Сокращение объемов ядерных отходов и повышение эффективности как залог устойчивости энергетики в будущем

Повысить эффективность использования ядерной энергии и сократить воздействие радиоактивных отходов на окружающую среду способны реакторы на быстрых нейтронах. Перспективы внедрения этих инновационных реакторов для обеспечения устойчивости ядерной энергетики в будущем изучаются сейчас в нескольких странах.

В быстрых реакторах для поддержания цепной реакции деления используются быстрые нейтроны, энергия которых не уменьшается с помощью замедлителя, в роли которого выступает, например, вода. В то время как в существующих сегодня разновидностях реакторов на тепловых нейтронах отрабатывается только малая часть природного урана, загружаемого в них в качестве топлива, реакторы на быстрых нейтронах могут потреблять практически весь содержащийся в топливе уран, производя до 70 раз больше энергии, что снижает потребность в новом урановом сырье.

Кроме того, быстрые реакторы работают на основе так называемого замкнутого ядерного топливного цикла. Замкнутый ядерный топливный цикл предполагает переработку и повторное использование отработавшего топлива, то есть ядерного топлива, которое подверглось облучению в реакторе. Потенциально такая энергетическая система может быть устойчивой на протяжении тысяч лет. Напротив, открытый ядерный топливный цикл предполагает однократное использование ядерного топлива, после чего отработавшее топливо переходит в категорию отходов, в конечном итоге подлежащих подземному захоронению в геологических хранилищах.

Быстрые реакторы могут также нарабатывать или «размножать» больше топлива, чем они потребляют сами, и сжигать часть содержащихся в отработавшем топливе отходов, например младших актинидов, чего не могут с достаточной эффективностью обеспечить реакторы на тепловых нейтронах. Выжигание таких соединений способствует значительному снижению объемов, токсичности и времени существования наиболее долгоживущих радиоактивных отходов.

«Насущным вопросом для многих стран, которые ведут поиск устойчивых технологий получения экологически чистой энергии, является воздействие тех или иных источников энергии на окружающую среду, проявляющееся, в том числе, в виде отходов, — поясняет Ампаро Эспартеро Гонсалес, технический руководитель МАГАТЭ по обращению с отработавшим топливом. — Возможность сократить это воздействие, а также получить максимальную отдачу от ядерного топлива в значительной степени определяет растущую привлекательность быстрых реакторов для многих стран и служит главным стимулом развития этой технологии».

Возвращение в новом качестве

Быстрые реакторы были в числе первых технологий, внедренных на заре ядерной энергетики, когда запасы урана считались недостаточными. Однако ввиду того, что на пути разработки этой технологии возникали сложности, связанные с различными техническими аспектами и выбором материалов, и что были разведаны новые запасы урана, в конечном итоге отраслевым стандартом стали легководные реакторы (LWR). В настоящий момент в эксплуатации находятся пять быстрых реакторов: два действующих промышленных реактора (БН‑600 и БН‑800) и один опытный реактор (БОР‑60) в России, индийский испытательный реактор-размножитель на быстрых нейтронах (FBTR) и китайский экспериментальный быстрый реактор (CEFR).

Благодаря новым концепциям, технологиям и достижениям в области материаловедения, а также долгосрочному видению ядерной энергетики как одного из столпов устойчивого энергетического развития, интерес к быстрым реакторам сейчас проявляется с новой силой. Упомянутые достижения в целом касаются инновационных усовершенствований, в том числе улучшенных характеристик безопасности и оптимизированной и более компактной конструкции, способствующей повышению рентабельности проектов. Кроме того, новые проекты предполагают использование альтернативных теплоносителей, например, расплавов солей, свинца, свинцово-висмутового сплава и газа.

«На протяжении десятилетий быстрые реакторы в основном представляли собой реакторы-размножители топлива, но в последние годы также ведутся разработки в области малых модульных реакторов, работающих по принципу перезаряжаемой батареи длительного срока службы, и даже микрореакторов, — говорит Владимир Кривенцев, руководитель группы по разработке технологий быстрых реакторов в МАГАТЭ. — Быстрые реакторы могут сделать ядерную энергетику устойчивым источником энергии на тысячи лет и значительно улучшить ситуацию в области обращения с радиоактивными отходами».

Быстрые реакторы в разработке

Разработка проектов быстрых реакторов ведется в разных странах мира. МАГАТЭ играет центральную роль в содействии их разработке и внедрению, а также в обмене соответствующей информацией и опытом, в том числе в рамках проектов координированных исследований, технических публикаций, технических рабочих групп и международных конференций.

В России, где уже действуют два быстрых реактора с натриевым теплоносителем, планируется в период после 2035 года ввести в строй промышленный быстрый реактор нового поколения мощностью 1200 МВт (эл.), который наряду с легководными реакторами позволит сформировать самодостаточную энергетическую систему. Благодаря быстрому реактору отработавшее топливо с реакторов на тепловых нейтронах будет перерабатываться и использоваться повторно, а образующиеся в итоге объемы отходов будут до десяти раз меньше, чем в случае обычного ядерного топлива.

Индия вводит в эксплуатацию прототип быстрого реактора-размножителя с натриевым теплоносителем мощностью 500 МВт (эл.) — первый из нескольких планируемых к сооружению в стране промышленных быстрых реакторов. Китай, у которого имеется экспериментальный быстрый реактор мощностью 20 МВт (эл.), ведет сооружение демонстрационного быстрого реактора большой мощности и в конечном счете планирует внедрение промышленных быстрых реакторов.

В Северной Америке ведутся работы над несколькими проектами быстрых реакторов с использованием различных видов теплоносителей, в том числе расплавов солей. Соединенные Штаты планируют сооружение опытного быстрого реактора, призванного способствовать дальнейшему развитию этой технологии, а также демонстрационного быстрого реактора мощностью 1,5 МВт (эл.), который также будет использоваться для обоснования возможности применения нового типа переработанного топлива, предназначенного для инновационных реакторов будущего.

Технологическая осуществимость проектов быстрых реакторов неоднократно демонстрировалась еще начиная с 1950‑х годов. Во Франции в промышленной эксплуатации в течение 12 лет вплоть до 1998 года находился реактор проекта «Суперфеникс» мощностью 1200 МВт (эл.), и сегодня исследовательские и опытно-конструкторские работы по этой технологии продолжаются, так же как и в Южной Корее и Японии, где планируется перезапустить программу экспериментальных быстрых реакторов.

В то же время перспективы более широкого промышленного применения быстрых реакторов будут во многом определяться улучшением экономической составляющей этих проектов.

«В условиях ограниченности ресурсов на мировом рынке, когда цены на уран, как предполагается, будут гораздо выше, чем сегодня, и на первый план выйдут соображения минимизации отходов, инновационные и компактные быстрые реакторы могут оказаться более конкурентоспособными в экономическом плане, чем традиционные реакторы на тепловых нейтронах, — считает начальник Секции развития ядерно-энергетических технологий МАГАТЭ Стефано Монти. — Сегодня, когда ряд стран активно развивает направление быстрых реакторов, следует ожидать, что эта технология внесет весомый вклад в создание в ближайшие десятилетия экологически чистых энергетических систем».