Андрианов Ядерные технологии история, состояние, перспективы 2012
.pdfРассмотрим цели каждой из этих инициатив.
Международный проект по инновационным ядерным реак-
торам и топливным циклам (INPRO – International Project on Innovative Nuclear Reactors and Fuel Cycles) действует под эгидой МАГАТЭ. Целью проекта является поддержка безопасного, стабильного, экономичного и устойчивого к распространению использования ядерных технологий для удовлетворения глобальных энергетических потребностей XXI века, что будет достигнуто путем объединения обладателей и пользователей технологии для совместного рассмотрения международных и национальных мер, которые необходимо принять с целью разработки инновационных проектов ядерных реакторов и топливных циклов. По состоянию на декабрь 2009 г. членами INPRO были следующие 31 стран и организаций: Алжир, Аргентина, Армения, Белоруссия, Бразилия, Болгария, Бельгия, Канада, Чили, Китай, Чешская Республика, Франция, Германия, Индия, Индонезия, Италия, Япония, Казахстан, Корея, Марокко, Нидерланды, Пакистан, Российская Федерация, Словацкая Республика, Южная Африка, Испания, Швейцария, Турция, Украина, США и Европейская Комиссия (рис. 2.61).
Основными задачами проекта являются:
•создание форума, где эксперты и политики из развитых и развивающихся стран могли бы обсуждать технические, экономические, экологические, социальные аспекты планирования ядерной энергии, включая вопросы устойчивости к распространению, а также разработку и внедрение инновационных ядерных энергетических систем в XXI веке;
•разработка методологии для оценки инновационных ядерных энергетических систем и установление рекомендаций для таких оценок;
•проведение анализа на глобальном, региональном и национальном уровнях роли и структуры инновационных ядерных энергетических систем, способных удовлетворить энергетические потребности устойчивым образом;
•облегчение координации международного сотрудничества по разработке и внедрению инновационных ядерных энергетических систем;
121
• уделение особого внимания потребностям развивающихся стран, заинтересованных в ядерных энергетических системах нового поколения.
Проект координируется и реализуется международной координационной группой, в которую входят специалисты из странчленов. Цель координационной группы – получение данных и взаимодействие с национальными и международными заинтересованными сторонами, в частности с NEA и GIF.
История организации проекта INPRO. В сентябре 2000 г. пре-
зидент России выступил в ООН на Саммите Тысячелетия с инициативой обеспечения энергетической стабильности развития на основе ядерных технологий. Эта инициатива оказалась исключительно своевременной и нашла поддержку мирового сообщества в четырех резолюциях Генконференции МАГАТЭ и двух резолюциях Генеральной Ассамблеи ООН приветствуется инициатива президента России как отвечающая чаяниям развивающихся стран и как путь гармонизации отношений индустриальных стран с развивающимися странами.
Инициатива президента РФ – политическая акция, а не технический проект. Это было принято мировым сообществом и нашло свое отражение в международном проекте INPRO по развитию инновационной концепции АЭС и ЯТЦ, исключающей использование в мировой энергетике наиболее «чувствительных» материалов и технологий («свободного» плутония и высокообогащенного урана) и «открывающей миру принципиально новые перспективы жизни» (сентябрь 2000 г.).
Реализация международного проекта INPRO позволила объединить усилия экспертов 24 стран-членов МАГАТЭ, и разработать требования и критерии развития ядерной энергетики, АЭС и ЯТЦ
(рис. 2.62).
Акцент на содержание предложений президента как политической инициативы позволил «оздоровить» атмосферу МАГАТЭ, рассматриваемую западными странами как организацию с полицейскими функциями, ориентировав МАГАТЭ на роль мирового форума по обсуждению места ядерных технологий в мире, и в особенности для развивающихся стран – в соответствии с инициативой президента.
122
Области применения программы INPRO. Проект INPRO про-
шел промежуточный этап с разработкой и применением методологии INPRO, которая может помочь странам в оценке существующих и будущих ядерных энергетических систем, а также содействовать долгосрочному стратегическому планированию и принятию решений. После первой серии успешных исследований еще восемь стран проявили интерес к оценке существующих или будущих ядерных энергетических систем с целью определения того, соответствуют ли они национальным критериям устойчивого развития. В рамках проекта INPRO развиваются следующие направления
(рис. 2.63).
Глобальное видение устойчивого развития ядерной энергетики.
При формулировании потенциальных сценариев и гармонизации видений долгосрочного глобального ядерно-энергетического развития проект INPRO помогает как «новичкам», так и «опытным» ядерным странам понять потенциал технических инноваций и новых организационных и правовых подходов для разработки и создания устойчивой ядерно-энергетической архитектуры в XXI веке.
