№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 621.039
ПРОЕКТ "ПРОРЫВ" - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФУНДАМЕНТ ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
© 2015 г. Е.О. АДАМОВ 1, Р.М. АЛЕКСАХИН 2, Л.А. БОЛЬШОВ3, А.В. ДЕДУЛЬ1, В.В. ОРЛОВ1, В.А. ПЕРШУКОВ4, В.И. РАЧКОВ5, Д.А. ТОЛСТОУХОВ1, В.М. ТРОЯНОВ 1
1 Частное учреждение Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом" Инновационно-технологический центр проекта "ПРОРЫВ", Москва 2 Институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Россельхозакадемии, г. Обнинск 3 Институт проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ РАН), Москва 4Госкорпорация "Росатом", Москва
5Государственный научный центр Российской Федерации — Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского, Москва E-mail: rvi@proryv2020.ru
В статье анализируются проблемы развития современной ядерной энергетики (ЯЭ) и пути их решения на основе замкнутого ядерного топливного цикла (ЯТЦ) с быстрыми реакторами (БР). Определены технические требования к ядерным энергосистемам для создания крупномасштабной ЯЭ. Рассмотрены цели и решаемые научно-технические задачи проекта ГК «Росатом "ПРОРЫВ"», реализуемого в рамках Федеральной целевой программы "Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010—2015 гг. и на перспективу до 2020 года".
Ключевые слова: ядерная энергетика, быстрые реакторы, замкнутый топливный цикл, крупномасштабная ядерная энергетика, облученное ядерное топливо, безопасность, нераспространение, проект "ПРОРЫВ".
"BREAKTHROUGH" PROJECT - TECHNOLOGICAL BASEMENT FOR LARGE-SCALE NUCLEAR ENERGY
E.O. ADAMOV1, R.M. ALEKSAKHIN2, L.A.BOLSHOV3, A.V. DEDUL1, V.V. ORLOV1,
V.A. PERSHUKOV4, V.I. RACHKOV5, D.A. TOLSTOUHOV1, V.M. TROYANOV 1
1 Innovative technological center "PRORYV" Project, Moscow 2 Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology of RAAS, Obninsk
3 Institute for Safe Development of Atomic Energy Russian Academy of Sciences, Moscow 4 ROSATOM State Atomic Energy Corporation, Moscow 5 Federal State Unitary Enterprise "State Scientific Centre of the Russian Federation — Institute for Physics and Power Engineering named after A. I. Leypunsky", Moscow E-mail: rvi@proryv2020.ru
This article analyzes modern nuclear power development problems and ways to fix it using closing nuclear fuel cycle and fast reactors. It describes defined technical requirements to nuclear power systems for large scale nuclear power industry. Targets and scientific problems solved by Rosatoms's "Breakthrough" project that is part of Federal state program "Nuclear power technologies of the new generation in the period of 2010—2015 and up to 2020" are examined.
Key words: nuclear power, fast reactors, closing fuel cycle, large scale nuclear power industry, spent fuel, safety, non-proliferation, "Breakthrough" project.
1. Проблемы развития современной ядерной энергетики
Россия обладает полным циклом технологий для ядерной энергетики (ЯЭ) от добычи урановых руд до выработки электроэнергии и переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ). К началу 2014 г. в России на десять действующих АЭС эксплуатировалось 33 энергоблока общей мощностью 23,6 ГВт (э). Основу существующей ЯЭ составляют реакторы на тепловых нейтронах типа ВВЭР и РБМК, работающие в режиме открытого ядерного топливного цикла (ЯТЦ) с частичным использованием регенерированного урана. Доля атомной генерации в общем энергобалансе России составляет около 6%, при этом доля в выработке электрической энергии — около 17%. Важное значение атомная энергетика имеет в Европейской части России, и особенно на северо-западе, где АЭС вырабатывают 42% электроэнергии.
Ориентиры развития энергетики на среднесрочный период до 2030 г. определены утвержденной в 2009 г. "Энергетической стратегией России" [1]. В соответствии с этой стратегией мощность АЭС планируется увеличить к 2030 г. до 52—62 ГВт, что обеспечит выработку до 30% электроэнергии, производимой в России. Долгосрочные ориентиры развития ЯЭ в стране приведены в работе Института энергетических исследований РАН "Перспективы развития АЭС до середины XXI века", опубликованной в 2010 г. В этом исследовании рост мощностей АЭС в России к 2050 г. рассматривается в пределах 100—140 ГВт (э). При этом предполагается, что доля выработки ядерной электроэнергии к середине века по стране в целом достигнет 33—42%.
Глобальный экономический кризис, начавшийся в 2008 г., привел к некоторому снижению темпов экономического роста в РФ и, как следствие, к уменьшению текущих объемов и темпов роста энергопотребления. Дополнительным вызовом намеченным планам ближнесрочного развития мировой ЯЭ, стала авария на японской АЭС "Фукусима" в марте 2011 г.
Влияние этих факторов сказалось на ближайших планах развития ЯЭ во многих странах, включая Россию. В проекте плана Министерства энергетики, опубликованном в июле 2012 г., планируемый рост мощности ЯЭ в России на период до 2020 г. снизился на 15% с 39—41 до 34 ГВт(э) и ограничивается вводом в основном уже строящихся станций.
