Фонд "Сколково" и Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН (ИБРАЭ) готовят совместную программу "Завершающая стадия жизненного цикла ядерных объектов".
Будущее — за атомными электростанциями
Рафаэль Арутюнян, заместитель директора ИБРАЭ по научной работе, говорит, что дело обстоит несколько иначе. 80% электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, производится в 10 ведущих странах мира. Доля "атомной" электроэнергии в общем энергобалансе стран распределена очень неравномерно — от 80% во Франции до 20% в других развитых странах. Германия, вынужденная на время отказаться от ядерной энергетики по внутриполитическим причинам, рассчитывает на импорт электроэнергии из соседних стран и газа — из России, но с фундаментальной точки зрения это тупик.
Разведанные и прогнозируемые запасы нефти и газа при нынешнем уровне энергопотребления закончатся через несколько десятков лет. Альтернативные источники сейчас составляют меньше 3% в мировой энергетике, в будущем займут от силы 15-20%. Неизбежно увеличение глобальной нужды в энергии — повышение энергоэффективности развитых стран не компенсирует рост потребностей стран третьего мира.
— Сегодня в основном есть тепловая энергетика и есть атомная, все остальные источники являются дополнением, позволяющим локально решать вопросы экологии, — говорит Арутюнян. — Фундаментальным является то, что устойчивое энергообеспечение на органических энергоносителях сталкивается с реальными проблемами. Безусловно, газ — удобный вид топлива, и с точки зрения экологии в том числе. Но при самом оптимистичном прогнозе газа может хватить пусть на сто лет. С углем экологические проблемы. Недаром существует Киотский протокол, в соответствии с которым необходимо приложить все усилия для сокращения выбросов парниковых газов.
Помимо проблем с влиянием на климат выбросы угольных электростанций несут прямую угрозу здоровью людей. Только в Соединенных Штатах, по данным национального агентства по окружающей среде, зарегистрировано около 20 тыс. смертей, связанных с воздействием тепловой энергетики. В России этот показатель составляет 6-7 тыс. в год, говорит Арутюнян. Для сравнения, общее количество смертей в результате зарегистрированных за 50 лет аварий в атомной энергетике составляет 60 человек. Число людей, получивших высокие дозы облучения, с угрозой для здоровья — 237.
— Если собрать все использование радиационных технологий, включая медицину, — продолжает ученый, — то в медицине число инцидентов с заболеваниями и смертями значительно выше, чем в атомной энергетике. И все равно это дает совокупную цифру в 160 смертей и где-то полторы тысячи заболевших от облучения. Если же взять данные по ущербу здоровью человека в обычной энергетике, то это 82 тысячи смертных случаев за последние 30 лет. Эти цифры говорят, что ядерные технологии на порядок безопаснее других технологий.
Коды безопасности следят за критическими точками
— Учитывая сложившееся восприятие рисков, связанных с атомной энергетикой, уровень обоснования и обеспечения безопасности должен быть гораздо выше, — считает Арутюнян. — С тем чтобы гарантировать от ситуаций, которые могут наносить даже не ущерб здоровью населению, а социальный, психологический ущерб. А это значит, что необходимо повышать требования к обоснованию и обеспечению безопасности АЭС, в том числе с учетом наложения экстремальных событий, влияющих на безопасность атомных станций.
С этой целью ученые ИБРАЭ разрабатывают программу новых кодов безопасности, включающую плановый вывод из эксплуатации тех энергоблоков АЭС, которые уже не могут отвечать современным требованиям (именно эта ее часть упомянута выше).
— Мы инициируем два проекта, — говорит Владимир Пономарев, заместитель директора ИБРАЭ по стратегическому развитию и инновациям. — Это так называемые коды безопасности, то есть подходы к инструментальной оценке безопасности ядерных объектов. Это математические модели реальных атомных станций и анализ критических точек по различным технологическим циклам, которые работают внутри ядерного объекта. Для этой же цели десять лет назад разрабатывалась система кодов безопасности "Сократ", но сейчас появились новые технологии, новые реакторы.
Книга "Ядерная безопасность и человеческий фактор"Второй частью сколковского проекта ИБРАЭ должно стать создание магистерской программы в рамках сколковского института науки и технологии, создаваемого фондом совместно с Массачусетским технологическим институтом.