Стимулирование инноваций. В настоящее время, с целью удовлетворения потребностей заинтересованных участников проекта, растет сотрудничество среди членов INPRO по выбранным инновационным ядерным технологиям. Это направление деятельности связано со специализированными научными исследованиями и разработками, которые содействуют созданию устойчивой ядерной энергетики.
Стимулирование инноваций в организационной структуре. В
дополнение к полному спектру ядерного топливного цикла частью ядерной энергетической системы является также организационная структура. Эта структура включает в себя соглашения, договора, национальные и международные правовые основы и конвенции. Применение новых проектов реакторов может потребовать внедрение инновационных подходов к организационным мероприятиям, в частности для реакторов малой и средней мощности. INPRO поощряет сотрудничество в этой области и оказывает поддержку странам в разработке и реализации инновационных мероприятий.
Форум для диалога в рамках INPRO. Особое внимание в рамках проекта INPRO уделяется организации форума по вопросам будущего энергетического развития с использованием ядерных технологий. Форум направлен на стимулирование информационного об-
123
мена между производителями и пользователями ядерных технологий с целью обеспечения соответствия будущих технических и организационных инноваций ожиданиям заинтересованных сторон.
Национальные оценки. Недавно несколько стран выполнили ряд национальных оценочных исследований ядерных энергетических систем (NESA): Аргентина, Армения, Бразилия, Индия, Республика Корея и Украина. Кроме того, восемь стран – Канада, Китай, Франция, Индия, Япония, Республика Корея, Российская Федерация и Украина – провели совместное исследование ядерной энергетической системы, состоящей из охлаждаемого натрием быстрого реактора с замкнутым топливным циклом. В ходе совместных исследований было изучено несколько возможных сценариев путем моделирования того, как разные ядерные технологии могут содействовать реализации расширения роли ядерной энергетики, и какого рода проблемы и подходы могут быть рассмотрены, чтобы обеспечить переход к замкнутому ядерному топливному циклу с быстрыми реакторами.
Национальные исследования по методу NESA проводились странами, представляющими собой как пользователей, так и разработчиков технологии, и включали в себя различные шкалы оценок. Аргентина и Украина оценивали устойчивость своих спроектированных национальных ядерных энергетических систем путем оценки всех установок ядерного топливного цикла.
Бразилия, Индия и Республика Корея оценивали конкретные проекты реакторов и связанные с ними топливные циклы в выбранных областях методологии INPRO. Команда Бразилии выбрала проект реактора IRIS и проанализировала его на предмет безопасности и экономичности. Кроме того, была проведена оценка проек-
та реактора FBNR (Fixed Bed Nuclear Reactor) на предмет осущест-
вимости в части безопасности и устойчивости к распространению. В Индии предметом исследования была замена органического топлива водородом в транспортном секторе. Основной задачей исследования, проведенного в Южной Корее, была разработка качественного анализа для определения уровня устойчивости к распространению топливного цикла DUPIC, в котором отработанное топливо PWR трансформируется в новое топливо для реакторов
CANDU.
124
Армения провела оценочное исследование, главным образом, для ознакомления национальных органов, ответственных за принятие решений, со всеми вопросами, связанными с запланированной программой ядерной энергетики, направленной на замену существующего реактора более мощным энергоблоком к 2025 г.
Замкнутый топливный цикл с быстрыми реакторами.В течение двух лет восемь стран объединили свои силы для проведения оценки ядерной энергетической системы на основе замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами с использованием методологии INPRO. Цель такого совместного исследования заключалась в определении того, отвечает ли такой топливный цикл критериям устойчивого развития, в определении промежуточных этапов для применения ядерной энергии и для установления областей, для которых в будущем потребуется проведение совместных научных исследований и разработок. Этими странами были Канада, Китай, Франция, Индия, Япония, Южная Корея, Российская Федерация и Украина. Система замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами на основе проверенных технологий, таких как натриевый теплоноситель, МОХ-топливо в виде таблеток и технология водной регенерации, использовалась в качестве референтной системы.
С целью сделать замкнутый топливный цикл с быстрыми реакторами жизнеспособной альтернативой традиционным источникам электроэнергии в рамках проведения совместного исследования были выявлены некоторые слабые места в современных национальных подходах, которые требует принятия соответствующих решений. Это, в частности, относится к экономическим показателям и безопасности, где требуется проведение дальнейших исследований для достижения более низкого уровня риска серьезных аварий.
Конструкция действующих в настоящее время ядерных энергетических систем с замкнутым топливным циклом может не соответствовать требованиям экономической конкуренции. Упрощение конструкции, повышение полного выгорания топлива и снижение расходов в результате проведения целевых НИОКР наряду с мелкосерийным строительством – всё вместе могло бы сделать затраты на атомные электростанции с быстрыми реакторами сопоставимыми с затратами на станции с тепловыми реакторами и электростанциями на органическом топливе.
