Стелларатор.

Стелларатор — тип реактора для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Изобретен Л. Спитцером в 1951 г. Название реактора происходит от лат. stella — звезда, что должно указывать на схожесть процессов, происходящих в стеллараторе и внутри звёзд.

Общие свойства.

Стелларатор — замкнутая магнитная ловушка для удержания высокотемпературной плазмы. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для удержания плазмы полностью создается внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются т. н. вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Вращательное преобразование силовых линий может быть осуществлено как путём геометрической деформации тороидального соленоида (например, скручиванием его в «восьмёрку»), так и с помощью винтовых проводников, навитых на тор. Для создания такой конфигурации магнитного поля необходимо использовать катушки сложной формы, производство которых является технически сложным процессом. Вследствие этого первые модели стеллараторов давали плазму с худшими параметрами, чем токамаки.

Устройство.

Вакуумный сосуд тороидальной формы (в отличие от токамака стелларатор не имеет азимутальной симметрии; магнитная поверхность имеет форму «мятого бублика») откачивается до высокого вакуума и затем заполняется смесью дейтерия и трития. Затем создается плазма и производится её нагрев. Энергия вводится в плазму при помощи электромагнитного излучения — т. н. электронного циклотронного резонанса. При достижении температур, достаточных для преодоления кулоновского отталкивания между ядрами дейтерия и трития начинаются термоядерные реакции.

Тот факт, что для магнитного удержания плазмы требуется торообразный, а например не шарообразный, сосуд напрямую связан с «теоремой о еже», согласно которой «шаровой ёж» не может быть причёсан — в двух точках ежа иголки будут стоять перпендикулярно «поверхности» ежа. Это напрямую связано с топологическим свойством поверхности — эйлерова характеристика сферы равна 2. С другой стороны, тор возможно причесать гладко, так как его эйлерова характеристика равна 0. Рассматривая вектор магнитного поля как иголку становится ясно, что замкнутая магнитная поверхность может быть только торообразной (или любой другой поверхностью с эйлеровой характеристикой, равной нулю).

Гелий и безнейтронная энергетика.

В качестве одного из перспективных направлений энергетики будущего специалисты рассматривают безнейтронные реакции синтеза, проходящие с участием изотопа гелия ³He: ³He+³He→⁴He+2p+12,8МэВ, ³He+D→⁴He+p+8,35МэВ.

Эти реакции не сопровождаются появлением потока нейтронов высокой энергии, и, следовательно, реакторы для их проведения будут проще, легче и безопаснее из-за отсутствия наведенной радиоактивности в конструкциях. Однако здесь есть одно "но": ³He на Земле практически не встречается.

Природный гелий состоит из смеси двух изотопов - ⁴He и ³He, причем на долю последнего приходится только 0,000138%. Такое в высшей степени неравномерное распределение связано с тем, что ⁴He образуется при альфа-распаде урана (U), тория (Th) и других природных радионуклидов (напомним, что альфа-частица и есть ядро гелия). В тонне гранита, содержащей около трех граммов урана и пятнадцати граммов тория, образуется только миллиграмм ⁴He почти за восемь миллионов лет. Однако за время существования Земли в коре планеты его накопилось немало. Природные газы содержат до 7% этого изотопа и служат единственным источником его промышленной добычи. А так называемый гелиевый метод - отношение масс He/(U + Th) в минералах - используется для определения их абсолютного возраста.

Изотоп ³He появляется в результате бета-распада (реакция, при которой ядро испускает электрон и нейтрино, меняя заряд на единицу) трития ₁³T→₂³He+e^-+или при слиянии двух атомов дейтерия D + D →³He + n.

Так как дейтерия на Земле в целом мало, а трития практически нет вообще, то и ³He обнаруживается в мизерных количествах. Зато на поверхности космических тел, лишенных атмосферы, где проходят интенсивные реакции с потоками солнечных нейтронов высокой энергии, этот изотоп образуется весьма активно. В метеоритном веществе и в лунных породах его содержание колеблется от 17 до 32%. Уже подсчитано, что в обозримом будущем станет экономически выгодно добывать ³He на Луне и доставлять его на Землю для использования в термоядерных реакторах синтеза

СЦЕНАРИИ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ РОССИИ В XXI ВЕКЕ.

В XX веке человечество освоило ядерную энергию сначала для использования в военной области, а затем и как новый энергетический источник, адаптированный для применения в мирной ядерной энергетике. Использование ядерной энергии открывает новые возможности раз-вития энергетики без ограничений со стороны ресурсов топлива и позволяет снизить темп загрязнения окружающей среды продуктами горения органического топлива.

Предполагаемые значительные масштабы ядерной энергетики предопределяют необходимость решения сложных проблем в области экономики, безопасности, воспроизводства топлива, радиоактивных отходов и нераспространения ядерного оружия, что в свою очередь определяет текущие задачи развития энергетики.

