Подрастающее поколение

Развитие перспективных технологий ядерных энергетических систем

Огромный потенциал ядерной энергетики, которая может обеспечивать устойчивое и надежное энергоснабжение без выбросов парниковых газов, признан международным сообществом. Ожидается, что атомные станции будут играть важную роль в удовлетворении растущих глобальных энергетических потребностей, и все большее число стран оценивает возможное использование энергии атома в будущем.

Эволюция ядерных энергетических технологий насчитывает несколько поколений. Большинство эксплуатирующихся в настоящее время АЭС относятся к поколению II, реакторы поколения III/III+ работают и строятся с конца XX века. Разрабатываемые ядерные энергетические системы поколения IV обещают дать атомной генерации новые преимущества с учетом экономических, экологических и социальных требований и вызовов XXI века. В этих системах используются передовые технологии для улучшения характеристик реакторов и топливных циклов по сравнению с действующими. Кроме того, системы поколения IV ориентированы на новые применения ядерной энергии, такие как технологическое теплоснабжение, опреснение воды, производство водорода.

К технологиям четвертого поколения относятся в том числе системы на базе реакторов на быстрых нейтронах с натриевым и со свинцовым теплоносителем. Наша страна является признанным лидером в этой области: на Белоярской АЭС успешно эксплуатируются натриевые реакторы, а в Северске на площадке СХК в рамках проекта «Прорыв» впервые в мире строится опытно-демонстрационный энергокомплекс с инновационным свинцовым реактором БРЕСТ и модулями по производству ядерного топлива и по переработке облученного топлива, обеспечивающими пристанционный замкнутый топливный цикл. Из недавних новостей проекта: в апреле 2024 года Росатом получил лицензию Ростехнадзора на эксплуатацию модуля по производству ядерного топлива для реактора БРЕСТ.

Эксперты рассказывают об основных характеристиках и мировых перспективах разработки и внедрения систем поколения IV.

Игорь Линге

Доктор технических наук, советник дирекции ИБРАЭ РАН

«Основное отличие реакторов поколения IV сконцентрировано в более широкой постановке требований, инициированной идеями устойчивого развития»

У понятия «поколение IV» в атомной энергетике существует два измерения. Первое — традиционное, для обозначения новизны модели. С поправкой на то, что ядерные реакторы — это не автомобили, модельный ряд которых обновляется ежегодно, а гораздо более инерционные системы. Реакторы поколения I создавались в 1960-е годы, характеризовались неприемлемой с позиции сегодняшних дней аварийностью и сейчас в основном уже выведены из эксплуатации. Реакторы поколения II продолжают эксплуатироваться. Реакторы поколения III и III+ сооружаются и будут эксплуатироваться еще много десятилетий. А вот дальше будет поколение IV.

Второе измерение — это наименование международного форума, который функционирует уже более 20 лет и в который входят более 10 стран, в том числе Россия. Это не кооперация стран, благодаря которой ведутся работы по сооружению реактора, как, например, термоядерного (ИТЭР), а, скорее, дискуссионный клуб, в котором делятся результатами исследований и разработок. В рамках этих дискуссий произошел отбор шести перспективных направлений, среди которых доминируют реакторы на быстрых нейтронах.

Основное отличие реакторов поколения IV от современной атомной энергетики сконцентрировано в более широкой постановке требований, инициированной идеями устойчивого развития. В итоге они стали основой для взаимосвязанной системы принципов, объединяющих, в частности, экономичность, безопасность, надежность, нераспространение, защищенность от террористических актов.

Понятно, что идеи устойчивого развития вынуждают рассматривать не только сами конструкции ядерных реакторов, но и вопросы топливообеспечения, замыкания ядерного топливного цикла и производства водорода. При этом и требования к глубине рассмотрения всех этих вопросов также повышаются. Так появилось понятие «коды нового поколения» (от английского code — «компьютерная программа») — это новое расчетное программное обеспечение, которое позволит более глубоко анализировать всю совокупность процессов, сопровождающих как нормальную эксплуатацию реакторов, так и нарушения в их работе, в том числе в условиях тяжелых аварий. Разработка таких кодов является новой и интересной работой, в которой активное участие принимают специалисты ИБРАЭ РАН.

