Сотри случайные черты…
К дискуссии о концепции развития
атомной энергетики в России.

Предыдущие статьи в дискуссионном цикле под названием "Концепция решает всё"":

1. Концепция решает всё
2. Стратегия времён Евгения Адамова - плюсы и минусы с высоты сегодняшнего дня

---

Где начало…

Если вводная статья постулирует тезис "Концепция решает всё", то во второй публикации говорится: "Кадры решают всё".

По-моему, исходя из ассоциаций, ближе будет положение, что Стратегия - руководство к действию, а точнее, действиям, направленным на возвращение отечественной атомной энергетике лидирующей позиции. И если нет последовательных и адекватных по широте охвата действий по реализации Стратегии, то поставленные цели ближе не становятся.

Значимость вопроса, что в одобренной правительством РФ в 2000 году "Стратегии развития атомной энергетики России в первую половину XXI века" нужно сохранить, а что изменить, вынуждает вначале обратиться к тексту этого документа.

Стратегия была нацелена на решение долговременных топливно-энергетических проблем не только России, но и мира, и исходила из представлений о вероятном развитии мировой энергетики в рассматриваемый период и далее. Рост цен на энергоресурсы, наряду с их истощением и экологическими проблемами при сжигании, предопределяет востребованность крупномасштабной АЭ.

Стратегия формулировала требования к такой энергетике (достижимость высоких показателей безопасности и конкурентоспособности наряду с радиационно-эквивалентным обращением с делящимися материалами и с технологической поддержкой режима нераспространения). Она также указывала на значимость развития новых ядерных технологий интересам РФ и утверждала, что будущее АЭ России зависит от решения трёх главных задач:

1. поддержания безопасного и эффективного функционирования действующих АЭС и их топливной инфраструктуры;
2. постепенного замещения действующих АЭС энергоблоками повышенной безопасности (энергоблоками 3 и 4 поколений) и осуществления на их основе в последующие 20-30 лет уверенного роста установленной мощности атомных энергоблоков и увеличения экспортного потенциала;
3. разработки и овладения в промышленных масштабах ядерной энерготехнологией, отвечающей требованиям крупномасштабной энергетики по экономике, безопасности и топливному балансу.

Анализу современного состояния АЭ предшествует осмысление причин неудач реализации первой стратегии - стратегия быстрого роста на быстрых реакторах не была осуществлена ни в одной стране. - Здесь и далее выделены цитаты из программы 2000 года.

Оценки потенциальных возможностей атомной энергетики указывают на следующие обстоятельства.

Имеющиеся мировые и российские запасы природного урана не могут обеспечить устойчивого долговременного развития атомной энергетике на тепловых нейтронах.

В быстром реакторе при коэффициенте воспроизводства, равным единице или выше, можно сжигать уран практически полностью. Увеличение энергетического выхода от ядерного топлива в 200 раз по сравнению с тепловым реактором, позволяет обеспечить 40000 ГВт (эл.) на быстрых реакторах дешёвым ураном с запасом топлива в течение 2,5 тысячи лет при малой топливной (сырьевой) составляющей затрат. Для быстрых реакторов приемлем и уран из бедных месторождений, ресурсы которого в сотни и даже в тысячи раз больше дешёвого урана (рис.1).

Рис.1. Топливный потенциал развития атомной энергетики при использовании быстрых реакторов.

Отсюда исходит следующее видение облика АЭ в первой половине XXI века.

Двухкомпонентную схему с покрытием дефицита топлива для тепловых реакторов за счёт избыточного производства в быстрых следует рассматривать как отдалённую перспективу. В рассматриваемый период тепловые реакторы будут работать на ²³⁵U, но для следующих этапов следует начать подготовку к их переводу в торий-урановый цикл с производством недостающего ²³³U в ториевых бланкетах быстрых реакторов.

Структура атомной энергетики России в рассматриваемый период будет в значительной степени определяться масштабами ее востребованности. В случае интенсивного развития АЭ решающую роль станут играть БР, так как топливная база ТР в России не сможет обеспечить устойчивого роста установленной мощности (более 3-4 ГВт/год) и при таком варианте будет исчерпана уже в первой половине XXI века.

Далее рассматриваются основные принципы и условия реализации стратегии, взаимосвязь атомной энергетики и энергетической безопасности, составляющие основу стратегии безопасного роста АЭ. В этом разделе предложен оптимальный вариант роста атомной энергетики до 2020 года. Ожидаемое решение поставленных задач прогнозируется в 3 этапа - до 2010 года, до 2030 года и до 2050 года.

