Ядерные энергетические установки: проблемы безопасности и экономичности

М.И.Рылов, генеральный директор ООО "РЭС-центр", Санкт-Петербург
М.Н.Тихонов, с.н.с. ФГУП НИИ промышленной и морской медицины, Санкт-Петербург

Сегодня объективная необходимость ускоренного развития ядерной энергетики (ЯЭ) в стране обусловлена крайне тяжелым состоянием российской энергетики. Еще недавно ЯЭ находилась на том уровне, про который С.В.Кириенко сказал: "Мы молча наблюдали, как умирает атомная отрасль". В период 20-летнего застоя атомной отрасли одни делали вид, что заказывают работу, другие – что ее делают.


Нынешняя ситуация характеризуется как исключительно повышенной активностью (эволюционно-структурными изменениями) в ядерной сфере и исследованием новых технологий, прокладывающих путь к долгосрочному будущему ЯЭ. Принятая ФЦП "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года" [1] традиционно базируется на существующих типах реакторов и апробированном более чем полувековой практикой топливном цикле, потому что опыт - это самое главное (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики действующих российских АЭС


АЭС



блока

Тип реактора

Мощность, МВт, (эл.)

Год ввода в эксплуатацию

Срок окончания эксплуатации

Поколение реактора

Балаковская

1

2

3

4

ВВЭР-1000


1000

1000

1000

1000

1985

1987

1988

1993

2015

2017

2018

2023

2

2

2

2

Белоярская

3

БН-600

600

1980

2010*

2

Билибинская

1

2

3

4

ЭГП-6

12

12

12

12

1974

1974

1975

1976

2009**

2009**

2010**

2011**

1

1

1

1

Волгодонская

1

ВВЭР-1000

1000

2002

2032

2

Калининская

1

2

3

ВВЭР-1000

1000

1000

1000

1984

1986

2005

2014

2016

2035

2

2

2

Кольская

1

2

3

4

ВВЭР-440

440

440

440

440

1973

1974

1979

1981

2008**

2009**

2009*

2011

1

1

2

2

Курская

1

2

3

4

РБМК-1000

1000

1000

1000

1000

1976

1979

1983

1985

2011**

2009*

2013

2015

1

1

2

2

Ленинградская

1

2

3

4

РБМК-1000

1000

1000

1000

1000

1973

1975

1979

1981

2008**

2010**

2009*

2011

1

1

2

2

Нововоронежская

3

4

5

ВВЭР-440

ВВЭР-440

ВВЭР-1000

417

417

1000

1971

1972

1980

2016

2017

2010*

1

1

2

Смоленская

1

2

3

РБМК-1000

1000

1000

1000

1982

1985

1990

2012

2015

2020

2

2

2


*   Планируется продление сроков эксплуатации энергоблоков с реакторами РБМК-1000, ВВЭР-440 1-го поколения, БН-600 на 15 лет и с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 2-го поколения на 20 лет;
** Обосновано продление срока эксплуатации на 15 лет и получена лицензия сроком на 5 лет.

В ближайшей стратегии развития ЯЭ до 2020 г. приоритет – реализация освоенных технологий, поскольку полувековый опыт – надежная гарантия успеха. Тепловые реакторы с водой под давлением (ВВЭР) – это сегодняшняя база. Они обеспечивают в основном генерацию электричества, но могут работать в комбинированном цикле вместе с производством тепла. Быстрые реакторы (БН) могут быть использованы в виде дожигателей (бридеров), которые будут уничтожать актиниды. Все ядерные энергоблоки эксплуатируются в устойчивом режиме с уровнем безопасности (базирующемся на принципе глубокоэшелонированной защиты), соответствующим лучшим показателям зарубежных АЭС.

Все это – и бридеры и замкнутый ядерно-топливный цикл (ЯТЦ) – уже давно освоено, и вопрос состоит только в масштабах промышленного использования этих технологий (рис. 1). Это разумно, если учитывать дефицит времени, отведенного для сохранения отечественной ЯЭ.

