Проект «Прорыв», который предполагает отработку технологии замыкания ядерного топливного цикла, реализуется на площадке Сибирского химического комбината в томском ЗАТО Северск . Технология замкнутого цикла необходима для атомной энергетики будущего.
Реализация проекта включает создание опытно-демонстрационного энергокомплекса (ОДЭК) в составе реактора на быстрых нейтронах со свинцовым жидкометаллическим теплоносителем БРЕСТ-ОД-300 с пристанционным ядерным топливным циклом, а также модуля фабрикации/рефабрикации топлива для этого реактора и модуля переработки его отработавшего топлива. БРЕСТ-ОД-300 планируется запустить в 2020 году.
«Начата облицовка нержавеющей сталью отдельных камер, где будет размещаться сложнейшее оборудование технологических линий по фабрикации нитридного топлива », - сообщил замгенерального директора госкорпорации «Росатом», руководитель проектного направления «Прорыв» Вячеслав Першуков по итогам заседания штаба по сооружению объектов капитального строительства ОДЭК с реакторной установкой «БРЕСТ-ОД-300».
К концу мая текущего года строители должны закончить перекрытия последнего этажа модуля фабрикации/рефабрикации топлива (МФР) на площадке ОДЭК. В состав МФР будут входить следующие основные производственные линии: линия карботермического синтеза смешанного нитрида урана и плутония; линия изготовления таблеток СНУП-топлива; линия сборки твэлов; линия сборки ТВС.
После этого начнется монтаж инженерных сетей внутри помещений. Сейчас ведутся работы по созданию систем теплоснабжения, в апреле начнется ее тестирование, а уже в сентябре планируется подать тепло в помещения модуля фабрикации/рефабрикации. Санпропускники, отдельные здания, насосные станции, резервуары для технической воды уже готовы к сдаче. Среди задач на этот год по созданию МФР Вячеслав Першуков назвал создание всей инфраструктуры комплекса по снабжению теплом, газом, водой, электричеством, по обеспечению стоков и сбросов. Основная цель – к концу текущего года получить площадку с готовыми коммуникациями. В соответствии с Федеральной целевой программой МФР планируется запустить в эксплуатацию в 2020 году.
В прошлом году было начато изготовление и поставка уникального оборудования для модуля фабрикации/рефабрикации. «АО «СвердНИИхиммаш» (г. Екатеринбург) поставили в АО «Сибирский химический комбинат» (г. Северск, Томская область) оборудование для участков входного контроля и подготовки комплектующих твэлов, установки горячего и холодного контроля герметичности твэлов и установки дезактивации твэлов», - рассказал замгенерального директора Юрий Чамовских.
Екатеринбуржцами также были разработаны, изготовлены и поставлены локальные системы управления линий карботермического синтеза изготовления таблеток СНУП-топлива* . В 2017 году АО «СвердНИИхиммаш» должен изготовить и испытать такие сложные технологические комплексы, как установки прессования шашек и таблеток, установку карботермического синтеза нитридных порошков, установку спекания таблеток. В наступившем году СХК планирует получить оборудование для двадцати технологических участков МФР. В 2017 году на проект «Прорыв» будет выделено 9 миллиардов рублей, в том числе 7 миллиардов выделит «Росатом».
На начало 2017 года численность персонала ОДЭК достигла 131 человека. В 2016 году комбинатом пройдены все необходимые процедуры по утверждению организационной структуры и штатного расписания ОДЭК, начат подбор кадров. Среди первых специалистов, принятых в дирекцию, сотрудники управления капитального строительства, отдела строительного контроля, производственно-технического отдела, планово-сметного отдела, отдела комплектации оборудованием и другие. Создана также технологическая служба по созданию плотного топлива, возглавляемая Дмитрием Зозулей. В дирекции ОДЭК уже работают сотрудники службы инженерной поддержки проекта по созданию реакторной установки «БРЕСТ-ОД-300» и технологической службы проекта по созданию производства по переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В основном стараются брать кадры внутри комбината. Об их дополнительном обучении и переподготовке у СХК есть договоренность с Северским технологическим институтом НИЯУ МИФИ.
Напомним, «Росатом» в настоящее время реализует на Сибирском химическом комбинате амбициозный проект «Прорыв» - один из главных современных мировых проектов в атомной энергетике. «Прорыв» предусматривает создание ядерных энергетических технологий нового поколения на базе замкнутого ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах. Проект «Прорыв» осуществляется в рамках федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010 - 2015 годов и на перспективу до 2020 года».
Результатом проекта должно стать создание конкурентоспособного продукта, который сможет обеспечить лидерство российских технологий в мировой атомной энергетике. Одним из направлений проекта является строительство опытно-демонстрационного энергетического комплекса в составе реакторной установки «БРЕСТ-ОД-300» с пристанционным ядерным топливным циклом и комплекс по производству смешанного уран-плутониевого (нитридного) топлива для реакторов на быстрых нейтронах.
Российские атомщики, занимающие первое место в мире в создании новых технологий для развития ядерной энергетики, должны сделать свое лидерство абсолютным, лишив отстающих зарубежных конкурентов надежд на преодоление технологического разрыва . Помимо России, тематикой реакторов на быстрых нейтронах в той или иной степени занимаются США, Франция, Китай, Япония, Индия, Южная Корея. По мнению экспертов, в своих работах они отстали от России на много лет.
*Одним из ключевых и самых продвинутых на сегодня элементов проекта является разработка смешанного уран-плутониевого нитридного топлива (СНУП). Это аналог МОКС-топлива, только вместо оксида урана используется нитрид. У него есть определенные плюсы, но почти полностью отсутствует опыт применения в реакторах - т.е. мы вполне можем и не знать о наличии существенных минусов у нитридов, например по неспособности держать достаточно высокие выгорания.
Из плюсов стоит отметить высокая степень выгорания в реакторах, большую теплопроводность, большую концентрацию атомов урана/плутония, чем в оксиде (т.к. там мононитрид), поэтому меньше паразитные потери нейтронов, выше использование урана/плутония и больший коэффициент воспроизводства плутония. Кроме того, совместимость с жидкометаллическим теплоносителем - нитрид не плавает в свинце, в отличие от оксидов, что важно при возникновении тяжелых аварий.
