CC BY
105Замкнутый ядерный топливный цикл
По соглашению с Ассоциацией «Глобальная энергия» журнал «Энергетический вестник» печатает главу 5 из доклада «10 прорывных идей в энергетике на следующие десять лет».
Першуков
Вячеслав Александрович
Специальный представитель Госкорпорации «Росатом» по международным и научно-техническим проектам, Руководитель проектного направления «Прорыв»
Тихомиров
Георгий Валентинович
Заместитель директора Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ
о
4Ф
Введение
Благосостояние людей, живущих в стране, как правило, хорошо коррелирует с энергопотреблением на душу населения. Чем больше потребляется энергии, тем выше уровень жизни и доходы населения. При этом следует учитывать, что численность населения Земли постоянно увеличивается, и для новых жителей нашей планеты нужны новые энергетические мощности. На 1 января 2021 года в мире проживало примерно 7,85 миллиардов человек [1], и последние несколько лет население Земли увеличивается примерно на 90-95 млн чел в год, что составляет немногим более 1% ежегодного прироста. Скорее всего, в 2022 году численность населения Земли превысит восемь миллиардов человек.
В 2019 году на каждого жителя Земли приходилось 75,7 ГДж потраченной первичной энергии. В 2020 году, несмотря на пандемию COVID-19, глобальное потребление сократилось незначительно и составило 71,4 ГДж потраченной первичной энергии [2,3]. Доля угля, нефти и природного газа в энергетическом потреблении составила в 2019 году — 84,3%, в 2020 году — 83,1%. Будет не лишним напомнить, что при сжигании углеводородов выделяется СО2 , который выбрасывается в атмосферу в гигантских количествах, исчисляемых миллиардами тонн. По данным Международного энергетического агентства, за последнюю декаду ежегодно в результате энергетической деятельности человека выбрасывается в атмосферу более 30 Гт углекислого газа [4].
Последние десятилетия практически все специалисты признают необходимость сокращения выбросов парниковых газов за счет энергетической деятельности человечества. В 2015 году в ООН было разработано Парижское соглашение по климату, в рамках которого страны обязуются ограничить ежегодные выбросы парниковых газов на уровне начала XXI века, что требует развития безуглеродных способов производства энергии. В 2020 году Международное энергетическое агентство опубликовало отчет, в котором представлен план-график снижения выбросов диоксида углерода до нуля к 2050 году.
Признавая важность сокращения выбросов парниковых газов в энергетической отрасли, возникает вопрос о новой энергетической политике, которая будет опираться на безуглеродные источники энергии. Одним из безуглеродных способов производства энергии является атомная генерация. Высокое энергосодержание ядерного топлива, которое в миллион раз «калорийнее» органического топлива, позволяет надеяться, что развитие атомной энергетики поможет человечеству обеспечить энергетические потребности и, при этом, не выбрасывать в атмосферу парниковые газы.
Однако, существующие технологии производства электроэнергии в ядерных реакторах на тепловых нейтронах не обеспечены топливными запасами, которые позволят развивать масштабную атомную генерацию. По оценкам экспертов МАГАТЭ, сырьевых запасов атомной энергетики на тепловых нейтронах, работающей в открытом ядерном топливном цикле, с существующими темпами роста ядерной генерации хватит на 130-150 лет [5]. Поэтому для перехода к масштабной ядерной энергетике, обеспеченной ресурсами на тысячи лет, человечеству необходимо переходить на замкнутый ядерный топливный цикл и ядерные реакторы нового поколения с быстрым спектром нейтронов.
Рост мощности ВИЭ
Электроэнергия сегодня является универсальным энергоресурсом, для производства которого могут использоваться различные способы. Доля первичной энергии, которая идет на производство электричества в 2020 году, составила 43% и неуклонно растет последние десятилетия. Эту цифру легко получить из отчетов ВР [2,3] зная долю атомной генерации в первичной энергии, которая рассчитывается с учетом КПД действующих АЭС, и долю АЭС в производстве электричества, которая рассчитывается на основе произведенной электроэнергии.
