10 прорывных идей в энергетике на 10 будущих лет

19.05.2022 Георгий Тихомиров, замдиректора Института ядерной физики и технологий МИФИ

Замкнутый ядерный цикл открывает доступ к 99% энергии урана и возвращает трансурановые элементы в топливо быстрых реакторов, где они сгорают, минимизируя долю ОЯТ. Будущее за термоядерными исследованиями, малой энергетикой, лазерными и квантовыми технологиями, бионаправлением. Госкорпорация «Росатом» в 2021 г. начала в Томской области строительство реакторной установки на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300.  Проект демонстрирует возможости замкнутого ядерного топливного цикла. Когда эта технология сможет получить коммерческое применение? Есть ли будущее у ториевых реакторов? На эти и другие вопросы  отвечает Георгий Тихомиров, заместитель директора Института ядерной физики и технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», один из авторов третьего доклада "10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет". - Георгий Валентинович, что такое замкнутый ядерный топливный цикл? - Замкнутый ядерный топливный цикл — важный шаг в развитии атомной энергетики. Мы перерабатываем топливо и повторно его используем. При этом без замкнутого ядерного топливного цикла у атомной энергетики, к сожалению, нет далекого и большого будущего. Потому что  ядерные реакторы, которые работают сегодня и составляют подавляющее большинство, - это реакторы на тепловых нейтронах, и они могут использовать только 1% энергии урана, который есть в природе, и их топливная база ограничена. А замкнутый ядерный топливный цикл открывает доступ к остальным 99% энергии, которая заключена в уране, и этот ресурс фактически безграничен. - Есть ли возможность полного перехода на замкнутый цикл в России и в мире? - Полный переход на замкнутый цикл — далекая перспектива. Но что значит «далеко»?  100 лет — это много или мало? Для человека много, для человечества – мало. На 100-150 лет урана для тепловых реакторов у нас хватит. И мы уже понимаем, как будет устроен замкнутый цикл: есть и реакторы, и технологии. Я думаю, что мы перейдем к замкнутому ядерному топливному циклу постепенно: начнем в этом столетии, а окончательно освоим — в следующем. Сейчас в Томской области строится экспериментальный энергоблок «Брест», который войдет в эксплуатацию ближе к 2030-му году. Какую часть потребностей в энергетике региона он сможет покрыть? - Я бы опытно-демонстрационный комплекс, который строится в Северске Томской области, не рассматривал как объект энергетики. Скорее как полномасштабную демонстрацию возможностей замкнутого ядерного топливного цикла. То есть пристанционного замкнутого ядерного топливного цикла. Кроме реактора «Брест», уникального по своей технологии, на территории этой площадки построят завод по фабрикации нитридного топлива и создадут производство по переработке этого топлива. Опытно-демонстрационный комплекс будет на практике демонстрировать возможности замкнутого ядерного топливного цикла с реактором на быстрых нейтронах. Это первый шаг в устойчивую ядерную энергетику будущего. Томской области экспериментальный реактор «Брест» даст 300 мегаватт.  Это процент от общего потребления региона значимый, но не 100%, и не 90%. - Реактор «Брест» способен работать по принципу естественной безопасности, то есть, не требует большого количества автоматики и систем урегулирования. Это удешевит и упростит работу АЭС? - Действительно, в проект «Брест» заложены очень интересные принципы, один из которых — принцип пассивной безопасности. Это принцип говорящий, что он защищает население от выбросов радиации при любом развитии аварийных процессов. Но все равно, конечно, и автоматика будет присутствовать, и экономика будет считаться. Делается попытка создать весь этот комплекс экономичным и конкурентоспособным по сравнению  с тепловыми реакторами и  с любыми другими способами производства электроэнергии. Замкнутый ядерный топливный цикл еще имеет одну особенность - это работа с отходами, минимизация количества и опасности радиоактивных отходов перед их захоронением. Потому что все тяжелые атомы можно превратить в энергию. Включая трансурановые элементы - америций, кюрий, которые присутствуют в ОЯТ тепловых реакторов, их как-то надо выделять, трансмутировать, перерабатывать. Здесь такой проблемы практически нет: трансурановые элементы возвращаются в топливо быстрых реакторов, и там сгорают. -  Замкнутый цикл обходится дороже цикла открытого типа. Есть ли пути снижения стоимости технологии? - Я бы не стал говорить сегодня, что  замкнутый ядерный топливный цикл дороже открытого. Потому что пока мы его не реализуем, говорить о стоимости рановато. Если же говорить об открытом ядерном топливном цикле, который широко используется сегодня, он создает проблему хранения и захоронения отработавших ТВС. Если реактор работает в открытом цикле, то ОТВС не перерабатываются, и их надо где-то захоранивать.  ОТВС сохраняют свою опасность для человечества на протяжении периода до 1 миллиона лет. И стоимость их захоронения очень сильно увеличивает стоимость электроэнергии. В замкнутом ядерном топливном цикле, так как мы перерабатываем ОТВС,  проблема решается. Экономисты делают расчеты с учетом  проектирования, строительства, эксплуатации и вывода из эксплуатации. С решением всех задач, связанных с отходами. Надеюсь, что технологии замкнутого ядерного топливного цикла будут конкурентоспособны по сравнению с другими способами производства электричества, которые есть сегодня на земле. Это наша цель. - Как  в России утилизируют и хранят отходы? - В России действует несколько программ по переработке отработавшего ядерного топлива, которые уже реализуются  на ПО Маяк,  на Горно-Химическом Комбинате. Также у нас работает вторая федеральная целевая программа обеспечения ядерно-радиационной безопасности, которая решает задачи наследия ядерных программ, задачи с разработкой технологий работ с различными видами отходов. Есть уже специальные площадки по захоронению радиоактивных отходов 4-го, 3-го класса компактно, на территориях, расположенных рядом с нашими комбинатами. Есть они и на «Маяке», и на ГКХ, и на  Сибирском химическом комбинате, где строится «Брест».  