«Росатом» поставил себе задачу создать конкурентоспособный коммерческий быстрый реактор к 2030 году. Идеями о том, как этого достичь, поделились участники третьей ежегодной конференции «Прорыв» в Екатеринбурге.
«Борьба за место в мировой энергетической системе резко обострилась,- сразу подчеркнул актуальность задачи заместитель гендиректора «Росатома», глава блока по управлению
инновациями Вячеслав Першуков.- Поэтому основной критерий проекта - не реализуемость, а конкурентоспособность».
Что касается конкурентоспособности видов генерации, то атомная энергетика сегодня имеет явное преимущество по стоимости электроэнергии. Однако темпы роста возобновляемых источников заставляют задуматься. «Солнечная и ветровая генерация в обозримом будущем могут стать основными конкурентами атомной энергетики. Все будет зависеть от конкретной страны, ее географического положения и финансово-экономического благополучия»,- рассуждает Вячеслав Першуков.
ЦЕЛЕВАЯ LCOE МЕГАВАТТ-ЧАСА ДЛЯ ПЭК С РЕАКТОРАМИ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ И ЗЯТЦ
Но конкуренция намечается и внутри атомной генерации: реакторы на быстрых нейтронах и реакторы на тепловых. Поэтому среди задач проекта «Прорыв» не только создание технологии и демонстрация замыкания топливного цикла на промышленной основе (впервые в мире), но и экономика. «К 2030 году мы должны создать прототип коммерческого реактора на быстрых нейтронах. За вполне конкретные деньги»,- обрисовал задачу Вячеслав Першуков. Он добавил, что в мире началась гонка ядерных реакторов четвертого поколения, основные ее участники - Россия, Франция, США, Япония, Корея, Китай, Индия: «Все занимаются и реакторами на тепловых нейтронах поколения III+, и у каждой из этих стран в разной степени завершенности работы по тематике быстрых реакторов». Пока Россия в этой гонке занимает лидирующее положение. Однако, если разработка новых продуктов затянется, можно потерять и лидерство, и рынок, а также инвестиции.
Предварительные соображения, как оптимизировать стоимость «Прорыва», уже есть. Во-первых, сроки. «Росатом» в рамках программы инновационного развития намерен сократить срок реализации проектов от идеи до разработки для обычных технологий до пяти, максимум 10 лет, для ядерных - до 10, максимум 20 лет. В мировой практике разработка инновационного продукта занимает около пяти лет при непрерывных инвестициях в НИОКР, подчеркнул Вячеслав Першуков. «Раньше для создания нового топлива требовалось порядка 30 лет. В проекте «Прорыв» мы разрабатываем новое плотное топливо за семь-восемь лет»,- отметил он. По его мнению, это возможно благодаря переходу на проектное управление.
Кстати, судя по всему, наконец-то будет поставлена точка в многолетнем споре, что лучше - натриевый теплоноситель или свинцовый. Ответ в нынешних реалиях очевиден: лучше то, что дешевле.
К слову, быстрые реакторы с замкнутым топливным циклом априори имеют преимущество в экономике перед тепловыми - благодаря использованию плутония. «Мы сравнивали затраты на строительство АЭС с тепловыми реакторами и открытым топливным циклом и на АЭС с быстрыми реакторами и замкнутым топливным циклом. Вовлекаем в топливный цикл плутоний - цена за киловатт-час снижается более чем на 10% как в рублях, так и в долларах»,- рассказал Вячеслав Першуков.
Еще один инструмент - ПСР. Только за год благодаря Производственной системе «Росатом» стоимость проекта удалось сократить на 5 млрд рублей. Как помогут снизить стоимость технологические улучшения, показал на примере научный руководитель «Прорыва» Евгений Адамов: «Мы пришли к тому, что на первом этапе целесообразно пользоваться комбинированной технологией переработки ОЯТ. Пирохимическая технология должна максимально снять радиоактивность, а после этого привычная нам гидрометаллургия доочищает до такого уровня, что на фабрикации топлива мы будем иметь дело с чистыми компонентами. На промышленной стадии, скорее всего, экономически недопустимо будет использовать две в затылок поставленные технологии. Мы рассчитываем остановиться на одной, надеемся, что это будет пиротехнология».
ВЯЧЕСЛАВ ПЕРШУКОВ:
«МЫ СРАВНИВАЛИ
ЗАТРАТЫ НА СТРОИ-
ТЕЛЬСТВО АЭС С ТЕП-
ЛОВЫМИ РЕАКТОРАМИ
И ОТКРЫТЫМ ТОПЛИВ-
НЫМ ЦИКЛОМ И НА АЭС
С БЫСТРЫМИ РЕАКТО-
РАМИ И ЗАМКНУТЫМ
ТОПЛИВНЫМ ЦИКЛОМ.
ВОВЛЕКАЕМ В ТОПЛИВ-
НЫЙ ЦИКЛ ПЛУТОНИЙ -
ЦЕНА ЗА КИЛОВАТТ-ЧАС
СНИЖАЕТСЯ БОЛЕЕ ЧЕМ
НА 10% КАК В РУБЛЯХ,
ТАК И В ДОЛЛАРАХ»
С точки зрения содержания конференция была не совсем традиционной, так как рассматривались не технические аспекты, а экономика проекта и его место в энергосистеме будущего. Но вопросы о ходе работ не остались без внимания. Вячеслав Першуков доложил, что 80% НИОКР завершены и сейчас стоит вопрос о технологическом освоении их результатов. Готовы проекты реакторной установки, тестируется топ ливо. Испытывают 15 сборок со СНУП-топливом, 11 поставлено в БН-600, четыре извлечены - все сохранили герметичность. Послереакторные исследования показали, что выгорание составило примерно 5,5% т. а. - уровень, достигаемый в тепловых реакторах. Однако участники проекта считают, что у быстрых реакторов этот показатель должен составлять 12% т. а., и намерены продолжить работу, сообщил Евгений Адамов.
