерного реактора Ф-1 на территории Курчатовского института, в июне 1948 года – пуск вышеупомянутого реактора «Аннушка» на «Маяке». А в 1949 г., когда первая атомная бомба еще не была испытана, принимается решение Совета министров о сооружении АЭС мощностью 5 МВт. Атомная станция в Обнинске справедливо считается первой в мире (хотя первый реактор-бридер IBR-1, от которого была получена электроэнергия, был введен в штате Айдахо, США, он никогда не был подключен к сети и не может считаться атомной станцией).
Уже в 1958 году дала ток первая промышленная АЭС, рядом с Томском (нынешний СХК), с двухцелевым уран-графитовым реактором ЭИ-2.
Вторая ветвь атомной энергетики выросла тоже из оборонной тематики – это путь от реактора первой АПЛ к энергетике корпусных реакторов. Первая АПЛ «Ленинский комсомол» с водо-водяным реактором ВМ-А (главный конструктор энергоустановки – Н.А. Доллежаль) вошла в строй в том же 1958 году.
За истекшие годы в нашей стране было создано 700 реакторов. В настоящее время установленная мощность атомной энергетики составляет 12,8 % общей мощности генерации, но производит она 19 % всей электроэнергии России. Евгений Адамов напомнил, что выработка электроэнергии на отечественных АЭС непрерывно растет, начиная с 2006 года. В прошлом году атомщики достигли рубежа в 208 млрд кВт.ч, в нынешнем – должны выйти на 214 млрд квт ч. Таким образом, всего за 15 лет мощности российской ЯЭ увеличились примерно на треть.
Обретенный ключ
Сегодня ядерная энергетика – это системообразующий, эффективный и безопасный источник энергии. На ее долю приходится 18,7 % всей производимой энергии России и 40 % электрогенерации в европейской части страны.
Риски, которые стоят перед ЯЭ, связаны с обострением конкуренции на внешнем рынке. Кроме традиционных конкурентов (США, Франция, Япония, Канада), появились новые игроки (Китай, Южная Корея), предлагающие аналогичные технологии по более низкой цене за счет «дешевой безопасности» и дешевые кредиты в неограниченном объеме. Это очень серьезная угроза для нас с точки зрения экономики. Как подчеркнул Евгений Адамов, весь экспортный портфель российского высокотехнологичного оружия составляет 50 млрд долларов на 10 лет, а наш портфель в атомной энергетике на те же 10 лет – это 130 с лишним млрд долл. Экспорт АЭС, таким образом, является одним из ключевых не сырьевых экспортов страны, и надо очень сильно постараться, чтобы его не потерять; для этого необходимо переходить на новые технологии атомной энергетики.
К системным проблемам атомной энергетики относятся тяжелые аварии (что вызвало отказ от нее ФРГ, Швейцарии, Бельгии, Южной Кореи). Также обращают на себя внимание низкая эффективность использования добываемого природного урана – 0,7 % от сырья (содержание урана-235), отложенная проблема ОЯТ – накопление и отсутствие экологически приемлемого обращения с долгоживущими высокоактивными отходами (младшие актиноиды и др.), риск переключения делящихся материалов (ДМ), обращающихся в ЯТЦ, на военные и террористические цели. Кроме этого, существует опасность утраты конкурентоспособности мирного атома.
Эти проблемы, существующие уже несколько десятилетий, решаются в нашей стране за счет создания двухкомпонентной структуры с замыканием ЯТЦ, на базе технологий ВВЭР и реакторов на быстрых нейтронах. На сегодняшний день это ключевое направление развития ЯЭ.
На прорыв
Двухкомпонентная система в атомной энергетике – это система, которая работает синергично, взаимосвязанно и внутри которой между реакторами происходит обмен топливом и ядерными материалами. Ее внедрение позволит решать системные проблемы нынешней ЯЭ: сократить накопление ОЯТ и снизить объемы РАО; увеличить эффективность использования уранового сырья: повысить экологические показатели ЯЭ и ее конкурентоспособность.
