Андрианов Ядерные технологии история, состояние, перспективы 2012

этап будет базироваться на реакторах ториевого цикла, производящих электроэнергию и 233U [28].

Внастоящее время в рамках первого этапа на площадке Куданкулам сооружают с помощью России два блока АЭС с реакторами ВВЭР электрической мощностью по 1000 МВт. Работы по второму этапу проводятся в Центре атомных исследований им. Индиры Ганди. В Калпаккам действует экспериментальный реакторразмножитель на быстрых нейтронах, при эксплуатации которого достигнута глубина выгорания карбидного топлива 110 ГВт сут/т. Уже завершено проектирование первого прототипа реактораразмножителя на быстрых нейтронах электрической мощностью 500 МВт, и в 2003 г. начато его строительство.

Врамках исследований по третьему этапу с 1997 г. на площадке

Калпаккам действует реактор KAMIN1 тепловой мощностью 30 кВт, в котором используются тепловыделяющие элементы на основе 233U, полученного из облученного тория. Подготовлен проект усовершенствованного тяжеловодного реактора электрической мощностью 300 МВт. Это реактор канального типа с тяжеловодным замедлителем, кипящим легководным теплоносителем и топливом на основе плутония и тория, причем две трети энергии планируют получать в ториевых топливных элементах.

Индия является одним из немногих государств, имеющих опыт практически во всех областях ядерной деятельности. Так, в 1974 г. в Раджастане был проведен первый мирный подземный «ядерный эксперимент», а в 1998 г. там же было проведено еще пять подземных ядерных испытаний.

Именно это обстоятельство может помешать реализации индийских планов наращивания мощностей АЭС после 2020 г. В настоящее время Индия отказывается подписывать Договор о нераспространении ядерного оружия (1970 г.) и добивается признания за собой статуса ядерной державы, как это было сделано относительно Китая. Но Китай произвел первые испытания ядерного оружия в 1964 г., а Индия – в 1974 г. Договор о нераспространении ядерного оружия вступил в силу между этими датами.

Этот Договор оставляет для Индии только вариант отказа от ядерного оружия и принятия статуса безъядерного государства. Индия отвергает такой вариант и, ссылаясь на потенциальную ядерную угрозу своей безопасности со стороны Китая и Пакистана,

71

отказывается от распространения режима гарантий МАГАТЭ на свои ядерные объекты и добивается равных прав с пятью ядерными державами: Великобританией, Китаем, Россией, США и Францией.

Поскольку в 1992 г. неформальный Клуб поставщиков ядерных технологий принял решение о запрете всякого сотрудничества с государствами, не подписавшими Договор о нераспространении ядерного оружия и не принявшими в полном объеме режима гарантий МАГАТЭ для своих ядерных материалов, то Индия в своих дальнейших планах развития ядерной энергетики должна рассчитывать только на собственные возможности как в области добычи и изготовления топлива, так и в области проектирования и строительства АЭС и переработки ОЯТ. Следует отметить, что поставка двух АЭС с ВВЭР-1000 из России не подпадает под запрет Клуба, так как соответствующий контракт был подписан до создания этого Клуба.

По мнению индийского руководства, имеющиеся у Индии возможности вполне достаточны для самостоятельного развития ядерной энергетики. В то же время в отношении ведущих ядерных держав (США, Россия, Франция) намечена тенденция более прагматичного отношения к ситуации вокруг ядерной программы Индии. В качестве примера можно привести предложения по строительству энергетических реакторов (EPR, AP-1000) при условии их последующей постановки под гарантии МАГАТЭ.

Реализация ядерного топливного цикла в Индии. Индия ос-

тановила свой выбор на замкнутом ядерном топливном цикле (рис. 2.28) [26]. Это означает, что в отличие от разомкнутого топливного цикла, отработавшее ядерное топливо не содержится в хранилищах в качестве радиоактивных отходов, а направляется на переработку на радиохимический завод для извлечения урана и плутония и отделения продуктов деления. Извлеченные уран и плутоний могут использоваться как для изготовления топлива для реакторов на быстрых и тепловых нейтронах, так и для других целей (например, для ядерных испытаний).

Индия осуществляет добычу и переработку урана и тория, производство тяжелой воды, изготовление топливных элементов, переработку отработавшего ядерного топлива, а также кондиционирование и захоронение отходов.

