Давай сделаем это по-быстрому: К чему приведет отказ от утилизации плутония
Приостановка участия России в соглашении об утилизации 34 тонн оружейного плутония, состоявшаяся 3 октября, активнее всего освещается в разрезе военных программ. Вместе с тем ее основное значение не имеет отношения к обороне и связано с перспективами развития атомной энергетики, где у России прекрасные стартовые позиции.
Военно-политические аспекты отказа от Соглашения об утилизации плутония, признанного избыточным для военных целей (СоУП), мы рассматривали ранее; если вкратце — то военных аспектов в нем нет совершенно, зато много политики.
Помимо политики, присутствуют и соображения развития атомной энергетики нового поколения. Отказ от СоУП позволил освободить от ограничений на использование новый реактор БН-800, введенный в строй на Белоярской АЭС.
Хорошо забытое старое
Для начала следует пояснить, что такое БН-800 и чем он в принципе отличается от привычных реакторов коммерческих АЭС. Это реактор на быстрых нейтронах, а не на медленных, известных также как тепловые.
Фундаментальное различие — в энергии нейтронов, используемых для поддержания ядерной реакции. Такой реактор сложнее и дороже (в частности, выше требования к конструкционным материалам, а в качестве теплоносителя используются жидкие металлы), однако создает массу интереснейших возможностей, включая, например, облучение делящихся материалов в зоне воспроизводства (в бланкетах) по бокам и с торца активной зоны. Там происходит самое главное: помещенный туда уран-238 преобразуется в плутоний-239 (или торий-232 — в уран-233), благодаря чему из природного или даже обедненного металла можно делать ядерное топливо (или, была бы охота, оружейные материалы).
По сути реактор становится не только потребителем, но и наработчиком топливных материалов, причем в ряде случаев — с повышенным коэффициентом (вырабатывает на 20-40 процентов больше, чем тратит). Замыкая потоки облученного топлива и отвального урана-238, можно получить круговое движение делящихся материалов до полной их выработки: загрузили в бланкеты, выдержали, оттащили на топливный завод, сделали топливо, загрузили в активную зону. Это замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ). В идеале атомщики хотели бы сделать так называемый «самоед»: реактор, который вообще не требует вмешательства в виде промежуточных производств по переработке материалов в топливо. Но это дело отдаленного будущего.
Реакторы же на тепловых нейтронах работают в разомкнутом топливном цикле. Ядерное топливо, обогащенное в среднем до уровня 4-5 процентов по урану-235, проходит через реакторную кампанию и отправляется «на склад». Технически в открытом цикле это отходы: дальше использовать в тепловых реакторах облученное топливо нельзя. Однако внедрение ЗЯТЦ позволяет ввести их в оборот, переработав на новое топливо. В итоге после ряда итераций в «настоящие» отходы уходит только 3-5 процентов исходной массы.
Тем не менее сейчас тепловые реакторы доминируют в энергетике. Почему все получилось именно так? Дело в том, что коммерческий атом зародился путем максимально упрощенной конверсии военных программ. Те решения, которые отрабатывались на военных аппаратах, перекочевали и «на гражданку». Кроме того, коммерциализацию быстрых реакторов портило их двойное назначение: они легко становились наработчиками оружейных материалов.
В результате полумера прижилась. Огромное количество дешевого урана, соображения нераспространения ядерного оружия и нежелание инвестировать в дорогие и сложные разработки затянули создание атомной энергетики на той технологической базе, на которой ее изначально и следовало строить в теории, как показал Энрико Ферми еще в 1942 году.
Специалисты, однако, постоянно задавались вопросом, как бы прекратить переводить в мусор ценнейшее атомное сырье. В данный момент минерально-сырьевая база гарантирует еще 70-80 лет экстенсивного развития тепловых АЭС — и все. К концу XXI века для них не останется сырья из-за расточительности.
Поэтому переход на быстрые реакторы неизбежен, и чем раньше он случится, тем лучше. Россия строила экспериментальные быстрые реакторы с конца 1950-х, но с 1970-х введены в строй уже три (БН-350, БН-600 и БН-800) энергетических реактора на основе натриевого теплоносителя. БН-600 и БН-800 сегодня являются единственными в мире действующими энергетическими реакторами на быстрых нейтронах.
Как это делалось бы на практике
Теперь попробуем оценить ограничения, наложенные на БН-800 по протоколу 2010 года к СоУП, которые теперь не действуют.
