Ядерный юбилей с устремлением в будущее

Первая АЭС в Обнинске начала работу 60 лет назад именно в этом здании. Фото автора

60-летие мировой атомной энергетики, которое в наши дни отмечают российские атомщики, напрямую связано с запуском первой в мире АЭС в городе Обнинске. В свое время первый председатель Госкомитета Совмина СССР по использованию атомной энергии Андраник Петросьянц сказал, что «маленькая Обнинская АЭС открыла широкую столбовую дорогу большой атомной энергетике». Официальные празднования в России по этому поводу состоялись в рамках 25-й научно-технической конференции ядерного общества России «АЭС: вчера, сегодня, завтра», проходившей в Обнинске.

Первоначально идея создания реактора для будущей АЭС не встретила понимания у политического руководства атомного проекта СССР. Все усилия тогда были направлены на выигрыш соревнования с США в гонке ядерных вооружений, и мирный атом воспринимался как побочный и далеко не самый важный продукт ядерных технологий. Но тем не менее 29 ноября 1949 года, спустя ровно три месяца после успешного испытания РДС-1 – первой советской атомной бомбы, на совещании с участием научного руководителя атомного проекта академика Игоря Курчатова, директора Института физических проблем (будущего президента Академии наук СССР) Анатолия Александрова и директора НИИХимаша Николая Доллежаля (который станет главным конструктором реакторной установки Обнинской АЭС) было рекомендовано включить в план научных работ на 1950 год «проект реактора на обогащенном уране с небольшими габаритами только для энергетических целей общей мощностью по тепловыделению в 300 единиц, эффективной мощностью около 50 единиц с графитом и водяным теплоносителем». Тогда же были даны поручения о срочном проведении физических расчетов и экспериментальных исследований по этому реактору. По сути, это и было решение построить в Обнинске на территории лаборатории «В» атомную электростанцию с тремя реакторными установками. К тому времени проблема создания промышленных реакторов для наработки материала для атомной бомбы была уже успешно решена. Но для мирного атома требовалось разобраться со множеством проблем, в том числе найти новые материалы, устойчивые к высоким температурам, не поглощающие нейтроны в больших количествах, создать тепловыделяющий элемент – твэл. В результате упорного труда 26 июня 1954 года первая в мире АЭС дала электричество в сеть. Изначально Обнинская АЭС рассматривалась как экспериментальная энергетическая станция. Начиная с 1956 года АЭС использовалась в основном для проведения научных исследований.

Открыв эру атомной энергетики, человечество сделало с тех пор мощнейший рывок в использовании мирного атома для производства электрической энергии. За прошедшие десятилетия энергетика атомного ядра заняла достойное место в мировом энергобалансе. В настоящее время в 30 странах работают 193 атомные станции с 435 энергоблоками общей мощностью около 370 гигаватт (в России на 10 АЭС действуют 33 энергоблока общей мощностью около 25,2 гигаватт). Максимальную долю электроэнергии, производимой в мире на АЭС – 17%, – человечество имело в начале 90-х годов. В настоящее время она снизилась до 12%. Это обстоятельство принято объяснять различными причинами. В том числе проблемами доверия к безопасности после аварии на американской АЭС «Три-Майл-Айленд» в 1979 году, чернобыльской катастрофы в 1986 году, а теперь и событиями на японской «Фукусиме» в 2011 году. Однако сейчас тренд опять изменился. В мире одновременно идет строительство 72 атомных реакторов – это самый крупный показатель за последние 20 лет. С каждым годом растут вложения в системы безопасности станций, затраты на исследования и новые технологии в области обращения с радиоактивными отходами. Риски становятся минимальными, а атомная энергетика становится более привлекательной за счет того, что не дает СО2, а значит, не надо платить за выбросы парниковых газов. Это обстоятельство в перспективе станет одним из важнейших факторов улучшения экономики атомного киловатт-часа. Атомная энергетика наиболее востребована в развивающихся государствах и быстрорастущих экономиках, в так называемых пороговых странах, переживающих период бурного экономического развития, где рост спроса нелинейный, то есть связан не только с развитием промышленности, но и с массовым переходом жителей на уровень жизни, когда семья может позволить себе обогреватели либо кондиционеры и другую бытовую технику.