Сооружается первая очередь ОДЭК - модуль фабрикации, реактор МБИР в Димитровграде - исследовательская база для отработки реакторной технологии. «Технология начнет отрабатываться в 2020 году. К этому времени необходимо сформировать научную программу для ОДЭК и программу коммерциализации результатов»,- подчеркнул Вячеслав Першуков.
В свою очередь, Евгений Адамов проинформировал, что ведутся работы по активной зоне: «Это ряд гидравлических, коррозионных испытаний. Все беспокоятся о коррозионной стойкости металла в свинце - такие испытания проведены на несколько десятков тысяч часов: 60 тыс. часов для свинца-висмута, 16 тыс.- для свинца. И при соблюдении требований к содержанию кислорода в тяжелом теплоносителе мы имеем достаточно хорошую работоспособность конструкционных материалов». Макет топливной сборки для БРЕСТ-300 изготовлен на НЗХК. По прогнозам Евгения Адамова, в середине
2018 года должно начаться производство топлива для первой загрузки.
Ведутся работы по парогенератору - на расчетном уровне и на экспериментальных стендах, и по главному циркуляционному насосу. «Разработчик, ЦКБМ, сталкивается с тяжелыми условиями, поскольку эта среда в 10 раз плотнее воды, а надо в секунду перекачать 12 т теплоносителя»,- замечает Евгений Адамов. В целом, заключил он, работы ведутся, параметры подтверждаются, однако по полномасштабному стенду работы пока еще не начаты.
ДалееПроект Прорыв – один из главных современных мировых проектов в ядерной энергетике, реализуемый в России ведущими отраслевыми учеными и специалистами, в рамках которого предусматривается создание ядерных энергетических технологий нового поколения на базе замкнутого ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах.
Проект «Прорыв» осуществляется в рамках федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010 - 2015 годов и на перспективу до 2020 года». На сегодняшний день в девяти центрах ответственности проекта трудятся специалисты ведущих научных, проектных и производственных организаций Росатома.
Генеральный директор Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» Сергей Владиленович Кириенко:
«В сегодняшних условиях мы должны быстрее, чем планировалось, представить на рынке новое поколение конкурентоспособных технологий. Цель проекта «Прорыв» - это не только уникальный результат научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ, но и создание конкурентоспособной технологии, с помощью которой атомная отрасль России сможет не только сохранить, но и усилить свое лидерство на мировом рынке в ближайшие 30 лет».
В ближайшие пять лет на площадке Сибирского химического комбината планируется возвести опытно-демонстрационный энергетический комплекс в составе энергоблока с реактором БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем и замыкающего ядерный топливный цикл пристанционного завода, который включает в себя модуль переработки облученного смешанного уран-плутониевого (нитридного) топлива и модуль фабрикации/рефабрикации для изготовления стартовых твэлов из привозных материалов, а впоследствии твэлов из переработанного облученного ядерного топлива.
Система управления проектом «Прорыв» в 2014 году победила во Всероссийском конкурсе «Проектный Олимп», проводимом Аналитическим центром при Правительстве Российской Федерации, в номинации «Системы управления проектами с совокупным бюджетом более 500 млн руб. в госкорпорациях, институтах развития, государственных компаниях».
Научный руководитель проектного направления «Прорыв» Евгений Олегович Адамов:
«Проект «Прорыв» сегодня выполняется с опережением сроков по отношению к другим проектам ядерной энергетики мирового уровня примерно на 10 лет, более половины НИОКР по проекту завершены. Внедрение результатов проекта поэтапно в диапазоне 2020-2030-х гг. даст старт развитию крупномасштабной ядерной энергетики, создаст предпосылки укрепления России в качестве лидера на мировом рынке ядерных технологий и продуктов».
Многопрофильность проекта, потребовавшая привлечения ряда отраслевых предприятий, университетов и институтов РАН, определила необходимость возвращения к практике проектного управления, некогда успешно использованной при решении задач создания ядерного оружия и ракетных средств его доставки. Вместо формирования новых предприятий, как в эпоху первого атомного проекта, на существующих профильных базовых предприятиях ГК «Росатом» были выделены Центры ответственности (ЦО) по реакторным установкам, разработки технологий смешанного уран-плутониевого топлива, по переработке ОЯТ, обращению с РАО, созданию кодов нового поколения. Данные ЦО объединены в рамках проектного подхода под единым научным и административным руководством. Такой метод управления является для отрасли пилотным, и это еще одна новация, которая в случае успеха будет применяться в дальнейшем.
Ядерный реактор откроет новую страницу в энергетике Земли
Сорок три гектара территории, серые монолитные стены, обильно торчащая в небо арматура, краны и 600 рабочих. Через три года на этом месте, в закрытом городе Северске , в 25 километрах от Томска , начнёт работать первая в мире Perpetuum Mobile мощностью 300 мегаватт – атомная станция с замкнутым топливным циклом и расплавленным свинцом в качестве теплоносителя. Предприятие называется опытным, так как супертехнологии для него пока рассчитаны лишь на математических моделях. Однако, проверив их на действующем реакторе, наши атомщики получат референтную АЭС нового поколения, оторвавшись от конкурентов из Toshiba, Areva и прочих на десятилетия. Проект, который имеет говорящее название «Прорыв », обещает энергию без опасности и, главное, без добычи урана.
Скептики и мирный атом
Пара слов для тех, кто считает мирный атом пережитком. Потребность человечества в энергии удваивается каждые 20 лет. Сжигание нефти и угля приводит к ежегодному образованию порядка полумиллиарда тонн сернистого газа и окислов азота, то есть по 70 килограммов вредных веществ на каждого жителя земли. Использование АЭС эту проблему снимает. Мало того, запасы нефти ограничены, а энергоемкость одной тонны урана-235 примерно равна энергоемкости двух миллионов тонн бензина.