В рамках Международного форума поколения IV было заключено Рамочное соглашение 2005 года, которое формально обязывает участников вести разработку одной или нескольких систем четвертого поколения из шести отобранных. Поэтому развитие технологий четвертого поколения уже давно вышло за рамки конкурса концептуальных идей и стало предметом глубоких исследований, технологических и конструкторских разработок и осмысления бизнес-проектов, которые на этой основе могут быть сформированы. В этом отношении примечателен факт присоединения к международному форуму в 2019 году первой частной компании. Это канадская Terrestrial Energy, увлеченная идеей создания реактора на расплаве солей.

В этих разработках Россия занимает лидирующее положение. Причем это лидерство не только в прошлом, в котором есть длительная эксплуатация реакторов БН-350, БН-600 и БН-800, но и в предложении конструкции конкретного ядерного реактора. Оно тоже есть, реализуется и материально осязаемо для всех участников проектного направления «Прорыв», для которых есть графики выполнения работ, в том числе по сооружению реактора БРЕСТ-300. Но есть и более широкое осмысление облика атомной энергетики будущего, закрепленное в стратегии развития двухкомпонентной атомной энергетики России в XXI веке. Эта долгосрочная стратегия детально прорабатывалась. В целях ее обеспечения и развития уже в 2023 году начаты работы над стратегической программой по радиохимии, которая должна сформировать необходимый потенциал компетенций, кадров, исследовательской базы и промышленных технологий по переработке ОЯТ и других новых производств, которые обеспечат реальное замыкание ЯТЦ, максимальное использование делящихся материалов и минимизацию образования РАО.

Марина Хвостова

Кандидат географических наук, доцент, начальник отдела экологии, радиационной и промышленной безопасности, и. о. завкафедрой АЭС ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

«Ядерные энергетические системы поколения IV — это качественно новый скачок развития атомной энергетики»

За 70-летнюю историю своего существования атомная энергетика прошла большой эволюционный путь. Ядерные энергетические установки, спроектированные и введенные в эксплуатацию на разных этапах развития атомной отрасли, классифицируют по поколениям.

Реакторы поколения I — ранние опытные образцы энергетических реакторов с различными видами теплоносителей. Это поколение энергетических реакторов продемонстрировало и позволило отработать технологии получения электрической энергии из энергии деления ядер посредством преобразований в тепловом цикле. На основе первых проектов были построены и эксплуатировались некоторые прототипы АЭС.

Реакторы поколения II — коммерческие реакторы, построенные до конца 1990-х годов, являются дальнейшим развитием реакторов поколения I. Они окупаемые и достаточно надежные. При их проектировании применялся консервативный подход, основным критерием безопасности был огромный запас по всем параметрам работы ядерной установки.

Реакторы поколения III — ядерные реакторы, появившиеся в результате эволюции реакторов поколения II. Характерными чертами этих реакторов являются 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. Улучшенная версия поколения III — реакторы поколения III+. Они предлагают повышение безопасности по сравнению с конструкциями реакторов поколения III, стремясь решить три ключевые задачи: безопасность, снижение стоимости и новые технологии сборки. В настоящее время большинство находящихся в эксплуатации реакторов во всем мире относятся к реакторам поколения II, поскольку подавляющее большинство систем поколения I были выведены из эксплуатации, а число реакторов поколения III и III+ по состоянию на 2024 год незначительно.

Международный форум поколения IV (GIF) отобрал шесть реакторных технологий в качестве перспективных. Поскольку к ним предъявляются требования, отвечающие вызовам современного развития общества, а именно возможность устойчивого развития, малоотходность, конкурентоспособность в промышленных масштабах, не ограниченная на длительный период времени сырьевой базой, безопасность (надежность) и защита от несанкционированного распространения ядерных материалов, то корректнее уже говорить не о ядерных реакторах, а о ядерных энергетических системах поколения IV. В эту систему, помимо ядерной энергетической установки, также входят блоки переработки облученного топлива и фабрикации нового топлива. Ядерные энергетические системы поколения IV — это качественно новый скачок развития атомной энергетики. Они позволят получать электрическую и тепловую энергию, безопасно эксплуатировать энергоблоки и замкнуть ядерный топливный цикл.