 
Если же рассматривать энергетические проблемы человечества в перспективе, то следует открыто признать, что ни современные ядерные реакторы, ни топливо на основе урана не являются панацеей. Ограничения связаны с имманентными (внутренне присущими) им недостатками [2-12]:

1. Низкая эффективность использования топливного потенциала и нейтронного потока, в частности.

2. Накопление радиоактивных отходов (РАО) и облученного ядерного топлива (ОЯТ) пропорционально выработке электроэнергии. К началу 2007 г. на АЭС и в хранилищах радиохимических заводов было накоплено 18,5 тыс. т ОЯТ. В России прирост составляет 850 т ежегодно. В мире накоплено уже более 250 тыс. т ОЯТ, и ежегодно эта цифра возрастает на 11-12 тыс. т. Только незначительная часть ОЯТ перерабатывается на радиохимических заводах. В том количестве ОЯТ, которое накоплено в России, содержание плутония составляет около 175 т [6]. На АЭС России происходит накопление ОЯТ в густонаселенных районах Европейской части.

3. Сегодняшняя ситуация с РАО в России достаточно напряженная. На ее территории накопилась почти половина всех РАО мира, их активность превысила 5,96*1019 Бк. Около 99 % РАО сосредоточено на предприятиях Росатома, в том числе все высокоактивные и подавляющая часть среднеактивных отходов. Сооружение на объектах ЯЭ многочисленных временных хранилищ в железобетонных конструкциях или в транспортабельных контейнерах принципиально проблему не решает и требует дополнительных затрат на безопасное обращение с РАО, что приводит к неуклонному росту доли тарифа. Уплотненное хранение облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС) лишь временно снимает вопрос размещения их и, как следствие, ставит проблему продолжения эксплуатации АЭС (см. табл. 1). Особенно остро эта проблема стоит на АЭС с реакторами РБМК.

4. Относительно короткая топливная компания энергетических реакторов, обуславливающая большой объем потенциально опасных перевозок ОТВС и значительные затраты на захоронение высокоактивных РАО. Серьезную тревогу вызывает полное отсутствие вывоза ОЯТ со станций с реакторами РБМК, ЭГП и АМБ (переработка ОЯТ этих реакторов экономически нецелесообразна). В настоящее время все имеющиеся хранилища РАО практически заполнены. Свободный объем позволяет обеспечить эксплуатацию всех российских АЭС по ТРО – в течение 5, по ЖРО – 8 лет [3,6]. Рост количества ОЯТ, хранимого на площадках АЭС, снижает ядерную и радиационную безопасность.

5. В России существенной экономической характеристикой РАО является их «отрицательная стоимость». Затраты на обезвреживание РАО не включаются в стоимость конечного продукта, в процессе которого они образуются, и рассматриваются (наряду с другими природоохранными затратами) как непроизводительные. Поэтому они финансируются по остаточному принципу. Отсутствует закон о государственной политике по обращению с РАО и ОЯТ. В предстоящее десятилетие при закрытии устаревших производств и снятии с эксплуатации ядерно- и радиационно опасных объектов объемы РАО значительно возрастут. Стоимость переработки и захоронения 1 м3 ЖРО составляет от 1 до 10 тыс. долл. Это означает необходимость ежегодных затрат на обращение с образующимися РАО в нашей стране, эквивалентных стоимости нескольких АЭС [6].

6. Вопрос заключается не только в безопасности АЭС, но и в долгосрочной безопасности хранения отходов. Принципиальная невозможность гарантировать безопасность захоронения отходов, содержащих неделящиеся изотопы плутония, нептуний, америций и кюрий. Попытки сооружения хранилищ в стабильных геологических формациях, например в США, окончились неудачей. Требуемая долговечность – десятки и даже сотни тысяч лет – не поддается проверке в лабораторных условиях. Захоронение "чужих" отходов на своей территории вряд ли будет воспринято положительно общественностью.