По данным [3], в мире в 2020 году было произведено 26823 ТВт-ч электроэнергии, 10% из которых было произведено на АЭС. На долю ВИЭ пришлось немногим более 11% при том, что по установленной мощности ВИЭ уже более чем в четыре раза превышают мощность АЭС. Рост мощностей ветряных и солнечных электростанций в мире за последнее десятилетие очень напоминает рост мощностей АЭС в мире с 1975 по 1985 годы [6]. В тот период ежегодно мощность установленных блоков увеличивалась на десятки ГВт. Скорость роста мощности АЭС достигла максимума в 1984 году, в котором было пущено более 30 новых блоков суммарной мощностью более 30 ГВт. При этом необходимо учитывать, что население Земли в 1975 году составляло немногим более 4 миллиардов человек, почти в два раза меньше, чем 2021 году. Поэтому ежегодный рост мощности ВИЭ на уровне десятков ГВт не кажется удивительным. Рано или поздно скорость роста замедлится. На это будут влиять различные причины: вывод ранее установленных мощностей из эксплуатации, уменьшение государственной поддержки сектора из-за ограниченности средств, неудовлетворенность потребителей низким коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ) и зависимостью производительности от погодных условий, рост цен на материалы и комплектующие и др. В любом случае желательно иметь альтернативные источники энергии, и в этом контексте взоры политиков все чаще обращаются к атомной энергетике как надежному источнику энергии в режиме базовой нагрузки.
Проблема глобального потепления требует пересмотра портфеля источников потребляемой энергии. Задача отказа от использования угля и природного газа как основных источников производства электроэнергии и/или сдерживание выбросов диокси-
да углерода требует поиска новых масштабных источников энергии без выбросов СО2. К таким источникам можно отнести большую гидроэнергетику, ветряную энергетику, солнечную энергетику и атомную энергетику. У каждой из перечисленных энергетик есть свои плюсы и минусы. Нужно также помнить, что все перечисленные виды энергетики работают только в области электрогенерации. В таблице 1 приведены данные об эффективности работы всех энергетик в 2020 году [3].
Таблица 1. Производство электроэнергии по типам генерации.
ИСТОЧНИК МОЩНОСТЬ В 2020 ГОДУ, ГВТ ВЫРАБОТКА В 2020 ГОДУ, ТВТЧ СРЕДНЕГОДОВОЙ КИУМ, %
Гидростанции 1330 3147 27,0
Атомные станции 394 2700 78,2
Ветряные станции 733 1591 24,8
Солнечные станции 708 856 13,8
Из таблицы 1 видно, что атомная энергетика является заметным игроком на рынке электрогенерации без выбросов углерода. Следует отметить, что низкий среднемировой КИУМ ветра и солнца в том числе связан с бурным ростом устанавливаемой мощности и пуско-наладочными работами на новых станциях. Однако, зависимость ветряных и солнечных станций от погодных условий требует либо наличия резервных мощностей на ископаемом топливе с запасом углеводородов или наличия больших аккумулирующих мощностей, которые будут неизбежно повышать стоимость произведенной электроэнергии.
Таким образом, атомная энергетика является энергетикой без выбросов парниковых газов в своем топливном цикле и освоенной технологией производства электроэнергии в промышленных масштабах.
Атомная энергетика - текущее состояние
По данным МАГАТЭ [6], на октябрь 2021 года в мире эксплуатировалось 442 энергетических энергоблока общей мощностью примерно 393,5 ГВт. Как было отмечено выше, на рынке производства электроэнергии в среднем по миру она имеет более 10% и опережает по объему произведенной энергии ветряные и солнечные электрические станции вместе взятые.
Однако, подавляющее большинство современных АЭС оснащены реакторами на тепловых нейтронах, в которых используется в качестве топлива диоксид урана, обогащенный по изотопу и-235 до 5%. Данная технология позволяет в качестве энергетических запасов использовать не более одного процента ископаемого урана, так как в нем содержание изотопа и-235 составляет 0,71%.
Разведанных запасов урана при существующих мощностях и темпах роста мощности атомной энергетики по расчетам специалистов объединенной урановой группы
АЯЭУМАГАТЭ хватит на 130-150 лет [5]. Общий объем разведанных запасов урана, который можно добыть по цене не выше 260 долларов за килограмм, сегодня оценивается экспертами в диапазоне 10 миллионов тонн. В этом количестве масса изотопа урана 235 составляет примерно 70 тысяч тонн. Дополнительно в мире хранится 1,6 миллионов тонн отвального урана, как продукта обогатительного производства.
