Будущее энергетики: чем ценен для государства и граждан переход на безотходное атомное производство

Четвертый энергоблок Белоярской атомной электростанции (БАЭС, Свердловская область) получит 100–процентную загрузку уран–плутониевым топливом (МОКС–топливом) до ноября 2023 года. Об этом сообщил директор БАЭС Иван Сидоров. Переход на МОКС–топливо начался в 2020 году. Эта технология позволит в десятки раз увеличить топливную базу атомной энергетики и сделает ее практически безотходной. Подробности — в материале научного обозревателя «Вечерней Москвы».

В 1775 году Парижская академия наук постановила не принимать к рассмотрению проекты, которые предлагают очередной вариант «перпетуум-мобиле», то есть вечного двигателя. Действительно, это противоречит всей современной научной парадигме, и прежде всего Второму закону термодинамики. Если эта догма нарушается, то Вселенная не могла возникнуть и не может существовать.

Однако как появляются великие открытия? Альберт Эйнштейн, а ему в этом деле можно верить, растолковал суть озарений: «Все знают, что это невозможно. Но приходит чудак и невежда, которому это неизвестно — он-то и делает открытие». Подтверждение Эйнштейн нашел бы на Белоярской атомной станции в Свердловской области, где недавно запущен реактор БН-800, на котором впервые в мире реализован замкнутый топливный цикл. Иными словами, наука сделала решительный шаг к вечному двигателю, казалось бы, окончательно запрещенному в век Просвещения.

В чем физическая суть открытия? Еще раз процитируем Эйнштейна, который считал, что если ученый не может втолковать суть изобретения своей бабушке, то он его не понимает. В популярном изложении идея реактора на быстрых нейтронах, где используется МОКС-топливо выглядит следующим образом. (МОКС — Mixed-Oxide, смесь оксидов делящихся изотопов. — «ВМ»).

По традиционной схеме в реактор загружают топливные сборки (твэлы) из урана-235. Его содержание в природном уране невелико — 0,7%. Таким образом, применяя природный уран в качестве топлива, мы его используем менее чем на 1%. Остальное — так называемое отработанное ядерное топливо (ОЯТ), плутоний-239, который сам по себе является ценным продуктом. Его либо отправляют в хранилище, либо передают военным для изготовления ядерного оружия.

Реакторы на быстрых нейтронах на Белоярской АЭС возвращают плутоний в топливный цикл. Когда плутоний работает, часть его сгорает, вырабатывая энергию, а остаток будет вновь переработан в топливо, которое вновь загрузят в реактор, уже в третий раз! Перпетуум-мобиле на марше!

Для отечественной и мировой энергетики это эпохальное событие. Нашей стране принадлежит технологический приоритет в создании и эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах, которые работают на МОКС-топливе. В США на программу были выделены 3 миллиарда долларов, но без толку. Англия сошла с дистанции фактически на первом круге. В Японии реакторы на быстрых нейтронах знамениты непостижимыми авариями. Последний подобный реактор был закрыт во Франции в 2009 году. Сейчас лишь Китай делает попытки отработать технологию на исследовательском реакторе. Но у России на ходу уже промышленный реактор!

Итак, все так называемые развитые страны обломали зубы и отказались от идеи. В СССР реакторы на быстрых нейтронах были разработаны в подмосковном Обнинске, где в 1954 году была построена первая в мире атомная электростанция. Первый промышленный реактор на быстрых нейтронах БН-350 работал в Казахстане в городе Шевченко (теперь Актау) с 1973 по 1999 год. В 1980 году на Белоярской АЭС запущен реактор БН-600, который успешно работает по сей день. В 2015 году построен реактор нового поколения БН-800, который недавно запущен на 100-процентную мощность. Топливо для БН-800 произведено на Горно-химическом предприятии в Железногорске в Красноярском крае.