Сегодня, как считает Владимир Асмолов, первый заместитель генерального директора Росэнергоатома, можно охарактеризовать состояние ядерной энергетики как близкое к зрелости. А ее будущее, по его мнению, связано с огромными ресурсами топлива. В СССР проблемы будущего ядерной энергетики готовились решать путем программ развития реакторов на быстрых нейтронах и создания замкнутого ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Замкнутый ЯТЦ позволяет до 30% экономить сырьевую базу атомной энергетики и минимизировать подлежащие захоронению радиоактивные отходы. Реакторы на быстрых нейтронах принято называть инновационным подходом развития атомной энергетики в отличие от существующего сегодня инерционного пути.

Инерционную фазу связывают также со значительными объемами хранения отработанного ядерного топлива (ОЯТ). По прогнозным оценкам, если ничего не предпринимать, к 2060 году накопится значительное количество требующего захоронения ОЯТ. Поэтому новые подходы в обращении с облученным топливом, которые позволяют небезосновательно считать ОЯТ топливом будущих поколений, сейчас особенно востребованы. Проблема решается с помощью промышленной переработки ОЯТ с целью извлечения из него плутония. Оставшийся уран вовлекается во вторичный топливный цикл тепловых реакторов, а наработанный плутоний становится сырьем для топливообеспечения реакторов на быстрых нейтронах. В этом смысл замкнутого ядерного топливного цикла с частичным рециклированием. Это мечта атомщиков, которая совершит в ближайшее десятилетие новый прорыв в атомной энергетике.

С IV поколением ядерной технологии термин «реактор» заменяется более корректным термином «система», что включает в себя как непосредственно сам реактор, так и переработку (рециклирование) ядерного топлива. Такие новые системы будут обладать более высокими эксплуатационными показателями, чем предыдущие поколения, а также обеспечат рост конкурентоспособности, безопасности и надежности, оправдывая использование в их отношении  выражения «технологический прорыв». Некоторые из них будут производить электроэнергию, а другие вырабатывать тепло (температуры 400–900±C) для использования в различных промышленных целях – в нефтехимии, выработке синтетического топлива, газификации биомассы, производстве водорода из воды, стекла или цемента. Более низкие температуры (100–300±C) могут применяться для обессоливания морской воды и производства удобрений.

Часть ядерной системы IV поколения будет работать на нейтронах быстрого спектра. Их способность к воспроизводству делящегося материала в сочетании с передовыми технологиями деления и трансмутации открывает большие возможности. Их ядерное топливо будет устойчиво к очень высоким температурам и обеспечит удержание всех радиоактивных актинидов. В результате их топливный цикл будет полностью замкнутым. По этой причине новые системы особенно эффективно обеспечат устойчивое развитие благодаря образованию минимальных объемов отходов («выжиганию» всех актинидов).

Системы IV поколения обеспечат оптимальное использование природных ресурсов и надежность энергоснабжения. Дело в том, что реакторы-размножители способны использовать значительную часть энергетического потенциала, недоступного существующим тепловым легководным реакторам, в результате чего из того же исходного количества урана может быть произведено в 50 раз больше энергии. Такие реакторы способны преобразовывать природный уран-238 даже интенсивнее, чем сами поглощают делящийся материал (свойство, называемое «размножение»). Кроме того, они могут использовать топливо с очень низким содержанием урана, а образование отходов будет минимальным. Отпадет проблема высокого обогащения, а значит, и нераспространения.

В перспективе, особенно если ее рассматривать под углом зрения будущей низкоуглеродной экономики (в постнефтяном обществе, переход к которому ожидается после 2040 года), реакция ядерного деления продолжит играть важную роль в удовлетворении энергетических потребностей человечества, в особенности за счет способности к совместному производству тепла и электричества, что и предлагается реакторами IV поколения. В дни юбилея первой АЭС ученые и инженеры не сомневаются, что ядерные технологии IV поколения обеспечат экономически эффективное и безопасное использование энергетического потенциала природных ресурсов, оптимальное обращение с ядерными отходами, сокращение выбросов парниковых газов и минимальные риски распространения.