Третий звонок

Третий звонок О перспективах атомной энергетики
Специально для «Завтра» Игорь Острецов 23 марта 2011 года Номер 12 (905)
В. АЛЕКСАНДРОВ
Современные ядерные технологии, в значительной степени дискредитированные масштабными катастрофами на АЭС «Три Майл Айлэнд» и в Чернобыле, потерпели новое грандиозное поражение.
Землетрясение и последовавшее за ним цунами разрушили систему аварийного охлаждения активной зоны АЭС Фукусима. Как и положено, системы глушения реактора при первых ударах стихии сработали нормально и прервали цепную реакцию в активных зонах реакторов. Но в последующем необходимо было компенсировать остаточное тепловыделение в реакторах от накопленных за время их работы продуктов деления урана и, по-видимому, плутония, поскольку в японских реакторах из-за недостатка урана используется так называемое МОХ-топливо, представляющее собой смесь плутония и урана-238. Величина и время этого тепловыделения сильно зависят от времени работы реактора с данным комплектом тепловыделяющих элементов, и чем больше это время, тем больший вклад дают долгоживущие изотопы. Данные о наличии плутония и времени экспозиции тепловыделяющих элементов в активной зоне реакторов японцы практически замалчивают. И это обстоятельство не даёт возможности произвести оценки времени, в течение которого активную зону придётся охлаждать. Это тепловыделение составляет величину в несколько процентов от номинальной тепловой мощности реактора, равной в данном случае 1500 МВт, т. е. она может достигать величин в единицы МВТ. Недостаток охлаждения активной зоны в этом случае приведет к началу так называемой паро-циркониевой реакции, в результате которой начнётся интенсивное выделение водорода и дополнительного тепла. В силу этого, за неимением пресной воды, водоёмы которой были затоплены цунами, реактор пришлось охлаждать морской водой. Её можно подавать под оболочку (контайнмент), в которой расположен корпус реактора, а также внутрь реактора. При превышении давления в реакторе критических в отношении его прочности давлений происходит автоматический сброс избыточного давления под оболочку. Вместе с паром туда попадает и водород от паро-циркониевой реакции, который, взаимодействуя с воздухом, взрывается. Если топливо в активной зоне подплавлено и тепловыделяющие элементы потеряли герметичность, то со взрывом в атмосферу попадает и всё, что в нём содержится. В реальности это и было зафиксировано в первые дни после катастрофы. Но это всё — только «цветочки».
Ягодки наступают вслед за описанными событиями. Солёная вода, поступающая в ядерный реактор, испаряется. Пар выходит наружу, а соль остаётся в реакторе на всех поверхностях активной зоны. В результате активная зона может охлаждаться только снаружи реактора за счёт воды, подаваемой под оболочку реакторного отделения. Этого мало. Зона начинает перегреваться и, в конце концов, плавиться, а расплав — стекать в низ корпуса реактора. Корпус реактора разрушается, и расплав выходит за его пределы. Это так называемый «китайский синдром». В последних российских разработках по инициативе В. Асмолова разработаны и внедрены специальные ловушки активной зоны, находящиеся под реактором.
Если их нет, как в случае японских АЭС, то весьма вероятным становится сценарий с образованием критических масс со всеми последующими прелестями. Именно этого сейчас боятся больше всего. До Токио всего 240 км, и в этом районе проживает до 40 млн. человек.
Естественно, в силу недостатка информации данное описание событий может немного отличаться от реальности, но в целом оно, по-видимому, близко к изложенному. Тем более, что последние сообщения о полном расплавлении активной зоны в некоторых реакторах подтверждают самые пессимистические прогнозы.