В крупномасштабной атомной энергетике будущего могут найти свое место различные типы реакторов на тепловых нейтронах при доминирующей роли быстрых реакторов.

В отличие от ряда программ развития, где текст являлся необязательным приложением к таблицам, Стратегию отличает ясность изложения прогнозов развития отечественной и мировой АЭ, перечня разновременных задач и подходов к их решению. По моему мнению, разрабатываемой Стратегии-2008 надлежит наследовать основные положения Стратегии-2000, включая: требования к крупномасштабной АЭ, принципы и условия безопасного роста, задачи развития АЭ России и понимание изменчивости ее структуры по мере востребованности.

Оставляя в стороне этическую составляющую цитирования, вернемся к статье Стратегия времён Евгения Адамова - плюсы и минусы с высоты сегодняшнего дня.

…того конца, которым оканчивается…

Вроде бы, автор соглашается с основными выводами и направленностью Стратегии и лишь хочет указать больные точки, которые могут быть подлечены при создании Стратегии-2008. К сожалению, большинство последующих утверждений свидетельствуют либо о живучести старых стереотипов построения программы развития АЭ, либо о непонимании целостности взаимосвязи положений Стратегии.

Эти положения указывают, что гармонизация противоречивых требований повышения безопасности, экономической и топливной эффективности, прозрачности обращения с ОЯТ и РАО и условий по нераспространению ядерного оружия достигается АЭ, полно и последовательно отвечающей концепции естественной безопасности.

Дабы не отвечать в духе известного высказывания У. Черчилля о британской демократии (эта система плоха, но никто не придумал лучшей), в целях пояснений принципов Стратегии 2000 можно отметить следующее.

Достоинства любого теплоносителя перерастают в недостатки, идеальных теплоносителей нет. К достоинствам ТЖМТ можно отнести небольшие сечения поглощения и увода нейтронов, высокую температуру кипения, пассивность к воздействию воздуха и воды, негорючесть. Диктуемая соображениями безопасности умеренная величина энергонапряженности активных зон будущих коммерческих БР позволяет использовать свинцовый теплоноситель. Но достижение прогнозируемой безопасности будущих БР неотделимо от характеристик активной зоны, определяемых в первую очередь величиной бридинга и свойствами топлива.

Малая избыточность бридинга, характерная для БР с U-Pu-MA топливом квазиравновесного состава, приводит к минимизации изменений реактивности в процессе энерговыработки, стабилизации полей энерговыделения по кампании, обеспечивает близость составов загружаемого и выгружаемого топлива в реактор (практически выгорает лишь ²³⁸U), не требует установки дополнительных урановых бланкетов, что исключает наработку (выделение) плутония оружейного качества, и позволяет отказаться от циркуляции свободного Pu в процессах регенерации и рефабрикации топлива.

Но обеспечение безопасности АЭС, достигаемое не столько за счёт наращивания барьеров, сколько за счёт использования внутренне присущих закономерностей (бридинга) и свойств (топлива, теплоносителя), диктует определенные конструктивные особенности - бесчехловые ТВС, разреженность пучка твэлов, умеренные подогревы теплоносителя, надежность отвода остаточного тепла, обеспечение высокого уровня естественной циркуляции в 1 и 2 контуре, наличие пассивных средств регулирования и т.п.

Такой подход к обеспечению безопасности АЭС позволяет создать предпосылки для снижения требований к основному и вспомогательному оборудованию, ведёт к оптимизации систем безопасности и к удешевлению АЭС.

Напомним, что сказано в Стратегии:

• одна из причин, по которой не реализована первая стратегия развития АЭ - строительство быстрых реакторов ограничилось первыми опытными блоками из-за большей по сравнению с тепловыми реакторами стоимостью;
• вывод из анализа современного состояния АЭ - конкурентоспособность атомной энергетики при существующих расходах на безопасность, обеспечиваемую наращиванием инженерных систем, имеет устойчивую тенденцию к снижению.

Высокоплотное и теплопроводное уран-плутониевое нитридное топливо характеризуется лучшим удержанием цезия, йода и других ПД, нежели оксидное топливо реакторов БН. Его применение позволяет снизить величины температурного и мощностного эффектов реактивности, обеспечить воспроизводство топлива в активной зоне меньшего объёма, чем с оксидом. При разгерметизации оболочки нитридное топливо не взаимодействует ни с Pb, ни с Na, как это свойственно оксидному.

