Проблемы традиционной ядерной энергетики и ЯРТ

Есть ли у атомной энергетики будущее?

После аварии на «Фукусиме» некоторые страны начали пересматривать свои программы развития атомной энергетики. И все чаще звучат голоса тех, кто выступает за отказ от использования атома в мирных целях. Несмотря на более чем 60-летнюю историю развития атомной энергетики, ее доля в общем энергетическом балансе планеты составляет порядка 10 %. С точки зрения влияния атомной энергетики на общую ситуацию в мире по обеспечению энергией человечества, - это не много. Зато есть масса проблем, связанных с ее использованием.

Работа традиционных (современных и перспективных, т.н. инновационных) АЭС основана на использовании ядерных реакторов, в активную зону которых загружается сверхкритическая масса делящихся изотопов, что обеспечивает протекание управляемой цепной реакции деления. Ее реализация определяется следующими факторами:

1) использованием в качестве ядерного горючего легкоделящихся материалов – 235 U, а в перспективе 239 Pu и 233 U;

2) работой с нейтронами спектра деления (средняя энергия спектра ~ 2 МэВ, максимальная ~ 10 МэВ. В диапазоне энергий нейтронов < 10 МэВ, в котором работает традиционная атомная энергетика, работают две основные неупругие реакции:

1) реакция деления (n, f), которая отвечает за непрерывную наработку долгоживущих радиоактивных отходов;

2) реакция радиационного захвата (n, γ), которая отвечает за непрерывную наработку актинидов, в частности изотопов плутония.

Причем эти две реакции работают как бы независимо друг от друга, т.е. не являются конкурирующими в силу соотношения сечений этих процессов. Это от носится как к тепловым, так и к быстрым реакторам. Это приводит к четырем основным, неискоренимым в традиционных ядерных технологиях, проблемам:

• принципиальная возможность критической аварии;

• использование и наработка «бомбовых» материалов – актинидов, т.е. проблема нераспространения;

• непрерывная наработка долгоживущих радиоактивных отходов;

• вытекающая из первых трех – проблема вывода энергетических блоков АЭС из эксплуатации.

Нерешенность проблемы утилизации отработанного ядерного топлива (ОЯТ), содержащего накопленные долгоживущие радиоактивные продукты деления и минорные актиниды, является одним из серьезных препятствий для развития традиционной атомной энергетики.

На сегодняшний день отработанные тепловыделяющие сборки (ТВС), содержащие ОЯТ, не подвергаются переработке, а просто размещаются в комплексе пристанционных хранилищ действующих АЭС, ожидая разработки эффективных технологий переработки и создания соответствующих производственных мощностей. В качестве основного способа снижения активности реализуется просто их длительная выдержка.

Загрузка блока ВВЭР-1000 составляет ~ 80 т UO2 (~ 70 т урана). За 60 лет эксплуатации одного блока будет выгружено ~ 1600 тонн ОЯТ, содержащих в сумме ~ 16,6 тонны трансурановых элементов, из которых ~ 16,0 тонн – изотопы плутония [В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский, В.Д. Сидоренко. Радиационные характеристики облученного ядерного топлива. Справочник. Энергоатомиздат, М., 1983.].

При сегодняшних технологиях в процессе переработки 1 т ОЯТ (~ 0,1 м3) образуется ~ 45 м3 жидких высокоактивных РАО, ~ 150 м3 среднеактивных и ~ 2000 м3 низкоактивных [

].По данным [В.И. Рачков, А.В. Тюрин, В.И. Усанов, А.П. Вощинин. Эффективность ядерной энерготехнологии. Системные критерии и направления развития. ФГУП НИИАтоминформ», М., 2008.], в замкнутом ядерном топливном цикле (пока не реализованном) ожидается образование ежегодно в результате переработки до 25 м3/ГВт высокоактивных отходов, 50-100 м3 /ГВт среднеактивных и до 700 м3 /ГВт низкоактивных отходов.На хранилище Юкка Маунтин (США), емкостью 70 000 т ОЯТ, было выделено ~ 96,2 млрд. долларов. Т.е. стоимость обращения с ОЯТ составляет ~ 1374 $/кг только капитальных затрат, не считая транспортных и эксплуатационных.

Стоимость загрузки топлива на три года ВВЭР-1000 ~ 94 млн. долларов или ~1175 $/кг. Таким образом, обращение с ОЯТ получается значительно дороже свежего топлива.

В ближайшие годы нас ожидает масштабный вывод из эксплуатации действующих блоков АЭС, причем не только в России, но и во всем мире.

По сегодняшним оценкам, стоимость вывода одного 1000 МВт-ного блока из эксплуатации примерно равна стоимости строительства нового блока [В.И. Рачков, А.В. Тюрин, В.И. Усанов, А.П. Вощинин. Эффективность ядерной энерготехнологии. Системные критерии и направления развития. ФГУП «ЦНИИАтоминформ», М., 2008.], при сроке вывода ~ 100 лет. В течение этих 100 лет зона отчуждения АЭС сохраняется, сохраняется, а также поддерживается технологический режим реакторного отделения, бассейнов выдержки и всего комплекса хранилищ, находящихся на территории каждой станции. Таким образом, выводимая из эксплуатации АЭС ~ 100 лет абсолютно непроизводительно потребляет средства и территории ничего не производя.