7. Потенциальная угроза неконтролируемого использования делящихся материалов. Рынок ЯЭ не сжимается, а расширяется. Государство, получающее доступ к ЯЭ, находится на половине пути к созданию ядерного оружия. Если в мире будут действовать несколько тысяч ядерных блоков (в настоящее время - 435), то невозможно пресечь пути утечки ядерных материалов. КНДР более чем убедительно продемонстрировала неэффективность Договора о нераспространении ядерного оружия - ДНЯО. Нераспространение ядерной технологии обратно пропорционально количеству стран ей обладающих.

8. Необходимость развития бридерной программы обусловлена ограниченностью запасов 235 U. При широкомасштабном строительстве АЭС на тепловых нейтронах запасы 235  U будут быстро истощены [7]. Подтверждением этому является прогрессирующий рост цен на обогащенный уран в настоящее время, когда доля ЯЭ в мире является еще достаточно малой. Поэтому в ЯЭ предлагают использовать 238 U (которого в 100 раз больше по сравнению с  235  U) путем его перевода в делящийся изотоп 239  Pu или 232  Th при его переводе в 233  U, то есть бридер работает на искусственных изотопах 239  Pu или 233  U. Предполагается, что доступность ресурсов кардинально большего масштаба позволит стабилизировать цены на природный уран.

9. АЭС, использующая бридерную программу, имеет в своем составе радиохимическое производство, на котором в пересчете на 1 млн. кВт мощности циркулирует минимум 20 т 239  Pu или 233  U. При широком распространении АЭС уже с 20-х годов нашего века в мире будет находиться в обороте до миллиона тонн 239  Pu и 233  U. Какая уж тут ядерная безопасность?  Это крайне опасный и дорогой вид энергетики, требующий отдельного рассмотрения [8]. Даже ярые сторонники бридерной программы признают тот факт, что она может быть только внутрироссийской программой. Это серьезная проблема, от нее зависит конкурентоспособность и экспансия российских энергоблоков на мировом рынке [5].

10. Высокая стоимость ЯЭ, по крайней мере, для большинства развивающихся стран. По данным ОЭСР 2000 г., удельные капитальные затраты оценивались в 2,1-3,1 млрд долл. на 1 ГВт установленной мощности АЭС с легководными реакторами. Стоимость нового ядерного энергоблока финской АЭС «Олкилуото» составляет 3 млрд Евро (3,9 млрд долл.). Это в 3,5-7 раз выше объема инвестиций в строительство ТЭС с парогазовой установкой, которая вводится в строй в 3-4 раза быстрее, чем АЭС. Насколько применимы эти показатели к Российской действительности, учитывая значительное удорожание в процессе строительства атомных энергоблоков? [9] 

11. Безопасность реакторов обеспечивается, главным образом, увеличением числа систем безопасности и количеством барьеров, ограничивающих выход активности. Сейчас перечень документов, устанавливающих требования безопасности АЭС превышает 100 единиц, издается ежегодная программа по модернизации блоков АЭС. В результате АЭС все более и более усложняются, соответственно возрастает стоимость их сооружения и эксплуатации, а гарантировать 100% надежность невозможно. Надежность обратно пропорциональна количеству деталей. Известно из теории, что абсолютной гарантии не бывает. Всегда есть определенный риск. Но этот риск должен быть минимален. Огромные средства на ликвидацию последствий аварии на АЭС. Так, затраты на минимизацию последствий Чернобыльской катастрофы всеми пораженными странами за 20 лет превысили 500 млрд долл. и будут еще долго оставаться на уровне многих млрд долл. в год [10]. Украина тратит  ~ 5 % национального бюджета, Беларусь – около 10 %, Россия – от 0,5 до 1 %.

