"Стратегия поиска. Топливообеспечение атомной энергетики".
advertisement
№ 10 октябрь 2011 30 главный калибр тема номера Павел АЛЕКСЕЕВ, Станислав СУББОТИН, директор отделения НИЦ «Курчатовский институт» начальник отдела НИЦ «Курчатовский институт» Стратегия поиска Топливообеспечение атомной энергетики W W W. R O S E N E R G O AT O M . I N F O РЭа РЭа тема номера главный калибр В ближайшие десятилетия ожидается трехкратное возрастание потребностей в энергии. Потребность в ней увеличивается как за счет непосредственного роста населения Земли, так и за счет экономического развития, и в значительной степени определяется уровнем жизни. Мерой последнего является внутренний валовый продукт (ВВП). По данным World Energy Outlook 2008 International Energy Agency (IEA) 2008, OECD / IEA, Paris до 2030 года в мире ожидается средний рост ВВП на уровне 3,3 % в год. W W W. R O S E N E R G O AT O M . I N F O С ростом внутреннего валового продукта потребность в энергии будет расти в первом приближении пропорционально ВВП. С учетом использования потенциала энергосберегающих технологий прогнозируемый темп роста энергопотребления будет всё же меньше темпа роста глобальной экономики, которая по прогнозам увеличится в 3 – 5 раз к 2050 году и в 10 – 15 — к 2100-му. Системные исследования развития энергетики показывают, что даже при ориентации на весьма оптимистические предположения о росте добычи первичных энергоисточников, энергетический баланс будет № 10 октябрь 2011 При возникающем в мире дефиците традиционных энергоресурсов и необходимости решения проблем энергетической безопасности всё в большем количестве стран проявляется повышенный интерес к альтернативным технологиям, включая развитие атомной энергетики 31 главный калибр тема номера № 10 октябрь 2011 32 Рис. 1. Зависимость доступности энергетических ресурсов от стоимости их извлечения (оценки Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН) иметь постоянно нарастающую часть неудовлетворенного спроса. По прогнозам к середине столетия в мире будет наблюдаться ощутимый дефицит в энергоресурсах, который будет служить мощным мотивационным фактором развития инновационных энерготехнологий. Для обеспечения этих потребностей придется активировать все возможные энергетические технологии. Мировое производство энергии в основном базируется на сжигании органического топлива (уголь, газ, нефтепродукты). Анализ состояния развития цивилизации показывает, что ключевые проблемы современности и перспективы преимущественно сконцентрированы в области ресурсных ограничений. В первую очередь это касается энергетических ресурсов. Истощение дешевых и легкодоступных месторождений нефти, газа и угля неизбежно ведет не только к удорожанию энергии, но и к различным международным конфликтам. Еще до середины века будет преодолен максимум добычи нефти, несколько позже — природного газа, кратно увеличится добыча угля, примерно вдвое — мощности гидроэнергетики, на порядок — использование возобновляемых источников энергии. Важнейшим фактором современного экономического уклада является необходимость использования относительно дешевых энергетических ресурсов. На рис. 1 приведена оценка ресурсов различного топлива в зависимости от стоимости его извлечения. Как видно из рисунка, топливные ресурсы ядерной энергетики — индустриально подготовленного энергоисточника, позволяют своевременно справиться с нарастающими проблемами. Ресурсы природного урана в мире В настоящее время атомные станции производят около 16 % мирового электричества. Эта доля может быть увеличена за счет разработки и введения в эксплуатацию новых типов реакторов с повышенной безопасностью, улучшенными экономическими характеристиками и эффективным использованием ресурсов. По оценкам МАГАТЭ — согласно умеренному сценарию — установленная мощность АЭС к 2030 году достигнет ~ 800 ГВт (э) и в год будет потребляться ~ 160 тыс. тонн природного урана. По данным Агентства по ядерной энергии ОЭСР и МАГАТЭ, полные ресурсы урана на 2009 год составляют 16,7 млн. т, включая подтвержденные запасы в диапазоне стоимости извлечения до 260 долларов за 1 кг, предварительно оцененные ресурсы, прогнозные и предполагаемые ресурсы (ожидаемые в геологических формациях, где могут быть месторождения урана). Оценки объемов урана, потенциально извлекаемых из фосфатов, руд цветных металлов, карбонатов, сланцев и лигнитов, находятся в диапазоне 7 – 22 млн. тонн. Таким образом, диапазон ресурсов урана в интервале 16 – 30 млн. тонн представляется оправданным для построения облика мировой ядерной энергетики. Однако оценка достаточности ресурсной базы, исходя только из интегрального запаса ресурса, является неадекватной с позиции экономического развития. Не менее важна для обеспечения текущих потребностей оценка масштаба возможной годовой добычи урана. Возникают вопросы: будет ли добывающая промышленность способна удовлетворить потребность в природном уране, и по какой цене будет продаваться природный уран? W W W. R O S E N E R G O AT O M . I N F O РЭа РЭа тема номера