Реактор на МОКС-топливе — огромная заслуга ученых. Но нельзя забывать и о чиновниках, о которых мы, согласно человеческой натуре, вспоминаем лишь в случае провалов и неудач. Но, как ни крути, без чиновников или, по-современному, менеджеров не было бы ни прорывов, ни прогресса. Атомная отрасль — первая в России еще 10 лет по экономическим показателям вышла на уровень СССР, а затем превзошла его почти в 2 раза. Доля России на мировом рынке ядерного топлива составляет около 45%. В этом росте несомненная заслуга бывшего главы «Росатома» Сергея Кириенко, который сейчас трудится на другом, не менее важном фронте.

Несмотря на негативный мировой опыт и массовый отказ от реакторов на быстрых нейтронах, «Росатом» продолжал работы в этом направлении. Как, и это важно, на других перспективных инновационных направлениях атомной энергетики. Неслучайно Россия остается мировым лидером по строящимся за рубежом атомным станциям. Кстати, я вспоминаю, что, встав у руля «Росатома», Сергей Кириенко философски заметил, что уровень патриотизма в отрасли вызывает у него восхищение, уровень профессионализма — большое уважение, уровень понимания экономики — тихий ужас. Атомная отрасль доказывает, что в современной России можно успешно развивать высокие технологии.

Запасы плутония в государственных хранилищах никогда не подлежали обнародованию. По оценкам, США и СССР за все годы наработали по 110 тонн оружейного плутония. Лишь однажды президент Путин сказал, что Россия без угрозы для своей безопасности может переработать 50 тонн оружейного плутония. Запасы США оцениваются в 95 тонн. И неизвестно, сколько оружейного плутония с их наплевательским отношением к международным договорам переработали США по соглашению, которое подписали в 2000 году наши страны о взаимном уничтожении 34 тонн оружейного плутония. Уничтожить — либо захоронить, либо переработать.

Немного занимательной математики. В средней боеголовке 8 кг плутония. То есть каждая сторона могла бы из подлежащих утилизации запасов в 34 тонны изготовить по 4500 атомных бомб. Средняя мощность стоящих на вооружении ядерных зарядов — 370 килотонн. На Хиросиму и Нагасаки были сброшены бомбы почти в 20 раз слабее — всего 20 килотонн. При этом альфа-радиоактивность плутония в 200 тысяч раз больше, чем у урана-238, изотопа, который выбрасывается при взрыве урановой бомбы. Простая арифметика, но выводы страшные. В эпоху холодной войны США и СССР накопили жуткие арсеналы ядерного оружия, которые могли уничтожить не только планету, но, кажется, всю Солнечную систему. А в арсеналах про запас еще лежал плутоний в немереном количестве.

Фото: Unsplash

Кстати, плутоний в природе, в отличие от урана, в чистом виде не водится. Плутоний был открыт в 1940 году в США выдающимся физиком — лауреатом Нобелевской премии Гленном Сиборгом. Он также открыл с десяток новых элементов — больше всех в мире. Это была настоящая Нобелевская премия за открытие трансурановых элементов, а не те недоразумения, которые часто отмечались впоследствии. СССР в использовании плутония, еще до создания реакторов на быстрых нейтронах и МОКС-топлива, превзошел весь мир.

В сибирских городах Железногорске и Северске были построены реакторы по наработке оружейного плутония, которые выполняли также вторую важнейшую задачу — обогревали эти большие города. К такой масштабной конверсии ядерных технологий даже близко не подошла ни одна ядерная держава. Один из сомнительных, но многочисленных результатов политического сближения с Америкой — остановка в 2008 году реактора в Северске, а в Железногорске — в 2010 году.

БН-800 мощностью 900 мегаватт — это уже не эксперимент, а стандартная мощность для реактора на промышленной АЭС. Реактор БН-800 способен сжигать по 2–3 тонны плутония в год. Сырьевая база российской атомной энергетики увеличится в 100 раз. Если раньше говорили, что собственного урана в стране хватит на 100 лет, то теперь на 10 тысяч лет! Или другой вариант — можно количество атомных электростанций увеличить в 100 раз. Если, конечно, у промышленности будет нужда в таком количестве энергии.