Существующая атомная энергетика работает, в основном, в открытом ядерном топливном цикле, при котором отработавшие тепловыделяющие сборки (TBC) не перерабатываются, а размещаются в специальных хранилищах. При этом следует отметить, что в отработавших TBC около 91% массы представляют собой уран и плутоний, которые можно повторно использовать. Поэтому в ряде стран разрабатывались и/или разрабатываются технологии переработки отработавших TBC. Например, во Франции переработка используется для производства смешанного уран-плутониевого топлива, которое используется в реакторах на тепловых нейтронах в Европе и в Японии. В России переработка сегодня используется для извлечения из отработавших TBC ВВЭР2 урана для использования его при производстве TBC для реакторов РБМК3, а также для извлечения плутония для фабрикации МОКС-топлива для быстрого реактора БН-800 [7].
Реактор БН-800 на четвертом блоке Белоярской АЭС полностью перешел на МОКС-топ-ливо. Это важный шаг в выстраивании двухкомпонентной атомной энергетики с замыканием ядерного топливного цикла (по данным газеты «Страна РОСАТОМ» от 9 сентября 2022 года).
Однако, существующие технологии не могут решить проблему масштабного развития ядерной энергетики, потому что однократное повторное использование урана и плутония не позволяет кардинально изменить сырьевую базу ядерной энергетики, в основе которой лежат реакторы на тепловых нейтронах.
Агентство по ядерной энергии (АЯЭ) является межправительственным многонациональным агентством при Организации экономического сотрудничества и развития. - Прим. ред. - ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор. - Прим. ред. ? РБМК - реактор большой мощности канальный. - Прим. ред.
Для масштабного развития атомной энергетики нужны «быстрые» реакторы, которые позволяют вовлекать в топливный цикл весь уран и весь плутоний. В таких реакторах можно реализовать многократный замкнутый уран-плутониевый топливный рецикл. Топливо быстрых реакторов, работающих в замкнутом ядерном топливном цикле, обязательно включает уран и плутоний. При эксплуатации быстрого реактора изотоп урана 238 эффективно превращается в изотопы плутония, деление которых обеспечивает практически всю выделяемую энергию. При этом масса изотопов плутония в отработавшем ядерном топливе превышает массу этих изотопов в свежем ядерном топливе. Плутоний в быстром реакторе выступает катализатором цепочки ядерных реакций, в результате которых изотоп урана 238 превращается не только в осколки деления, но и в плутоний. Если переработать отработавшую ТВС быстрого реактора, то для производства новой ТВС понадобится только обедненный (содержащий до 99,8% изотопа U-238) уран — побочный продукт обогащения урана, которого к настоящему времени накоплено уже миллионы тонн. Поэтому топливная база ядерной энергетики на основе ядерных реакторов на быстрых нейтронах с замкнутым ядерным топливным циклом позволяет говорить о масштабной ядерной энергетике на тысячи лет развития человечества.
Анализ (оценка) ископаемых ресурсов планеты показывает, что, если опираться только на ресурсный потенциал изотопа урана 235 и развивать атомную энергетику на основе тепловых ядерных реакторов, то доля урана составляет не более 6% от других ископаемых ресурсов (угля, нефти, природного газа). Однако, если рассматривать атомную энергетику на основе ядерных реакторов на быстрых нейтронах, то ее сырьевой потенциал составит более 85% [8].
Кроме ограниченности ресурсной базы у атомной энергетики с ядерными реакторами на тепловых нейтронах, функционирующей в открытом топливном цикле, есть еще один существенный недостаток — необходимость захоронения накопленного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Объемы ОЯТ непрерывно растут и в настоящий момент составляют около трехсот тысяч тонн.
В настоящее время в мире эксплуатируются только два энергетических быстрых реактора БН-600 и БН-800. Оба эти реактора входят в состав Белоярской АЭС, расположенной недалеко от города Екатеринбург в России. Для разворачивания масштабного замкнутого цикла с неограниченной ресурсной базой этого, конечно же, недостаточно. Это понимают не только в России, но и в Китае, в Индии, в Корее, в США и в других странах, где идет разработка своих собственных моделей реакторов на быстрых нейтронах.
Замкнутый ядерный топливный цикл
Переработка ОЯТ и производство новых ТВС с выделенными ураном и плутонием составляют основу замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). При этом также изолируются продукты деления, составляющие порядка 3% от массы ОЯТ и минорные актиноиды (изотопы нептуния, америция и кюрия), количество которых не превышает 0,1-0,3% от массы ОЯТ. Период основной массы изотопов продуктов деления не превышает 30 лет, и их можно безопасно изолировать. Минорные актиноиды из-за больших периодов полураспадов некоторых изотопов желательно подвергнуть ядерной трансмутации — перевода в продукты деления или изотопы, которые можно повторно использовать в реакторе.