главный калибр 33 № 10 октябрь 2011 Рис. 2. Оценка потенциала годовой добычи природного урана в мире Мировое производство урана, несмотря на его наращивание, сможет покрыть только 75 – 85 % от потребностей атомной энергетики (см. рис. 2). Для принципиального расширения энергетической базы развития человечества необходимо перейти на ядерную энергетику, структура которой позволяет потреблять уран-235, не снижая нейтронного потенциала добываемого ядерного топлива, что требует как минимум воспроизводства потребленного источника нейтронов урана-235 путем замещения его плутонием и / или ураном-233 с сохранением или увеличением нейтронного потенциала топлива. Поэтому необходимо своевременно осуществить переход к замкнутому ядерному топливному циклу и использованию энергетического потенциала урана-238 и тория-232. В этом случае энергетический потенциал человечества расширяется до 20 трлн. т. н. э. (тонн нефтяного эквивалента) и более. И в этом плане создание замкнутого ядерного топливного цикла и соответствующей структуры ядерной энергетики, способной к расширенному воспроизводству нейтронного потенциала, эквивалентно принципиальному расширению геологических разработок и увеличению добычи урана, но при принципиальном снижении уровня вторжения в природные процессы. Проблема заключается в преодолении разрыва между мировым производством урана и потребностью в топливе. Для ее решения необходимо рассматривать сценарии с замыканием ядерного топливного цикла, вводом в структуру атомной энергетики быстрых реакторов с расширенным воспроизводством топлива и подготовкой тепловых реакторов к работе с регенерированным топливом. В рамках международных проектов «ИНПРО» и «Генерация-4» предложен W W W. R O S E N E R G O AT O M . I N F O целостный подход к созданию системы ядерной энергетики, которая могла бы стать основой устойчивого развития. Топливообеспечение атомной энергетики в России Россия занимает 5 % мирового рынка атомной электрогенерации, 15 % мирового рынка реакторостроения, 45 % мирового рынка обогащения урана, 15 % мирового рынка переработки отработанного топлива и обеспечивает 8 % мировой добычи природного урана. Масштабное развитие российской ядерной энергетики на основе отечественных технологий служит изменению сырьевой ориентации экономики на направление высокотехнологичного развития. В «Энергетической стратегии России до 2030 г.» предполагается, что общий объем мощностей, который будет обслуживаться нашей страной, составит к 2030 году около 100 ГВт, из них непосредственно на территории страны 55 – 62 ГВт. В России сложилась даже более напряженная по сравнению с мировой ресурсная ситуация. На рис. 3 показано планируемое изменение производства природного урана в России. Потребность России в природном уране в последние годы составляла более 17 тыс. т (для российских АЭС и экспортных поставок). При этом в 2009 году добыча урана предприятиями «Росатома» составляла 4,6 тысяч тонн. В 2010 году (с учетом приобретенных активов Uranium One Inc.) было добыто 7100 тонн. К 2012 году предполагается нарастить добычу до 8100 тонн. К 2020 году годовая потребность в природном уране оценивается экспертами вплоть до уровня ~ 30 тыс. т. Для удовлетворения этой 34 тема номера № 10 октябрь 2011 главный калибр Рис. 3. Изменение объема производства урана в России потребности необходимо увеличить добычу урана в России более чем в два раза за счет повышения производства урана на действующих предприятиях, вовлечения в переработку руд резервных и новых месторождений. Необходимый ресурс природного урана для обеспечения жизненного цикла реакторов, введенных до 2050 года, существенно больше ресурсной базы России, оцениваемой в настоящее время величиной ~ 1 млн. тонн природного урана. В то же время правительством РФ поставлена задача обеспечить топливом не только собственную атомную энергетику, но и занять 20 % мирового ядерного топливного рынка. Согласно энергетической стратегии России, государство будет оказывать прямую поддержку развитию ядерной энергетики. Доля АЭС в общем объеме производства электроэнергии в стране должна составить к 2030 году 19,7 – 19,8 %. Важной составляющей является развитие экспорта атомных электростанций, ядерного топлива и электроэнергии. Существенным и в определенной мере критическим фактором для принятия взвешенной технической политики на несколько десятилетий в России являются время и масштаб дальнейшего присутствия и доминирования в структуре ядерной энергетики технологии водяных корпусных реакторов на тепловых нейтронах с гибким (открытым, частично замкнутым, замкнутым) топливным циклом (U, Pu, Th). Это необходимо, так как объекты ядерной энергетики имеют большое время жизни (60 и более лет), анализ обоснованности выбранных направлений развития технологии водяных корпусных реакторов, в частности обеспеченность их ресурсами топлива, должен рассматривается на весь период времени жизни объектов. Необходимо продолжить поиск путей модернизации проектируемых и строящихся в настоящее время реакторов ВВЭР для конкурентоспособной