Впрочем, петь сплошные дифирамбы реакторам на быстрых нейтронах было бы нечестно. Как всегда в высоких технологиях, не обходится без слабых мест, которые еще необходимо устранить. Реакторы на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя используют натрий. Очень активный металл, который горит в воздухе, образуя радиоактивный дым. Натрий способен вступать в реакцию с бетоном, выделяя взрывоопасный водород. Пока электричество, которое вырабатывает такой реактор, в 1,5 раза дороже обычных водо-водяных энергетических реакторов — ВВЭР. Стоимость эксплуатации АЭС тоже выше, а срок службы короче — 40 лет вместо 60 лет. Что ж, когда-то автомобили казались менее комфортными конских экипажей.

На Саммите тысячелетия в Нью-Йорке в 2000 году президент Путин предлагал развитым странам перейти на плутониевый цикл. Идея не нашла понимания, поскольку технологическое лидерство России было Западу не по нутру даже в те вегетарианские времена. Между тем изотопа урана-235, который используется на АЭС, на планете хватит еще на 50–60 лет, его век столь же недолог, как у нефти.

Избавление человечества от угрозы энергетического голода — это абстрактная задача. Для Запада важнее — политическое доминирование. Ирония в том, что результатом такого подхода стал тот самый энергетический голод, в который погружается Запад с обреченностью тонущего в луже дырявого корыта. Если человек живет миражами, то жизненный путь неизбежно приводит его в пустыню…

И последнее, очень важное. Летом 2021 года в Северске Томской области заложен фундамент реактора на быстрых нейтронах БРЕСТ-300 следующего поколения, где теплоносителем является жидкий свинец. Это принципиально новый шаг в атомной энергетике, который подтверждает и укрепляет лидирующие позиции России в мировой энергетике.

ФАКТЫ

Атомные станции весьма дорогостоящие. Средняя продолжительность работы АЭС равна 40 годам, в течение этого промежутка времени к стоимости электроэнергии помимо затрат на строительство будет прибавлена сумма, которая пойдет на вывод ее из эксплуатации. Первая в мире атомная электростанция была построена в 1954 году в Обнинске (Калужская область). Она была оснащена уран-графитовым реактором типа АМ («Атоммирный») мощностью 5 МВт.

Эта АЭС безаварийно проработала около 50 лет. В России АЭС вырабатывают около 16 процентов всей электроэнергии. При этом в европейской части страны их доля в общей выработке составляет около 20 процентов, а на северо-западе — примерно 39 процентов. Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.

ЦИТАТА

«Высвобождение силы атома изменило все, кроме нашего мышления. Если человечество хочет выжить, то ему необходима совершенно новая система мышления».

Альберт Эйнштейн (1879-1955), физик–теоретик.

ПРЯМАЯ РЕЧЬ

Георгий Рыкованов, академик РАН:

— Сегодня трудно найти род человеческой деятельности, где не используются атомные технологии. И ядерная медицина, и квантовые компьютеры, и освоение дальнего космоса — это все ядерные технологии.

В научной среде все больше утверждается понимание того, что атомные технологии сегодня — это ключ к решению важнейших проблем, задач борьбы с изменениями климата, остро стоящих сегодня перед человечеством. Сегодня в России действует национальная программа научных исследований в области использования ядерной энергии, в которых наша страна является безусловным лидером.

По сложившейся традиции проводятся исследования «Росатома» совместно с различными институтами Российской академии наук. Особенно важна роль РАН в экспертизе отраслевых программ, что позволяет поддерживать их современный научный уровень и обеспечивать мировое лидерство российской атомной науки и техники. В этой части организацию работы осуществляют президиум и президент РАН.

В качестве примера приведу экспертизу РАН одного из важнейших объектов программы развития техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в России — реакторной установки БРЕСТ-ОД-300. Инновационный характер установки обусловил неприменимость к данному объекту ряда действующих в атомной энергетике нормативов.

И именно положительная экспертиза комиссии РАН под председательством академика Сергея Алексеенко стала достаточным основанием, чтобы Ростехнадзор дал разрешение на сооружение реакторной установки БРЕСТ-ОД-300.