Весь мировой опыт проектирования и эксплуатации реакторов — это уже в некоторой степени тот научно-технический задел, который делает возможным реализацию ядерных энергетических систем четвертого поколения. Однако из шести выбранных GIF реакторных технологий 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 поколения IV в ближайшие годы.

Еще одна технология — высокотемпературных газовых реакторов — признана перспективной. Высокотемпературный атомный реактор с газовым охлаждением HTR-PM был разработан специалистами Университета Цинхуа в качестве более безопасной альтернативы реакторам с водяным охлаждением.

Россия, несомненно, является лидером мирового рынка ядерных технологий нового поколения. Работы ведутся сразу в нескольких направлениях.

Технология быстрых реакторов разрабатывается в России с 1950-х годов. Реакторы БР-5/10, БОР-60, БН-350, БН-600, БН-800, в разное время выполнявшие и выполняющие свои задачи, показали эффективность и перспективность такого типа ядерных установок. В настоящее время достаточно глубоко проработан проект реактора БН-1200M, который может быть использован в ядерных энергетических системах четвертого поколения. БН-1200М — основа для серийных быстрых натриевых реакторов.

На территории Сибирского химического комбината возводится опытно-демонстрационный энергетический комплекс (ОДЭК) в составе энергоблока с реактором БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем и замыкающего ядерный топливный цикл пристанционного завода, который включает в себя модуль переработки облученного смешанного уранплутониевого (нитридного) топлива и модуль фабрикации/рефабрикации для изготовления стартовых твэлов из привозных материалов, а впоследствии твэлов из переработанного облученного ядерного топлива. ОДЭК впервые в мире должен продемонстрировать устойчивую работу полного комплекса объектов, обеспечивающих замыкание топливного цикла.

Еще один проект — строительство энергоблока с инновационным водо-водяным реактором со спектральным регулированием (ВВЭР-С). Применение системы спектрального регулирования имеет целый ряд преимуществ. При той же мощности реактор со спектральным регулированием потребляет на 30 % меньше урана. Даже в условиях открытого ядерного топливного цикла это поможет сберечь запасы урана. Кроме того, спектральное управление позволяет загрузить в легководный реактор активную зону, полностью состоящую из МОКС-топлива. Также анализ энергоблоков поколения III+ показал, что затраты на строительство блоков с ВВЭР-С могут быть на 10–15 % ниже по сравнению с затратами на блоки с ВВЭР-1200.

Сергей Капитонов

Эксперт Проектного центра по энергопереходу Сколтеха

«Россия, безусловно, является мировым лидером в разработке реакторов поколения IV»

Под реакторами четвертого поколения необходимо понимать систему характеристик как самого реактора, так и сопутствующих процессов ядерного цикла, невиданную ранее на реакторах прежних поколений. К необходимым характеристикам относят высокие показатели эффективности эксплуатации реактора (топливная эффективность, тепловой КПД), безупречные стандарты безопасности, возможность работы в условиях замкнутого цикла (то есть возможность задействовать переработанное ОЯТ в новых топливных сборках) и т.д.

Строго говоря, сегодня в мире ни один коммерческий реактор не соответствует всем предъявляемым для реакторов четвертого поколения требованиям. Однако существуют проекты реакторов (на разных стадиях реализации), которые по завершению можно будет по праву называть реакторами четвертого поколения. В России это реактор на быстрых нейтронах БН-1200, который планируется к сооружению на площадке Белоярской АЭС на горизонте 2032–2035 годов, и экспериментальный реактор БРЕСТ, строящийся в Северске. Из зарубежных примеров работ над реакторами четвертого поколения можно отметить построенные на АЭС «Шидаовань» в Китае высокотемпературные реакторы с газовым охлаждением. Это демонстрационные реакторы с высокими стандартами безопасности, низким потреблением топлива, высоким КПД. Эти реакторы, однако, пока не вышли за рамки демонстрационных и обладают относительно невысокой мощностью.

