АЭС: Перспективы развития двухкомпонентных ядерно-энергетических систем

На вопросы электронного издания AtomInfo.Ru отвечает руководитель проектного офиса "Новая платформа" АО "Концерн Росэнергоатом" Михаил БАКАНОВ.

Преимущества двухкомпонентности

Михаил Васильевич, в последнее время много говорится о двухкомпонентной ядерно-энергетической системе. В чём заключаются её преимущества?

Атомная энергетика в нашей стране и в мире в целом сегодня базируется на однокомпонентной системе, основанной на реакторах с тепловыми нейтронами (ВВЭР, LWR, РБМК и другие).

Тепловые реакторы отличаются низкой эффективностью (около 1%) использования энергии природного урана. Кроме того, при их эксплуатации образуется значительное количество высокоактивных отходов в ОЯТ.

Эти проблемы ставят под вопрос перспективы дальнейшего развития атомной энергетики. Так, по некоторым прогнозам в нашей стране уже в этом веке могут иссякнуть запасы урана, добываемые по экономически приемлемым ценам.

Обеспечить атомную энергетику топливом на длительный (сотни или тысячи лет) срок и ограничить или полностью прекратить накопление ОЯТ возможно в рамках двухкомпонентной системы, которая предусматривает встраивание в существующий парк АЭС быстрых реакторов и замыкание топливного цикла.

 

Для отечественной атомной отрасли наличие быстрых реакторов позволит также повысить коммерческий потенциал. Имея их и замкнутый топливный цикл, мы сможем поставлять блоки с ВВЭР на экспорт "в чистом виде", забирая у иностранных заказчиков облучённое топливо и возвращая его в топливный цикл.

В мире на сегодняшний день не решена проблема со скопившимися за всё время существования атомной энергетики ОЯТ. Это огромный рынок, и при двухкомпонентной системе мы сможем на него выйти - причём забирать иностранное ОЯТ к себе не для хранения, а для переработки и выделения из него ценных материалов, то есть оказывать высокотехнологичную услугу.

На мой взгляд, вопрос о том, переходить ли от однокомпонентной к двухкомпонентной системе, не стоит. Отвечать нужно на вопрос "Когда именно и как именно это требуется сделать?".

А если пойти по французскому пути, то есть загружать в тепловые реакторы MOКС-топливо?

Такие работы в концерне ведутся, есть программа по РЕМИКС-топливу. Проблема в том, что и РЕМИКС-сборки могут выдержать в ВВЭР только один цикл, после чего попадают в отходы.

Большого выигрыша мы таким путём не получим. Общее количество высокоактивных отходов после широкого внедрения РЕМИКС-топлива может сократиться максимум процентов на двадцать. Не забудьте также, что каждая подгрузка РЕМИКС-топлива требует свежего обогащённого урана, причём с высоким обогащением.

Поэтому я уверен в безальтернативности перехода к двухкомпонентной системе ядерной энергетики. Только она способна решить проблемы топливообеспечения и отходов, а также существенно повысить коммерческий потенциал отрасли.

Требования к системе

Какие требования должны выдвигаться к двухкомпонентной системе?

Есть разные точки зрения. Например, подход, при котором быстрые реакторы не встраиваются в систему, а идут на замену тепловым реакторам. Новые блоки с ВВЭР, начиная с определённого момента, перестают строиться, действующие блоки дорабатывают свой ресурс и закрываются, и постепенно мы приходим к быстрой атомной энергетике.

В этом случае основное, главное требование должно быть сформулировано так - если быстрые реакторы замещают тепловые, то они (вместе со своим топливным циклом!) должны быть более экономически эффективными..

Это задача, решить которую очень трудно.

Но есть другой подход. Не надо выдвигать требования экономической конкурентоспособности к быстрым реакторам, будь то БН или какой-то иной проект. Быстрые реакторы должны быть элементом, составной частью системы, и, поэтому, именно от системы в целом нужно добиваться конкурентоспособности по отношению к иным источникам энергии.

Конечно, проекты БН можно и нужно развивать и улучшать. Есть резервы для их удешевления. Это неудивительно, если вспомнить, что ни БН-600, ни БН-800 не рассматривались как серийные аппараты. Но нет смысла требовать конкурентоспособности от блоков с коммерческими БН самих по себе, так как они должны стать элементом системы БН+ВВЭР.

И ВВЭР в такой системе потребуется новый, отличный от тех блоков, что мы эксплуатируем сейчас. Нужно улучшить его способности по топливоиспользованию и приспособить его к работе на МОКС-топливе.

Использование МОКС-топлива в ВВЭР - обязательное требование к двухкомпонентной системе. Без перевода (хотя бы частичного) на МОКС-топливо блоки с ВВЭР продолжат работать на обогащённом уране, и эффект от двухкомпонентности будет нивелирован.

Немаловажно и то, что ВВЭРы далеко опередили любой другой реакторный проект по возможностям маневрирования мощностью. Реакторы БН в этом отношении более ограничены, поскольку топливо в них работает в более напряжённых условиях и переменные нагрузки оно может не выдержать. Соответственно, за ВВЭР в двухкомпонентной системе нужно сохранить решение задач по манёвренности.