работы в структуре атомной энергетики будущего в условиях исчерпания запасов дешевого природного урана и перехода к замкнутому ядерному топливному циклу c использованием смешанного таблеточного МОКС- и МИКС-топлива, а затем торий-уранового топлива для работы в замкнутом топливном цикле. Использование продуктов переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) в замкнутом топливном цикле ведет к экономии природного урана, доступные ресурсы которого ограничены. Существуют оценки, что применение смешанного топлива в модернизированных тепловых реакторах позволит на 30 % снизить потребности в природном уране. При значительном масштабе производства МОКСи МИКС -топлива на основе регенерированного «энергетического» плутония свежие тепловыделяющие сборки будут конкурентоспособны с урановым топливом при среднем выгорании 68 – 70 ГВт•сут / т тяжелого металла. Второе стратегическое направление ядерной энергетики — реакторы на быстрых нейтронах, способные снабжать всю ядерно-энергетическую систему новым топливом, производимым из изотопов урана-238 и тория-232. Это направление предполагает создание структуры ядерной энергетики, которая на длительную перспективу гарантированно обеспечит потребности в топливе. Формирование и сохранение технической многокомпонентности (по крайней W W W. R O S E N E R G O AT O M . I N F O РЭа РЭа тема номера главный калибр 35 № 10 октябрь 2011 Рис. 4. Интеграл текущих затрат в период 2020 – 2050 гг. для открытого и замкнутого топливных циклов и экономия при переходе от ОТЦ к ЗТЦ мере — двухкомпонентности: ЛВР и БР) всей ядерно-энергетической системы с замкнутым ядерным топливным циклом представляется принципиально важным для обеспечения ее надежности и устойчивости. Многокомпонентность наряду с возможностями реализации различных топливных схем в реакторах создает широкие возможности маневра в структуре ядерного топливного цикла, которые могут в приемлемые временные периоды компенсировать возможные неудачи технологии или отклонение реального развития от намеченного сценария (т. е. компенсировать возможные риски). Параллельно с замыканием ЯТЦ должны осуществляться минимизация себестоимости добываемого урана, оптимизация использования природного урана в ядерных реакторах, создание сбалансированной системы технологий обращения с ОЯТ и изготовления топлива из регенерированных материалов. Анализ требуемого для атомной энергетики России объема производства уранового ядерного топлива и производственных мощностей по его изготовлению позволяет констатировать, что имеется необходимый запас производственных мощностей для развития российских производств ядерного топлива на период до 2030 года при условии осуществления намеченных программ модернизации технологии его изготовления. Однако с учетом экспорта потребуется дальнейшее наращивание мощностей по производству топлива как уранового, так и особенно смешанного уранплутониевого и торий-уранового, что является условием достижения рассматриваемого уровня мощностей. Начиная с 2020 года, предполагается формирование структуры ядерного топливного цикла, использующего плутоний (уран-233) для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, обеспечивающей потребности ядерной энергетики W W W. R O S E N E R G O AT O M . I N F O в топливе на длительную перспективу и позволяющей увеличить использование энергетического потенциала ядерных материалов за счет внедрения ядерных реакторов на быстрых нейтронах (БР) с расширенным воспроизводством топлива и улучшения характеристик топливоиспользования реакторов на тепловых нейтронах, а также замыкания топливного цикла по всем значимым актинидам, и способной обеспечить приемлемое обращение с радиоактивными отходами. На начальном этапе масштабного замыкания ядерного топливного цикла, начиная с 2025 года, вопрос о вводе в строй и централизованной переработке на заводе РТ-2 (ГХК) является безальтернативным. «Сухие» технологии, основанные на неводных процессах (металлургических, электрохимических, солевых или газовых и др.), более компактны, их отходы получаются в твердой форме, удобной для последующего контролируемого хранения и захоронения. Возможно, что заводы по переработке топлива, построенные после 2025 года, могут быть основаны на таких технологиях. В то же время усовершенствованные водные технологии переработки могут быть эффективно использованы при смешанной переработке ОЯТ быстрых и тепловых реакторов или ОЯТ активной зоны и экранов быстрых реакторов. Расчетные оценки показывают, что инвестиции в инфраструктуру топливного цикла и вывод АЭС из эксплуатации будут составлять около 10 – 15 % от затрат на строительство АЭС. На рис. 4 показана интегральная экономия текущих затрат в период 2020 – 2050 гг. при своевременном переходе от открытого к замкнутому ядерному топливному циклу. Создание замкнутого ядерного топливного цикла позволяет наилучшим образом реализовать базовые принципы устойчивого развития. В замкнутом ЯТЦ можно постепенно снизить добычу урана (тория) до 1 тонны на ГВт•год электроэнергии.
