Как инновации в атомной энергетике позволят отказаться от углеводородов
Как ядерные реакторы четвертого поколения позволят обеспечить растущие потребности в электроэнергии и сократить потребление ископаемого топлива
К 2050 году потребление энергии в мире должно вырасти до 15,7 млрд т нефтяного эквивалента — на 15% больше, чем в принятом за точку отсчета 2022 году, согласно февральскому прогнозу Российского энергетического агентства (сценарий «Рациональный технический выбор», который считается самым реалистичным). Доля атомной энергетики при этом, по оценкам РЭА, вырастет с нынешних 5,3 до примерно 7,2%.
В Европе потребность в электроэнергии увеличится на 50% уже к 2030 году, заявил глава Министерства иностранных дел Венгрии Петер Сийярто на форуме «Атомэкспо-2024» в конце марта в Сочи. По словам министра, обеспечить эти потребности дешево, надежно и безопасно можно лишь с помощью атомной энергии.
Причем европейские страны уже составляют топ-3 по доле атома в энергобалансе, по данным World Nuclear Association: во Франции на атомную энергетику приходится около 70%, в Бельгии — порядка 51%, в Швеции — 31%.
В России, согласно указу президента, к 2045 году доля атома в энергобалансе должна достичь 25% (сейчас, по разным оценкам, 21–22%). Для этого в ближайшие 20 лет в стране необходимо построить более 40 источников атомной генерации, заявил глава «Росатома» Алексей Лихачев на «Атомэкспо». Уже во второй половине текущего столетия, по его словам, доля атома в энергобалансе России может достигнуть трети. Более того, главный переход, по его словам, должен быть сделан в качестве и эффективности атомных реакторов: от поколения III+ к поколению IV.
Как атомная энергия заменит углеродное топливо
Именно атомная генерация сейчас рассматривается участниками энергорынка как один из главных вариантов замещения ископаемого топлива. «Без нее мы не сможем достичь целей устойчивого развития», — говорит заместитель генерального директора — руководитель департамента ядерной энергии МАГАТЭ Михаил Чудаков.
Замещение углеродного топлива к 2050 году, по данным МАГАТЭ, потребует строительства в мире 40 ГВт атомных мощностей ежегодно. Атомная генерация в этом случае вырастет к указанному сроку в 2,5 раза, однако доля ее в мировом энергобалансе останется на уровне нынешних 9%.
Сейчас в мире порядка 380 ГВт атомных мощностей, тогда как нужно свыше 830 ГВт, отмечает Алексей Лихачев. При этом, по его словам, для развития атомной энергетики нужна кооперация всего мирового сообщества: «Очень важны горизонтальные взаимодействия в рамках большой международной «атомной семьи».
Что такое атомный реактор четвертого поколения
Характерными чертами уже третьего поколения атомных реакторов стали более высокая топливная эффективность, улучшенный тепловой КПД, значительное усовершенствование системы безопасности (включая пассивную ядерную безопасность) и стандартизация конструкции для снижения капитальных затрат и затрат на техническое обслуживание, отмечает начальник отдела экологии, радиационной и промышленной безопасности, и.о. завкафедрой АЭС, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», к.г.н., доцент Марина Хвостова: «Реакторы III+ — улучшенная версия предыдущего в плане безопасности, новых технологий и снижения затрат».
Главный функционал систем четвертого поколения, по словам Алексея Лихачева, заключается в многократном перемещении отработавшего топлива внутри топливных цепочек, позволяющем использовать атомные реакторы не просто для выжигания топлива, но и его наработки. «В каком-то смысле это будущий вечный двигатель», — говорят в «Росатоме».
Хранить топливо затратно и не очень осмысленно, отмечает генеральный конструктор проекта «Росатома», нацеленного на реализацию замкнутого ядерного топливного цикла, «Прорыв» Вадим Лемехов: «Рециклинг топлива исключит его хранение и минимизирует радиоактивные отходы благодаря дожиганию минорных актинидов».
Поколение IV действительно подразумевает апгрейд характеристик не только самого реактора, но и сопутствующих процессов ядерного цикла, рассказал эксперт проектного центра по энергопереходу «Сколтеха» Сергей Капитонов: это и высокие показатели топливной эффективности, и тепловой КПД, и более совершенные стандарты безопасности. Но главное — возможность работать по системе замкнутого цикла, вновь используя отработавшее ядерное топливо.
Пока ни один в мире коммерческий реактор, по словам Капитонова, не соответствует всем предъявляемым для четвертого поколения требованиям. Впрочем, уже существуют проекты реакторов (на разных стадиях реализации), которые по завершении можно будет называть реакторами четвертого поколения. Подобные наработки есть у целого ряда стран, рассказывает Сергей Капитонов. Например, высокотемпературные реакторы с газовым охлаждением на китайской АЭС «Шидаовань», тепловые реакторы и реакторы на быстрых нейтронах в США, Японии и Франции.
Организация, координирующая разработку соответствующих реакторов, — Международный форум «Поколение IV» (GIF) — к перспективным относит шесть реакторных технологий: быстрый реактор с газовым охлаждением, быстрый реактор со свинцовым охлаждением, быстрый реактор с натриевым охлаждением, сверхкритический реактор с водяным охлаждением, жидкосолевой реактор, а также высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы. Только технология реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем имеет значительный и, что немаловажно, положительный опыт проектирования, сооружения и эксплуатации и может быть реализована в рамках энергетических систем четвертого поколения в ближайшие годы, отмечают эксперты. Россия как раз сфокусирована на развитии этой технологии, подчеркивают в «Росатоме».