Что касается предшественников реакторов четвертого поколения, то НИОКР и демонстрационные проекты реализовывались в ряде зарубежных стран (Франция, США, Япония) как в формате тепловых реакторов, так и в формате реакторов на быстрых нейтронах. Однако до серийных образцов, полностью соответствующих требованиям нового времени, дело не дошло.

Россия, безусловно, является мировым лидером в разработке реакторов поколения IV. Целый ряд ноу-хау, необходимых для нового поколения энергоблоков, был отработан на реакторах БН-600, БН-800 на Белоярской АЭС, в частности возможность использования МОКС-топлива (продукта переработки ОЯТ), системы безопасности (пассивный отвод тепла, системы аварийного расхолаживания) и т. д. Принципиально новые схемы работы реакторов будут отрабатываться на реакторе БРЕСТ (реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем).

На фоне энергетического перехода и ставки ряда государств на снижение зависимости от углеводородов именно атомная энергетика может обеспечить базовую генерацию в энергосистеме. Если с помощью реакторов поколения IV 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.

Сергей Роженко

Директор группы аналитики в энергетике Kept

«Развитие технологий поколения IV будет способствовать позиционированию энергии атома как безопасного и устойчивого решения для энергетики будущего»

Четвертое поколение атомных реакторов — довольно широкое понятие современных технологий атомной генерации, находящихся в стадии разработки и опытной эксплуатации. Эти разработки призваны решить как вопросы технологического характера, связанные с топливной эффективностью, безопасностью и другими «потребительскими» качествами АЭС, так и во все возрастающей мере вопросы маркетинга и позиционирования в общественном сознании новой атомной энергетики как части устойчивой и низкоуглеродной энергетики будущего.

С технологической точки зрения сам термин «поколение IV» введен в 2001 году организацией Международный форум поколения IV (Generation IV International Forum, GIF), определившей шесть классов перспективных атомных технологий, в первую очередь связанных с использованием неводяных теплоносителей (абсолютное большинство из 410 реакторов, работающих в мире на сегодня, используют воду как теплоноситель и технологическую жидкость, отвечающую за поддержание цепной реакции деления урана), таких как расплавы солей, свинец и системы газообразного охлаждения.

Все эти технологии так или иначе направлены на решение трех основных технологических задач. Во-первых, существенно повысить температуру теплоносителя на выходе из реактора свыше традиционных 270–300 °С до 550 °С и даже до фантастических на сегодня 850 °С для самых «продвинутых» газовых реакторов. Повышение температуры теплоносителя позволит использовать АЭС не только для выработки электроэнергии и обеспечит возможность замещения высокотемпературных процессов в промышленности, таких как, например, высокотемпературный электролиз воды. Во-вторых, тот же самый подъем температуры в реакторах поколения IV должен обеспечить существенный рост электрического КПД с 30–35% до 42–45% и, соответственно, топливной эффективности за счет перехода к так называемым сверхкритическим параметрам пара. В-третьих, ряд технологий четвертого поколения обеспечивают замыкание топливного цикла, когда реактор становится способным производить больше топлива, чем в него было загружено. Никакого чуда здесь нет: все дело в природном составе уранового топлива, где доля «годного» для атомной реакции урана-235 менее 1%, в то время как основную массу составляет уран-238. Этот «бесполезный» уран может быть преобразован в плутоний в специальных реакторах-бридерах и затем снова запущен в топливный цикл.

Последние два качества реакторов четвертого поколения являются наиболее значимыми. В условиях ожидаемого атомного низкоуглеродного ренессанса для обеспечения кратного наращивания атомных мощностей в мире обеспечение даже не цены, а просто массовой доступности ядерного топлива становится краеугольным камнем развития отрасли, а также принятия политических решений по входу в клуб стран, использующих атомную энергетику, новых игроков на международной арене.

Здесь мы приходим к решению нетехнических задач технологического развития атомной отрасли. Кроме всего прочего, развитие технологий четвертого поколения будет параллельно способствовать решению не менее важной задачи нового позиционирования энергии атома как безопасного и устойчивого решения для энергетики будущего, не менее интересного для общества, чем зеленая энергетика (ВИЭ и водородные технологии).

