Реакторы средней и малой мощности выходят на первый план

В Евросоюзе далеко не все готовы принять мирный атом даже ради безуглеродного будущего.

За исключением 2020 «пандемийного» года, когда провал мирового потребления энергии (4,5%, ядерный сектор – 4,1%) достиг максимума за всю послевоенную историю, а в «энергетической корзине» выросли только возобновляемые источники (хотя и меньше, чем в среднем за предыдущие годы), последнее десятилетие характеризуется постоянным приростом первичной энергии (1,9% в год) при практической стабильности мирового потребления атомной энергии (–0,2% в год).

Здесь уместно вспомнить историю. Вопреки ожиданиям пионеров атомного века ядерная энергетика не стала доминирующим источником энергии, хотя атмосфера, сложившаяся в начале ее развития, была более чем благоприятной. На фоне сверхоптимистических прогнозов пик заказов на АЭС пришелся на середину 1970-х, но вскоре – так же лавинообразно, как начинался их рост – стал протекать и обратный процесс отказов от строительства АЭС. Экономические показатели новой энергетической технологии оказались не столь радужными, как это казалось в момент «низкого старта».

Первая тяжелая авария на АЭС «Тримайл» в США (1979) вызвала беспокойство всего мира, привела к радикальному пересмотру требований безопасности и, как следствие, огромному материальному ущербу для всей ядерно-энергетической системы. Чернобыль нанес дополнительный серьезный удар, вызвав шок повсеместно в мире. В ряде стран были остановлены программы строительства АЭС, произошли отказы от планов ядерно-энергетического развития, а к началу 1990-х годов строительство АЭС в развитых странах практически прекратилось. После аварии на АЭС «Фукусима» (2011) ядерная энергетика вошла в долгий период, часто называемый стагнацией, когда доля атомной генерации в производстве энергии росла только в «избранных» точках мира.

Вместе с тем в экспертном сообществе растут ожидания нового этапа в использовании атомной энергии, когда широко предсказываемый «энергетический переход» к низкоуглеродным технологиям будет сопровождаться качественным ростом ядерного сектора.

Одно из важнейших последствий COVID-19 – усиление внимания к устойчивости энергетических поставок, то есть способности противостоять серьезным сбоям и восстанавливаться после них. Современные энергетические системы должной устойчивостью не обладают, поэтому не смогут справиться с новыми кризисами. Атомная энергия обеспечивает устойчивость в силу целого ряда факторов, в том числе стратегических запасов топлива на месте и гибкости поставки электроэнергии в сеть.

Темпы предсказываемого роста использования возобновляемых источников энергии, сильно зависимые от политики национальных правительств в области декарбонизации, будут сдерживаться отсутствием развитых эффективных технологий длительного хранения энергии и, как следствие, создавать стимул для «тандема» ядерной энергии и ВИЭ в энергетических системах.

Практически не обсуждается, но от этого не перестает существовать еще один мощный драйвер ядерно-энергетического развития. Три государства, по общему признанию лидирующие на геополитической карте мира, в разгар вызванного пандемией энергетического кризиса подтвердили, хотя и в разной степени, свою приверженность к развитию ядерной энергетики. Доля низкоуглеродной энергии в потреблении Китая, США и России колеблется от 14% (в России) до 18% (в США), а ядерная составляющая в этом секторе – от 14% в Китае до почти 50% в США и России (данные 2020 года ), причем китайская ядерная энергетика по скорости роста в точности соответствует мировому тренду увеличения со временем доли возобновляемых источников энергии.

Перспективы мировой ядерной энергетики в наибольшей степени зависят от общественного к ней отношения, начавшегося с «родовой травмы» первого применения атомной энергии. Для развивающихся стран неизбежны заботы о долговременной энергетической безопасности. Нельзя сбрасывать со счетов и стремление к приобретению научно-технического потенциала в ядерной сфере. Стоящие миллиарды и эксплуатирующиеся многие десятилетия атомные станции объективно влияют на отношения между странами и народами, создавая вокруг себя социальную инфраструктуру, тысячи рабочих мест и неизбежно приобщая молодежь к «высокой» науке и технике.