В Индии эксплуатируют три урановых рудника в штате Бихар (Джадугуда, Бхатин и Нарвапахар). Три добывающих уран предпри-

72

ятия, расположенные рядом с предприятиями по переработке медной руды, извлекают урановый концентрат из хвостов переработки медной руды. Вся урановая руда с этих предприятий и трех рудников перерабатывается на урановом заводе в Джадугуда, производительность которого равна 270 т урана в год.

ВИндии работают два конверсионных предприятия: в Тромбе – конверсия в металлический уран производительностью 100 т урана ежегодно, и в Хайдарабаде (Комплекс ядерного топлива– Nuclear

Fuel Complex) – конверсия в UO2 производительностью 300 т урана в год.

Внастоящее время в Индии имеется два опытных обогатитель-

ных предприятия, использующих для обогащения метод центрифуг. Однако обогащение урана производится в Китае, который имеет два обогатительных предприятия – Комплекс ядерного топлива в Ланьчжоу, на котором используются диффузионный и центрифужный методы, и Шанхайский комплекс ядерного топлива, на котором для обогащения применяют только центрифуги.

Комплекс ядерного топлива в Хайдарабаде поставляет все кассеты для эксплуатирующихся в Индии тяжеловодных реакторов. Он также поставляет топливные сборки для индийских реакторов, изготовленные из гексафторида урана, обогащенного в Китае. Заводом также изготовлены и поставлены сборки с МОХ-топливом для экспериментального реактора-размножителя на быстрых нейтронах.

Ориентируясь на будущие потребности ядерной энергетической программы Индии, комплекс ядерного топлива расширяет свои производственные мощности по выпуску ядерного топлива и циркалоя. Работают три установки по производству губчатого циркония и две – по изготовлению труб из циркалоя.

Поскольку оба современных подхода к обращению с отработавшим топливом (замкнутый и разомкнутый топливные циклы) имеют свои преимущества и недостатки, которые не всегда легко оценить на современном этапе, большинство стран, развивающих ядерные программы, придерживаются концепции «отсроченного решения», включающей промежуточное хранение с возможностью мониторинга условий хранения отработавшего топлива и его извлечения на более позднем этапе либо для непосредственного захоронения, либо для его переработки. Индия использует оба подхода в своей практи-

73

ке: переработка отработавшего топлива тяжеловодных реакторов и хранение извлеченного из активной зоны топлива.

В 1960-х гг. в Индии на опытной установке в Исследовательском центре в Тромбее была разработана технология переработки отработавшего топлива на основе окиси естественного урана из своих тяжеловодных реакторов типа CANDU. Второй перерабатывающий завод производительностью 100 т тяжелого металла (ТМ) в год был введен в эксплуатацию в Тарапуре в 1977 г. Опытная установка в Тромбее после реконструкции в 1985 г. достигла производительности 60 т ТМ/год. Третий завод был пущен в 1996 г. в Калпаккаме. Этот завод, имеющий производительность 100 т ТМ/год, будет выделять плутоний, предназначенный для использования в качестве топлива в прототипном быстром реакторе-размножителе, который строится на площадке Калпаккам.

Тяжелая вода используется в тяжеловодных реакторах в качестве замедлителя и теплоносителя. Объем ее в реакторах типа CANDU составляет десятки тысяч литров, стоимость достигает 10 % эксплуатационных расходов на реактор.

Основными промышленными способами получения тяжелой воды являются изотопный обмен воды и сероводорода, электролиз воды или водяных растворов. Для обеспечения эксплуатации своих тяжеловодных реакторов Индия построила несколько установок по производству тяжелой воды.

2.4.3.Развитие ядерной энергетики

вдругих азиатских странах

Стратегические планы энергетического развития Китая и Индии в случае их успешного осуществления могут послужить «маяком» для всех развивающихся стран в их стремлении к достижению промышленного и социального развития, реализации идеи стабильного энергетического развития и сокращения различия в уровне жизни развитых стран ОЭСР и развивающихся стран Азии, Африки и Латинской Америки [29, 30].

В будущем Китай в своей стратегии последует за Южной Кореей в поисках ядерного сотрудничества с развивающимися странами. В частности, в последнее время Китай обсуждал ряд вопросов с Бра-

74

зилией, которая может покрыть часть китайских потребностей в уране и, как уже отмечалось, строит АЭС Часма в Пакистане.