Важна также себестоимость. На ГЭС киловатт-час электроэнергии обходится в 10-25 копеек, но гидропотенциал в развитом мире практически исчерпан. На угольных или мазутных станциях – 22-40 копеек, но встают экологические проблемы. На промышленных ветряных и солнечных электростанциях – 35-150 копеек, дороговато, да и кто гарантирует постоянный ветер и отсутствие облаков. Себестоимость атомной энергии – 20-50 копеек, она стабильна, создает куда меньше экологических проблем, чем сжигание нефти и угля, ее потенциал безграничен.
Руководитель проекта по созданию БРЕСТ-ОД-300 Андрей Николаев
Наконец, российский мирный атом оказался почти вне конкуренции. В 2010 году, когда после 24-летнего «похолодания» многие страны снова захотели строить АЭС, наши реакторы оказались дешевле и не хуже японских, французских и американских прототипов. Более того, мы, в отличие от конкурентов, все эти годы строили АЭС – «Росатому» было что показать потенциальному заказчику.
Руководство госкорпорации грамотно распорядилось полученной форой. В итоге Westinghouse Electric в прошлом году обанкротилась. Toshiba, выкупившая ранее Westinghouse Electric, дышит на ладан. Финансовое состояние Areva тоже завидным не назовешь. Зато на «Атомэкспо-2016» приехали делегации 52 стран. У 20 из этих стран атомной энергетики до сих пор не было. Теперь они впервые появятся в Египте, Вьетнаме, Турции, Индонезии, Бангладеш – наши, российские АЭС.
Глубокий ад
Основная проблема атомной энергетики сегодня – топливо . Рентабельно извлекаемого урана на земле осталось 6,3 миллиона тонн. При учетах роста потребления хватит приблизительно на 50 лет. Стоимость – около 50 долларов за килограмм руды сегодня, но по мере вовлечения в добычу менее рентабельных месторождений она будет расти до 130 долларов за килограмм и выше. Есть, конечно, добытые запасы, и не маленькие, но и они не навсегда.
Уран добывается тяжело или очень тяжело . В породе урановой руды бывает порядка 0,1-1 процента, плюс-минус. Залегают руды на глубине около километра. Температуры на разработках выше 60 градусов по Цельсию. Добытую породу необходимо растворить в кислоте, чаще серной, чтобы из раствора выделить урановую руду. На некоторых месторождениях под землю сразу закачивают серную кислоту, чтобы потом забрать ее вместе с растворенным ураном. Однако есть урановые породы, которые в серной кислоте не растворяются…
Наконец, в очищенном уране только 0,72 процента необходимого изотопа – уран-235. Того самого, на котором работают атомные реакторы. Выделить его – отдельная головная боль. Уран превращают в газ (гексафторид урана) и пропускают через каскады центрифуг, вращающихся со скоростью порядка двух тысяч оборотов в секунду, где отделяют легкую фракцию от тяжелой. Отвал – уран-238, с остаточным содержанием урана-235 0,2-0,3 процента, в 50-е годы просто выбрасывали. Но потом стали хранить в виде твердого фторида урана в специальных контейнерах под открытым небом. За 60 лет на земле накопилось порядка двух миллионов тонн фторида урана-238 . Зачем его хранят? Затем, что уран-238 может стать топливом для быстрых атомных реакторов, с которыми до сих пор у атомщиков были сложные отношения.
Всего в мире было построено 11 промышленных реакторов на быстрых нейтронах: три в Германии, два во Франции, два в России, по одному в Казахстане, Японии, Великобритании и США. Один из них – SNR-300 в Германии так и не был запущен. Еще восемь остановлены. Работающих осталось два . Как вы думаете где? Правильно, на Белоярской АЭС.
С одной стороны, реакторы на быстрых нейтронах безопаснее привычных, тепловых. В них нет высокого давления, нет риска пароциркониевой реакции и так далее. С другой – напряженность нейтронных полей и температура в рабочей зоне выше, сталь, которая бы сохраняла свои свойства при том и другом параметрах, изготовить сложнее и дороже. К тому же, в качестве теплоносителя в быстром реакторе нельзя использовать воду. Остаются: ртуть, натрий и свинец. Ртуть отпадает по причине высокой коррозионной активности. Свинец надо умудриться поддерживать в расплавленном состоянии – температура плавления 327 градусов. Температура плавления натрия – 98 градусов, поэтому все быстрые реакторы до сих пор делали с натриевым теплоносителем. Но натрий слишком бурно реагирует с водой. Случись повреждение контура… Как и вышло на японском реакторе «Мондзю» в 1995 году. В общем, с быстрыми оказалось слишком сложно.
Схема энергоблока с реактором «Брест-300»
Не волнуйтесь, не застынет
– Не волнуйтесь, свинец в нашем реакторе «Брест-300» не только никогда не застынет, но никогда не охладится ниже температуры в 350 градусов, – рассказывает «Ленте.ру» руководитель проекта по созданию БРЕСТ-ОД-300 Андрей Николаев . – За это отвечают специальные схемы и системы. Это совершенно новый проект, не имеющий отношения к свинцово-висмутовым реакторам, которые стояли на подводных лодках. Здесь все разрабатывалось с учетом последних разработок, технологий, достижений. Это будет первый в мире быстрый реактор со свинцовым охлаждением . Недаром же он называется «Прорыв». Перед вами предприятие будущего – АЭС четвертого поколения с замкнутым топливным циклом.
По стройке полазить мне не дали – здесь гриф секретности. Фотографировать тоже не разрешили, поэтому снимки не мои. Их делал человек, которому заранее объяснили, с каких ракурсов можно запечатлевать объект, а с каких нельзя. Зато Андрей Николаев подробно объяснил, почему и в каком порядке строятся три завода «Прорыва» и как атомная станция может работать без урана .
Предприятие будет состоять из трех заводов : завод по производству топлива, собственно реактор и завод по переработке топлива. Завод по производству топлива будет фабриковать абсолютно нового состава твэлы, не имевшие аналога в мире. Это смешанное нитридное уран-плутониевое топливо – СНУП. Делящимся материалом в новом реакторе будет плутоний . А уран-238, сам не делящийся, будет попадать под облучение тепловыми нейтронами и превращаться в плутоний-239. То есть реактор «Брест-300» будет выделять тепло, электричество, а кроме того, для самого себя готовить топливо.
