Первопроходцем работ в ядерной энергетике в нашей стране всегда был и остается Курчатовский институт. О проблемах, истории и перспективах мирного атома мы беседуем с заместителем директора НИЦ Ярославом Игоревичем Штромбахом.
— Насколько сложно было осуществить научно-технический прорыв в гражданской энергетике в связи с появлением возможности мирного использования энергии атома? Ведь в Советском Союзе было достаточно и нефти, газа, угля, зачем надо было влезать в такой экономически тяжелый и тогда, наверное, экономически неоправданный проект?
— Я полагаю, ученым, которые участвовали в создании атомного оружия, не хотелось остаться в истории Геростратами, создавшими оружие уничтожения. Хотелось свои знания, энергию, ум направить на пользу человечеству. Деятельному, творческому, позитивному человеку думать о том, что его плоды его труда будут убивать людей, не очень приятно — хочется как-то это компенсировать. Вероятно, наши ученые, получив первую за пределами США цепную реакцию и начав ее реализовывать на аппаратах для наработки плутония, создания атомной бомбы, думали и о том, как применить ее во благо.
Первая в мире атомная станция была проектом, который позволил об этом заявить во всеуслышание на весь мир. В то же время тип реактора, который был установлен на первой АЭС, не стал магистральным направлением развития атомной энергетики.
В то время Советский Союз и весь мир занималbcm созданием атомных подводных лодок. После ряда проб и ошибок направление водо-водяных реакторов в подводных лодках стало основным. В это же время оно стало основным направлением и в гражданской атомной энергетике.
Довольно долго это направление было крайне закрытым, у нас в Курчатовском институте ученые зачастую не знали о том, что делается в соседней лаборатории. В этих условиях руководители советского атомного проекта — великие Курчатов и Александров - были теми, кто осуществлял связь между военной и гражданской его сторонами. Например, когда какие-то решения принимались по гражданским водо-водяным реакторам (ВВЭР), Анатолий Петрович Александров часто говорил: «Делать надо вот так». И, ничего не объясняя, добавлял: «Я знаю, ребята. Знаю, поверьте. Вы не сомневайтесь». Он действительно знал, потому что уже проходил это при создании реакторов для атомных подводных лодок. Поэтому было очень важно, что Курчатовский институт работал как над созданием военной атомной техники, так и над гражданскими реакторами, которые должны были стать основой атомной энергетики.
Курчатов очень жестко продвигал эти направления. Решение о строительстве двух новых станций — Нововоронежской и Белоярской — было принципиальным, принятым на уровне правительства, ЦК КПСС. В 1955 г. Курчатов дал поручение подготовить техническое задание на создание водо-водяного реактора. Год спустя поручение по разработке станции на основе такого реактора было направлено заместителем министра среднего машиностроения Е.П. Славским трем организациями: Курчатовскому институту, Ленинградской проектной организации, и ОКБ «Гидропресс».
Когда уже в 1960-х гг. было принято принципиальное решение активно развивать атомную энергетику, выяснилось, что проблема производства корпусов реакторов упирается в имеющиеся возможности наших заводов тяжелого машиностроения. Единственный в то время Ижорский завод не мог обеспечить такую широкую программу. Тогда внимательнее присмотрелись к реакторам канального типа, которые уже использовались для производства плутония. Был создан проект реактора большой мощности, РБМК. С 1971 г. реакторы первого поколения на основе реактора ВВЭР пошли в серию: Нововоронежский реактор, затем Кольский. Приблизительно одновременно были запущены РБМК на Ленинградской атомной станции. Началась эра большой атомной энергетики в СССР.
Для чего нужны спички?
— Почему же за столько лет в атомной энергетике так и не удалось достичь параметров, которых сумели добиться в тепловых электростанциях?
— Не согласен. По КПД атомные станции сейчас близки к 38–40%, и я не думаю, что в тепловой энергетике он намного выше. Мощность сдерживается большими капитальными вложениями, которые требуются при строительстве АЭС. Построить станцию на газе легко, но после этого надо жечь газ в огромных объемах. Атомная станция забирает большие деньги на этапе создания, зато у нее достаточно дешевая топливная составляющая.
— С другой стороны, нефти и газа у нас много, а урана — мало.
— Опять не согласен. В сумме все ископаемые энергоносители, — нефть, газ, уголь и все, что может гореть и превращаться в энергию, включая леса, — составляют около 3% запасов энергии, которые сегодня находятся на нашей планете. 97% ее приходится на два изотопа — уран-238 и торий-232. Если искусственно не ограничивать население Земли, то надо думать о глобальных запасах. Сегодня таковые — уран и торий.
— Но надо говорить не просто об уране, а об уране по экономически приемлемой цене.