Решение энергетических про­блем человечества с помощью ядерной энергетики потребует совершенствования и развития ядерного топливного цикла, вовлечения в ядерную энергетику новых видов ядерного топлива, разработки ядерных энергетических установок различных типов и уровней мощности с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах для удовлетворения различных потребительских запросов и решения структурных задач этой энергетики.

Многие необходимые элементы структуры будущей ядерной энергетики получили к настоящему времени достаточный уровень развития. Разработаны и освоены проекты легководных реакторов средней и большой мощности, созданы заделы по реакторам на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем и по высокотемпературным реакторам, имеется опыт создания и эксплуатации жидко-солевых реакторов. Однако мно­гое еще предстоит сделать для создания целостной структуры ядерной энергетики, способной к долговременному и широкомасштабному развитию.

Для крупномасштабной ядер­ной энергетики необходимо по­лучение и использование искус­ственных делящихся изотопов плутония и урана-233, требующих реализации замкнутых топливных циклов. Без воспроизводства и повторного использования ядерного топлива ядерная энергетика лишается перспективы, поскольку ресурсы дешевого урана при ис­пользовании его в тепловых реакторах в энергетическом эквиваленте меньше нефти и газа и меньше угля.

При переходе к устойчивому развитию, наряду с созданием замкнутого топливного цикла ядер­ной энергетики с расширенным воспроизводством топлива, должны быть решены задачи обращения с РАО и разработки проектов реакторов, соответствующих структуре будущей ядерной энергетики и способных удовлетворить разнообразные потребности населения в различных регионах мира. Многокомпонентная структура ядерной энергетики позволяет различным типам реакторов наилучшим образом удовлетворить предъявляемым требованиям: по сферам применения (электричество, тепло, опреснение воды, транспорт, воспроизводство топлива, наработка полезных и транс­мутация опасных изотопов); по уровню мощности (большие, средние и малые автономные энерго-источники); по спектру нейтро­нов (быстрые реакторы, тепловые реакторы, реакторы-пережигатели долгоживущих РАО).

В более отдаленном будущем часть задач по обеспечению общества энергией возьмет на себя термоядерная энергетика.

Потенциальная возможность извлечения из топливного цикла мирной ядерной энергетики ядерных материалов, пригодных для оружейного использования, сохраняет опасность распространения ядерного оружия. Поэтому технологическая схема ядерных энер­гоустановок, предприятий топливного цикла и форма используемого топлива должны разрабатываться с учетом требований нераспространения ядерного оружия. Необходимо кардинальное повышение эффективности системы нераспространения ядерного оружия, которое должно предусматривать организационные и технические мероприятия как в сфере топливного цикла мирной ядерной энергетики, так и в сфере обращения с ядерными материала-ми. Ныне действующая политика гарантий, контроля и ограничений передачи «чувствительных» ядерных технологий неядерным странам не обеспечивает эффективных барьеров на пути нераспространения ядерного оружия.

Создание ядерных энергетических технологий, в полной мере учитывающих уроки полувеко­вого опыта и отвечающих усло­виям большой энергетики, требует активных совместных действий стран, заинтересованных в ядерной энергетике и обладающих не-обходимым для этого научно-техническим потенциалом и опытом. Промышленно развитые страны, заботясь о будущем, должны со­действовать внедрению имеющихся проектов в развивающиеся страны.

Президент Российской Федерации Владимир Путин на Саммите тысячелетия выступил с инициативой по энергетическому обеспечению устойчивого развития человечества, кардинальному решению проблем нераспространения ядерного оружия и экологическому оздоровлению планеты Земля. Инициатива российского президента основана на критическом анализе состояния мировой ядерной энергетики и на одобренной Правительством России «Стратегии развития ядерной энергетики России до середины XXI века». В выступлении президента Рос­сии сделано предложение об организации Международного проекта под эгидой МАГАТЭ, нацеленного на решение ключевых проблем ядерной энергетики. Целью проекта является объединение усилий всех заинтересованных стран для разработки Концепции энергетического обеспечения устойчивого развития человечества, предложенной В. В. Путиным.

Энергетика XXI века.

Завершившийся XX век продемонстрировал возрастающую мощь человеческого разума. Освоение ядерной энергии, выход в космос, развитие электроники и информатики создали исключительные возможности для прогресса человеческого общества.

На фоне этого прогресса особенно заметны проблемы, с которыми человечество входит в XXI век. На смену развитию в условиях неограниченных ресурсов наступает время, когда оценки доступных ресурсов становятся сравнимыми с их потребностями на ограниченном временном интервале, а среда обитания начинает давать сбои в нейтрализации последствий реализации наших потребностей. Особенно это проявляется в сфере производства и потребления энергии.

Тенденции развития энергетики.

Мировое сообщество озабочено неравномерностью производства и потребления энергии в раз-личных регионах мира (рис. 1).

Тенденцией XXI века будет стремление к более равномерному потреблению энергии на душу населения в различных регионах мира. Обычно в прогнозах консервативно предполагается, что к середине XXI века произойдет удвоение производства энергии. В качестве основных конкурирующих первичных энергетических ресурсов энергии в XXI веке фигурируют органическое топливо (уголь, нефть, газ), ядерная и солнечная энергия.