Конструкция активной зоны и подходы к замыканию ТЦ строящегося БН-800 таковы, что он, по всей видимости, длительное время будет работать на диоксиде урана с конверсией Pu<0,7. Расширенное воспроизводство (КВ≈1,2) может быть обеспечено лишь при окружении зоны урановыми экранами. Различия в составах выгружаемого топлива из активной зоны и экранов приводят к необходимости их раздельной регенерации с выделением плутония.

Фабрикация нитридного топлива и работоспособность высокочистого (U-Pu)N (в БР-10 нитридное топливо использовалось 18 лет, при содержании примесей кислорода и углерода ≈0,4% достигнуто выгорание 9% т.а.) подлежат дальнейшему обоснованию. Актуальность НИОКР не вызывает сомнений.

Отложенная проблема фабрикации высокофонового уран-плутониевого топлива, требующая вне зависимости от вида топливной композиции высокого удержания α-излучающих элементов, а потому ввода контролируемой газовой среды (состав которой можно было просто заменить на аргон), является ещё одним тормозом к получению на действующем промышленном оборудовании (U-Pu-MA)N топлива.

Отметим, что в активной зоне с U-Pu мононитридным топливом в строящемся реакторе БН-800 можно достичь избыточности КВ_А над 1, равной ≈0,04. И тем самым снизить выбеги реактивности при выгорании топлива, стабилизировать поля энерговыделения, безболезненно отказаться от бланкета. Но последний остаётся и в проектах БН большой мощности. Минимизация натриевого пустотного эффекта в оксидной активной зоне БН-1800 достигается еще большим её уплощением, не позволяет и в ней (активной зоне коммерческого БР) добиться полного внутреннего воспроизводства.

Это закономерно. Чем дольше мы будем оставаться в рамках старых технологий и откладывать демонстрацию потенциала безопасности БР и его замкнутого трансмутационного ТЦ, тем дольше переход к широкомасштабной стадии развития АЭ не получит экспериментального обоснования.

Ориентация на экстракционные методы гидрометаллургической технологии не обеспечивает поддержку устойчивости режима нераспространения, а минимизация разложения ТБФ увеличивает длительность внереакторного обращения топлива в дополнение к выдержке ОЯТ перед транспортированием.

Высокая степень очистки регенерата от ПД для БР не актуальна, что позволяет ориентироваться на малоотходные сухие технологии, обеспечивающие переработку высокофонового ОЯТ квазиравновесного состава, где из ОЯТ извлекаются ≈99% ПД.

Для рефабрикации топлива используется регенерат ОЯТ, дошихтованный ²³⁸U. Это приводит к сокращению внешнего времени топливного цикла, к уменьшению массы топлива, единовременно циркулирующей вне реактора (в транспортно-технологических процессах замкнутого топливного цикла), т.е. к повышению эффективности бридинга и к технологической поддержке режима нераспространения.

Конечно, наиболее рационально для запуска коммерческих БР использовать энергетический плутоний, выделенный из ОЯТ ТР. Рециклирование плутония в ТР как средство увеличения их ресурсной базы нецелесообразно. Плутоний, получаемый в тепловых реакторах, целесообразно использовать для запуска быстрых реакторов, не требуя от них высоких коэффициентов воспроизводства и коротких времен удвоения плутония. Проблема топливообеспечения тепловых реакторов и участия в нем быстрых реакторов может возникнуть лишь за пределами рассматриваемого здесь периода.

Только изменение содержания плутония в выгружаемом топливе по отношению к стартовой загрузки будущего БР будет пропорционально величине (КВ_А-1). А потребное количество топлива на подпитку до загрузки рефабрикованного топлива будет определяться соотношением длительностей ЗТЦ и реакторной кампании топлива. При несоответствии объёмов наработки энергетического плутония потребностям ввода БР их запуск возможен и на смеси Pu с 3-4% ²³⁵U, и на уране с обогащением 12-14%. В обоих случаях можно минимизировать выбеги реактивности при выгорании, возрастает лишь длительность перехода к квазиравновесному топливу.

Отметим, что расход природного урана для запуска БР на обогащённом уране по сравнению с потреблением его ВВЭР для наработки Pu для пуска БР той же мощности уменьшится в 4-5 раз. Избыточно наработанный Pu должен быть использован для запуска новых БР. Использовать его в ТР нерационально и в будущем - при недостатке ²³⁵U их надо переводить на работу в замкнутом уран-ториевом цикле, как указывается в Стратегии.