Итак, БН-800, выбранный в качестве площадки реакторной утилизации 34 тонн российского оружейного плутония, был ограничен по коэффициенту воспроизводства до единицы. То есть расширенное воспроизводство на нем не ведется. Зона воспроизводства заполнена стальными «заглушками» вместо бланкетов с ядерными материалами.
Но этого мало. Топливные сборки, сделанные из оружейного плутония и облученные в БН-800, можно было перерабатывать в ЗЯТЦ только на 30 процентов (в научно-исследовательских целях, как было указано в протоколе, но никак не в промышленно-хозяйственных). Оставшиеся 70 процентов следовало передавать на долговременное хранение.
Суммируя: на реакторе БН-800 в рамках протокола СоУП 2010 года невозможно по-человечески отрабатывать замыкание ЯТЦ. Более того, формальное исполнение протокола не просто не способствует, а прямо противоречит логике ЗЯТЦ, причем по обоим важнейшим пунктам: расширенному воспроизводству материалов и вовлечению облученного топлива в оборот.
Стоит ли удивляться тому, что произошло? Воспользовавшись без преувеличений неэффективным менеджментом американцев (брошенным по сути заводом плутониевого топлива в Саванна-Ривер и неуклюжей попыткой пропихнуть через режим соглашения хранение разбавленного плутония вместо его реакторной утилизации), Россия сможет полноценно задействовать БН-800 уже сейчас, а не долгие годы спустя. Темп соглашения подразумевал минимальный порог в 1,3 тонны плутония в год — можно посчитать, когда закончились бы 34 такие тонны.
Чем дальше, тем быстрее
Это не великая победа. Хотя Россия в этой истории не проиграла ничего и даже выиграла: по сути, продвинуть БН-800 от бумаги до ввода в эксплуатацию помогло… то самое СоУП, в которое он был вписан и которое налагало на него такие отягощения. Потому что во многом благодаря соглашению реактор был пробит на высшем уровнем, построен и запущен.
Под СоУП же верстался и важный компонент будущего ЗЯТЦ — завод MOX-топлива в Железногорске, у которого утилизация оружейного плутония является лишь одним из видов деятельности. Благодаря отказу от соглашения вся эта инфраструктура теперь может работать, как и планировалось изначально, в гражданском ЗЯТЦ, став площадкой для дальнейшего освоения технологий быстрой атомной энергетики. Тут тоже работа только начинается: завод ориентирован на работу с оружейными материалами, и предстоит еще освоить работу с «реакторным» плутонием облученного топлива.
Победа случится тогда, когда (и если) в серию пойдут коммерческие быстрые реакторы. На раннем этапе российская атомная энергетика с неизбежностью будет двухкомпонентной: из быстрой части и тепловых реакторов. К последним относятся в основном ВВЭР-1200 последней постройки и, возможно, более новые версии, которые пойдут в серию в недалеком будущем: ВВЭР-ТОИ (ВВЭР-1300) или куда более «бумажные» на данный момент ВВЭР-С (со спектральным регулированием) или ВВЭР-СКД (на воде сверхкритического давления).
На поздних этапах (во второй половине XXI века) — после того, как быстрая технология обретет зрелость и наработает побочные обеспечивающие решения — перспективным выглядит переход на чистую быструю энергетику. Какой она будет — вопрос следующего дня.
Сейчас в России есть одна более-менее отработанная технология (натриевая на БН) и несколько проектов, среди наиболее интересных — БРЕСТ. Реактор на расплавленном свинце с естественной безопасностью выглядит крайне перспективно, но пока это даже не технология, а проработанная концепция того, что надо бы сделать. Свинцовое решение даже толком не отрабатывалось на стендах. Тот путь доводки до ума, который большие натриевые реакторы прошли с 1970-х годов, свинцовой технологии только предстоит, несмотря на то, что, возможно, будущее именно за ней.
Поэтому можно осторожно предположить (лоббизм и сражения за ресурсы в отрасли — вещь непредсказуемая, особенно в условиях общего сокращения госрасходов), что в ближнем горизонте времени России, если все пойдет как надо, все-таки светит коммерческая серия натриевых реакторов БН-1200. И лишь после подтверждения выбранных решений на опытном аппарате БРЕСТ-ОД-300 (строительство начнется в 2017 году в Северске на площадке Сибирского химкомбината) появятся серийные энергетические реакторы на свинце.