Несмотря на уверенную браваду «специалистов» «Росатома», мировое сообщество обеспокоено не на шутку. Мало того, что потеряно несколько блоков в стране, весьма сильно зависящей от ядерной генерации электроэнергии, — в настоящее время речь идёт об угрозе радиационного загрязнения густонаселённых районов Японии, что практически может отбросить страну в каменный век. Каждая из стран, кроме России, конечно, примеряет на себя возможные последствия подобных событий на своей территории. Наиболее важными в этом смысле являются принципиальные решения Китая и Германии о приостановке своих программ в области ядерной энергетики. Такое решение уже давным-давно принято в США, просто об этом не принято говорить. Наоборот, нам постоянно твердят, что вот-вот, ну прямо завтра, в США начнётся ренессанс атомной энергетики. Я работаю в атомной энергетике с 1980 года и с тех пор постоянно слышу об этом. А ведь последний блок в США был заказан аж в 1978 году. И с тех пор они ничего нового не делают, несмотря на любые энергетические кризисы. Они просто «дожигают» свои старые блоки, любуются тем, как другие делают глупости по строительству новых АЭС, и помогают этим другим эти глупости делать. В США давным-давно поняли, что развивать атомную энергетику на основе урана-235 и плутония нельзя. Как известно, наши руководители тоже говорили об этом. В.В. Путин на саммите тысячелетия заявил: «Мировая ядерная энергетика в XXI веке должна быть избавлена от использования обогащённого урана и плутония» и «ядерная энергетика должна развиваться, повторяю, при недискриминационном доступе всех желающих». В чём же причины того, что данная программа не только абсолютно необходима, но и реальна?
Оценки перспектив развития атомной энергетики зависят, в первую очередь, от наличия достаточных запасов ядерного топлива.
Уран не принадлежит к числу редких элементов. В земной коре его содержится около 4 частей на миллион, т. е. больше, чем таких довольно распространенных металлов, как серебро, ртуть, висмут и кадмий. Как полагают, общее количество урана в земной коре на глубинах до 19, 5 км составляет около 1013 т. Но само по себе это число могло бы привести к ошибочным выводам, поскольку в большинстве месторождений руда настолько бедна (содержит 0, 001% и менее урана), что извлекать из неё металл нерентабельно.
Если же не учитывать практически неограниченных количеств урана, рассеянного в земной коре и в океанах, то установленные «экономически доступные» его запасы (в тех рудах, где он содержится в большей концентрации, а потому его извлечение обходится не слишком дорого) по сравнению с будущей потребностью в электроэнергии весьма скромны. Недавно появилось исследование этого вопроса швейцарским физиком Микаэлем Диттмаром, установившим, что в ближайшие несколько лет мировая энергетика и, в первую очередь, ядерная энергетика таких стран-импортёров ядерного топлива, как Япония, может столкнуться с дефицитом урана. Причин дефицита к 2013 году (именно такой срок устанавливает автор) несколько. Во-первых, по данным Диттмара, ежегодно на производство электроэнергии уходит 65 тысяч тонн урана. И это при том, что сегодня вклад ядерной энергетики в общемировой энергетический баланс крайне мал. При ядерной составляющей в электроэнергетике в 16% и электроэнергетики в общем энергетическом балансе в мире примерно в 15% её вклад, таким образом, не превышает 3%. Т. е. её практически нет, а проблем она порождает массу. Для того, чтобы ядерная энергетика реально вытеснила органику, надо её долю увеличить минимум до 60–70%, т. е. в 30–40 раз. Примерно две трети из 65 тысяч тонн добывается в шахтах, а треть поступает из вторичных источников. К вторичным источникам относятся заводы по переработке топлива, а также военные арсеналы. Высокообогащённый уран в процессе разоружения поступает на перерабатывающие заводы. Например, согласно существующим договоренностям Россия продает США переработанную «начинку» ядерных ракет в рамках программы ВОУ-НОУ. По мнению Диттмара, к 2013 году гражданские запасы урана закончатся. Таким образом, если военные не захотят делиться топливом, дефицита не избежать. По подсчётам Диттмара, только в США и России военные запасы необогащённого урана составляют около 500 тысяч тонн. Второй причиной будущего недостатка урана швейцарец называет неверную оценку природных запасов этого элемента. В течение последних 40 лет каждые два года Международное агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ) совместно с Агентством по ядерной энергетике публикуют доклады (названные «красными книгами»), посвященные состоянию ядерной энергетики и рынка ядерных ресурсов. В рамках своей работы Диттмар провел подробный анализ данных, приведенных в докладах. Ему удалось установить, что из заявленных запасов в 5, 5 млн. тонн, 2, 2 млн. являются «пока не открытыми», поэтому физик отказывается принимать их в расчет. Кроме этого оценка 3, 3 миллиона тонн в уже открытых месторождениях переоценена, поэтому реальные запасы топлива могут оказаться значительно ниже.