12. Массовый вывод АЭС, отработавших свой ресурс, в ближайшие годы вызовет чрезмерные нагрузки на бюджет страны. Так, демонтаж пяти реакторов ВВЭР-440 (построенных СССР) на АЭС в Грейсвальде, строительство хранилищ для ТРО, дезактивация площадки и объектов для создания на этом месте технопарка, велись 10 лет и обошлись Германии в 3,5 млрд Евро. Стоимость консервации одного блока, выводимого из эксплуатации, в России составит примерно 500 млн. долл. Охрана и поддержание необходимых технологических циклов в законсервированной АЭС будет стоить ~ 60 млн. долл. в год, не говоря уже о мероприятиях по реабилитации загрязненных территорий. В связи с этим Росатом делает все возможное для продления времени их работы, поскольку обнародование реальной программы вывода энергоблоков АЭС из эксплуатации вызовет шок среди населения градообразующих предприятий [11,12].

13. В основу ближайшей стратегии развития ЯЭ, исходя из полувекового опыта эксплуатации существующего парка работающих АЭС (табл. 1), традиционно заложен эволюционно-консервативный подход, унаследованный от предыдущих поколений реакторов. Новая разработка – вариантный проект АЭС-2006 большей мощности – это реализация освоенных технологий. Среди целевых показателей – увеличение КПД, совершенствование топливных циклов, увеличение единичной мощности и эффективности капиталовложений, сокращение сроков строительства. Ничего нового, радикального здесь нет. В этом отношении потенциал всех стран-разработчиков реакторов приблизительно одинаков и трудно найти какую-то разницу и в подходах, и в вооруженности проекта [4]. Важно понимать, что мировая гражданская ЯЭ выросла из атомной бомбы. Мирные и военные приложения ЯЭ неразрывно связаны. Накопленные проблемы – это наследие от военного использования атома в мирных целях со всеми присущими им внутренними недостатками, среди которых радиационные катастрофы отличались особой тяжестью последствий для биосферы и человека.

14. АЭС являются привлекательным объектом для терроризма и в случае военных действий. Ядерная угроза представляет особую проблему – будь то приобретение плутония и высокообогащенного урана, саботаж в отношении ядерного объекта или использование радиоактивных материалов в диспергирующих устройствах и в «грязных» бомбах. Ущерб стране от разрушения АЭС по площади поражения много больше, чем от уничтожения других объектов. Не менее страшные последствия, чем разрушение АЭС, может иметь разрушение пристанционных хранилищ ОЯТ в случае падения самолетов, метеоритов, обстрела ракетами и др.

15. Cовременные ядерные реакторы – достаточно безопасные установки, однако, для АЭС (как для любой сложной технической системы) всегда существует вероятность отказа с непредсказуемыми последствиями. К серьезной аварии на АЭС могут привести перебои в подаче электроэнергии, изношенность оборудования, несогласованность действий различных служб при одновременном отказе резервных дизель-генераторов. Невозможно предусмотреть и предупредить все случаи, в результате которых произойдет выброс регулирующих стержней системы управления и защиты (СУЗ) из активной зоны и возникнет аварийная ситуация. Многочисленные примеры радиационных аварий (неполадок, повреждений, сбоев в работе и т. п.) приведены во многих работах, и нет необходимости здесь на них останавливаться. Крупные аварии уже несколько раз за последние годы ставили мир на грань атомной катастрофы.

16. Проблема человеческого фактора на ядерных объектах имеет исключительное значение для обеспечения безопасности. Какие бы невероятные усилия не предпринимались по внедрению новейших и совершеннейших технологических систем, управлять ими будет человек, и если уровень его ответственности и организованности не станет расти в пропорциях, соответствующих новым технологиям, нельзя быть уверенным в безопасности и надежности ЯЭ.

При увеличении объемов производства ЯЭ рассмотренные факторы будут неизбежно оказывать постоянно возрастающее давление на экономические показатели, индексы безопасности АЭС и уровень глобальной политической тревожности. Для многих стран, не имеющих инфрастуктуры ЯТЦ, реализация планов сооружения АЭС при неизбежно жестком выполнении ДНЯО может быть осложнена или отложена на неопределенное время. Таким образом, одной из наиболее актуальных задач ближайшего будущего является поиск и инженерное воплощение альтернативных топливных циклов и реакторных технологий – альтернативной ядерной энергетики без использования обогащенного урана и плутония. Сегодня ЯЭ остро нуждается в свежих научных идеях и технологических инновациях [2,5,7,13-15].