125
В некоторых странах внедрение быстрых реакторов могло бы содействовать эффективному использованию ядерного топлива в результате увеличения использования топлива на основе плутония
иденатурированного урана для производства в зонах воспроизводства быстрых реакторов. При разработке и внедрении инновационных технологий для оптимального обращения с продуктами деления и младшими актинидами система на основе замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами будет иметь потенциал для «прорыва» в части соответствия всем современным требованиям к обращению с радиоактивными отходами.
Благодаря технологическим особенностям рассматриваемой системы её устойчивость к распространению может быть сопоставима или даже быть выше устойчивости однократного топливного цикла. Данная система является ключевой технологией для сбалансированного использования делящихся материалов. Система на основе замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами требует применения регионального или многостороннего подхода к услугам топливного цикла начальной стадии и завершающей части
ипереходу к глобальной ядерной архитектуре.
Поскольку заключения совместного исследования также требуют применения междисциплинарного подхода и международного сотрудничества там, где это возможно, как последующая стратегия были инициированы несколько совместных проектов INPRO, посвященных следующим аспектам:
•глобальная архитектура ядерных энергетических систем на основе тепловых и быстрых реакторов, включая замкнутый топливный цикл (GAINS);
•интегрированный подход к проекту аварийной системы отвода остаточного тепловыделения для реакторов с жидкометаллическим теплоносителем (DHR);
•оценка усовершенствованных и инновационных ядерных топливных циклов в рамках крупномасштабных ядерных энергетических систем на основе концепции замкнутого топливного цикла с целью достижения соответствия принципам устойчивости в XXI веке (проект FINITE);
•изучение технологических проблем, связанных с отведением тепла жидкометаллическим теплоносителем или теплоносителем в
126
виде расплава солей из активных зон реакторов, работающих при высоких температурах (COOL).
Международный форум «Generation IV». Тринадцать стран и организаций – Аргентина, Бразилия, Канада, Евратом, Франция, Япония, Народная Республика Китай, Республика Корея, ЮжноАфриканская Республика, Российская Федерация, Швейцария, Соединенное Королевство и США – объединились для создания Ме-
ждународного проекта «Generation IV International Forum» (GIF),
технический секретариат которого обеспечивается NEA (рис. 2.64). Проект GIF нацелен на разработку ядерных энергетических систем будущего поколения, которые могли бы обеспечить высокий уровень конкурентоспособности и надежности энергии, успешно решая при этом вопросы повышения ядерной безопасности, минимизации радиоактивных отходов, повышения уровня физической защиты и устойчивости к нераспространению. Системы IV поколения – это ответ на потребности большого числа стран и пользователей.
На первом этапе своей работы проект GIF сотрудничал в направлении всесторонней оценки концепций в ядерной энергетике, в результате чего были выбраны наиболее перспективные в качестве вариантов ядерных энергетических систем IV поколения. В отчете под названием «Дорожная карта технологий для ядерных энергетических систем IV поколения» изложен процесс этой оценки и определены шесть систем IV поколения, которые были выбраны в 2002 г. Для этих систем были разработаны подробные планы науч- но-исследовательской деятельности с целью создания научной и технической перспективности и оценки эффективности до возможной демонстрации в промышленном масштабе.
Члены GIF считают, что развитие этих концепций приведет к долгосрочным выгодам для ядерной энергетики по всему миру. Термин «система» относится к реакторной установке и ее полному топливному циклу. Оценка всего топливного цикла особенно важна при определении эффективности физической защиты и устойчивости к нераспространению.
Следующие системы IV поколения были выбраны в 2002 г. (рис. 2.65):
• охлаждаемый жидким натрием реактор на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом, что обеспечивает эффектив-
127
ное обращение с актинидами и использование сырьевого («отвального») урана (SFR);
•реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый свинцом или свинцово-висмутовым эвтектическим металлическим сплавом, с замкнутым топливным циклом, что обеспечивает эффективное использование сырьевого урана и надлежащее обращение с актини-
дами (LFR);
•реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый гелием, с замкнутым топливным циклом (GFR);
•высокотемпературный реактор с графитовым замедлителем и гелиевым охлаждением, имеющий открытый урановый топливный цикл (VHTR);
•сверхкритический водоохлаждаемый реактор, охлаждаемый водой под давлением, с режимом работы выше термодинамической критической точки воды (SCWR);
•реактор на расплавленных солях, производящий энергию деления в циркулирующей топливной смеси расплавленных солей с использованием реактора на надтепловых нейтронах и полного топливного цикла с рециклом актинидов (MSR).
Внастоящее время фаза технической оценки (или дорожной карты) перешла к реализации детальных программ НИОКР.
В2006 г. Комиссия Сената США по ассигнованиям поддержала Министерство энергетики США (DOE) в установлении первостепенной важности развития технологий быстрых реакторов и потребовала подготовить отчет о достижениях в развитии технологий реакторов на быстрых нейтронах. В 2006 г. была выпущена Стратегия разработки быстрого реактора поколения IV (США). Она включает сравнительный анализ систем GFR, LFR и SFR в части технической готовности и опыта эксплуатации. В результате этого анализа был выбран реактор SFR как наиболее перспективный вариант быстрого реактора для ввода в эксплуатацию в ближайшем будущем. Построены крупномасштабные (промышленные) модели SFR; два находятся в эксплуатации – во Франции и в Российской Федерации.
Важным аспектом усовершенствованных конструкций реакторов является повышение уровня физической защиты и устойчивости к распространению. Задачи GIF в этом направлении формули-
128
руют, что ядерные энергетические системы IV поколения будут «…повышать гарантию того, что они представляют собой весьма непривлекательный и наименее желаемый путь для диверсии или хищения материалов, годных для использования в качестве оружия, и обеспечивают повышенный уровень физической защиты против террористических актов». Устойчивость к распространению направлена на препятствование тайной или явной диверсии заявленных материалов, тайного или явного неправомерного использования заявленных установок и создания секретных установок государствами, стремящимися приобрести ядерное оружие или иные ядерные взрывные устройства. Физическая защита направлена на препятствование хищения или транспортировки материалов, годных для ядерных взрывных устройств или устройств, рассеивающих радиоактивный материал или излучающих радиацию, и пресечение саботажа ядерных установок. Технические характеристика систем IV поколения рассчитаны на повышение устойчивости, как к угрозам распространения, так и угрозам саботажа и терроризма.
2.7.5. Необходимость глобального сотрудничества
Существует общее согласие в отношении необходимости международных усилий по разработке новых ядерных технологий. В связи с этим обсуждалась возможность налаживания взаимодействия между существующими проектами, которая уже реализуется на практике.
Технологические цели GIF и требования пользователей INPRO как необходимые характеристики передовых технологий во многом схожи или совпадают в том, что касается экономики, безопасности, экологии, топливного цикла, устойчивости к распространению и устойчивости в целом. Аналогичны, по-видимому, и их подходы к проверке и отбору предлагаемых к рассмотрению инновационных концепций. Однако между ними есть и ряд существенных отличий:
•GIF уже реализует программу НИОКР, тогда как в INPRO только завершается формулирование требований пользователей;
•деятельность в рамках GIF направлена исключительно на удовлетворение потребностей нескольких промышленно развитых стран, тогда как проект INPRO предусматривает более углубленное
129
рассмотрение проблем ядерной энергетики в целом с учетом специфики стран и регионов;
•как ожидается, INPRO будет разработан более широкий спектр предложений по инновационным технологиям реакторов и ядерного топливного цикла, который удовлетворял бы потребностям практически всех стран, а не только имеющих развитую атомную промышленность;
•INPRO ведет также поиск путей решения проблем, выходящих за пределы технологических требований, в частности, исследуются потенциальные преимущества международного сотрудничестве в создании необходимой инфраструктуры для отдельных стран и возможности совершенствования правовых и институциональных структур. INPRO готов рассматривать потребности развивающихся стран;
•GIF ограничивается рассмотрением отдельных систем ядерной энергетики и связанных с ними топливных циклов;
•в INPRO считают, что необходимо использовать комбинации таких систем в увязке с различными сценариями развития ядерной энергетики на национальном, региональном и глобальном уровнях.
УGIF и INPRO есть база для более тесного сотрудничества, поскольку направленность их усилий различна. Членами GIF в основном являются поставщики технологий, поэтому в рамках этого проекта рассматриваются очень сложные технологические системы. Напротив, INPRO видит в качестве будущего рынка для ядерной энергетики Азию, включая развивающиеся страны, которым нужны более простые, но надежные системы. INPRO, в состав которого входят члены из числа развивающихся стран, обеспечивает лучшее понимание их нужд и требований. Развивающиеся страны (за исключением таких гигантов как Индия и Китай) не могут использовать преимущества и потенциал традиционных ядерных технологий – это важнейшая задача инновационных технологий.
Роли инноваций как ключевого фактора для будущего ядерной энергетики была посвящена Международная конференция МАГАТЭ по инновационным технологиям для ядерных топливных циклов и ядерной энергетики, проходившая в Вене в июне 2003 г.
На сессии Генеральной конференции МАГАТЭ в сентябре 2003 г., государствами-членами была принята резолюция, в кото-
130