Таким образом, основным фактором, ограничивающим масштабное развитие ядерной энергетики, является ограниченность доступных запасов урана-235, который является топливом для реакторов водо-водяного типа. Коммерческие запасы U235 не превышают по своему энергетическому потенциалу запасы нефти и не могут кардинально решить энергетическую проблему, а в России уран остался вообще только в Краснокаменске Читинской области и окончится он там примерно лет через пятнадцать.
Мировой порядок первой половины XXI века во многом будет определяться тем, как будет решена общая для всего человечества энергетическая проблема.
Энергетика, построенная на углеводородах, исторически себя исчерпала, и в течение ближайших десяти лет её рост будет закончен. Новых месторождений будет открываться всё меньше и меньше. При этом в ближайшие 30–50 лет замена углеводородной энергетики на любые виды альтернативной неядерной энергетики невозможна. Мировое энергопотребление к 2050 году по различным прогнозам достигнет 25 млрд. т. н. э. (тонн нефтяного эквивалента), что при сохранении неядерной в своей основе энергетики ведет человечество к ситуации катастрофической энергетической недостаточности в связи с истощением природных ресурсов и опасным потеплением климата.
Человечество стоит перед выбором: либо будет обеспечен переход к принципиально новому уровню энергопотребления и энергоэффективности — либо мир будет вынужден идти на ограничение потребления энергии, и наименьшим злом при подобных обстоятельствах станет кардинальное снижение материального благосостояния человечества. Наиболее же вероятным результатом нерешения энергетической проблемы станет погружение мира в пучину бесконечных войн за ресурсы и, прежде всего, за основной ресурс — энергию.
США и ведущие международные организации в настоящее время однозначно полагают, что на ближайшие полвека главным видом топлива останутся углеводороды.
США, которые являются абсолютным лидером по производству и потреблению энергии (до 40%), в настоящее время сделали ставку на то, чтобы решать энергетическую проблему на 20–30 ближайших лет за счёт захвата углеводородных ресурсов Ближнего и Среднего Востока от Каспия до Персидского залива. Методом ресурсного обеспечения потребностей страны и глобального господства является захват и узурпация наличных углеводородных ресурсов.
Население Земли в ближайшие полвека будет неуклонно расти и, согласно последнему отчёту Комиссии ООН по населению, к 2050 году его численность достигнет уровня 9 млрд. человек (в настоящее время данный показатель составляет около 7 млрд.).
Даже при условии благополучия «развитых» стран, «давление» нищеты и безысходности со стороны «неразвитых» стран на «развитые» уже ко второму десятилетию нашего века станет разрушительным.
Одновременно с надвигающейся мировой энергонедостаточностью Россия и мир будут вынуждены иметь дело с продолжающимся и нарастающим экологическим кризисом. Согласно единодушным прогнозам специалистов, рост населения в условиях недостатка энергии приведёт к резкому снижению уровня обеспечения элементарных потребностей жизни и к одновременно резко усиливающемуся загрязнению окружающей среды, которое при этом будет сопровождаться естественным ростом индустриального загрязнения биосферы в развитых странах по причине использования в качестве основного источника энергии углеводородов.
Для России, как северной страны, невозможно полагаться на развитие и так называемой «альтернативной энергетики» на возобновляемых энергоресурсах (ветер, солнце, биомасса, геотермальная и др.). Двадцатилетний опыт развитых стран мира по использованию и форсированному развитию данных видов производства энергии однозначно показал, что за их счёт невозможно обеспечивать базовые потребности в энергии даже в условиях тёплого климата.
Также важно осознать, что в настоящее время Россия не является энергетической супердержавой. Существующий в настоящее время экспорт углеводородов не восстанавливает международного статуса России и не заменяет собой наукоёмкий советский ВПК. Ставка, прежде всего, на углеводородное сырьё в ближайшие десятилетия является для страны абсолютно неперспективной и однозначно проигрышной.
Очевидно, что для России и мира на ближайшие десятилетия подлинной альтернативой углеводородной энергетике является только ядерная энергетика. В данной мировой политической ситуации у России на ближайшие полвека не существует альтернативы ставке на решительное развитие ядерной энергетики.