Коллективом ученых и сотрудников ФГУП ВНИИАМ с участием ведущих специалистов ряда профильных организаций России и Беларуси в инициативном порядке разработаны физико-технические основы принципиально новой схемы ядерной энергетики – релятивистской тежелоядерной (ЯРД) энергетики, способной решить проблемы ядерных отходов и нераспространения ядерного оружия. Комплексная программа работ по ее созданию детально обсуждалась на целом ряде российских и международных научно-технических советов, конференций и форумов и положительно воспринята научной общественностью [5].

ЯРД – энергетика является принципиально новой технологией, промышленная реализация которой возможна только на основе синтеза двух уникальных российских технологий. Это прямое сжигание 232 Th и 238 U без промежуточных продуктов 239 Pu и 233 Th (как это имеет место в бридерных программах) нейтронами с энергией более 10 МэВ, получаемыми при бомбардировке этих ядер релятивистскими протонами с энергией 10-50 ГэВ. Протоны генерируются компактным модульным трехмерным ускорителем на обратной волне. В перспективе в качестве топлива ЯРД – реакторов возможно использование ОЯТ.

При концентрации сил и средств в рамках государственной и международной программ реально создание головного блока на этих принципах в течение 10 лет. Затраты на реализацию программы сопоставимы со стоимостью 1000 МВт- блока современных АЭС [5].

Развитие работ в этих направлениях полностью соответствует доктрине, изложенной Президентом РФ В.В. Путиным на Саммите тысячелетия в ООН и в ряде интервью, – созданию в XXI в. доступной для всех стран ЯЭ без использования обогащенного урана и плутония, исключающей распространения ядерного оружия.

В заключение следует сказать, что в целом ситуация в области использования ЯЭ в России непростая, весьма динамичная и многогранная. При всех сложностях и недостатках, которые существуют у сегодняшней технологической базы ЯЭ, ее масштабное развитие на ближайшие 30-40 лет безальтернативно. Ренессанс ЯЭ уже наступил, впереди – ее эпоха [16].

Проблем развития атомной отрасли достаточно много, как их преодолеть – вопрос, в первую очередь, к научному сообществу атомной отрасли. Будущее – за экологически безопасной и надежной ЯЭ и новыми технологиями. 