XXI век – век крупномасштабной ядерной энергетики.

Динамика развития и долевое участие каждой энергетической технологии в балансе

мирового производства энергии определяются в основном ресурсами топлива и воздействием на окружающую среду. В конечном счете это сводится к экономической приемлемости того или иного энергетического ресурса.

Энергоресурсы. Сравнение разведанных запасов энергоресурсов органического топлива с величиной потребляемой энергии в XXI веке не вызывает тревоги. Однако истощение запасов нефти и газа уже в XXI веке потребует заметного расширения использования угля.

Оценки запасов ядерного топлива в земной коре и в водах океанов даже при консервативных предположениях о возможном извлечении этих материалов показывают, что использование ядерной энергии в любых масштабах не встретит ресурсных ограничений на обозримый период времени.

Экологические пределы. При производстве энергии в окружающую среду возвращаются отходы и низко потенциальное тепло.

В последние десятилетия отмечается тенденция к глобальному потеплению климата. Оно связывается с парниковым эффектом, обусловленным выбросом газообразных продуктов горения. Это одно из принципиальных ограничений наращивания производства энергии за счет сжигания органического топлива.

Для ядерных источников характерна компактная форма отходов и технически обоснованная возможность концентрации и локализации радиоактивных продуктов сгорания. Суммарная масса ядерных отходов в миллионы раз отличается от массы отходов при сжигании органики. Вместе с тем

потенциальная экологическая опасность использования ядерной энергии связана с образованием радиоактивности. Однако возникающая радиоактивность не превышает по количеству распадов активность исходных сгорающих элементов, а вот количество рас­падов в единицу времени в облученном топливе превышает радио-активность исходного ядерного сырья на протяжении нескольких тысяч лет (рис. 2). Этим определяется проблема безопасности ядерной энергетики: образующаяся короткоживущая радиоактивность должна быть локализована в обозначенном временном интервале.

Динамика энерготехнологий. Информация о вкладе различных энерготехнологий в мировое производство энергии позволяет проследить динамику развития ос­новных энерготехнологий: древесина, уголь, нефть, газ, ядерная энергия (рис. 3).

Практически неограниченные ресурсы ядерного топлива, высокая энергоемкость, компактность отходов, экологическая совместимость, а также наличие апробированных технологий, доказанная экономическая конкурентоспо­собность и техническая безопас­ность делают ядерную энергию фаворитом в обеспечении значительной доли энергопроизводства ко времени очередной смены энергоносителя в XXI веке.

Таким образом, XXI век - это век становления крупно масштабной ядерной энергетики.

Ядерная энергетика России XXI века.

Черты крупномасштабной ядерной энергетики. Прогнозируя значительное развитие ядерной энергетики, необходимо оценить ее реальную роль в энергетике наступившего XXI века. Доля ядерной энергии в про­изводстве энергии может составлять более десяти процентов, а в производстве электрической энергии - несколько десятков процентов. Потребуется осваивать и другие области применения ядерной энергии, такие как бытовое и промышленное теплоснабжение, технологические процессы, транс-порт. Внедрение ядерной энергии на транспорте будет осуществляться в виде ядерных энергетичес­ких установок для морских судов, плавучих станций, а также , возможно, в виде искусственного топлива, которое можно производить, используя ядерную энергию в технологических процессах. Ядерная энергия найдет применение в космосе для получения тяги и электричества.

Неизбежно расширение перечня стран, использующих ядерную энергию. При этом внедрение ядерной энергии в странах и регио­нах, в которых отсутствуют мощные энергетические сети, потребует создания ядерных установок средней и малой мощности.

Условия развития крупномасштабной ядерной энергетики. Особенности крупномасштабной ядерной энергетики, такие как увеличение объемов использования ядерной энергии, расширение областей ее применения, расширение числа стран, использующих ядерные установки, характеризуют качественное изменение и делают необходимым уточнение условий и требований, которые должны быть обязательными для системы и элементов крупномасштабной ядерной энергетики.

Безопасность.

Образующаяся при функционировании ядерной энергетики радиоактивность должна быть надежно локализована в интервале времени, когда ее уровень превышает радиоактивность исходных сырьевых материалов. Надежная локализация радиоактивности - это последовательная реализация концепции глубокоэшелонированной защиты, включающей систему технологических барьеров, ограничивающих распространение радиоактивности, мероприятия по предотвращению аварийных нарушений барьеров и по снижению аварийных последствий.

Крупномасштабная ядерная энергетика требует демонстрации нового, более высокого уровня безопасности, который должен быть воспринят обществом. Это требование в равной степени относится ко всем элементам топливного цикла: атомная станция, реактор, отработавшее ядерное топливо, его хранение, транспортировка, переработка, захоронение.