При этом четвертое поколение — это не просто новая линейка оборудования и технологий. GIF, в частности, сформулировала основные критерии атомной энергетики нового поколения, которым должны соответствовать реакторы: к ним относятся в том числе эффективное использование топлива при минимуме отходов, безопасность и надежность, экономическая эффективность, при которой жизненный цикл АЭС должен быть дольше, чем у других источников энергии при сопоставимых затратах.
Что позволит России стать лидером рынка инновационных ядерных систем
Китайские, американские, французские и японские разработки остаются на уровне демонстрационных реакторов. Россия свои разработки в серийное производство тоже пока не запустила, однако эксперты говорят, что страна сегодня является мировым технологическим лидером в атомной энергетике четвертого поколения. Ряд современных технологий был обкатан еще на реакторах серий БН-600 и БН-800В, отмечают в «Росатоме». «Основной задачей БН-600 было освоение «быстрых» реакторных технологий с натриевым теплоносителем», — отмечает глава «Росэнергоатома» Александр Шутиков.
У «Росатома» уже есть действующая модель активной зоны первого в мире реактора на быстрых нейтронах БН-1200М (запущена в декабре 2023 года специалистами Физико-энергетического института им. А.И. Лейпунского), рассказал Сергей Капитонов.
В 2025 году начнется строительство энергоблока БН-1200М на Белоярской АЭС. «Ввод в эксплуатацию энергоблока № 5 с реактором БН-1200М на Белоярской АЭС и БРЕСТ-ОД-300 позволит опередить мировые тенденции по внедрению реакторов четвертого поколения», — говорит и.о. руководителя отделения ядерно-топливного цикла Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета, доцент Михаил Кузнецов. Уже к 2030 году, по его словам, Россия будет обладать референтной технологией замкнутого топливного цикла в двухкомпонентной ядерной энергетике. «Можно будет значительно сократить добычу урана и объем захоронения высокоактивных отходов», — отметил он.
Опытно-демонстрационный энергетический комплекс (ОДЭК), который строится на площадке Сибирского химкомбината в Северске (Томская область), впервые в мире должен продемонстрировать устойчивую работу полного комплекса объектов, обеспечивающих замыкание топливного цикла, говорит Марина Хвостова.
В состав ОДЭК входят одновременно энергоблок с реактором БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем и пристанционный замкнутый ядерный топливный цикл — модуль переработки облученного смешанного уран-плутониевого (нитридного) топлива, а также модуль фабрикации для изготовления свежего ядерного топлива, в том числе впоследствии — из переработанного облученного ядерного топлива. На «Атомэкспо-2024», в частности, был дан старт тестовым испытаниям уникального оборудования для производства инновационного ядерного топлива для БРЕСТ-ОД-300 на модуле фабрикации/рефабрикации.
Еще один проект «Росатома» — энергоблок с инновационным водо-водяным реактором со спектральным регулированием (ВВЭР-С). Спектральное регулирование позволяет потреблять на 30% меньше урана и загрузить в легководный реактор активную зону, полностью состоящую из МОКС-топлива (смесь оксидов плутония и урана). Кроме того, по словам Марины Хвостовой, затраты на строительство блоков с ВВЭР-С могут быть на 10–15% ниже, чем при строительстве блоков с реакторами ВВЭР-1200.
За счет чего растет эффективность атомных реакторов
Директор группы аналитики в энергетике Kept Сергей Роженко указывает, что технологии четвертого поколения направлены прежде всего на существенное повышение температуры теплоносителя на выходе из реактора свыше традиционных 270–300 градусов Цельсия до 550 и даже фантастических на сегодня 850 градусов для самых «продвинутых» газовых реакторов. «Повышение температуры теплоносителя позволит использовать АЭС не только для выработки электроэнергии и обеспечит возможность замещения высокотемпературных процессов в промышленности, как, например, высокотемпературный электролиз воды», — поясняет эксперт.
Увеличение температуры, в свою очередь, должно обеспечить рост электрического КПД с 30–35 до 42–45% и, соответственно, топливной эффективности за счет перехода к так называемым сверхкритическим параметрам пара. Кроме того, инновационные ядерные системы обеспечат замкнутый топливный цикл, когда реактор фактически производит больше топлива, чем в него было загружено.
Дело в природном составе уранового топлива, где доля пригодного для атомной реакции урана-235 составляет менее 1%, в то время как основную массу составляет уран-238, объясняет Сергей Роженко: «Этот «бесполезный» уран может быть преобразован в плутоний в специальных реакторах-бридерах и уже после снова запущен в топливный цикл».
На фоне энергетического перехода и ставки ряда государств на снижение зависимости от углеводородов именно атомная энергетика может обеспечить базовую генерацию в энергосистеме, отмечает Сергей Капитонов. «Если с помощью реакторов четвертого поколения атомная промышленность даст ответы на вопросы безопасности и поможет преодолеть ограничения ресурсной базы, то амбициозные прогнозы ведущих аналитических агентств о повышении роли мирного атома в мировом энергобалансе имеют все шансы сбыться», — говорит эксперт.