Решение данной задачи в нашей стране связывается с переходом к середине XXI века всей мировой атомной энергетики на замкнутый ядерный топливный цикл (так называемый уран-плутониевый, а в будущем и ториевый, цикл) на базе реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, когда извлечённые из отработанного ядерного топлива уран и плутоний повторно используются в качестве нового ядерного топлива. Ядерные реакторы-размножители, по замыслу их разработчиков, способны включить в топливный цикл 238u, запасы которого в 140 раз превосходят запасы 235u. в реакторах-размножителях 238u превращается в плутоний-239 (239pu), который также является ядерным топливом.
Китай, как и другие развивающиеся государства, делает ставку на сверхинтенсивное развитие ядерной энергетики, а потому намерен неуклонно увеличивать долю атомных электростанций в энергетическом балансе страны. Программа развития ядерной энергетики Китая предусматривает семикратное увеличение к 2020 г. мощностей всех АЭС — примерно до 40000 МВт. Через 15 лет их доля в общей генерации электроэнергии вырастет до 4–5%. К этому времени намечалось построить до 30 новых ядерных реакторов. При этом подряды на реакторы и строительство китайских АЭС, начиная с 2010 года, если не предпринимать специальных усилий, перестанут доставаться России в силу отсталости российских ядерных технологий.
Подобные планы характерны не только для Китая, но и для всей Азии. В ближайшие двадцать пять лет в 5–10 раз собираются увеличивать свои атомные энергетические мощности Иран и Индия, а также, вероятно, Корея и Индонезия.
При этом принимается, что организация перехода к замкнутому ядерному топливному циклу, наряду с использованием быстрых реакторов, позволит уйти от критической недостаточности ресурсной базы ядерной энергетики («природно-урановой зависимости»), построить расширенное воспроизводство ядерной энергии, в частности, использование гигантского количества уже накопленного сырьевого материала U238 и плутония (ядерных «отходов»), дать существенное уменьшение объема радиоактивных отходов, технологически обеспечить поддержание режима нераспространения ядерных материалов за счёт использования ядерно-опасных материалов внутри топливного цикла.
Теоретические и экспериментальные исследования по быстрым реакторам (БР) были начаты практически одновременно с работами по созданию реакторов на тепловых нейтронах. Физический пуск первого реактора на быстрых нейтронах под названием «Климентина» (металлический плутоний, объем активной зоны 1, 7 л) был осуществлен в США уже в 1946 г. Интерес к реакторам на быстрых нейтронах определялся тем, что по мере увеличения энергии нейтронов относительное уменьшение сечения деления меньше относительного уменьшения сечения прилипания, а среднее число генерируемых при делении нейтронов увеличивается, так что в реакторах на быстрых нейтронах можно было ожидать большей эффективности воспроизводства делящихся изотопов. Сечение деления в быстрой области энергий не превышает 2 барн (в тепловой области около 600 барн). Поэтому для осуществления цепной реакции на быстрых нейтронах необходима высокая концентрация делящегося вещества в активной зоне — в десятки раз больше концентрации делящегося вещества в активной зоне реактора на тепловых нейтронах. На каждый захват нейтрона в активной зоне такого реактора испускается в 1, 5 раза больше нейтронов деления, чем в активной зоне реактора на тепловых нейтронах. Следовательно, для переработки ядерного сырья в реакторе на быстрых нейтронах можно использовать значительно большую долю нейтронов. Это главная причина, из-за которой проводят широкие исследования в области применения реакторов на быстрых нейтронах. Создание реакторов на быстрых нейтронах — это ещё и попытка подняться по энергии, т. е. использовать высокоэнергетичную часть делительного спектра нейтронов. Однако, проведенные при создании БР работы позволяют сегодня утверждать, что максимум рабочего спектра нейтронов в БР будет находиться в области энергий ~200 кэВ.
Хотя идея бридеров (реактор — размножитель делящихся изотопов) была предложена Лео Сцилардом в 1943 году, первый экспериментальный бридер, тепловой мощностью 0, 2 МВт был введен в действие 20 декабря 1951 года в Айдахо, США, т. е пятью годами позже реактора на быстрых нейтронах. В СССР похожий реактор — четырьмя годами позже — в г. Обнинске. Сегодня идея реакторов на быстрых нейтронах однозначно связывается только с расширенным воспроизводством ядерного топлива.