В конце концов, научный и технологический заделы по быстрой теме в России — едва ли не лучшие в мире. Было бы странно не конвертировать их в реальное превосходство.
Константин Богданов
Военно-политические аспекты отказа от Соглашения об утилизации плутония, признанного избыточным для военных целей (СоУП), мы рассматривали ранее; если вкратце — то военных аспектов в нем нет совершенно, зато много политики.
Помимо политики, присутствуют и соображения развития атомной энергетики нового поколения. Отказ от СоУП позволил освободить от ограничений на использование новый реактор БН-800, введенный в строй на Белоярской АЭС.
Хорошо забытое старое
Для начала следует пояснить, что такое БН-800 и чем он в принципе отличается от привычных реакторов коммерческих АЭС. Это реактор на быстрых нейтронах, а не на медленных, известных также как тепловые.
Фундаментальное различие — в энергии нейтронов, используемых для поддержания ядерной реакции. Такой реактор сложнее и дороже (в частности, выше требования к конструкционным материалам, а в качестве теплоносителя используются жидкие металлы), однако создает массу интереснейших возможностей, включая, например, облучение делящихся материалов в зоне воспроизводства (в бланкетах) по бокам и с торца активной зоны. Там происходит самое главное: помещенный туда уран-238 преобразуется в плутоний-239 (или торий-232 — в уран-233), благодаря чему из природного или даже обедненного металла можно делать ядерное топливо (или, была бы охота, оружейные материалы).
По сути реактор становится не только потребителем, но и наработчиком топливных материалов, причем в ряде случаев — с повышенным коэффициентом (вырабатывает на 20-40 процентов больше, чем тратит). Замыкая потоки облученного топлива и отвального урана-238, можно получить круговое движение делящихся материалов до полной их выработки: загрузили в бланкеты, выдержали, оттащили на топливный завод, сделали топливо, загрузили в активную зону. Это замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ). В идеале атомщики хотели бы сделать так называемый «самоед»: реактор, который вообще не требует вмешательства в виде промежуточных производств по переработке материалов в топливо. Но это дело отдаленного будущего.
Реакторы же на тепловых нейтронах работают в разомкнутом топливном цикле. Ядерное топливо, обогащенное в среднем до уровня 4-5 процентов по урану-235, проходит через реакторную кампанию и отправляется «на склад». Технически в открытом цикле это отходы: дальше использовать в тепловых реакторах облученное топливо нельзя. Однако внедрение ЗЯТЦ позволяет ввести их в оборот, переработав на новое топливо. В итоге после ряда итераций в «настоящие» отходы уходит только 3-5 процентов исходной массы.
Тем не менее сейчас тепловые реакторы доминируют в энергетике. Почему все получилось именно так? Дело в том, что коммерческий атом зародился путем максимально упрощенной конверсии военных программ. Те решения, которые отрабатывались на военных аппаратах, перекочевали и «на гражданку». Кроме того, коммерциализацию быстрых реакторов портило их двойное назначение: они легко становились наработчиками оружейных материалов.
В результате полумера прижилась. Огромное количество дешевого урана, соображения нераспространения ядерного оружия и нежелание инвестировать в дорогие и сложные разработки затянули создание атомной энергетики на той технологической базе, на которой ее изначально и следовало строить в теории, как показал Энрико Ферми еще в 1942 году.
Специалисты, однако, постоянно задавались вопросом, как бы прекратить переводить в мусор ценнейшее атомное сырье. В данный момент минерально-сырьевая база гарантирует еще 70-80 лет экстенсивного развития тепловых АЭС — и все. К концу XXI века для них не останется сырья из-за расточительности.
Поэтому переход на быстрые реакторы неизбежен, и чем раньше он случится, тем лучше. Россия строила экспериментальные быстрые реакторы с конца 1950-х, но с 1970-х введены в строй уже три (БН-350, БН-600 и БН-800) энергетических реактора на основе натриевого теплоносителя. БН-600 и БН-800 сегодня являются единственными в мире действующими энергетическими реакторами на быстрых нейтронах.
Как это делалось бы на практике
Теперь попробуем оценить ограничения, наложенные на БН-800 по протоколу 2010 года к СоУП, которые теперь не действуют.