Двух зайцев одним выстрелом
В мире сегодня работают 449 мирных промышленных атомных реакторов и еще 60 строятся. Во время эксплуатации этих реакторов, прошлых и будущих, возникает плановая проблема – отработанные тепловыделяющие сборки. Сначала их складывают в специальные ванны, где они несколько лет «остывают». Затем, «остывшие» твэлы складывают в «сухие» хранилища, где они накапливаются в больших количествах. Мощностей, способных перерабатывать отработанные сборки в разы меньше, чем необходимо. Почему? Потому что это очень сложно и дорого.
В проекте «Прорыв» будет построен собственный завод по переработке топлива. Как вы уже догадываетесь, завод этот будет не только уничтожать отгоревшее топливо, но выдавать на выходе сырье для новых сборок . Старые твэлы будут растворять в кислоте, возможно серной, затем на заводе с помощью непростых химических технологий разделят раствор поэлементно. Ненужное кондиционируют и захоронят, нужное используют. Кроме сырья для нового топлива, предприятие будет добывать из старых сборок редчайшие изотопы тяжелых элементов, востребованные в медицине, науке и промышленности.
Кстати, мощность реактора в 300 мегаватт выбрана не случайно. При этой мощности он будет производить столько же плутония, сколько потребляет. Такой же реактор с большей мощностью произведет больше топлива, чем потребит. Так что один раз загруженный реактор «Брест» будет работать как заурядный Perpetuum Mobile. Потребуется только небольшая подпитка предприятия обедненным ураном. Ну, а уран-238, как я уже упоминал, накоплен атомной промышленностью в таком количестве, что хватит на вечность.
Макет будущей АЭС
Большая кастрюля
– Чтобы вы представили себе реактор, – продолжает Андрей Николаев. – Это кастрюля высотой 17 метров и диаметром 26 метров. В нее будут опущены тепловыделяющие сборки. Через нее будет циркулировать теплообменник – расплавленный свинец. Все оборудование от и до только российского производства. Это будет совершенно безопасный реактор с запасом реактивности меньше единицы. То есть в соответствии с законами физики ему просто не хватит реактивности для разгона. Масштабные аварии на нем не-воз-мож-ны. Никогда не потребуется эвакуация населения. Любой сбой, если он случится, не выйдет за границы здания предприятия. Даже выбросов в атмосферу в результате гипотетической аварии не будет.
В реакторе «Брест-300» будет внедрена автоматическая очистка теплоносителя. Теплоноситель нового реактора, то есть свинец, не потребует замены никогда. Таким образом исключается еще один проблемный отход традиционной ядерной энергетики – ЖРО.
Проблемы решаются по ходу
Авторы проекта «Брест-300» НИКИЭТ имени Доллежаля. Деньги выделяются в срок, строительство идет запланированными темпами, завод по фабрикации топлива начнет работать первым. Пуск реактора назначен на 2024 год . Затем будут достраивать модуль переработки топлива. Параллельно со строительством продолжаются работы по НИОКР. По результатам этих работ в строительство периодически вносятся изменения, поэтому окончательная финальная временная точка не называется.
У проекта «Брест» в академических кругах есть недоброжелатели. Это понятно, проект победил на конкурсе, в котором участвовали еще несколько именитых институтов. Критики называют технологии, используемые в «Бресте», – недоработанными. В частности, ставят под вопрос использование расплава свинца в качестве теплоносителя и так далее и тому подобное. Мы не будем влезать в детали, они слишком сложны и неоднозначны. С другой стороны – почему мы должны не доверять нашим атомщикам? Все проекты, которые СССР, а вслед за ним Россия делали в атомной отрасли, оказывались на шаг впереди западных и восточных аналогов.
«Росатом» подготовил перспективную программу развития атомной энергетики, но эксперты считают, что это путь в прошлое
Осенью прошлого года Правительство РФ утвердило проект «Прорыв» - план «Росатома» по сооружению в стране до 2030 года ряда объектов ядерной энергетики и отработке технологии полного замыкания ядерного топливного цикла. На Татарской АЭС будет построен и введён в эксплуатацию один энергоблок с реактором ВВЭР--ТОИ мощностью 1250 МВт, на Нижегородской АЭС - два подобных энергоблока на 2510 МВт, на Белоярской АЭС - энергоблок №5 с реактором на быстрых нейтронах БН--1200, в Челябинской области - Южноуральская АЭС с реактором на быстрых нейтронах на 1200 МВт, в Северске Томской области - реактор БРЕСТ--300.
Принятие столь масштабной программы, несомненно, ограничит возможности финансирования государством любых других энергетических проектов, ведь стоимость строительства одной только Курской АЭС--2 превысит 200 миллиардов рублей. Неудивительно поэтому, что не все наши эксперты безоговорочно поддержали это решение правительства, а некоторые выступили с разумной критикой по этому поводу.
ЧТО ДАДУТ «БЫСТРЫЕ» НЕЙТРОНЫ
Цивилизованный мир по-прежнему держится на углеводородной энергетике - львиная доля электричества, которое мы потребляем, получена путём сжигания нефти и газа. Но запасов углеводородов на планете хватит ещё на 40-60 лет, спад в добыче нефти и газа может начаться уже с 2020 года. Так что вопрос о том, как жить дальше, с каждым днём становится всё острее, а работы по поиску энергетической альтернативы - всё масштабнее.
Если не считать возможности использования энергии ветра и Солнца, до недавнего времени науке были известны всего две такие возможности: извлечение энергии при делении ядер тяжёлых элементов и при слиянии ядер самого лёгкого - водорода. Обе весьма опасны: в первой приходится приручать атомный взрыв, во второй - термоядерную реакцию, которая питает звёзды и пугает нас водородной бомбой. Воплощение первого пути - атомная энергетика развивается с середины прошлого века, однако её доля в мировом энергобалансе меньше, чем даже вклад ветровой и солнечной энергетики - всего 5,5%.