Все это дает основание к обсуждению технологической платформы, с которой ядерная энергетика предполагает вступить в новый этап развития.

Реакторная технологическая платформа сегодня и в ближней перспективе

Существующий на октябрь 2021 года реакторный парк мира включал в себя 442 блока в статусе действующих (с общим количеством реакторо-лет эксплуатации около 20 000) и 51 блок в статусе строящихся. По суммарной мощности почти 90% этих реакторов – водоохлаждаемые корпусные с водой под давлением или кипящие.

Как подчеркивают эксперты WNA, реакторы, первоначально спроектированные для применения на атомных подводных лодках и военном надводном флоте, сегодня обеспечивают 85% мирового ядерного электричества. Более чем полувековой и в целом исключительно успешный опыт использования реакторов с водой под давлением на море явно способствовал этой технологии стать ведущей в развитии мирного атома на земле.

Если не учитывать «уходящие» технологии графитовых реакторов с газовым (Великобритания) и водяным (Россия) охлаждением, в составе ядерного парка сохраняются и поддерживаются рядом стран тяжеловодные реакторы (Канада, Индия, Аргентина, Румыния и др.), сохраняющие вклад в 6% (по мощности) в ядерное энергопроизводство, но явно не претендующие на заметное развитие.

Что касается текущего состояния и тенденций мировой ядерной энергетики, то демонстрацией уверенного лидирования концепции PWR являются девять (из десяти) блоков этого типа (российской, китайской и корейской конструкции) в числе подсоединенных к сети в 2020–2021 годы и восемь (из десяти) – начатых строительством в этот же период.

Нет никаких оснований ожидать смены тенденции превалирования корпусных водоохлаждаемых реакторов в ядерной энергетике как во всем мире, так и в России, где происходит непрерывная эволюция реакторов ВВЭР большой мощности от 5-го блока Нововоронежской АЭС до блока ВВЭР-ТОИ с реактором мощностью 1300 МВт(э).

Конкуренция российских блоков с упомянутыми китайскими, корейскими, американскими (четыре уже построены на китайской земле, два строятся в США) и европейскими (два работают в Китае, строятся в Финляндии, Франции и Великобритании) и будет двигателем прогресса этого направления. В основе его технологического развития лежат такие задачи, как уменьшение капитальных затрат и сокращение времени строительства, увеличение продолжительности сроков эксплуатации (в США уже продлено до 80 лет «время жизни» у шести блоков и еще десяток готовится к этому), а также ключевой тренд в мировой ядерной энергетике последних лет – разработка устойчивого к авариям (так называемого толерантного) топлива.

Наиболее обсуждаемой последнее время в экспертном сообществе, международных организациях и энергетических компаниях тенденцией развития коммерческой ядерной энергетики является принципиальное расширение мощностного ряда в сторону реакторов средней и особенно малой мощности.

Потребности рынка вернули к жизни развитие ниши реакторов средней мощности (300–700 МВт(э), уже активно развиваемых в Китае и в перспективе ожидаемых в России на базе развитых проектов АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ.

На первом плане, безусловно, находятся установки малой мощности, родившиеся в первый период бурного роста интереса к сооружению АЭС. Уже тогда возникло стремление создателей новой техники разработать малые наземные источники энергии, заставить их «путешествовать», сделать транспортабельными от заводов к удаленным потребителям – в первую очередь, как показала история малых АЭС 1960–1970-х годов, для задач оборонных ведомств США и СССР.

Новый интерес к малым АЭС охватил целый ряд стран – разумеется, в первую очередь Китай, уже начавший строительство малого модульного реактора АСР-100 с водой под давлением для производства электроэнергии, тепла или опреснения воды, четко следуя своей мудрой доктрине: «пусть расцветают все цветы».