Но кризис лишь на время может сократить потребление энергоресурсов. При неизбежном росте населения и индустриального производства во многих странах мира можно ожидать, что скоро энергетические и экологические проблемы вновь возникнут, и в условиях ограниченных и неравномерно распределенных углеводородных ресурсов возрастет интерес к ядерной энергетике.
Очевидно, что дальнейшее развитие ЯЭ в нашей стране и в мире в период до 2030 г. будет реализовано в значительной степени на основе коммерчески освоенных технологий тепловых реакторов и открытого ЯТЦ, удовлетворяющих действующим требованиям в области безопасности. ГК "Росатом" разрабатывает новый проект реакторной установки "ВВЭР-ТОИ" единичной мощностью 1200—1300 МВт(э), в котором учитываются современные требования в области безопасности и тенденции развития строительной индустрии. Безусловно, АЭС с "ВВЭР-ТОИ" могут обеспечить прогнозируемые мощности ЯЭ России до 2030 г. При этом следует отметить, что планы реализации крупномасштабного развития ЯЭ во второй половине века на базе технологий тепловых реакторов могут оказаться невыполнимыми из-за ряда проблем, присущих ядерно-энергетической системе на основе тепловых реакторов:
— устойчивое снижение кредита общественного доверия к ЯЭ после тяжелых аварий на АЭС при опережающем темпе роста удельных капитальных затрат на повышение безопасности АЭС с тепловыми реакторами по сравнению с ТЭС;
— накопление значительного объема облученного ядерного топлива (ОЯТ) на фоне отсутствия технологий окончательной утилизации радиоактивных отходов (РАО), что формирует в общественном сознании представление о проблеме "ядерных отходов" как о принципиально неустранимой проблеме;
— опасность распространения ядерных оружейных материалов, связанная с используемыми в настоящее время промышленными технологиями обогащения урана и переработки ОЯТ с выделением плутония;
— ограниченность экономически приемлемых запасов природного урана при неэффективном его использовании в открытом ЯТЦ, что может ограничить масштабы и функционирование ядерной энергетики текущим столетием.
Именно эти проблемы лежат в основе того, что одно из наиболее представительных системных исследований последнего времени в области энергетики — проект Global Energy Assessment (GEA) [2], пришло в 2012 г. к неутешительному для ЯЭ выводу: "Ядерная энергетика это возможность, а не необходимость. Сценарии, рассмотренные в рамках проекта Глобальная Энергетическая Оценка (ГЕА), показывают, что возможно удовлетворить всем целям проекта ГЕО даже в случае отказа от ядерной энергетики. Будущее ядерной энергетики неопреленно, в первую очередь, из-за нерешенных проблем в самой ядерной энергетике, о чем свидетельствует авария на Фукусимской АЭС и существующие риски распространения".
Но эти исследования, как и многие другие ранее выполненные национальные и международные системные исследования, указывают на возможность и целесообразность значительного увеличения роли ЯЭ в энергообеспечении устойчивого развития на основе ядерных энерготехнологий нового поколения с характеристиками, отвечающими на вызовы современной ЯЭ.
2. Альтернативные стратегии крупномасштабного развития ядерной энергетики
Анализ подходов в России и других странах к перспективам развития ЯЭ показывает наличие двух тенденций:
1. Ориентация на развитие ЯЭ на базе существующих и усовершенствованных типов тепловых реакторов с открытым ЯТЦ, в котором сжигается лишь 235U. Сюда же можно отнести варианты с использованием ограниченного дополнительного топливного ресурса в виде смешанного оксидного уран-плутониевого топлива (MOX-топли-ва), получаемого путем однократной переработки ОЯТ этих реакторов, выделения накопленного в нем плутония и смешения его с отвальным (обедненным) ураном. Несмотря на длительную историю существования, доля MOX-топлива в общем производстве ядерного топлива в мире никогда не превышала 5%. В настоящее время наблюдается отказ от его использования в ряде стран, а также прекращение производства на некоторых из созданных заводах.
2. Ориентация на формирование замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) с вводом реакторов, обеспечивающих простое либо расширенное воспроизводство ядерного топлива (КВ > 1). Это могут быть либо традиционно рассматриваемые быстрые реакторы (БР), либо обсуждавшиеся еще в 1970-е гг. и вновь предлагаемые теперь в США легководные реакторы (ЛВР) с жестким спектром нейтронов. Способность воспроизводства позволяет вовлечь в энергопроизводство 238U, т.е. практически весь природный уран, путем наработки делящегося плутония.
При первом подходе в оборот вовлекаются все большие количества природного урана, энергетически используемого менее чем на 1%, и постоянно увеличивается объем хранящегося ОЯТ. Тем не менее, в современных условиях энергетического рынка (который, как и всякий рынок, работает с учетом лишь ближнесрочной перспективы), данный подход признается оправданным экономически. Концепция дальнейшего развития этого подхода получила распространение в США [3], обладающих крупнейшей в мире ядерной энергетикой и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.