Технологии, необходимые для переработки топлива и выделения различных фракций изотопов в промышленных масштабах, разрабатываются уже почти восемьдесят
лет. Замкнутый ядерный топливный цикл можно применять для ядерной энергетики, основанной на реакторах как на тепловых нейтронах, так и на быстрых нейтронах. В первом случае, целью является уменьшение опасности ОЯТ за счет повторного использования урана и плутония. Данный вариант ЗЯТЦ реализуется во Франции, для которой ядерная энергетика и её стабильность являются основой энергетической безопасности: во Франции доля ядерной генерации в общем объеме производства электричества последние двадцать лет превышает 70%. Ежегодно в этой стране образуется более тысячи тонн ОЯТ, которое после выдержки перерабатывается на заводе, расположенном на мысе Jla-Ar. После переработки на другом заводе, расположенном на площадке Маркуль, производится смешанное уран-плутониевое оксидное топливо, которое поставляется на действующие АЭС [9]. Данный ЗЯТЦ позволяет французской атомной промышленности «экономить» природный уран и минимизировать объем ядерных отходов, подлежащих захоронению. Этот пример демонстрирует технологическую готовность и экономическую целесообразность ЗЯТЦ в существующей ядерной энергетике. Подобные проекты, связанные с переработкой отработавших TBC реакторов на тепловых нейтронах, реализуются в Великобритании, России и Японии. Однако, масса накопленного плутония в ОЯТ тепловых реакторов существенно меньше массы урана, которая превратилась в продукты деления. Поэтому говорить о принципиальном расширении топливной базы ядерной энергетики, основанной на тепловых реакторах, в настоящее время не приходится.
В 2000 году на саммите тысячелетия президент России В.В. Путин выступил с инициативой развития атомной энергетики, основанной на новых принципах, которые были сформулированы в Белой книге ядерной энергетики [10,11]. Новая масштабная ядерная энергетика должна основываться на быстрых реакторах с естественной безопасностью, работающих в рамках замкнутого топливного цикла и, при захоронении РАО4 должен быть реализован принцип радиационной эквивалентности. При этом должны быть обеспечены технологическая поддержка режима нераспространения ядерных материалов и экономическая конкурентоспособность производимого электричества. С начала века в России идет реализация масштабного проекта «Прорыв», который полностью отвечает перечисленным выше требованиям. Одной из задач проекта «Прорыв» является строительство опытно-демонстрационного энергокомплекса (ОДЭК) в г.Северск Томской области. ОДЭК, который запланировано ввести в эксплуатацию к 2030 году, будет включать: модуль фабрикации ядерного топлива, демонстрационный новый быстрый реактор со свинцовым теплоносителем и модуль переработки отработавшего ядерного топлива. Строительство реактора началось летом 2021 года. «Опытно-демонстрационный энергокомплекс впервые в мире должен продемонстрировать устойчивую работу полного комплекса объектов, обеспечивающих замыкание ядерного топливного цикла. Пристанционный вариант организации топливного цикла позволит отработать технологии замкнутого ядерного топливного цикла с малым временем внешнего топливного цикла в минимальные сроки в пределах одной площадки» [12].
Для демонстрации возможности построения ядерной энергетики, основанной на новых принципах, в рамках проекта «Прорыв» предполагается решить ряд сложных инженерных и научных задач: спроектировать и обосновать безопасность нового быстрого реактора; разработать новое плотное топливо на основе нитридов урана и плутония и технологии его производства в промышленных масштабах; разработать и обосновать
4 РАО - радиоактивные отходы. - Прим. ред.
новые способы переработки топлива и компактизации радиационных отходов. В научных и аналитических журналах сегодня можно найти много материалов о проекте «Прорыв» и технологиях, планируемых к реализации на ОДЭК [7, 13, 14].
Проект «Прорыв» является экспериментальным и демонстрационным проектом. Поэтому в России продолжают развиваться технологии реакторов на тепловых нейтронах. В Стратегии развития ядерной энергетики России до 2050 года и на период до 2100 года предусмотрено развитие двухкомпонентной ядерной энергетики, включающей реакторы на тепловых и быстрых нейтронах. Поэтому в России производится переработка топлива тепловых реакторов на заводе РТ-1 в г.Озерск и налажено повторное использование регенерированного урана. В планах на ближайшие годы запланированы пуск в эксплуатацию нового опытно-демонстрационного центра по переработке ОЯТ, а также разработка технологии производства нового РЕМИКС-топлива для реакторов ВВЭР. РЕМИКС — смешанное оксидное уран-плутониевое топливо на основе неразделенной смеси извлеченных из ОЯТ реакторов ВВЭР урана и плутония с добавлением обогащенного природного или регенерированного урана. Использование такой смеси позволит сократить расход обогащенного урана примерно на 25% на каждый топливный цикл [15].