— Мы будем готовить специалистов не только в области ядерного "бэкенда", — говорит Пономарев, — но и тех, кто будет использовать технологические разработки атомной отрасли для любого другого технологически опасного производства, хоть в энергетике, хоть в химии. Во-первых, никто "бэкенду" в мире не учит, а кадры необходимы, поскольку построено много атомных станций и нужны специалисты, которые умеют выводить из эксплуатации энергоблоки. Во-вторых, специалисты будут обучаться не только тому, как ликвидировать станции, срок действия которых кончается, но и как продлить срок эксплуатации тех, которые могут работать дальше, как повысить безопасность, чтобы их не надо было выводить из строя.
Вся теория и все математические расчеты, необходимые для создания новых кодов безопасности, будут разрабатываться учеными ИБРАЭ совместно с проектными и конструкторскими организациями в атомной промышленности. Постепенно весь мир будет переходить на новую технологическую платформу, на реакторы на быстрых нейтронах, поэтому надо усовершенствовать те теоретические модели, которые существуют.
Коды безопасности будут коммерциализоваться, то есть будут продаваться заинтересованным потребителям, в том числе за рубежом, в виде пакета программ и услуг по их применению. Отдельные программы проекта будут инициироваться авторами "ноу-хау", то есть владельцами интеллектуальной собственности, которые для этой цели будут создавать собственные стартапы. В рамках этого сколковского проекта ИБРАЭ будет не только развивать разработанные в институте технологии безопасности, но и их трансфер из атомной отрасли в другие области энергетики и промышленности.
Визуализация нейтронных потоков внутри реактора кодом UNIC, Арагонская национальная лабораторияКоды безопасности
Разработка системы кодов безопасности началась в нашей стране в конце 1980-х годов. С помощью системы реакторных кодов еще на стадии проекта моделируется работа будущей электростанции, чтобы выявить возможные ошибки и минимизировать вероятный ущерб.
Структура разрабатываемых кодов не раскрывается, однако о ней можно судить по действующему сейчас программному комплексу "Сократ", который предназначен для водно-водяных реакторов. В него входят следующие программные модули: "Ратег", анализирующий теплогидравлику и теплоперенос, "Свеча" — физико-химические процессы в активной зоне при тяжелой аварии, "Радиация" — теплообмен излучением, "Гефест" — поведение материалов при аварии с плавлением активной зоны и разрушением корпуса реактора, "Vepex-M" — взаимодействие расплавленного топлива с теплоносителем, "Купол" — процессы в защитной оболочке, "Ловушка" — взаимодействие расплава с бетоном, "Nostradamus" — распространение радиоактивности в окружающей среде.
В ближайшие десятилетия мир должен перейти с действующих ныне водно-водяных атомных реакторов, где теплоносителем и замедлителем является вода, на реакторы на быстрых нейтронах, в которых применяется жидкометаллический теплоноситель — расплав натрия, свинца или сплав свинца с висмутом. Один такой реактор в России уже действует на Белоярской АЭС, на Урале. По оценке Арутюняна, переход на новую энергетическую платформу займет не менее 30 лет.
Если не совершить такой переход, то потребляемый атомными реакторами изотоп урана-235 закончится в не столь отдаленном будущем. Нынешние водно-водяные атомные реакторы сожгут его в течение ближайшего века. В быстром же реакторе на килограмм заложенного урана-238 может вырабатываться 1,3 килограмма нового топлива, энергетического плутония. В отличие от оружейного плутония-239, применяемого для ядерных зарядов, в реакторах на быстрых нейтронах вырабатываются изотопы плутония-240, 241 и 242, которые не годятся для производства оружия.
Новые реакторы решат проблему атомных отходов
Переход на быстрые реакторы позволит решить одну из основных проблем ядерной энергетики — проблему отработавшего ядерного топлива. Реакторы нового поколения позволят перерабатывать и максимально эффективно использовать радиоактивное сырье, резко сократив количество отходов. Сейчас, говорит Арутюнян, приходится хоронить в земле энергетически ценное сырье (уран и плутоний) и строить для этого огромные хранилища.
— Долгоживущие изотопы — это америций, плутоний — можно возвращать в быстрые реакторы и дожигать. Тогда получаются основные компоненты, цезий и стронций, которые живут 30 лет и от которых через 300 лет практически ничего не останется. Конечно же, какое-то количество неиспользуемых радиоактивных отходов все равно остается, его необходимо изолировать. Здесь есть научно-технические вопросы и вопрос об уровне обоснования безопасности, который должен быть достаточно серьезным — но тут нет никаких непреодолимых препятствий.
Константин Куцылло