Быстрым реакторам в системе БН+ВВЭР должны обеспечить максимально возможный КВ, поскольку одна из их задач - снабжать ВВЭРы топливом. Чем выше КВ быстрого реактора, тем больше блоков с ВВЭР будет приходиться на один блок с БН.

Кроме того, БН нужно сделать всеядным по отношению к любому возможному изотопному составу загружаемого в него топлива. Он должен быть способен потреблять и собственный плутоний с "хорошим" изотопным составом, и плутоний из ОЯТ ВВЭР, в котором делящихся изотопов меньше. В обязательном порядке БН должен быть приспособлен к дожиганию минорных актинидов.

Всё это можно сделать. Более того, проект БН-1200 проектируется под все перечисленные задачи.

Немаловажно, какое топливо должно использоваться в системе БН+ВВЭР. Оно может быть оксидным или более плотным (нитридным, металлическим, карбидным). С точки зрения физики, для быстрых реакторов лучше всего использовать плотное топливо. Его создать можно (и нужно), обеспечив приемлемые, относительно оксидного топлива, параметры энерговыработки и эксплуатационной надёжности.

На сегодняшний день наиболее предпочтительным топливом для двухкомпонентной системы представляется оксидное. Оно имеет референтность и хорошие показатели, и мы понимаем, как эти показатели улучшать. Немаловажно и то, что МОКС-топливо может работать как в быстрых, так и в тепловых реакторах.

Естественно, должны также быть все необходимые топливные производства - фабрикация МОКС-топлива, переработка ОЯТ и компактизация отходов. В системе БН+ВВЭР целесообразно реализовывать централизованные, а не пристанционные топливные производства. И подходящие площадки в "Росатоме" для этого уже имеются.

Михаил Васильевич, Вы говорите о системе БН+ВВЭР. Но чем плоха система БН+БР? В ней есть БНы, которые отвечают за расширенное воспроизводство топлива, и БРы с КВ_а=1, "хранящие" переданное им топливо. Ведь даже новые, усовершенствованные ВВЭР будут топливо потреблять, в отличие от БР.

На МНТК-2018 система БН+БР рассматривалась в докладе Андрея Гулевича среди других возможных систем.

Я не утверждаю, что такая система плоха. Но нужно отдавать себе отчёт в том, что БРы или какие-то иные быстрые реакторы, претендующие на место ВВЭР в двухкомпонентной системе, обязательно должны быть с ними конкурентоспособны.

Если БР сумеет превзойти ВВЭР, то почему бы и нет? Да, действительно, у БР есть свои теоретические преимущества - они проще в управлении, например, и безопаснее, чем ВВЭР.

Но эти и другие потенциальные преимущества должны быть доказаны на практике - в железе или, если хотите, на рынке. Будет это выполнено - можно строить планы будущей атомной энергетики с их участием.

Первоочередные задачи

Какой Вы видите структуру двухкомпонентной системы?

Частично я уже ответил на этот вопрос - это система БН+ВВЭР с MOКС-топливом и централизованным топливным циклом.

По количественному соотношению быстрых и тепловых реакторов есть разные оценки в зависимости от стратегии развития атомной энергетики в целом..

В ряде системных исследований предлагается иметь один БН (с КВ=1,2) на два ВВЭР. Теоретически может быть создан БН с КВ=1,5. Такой быстрый реактор возьмёт на себя обслуживание по топливу не два ВВЭР, а три.

Допустим, "Росатом" возьмётся перерабатыывать зарубежный ОЯТ. В этом случае соотношение изменится в сторону быстрых реакторов.

Какие первоочередные задачи должна решить российская атомная отрасль на пути перехода к двухкомпонентной системе?

Наша страна - единственная в мире, где для создания двухкомпонентной системы в той или иной степени есть всё необходимое. Главное - не опоздать, учитывая стремительное движение в этом направлении Китая, например.

Как я уже сказал, переход к такой системе неизбежен. Всё зависит сейчас от принятия конкретных решений и от прогнозов специалистов по ресурсам урана.

Начинать переход, несомненно, нужно с ключевого звена двухкомпонентной системы - серийного быстрого реактора БН-1200.

Мы делали оценки времени, которое потребуется на формирование первого звена двухкомпонентной системы. Результат, который мы получили - минимум 30 лет.

Складывается он из следующих основных вех. На доведение проекта и строительство головного блока с БН-1200 уйдёт примерно 10 лет. На получение первой партии МОКС-топлива из БН-1200 понадобится ещё примерно 10 лет (кампания в реакторе, выдержка и переработка). Загрузка этой партии в ВВЭР, облучение, выдержка, постреакторные исследования для лицензирования для широкого внедрения - ещё столько же.

Получается, что полностью вся технология двухкомпонентной системы будет отработана примерно к 2050 году (при условии, что мы начнём сейчас).

Спасибо, Михаил Васильевич, за интервью для AtomInfo.Ru.