Стратегия рассматривает утилизацию оружейного плутония в качестве первого этапа создания технологии будущего замкнутого ядерного топливного цикла. Основное направление утилизации избыточного оружейного плутония, как и плутония из облученного ЯТ, состоит в использовании смешанного уран-плутониевого топлива в быстрых реакторах, которые составят основу будущей крупномасштабной энергетики.

Этому противопоставлена нецелесообразность сжигания МОХ-топлива с оружейным Pu в ТР. При политическом решении такое сжигание должно вестись на коммерческой основе, и возможно даже в ТР за рубежом (как наиболее прозрачное при минимуме издержек).

Стратегическим направлением развития АЭ России является замыкание топливного цикла, в результате которого должны обеспечиваться более полное использование природного ядерного топлива и искусственных делящихся материалов, образующихся при работе ядерных реакторов (плутония и др.), минимизация образования РАО от переработки ЯТ и приближение к радиационной эквивалентности захораниваемых отходов и извлеченного природного топлива.

Это требует высокой степени очистки отходов от актиноидов и долгоживущих ПД, ввода в топливо актиноидов, что соответствует стереотипу - "грязное топливо - чистые отходы". Сравнение Стратегии с американской программой GNEP, предусматривающей создание быстрого реактора-выжигателя для замыкания ЯТЦ ТР, представляется неуместным и лишь подчеркивает ограниченность целей GNEP.

Предлагаемые в статье дополнительные принципы (восстановление изрядно пошатнувшейся системы национального ядерного образования в России, опора на собственные мощности атомного машиностроения) не являются принципами безопасного роста АЭ как крупномасштабной.

Не умаляя необходимость системного подхода к решению проблем в сфере специального и высшего образования, включая "болонизацию", оправданно ли отделять ряд специализаций от других, тем более, что круг сопряжённых с атомной энергетикой и промышленностью специальностей весьма широк. Тем более, без адекватной заинтересованности государства в развитии отрасли нельзя обеспечить востребованность специалистов, достойную оплату труда.

Стимулировать обновление оборудования и развивать базу реакторного и энергетического машиностроения, впрочем, как и сопряжённые с АЭ приборостроение, трубно-прокатное производство и металлургию, в соответствии с интересами России безусловно надо, но и возможность кооперации отбрасывать нельзя.

Эти положения автора статьи косвенно подпадают под принципы энергетической безопасности России (ценовая и налоговая политика, соответствие законодательной базы стратегическим интересам государства), что должны лечь в основу новой энергетической политики, которая до сих пор находится в разработке (пока что появилась лишь "дорожная карта"): "Дальнейшее развитие атомной энергетики невозможно без реализации новой энергетической политики".

…начало

Оставим "высоты сегодняшнего дня" на совести автора.

Давайте положения Стратегии или версии, предлагаемые оппонентами, проверять на соответствие имеющимся данным и обоснованности прогнозирования, насколько они отвечают росту АЭ России, созданию технологической базы устойчивого развития АЭ как крупномасштабной, действительно ли эти положения позволяют преодолевать старые заблуждения и не делать новые, тем более, роковые ошибки.

И, по моим понятиям, основные положения Стратегии-2000 отвечают такому подходу. Хотя редакционная правка некоторых её мест не повредила бы. В частности желательно название подраздела "Топливная база тепловых реакторов" заменить на "Топливная база АЭ".

Послесловие от редакции.

"Проходя город Кострому, заезжай справа по одному", - говорит Кузьма Прутков в военном афоризме №16 и тут же в примечании поясняет, почему так поступать не надо. Мы воспользовались советом мудрейшего и постарались избежать односторонности в дискуссии о концепции развития атомной энергетики в России.

Действительно, чем же плоха Стратегия-2000 и почему она не может служить основой для Стратегии-2008? Александр Сила-Новицкий считает, что стратегия, принятая при Евгении Адамове, вполне отвечает насущным потребностям наших дней. Но все ли согласятся с таким выводом? Мы ждём новых откликов от наших читателей и новых публикаций от наших авторов. Единственное наше условие - это помнить, что "самый отдалённый пункт земного шара к чему-нибудь да близок, а самый близкий от чего-нибудь да отдалён".

ИСТОЧНИК: Александр Сила-Новицкий, специально для AtomInfo.Ru

ДАТА: 27.01.2008

Темы: Россия, Дискуссия о концепции развития атомной отрасли России