Существует два класса ядерных реакторов: на медленных нейтронах (например, водо-водяные, или ВВЭР) и на быстрых нейтронах. ВВЭР относительно безопасны в эксплуатации и составляют основу современной мировой атомной энергетики. Но работают они только на уране, обогащённом примерно до 5%, и это большая проблема, ведь даже при действующем уровне потребления мировые запасы урана с разумной стоимостью добычи, до 130 долларов за килограмм, истощатся примерно через 100 лет.
Реакторы на быстрых нейтронах (их называют бридерами, то есть размножителями) отличаются от всех остальных: плотность тепловыделения в них в разы больше, и в качестве теплоносителя вместо воды в них приходится использовать жидкий натрий или свинец. Там происходит очень интенсивное выделение нейтронов, которые поглощаются слоем урана--238, расположенного вокруг активной зоны. Этот уран превращается в плутоний--239, который затем тоже может использоваться в реакторе как делящийся элемент.
Программа «Росатома» предполагает использовать блоки с «быстрыми» реакторами в сочетании с реакторами на тепловых нейтронах. По идее, бридеры помогут решить проблему накопления отработанного ядерного топлива (ОЯТ) «тепловых» реакторов и приблизиться к так называемому замкнутому ядерному топливному циклу (ЗЯТЦ) - когда объём и токсичность захораниваемого ОЯТ сравняется с объёмом и токсичностью природного сырья «на входе».
Общий недостаток всей современной атомной энергетики состоит в том, что она фактически исключает возможность контроля за нераспространением ядерного оружия на Земле: каждое государство, имеющее современную АЭС, которая постоянно производит плутоний, теоретически может сделать свою собственную атомную дубину.
Второй путь предполагает генерацию энергии при управляемой термоядерной реакции. Однако термоядерные исследования в магнитных ловушках, проводимые в мире более 60 лет, так и не привели к созданию функционирующего реактора даже с КПД, равным нулю - все они требуют куда больше энергии, чем вырабатывают сами. А нерешённые проблемы однозначно выльются в многомиллиардные затраты и десятки лет исследований. И вот вопрос: а есть ли у нас столько времени? Можем ли мы позволить себе ошибку в выборе энергетических приоритетов?
КТО ПРОТИВ И ПОЧЕМУ?
Бывший заместитель директора ВНИИ атомного энергетического машиностроения, профессор Игорь Острецов с единомышленниками, работая ещё в советском Минатоме, обнаружил: при облучении протонами высоких энергий даже свинца или отработанного ядерного топлива реакция деления с выделением энергии тоже происходит, но осколки деления имеют иной изотопный состав и быстро теряют активность.
На этой основе он разработал новый способ извлечения энергии атома - релятивистскую ядерную технологию - и предложил свою программу развития ядерной энергетики, не без основания считая её совершенно безальтернативной. В самом деле, запасы природного и отвального (обеднённого) урана на планете весьма велики, а проблема нераспространения и задача утилизации отработанного ядерного топлива решаются при таком образе действий сами собой.
- Игорь Николаевич, а что не так с бридерами?
Мы не только обеими ногами встали на дорожку развития бридерной технологии получения атомной энергии, но уже и бежим по ней во весь опор. А дорожка-то скользкая и ведёт в тупик, ибо коэффициент воспроизводства топлива в этой технологии - меньше единицы. Увеличить вклад атомной энергетики в общемировой энергетический баланс таким способом не удастся. Бридеры критически нуждаются в высокообогащённом уране. Запасы же такого урана в природе крайне ограничены, мир уже сегодня ощущает урановый дефицит. Вопрос: а может ли такая технология стать полноценной альтернативой углеводородной энергетике? Ответ однозначный: нет, не может. Мало того, она сложна и потому требует огромных ресурсов. Наконец, она крайне опасна. Одно из её «тонких мест» - система охлаждения, где циркулирует жидкий натрий. На открытом воздухе он жадно поглощает атмосферную влагу, горит и взрывается, и водой его не зальёшь. А в бридере, наполненном радиоактивным топливом, этого натрия десятки тонн - что если авария? Но аварии сопровождают развитие бридеров с самого начала. Первый в мире бридер, «Энрико Ферми», в 1957--м запустили США, серьёзная авария произошла там уже в 1966--м, и в 1972--м он остановлен. В 1995 году в Японии из--за утечки 20 тонн радиоактивного натрия едва не взлетел на воздух бридер «Монзю». Оба французских бридера, «Феникс» и «Суперфеникс», тоже были заглушены из--за неполадок.
- Но в США при Буше была даже принята национальная программа по развитию реакторов на «быстрых» нейтронах.
Впечатление такое, что это были пустые декларации, с одной лишь целью - заставить нас выбрать этот путь и пойти по нему. Подождать, пока мы создадим программу, мобилизуем ресурсы, производственные мощности, специалистов, а самим после двинуть в другую сторону. На этой волне у нас и была сформирована программа «Прорыв» (консолидация достижений в разработке реакторов большой мощности на быстрых нейтронах, технологии ЗЯТЦ и новых видов топлива для создания ядерно-энергетического комплекса, основанного на системе АЭС с бридерами - Ред .).
А у них после этого к власти пришёл Обама и свернул бридерную программу США как абсолютно абсурдную. И назначил министром энергетики США человека из Массачусетского технологического института Эрнеста Мониза, специалиста по ускорителям элементарных частиц. Я считаю этот шаг знаковым, внимательному наблюдателю он всё объясняет.
Альтернатива бридерам есть: это новый метод генерации энергии, который мы назвали ядерными релятивистскими технологиями (ЯРТ). Принцип - совместить ядерный реактор с ускорителем элементарных частиц. Результат - ядерная релятивистская электростанция, ЯРЭС - без сверхкритической массы делящихся продуктов и потому абсолютно взрывобезопасная. Она сможет работать на уране из отвалов радиохимических предприятий, на природном уране, на тории. И будет способна «дожигать» в короткоживущие изотопы всю ту гадость, которую сегодня мы не знаем, куда девать - радиоактивные отходы и облучённое ядерное топливо, а также полностью перерабатывать долгоживущие продукты - актиноиды тепловыделяющих элементов подлодок и старых АЭС. Что сократит объём радиоактивных отходов в разы и решит проблему нехватки урана для атомных станций.
