Замкнуть любой ценой

Одна из главных задач, стоящих перед атомной энергетикой, – выстраивание замкнутого ядерного топливного цикла. Её решение позволит существенно повысить эффективность атомной генерации, расширить топливную базу, но самое главное – минимизировать или вовсе исключить возникновение радиоактивных отходов.

Особенность ядерной энергетики заключается в том, что она способна воспроизводить собственную топливную базу. Но использовать эту особенность не так-то просто. Для этого необходимо создать целый комплекс новых технологий в самых разных сферах – от собственно реакторных технологий, то есть методов компоновки активной зоны и других элементов реактора и эксплуатационных политик, до технологий переработки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и стадий так называемого back end’а (завершающей стадии жизненного цикла объектов атомной энергетики).  

Потенциал разведанных запасов природного урана, накопленных резервов регенерированного урана, а также существующих, строящихся и проектируемых объектов генерации и ядерного топливного цикла не бесконечен. Однако ядерные энергетические технологии нового поколения (такие как реакторы на быстрых нейтронах) и технологии замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ) позволят практически полностью снять ограничения в отношении сырья для атомной энергетики. Несмотря на это, большинство экспертов не спешат сбрасывать со счетов уже существующие технологии.  

– Атомная отрасль максимально консервативна. Это видно хотя бы по тому, какую линию сейчас реализует Росатом, – она направлена прежде всего на повышение комплексной безопасности объектов атомной энергетики после аварии на Фукусиме, а также на наращивание мощностных характеристик реакторов. Ставки высоки, и руководство госкорпорации не рискует сразу переходить к новым решениям, потому что уход от ВВЭР означает, по сути, революцию в масштабах всей отрасли, – говорит руководитель аналитического управления Фонда национальной энергетической безопасности Александр Пасечник. – Полагаю, что при переходе на ЗЯТЦ будет затронута вся отраслевая инфраструктура и машиностроение, изменится сам формат отрасли. Кроме того, 2020 год, к которому в соответствии с госпрограммой должны появиться новые технологии, достаточно близок, за шесть лет можно лишь прийти к какому-то решению, но это вовсе не означает немедленного внедрения опробованных технологий. Производство энергии – это, в первую очередь, коммерческая деятельность, каждый проект должен быть экономически целесообразен. И с точки зрения коммерческих перспектив существующие технологии ещё достаточно эффективны. К тому же срок службы энергоблока атомной станции – около полувека. Поэтому я не думаю, что в скором времени мы увидим какие-то кардинальные изменения.  

Решение всех проблем 

Ядерный топливный цикл включает в себя несколько стадий – добыча урана, фабрикация топливных сборок, их использование в реакторах и, наконец, утилизация. Вся мировая атомная энергетика применяет открытый цикл, когда отработанное ядерное топливо (ОЯТ) не используется. Между тем стоимость захоронения одной тонны топлива, по оценкам экспертов Росатома, составляет порядка 1–1,4 тыс./кг долларов. На заре атомной эры вопрос о дальнейшем использовании ОЯТ не стоял, тогда на первом плане были совсем другие задачи. Однако сейчас, спустя десятилетия, учёные всего мира вновь вернулись к этой проблеме.  

Развитие отрасли напрямую зависит от наличия природного урана, но реальность такова, что потенциал 235U используется не полностью. Если продолжать использовать уран в самых распространённых в мире легководных реакторах (таких как отечественные ВВЭР) по существующей технологии, запасы делящегося вещества закончатся в течение ста лет. При этом вопрос эффективной переработки и захоронения ОЯТ до сих пор не решён.  

Создание технологий ЗЯТЦ позволит раз и навсегда решить все эти проблемы. Основное преимущество замкнутого цикла заключается в возможности использования энергии не только довольно редкого элемента 235U, но и плутония, образующегося при облучении 238U, и сам 238-й уран. Важно, что этого можно достичь без кардинальной перестройки отрасли, применяя уже существующие в атомной энергетике технологии реакторов ВВЭР. Однако чтобы создать ЗЯТЦ, необходимо использовать технологию ВВЭР в совокупности с технологией реакторов на быстрых нейтронах (БН).  

Такой цикл позволяет решить основные задачи атомной энергетики: переход на использование урана-238 и плутония-239 с необходимым коэффициентом воспроизводства без накопления ОЯТ, прекращение накопления и возможное использование ОЯТ легководных реакторов, снижение токсичности радиоактивных отходов (РАО).  

Работы по этой тематике начались в середине прошлого века, почти одновременно с началом атомных проектов СССР и США. В 1970-х годах подобными исследованиями заинтересовались и другие страны: Германия, Великобритания, Франция. В новом тысячелетии к гонке присоединились Япония, Китай и Индия.  

Суть технологии заключается в использовании делящихся нуклидов урана и плутония, содержащихся в ОЯТ. При переработке их необходимо выделить, дообогатить регенерированный уран и добавить плутоний. Продукт, который при этом получается, получил название МОКС-топлива (англ. Mixed-Oxide fuel – ядерное топливо, содержащее несколько видов оксидов делящихся материалов). Произвести его крайне сложно технологически, нужны качественно иные технологии и производственные мощности, поэтому эта схема пока не реализована ни в одной стране мира (хотя попытки предпринимаются постоянно).  

Есть и другой способ, предложенный российским Радиевым институтом. Он предполагает использование уже существующей инфраструктуры технологии ВВЭР и так называемого РЕМИКС-топлива (REMIX – Regenerated Mixture of U-, Pu-oxides), получаемого непосредственно из неразделённой смеси урана и плутония, которые выделяются при переработке ОЯТ после подпитки природным обогащенным ураном. Эта технология подразумевает повторное использование не только плутония, содержащегося в ОЯТ, но и остаточного количества 235U.  

Третий путь 

Третий вариант решения проблемы ЗЯТЦ описан в проекте госкорпорации «Росатом», который получил громкое название «Прорыв». Он предполагает создание к 2020 году трёх опытно-промышленных энергоблоков с реакторами на быстрых нейтронах разных типов – БРЕСТ-ОД-300 (реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем), БН-800 и БН-1200 (реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем), а также СВБР-100 (со свинцово-висмутовым теплоносителем).  

Цель проекта: создание совершенно нового ядерно-энергетического комплекса, включающего в себя АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, производства по регенерации (переработке) и рефабрикации ядерного топлива, подготовке всех видов РАО к окончательному удалению из технологического.  

По задумке разработчиков это позволит замкнуть ЯТЦ и полностью использовать энергетический потенциал уранового сырья (сейчас он используется лишь на 0,7%), исключить аварии на АЭС, требующие эвакуации, а тем более отселения населения, обеспечить конкурентоспособность ядерной энергетики в сравнении с электрогенерацией на органическом топливе (даже при учёте всех затрат углеводородного и замкнутого ядерного топливного цикла). Кроме того, в случае успешной реализации заявленных планов человечество приблизится к радиационно-эквивалентному (по отношению к природному сырью) захоронению РАО, иными словами установится радиационный баланс (сколько кюри достали из земли, столько и захоронили).

Автор: Андрей Щукин

Источник: Переток.RU, 25.08.2014