Несмотря на то что и реакторы поколения III+ технически высоконадежны, они воспринимаются и в общественном сознании, и в инструкциях по безопасности совершенно определенным образом, как нечто, требующее удаления от агломераций. Переход на неводяные теплоносители (пока в теории) обеспечивает существенный рост безопасности, так как основной корпус реактора, работающего, например, на расплаве солей, работает без давления, соответственно, его разгерметизация может быть локализована гораздо проще и в меньшей зоне. Новое позиционирование реакторов поколения IV позволяет приблизить станции к городам и промышленным объектам и расширить возможности их применения.

С учетом этих новых возможностей позиционирования атомное сообщество вот уже несколько лет проводит системную работу по созданию нового образа «пользовательского опыта» для новых атомных стран. В первую очередь это относится к включению АЭС в процессы энергопланирования, например, в рамках совместной инициативы МАГАТЭ и IRENA по разработке континентального плана развития энергетики — Africa Continental Power System Masterplan, реализованного в 2021–2023 годах, — АЭС рассматривается как органичный элемент архитектуры низкоуглеродной энергетики c понятным рынком сбыта продукции на десятилетия вперед. Большая определенность рынков сбыта энергии АЭС создает предпосылки для включения этих капиталоемких проектов в «устойчивые» таксономии национальных и международных финансовых институтов наряду с прокаченными ВИЭ, что обеспечит тот самый атомный ренессанс за счет привлечения негосударственных финансов в отрасль.

Развитие атомных технологий российского дизайна в целом идет в фарватере международной повестки. Очевидно, что основной объем рынка и производства энергии на ближайшие десятилетия будут нести технологии поколения III+, такие как бестселлеры международного рынка — блоки ВВЭР-1200, в то же время будет вестись разработка технологий поколения IV с фокусом российского подхода на замыкание топливного цикла и масштабирование технологий типа БН-800 и БРЕСТ, а также на систематическое позиционирование традиционных и новых АЭС как части будущего энергетики планеты.

Георгий Тихомиров

Заместитель директора Института ядерной физики и технологий НИЯУ «МИФИ»

«Новые технологии позволят вывести безопасность применения атомной энергетики на новый уровень и расширить топливную базу»

Сформулировано несколько концепций поколений атомных реакторов. Первое поколение — это фактически экспериментальные установки, к которым относится наша первая АЭС. Второе поколение — это коммерческие аппараты, которые начали эксплуатироваться в разных странах во время бурного роста атомной энергетики и интереса к ней. В 1960–1970-х годах пускалось по 30 блоков в год. Но потом вскрылись некие недоработки, произошли аварии на АЭС в Три-Майл-Айленде в США, в Чернобыле. Анализ причин этих аварий позволил сформулировать решения, которые было необходимо принять для их предотвращения, что позволило появиться реакторам третьего поколения. Но при этом у этих реакторов сохранились некоторые конструкционные ограничения, касающиеся применения только электрической энергии.

В 2000-х годах — после Фукусимы — появились факторы, позволяющие вывести безопасность применения атомной энергетики на новый уровень и решить проблемы нераспространения ядерных материалов. И еще один концепт — расширить топливную базу с использованием замкнутого ядерного топливного цикла.

Стоит отметить, что сегодня эта концепция продвинулась еще и с точки зрения развития малой атомной энергетики, которая будет включать развитие малой атомной генерации в труднодоступных областях мира. Если сегодня реально посмотреть на развитие атомной энергетики, то разработки ведутся в разных областях. В России реализуется проект БРЕСТ-300, развиваются проекты высокотемпературных реакторов, жидкосолевых реакторов, сверхкритических водных реакторов. Похожие программы есть в Китае, например реактор на быстрых нейтронах CEFR, похожий на наш реактор БН-600, что тоже можно отнести к реакторам поколения IV, а также у них пущен высокотемпературный реактор. В других странах много бумажных проектов. В России два проекта — высокотемпературный реактор и БРЕСТ, от которого много зависит.

