Усовершенствованные реакторы как путь к достижению целей в области борьбы с изменением климата в ядерной энергетике

Сделать ядерную энергетику более доступным, устойчивым и экономичным вариантом производства электроэнергии с малым объемом выбросов углекислого газа помогут усовершенствованные реакторы. Благодаря улучшенным характеристикам безопасности и оптимизации проектных решений с учетом минимизации издержек, эти реакторы, как ожидается, откроют возможности для большей экономии, ускорения процессов лицензирования и получения одобрения общественности — что в конечном итоге позволит странам обратиться к ядерной энергетике как к средству достижения своих целей в области борьбы с изменением климата.

?Усовершенствованные реакторы, которые проектируются с расчетом на эксплуатацию в течение шести или более десятков лет и предполагают ускоренный процесс лицензирования, отвечают всем требованиям повестки дня в области смягчения последствий изменения климата, которая ставит во главу угла быструю осуществимость и долгосрочную устойчивость проектов, — говорит начальник Секции развития ядерно-энергетических технологий МАГАТЭ Стефано Монти. — Ключевое значение для будущего ядерной энергетики имеет привлечение внимания общественности и получение одобрения с ее стороны, и с учетом того, что в проекты реакторов продолжают вноситься улучшения как в плане безопасности, так и в экономическом плане, отношение мирового сообщества к этому важному направлению низкоуглеродной энергогенерации также будет улучшаться?.

Усовершенствованные реакторы и связанные с ними виды топлива и топливные циклы — это передовой рубеж ядерно-энергетических технологий. В основе этих проектов лежит более шестидесяти лет исследований, разработок и обобщения практического опыта в сфере ядерной энергетики.

В сотрудничестве со странами МАГАТЭ помогает выявлять и решать проблемы, связанные с разработкой проектов усовершенствованных реакторов, в том числе касающиеся обоснования новых технологических решений и соответствия проекта требованиям безопасности. Эта помощь охватывает организацию совместных исследовательских проектов и различных мероприятий, в том числе семинаров-практикумов с участием международных экспертов, а также сотрудничество по линии международного форума ?Поколение IV? (МФП) — международной инициативы в области сотрудничества, к которой присоединились уже 13 стран. МФП, который был учрежден в 2000 году, занимается научными исследованиями и разработками в обоснование ядерных энергетических систем следующего поколения.

Среди отличительных особенностей усовершенствованных реакторов можно выделить повышенный тепловой КПД, минимизацию отходов, оптимальное использование природных ресурсов и возможность решения задач как в области производства электроэнергии, так и неэлектрических применений ядерной энергии, например производства водорода. Эти особенности расширяют спектр возможностей применения и существенно улучшают экономические показатели АЭС.

Усовершенствованные реакторы подразделяются на два основных типа — ?эволюционные? и ?инновационные?. Эволюционные реакторы уже сейчас предлагают немедленный и основанный на надежных решениях переход к производству электроэнергии с малым объемом выбросов углекислого газа, в то время как инновационные реакторы завтрашнего дня помогут странам в их дальнейшем движении по пути сокращения выбросов углекислого газа, при значительном снижении объемов высокоактивных радиоактивных отходов и расширении спектра неэлектрических применений ядерной энергии.

В настоящее время в эксплуатации находятся 15 эволюционных реакторов, и еще один проект будет реализован в ближайшем будущем. Южнокорейский реактор APR1400 и российский ВВЭР?1200 представляют собой проекты реакторов с водой под давлением с улучшенными характеристиками эффективности и безопасности. Помимо реакторов APR1400, внедряемых в эксплуатацию в Южной Корее, в настоящее время в Объединенных Арабских Эмиратах сооружается еще одна АЭС с реакторами этого типа, пуск первого энергоблока которой планируется в 2020 году.

В России в настоящее время находятся в эксплуатации три энергоблока с реакторами ВВЭР?1200; при этом в Бангладеш, Беларуси, России и Турции ведется сооружение ряда аналогичных энергоблоков, и ожидается, что в Беларуси очередные энергоблоки будут введены в эксплуатацию в конце 2020 года. Разработанный по французскому проекту реактор EPR, который используется в двух уже действующих энергоблоках в Китае и сооружаемых в настоящее время энергоблоках в Соединенном Королевстве, Финляндии и Франции, спроектирован в целях упрощения процесса эксплуатации станции и повышения ее электрической мощности.

На нескольких площадках в Китае ведется сооружение энергоблоков с китайским реактором HPR1000 мощностью 1090 МВт (эл.), также известным под названием ?Хуалун?1?, при этом планируется поставлять этот реактор на экспорт в другие страны, в том числе Аргентину и Соединенное Королевство. Ввод первых энергоблоков в эксплуатацию ожидается в конце 2020 года. Этот проект предусматривает развитые пассивные и активные системы безопасности, в том числе возможность опускания поглощающих стержней только за счет силы тяжести в случае потери энергоснабжения и контайнмент новой конструкции, способный выдерживать более высокое давление для уменьшения вероятности утечек в случае ядерной аварии.