Современные атомные станции демонстрируют приемлемый уровень безопасности, опираясь на опыт эксплуатации и реализуя дополнительные мероприятия по повышению безопасности с учетом уроков происшедших аварий. Безопасность остальных элементов ядерного топливного цикла, и в первую очередь производств по переработке отработавшего ядерного топлива и по обращению с радиоактивными отходами, обоснована в меньшей степени, что вызывает беспокойство общественности. Требуется приложить серьезные усилия как в области фундаментальных и прикладных ис­следований, так и в области разработок и технологических реализаций, чтобы достичь в этих звеньях эквивалентного уровня безопасности.

Для перспективной ядерной энергетики цель уменьшения исходной опасности атомного объекта (в первую очередь ядерно-энергетической установки) становится центральной, особенно с учетом ее предполагаемого широкого распространения в развивающихся странах. Это достигается путем оптимального выбора его конструкции и наличием необходимого комплекса свойств и характеристик. Поэтому в системе средств и способов обеспечения безопасности на первый план будет выдвигаться максимальное использование и развитие способов внутренней защищенности.

В снижении исходной опасности объекта - основа уменьшения стоимости защитных средств и всей станции и устранения возможности аварий со значительными радиационными последствия-ми (тяжелых аварий). Одним из примеров исследований в этом направлении является программа «Расплав», выполняемая в РНЦ «Курчатовский институт» при поддержке и в содружестве со многими странами OЭCР.

Принципиальной компонентой безопасности является необходимый уровень культуры безопасности в звеньях государственного и технического управления, а также в сфере производства. Расширение круга стран, использующих атомную энергетику, и особенно развивающихся стран, делает эту проблему особенно актуальной.

Воспроизводство ядерного топлива (Pu, 233U). Действующие сегодня реакторы используют в лучшем случае около одного процента добываемого урана. В этих условиях имеющиеся экономически приемлемые запасы урана могут обеспечить топливом ядерную энергетику в ее нынешнем масштабе менее чем на сто лет. Топливная база широкомасштабной ядерной энергетики должна быть основана на воспроизводстве и повторном использовании делящихся ядерных материалов - плуто­ния и урана-233. Поэтому замкнутый топливный цикл является обязательным условием крупно­масштабной ядерной энергетики XXI века.

Гарантии нераспространения. Такие признаки крупномасштабной атомной энергетики, как увеличение объемов, расширение областей применения и круга стран, расширенное воспроизводство и переработка топлива, могут сказаться на риске распространения, и поэтому необходимо выполнить значительный круг работ, направленных на повышение гарантий нераспространения. В1977 г. США, основываясь на приверженности политике нераспространения, приняли решение о прекращении Ра-бот по переработке ОЯТ и по использованию плутония в топлив-ном цикле.

Проведенные в последнее время экспертные оценки сравнительной опасности или риска распространения ядерного оружия при различных исходных ядерных материалах (НОУ, ВОУ, Rupp и Wipe) в зависимости от параметров, характеризующих основные компоненты возможного сценария распространения ядерного оружия (длительность создания, стоимость, скрытность, технологическая безопасность, доступность исходного материала), показывают (табл. 1), что использование плутония в ядерной энергетике не является доминирующим фактором риска распространения. При соблюдении и расширении контроля и защиты ядерных материалов вовлечение плутония в топливный цикл ядерной энергетики не нарушит режим нераспространения.

Проблема распространения ядерных материалов и технологий, учитывая научно-технический про­гресс в области информационных систем, будет требовать постоянного внимания к системе распространения знаний, повышения уровня знаний и к области техноло­гий получения опасных ядерных материалов.

Поэтому должны быть разработаны и внедрены организационные и технические меры, технологические барьеры на пути не-санкционированного распространения делящихся материалов, которые обеспечивают защиту ядерных материалов на уровне риска доступности ядерных материалов из источников естественного происхождения.

Требование снижения риска распространения будет влиять на отбор технологических решений во всех звеньях топливного цикла крупномасштабной ядерной энергетики, направляя их на уменьшение накопления пригодных для оружия ядерных материалов и использование конструктивных схем, затрудняющих выведение ядерных материалов из цикла.

Экономическая конкурентоспо­собность. Решающую роль в выборе того или иного источника энергии в конкретной ситуации будут играть экономические по­казатели. Набор компонент сто­имости производства электричества должен включать не только стоимость непосредственной гене-рации электричества, но и стоимость компенсации воздействия на окружающую среду. При этом важно учитывать воздействие на человека и окружающую среду при нормальных условиях рабо­ты и при возникновении аварийных ситуаций для всего топливного цикла. Среди энергетических источников разного типа только ядерная энергетика способна замкнуть затраты на компенсацию воздействия на окружающую среду. Это обусловлено высокой энергоемкостью ядерного топлива и соответственно компактной формой отходов.

Органические источники энергии не способны к замыканию затрат по выбросу С02. Дополнительная составляющая так называемой «социальной» стоимости, которая учитывает воздействие каждой технологии на человека и окружающую среду, даже без учета воздействия С02, более значима для органического топлива и особенно для угля.