- Звучит фантастически.
Всё основано на отечественных разработках. Сердце ЯРЭС - линейный ускоритель Богомолова на обратной волне, сверхкомпактная машина по производству протонов с энергиями порядка 10 ГэВ (гигаэлектронвольт). Классическому ускорителю на каждый ГэВ на выходе нужен 1 километр длины (на 4 ГэВ - 4 километра). А 4- ГэВ-ускоритель Богомолова легко помещается в грузовой отсек транспортного самолёта Ан--124 «Руслан». Это советская разработка, изобретение моего сокурсника по МФТИ Алексея Богомолова. Не все ещё забыли разговоры про советский асимметричный и недорогой ответ на американскую программу «звёздных войн» Рональда Рейгана? Богомоловская машина была частью советского ответа Рейгану - габаритами с железнодорожный вагон, на борту «Руслана» она становится обнаружителем ядерного оружия на большом расстоянии и может уничтожать его пучком протонов. Будь она сегодня на вооружении отечественной морской авиации, фактически обнулила бы весь авианосный флот США.
- Почему же у нас до сих пор нет госпрограммы развития ЯРТ?
Этот вопрос не ко мне. Да, рядом аспектов ЯРТ, глубоко подкритичными системами, занимается Физико--энергетический институт им. А.И. Лейпунского в городе Обнинске (ФЭИ). Некоторые эксперименты ведутся и в Дубне, но при очень скудном финансировании. Бьётся за ЯРТ Валерий Чилап, глава Центра физико-технических проектов «Атомэнергомаш», с ним мы начинали эту работу. Он вложил в эксперименты по ЯРТ на массивной урановой сборке в Дубне почти все собственные средства и годами обивает пороги росатомовского начальства, добиваясь (задумаемся!) объективной экспертизы проекта разработки ЯРТ.
Нет, вы понимаете, до чего мы дошли? Как можно держать такие вещи в долгом ящике? Люди, представляющие интересы государства в важнейших вопросах национальной безопасности, настолько безответственны, до такой степени не боятся совершить ошибку, которая может стоить России её суверенитета (не забыли, что, с недавних пор, бывший министр энергетики США - специалист по ускорителям частиц?).
Кстати: кто сегодня знает, что мы создали радиолокатор на год раньше британцев? Был такой Павел Ощепков, служил на Алтае лейтенантом инженерных войск.
Он сообразил, как определять положение и скорость самолётов при помощи электромагнитных волн. Придумал конструкцию и, как положено, написал докладную своему начальнику. Тот ничего не понял и отправил докладную наверх. Так бумага Ощепкова миновала с десяток командиров и за один (!) месяц добралась до стола самого Ворошилова. Тот тоже ничего не понял и тоже ответственности на себя не взял - собрал экстренное заседание Академии наук СССР и пригласил туда изобретателя. Академики его выслушали и постановили: по науке всё возможно, но априори результат неизвестен. Поэтому академику Иоффе и лейтенанту Ощепкову решили выделить людей и средства для постройки прототипа и его полевых испытаний. Результат доложили «самому» ещё через месяц: есть радиолокатор! В 1934 году. Вот что значит система.
Профессор И.Н. Острецов во время эксперимента в Протвино
СТАВКИ СДЕЛАНЫ?
Для полноты картины мы задали прямой вопрос руководителю проекта департамента коммуникаций Госкорпорации «Росатом» Андрею Иванову: существует ли консолидированное мнение экспертов «Росатома» по предложениям Острецова и его единомышленников?
Андрей Иванов изложил официальную позицию госкорпорации с исчерпывающей ясностью: «Какой--либо государственной программы или проекта ЯРТ на уровне ведущих российских институтов или РАН в настоящее время нет».
А источник, близкий к «Росатому» и пожелавший остаться за кадром, пояснил, что никто в корпорации проекта ядерной релятивистской технологии (ЯРТ) Острецова не видел, не говоря уж о научном и экономическом обосновании тех идей, которые тот постоянно озвучивает для СМИ.
«Но даже если бы он и представил нечто подобное на нашу экспертизу, полагаю, что обратился бы он не по адресу, ведь «Росатом» - это организация практиков, мы воплощаем в жизнь инновации, уже прошедшие путь от физической идеи до надёжно, эффективно и безопасно работающих энергетических установок. А с голыми идеями ему надо в Курчатовский институт, это их прямой профиль. И не будем изображать «Росатом» этаким монстром, который тормозит прогресс человечества. Просто потому, что объективно это не так. Мы - практики, этим и интересны», - добавил он.
Что же касается состоятельности собственной энергетической программы «Росатома», то своё мнение высказали ряд ведущих специалистов отрасли.
Андрей Говердовский, директор ГНЦ ФЭИ им. Лейпунского:
Да, в топливе реакторов ВВЭР используется уран-235, реакторы же на быстрых нейтронах уникальны - они способны размножать топливо, превращая непригодный для «горения» уран-238 в пригодный для «горения» плутоний. Да, здесь есть много проблем. Необходимо заставить вращаться топливо внутри замкнутой энергетической системы, попутно сжигать много радиоактивных отходов. Эти проблемы и решает проект «Прорыв», создавая реакторы и систему обращения с ОЯТ для замкнутого ядерного топливного цикла. И реакторы на быстрых нейтронах - его основа. Мы в России более 30 лет эффективно эксплуатируем БН-600 с натриевым теплоносителем, сейчас ввели в работу БН-800. В атомной энергетике будущего, которая решит проблему накопленных отходов, мы - мировые лидеры.