Олег Ташлыков

Доктор технических наук, профессор, доцент УрФУ

«Принадлежность к следующему поколению должна стать наградой только тем типам будущих реакторов, чья ядерная безопасность будет доказана практикой»

Наиболее развитым направлением реакторных технологий, которые относятся к четвертому поколению, являются натриевые реакторы на быстрых нейтронах. Здесь Россия несомненный лидер, имеющий значительное опережение как в проектировании, сооружении, так и в эксплуатации этих реакторов. БН-1200М — основа создания серийных быстрых натриевых реакторов. Разработан технический проект реакторной установки серийного энергоблока, по безопасности соответствующего требованиям GIF. На совещании Управляющего совета по проектному соглашению Международного форума поколения IV по системной интеграции и оценке быстрого натриевого реактора в сентябре 2017 года концепция БН-1200 была принята и одобрена как отвечающая требованиям GIF, предъявляемым к реакторам на быстрых нейтронах поколения IV.

Распоряжением госкорпорации «Росатом» от 28 апреля 2022 года утверждена дорожная карта разработки предпроектной и проектной документации и сооружения энергоблока № 5 Белоярской АЭС с реакторной установкой БН-1200. Основанием для рекомендации сооружения энергоблока как признания готовности технологии быстрых натриевых реакторов к коммерческому освоению стали результаты разработки материалов проекта энергоблока в рамках анализа его конкурентоспособности и технического проекта РУ. Понятие конкурентоспособности в настоящее время включает не только характеристики безопасности и надежности, но и в первую очередь технико-экономические показатели ядерных реакторных технологий на уровне показателей электростанций на органическом топливе при учете всех затрат на всех этапах их жизненного цикла, в том числе и замкнутого ядерного топливного цикла.

Процесс создания энергоблока № 5 БАЭС с БН-1200 находится сейчас на стадии проектирования. Площадка под новый блок уже определена, прошли общественные слушания по размещению. По дорожной карте планируется, что первый бетон в фундамент зальют в 2027 году.

Россия также имеет значительный задел в реализации проекта «Прорыв» с реакторной установкой БРЕСТ-300 со свинцовым теплоносителем. БРЕСТ-300 также относится к одной из шести реакторных технологий, выбранных экспертами GIF. Сооружение, пуск и освоение эксплуатации реактора БРЕСТ-300 в составе комплекса по переработке ОЯТ и фабрикации нового ядерного топлива являются необходимым этапом в реализации масштабной ядерной энергетики с быстрыми свинцовыми реакторами большой мощности — БР-1200.

В России, помимо быстрых натриевых и свинцовых реакторных технологий, есть заделы по другим реакторным технологиям, отнесенным к четвертому поколению. Ведутся разработки по высокотемпературным газоохлаждаемым и жидкосолевым реакторам.

Реактор с расплавом солей, менее развитая технология, считается потенциально обладающим наибольшей пассивной безопасностью из шести моделей. В связи с развитием науки и техники некоторые проблемы жидкосолевых реакторов стало возможным разрешить, поэтому в последнее время появилось немало проектов реакторов такого типа.

Китайские СМИ в конце прошлого года сообщили о пуске первой в мире АЭС четвертого поколения — «Шидаовань» (в провинции Шаньдун) с двумя высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами с активной зоной с шаровыми микротвэлами (HTR-PM). Я думаю, полноценно отнести данные реакторы к четвертому поколению преждевременно, поскольку в данном случае не решена одна из задач, поставленных GIF, которые необходимо решить для практической реализации этих шести технологий, а именно — преимущество в стоимости производимой энергии по сравнению с другими видами генерации на всем протяжении жизненного цикла.

Если говорить о более отдаленном будущем, то реакторы поколения V пока представляют собой только теоретические концепции, неосуществимые в краткосрочной перспективе, что приводит к ограниченному финансированию НИОКР.

В заключение я хотел бы процитировать заслуженного деятеля науки РФ, доктора технических наук, профессора Бориса Григорьевича Гордона. В одном из своих выступлений он сказал: «Энергетика будущего возможна совсем на других, пока неизвестных нам принципах, среди которых особенно заманчивым кажется прямое преобразование энергии деления в электричество. Принадлежность к следующему поколению должна стать наградой только тем типам будущих реакторов, чья ядерная безопасность будет доказана практикой».