В 1956 г. консорциум компаний США начал сооружение 65 МВт бридера «Ферми-1». После его пуска в 1966 г. из-за блокады в натриевом контуре произошло расплавление активной зоны. Реактор демонтирован. Больше США к идее бридеров не возвращались.
Германия построила бридер в 1974 г. и закрыла в 1994 г. Промышленный бридер, SNR-2, сооружение которого началось еще в начале 70-х годов, завершила его строительство в конце 90-х годов, но в эксплуатацию так и не ввела из-за неконкурентноспособности и нерешенности проблемы РАО.
Франция в 1973 г. ввела в эксплуатацию «PHENIX», а в 1985 г. промышленный «SUPERPHENIX», стоимостью 5 млрд. USD. В настоящее время их работа прекращена.
Япония в 1977 г. построила опытный бридер «Дзее», на работу которого до сих пор не получена лицензия. Большой промышленный бридер «Мондзю», введенный в эксплуатацию в 1994 году, в декабре 1995 г. закрыт после пожара из-за утечки теплоносителя (натрия).
Здесь нет смысла специально останавливаться на причинах, по которым во всех странах мира отказались от идеи бридеров, почему все проекты реакторов-размножителей с плутониевым топливом (UO2/PuO2) на сегодня оказались закрыты. Это Феникс (1973) и Супер-Феникс (1985) во Франции; PFR (1974) и CDFR (1990) в Англии; SNR-300 (1990) в ФРГ; MONJU (1987) в Японии и CRBRP (1988) в США. Отмечу лишь, что эти причины разнообразны, тесно связаны между собой и в принципе неразрешимы.
Самым удивительным является то, что все реакторы-размножители, построенные у нас в стране, работают только на уране. Уже около тридцати лет на Белоярской АЭС работает реактор на быстрых нейтронах БН-600 (Белоярская АЭС, Россия). Облик реакторов-размножителей, основные принципы конструирования, физические процессы, определяющие работу реактора, топливо, теплоноситель и др. составляющие проектов БР были полностью определены и экспериментально подтверждены к концу 80-х годов. БН-600 — это уникальная машина, потребовавшая при создании огромных денежных средств и труда большого количества высококвалифицированных специалистов. Но он не является реактором с замкнутым циклом по 239Pu и не может нарабатывать топливо в режиме расширенного воспроизводства. Вся программа бридеров развивается уже около 60 лет. Казалось бы, при том, что демонстрация процесса расширенного производства делящегося вещества является основной в проблеме реакторов-размножителей, надо было бы за это время продемонстрировать хотя бы принципиальную возможность решения этой проблемы. Но, по факту, в ответе ноль. Только разговоры о самой передовой технологии, которую во всех других странах закрыли.
Таким образом, по факту сегодня с уверенностью можно утверждать, что промышленного освоения БР, как во всём мире, так и у нас в стране, не будет. И совсем не по причине уникальности, дороговизне и многочисленных трудностей, возникающих в процессе создания и эксплуатации.
На сегодняшний день гораздо более проработанной является технология, использующая не цепные реакции, а ускорители заряженных частиц для вынужденного деления любых ядер группы актиноидов. Эту технологию мы называем ядерно-релятивистской (ЯРТ). В ней используются нейтроны гораздо более широкого спектра (до Гэв-ного диапазона), чем в современных реакторах. Важнейшим достоинством ЯРТ является то, что, в отличие от бридерных технологий, сразу после создания головного реактора можно приступить к их неограниченному ничем тиражированию. Данное направление развития ядерной энергетики сегодня негласно стало основным во всех развитых странах. Предпосылки для ЯРТ энергетики разрабатывались уже давно.
Георгий Иванович Марчук в книге «Численные методы расчетов ядерных реакторов» (М. : Атомиздат, 1958) предложил технологию создания глубоко подкритического реактора (с коэффициентом размножения нейтронов в активной зоне реактора в диапазоне 0. 4–0. 7) и сделал вывод, что только в таком реакторе можно реализовать делительные процессы со спектром нейтронов, «задаваемым» не самой реакторной сборкой (т. е. делительным спектром при критичности сборки близкой к 1, 00), а определяемым внешним источником нейтронов.