Перспективы первенства России в развитии малых АЭС вполне объективны. Огромная морская граница с рассредоточенными потребителями идеально подходит для такого способа энергоснабжения. Россия обладает уникальным заделом для его дальнейшего развития. В стране разработано четыре поколения реакторных установок для гражданских атомных судов. Разработан и введен в строй уникальный гибрид – атомная станция для энергоснабжения суши, размещенная на несамоходной барже (ПАТЭС «Академик Ломоносов»). Уже существует проект, предназначенный для выработки электроэнергии с возможностью комплектации теплофикационной и опреснительной установками. Для этой станции выбрана площадка в Якутии, ожидаемый срок ввода в эксплуатацию – 2028 год. Новый выход атомной энергии «из моря на сушу», по крайней мере в России, явно не за горами.

Одна из первых мобильных АЭС - плавучая атомная электростанция «Академик Ломоносов». Фото Reuters

Начиная с небольшого плутониевого кубика, в 1946 году нареченного его создателями «Клементиной» по имени несчастной дочери американского золотоискателя из когда-то популярной песенки, мечта развить энергетическую технологию, способную производить для себя ядерное топливо, надолго завоевала умы и сердца разработчиков атомной техники.

Первая волна запусков экспериментальных быстрых реакторов в начале 1950-х годов продолжалась десятилетиями, подогреваемая идеей Э. Ферми о ядерной энергетике на быстрых нейтронах на дешевом неисчерпаемом топливе. К концу века стало очевидно, что ранее предсказывавшиеся трудности с обеспечением растущей ядерной энергетики топливом откладываются, что означало отсутствие потребности в быстрых реакторах в длительной перспективе.

Направление быстрых реакторов не было обижено ни усилиями разработчиков, ни отношением принимающих решения практически во всех странах – создателях ядерной техники. Сегодняшнее место быстрых реакторов в реальной энергетике, а также в исследованиях и разработках отражает сроки прогнозируемой необходимости в них, определяемой прежде всего потребностями вовлечения урана-238 в ядерный топливный цикл.

Всесторонняя оценка соотношения спроса и предложения на уран (при экономически приемлемой стоимости извлечения) снова отодвинула потребность в новых источниках топливообеспечения за середину века. Перенос востребованности «вторичного» ядерного топлива еще на несколько десятилетий явно не стимулирует интенсивное развитие быстрого направления, сколько бы доводов о его преимуществах не произносилось энтузиастами. Ядерная энергетика по Ферми пока что не состоялась, да и не могла состояться по явно объективным причинам.

Отсюда достаточно спокойный темп проработки различных проектов быстрых реакторов в мире – даже в странах, сохраняющих к ним интерес: Индии, Китае, Франции, США. Россия, единственная в мире имеющая в составе ядерного парка коммерческие реакторы на быстрых нейтронах, явно лидирует по темпам развития этой технологии. Мир признает, что российские ученые и инженеры позволили своей стране опередить разработчиков других стран минимум на 15–20 лет. Однако «медаль» имела и обратную сторону – недостаточное (в течение ряда лет) внимание к дальнейшему развитию концепции реакторов на тепловых нейтронах, которую длительное время упорно, но, к счастью, безрезультатно некоторые энтузиасты быстрых реакторов пытались объявить тупиковым направлением.

Широкое внедрение реакторов на быстрых нейтронах и замыкания на их основе ядерного топливного цикла в существующих российских стратегических планах отнесено на 30-е годы текущего века, что может оцениваться как традиционный максимализм при нынешних весьма умеренных представлениях о росте потребности в ядерной генерации, но вполне своевременно в случае существенного изменения тренда ядерно-энергетического развития.

При этом сохраняется поле для альтернативных способов необходимого обеспечения топливом базового направления – тепловых реакторов, например разработки более экономичных методов добычи урана и внедрения в эту сферу новых технологий, а также производства ядерного топлива на основе термоядерных источников нейтронов.

«Лист ожидания» перспективных реакторных технологий

Представленный курчатовскими экспертами еще до всплеска постпандемийных прогнозов «лист ожидания» перспективных реакторных технологий не подвергался существенной критике, хотя некоторое хорошо забытое старое подается как новое слово в современных обсуждениях тенденций ядерной энергетики.