При широком использовании современных АЭС на базе традиционных технологий, основными затратами в жизненном цикле АЭС будут не капитальные затраты, а затраты на обращение с отработанным ядерным топливом, обеспечение режима нераспространения и затраты на вывод из эксплуатации блоков, отработавших свой ресурс. Это неизбежно приведет к непомерному удорожанию энергии и катастрофически замедлит процесс мирового развития.

Еще одной ключевой проблемой традиционной атомной энергетики является ограниченность запасов 235-го урана – в энергетическом эквиваленте его не больше чем нефти и газа, поэтому говорить о традиционной атомной энергетике как об альтернативе органическому топливу, по меньшей мере, некорректно. Самым распространенным изотопом урана является уран-238 - 99,3 % от всего урана в природе. А урана-235 в природном уране всего 0,7 %. Уран-235 следовало бы поберечь — он мог бы пригодиться в качества топлива для космических ядерных энергетических установок.

Как видим, традиционная ядерная энергетика не удовлетворяет полностью ни одному из четырех фундаментальных требований Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) к широкомасштабной ядерной энергетике:

1. Неограниченные запасы сырья для производства ядерного топлива на сотни лет.

2. Эквивалентность количества радиации добытой из Земли и захороненной в ней после сжигания делящихся изотопов ядерных материалов.

3. Обеспечение условий, гарантирующих нераспространение ядерного оружия.

4. Естественная безопасность установок с ядерным топливом.

Естественная - значит, чтобы не произошло: землетрясение, цунами, отключение электроснабжения или охлаждения и т.п. - реактор должен самостоятельно заглушиться и не стать источником серьезной радиационной аварии. Таких реакторов сейчас нет.

Вот почему меня не очень радуют новости о строительстве очередной АЭС, работающей по традиционной технологии...

Так каков ответ на вопрос заданный вначале: «Есть ли у атомной энергетики будущее?». Есть! Это релятивистская тяжелоядерная (ЯРТ) энергетика.

ЯРТ-энергетика основана на двух уникальных российских технологиях:

1) вынужденное делении тяжелых неделящихся ядер Th-232 и U-238, а, в перспективе, и отработанного ядерного топлива, - нейтронами с энергией более 10 МэВ, получаемых при бомбардировке этих ядер релятивистскими протонами с энергией 10÷50 ГэВ (В.И. Волков, И.Н. Острецов, Российский патент No 2238597).

2) протоны таких энергий генерируются компактным модульным трехмерным ускорителем на обратной волне BWLAP/ABC3D (А.С. Богомолов, Российский патент на ускоритель No 2152142).

ЯРТ-энергетика в принципиальном плане на фундаментальном уровне решает основные проблемы, сдерживающие сегодня развитие и широкое распространение ядерной энергетики в мире. ЯРТ-энергетика отвечает всем четырем требованиям МАГАТЭ. Самое главное — при таких энергиях нейтронов не образуются долгоживущие изотопы! То есть ядерных отходов практически нет! Технология обсуждалась и одобрена:

1. Расширенным заседанием НТС ФГУП ВНИИАМ;

2. Международной научной конференцией «Глобальные проблемы безопасности современной энергетики;

3. Круглым столом РАН «Новые технологические платформы в ядерной энергетике»;

4. Расширенным заседанием Президиума МАИТ;

5. Расширенным заседанием Комитета Совета Федерации РФ по науке, культуре, образованию и экологи.

Результаты обсуждения показали, что уровень инициативной разработки предлагаемого прорывного направления достаточен для начала его комплексной практической реализации и позволяет в полной мере реализовать высокотехнологичный научно-производственный потенциал России.

Программа по созданию ЯРТ-энергетики по сути обеспечивает реализацию двух выдвинутых Президентом Путиным В.В. глобальных инициатив:

1) создания ядерной энергетической технологии, работающей без использования делящихся материалов 235U, 239Pu;

2) обретения Россией статуса мирового энергетического лидера.

Масштаб этого направления таков, что без личного участия Президента РФ и его поддержки - реализация этих работ в России неосуществима, поскольку сегодня стоит вопрос о принятии именно политического решения.

Это прорывное направление и по своему уровню соответствует высокому статусу глобальной Программы развития ядерной энергетики, которая смогла бы консолидировать усилия всех стран по решению глобальных энергетических проблем человечества в XXI веке под эгидой России.

Признание вышеуказанного прорывного направления первоочередным для ядерной энергетики России, позволит ей стать ведущей страной в обеспечении энергетической безопасности.

Таким образом, если мы хотим развивать безопасную ядерную энергетику, нам нужно развивать высокотехнологическое производство ускорителей. Пока же, увы, шагов в этом направлении не слышно...