Экономическая конкурентос­пособность ядерной энергии существенно повышается, если учитывать не только стоимость не-посредственной генерации электричества, но и стоимость компенсации воздействия на окружающую среду при производстве энергии («внешняя цена» производства электроэнергии). Таким образом, ядерная энергетика помогает человечеству замедлить рост стоимости энергии при увеличении мирового энергопроизводства.

В силу большой емкости капитальной составляющей и значительного времени окупаемости энергетическое производство относится к разряду естественных монополий, что затрудняет действие рыночных механизмов в этой сфере. Поэтому наряду с экономическими аргументами при выборе той или энергетической технологии необходима политическая воля и настрой общества.

Планы развития ядерной энергетики в ближайшем будущем.

Действующие АЭС.

В России сегодня эксплуатируются 30 ядерных блоков (с учетом находящейся в опытно-про­мышленной эксплуатации Волго-донской АЭС) общей установленной электрической мощности 21,2 ГВт. В их числе - 14 энергоблоков с реакторами типа ВВЭР, 11 - с реакторами типа РБМК, 4 энер­гоблока типа ЭГП Билибинской АТЭЦ с канальными водографитовыми реакторами и один блок на быстрых нейтронах БН-600. Параллельно продолжается эксплуатация в режиме энергообеспечения канальных уран-графитовых реакторов в городах Северске и Железногорске, а также опытных реакторов БОР-60 и ВК-50 в Го­сударственном научном центре Российской Федерации «Научно-исследовательский институт атомных реакторов» (г. Димитровград). В 1999 г. АЭС России выработали 120 млрд. кВт.ч электроэнергии, а в 2000 г. - 130 млрд. кВт.ч. За счет увеличения коэффициента ис­пользования установленной мощности (КИУМ) эта выработка оказалась на 16% больше, чем в 1998 г.

Обеспечение безопасности действующих АЭС - основное усло­вие функционирования ядерной энергетики. Работающие энерго­блоки первого и второго поколений введены в эксплуатацию в разное время, сооружались по разным проектам и в различной степени удовлетворяют современным нормам и правилам. На основе анализа требований современных нормативов и проектных решений разработаны и внедряются концепции повышения безопасности действующих блоков АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК. По объективным показателям, включая экспертизу зарубежных специалистов, эксплуатационная безопасность действующей ядерной энергетики является приемлемой. В то же время наблюдается корреляция между повышением КИУМ и числом аварийных остановов К.

Ближайшее будущее.

Ближайший этап работ по атомной энергетике определен правительством России в виде Программы развития атомной энергетики Российской Федерации на 1998-2005 годы и на период до 2010 года, утвержденной в 1998 г. В Программе сформулированы основные цели работ:

• надежное и конкурентоспособное снабжение потребителей тепловой и электрической энер­гией;

• разработка и внедрение АЭС третьего поколения, в максимальной степени использующих освоенные технологии;

• подготовка технологии к снятию с эксплуатации АЭС, выработавших ресурс;

• надежное обеспечение атомных станций ядерным топливом;

• подготовка к созданию замкнутого топливного цикла;

• разработка новых перспективных энергоблоков и создание ус­ловий для перехода к крупномасштабному развитию ядерной энергетики.

Прогноз.

Прогноз развития атомной энергетики России до последнего времени имел значительную неопределенность. Однако последние события в ТЭК России, связанные со снижениями поставок природного газа электростанциям страны, поставили вопрос о компенсации этого снижения за счет АЭС. С этой целью разработаны и предложены правительству России следующие мероприятия: повышение КИУМ действующих АЭС, продление их срока службы, быстрая достройка энергоблоков высокой степени готовности и строительство новых блоков с реакторами третьего поколения.

Решение о достройке блоков и строительстве новых блоков с реакторами третьего поколения оказывается оправданным с учетом больших проектных и строительных заделов (рис. 4), которые были созданы на предыдущих этапах развития экономики страны в предположении значительных темпов развития атомной энергетики.

Правительство Российской Федерации в мае 2000 г. рассмотрело и одобрило представленную Минатомом России «Стратегию развития атомной энергетики Рос­сии в первой половине XXI века», в которой как первый этап конкретизированы данные предложения. Согласно документу прогнозируется утроение установленной мощности АЭС к 2030 г. (рис. 5, 6). При реализации этой стратегии доля выработки электроэнергии на АЭС вырастет с 15% в 2000 г. до 21% в 2020 г.

Состояние мировой атомной энергетики характеризуется широким диапазоном прогнозов ее развития на предстоящем этапе. Прогнозы МАГАТЭ на ближайшие 15-20 лет показывают стагнацию атомных мощностей промышленно развитых стран Европы и Америки. На этом фоне происходит активное развитие атомной энергетики в странах азиатского региона. Наряду с наращиванием ядерных мощностей в странах Юго-Восточной Азии, уже имеющих АЭС, следующий этап будет характеризоваться расширением круга стран, использующих атомную энергетику. Это будут государства Азии, Ближнего Востока, Африки, Южной Америки.