Литература

1. Федеральная целевая программа "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 – 2010 годы и на перспективу до 2015 года". Утв. Постановлением Правительства РФ от 6 октября 2006 г. № 605. – 155 с.
2. Карелин А.И. Проблемы и перспективы развития ядерной энергетики // Радиохимия, т. 38, вып. 4, 1996, с. 289-299.
3. Нечаев А.Ф. Некоторые субъективные соображения к дискуссии об атомной энергетике, науке и образовании // Материалы II Межд. ядерного форума 2-5 окт. 2007 г. – СПб., ФГОУ “ГРОЦ’, с. 279-281.
4. Асмолов В.Г. Приоритетные программы ядерно-энергетического комплекса // Материалы общественного форума-диалога «Атомная энергия, общество, безопасность» 18-19 апреля 2007 г. – М., Российский Зеленый крест, 2007, с. 10-18.
5. Острецов И.Н. Современные энергетические проблемы человечества и релятивистская тяжелоядерная (ЯРД) энергетика // Материалы общественного форума-диалога «Атомная энергия, общество, безопасность» 18-19 апреля 2007 г. – М., Российский Зеленый крест, 2007, с. 52-57.
6. Муратов О.Э., Довгуша В.В., Тихонов М.Н. Радиоэкологические аспекты обращения с радиоактивными отходами и облученным ядерным топливом // Экологическая экспертиза, 2007, № 6, с. 2-15.
7. Муратов О.Э., Тихонов М.Н. Радиоэкологические и ресурсные аспекты уран-ториевого топливного цикла // Бюлл. по атомной энергии, 2007, № 11, с. 66-71.
8. Пономарев-Степной Н.Н., Цибульский В.Ф. Оценка эффективности использования смешанного уран-плутониевого топлива  в ВВЭР // Атомная энергия, 2007, т. 103, вып. 5, с. 275-277.
9. Нечаев А.Ф. Ядерная энергетика: томительное ожидание ренессанса с «широко закрытыми глазами» // Материалы VIII Межд. конф. «Безопасность ядерных технологий: экономика безопасности и обращения с источниками ионизирующих излучений» 26-30 сент. 2005 г. – СПб., ФГОУ “ГРОЦ’, с. 21-25.
10.  Тихонов М.Н., Муратов О.Э., Катастрофы как источники потери устойчивости национальных экономик государств // Материалы науч.-метод. семинара “Проблемы риска в техногенной и социальной сферах”, вып. 6 “Проблемы устойчивости объектов экономики в чрезвычайных ситуациях”. - СПбГПУ, 2007, с. 119-130.
11. Смоляр И.Н., Ермашкевич В.Н. Атомная энергетика: аргументы за и против // Приложение к журналу «Право и экономика». – Минск, серия «Ноосфера», 2000. – 84 с.
12. Попова Л.В., Меньщиков В.Ф., Яблоков А.В. Нерешенные проблемы атомной индустрии // Материалы общественного форума-диалога «Атомная энергия, общество, безопасность» 18-19 апреля 2007 г. – М., Российский Зеленый крест, 2007, с. 119-121.
13. Герасимов А.С., Зарецкая Т.С., Киселев Г.В., Рудик А.П. Атомная энергетика без плутониевых отходов: Препринт ИТЭФ-90-74. – М.: ИТЭФ, 1990. – 8 с.
14. Герасимов Л.Н., Кудинович И.В., Свистунов Ю.А., Струев В.П. Малогабаритная энергетическая электроядерная установка: возможные технические решения // Известия РАН, 2005, № 2, с. 3-15.
15. Шведов О.В., Волков Е.Б., Игумнов М.М. и др. Электроядерные системы – ядерные энергетические установки нового поколения // Атомная энергия, 2004, т.97, вып. 2, с. 145-152.
16. Муратов О.Э., Тихонов М.Н. “Ядерный ренессанс”: новые возможности и проблемы // Ядерное общество, 2006-2007, № 6-1, с. 17-24.

назад

Материалы из архива

7.2008 Кто стоит у руля американского «ядерного ренессанса»

Справка редакции сайта www.proatom.ruСамуэль Р. Бодман, министр энергетики США31 января 2005 года Сенат США единогласно избрал Самуэля Райта Бодмана на должность министра энергетики США. Бюджет министерства энергетики США  превышает 23 миллиарда долларов, а на подведомственных ему предприятиях работает более 100 тысяч человек. В  2006 г. Бодман объявил о программе господдержки проектов по строительству новых атомных электростанций в стране.

8.2009 Альтернатива вертикали

Евгений Гонтмахер, член правления Института современного развития: - Остается одно-единственное: строить параллельные структуры. Как известно, Петр I не стал модернизировать стрелецкое ополчение, а с нуля сформировал по самым современным тогдашним образцам регулярную армию, перенеся на русскую почву даже такую, казалось бы, несущественную деталь обмундирования, как букли. Петр I не стал даже пытаться переделать Москву в столицу европейского государства, а соорудил посреди невских болот Санкт-Петербург… Что можно сделать сейчас?

1.2006 Призрак Минсредмаша

"Глава Росатома высказался за восстановление технологического комплекса, существовавшего в системе министерства среднего машиностроения СССР. "Все, что есть на территории России, Украины и Казахстана, - это элементы единого комплекса Минсредмаша, который надо восстановить", - заявил журналистам Сергей Кириенко по итогам переговоров. По его словам, это в интересах и России, и Казахстана, и Украины. "Выгоднее попробовать собрать комплекс вместе, чем достраивать отдельные его части"