Валерий Беззубцев, замгендиректора, директор по технологическому развитию АО «Концерн Росэнергоатом»:
Цель проекта сооружения энергоблока с реактором БН-800 - переход от открытого топливного цикла с урановым топливом (БН-600) к замкнутому топливному циклу с уранплутониевым смешанным топливом, создание пилотного производства смешанного топлива и отработка замкнутого цикла с его внедрением в производство. Эта технология основана на использовании уранплутониевого топлива и взаимодополняющей работы традиционных и «быстрых» реакторов, способной обеспечить сырьевую независимость и малоотходность атомной энергетики России. Она вовлекает в энергопроизводство уран-238 из накопленных отвалов, отработавшее ядерное топливо и накопленный плутоний, чем минимизирует отходы, подлежащие окончательной изоляции.
Главное для нас - безопасность: хотя у нас уже есть многолетний успешный опыт эксплуатации БН-600, этого недостаточно. Поэтому проект БН-800 включает пассивные системы безопасности, которые обеспечивают минимальную вероятность аварии с расплавлением активной зоны и исключают выделение плутония в топливном цикле при переработке облучённого ядерного топлива. Этот проект нужен для отработки технологии реакторов на «быстрых» нейтронах с использованием уранплутониевого топлива. Этот опыт будет учтён в проекте БН-1200 - после разработки и утверждения проектной документации, успешного строительства и опыта эксплуатации «головного» энергоблока он должен стать первым в серии таких же БН-1200 на других АЭС. Реактор БН-800 нужен и для отработки технологий ЗЯТЦ - на нём будет использоваться МОКС-топливо на основе плутония, выделенного при переработке уже отработавшего ядерного топлива других реакторов. В настоящее время такой плутоний хранится на складах, и наша задача - утилизировать его в быстрых реакторах.
Отмечу, что не мы одни сделали ставку на быстрые реакторы: ещё в 1987 году руководство КНР включило в свою госпрограмму по развитию высоких технологий проект 863, «Развитие технологии быстрого реактора-бридера». Они решили создать у себя экспериментальный реактор на «быстрых» нейтронах CEFR, 65 МВт тепловой мощности и 20 МВт - электрической, и для оптимизации расходов привлечь иностранцев. Их выбор пал на Россию, что неудивительно - именно у нас самый большой в мире опыт в этой сфере. Это наше сотрудничество с КНР началось в 1992 году, в июле 2010 года мы совместно совершили успешный пуск экспериментального реактора CEFR, в 2011-м подключили его к электросети. А в августе 2010-го РФ и КНР подписали соглашение о строительстве двух энергоблоков на быстрых нейтронах типа БН-800. По стратегическому плану развития атомной энергетики КНР замыкание ядерно-топливного цикла будет достигнуто ими в 2030-х годах. И мы хорошо знаем, как китайцы умеют выполнять то, что наметили.
ЯДЕРНЫЙ КАСКАД
Готовя этот текст к публикации, мы решили узнать, удовлетворён ли профессор Острецов реакцией экспертов «Росатома». Вот что сказал нам Игорь Николаевич:
Хорошо, что «Росатом» наконец-то обозначил свою позицию по ЯРТ. Она, как мы видим, сводится к следующим положениям:
1. Искать новые направления в развитии атомной энергетики - не его дело. Этим должен заниматься Курчатовский институт.
2. Очевидно, поэтому он развивает только то, что получил в наследство от советской атомной промышленности.
3. Для поддержки ЯРТ ему нужны хорошо проработанные предложения.
4. Таким образом, решение может принять только руководство страны. Оно должно собрать и провести совещание по этому вопросу, иначе, как говорит НИЦ «Курчатовский институт»: «Сейчас живёт последнее поколение людей».
Позиция Курчатовского института сегодня однозначна: поскольку в бридерах коэффициент воспроизводства топлива - меньше единицы, без создания мощного источника нейтронов в ближайшей перспективе человечество не выживет. В чём я с ними полностью согласен. Однако в качестве источника нейтронов для извлечения энергии атома эксперты института предлагают термоядерный источник нейтронов, который ещё не создан. Я же предлагаю использовать для этого ядерный каскад, инициированный релятивистскими заряженными частицами в актиноидной мишени полного поглощения, то есть ЯРТ. И считаю, что другой альтернативы для выживания человечества в XXI веке нет.
В середине августа прошлого года президент Владимир Путин поручил правительству, Госкорпорации «Росатом» и НИЦ «Курчатовский институт» подготовить до 1 марта 2017 года предложения о возможности применения в качестве перспективного сырья для ядерного топлива… тория. Его содержание в земной коре в 45 раз выше содержания урана, а месторождения более доступны. Заметим, что в контексте нашего разговора этот вариант имеет явные признаки временного компромисса. К настоящему моменту, однако, по открытым источникам не проходило никаких данных о результатах исполнения этого поручения президента.
ИЗ ДОСЬЕ «СОВЕРШЕННО СЕКРЕТНО»:
Игорь Острецов - д. т. н., профессор, бывший заместитель директора ВНИИ атомного энергетического машиностроения, один из виднейших специалистов по атомной энергетике, автор ряда важных открытий в этой области, руководитель работ по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС со стороны Министерства энергетического машиностроения СССР.
В 1998 году он провёл эксперимент по облучению свинцовой сборки протонами с энергией 5 ГэВ на большом ускорителе Института ядерной физики в Дубне. Очень слабо делящийся свинец нагрелся в разы сильнее, чем предсказывалось известными расчётными кодами! Это были первые указания на возможность создания релятивистской ядерной энергетики - сочетания ускорителя и подкритического реактора, где не нужны ни уран-235, ни плутоний-239. В 2002-м аналогичный опыт был проведён под его руководством на ускорителе в Протвино. 12-часовое облучение свинцовой мишени протонами в диапазоне энергий от 6 до 20 ГэВ привело к тому, что свинец, который сразу после облучения очень сильно «светил», уже через 10 дней снизил активность до уровня естественного фона. Было доказано: ядерная релятивистская энергетика на «грубых» видах топлива - на обеднённом уране, тории, отработанном ядерном топливе - возможна. Провести подобные эксперименты с торием и ураном--238 Острецову не удалось из-за организационных проблем.
поделиться: