Андрианов Ядерные технологии история, состояние, перспективы 2012

2.5.2.Требования к ЯТЦ

КЯТЦ предъявляют следующие основополагающие требования: эффективное топливообеспечение ЯЭУ с использованием природных, техногенных и рециклированных ядерных материалов, а также обеспечение развития ядерной энергетики в условиях гарантированного нераспространения технологий ЯТЦ, используемых для получения ядерных оружейных материалов, поскольку технологии

иматериалы ЯТЦ имеют потенциальное двойное назначение.

На решение проблем ЯТЦ направлены инициативы ХХI века президентов России и США по развитию ядерной энергетики и ее ЯТЦ. К ним относятся:

•инициатива президента России В.Путина на саммите тысячелетия в ООН (2000 г.) – формирование проекта ИНПРО под эгидой МАГАТЭ;

•инициатива США по ядерным реактором IV поколения (2001 г.) – образование международного форума «Generation IV»;

•инициатива президента России В.Путина о создании международных центров по чувствительным технологиям ЯТЦ (2006 г.) – создание МЦОУ в г. Ангарске;

•инициатива президента США Дж. Буша по «Глобальному партнерству в ядерной энергетике (GNEP)» (2006 г.) – приглашение стран, располагающих технологиями ЯТЦ и только реакторными технологиями к глобальному сотрудничеству.

2.5.3. Тенденции развития ЯТЦ

Рассмотрим основные тенденции текущего периода развития ЯТЦ в мире. Прежде всего, происходит ослабление взаимосвязи с военными программами, в частности, прекращение наработки ядерных оружейных материалов Россией и США. Непрерывно снижается степень влияния государственного управления при определении кратко- и среднесрочных стратегий развития ЯТЦ и происходит переориентация их на реализацию рыночноориентированных стратегий со стороны отдельных участников рынка.

Планомерно появляются транснациональные объединения в области создания и управления объектами ядерной техники и ЯТЦ. К

81

их числу следует отнести AREVA, Toshiba-Westinghouse, HitachiGeneral Electric. Необходимо подчеркнуть, что происходит увеличение степени открытости рынка ядерных материалов и услуг, в частности, реализация коммерческих сделок по передаче технологий и производств ЯТЦ. В целом растет осознание того факта, что объекты ЯТЦ приобретают возрастающую важность, которая ранее отводилась реакторным технологиям гражданской ядерной энергетики, а ЯТЦ носил подчиненный характер. Остановимся подробней на каждом переделе ЯТЦ.

Характерной чертой современного этапа развития стали процессы слияния основных производств ЯТЦ и создания крупнейших транснациональных корпораций. Это обусловлено чисто экономическими причинами – высокой удельной стоимостью соответствующих услуг ЯТЦ при относительно малой потребности в них. Эффект масштаба делает целесообразным создание именно крупных производств ЯТЦ.

Добыча природного урана. В настоящее время общепризнанным является тот факт, что мировых разведанных запасов урана достаточно для обеспечения ядерной энергетики топливом на 50– 60 лет (табл. 2.8).

Таблица 2.8

Запасы природного урана и тория

Тем не менее, в ожидании ренессанса ядерной энергетики произошла активизация поисково-разведочных работ новых месторождений урана, сопровождаемая ростом добычи и цен на уран. Как

82

следствие, рентабельность добычи природного урана в последнее время возросла. Не прекращаются попытки перехода странпроизводителей природного урана к увеличению технологической цепочки и созданию запасов урана [33].

Распределение мировых запасов природного урана к настоящему времени крайне неравномерно (рис. 2.31). Порядка 85% всех мировых ресурсов урана находятся на территории 8 стран. Из них более 55% ресурсов категории «установленные и дополнительные» заключены в недрах Австралии, Канады и Казахстана. Остальные 30% составляют ресурсы Узбекистана, ЮАР, Намибии, Нигера и России.

Следует отметить, что из числа стран, занимающих видное место в добыче урана, только Канада и Россия развивают ядерную энергетику. В то же время другие крупнейшие государства с ядерной энергетикой внушительного масштаба либо совсем не производят уран (страны Западной Европы, Япония), либо производят в объемах, существенно меньших его потребления (США).

Обогащение. Обогатительные мощности в настоящий момент удовлетворяют лишь текущие потребности ядерной энергетики. Планируемый рост мощностей ожидается только за счет газовых центрифуг. Основная тенденция развития в данном сегменте ЯТЦ – это конкуренция в области совершенствования действующей технологии.

Конкурентоспособные разработки ведут компании Urenco, ORNL-USEC, LES. Тем не менее, General Electric начата коммер-

циализация технологии «Sieex Sistems» разделения изотопов с лазерным возбуждением. В силу потенциальной опасности этого ЯТЦ повсеместно обсуждается возможность интернациализации данного передела ЯТЦ и применение к нему многосторонних подходов (инициатива создания МЦОУ).

Производство топлива. В настоящее время имеется явное превышение установленных мощностей над спросом, сопровождаемое закрытием нерентабельных производств. Для повышения эффективности производства топлива компании реализуют попытки разработки и внедрения ТВС для типов реакторов, исторически не свойственных для данного производителя. Усиление и развитие международных кооперационных связей, сопровождаемое развитием кон-

83

курентных преимуществ, оптимизацией технологических переделов, выполнением заказов на изготовление отдельных компонент стала повсеместной практикой. Как следствие, неизбежно проявляется конкуренция на принципиально новых сегментах рынка ядерного топлива.

Снижение расхода урана на единицу энерговыработки за счет повышения выгорания и совершенствования топливных циклов является главной конечной целью развития в данном сегменте ЯТЦ. При этом имеет место рост потребностей в использовании регенерата урана, исследуются возможности постепенного перехода на перспективные топливные циклы на иной ресурсной базе – торию. Для достижения этой цели планомерно ведутся работы по совершенствованию ТВС.

Обращение с ОЯТ и РАО. Сегодня мощности по переработке ОЯТ полностью не загружены. Непрерывно растут темпы создания «сухих» хранилищ ОЯТ в ожидании промышленной технологии утилизации. Серьезнейшее развитие получают как «водные», так и «сухие» методы радиохимической переработки с фракционированием, трансмутацией и окончательным удалением РАО. Программы обращения с РАО, включая окончательное удаление, финансируются из специальных накопительных фондов и осуществляются в США, Швеции, Швейцарии, Германии, Финляндии, некоторых странах Восточной Европы [34, 35].

Следует отметить, что международный рынок услуг заключительной стадии ЯТЦ существенно ограничен по правовым (международные конвенции, национальные законодательства) и объективным (долгосрочность программ, отсутствие гарантированных технических решений, социальная значимость) причинам.

Замкнутый ЯТЦ на данном этапе рассматривается как перспективная прорывная, а не коммерческая технология. Проведенный ОЭСР сравнительный экономический анализ эффективности реализации открытого и замкнутого топливного цикла для реакторов на тепловых нейтронах показывает примерное равенство стоимости ядерных топливных циклов тепловых реакторов с прямым захоронением ОЯТ и переработкой ОЯТ с единичным рециклом топлива в виде MOX-топлива. Отличия между ними составляют порядка ±15 % и обусловлены особенностью временных и национальных факторов. Тем не менее, даже при рецикле плутония в те-

84

пловых реакторах сохраняется проблема добычи и обогащения урана, окончательного удаления ОЯТ ЯТЦ.

Многократный рецикл плутония с расширенным воспроизводством в рамках замкнутого ЯТЦ быстрых реакторов, как полагают эксперты, будет, вероятнее всего, более привлекательным экономически по сравнению с любым вариантом топливного цикла тепловых реакторов, особенно если затраты на обращение с РАО будут минимизированы в этом типе ЯТЦ.

2.5.4.Интернационализация ЯТЦ

Внастоящее время пришло осознание, что практически любые шаги в развитии технологии ЯТЦ можно рассматривать, как шаги в направлении развития немирного использования ядерных технологий. Появилась проблема: как обеспечить энергетическое развитие без распространения технологии ЯТЦ (прежде всего – обогащения, производства высокообогащенного урана, переработки ОЯТ, использования плутония в выделенном виде и т.п.)?

По инициативе Генерального директора МАГАТЭ группа экспертов ведущих стран выполнила специальный анализ и опубликовала аналитический доклад «Многосторонние подходы к ЯТЦ» INFCIRC/640. Был опубликован доклад WNA «Обеспечение гарантий поставок в международном ядерном топливном цикле» и инициативы ряда стран в этой области (предложения США, России, Японии, Германии, «Инициатива шести стран» и др.).

Среди указанных инициатив наиболее полно и всесторонне отражают проблемы дальнейшего развития ядерной энергетики следующие три:

•GNEP (Global Nuclear Energy Partnerships) –Инициатива США по Глобальному партнёрству в ядерной энергетике

(рис. 2.32) [36];

•инициативы по созданию Многонациональных (международных) центров ЯТЦ по обогащению и по переработке ОЯТ – РФ;

•инициативы по созданию Международных банков ядерного

топлива - для гарантированного доступа новых стран к продуктам и услугам ЯТЦ – Германия, WNA и др.

Практическая реализация данного рода спредложений по интернационализации ядерного топливного цикла – это единствен-

85

ный способ не допустить неконтролируемого распространения ядерных материалов и технологий. Успешная реализация обсуждаемых инициатив является ключевым фактором для будущего развития ядерной энергетики.

2.6. Неэнергетическое применение ядерных технологий в медицине, сельском хозяйстве,

промышленности и других областях

Использование ядерных технологий в целях, не связанных с производством электроэнергии, представляет собой огромную область научных и практических знаний и технологий, большая часть которых были и остаются высокотехнологичными и продолжают оставаться лучшими достижения человечества в своей области [37–40].

Сферы неэнергетического приложения ядерных технологий:

•пищевая промышленность и сельское хозяйство;

•водные ресурсы;

•защита окружающей среды;

•здравоохранение;

•программа борьбы с раком;

•ядерная наука;

•радиоизотопы и радиационные технологии.

2.6.1.Исследовательские реакторы

Внастоящее время исследовательские ядерные реакторы (ИЯР) используются в различных областях науки и техники. Исследовательские ядерные установки различаются по назначению, техническому устройству и параметрам (рис. 2.33).

Исследовательский реактор (research reactor) – ядерный реактор, применяемый главным образом с целью генерации и использования нейтронного потока и ионизирующих излучений. Эти реакторы используются для исследований и других целей, включая экспериментальные установки, связанные с реактором, установки по хранению, обработке и переработке радиоактивных материалов, которые находятся на той же самой площадке и имеют непосредственное отношение к безопасной эксплуатации исследовательского ре-

86

актора. Данный термин охватывает установки, известные как критические сборки.

Большинство ИЯР было построено и эксплуатируются с конца 1950-х – начала 1960-х гг. и отличаются как разнообразием типов, так и широким интервалом мощности (от нескольких ватт до 100 МВт). К началу 2010 г. в 55 странах насчитывается 232 работающих исследовательских реакторов (в том числе 43 критические и 4 подкритические сборки). Один реактор находится в стадии проектирования (реактор TRR-II, Тайланд), 6 реакторов (в том числе 1 подкритическая сборка JSA, Иордания) в стадии строительства. 13 реакторов (в том числе 2 критические сборки) временно не работают. К настоящему времени 241 реактор остановлен, 176 выведены из эксплуатации. Большая часть (две трети) работающих ИЯР эксплуатируются уже более 30 лет (рис. 2.34).

Конструкция исследовательского реактора и его физические характеристики определяются областью его применения, назначения, спектром и объемом решаемых задач. По назначению исследовательские реакторы можно классифицировать следующим образом:

•реакторы для физических исследований. Данные установки предназначены в основном для формирования выведенных потоков нейтронного и гамма-излучения. Пучки частиц формируются в экспериментальных каналах (вертикальных, горизонтальных или наклонных), проходящих через отражатель и биологическую защиту. Таким образом, объекты облучения и экспериментальное оборудование находятся за пределами биологической защиты реактора;

•реакторы для производства радионуклидов, включая изо-

топы трансурановых элементов;

•материаловедческие реакторы. В них основными экспери-

ментальными элементами являются вертикальные каналы, позволяющие доставлять объекты облучения в области активной зоны и отражателя. Это наиболее подходящие реакторы для формирования необходимых условий облучения;

•реакторы для инженерных исследований. Реакторы, по-

зволяющие использовать автономные контуры охлаждения для поддержания требуемых режимов испытания новых инженерных решений для ТВЭЛ, ТВС и других элементов конструкции реакторов. Это позволяет проводить натурные испытания в условиях, максимально приближенных к реальным;

87

•реакторы для фундаментальных и прикладных исследований в области радиационной химии, стойкости синтетических материалов в мощных полях нейтронного и гамма-излучений, радиационного материаловедения и т.п.;

•реакторы для проведения исследований в области ней-

тронной физики, нейтронно-активационного анализа, неразрушающего контроля качества изделий, неразрушающего анализа состава материалов, нейтронной радиографии и других нейтронных методов;

•реакторы для проведения радиобиологических и медицинских исследований;

•реакторы для учебных целей и подготовки персонала в об-

ластях: физика реакторов; безопасность реакторов; ядерная и радиационная безопасность; динамика реактора, а также для развития навыков и компетенций в области экспериментальных методов ядерной физики и управления сложными объектами.

Физические и конструктивные особенности исследовательских

реакторов выбираются таким образом, чтобы были обеспечены основные параметры, необходимые для проведения планируемых на реакторе исследований, а стоимость облучения была минимальной. Использование экспериментальных объемов и устройств, относительно малые габариты и упрощенные требования к нейтроннофизическим характеристикам, гибкость компоновки элементов активной зоны и экспериментальных каналов и устройств, делают исследовательские реакторы принципиально отличными от энергетических. Тепловыделение в исследовательских реакторах является их неизбежным недостатком. Ценность исследовательского реактора тем выше, чем выше его нейтронные характеристики при меньшей тепловой мощности (рис. 2.35).

2.6.2. Неэнергетическое использование ядерных технологий

Стабильные и радиоактивные изотопы в современном мире служат основой высоких технологий в самых различных областях человеческой деятельности – от фундаментальных и прикладных научных исследований до создания высокоточных средств измере-

88

ния и приборов для технической и медицинской диагностики

(рис. 2.36).

Различные по природе ионизирующие излучения (α-, β-, γ-, n- и рентгеновское) обладают разнообразными специфическими свойствами взаимодействия с веществом (рис. 2.37).

Использование этих свойств является основой для практического применения радиационных технологий и источников ионизирующего излучения. Область применения источников ионизирующего излучения обширна, а радиационные технологии и устройства имеют большое разнообразие. Они могут быть использованы для повышения эффективности производства и управление процессами, диагностики и лечения заболеваний, обеспечения безопасности, проведения исследований состава материалов, свойств и процессов в прикладных целях. Поэтому в настоящее время трудно найти какую-либо сферу деятельности человека, в которой не находили бы применение радиационные технологии – промышленность, медицина, геология, биология и др.

Объем средств от использования источников ионизирующего излучения в развитых странах превышает в несколько раз доходы от использования ядерной энергетики. Количество пользователей таких технологий в мире составляет сотни тысяч. Экономический эффект от использования определяется десятками миллиардов долларов.

2.6.3. Радиоизотопы в медицине

Медицина – это та область, в которой радиоактивные изотопы нашли свое первое физическое применение: в начале века (в 1903 г.) излучение 226Ra стали применять для удаления раковых опухолей. Если сначала применение было ограничено терапевтическим эффектом ионизирующего излучения, то позднее благодаря производству большого количества искусственных радиоэлементов радиационные и радиоизотопные методики начали все больше использоваться в диагностике (рис. 2.38).

В настоящее время ядерная медицина повсеместно используется как самостоятельная медицинская специальность, такая же, как кардиология, нефрология или офтальмология. Начав развитие относительно недавно после открытия искусственной радиоактивно-

89

сти, ядерная медицина внесла огромный вклад в диагностику болезней человека, используя при этом все преимущественные свойства ионизирующих излучений и радиоактивных изотопов. Помимо диагностики ядерно-медицинские и радиоизотопные методики используются для тестирования крови, стерилизации перевязочного материала, одежды, хирургических материалов (нитей для наложения швов), катетеров, а также человеческих тканей для операций по пересадке и имплантаций.

Таким образом, в современной медицине изотопы широко применяются для диагностики и терапии в виде радиофармацевтических препаратов, радиоизотопных приборов и облучателей. Радиоизотопы в медицине применяются значительно чаще, чем стабильные. Успехи ядерной медицины находятся в прямой зависимости от объема радиофармацевтической продукции на мировом рынке. В настоящее время радиофармацевтические препараты изготавливают многие страны мира; одни производят их в равной мере для внутренних нужд и экспорта (США, Великобритания, Германия, Индия), другие (Франция, Италия, Бельгия) в основном экспортируют радиофармапрепараты в развивающиеся страны.

Крупнейшим потребителем радиофармацевтики среди развитых стран являются США. Ежегодно в США проводится более 36 тыс. медицинских диагностических процедур с использованием радиоизотопов и свыше 50 тыс. ядерных терапевтических процедур: радиоизотопной обработке подвергается каждый третий больной, попадающий в клинику. В общей сложности ежегодно выполняется более 13 млн. ядерных медицинских процедур с использованием >4000 ядерных медицинских установок. Ежегодная стоимость этих процедур, по оценкам, составляет от $7 млрд. до $10 млрд. Кроме того, ежегодно проводится более 100 млн. лабораторных исследований, которые включают лечение таких заболеваний, как онкологические, эпилепсия, заболевания коронарной системы, а также разработку новых радиофармацевтических препаратов (рис. 2.39).

В странах Европейского союза ежегодно предоставляется 15 млн. ядерно-медицинских процедур, из них 14 млн. диагностических. Около 1 млн. терапевтических процедур распределяются

90