Это в полной мере относится к развернувшимся дебатам о предстоящем выходе мирного атома за пределы электрогенерации (теплоснабжение, опреснение, производство водорода и др.) при сегодняшнем практически пренебрежимом вкладе атомной энергии в неэлектрическое производство – примерно 1%. Так, старт направления высокотемпературных реакторов для гражданского использования, открывшего новые горизонты мирного атома, состоялся еще в 1965 году, когда был построен первый такой реактор. ВТГР работали в Великобритании, Германии и США вплоть до конца 1980-х. История российской энергетики включает в себя не только доведение до готовых к внедрению технических проектов высокотемпературных реакторов для различных технологических процессов.

Реальное возрождение высокотемпературного направления в ядерной энергетике демонстрирует опять-таки только Китай, уже практически запустивший двухблочную АЭС с такими реакторами. Аналогичные разработки разных стран, в число которых входит и Россия, пока остаются на уровне «деклараций о намерениях». В основном они связаны с бурным обсуждением довольно старой идеи широкого использования водорода как энергоносителя не только в качестве жидкого топлива на транспорте и для аккумулирования энергии, но и для обезуглероживания энергоемких производств, таких как металлургическая, химическая, цементная промышленность и т.п.

Следует заметить, что у водородного направления существуют не только убежденные сторонники, но и критики. Производство водорода представляет собой весьма затратный способ получения вторичной энергии. Нерешенные технологические проблемы хранения и транспортировки водорода еще долго будут препятствовать его предсказываемому широкому распространению. Так или иначе ожидания взрывного роста производства и применения водорода в мире предстоит проверить практикой, но накопленный десятилетиями потенциал готовности атомного сектора, в том числе и в России, к участию в этом энергетическом проекте достаточен для его развертывания, если мир к такой потребности действительно придет.

«Второе пришествие» жидкосолевых реакторов (ЖСР), пожалуй, даже несколько неожиданно ворвавшихся в сферу реакторных разработок нового века, в основном обязано проблемам переработки отработавшего ядерного топлива с трансмутацией минорных актинидов, вносящих наибольший вклад в его долговременную активность. Ряд проектов разрабатывается в США, Канаде, Великобритании, Индии и др. В Китае уже строятся экспериментальные жидкосолевые реакторы, в России официально объявлено о начале строительства исследовательского ЖСР на базе Железногорского горно-химического комбината. В целом концепция ЖСР довольно интенсивно перемещается с «листа ожидания» в сферу непосредственных разработок.

Шансы на использование жидкосолевых технологий – как, впрочем, и тория – в ядерном производстве связывают сегодня с долгие годы остававшейся неизвестной идеей, высказанной еще Игорем Курчатовым и получившей новую жизнь по инициативе ученых Курчатовского института. Термоядерный источник нейтронов высокой энергии для эффективной наработки ядерного топлива, то есть гибридный реактор «синтез-деление», объективно может быть создан существенно раньше, чем будут решены проблемы, стоящие на пути термоядерной энергетики (прежде всего – плазменных нагрузок на первую стенку).

Разумеется, никакой обзор ожидающих своего часа ядерных технологий не может быть полным. Из 600 различных типов реакторов, которые насчитали специалисты еще на заре ядерной энергетики, комбинируя всевозможные виды топлива, теплоносителей, замедлителей и конструкционных материалов, что-то вполне может оказаться пропущенным для реализации на практике. Существующая технологическая платформа мирного атома была выбрана в весьма узком спектре из этого океана возможностей. Уже сейчас, например, довольно очевидно, что черпать из этого источника предстоит для начавшейся новой фазы развития ближней и дальней космонавтики, невозможной без новых ядерных источников энергии.

Бессмысленно отрицать и возможность рождения принципиально новых идей: гигантская теплотворная способность ядерного топлива всегда будет неодолимым стимулом для творческой мысли при всей ностальгии легковнушаемого человечества по библейским временам энергии ласкового солнца, освежающего ветра и журчащей воды.