Китай играет все более существенную роль в мировой ядерной индустрии так же, как он это делает в других ключевых секторах глобальной экономики. Развитие этой ситуации зависит, однако, от того, удастся ли Китаю избежать впечатляющего перегрева экономики, следующего за годами потрясающего роста.

Реализация амбициозных ядерных программ Китая и Индии в ближайшие 20 лет еще в большей мере будет стимулировать рост ядерной энергетики в развивающихся странах.

В докладе МАГАТЭ «Международное состояние и перспективы ядерной энергетики», выпущенном в сентябре 2010 г., говорится, что в настоящее время примерно 65 стран, не имеющих атомные электростанции, «выражают заинтересованность в развитии ядерной энергетики, рассматривают такую возможность или разрабатывают конкретные планы», после отсутствия такого интереса в течение почти 15 лет во всём мире. Из этих 65 стран (названия не указываются) 21 расположена в азиатско-тихоокеанском регионе, 21 – в африканском регионе, 12 – в Европе (в основном Восточной Европе) и 11 – в Латинской Америке. Однако, из 65 заинтересованных стран, 31 страна в настоящее время не планирует строить реакторы, а в 17 странах из 31 мощность энергосистем менее 5 ГВт, которая «слишком мала для того, чтобы к ней можно было подключить большинство реакторов предлагаемых конструкций». Кроме того, в докладе отмечается, что выбор технологии может быть также ограничен и для других стран, мощность энергосистем которых менее 10 ГВт (табл. 2.5).

Азия является основным регионом в мире, где мощности по производству электроэнергии и, в частности, доля ядерной энергетики значительно возрастают. В Восточной и Южной Азии эксплуатируется 112 ядерных реакторов, 37 находится в стадии сооружения, и имеются твердые планы на строительство еще 84 (по состоянию на апрель 2010 г.). Наибольший рост в ядерном производстве ожидается в Китае, Японии, Южной Кореи и Индии.

До 2010 г. прогнозируемые новые генерирующие мощности в этом регионе связаны с добавлением около 38 ГВт(э) в год, а в период с 2010 по 2020 г. планируемый прирост составляет 56 ГВт/год. До

75

одной трети этого объема приходится на замену станций, выводящихся из эксплуатации. Это примерно 36 % новых мощностей в мире. Большая часть этого прироста будет в Китае, Японии, Индии и Корее.

Внастоящее время в шести странах региона эксплуатируется 112 ядерных реакторов, строится 37 энергоблоков (строительство еще нескольких блоков должно начаться в 2010 г.), определенные планы на строительство еще 84 и серьёзные предложения на 180.

Взаключение отметим, что анализ состояния и перспектив энергетического развития в мире показывает возрастающую значимость состояния энергетики развивающихся стран. Этот фактор становится определяющим как для рынка энергетических источников, так и глобальных экологических проблем и для энергетической безопасности в целом. В этом смысле особый интерес представляет энергетическая ситуация и энергетические программы лидеров развивающегося мира – Китая и Индии, как самостоятельные факторы и как показатели будущих тенденций всего развивающегося мира (Азии, Африки и Латинской Америки).

76

2.5. Ядерный топливный цикл

Все ядерные реакторы требуют наличия инфраструктуры, обеспечивающей производство нового топлива и обращение с отработавшим ядерным топливом. Такие технологические процессы осуществляются на предприятиях ядерного топливного цикла (ЯТЦ) (рис. 2.29) [31].

Под ядерным топливным циклом понимают совокупность технологических процессов, связанных с получением энергии в ядерных реакторах. В зависимости от типа топлива возможно осуществление трех видов ЯТЦ: 1) урановый; 2) уран-плутониевый;

3)уран-ториевый.

Вурановом топливном цикле делящимся материалом служит 235U, а воспроизводящим материалом – 238U. Урановое топливо из-

готавливают из природного (0,72 % 235U), низкообогащенного (1– 5 % 235U) или высокообогащенного урана (вплоть до 93 % 235U). Первые два вида ядерного топлива используют в реакторах на тепловых нейтронах, третий – в реакторах на быстрых нейтронах, работающих в конвертерном режиме.