Для РАО создаются спецхранилища, где мы упаковываем, захораниваем, герметизируем и контролируем отходы. - Человечество задумывается о запасах нефти, газа, а надолго ли нам хватит урана? - Если рассматривать запасы урана и  считать только уран 235-й,  используемый в реакторах на тепловых нейтронах, то это только 6% от всего запаса ископаемой энергии на Земле, включая уголь, газ, нефть. Если же мы переходим на замкнутый ядерный топливный цикл, то картинка переворачивается, и 85% - это уран. И только 15% — это уголь, газ, нефть. Поэтому, конечно, если рассматривать современные темпы потребления энергии и задуматься о газе, нефти, угле — то это, конечно, ограниченный срок. Разведанных запасов, которые могут быть освоены, хватит примерно на 100 лет. Угля, может быть, дольше.  Цифры очень лукавые, потому что, когда был студентом, мне говорили, что нефти хватит на 50 лет. Сегодня говорят - на 70 лет, и я думаю, что  цифра будет сдвигаться. Но уже были периоды в истории  нефтяной отрасли, когда потребление в год превышало новые запасы, открытые в текущем году. Финишная черта была видна.  Да, конечно, это стимулировало развитие новых месторождений, стимулировало технологии добычи трудноизвлекаемой нефти. Но при этом, конечно, нефть можно использовать по-другому, а если вспомнить проблемы экологии, изменения климата, то стоит постепенно отказываться от органических видов топлива. С этой точки зрения, глобально, атомная энергия должна прийти на помощь. И этим надо заниматься. - Если мы не будем брать в расчет замкнутый ядерный цикл, что тогда может стать альтернативой урану? Торий? - Использование тория возможно только вместе с ураном или плутонием по причине того, что его много, но у него нет делящихся изотопов. Торий может делиться лишь после того, как он захватит нейтрон и превратится в уран-233. Я думаю, что, конечно, использование тория – это одна из генеральных линий развития энергетики. Ториевые запасы еще больше увеличат топливную базу ядерной энергетики. Это может быть как раз и термоядерная технология в том или ином виде. Но, конечно, сегодня это пока будущее. Возобновляемые источники энергии я бы тоже не стал отбрасывать, но и там  надо аккуратно считать запасы материалов, которые необходимы, учитывать проблемы утилизации, потому что широко анонсированные планы относительно уменьшения стоимости энергии на возобновляемых источниках пока не реализовались. Я бы рассматривал все-таки развитие всех технологий,  люблю говорить о «зеленом квадрате»:  гидро, ветер, солнце и атом. Атом во всем его многообразии. Мне хотелось бы верить, что атом займет достойное место в «зеленом квадрате»  и поможет всем нам не иметь проблем не только с электричеством, но и топливом, допустим, на основе водорода,  с высокотемпературным теплом, это умеют реакторы типа ВТГР, которые необходимы для химической промышленности, и мы сможем отказаться от выбросов СО2, которые  сегодня есть, или ограничить их на приемлемом уровне. - Говоря о смежных областях, какие побочные продукты дают исследования? - Ядерная и термоядерная технологии ценны еще и тем, что это высокая инженерия, которая порождает много интересных побочных решений. Это и плазменный двигатель, и плазменная обработка материалов, и радиационное воздействие на продукты с изменением их свойств. И с этой точки зрения — ну, я вот всю жизнь в атомной отрасли и ядерных технологиях, и считаю, что чем больше молодых людей будет заниматься этим, тем лучше будет миру с точки зрения различных приложений. Если вспоминать о великих советскх проектах, то очень много приложений, включая лазерные технологии,  бурное развитие математических методов супервычислений, это продукты ядерных и термоядерных исследований. - Какие исследования и разработки  в области ядерных технологий сейчас наиболее актуальны? - Прежде всего, замкнутый ядерный топливный цикл, малая энергетика. Наш проект «Академик Ломоносов» - это первая ласточка, которая позволит всем странам проанализировать и развить свои проекты. Это термоядерные исследования, которые должны, наконец, ответить, можно ли получить энергию на термояде, и можно ли сделать демонстрационный ядерный реактор. Что еще? Лазерные технологии, современное моделирование, квантовые технологии. Они, кстати, близки к нашим ядерным проектам, потому что это разборка на атомы и использование излучения атомов. Для различных приложений. Поэтому — есть чем заняться. Не следует забывать о бионаправлении, биотехнологиях, где мы тоже применяем различные источники, и нейтроны, и рентгеновское излучение  для анализа структуры. А анализ структуры помогает придумать новые лекарства, помогает нам разобраться в процессах, которые происходят в человеческом организме, и это тоже очень важно. - Каков прогноз развития ядерной энергетики в контексте  чистого баланса? - Прогнозы - дело неблагодарное. Я хочу верить, что доля ядерной энергетики в общем объеме производства энергии должна возрастать.  В последние годы она, к сожалению, немножко уменьшается, но мне кажется, стоит переломить эту траекторию и выйти к 2050-му году хотя бы на 20% в общем производстве электроэнергии во всем мире. Это амбициозная задача, но я думаю,  она по силам человечеству. И главное – она полезна для человечества. P.S. Благодарим за содействие в подготовке материала и фотографии Ассоциацию «Глобальная энергия» и Софию Морган