Сценарий формирования двухкомпонентной ЯЭ России предусматривает переход от реально сложившейся структуры ЯЭ страны с открытым ЯТЦ через развитие технологий реакторов ВВЭР, БН и ЗЯТЦ и увязку топливных балансов этих реакторов к постепенному замещению действующих АЭС энергоблоками обоих типов повышенной безопасности и эффективности. Эффективность ЗЯТЦ будет возрастать по мере вытеснения из него топлива на основе урана-235 уран-плутониевым топливом. Формирование двухкомпонентной системы должно обеспечить устойчивое развитие ЯЭ в первой половине ХХI века.
Что касается совершенствования реакторов на тепловых нейтронах, то оно будет проходить по двум направлениям: первое связано с созданием реактора с регулированием спектра нейтронов (ВВЭР-С), что позволит избавиться от циркониевых сплавов, а, следовательно, от проблем, связанных с водородом, увеличить коэффициент воспроизводства, снизить расход природного урана в открытом топливном цикле; второе направление связано с созданием реактора ВВЭР-СКД, в котором будут осуществлены переход к быстрому спектру нейтронов с возможностью самообеспечения топливом, и выход на сверхкритические параметры теплоносителя (КПД до 45 %).
Решением проблем безопасности и ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах российские атомщики занимаются в рамках проекта «Прорыв». Интегральная конструкция реактора БН-1200 решает те основные проблемы, из-за которых ранее происходили тяжелые аварии («Тримайл-Айленд» и «Фукусима»), то есть позволяет локализовать течи теплоносителя в объеме корпуса реакторной установки и исключить осушение активной зоны. Использование нового равновесного плотного топлива позволяет исключить реактивностные аварии в РУ. «Равновесное плотное топливо – это не окисное, а смешанное уран-плутониевое нитридное топливо. И мы не просто так сейчас говорим о нем как физически более подходящем для реакторов: за семь лет, что существует проект «Прорыв», мы испытали это топливо, получили выгорание до 9 % тяжелых атомов, то есть примерно в полтора раза больше, чем надо для первого реактора с его использованием», – подчеркнул Евгений Адамов.
Отложенная проблема ОЯТ, которая существует во всем мире, успешно решается также реакторами на быстрых нейтронах, благодаря трансмутации долгоживущих изотопов. Россия – мировой лидер в развитии ЯЭ на быстрых нейтронах, учитывая недавний пуск БН-800, подчеркнул Евгений Адамов. Об этом говорит тот факт, что вслед за НИКИЭТ компания WESTINGHOUSE также выбрала реактор на быстрых нейтронах, как следующее поколение реакторных установок, и переход на смешанное нитридное топливо. Хотя многие годы в США отрабатывали металлическое топливо (из плотных топлив), но теперь вслед за нами они собираются использовать нитридное и в качестве теплоносителя – свинец.
На той же площадке СХК, где был построен упомянутый в начале доклада реактор ЭИ-2, сегодня достраивается производство уже промышленного смешанного нитридного топлива. Евгений Адамов выразил надежду, что в ближайшее время начнется и сооружение первого в мире инновационного демонстрационного опытно-промышленного энергоблока на базе быстрого реактора «Брест-ОД-300», со свинцовым теплоносителем, в полной мере реализующим принципы «естественной безопасности».
Новые технологии двухкомпонентной ядерной энергетики потенциально могут обеспечить конкурентоспособность в сравнении с альтернативной генерацией в широком диапазоне сценарных предложений, подчеркнул Евгений Адамов. Он обратил внимание на то, что при «бесплатных» деньгах (ставка дисконтирования 0), уже сегодня атомная энергетика конкурентоспособна по сравнению как со своими сегодняшними, так и потенциальными конкурентами. При увеличении стоимости денег до 5 % ЯЭ она также остается конкурентоспособной. Нельзя уходить за эти параметры по отношению к серьезным объектам (а к ним относятся не только объекты атомной энергетики).
Новые коды и супермодели
Особую роль в современной ядерной энергетике и ее будущем играют вычислительные технологии, коды, моделирование и цифровизация.