В более отдаленной перспективе атомная энергетика, видимо, будет играть значительную роль в обеспечении человечества энергией. Задачей сегодняшнего дня является поиск, выбор и обоснование путей перехода от состояния неопределенности к широко масштабной атомной энергетике отдаленного будущего.

Пути развития атомной энергетики.

Мировое сообщество не имеет единого решения задачи выбора пути движения к крупномасштабной атомной энергетике. Каждая страна определяет его самостоятельно, сообразуясь с экономическими, социальными и политическими условиями. Долгосрочная стратегия развития атомной энергетики России, сформулированная в одобренном правительством документе «Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века», определяет в качестве генеральной цели создание крупномасштабной атомной энергетики, участвующей в обеспечении энергетических потребностей общества в электроэнергетике, теплоснабжении, промышленных технологиях и на транспорте.

Ядерный промышленный комплекс.

Достижение значительных объемов ядерного производства энергии при сохранении низкой сто­имости топливной составляющей невозможно обеспечить без рас­ширенного воспроизводства топлива. Стратегия замкнутого цикла снижает потребности в добыче исходного топлива и делает эко­номичным вовлечение в атомную энергетику запасов более дорогого естественного сырья.

Необходимо осуществить выбор структуры атомной энергетики, в которой должны быть реализованы замкнутые U-Pu и Th-U топливные циклы с оптимальным нейтронным и нуклидным балансом, обеспечены необходимая наработка ядерного горючего и многократное рециклирование топлива, минимизировано количество радиоактивных отходов и обеспечена возможность использования полезных продуктов.

Для претворения в жизнь этих направлений должен функционировать ядерный комплекс, включающий все необходимые звенья. Реализация широкомасштабной атомной энергетики требует существенного развития таких звеньев, как реакторы для расширенного воспроизводства ядерного топлива, радиохимическое производство переработки отработавшего ядерного топлива, производство топлива из регенерированных ядерных материалов и захоронение отходов.

Реакторы.

Разнообразие признаков и ус­ловий существования крупномасштабной атомной энергетики определяет многокомпонентную структуру ядерных реакторов. В крупномасштабной атомной энергетике будут существовать реакторы различного типа. Многокомпонентная структура позволяет различным типам реакторов наилучшим образом удовлетворять не-обходимым требованиям: по сферам применения (электричество, тепло, опреснение воды, транспорт, воспроизводство топлива, наработка полезных и трансмутация опасных изотопов); по уровню мощности (большие, средние и малые автономные энергоисточники); по спектру нейтронов (быстрые реакторы, тепловые реакторы).

Реакторы разных типов будут решать следующие задачи:

• производство тепловой и электрической энергии;

• расширенное воспроизводство ядерного топлива и обеспечение необходимого баланса нейтронов;

• выжигание долгоживущих радиоактивных отходов.

• Наиболее важными проектами реакторов нового поколения являются:

• эффективный реактор-размножитель;

• ядерные энергетические установки малой энергетики для удаленных районов, в том числе транспортабельные установки;

• реакторы для теплоснабжения, технологий, опреснительных систем;

• реакторы, работающие в базовом и маневренном режимах.

Производство энергии.

Тенденцией развития энергетических реакторов будет продолжение линии на их использование для производства электричества. Продолжится строительство реакторов большой и средней мощности, хорошо зарекомендовавших себя на предыдущих этапах. Наряду с этим будут реализовываться линии в направлении дальнейшего увеличения мощности и в направлении реакторов малой мощности. Масштабы российских энергосистем европейской части и требование конкурентоспособности с ТЭЦ на органическом топливе обосновывают тенденцию увеличения единичной мощности блока, а нацеленность на мировой рынок делает необходимым иметь для российского и зарубежного применения российский проект энер­гоблока, не уступающий западным проектам по мощности и другим показателям.

Для производства электричества будет использовано сочетание тепловых реакторов типа ВВЭР третьего поколения и реакторов-размножителей в характерном для них диапазоне больших мощностей. Требование снижения воздействия на окружающую среду приводит к необходимости повышения эффективности генерации электрической энергии. Удовлетворению этого требования будет способствовать раз работка высокотемпературных гелиевых реакторов.

Объективно начавшийся про­цесс расширения сферы использования ядерной энергии (когенерация тепла и электричества, источники бытового тепла, про­мышленное теплоснабжение) позволяет прогнозировать развитие этого процесса в начавшемся столетии. Внедрение ядерной энергии в промышленное теплоснабжение и особенно в энергоснабжение технологических процессов стимулирует разработки проектов высокотемпературных гелиевых реакторов.

Целесообразно также довести до реализации и освоить станции теплоснабжения высокой безопасности (ACT) как альтернативу в оптимальном решении задачи обеспечения теплом крупных регио­нов.