Кроме того, в эксплуатации на двух АЭС в Китае находятся реакторы с водой под давлением типа AP1000, которые имеют мощность 1157 МВт (эл.). Эти реакторы имеют сравнительно простую конструкцию с меньшим количеством запорной арматуры и ряд особенностей, связанных с использованием естественных процессов, в том числе энергии сжатых газов, гидростатического напора, естественной циркуляции и конвекции, которые служат целям обеспечения безопасности. В Соединенных Штатах идет строительство еще нескольких энергоблоков с реакторами AP1000, выработку электроэнергии на них планируется начать к 2022 году.

Инновационные реакторы все еще находятся в разработке, при этом строительные работы по ряду проектов потенциально могут быть начаты ближе к 2030 году. Общими чертами этих проектов являются высокие значения рабочих температур, которые необходимы как для процессов выработки электроэнергии, так и других неэлектрических применений, в том числе производства водорода, а также высокие внутренне присущие характеристики безопасности, повышенная устойчивость за счет минимизации объемов отходов и оптимального использования природных ресурсов и специальные меры по укреплению физической защиты и устойчивости с точки зрения распространения.

В ряде проектов предполагается также использование новых типов теплоносителя, таких как жидкие металлы или расплавы солей, благодаря чему реакторы смогут работать при атмосферном давлении и намного более высоких температурах, что обеспечит большую эффективность. Кроме того, в некоторых проектах в целях сокращения объемов, токсичности и времени жизни радиоактивных отходов может быть использован замкнутый ядерный топливный цикл.

Некоторое представление о будущем инновационных реакторов может дать проект реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БН?800, который является одним из трех находящихся сегодня в коммерческой эксплуатации типов быстрых реакторов, наряду с его более ранним вариантом БН?600 и китайским экспериментальным быстрым реактором. Реактор БН?800, который эксплуатируется в России с октября 2016 года, работает на смешанном оксидном топливе, представляющем собой сочетание соединений плутония и урана. Предполагается, что на аналогичных физических принципах будут работать многие другие проекты инновационных реакторов, способные вывести ядерно-энергетические технологии на новый уровень. Подробнее о реакторах на быстрых нейтронах рассказывается здесь.

?Хотя до начала коммерческой эксплуатации следующего поколения ядерных энергетических реакторов может пройти еще немало лет, продолжающийся прогресс в области соответствующих исследований и разработок весьма обнадеживает, — говорит директор Отдела ядерной энергетики МАГАТЭ Хан То Хи. — Учитывая, что мы стремимся к будущему, где будет преобладать экологически чистая энергия, совершенно понятно, что немаловажную роль в достижении этой цели будет играть ядерная энергетика?.

Предметом многих исследований являются новые подходы к загрузке ядерных реакторов топливом. Они ставят своей целью минимизировать последствия образования ядерных отходов и сократить затраты на эксплуатацию и обслуживание, параллельно с этим увеличивая КПД атомных электростанций и еще больше укрепляя ядерную безопасность.

Один из таких подходов заключается в многократном рециклировании остатков урана и плутония, содержащихся в отработавшем топливе — то есть ядерном топливе, подвергнутом облучению в реакторе. Такое рециклированное топливо может использоваться в ядерных реакторах следующего поколения, что позволит более эффективно распоряжаться ресурсами и сократить объемы и радиотоксичность ядерных отходов. В случае многократного рециклирования потенциально можно обеспечить работу реакторов практически только на рециклированном отработавшем топливе, без необходимости в свежем топливе на основе вновь добываемого природного урана.

Еще одним новым и многообещающим типом топлива, которое разрабатывается как для существующих, так и перспективных проектов реакторов, является так называемое устойчивое к авариям топливо (ATF). За счет того, что для изготовления самого топлива и его оболочки (наружной трубки, в которой заключено топливо) используются новые и усовершенствованные материалы, ATF-топливо лучше переносит перепады температур и экстремальные условия внутри реактора. При этом предполагается, например, что оно сможет гораздо дольше, чем используемые в настоящее время виды топлива, сохранять целостность в случае потери функции принудительного охлаждения активной зоны.

В случае усовершенствованных реакторов новые виды топлива разрабатываются исходя из требований их более длительного нахождения в активной зоне, что в итоге позволит получать больше энергии и меньше отходов. В целях улучшения показателей работы реактора для изготовления такого топлива используется смесь урана и плутония с большей атомной массой и покрытием из различных композитов на основе керамики, а также из металлов и их сплавов. Таким образом, подобное топливо оказывается лучше приспособлено для воспроизводства или получения нового топлива в реакторах на быстрых нейтронах в процессе их эксплуатации. Учитывая, что применяемые в таком топливе виды материалов способны также более эффективно проводить тепло, общая температура топлива снижается и становится более равномерной, что способствует повышению безопасности.