Ещё раньше, в конце 40-х годов, Филипп Моррисон, соратник Энрико Ферми, обратил внимание на необходимость рассмотрения процессов «вынужденного деления» ядер урана высокоэнергетическими нейтронами. Он говорил о необходимости рассмотрения процессов «вынужденного деления» ядер урана высокоэнергетическими нейтронами. Процитируем: «Наиболее замечательным свойством кривой распределения осколков деления по массам … является закономерное изменение формы кривой с ростом энергии бомбардирующих частиц. По мере того, как возбуждение все больше увеличивается над порогом деления, усиливается тенденция к симметричному делению… Деление урана под действием медленных нейтронов никогда не бывает симметричным; при энергиях в окрестности 100 МэВ симметричное деление оказывается наиболее вероятным. Непосредственные измерения ионизации осколков подтверждают наблюдения над массами. Любые эффекты, приводящие к асимметричному делению, становятся все более несущественными по мере того, как увеличивается энергия возбуждения капли. Однако, по-видимому, нельзя утверждать, что полная энергия продуктов деления при асимметричном делении больше, чем при симметричном делении; скорее имеет место обратное».
Для энергий нейтронов, меньших 100 МэВ, спектр деления оказывается средним между симметричным и двугорбым. Кроме того, осколки являются короткоживущими. В наших экспериментах, выполненных в Дубне в 1998 году (при содействии Александра Михайловича Балдина) и в 2004 году в Протвино было показано, что спектр осколков деления состоит из короткоживущих осколков. Сборка из модельного рабочего тела свинца весом около 7 тонн (1х0, 8х0, 8 м3), облучалась в Протвино пучком протонов с энергией от 10 до 20 ГэВ. в течение 12 часов и активность на её поверхности достигла 8 рентген в час. Сборка высветилась до фонового уровня за 12 суток. Факт деления свинца (порог деления свинца около 25 МэВ) подтверждается, во-первых, тем, что выделение энергии в сборке превысило величину энергии, подведённую с пучком протонов и, во вторых, тем, что в спектре нейтронов в подобных эксперимен-тах, выполненных в ЦЕРНе в 2004 году, кроме каскадных нейтронов был зафиксирован спектр нейтронов деления.
Первые эксперименты по облучению больших блоков урана-238 протонами выполнил Гольданский в 70-х годах с целью изучения возможности наработки плутония. Тогда же были определены и коэффициенты усиления мощности протонного пучка в урановой сборке. К сожалению, в те годы он смог использовать только протоны с энергией 200 и 600 МэВ, для которых большая доля энергии идёт на ионизационные потери.
Весьма важным является то, что разработка основных вопросов ЯРТ энергетики может быть проведена практически без привлечения государственных средств, поскольку все приложения ЯР технологий могут изучаться в одних экспериментах. Так нашей группой в рамках контракта с США по созданию мобильной системы инспекции несанкционированной транспортировки ядерных материалов и боевых систем на базе ЯРТ в 2009 году проведено облучение большой мишени из урана-238 релятивистскими протонами. Нужен просто государственный статус этих работ для того, чтобы можно было проводить работы с широким кругом заинтересованных стран.
Весьма существенным обстоятельством является то, что в ЯРТ-реакторе будет нарабатываться плутоний или уран-233. По оценкам их равновесная концентрация составит 2–4%. Наличие в ЯРТ реакторе «делящихся» изотопов повысит коэффициент усиления мощности в реакторе за счёт деления в области «малых» энергий нейтронов, при этом критичность реактора не превысит величины 0, 3–0, 5. При работе с топливом ЯРТ реакторов, естественно, не потребуется разделение каких либо ядер группы актиноидов. Это будет именно тот реактор, о котором говорил Гурий Иванович Марчук.
Это, конечно, весьма грубые, самые предварительные оценки эффективности, но они означают только то, что данное направление развития ядерной энергетики требует внимания и первоочередного развития. Более того, в первой половине века ему просто нет альтернативы. Японская трагедия дала, надеюсь, окончательное доказательство этого факта.