Наличие труднодоступных районов с низкой плотностью нА-селения делает оправданным ис­пользование автономных ядерных источников малой мощности для тепло- и электроснабжения. В наибольшей степени требованиям автономных энергоисточников удовлетворяют АТЭЦ с реактора-ми на естественной циркуляции с максимальным использованием пассивных средств защиты и расхолаживания. На основе необслуживаемых морских ядерных энергетических установок предлагается разработать полностью автономные теплоэлектроцентрали и опреснительные центры малой мощности повышенной безопасности. Технической базой проектов таких реакторов является судовая атомная энергетика.

Судовая атомная энергетика про демонстрировала свои возможности в экономике России. Поэто­му будет продолжаться развитие судового атомного реакторостроения для транспортных целей, а также для создания плавучих атомных станций. Такие станции мо-гут быть использованы для про­изводства энергии и опреснения воды. В более отдаленной перс­пективе представляет интерес использование технологий атомного подводного флота для освоения морской добычи и транспорта нефти и газа. Эти системы мо-гут иметь значение в отдаленном будущем и для морской добычи урана.

Дальнейшее освоение космоса с созданием больших долговременных орбитальных станций, космических технологических комплексов, больших информационных и навигационных систем, реализация экспедиций к планетам Солнечной системы неминуемо потребуют использования ядерных источников, вырабатывающих электроэнергию или тягу, или и то и другое. Нельзя исключить в далекой перспективе и возможность размещения мощных ядерных источников в космосе для энергоснабжения Земли.

Расширенное воспроизводство.

Функция расширенного воспроизводства плутония и урана-233 возьмут на себя реакторы-размножители. Преимущественно это реакторы на быстрых нейтронах. Для воспроизводства урана-233 рас­сматриваются также реакторы на тепловых нейтронах. Одно из предложений - это модификация реактора ВВЭР для работы с торий-урановым циклом. Количественное соотношение реакторов-размножителей и реакторов, потребляющих топливо, определится нейтронным и нуклидным балансом всей структуры атомной энергетики.

Поиск оптимальных решений и разработка реакторов-размножителей является существенной компонентой работ по реакторам нового поколения. Исследования и разработки предыдущего этапа убеждают в возможности решения этой задачи в первой поло­вине XXI века, не уходя далеко от уже освоенных технологий. В качестве эффективных реакторов-размножителей наряду с совер­шенствованием быстрых натриевых реакторов рассматриваются быстрые реакторы с тяжелым металлическим теплоносителем с использованием опыта разработки судовых реакторов и быстрые реакторы, охлаждаемые гелием, с использованием опыта разработки тепловых высокотемпературных гелиевых реакторов.

Реакторы-размножители, имеющие большую мощность блока, будут использоваться для выработки базовой электрической нагрузки. Неизбежна их тесная связь с технологическим комплексом переработки топлива. Эти соображения, а также требования нераспространения привязывают их к ограниченному числу высокотехнологических стран с крупными электросетями.

Долгоживущие актиноиды.

Используя различие нейтронных свойств тепловых и быстрых реакторов, можно оптимизировать многокомпонентную структуру ядерной энергетики, снижая суммарное количество долгоживущих трансурановых элементов в структуре. Положительный нейтронный баланс системы реакторов ядерной энергетики может обеспечить не только расширенное воспроизводство ядерного топлива, но и выжигание наиболее опасных радиоактивных отходов (табл. 2). Для этих целей может быть разработан специальный тепловой реактор-выжигатель, работающий самостоятельно или в подкритическом режиме в комбинации с внешним источником нейтронов. Перспективными вариантами для этой цели являются реактор на расплавах солей, высокотемпературный гелиевый реактор и мишень со свинцом или сплавом свинец-висмут.

Предвидится также расширение использования реакторов для наработки радиоактивных изотопов медицинского, технического и энергетического применения.

Для установившегося развития широкомасштабной атомной энергетики приближенная оценка соотношения мощностей ТРЭ/БРР/ ТРВ имеет вид 0,5/0,4/0,1.

Топливный цикл.

Замкнутый топливный цикл, включающий переработку отработавшего ядерного топлива и извлечение и повторное использо­вание ядерных материалов, является необходимым условием крупномасштабной ядерной энергетики XXI века.

В обществе нерешенные проблемы обращения с РАО и ОЯТ вызывают сомнения в перспективе развития атомной энергетики. Поэтому наряду с разработкой традиционных технологий изоляции и захоронения РАО для трансурановых нуклидов следует ис­кать способы вовлечения части из них в топливный цикл. По мере развития и внедрения радиохимической переработки топлива будет увеличиваться возможность извлечения все большего количества и номенклатуры полезных радиоактивных изотопов.

Переработка облученного ядерного топлива является обязательным условием для реакторов-размножителей, в которых осуществляется воспроизводство ядерного топлива. Вопрос об обращении с облученным ядерным топливом реакторов других типов будет решаться на основе сопоставления затрат на переработку, обращение с отходами и выгоды от использования выделенных при переработке ядерных материалов с затратами на захоронение облученного ядерного топлива. По этой причине в настоящее время в ряде стран реализуется решение об отложенном контролируемом хранении отработавшего ядерного топлива.