Ядерное топливо для уран-плутониевого топливного цикла состоит из природного или обедненного (0,2–0,3 % 235U) урана с добавкой 239Рu в количестве, эквивалентном соответствующему обогащению по 235U. Это горючее может быть использовано как в реакторах на тепловых нейтронах, так и в реакторах на быстрых нейтронах. Воспроизводящим материалом здесь также служит 238U.

В уран-ториевом топливном цикле делящимся материалом является 235U или 233U, воспроизводящим – 232Th.

Задача первого этапа ЯТЦ – изготовление ядерного топлива. Он включает в себя добычу урановой руды, ее обогащение, извлечение урана и его глубокую очистку, изотопное обогащение по 235U, получение из обогащенного урана материала, пригодного для загрузки в реактор, изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов) и тепловыделяющих сборок. Второй этап ЯТЦ – получение тепловой энергии в ядерно-энергетических установках при сжигании ядерного горючего. На следующих этапах ЯТЦ проводят радиохимическую переработку отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Завершается ЯТЦ подготовкой к окончательному захоронению радиоактивных отходов (РАО).

77

ЯТЦ может быть организован таким образом, что из облученного горючего извлекают невыгоревший уран и накопившийся плутоний, которые направляют затем для изготовления новых твэлов и сборок – «замкнутый ЯТЦ». Если отработавшее топливо не перерабатывается и делящиеся материалы не возвращаются в топливный цикл, то ЯТЦ называют «разомкнутым» или «открытым»

(табл. 2.6).

ЯТЦ объединяет многие предприятия: шахты по добыче урановой руды; предприятия по глубокой очистке извлеченного урана; обогатительные предприятия; предприятия по переработке обогащенного урана в форму, используемую в реакторах; заводы по изготовлению твэлов и сборок; атомные электростанции и станции теплоснабжения, где выгорание топлива дает тепловую и электрическую энергию; заводы по переработке отработавшего горючего и переводу радиоактивных отходов в форму, удобную для длительного хранения; полигоны для захоронения отходов.

2.5.1. Промышленная инфраструктура топливного цикла

В табл. 2.7 и на рис. 2.30 отражено состояние ядерного топливного цикла: указано количество различных типов предприятий топливного цикла в мире, находящихся в промышленной эксплуатации, и их мощности (по состоянию на 2008 г.).

78

Таблица 2.7

Мощности предприятий ЯТЦ в разных странах

79

Крупнейшие установки по конверсии урана находятся в Канаде, Франции, России, Великобритании и США. Крупнейшие установки по обогащению расположены во Франции, Германии, Нидерландах, России, Великобритании и США. Ожидается, что в большинстве основных стран-поставщиков в ближайшие десятилетия увеличатся мощности по конверсии и обогащению топлива [32].

Только во Франции и Великобритании имеются промышленные перерабатывающие установки; в Японии планируется начать переработку в ближайшее время. Ниже обобщены возможности стран в части услуг ядерного топливного цикла. Несмотря на то, что большинство установок по конверсии и обогащению урана сосредоточено в нескольких странах ОЭСР и Российской Федерации, в 18 странах имеются возможности производить топливо, используя поставляемый такими предприятиями уран.

В настоящее время рынок товаров и услуг ЯТЦ приобретает интернациональный характер. Такие услуги, как добыча, конверсия и обогащение урана, изготовление и обеспечение атомных станций топливом выполняются ограниченным числом стран и предлагаются на рыночных условиях остальным. Так, в настоящее время на мировом рынке услуги по конверсии урана предлагают 5 компаний, его обогащением занимаются 4 компании и 16 компаний предлагают услуги по изготовлению ядерного топлива. При этом рынок услуг в области производства ядерного топлива, несмотря на имеющиеся коммерческие и политические ограничения, функционирует, как показывает практика, достаточно эффективно.

Замыкающая часть топливного цикла также носит до определенной степени международный характер: Франция, Великобритания и Россия имеют положительный опыт обращения с зарубежным облученным топливом.

Всей технологической цепочкой по изготовлению ядерного топлива для реактора типа ЛВР в промышленном масштабе обладают лишь 6 стран: США, Россия, Франция, Великобритания, Китай, Аргентина. Мощности по промышленной переработке ОЯТ имеют на своей территории 4 страны: Россия, Франция, Великобритания, Япония. Таким образом, существует значительная диспропорция в числе стан, являющихся потребителями услуг ядерно-энергетического профиля, и их поставщиками.

80