Моделирование – основной инструмент обоснования безопасности и оценки последствий тяжелых аварий. Российский расчетный код СОКРАТ (тяжелоаварийный код для АЭС с реакторами ВВЭР), коды АНГАР, КУПОЛ позволяют моделировать аварийные процессы от исходного события до выхода активности за пределы защитной оболочки. Разработчики этих кодов – ИБРАЭ РАН, ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, РНЦ «Курчатовский институт», ОАО СПбАЭП, ГНЦ РФ-ФЭИ, ОАО «ЭНИЦ», ОКБ «Гидропресс», ОКБМ. Ключевые задачи в области моделирования: обоснование водородной безопасности для АЭС; обоснование исходных данных для проектирования устройства локализации расплава (УЛР) АЭС-2006; обоснование исходных данных для расчета радиационных последствий (ВАБ-2).
Для разработки и обоснования безопасности объектов использования атомной энергии в проектном направлении «Прорыв» созданы коды нового поколения. Сейчас ключевым институтом по разработке программ нового поколения является ИБРАЭ РАН. Евгений Адамов обратил внимание на то, что проекты делаются не только для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, и что в ходе работы осуществлено импортозамещение кодов, использовавшихся для обоснования безопасности российских проектов. При этом качество этих расчетов существенно лучше, чем на зарубежных проектах, а время разработки кодов в разы меньше, чем за рубежом. Когда произошла авария на АЭС «Фукусима», академик Большов во Владивостоке, докладывая об ожидаемых последствиях аварии Президенту России, использовал разработанную ИБРАЭ РАН программу «Нострадамус», предназначенную для моделирования переноса в атмосфере от выхода активности за пределы защитной оболочки реактора до доз на население. Результаты этого моделирования оказались очень близки к фактическим последствиям аварии.
Серьезный набор задач при моделировании поздней стадии тяжелой аварии решают отечественные коды ЕВКЛИД и COREMELT, и надо отметить, что они тоже не только не уступают, но и в некоторых отношениях опережают зарубежные аналоги.
Сегодня Госкорпорация «Росатом» обладает тиражируемым опытом разработки и успешного применения современных цифровых решений на всех стадиях жизненного цикла энергетических объектов – от проведения НИОКР до вывода из эксплуатации, отметил далее Евгений Адамов. В своем докладе он также коснулся проблем радиоэкологии и их решения в ядерной энергетике. В соответствии с заключением МАГАТЭ (2019 год) использование замкнутого ядерного топливного цикла на базе реакторов на быстрых нейтронах позволяет снизить радиотоксичность РАО в 100-200 раз; сократить время выдержки РАО с более чем 100 000 лет до менее 1000 лет.
Должны и обязаны
Стратегия развития ядерной энергетики в России предопределяет основные требования к ней: потребительскую привлекательность (гарантированная безопасность, экономическая эффективность); масштабность производства на рынке электроэнергии – не менее 25 % к середине века. Сырьевая база не должна иметь ограничений на исторически значимый период (сотни лет); обращение с отходами – должно обеспечить безопасную окончательную изоляцию РАО.
Наконец, структура энергопроизводства, по словам Евгения Адамова, должна обеспечивать многоцелевое использование по областям применения, то есть расширение рынков сбыта, и многокомпонентность как фактор гибкости и устойчивости к возможным рискам.
Таким образом….
Вместе с гидроэнергетикой и возобновляемыми источниками энергии ядерная энергетика исключает проблемы, связанные с углеродной генерацией, а при ее замещении сохраняет органику для экспорта и внеэнергетического использования. Технологический потенциал и запасы сырья при ЗЯТЦ обеспечивают любые масштабы развития ядерной энергетики на длительную перспективу, требуют меньше материальных и земельных ресурсов. Новая технологическая платформа решает накопившиеся проблемы существующей ядерной энергетики, позволяет развить лидерство высокотехнологичного экспорта РФ. Проектом «Прорыв» практически начат переход к двухкомпонентной системе ядерной энергетики с внедрением в существующую структуру быстрых реакторов и отработкой базовых компонентов замкнутого ядерного топливного цикла. Освоение новых технологических направлений должно опираться на развитие научных исследований, совершенствование экспериментальной базы и сохранение возможностей кооперации Росатома и Российской Академии наук.
Алексей Комольцев для журнала РЭА (по материалам доклада)