При развитии атомной энергетики и в том числе при расширении числа стран, использующих ядерные реакторы, возникает вопрос об организации в этих странах работ по обращению с облученным ядерным топливом и радиоактивными отходами.

Две особенности ядерного цикла: радиационная опасность технологий топливного цикла и риск распространения будут ограничивать распространение технологий топливного цикла. Экономическая эффективность переработки облученного ядерного топлива будет проявляться только при дос­таточно больших масштабах производства, что потребует консолидации стран, развивающих эту технологию.

Обращение с радиоактивными отходами, образовавшимися при работе реакторов и переработке отработавшего ядерного топлива, с конечной целью их безопасно­го захоронения является основной незакрытой проблемой атомной энергетики. Имеющиеся в настоящее время технические решения концентрации отходов и дальнейшего их преобразования в керамические формы или стекло мо­гут обеспечить захоронение радиоактивных отходов в стабильных геологических структурах, однако требуется еще значительная работа по доказательству устойчивости к внешним воздействиям и безопасности предлагаемых к длительному захоронению форм отходов. Наряду с разработкой традиционных технологий изоляции и захоронения радиоактивных отходов для трансурановых нуклидов будет проводиться поиск способов вовлечения их в топливный цикл с целью трансмутации.

Производство обогащенного урана, являясь уникальной технологией, в настоящее время развито только в странах ядерного клуба. Сохранит ли мировое сообщество, основываясь на соображениях нераспространения, это ограничение и на последующее время?

В начале XXI века в топлив-ном цикле наряду с традиционными операциями будут решаться задачи использования в реакторах высвобождающихся излишков ядерных оружейных материалов - высокообогащенного урана и плутония. Использование энергетического потенциала оружейного плутония расширяет топливную базу атомной энергетики. В результате использования оружейного плутония будет освоена технология смешанного уран-плутониевого топлива, а также накоплен необходимый для будущей атомной энергетики опыт решения экологических проблем и процедур контроля, учета и защиты ядерных материалов. Энергетическое сжигание высвобождаемого оружейного плутония может быть осуществлено в виде смешанно­го уран-плутониевого оксидного МОХ- топлива в действующих и строящихся российских реакто­рах на быстрых нейтронах (БН) и на тепловых нейтронах (ВВЭР) (табл. 3).

По мере реализации проектов перспективных тепловых реакторов (МГР-ГТ) возможно их включение в энергетическое использование избыточного оружейного плутония. Для сжигания МОХ-топлива из плутония оружейного происхождения могут использо­ваться на коммерческой основе энергетические реакторы за рубежом. Выбор конкретных решений будет определяться экономичес­кими условиями реализации программы с учетом стратегии развития атомной энергетики.

Природные ресурсы тория, превышающие ресурсы урана, и его невысокая стоимость создают дополнительные возможности неограниченного по ресурсным соображениям развития атомной энергетики. Вовлечение тория в топливный цикл не только расширит топливную базу, но и облегчит решение проблемы захоронения радиоактивных отходов. В последнее время наряду с указанными преимуществами тория изучается возможность его использования в действующих или разрабатываемых реакторах с целью улучшения решения проблемы нераспространения. Сочетание уран-плутониевого и уран-ториевого топливных циклов является наиболее вероятным сценарием ядерной энергетики будущего.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Человечество переживает сейчас очень сложный период: запасы ископаемых видов топлива кончаются, количество населения  возрастает.  

Не приходится всерьез рассчитывать на альтернативные источники энергии (солнечная, геотермальная и т. п.). 

Они характеризуются малой плотностью энергии, затраты на ее концентрацию велики. 

Возможности ядерной энергетики не исчерпаны. 

Кроме делящихся материалов, на которых работают современные АЭС, на  Земле имеются огромные запасы дейтерия. 

Он может быть использован в термоядерных реакциях синтеза с выделением огромной энергии. 

Во всем мире ведутся исследования по освоению управляемого термоядерного синтеза.

Таким образом, открытие ядерной энергии является одним из ярких примеров воздействия интеллекта на человеческое общество. Это величайшее открытие прошлого века поставило человечество на грань катастрофы, оно же предоставило неограниченные возможности обеспечения энергией жизнь на Земле.

Что же заставляет общество проявлять осторожность?

Долгая человеческая память хранит ужас Хиросимы. Она заслоняет от возможных опасностей окружающую среду, ограниченную по ресурсам и по адаптации к отходам нашей деятельности. Люди еще не про­чувствовали эти опасности и безоглядно сжигают уголь, нефть и газ, оставляя потомкам жизнь в парнике, наполненном выхлопными газами.

Одним из ключевых направлений их преодоления является ядерная энергия. А организованное в широких масштабах международное сотрудничество поможет обеспечить эффективное и безопасное использование ядерной энергии.

Литература

(ссылки на все используемые источники информации)

35