Особо следует отметить, что технологии ЗЯТЦ и ядерной энергетики на быстрых нейтронах должны выдержать экономическую конкуренцию со стороны других способов производства электроэнергии. Во всех упомянутых выше проектах экономические расчеты занимают важное место и показывают, что стоимость захоронения облученного топлива без переработки и стоимость переработки ОЯТ с последующим захоронением РАО (без урана и плутония) сопоставимы, а стоимость электроэнергии, вырабатываемой на новых моделях быстрых реакторов, не превышает стоимость электроэнергии, вырабатываемой реакторами на быстрых нейтронах [7, 11].
Заключение
Технологии замкнутого ядерного топливного цикла необходимо развивать для построения надежной безуглеродной энергетики будущего. Освоение технологий ЗЯТЦ и развитие двухкомпонентной атомной энергетики позволит отказаться от угля и природного газа к концу нынешнего столетия и обеспечит человечество надежным источником энергии с топливной базой на тысячи лет эксплуатации.
Литература
1. Счетчик населения Земли: https://countrymeters.info/ru/WorLd#popuLation_forecast
2. Отчет BP 2019, https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/gLobal/corporate/ pdfs/energyeconomics/statisticaL-review/bp-stats-review-2020-fuLL-report.pdf
3. Отчет BP 2020, https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/gLobaL/corporate/ pdfs/energyeconomics/statisticaL-review/bp-stats-review-2021-fuLL-report.pdf
4. Сайт международного энергетического агентства: https://www.iea.org/
5. Отчет МАГАТЭ и ЯЭА по урану 2020: https://www.oecd-nea.org/upLoad/docs/appLication/ pdf/2020-12/7555_uranium_-_resources_production_and_demand_2020__web.pdf
6. База данных по энергетическим реакторам МАГАТЭ: https://pris.iaea.org/PRIS/home.aspx
7. А. Шадрин, Практика покажет, Атомный эксперт, №6, 2021: https://atomicexpert.com/ practice_wiLL_show
8. В. Першуков, В. Артисюк, А. Каширский, Путь к «зеленой» энергетике для ядерных технологий. Энергетическая политика. 08.09.2021: https://energypoLicy.ru/put-k-zeLenoj-energetike-dLya-yadernyhenergotehnoLogij/energetika/2021/14/08/
9. Ш. Крикорян, Эффективность ядерного топливного цикла Франции: чему мы можем научится, Бюллетень МАГАТЭ, 04.09.2019: https://www.iaea.org/ru/newscenter/news/ effektivnost-yadernogo-topLivnogocikLa-francii-chemu-my-mozhem-nauchitsya
10. Белая книга ядерной энергетики. Замкнутый ЯТЦ с быстрыми реакторами/под общ. Ред. Проф. Е.О. Адамова. - М.: Изд-во АО «НИКИЭТ», 2000. -с.
11. Белая книга ядерной энергетики. Замкнутый ЯТЦ с быстрыми реакторами/под общ. Ред. Проф. Е.О. Адамова. - М.: Изд-во АО «НИКИЭТ», 2020. - 496 с.
12. Адамов Е.О. и др. Переработка отработавшего ядерного топлива и рециклирование ядерных материалов в двухкомпонентной ядерной энергетике - Атомная энергия, 2021, т. 130, вып. 1, с. 28 - 34.
13. В. Кащеев, Атомная энергетика «без хвоста», Атомный эксперт, №7, 2020: https:// atomicexpert.com/nucLear_power_without_taiL
14. А. Гулевич, Замыкая круг, Атомный эксперт, №5, 2020: https://atomicexpert.com/cLosing_ the_circLe
15. TepLov P.S., ALekseev P.N., Bobrov E.A., Chibiyaev A.V. PhysicaL and economicaL aspects of Pu muLtipLerecycLingon the basis of REMIX reprocessing technoLogy in thermaLreactors. - NucL. Sci TechnoL, 2016, v. 2, № 41, p. 1-7.