Итак, БН-800, выбранный в качестве площадки реакторной утилизации 34 тонн российского оружейного плутония, был ограничен по коэффициенту воспроизводства до единицы. То есть расширенное воспроизводство на нем не ведется. Зона воспроизводства заполнена стальными «заглушками» вместо бланкетов с ядерными материалами.
Но этого мало. Топливные сборки, сделанные из оружейного плутония и облученные в БН-800, можно было перерабатывать в ЗЯТЦ только на 30 процентов (в научно-исследовательских целях, как было указано в протоколе, но никак не в промышленно-хозяйственных). Оставшиеся 70 процентов следовало передавать на долговременное хранение.
Суммируя: на реакторе БН-800 в рамках протокола СоУП 2010 года невозможно по-человечески отрабатывать замыкание ЯТЦ. Более того, формальное исполнение протокола не просто не способствует, а прямо противоречит логике ЗЯТЦ, причем по обоим важнейшим пунктам: расширенному воспроизводству материалов и вовлечению облученного топлива в оборот.
Стоит ли удивляться тому, что произошло? Воспользовавшись без преувеличений неэффективным менеджментом американцев (брошенным по сути заводом плутониевого топлива в Саванна-Ривер и неуклюжей попыткой пропихнуть через режим соглашения хранение разбавленного плутония вместо его реакторной утилизации), Россия сможет полноценно задействовать БН-800 уже сейчас, а не долгие годы спустя. Темп соглашения подразумевал минимальный порог в 1,3 тонны плутония в год — можно посчитать, когда закончились бы 34 такие тонны.
Чем дальше, тем быстрее
Это не великая победа. Хотя Россия в этой истории не проиграла ничего и даже выиграла: по сути, продвинуть БН-800 от бумаги до ввода в эксплуатацию помогло… то самое СоУП, в которое он был вписан и которое налагало на него такие отягощения. Потому что во многом благодаря соглашению реактор был пробит на высшем уровнем, построен и запущен.
Под СоУП же верстался и важный компонент будущего ЗЯТЦ — завод MOX-топлива в Железногорске, у которого утилизация оружейного плутония является лишь одним из видов деятельности. Благодаря отказу от соглашения вся эта инфраструктура теперь может работать, как и планировалось изначально, в гражданском ЗЯТЦ, став площадкой для дальнейшего освоения технологий быстрой атомной энергетики. Тут тоже работа только начинается: завод ориентирован на работу с оружейными материалами, и предстоит еще освоить работу с «реакторным» плутонием облученного топлива.
Победа случится тогда, когда (и если) в серию пойдут коммерческие быстрые реакторы. На раннем этапе российская атомная энергетика с неизбежностью будет двухкомпонентной: из быстрой части и тепловых реакторов. К последним относятся в основном ВВЭР-1200 последней постройки и, возможно, более новые версии, которые пойдут в серию в недалеком будущем: ВВЭР-ТОИ (ВВЭР-1300) или куда более «бумажные» на данный момент ВВЭР-С (со спектральным регулированием) или ВВЭР-СКД (на воде сверхкритического давления).
На поздних этапах (во второй половине XXI века) — после того, как быстрая технология обретет зрелость и наработает побочные обеспечивающие решения — перспективным выглядит переход на чистую быструю энергетику. Какой она будет — вопрос следующего дня.
Сейчас в России есть одна более-менее отработанная технология (натриевая на БН) и несколько проектов, среди наиболее интересных — БРЕСТ. Реактор на расплавленном свинце с естественной безопасностью выглядит крайне перспективно, но пока это даже не технология, а проработанная концепция того, что надо бы сделать. Свинцовое решение даже толком не отрабатывалось на стендах. Тот путь доводки до ума, который большие натриевые реакторы прошли с 1970-х годов, свинцовой технологии только предстоит, несмотря на то, что, возможно, будущее именно за ней.
Поэтому можно осторожно предположить (лоббизм и сражения за ресурсы в отрасли — вещь непредсказуемая, особенно в условиях общего сокращения госрасходов), что в ближнем горизонте времени России, если все пойдет как надо, все-таки светит коммерческая серия натриевых реакторов БН-1200. И лишь после подтверждения выбранных решений на опытном аппарате БРЕСТ-ОД-300 (строительство начнется в 2017 году в Северске на площадке Сибирского химкомбината) появятся серийные энергетические реакторы на свинце.
В конце концов, научный и технологический заделы по быстрой теме в России — едва ли не лучшие в мире. Было бы странно не конвертировать их в реальное превосходство.
Константин Богданов