— А здесь — согласен. Многие специалисты говорят, что мы атомные реакторы топим спичками. И это правда. Мы сегодня находимся на начальной, достаточно простой стадии развития энергетики — стадии открытого топливного цикла. Делящиеся изотопы, которые в нем используются, уран-235 и плутоний-239 — это спички, которыми можно разжечь более дешевое и имеющееся в изобилии топливо. В перспективных быстрых реакторах может гореть и уран-238, а торий-232 можно конвертировать в уран-233.
В задачи Курчатовского института входит разработка стратегии развития атомной энергетики. По нашей оценке, открытый топливный цикл будет эффективен приблизительно до границы 2050 г., если мы начиная с 2030 г. станем его интенсивно замыкать.
— Что значит «замыкать»?
— Использовать уран-238, а в будущем и торий-232 как резерв для получения делящегося изотопа, на котором можно создавать критические массы, сжигать имеющиеся в большом количестве запасы урана-238 и другие изотопы, способные захватывать только быстрые нейтроны.
Разработанная нами стратегия развития сегодня рассматривается в «Росатоме» наряду с другими. Она предусматривает сближение двух основных направлений: развитие реакторов на тепловых нейтронах и создание реакторов на быстрых нейтронах. Последнее представляется очень заманчивым, но надо честно признаться, что до сих пор промышленной технологии на основе таких реакторов не создано. В рамках проекта «Прорыв» рассматриваются наиболее продвинутые на сегодня реакторы с натриевым охлаждением, предлагается реактор со свинцовым охлаждением…. Но это еще не технологии, это конструкции, которые должны быть технологически отработаны и проверены на безопасность и эффективность.
Цена удачи
— Чернобыль, Три-Майл-Айленд, Фукусима — это наша плата за реакторы на тепловых нейтронах. К счастью, эта плата обошлась без грандиозных человеческих жертв.
— Но, безусловно, удар по имиджу и доверию к отрасли был нанесен грандиозный.
— Людей очень пугает атомная энергетика. Я всегда отвечаю на это так: «Вспомните индонезийское цунами, которое унесло 300 тыс. жизней. Что, разве люди ушли с побережий океанов?» А вероятность повторения катаклизма очень высокая. В океане случаются землетрясения, возникают цунами, но люди возвращаются на побережье, потому что там жить лучше, большие запасы рыбы, белка и всего остального.
Или возьмем аварию 1984 г. в Индии, на химическом заводе в Бхопале, тогда 3 тыс. человек погибли сразу и 15 тыс. впоследствии. И что, химию уничтожили? Нет. Но над атомной энергетикой всегда висит гриб ядерного взрыва, поэтому она кажется страшной. Мы должны к этому относиться жестко, но без истерики. Поэтому, когда мы спорим с противниками ядерных технологий, говорим, что технологии ВВЭР оплачены Три-Майл-Айлендом и Фукусимой.
— А канальные реакторы большой мощности — Чернобылем?
— Принято решение РБМК не развивать. В 2031 г. из эксплуатации будет выведен последний. Но пока они дают у нас половину всей атомной электроэнергии.
— Мир заплатил за безопасность водо-водяных и канальных реакторов авариями. Но ведь переход на реакторы на быстрых нейтронах — это революция. Не придется ли нам и за нее тоже платить подобными трагедиями?
— Поэтому мы и призываем двигаться в этом направлении с большой осторожностью, уделяя пристальное внимание возникающим проблемам.
— Сейчас много говорят о реакторах с «естественной безопасностью»…
— Мы в Курчатовском институте такое понятие не признаем. Есть внутренне присущий системе уровень безопасности — физические принципы, заложенные в реактор, которые понижают риск возникновения критических ситуаций. Никакой естественной безопасности нет и быть не может. Поэтому этот путь — превращения идеи в технологию — должен быть пройден абсолютно осознанно и достаточно эволюционно.
В ВВЭР надо более рационально использовать топливо, ужесточать спектр. По нашим оценкам, расход урана в этих реакторах можно сократить на треть, а коэффициент воспроизводства топлива довести до 0,8. То есть на 100 сожженных делящихся ядер урана-235 будет нарабатываться до 80 ядер плутония-239. Тогда можно будет говорить о замыкании топливного цикла даже в реакторах на тепловых нейтронах.
— Такое возможно?
— Да, и мы работаем в этом направлении. Если к таким «доработанным» ВВЭР добавить равновесное число реакторов на быстрых нейтронах, можно будет замкнуть топливный цикл и в течение многих десятилетий использовать уже добытый и накопленный уран-238. Назовем это эволюционным путем дальнейшего развития атомной энергетики.
— Но можно слышать, что водо-водяные реакторы достигли предела своих технических возможностей. Вложения в их разработку и строительство окупаются уже с большим трудом.
— Нет, там тоже есть еще перспективные пути развития. О первом направлении я уже сказал, и мы называем его эволюционным. Другое находится в рамках так называемого четвертого поколения. В его составе рассматриваются еще более радикальные варианты развития водо-водяных реакторов — так называемый реактор на сверхкритических параметрах. Он работает при гораздо более высоких температурах и давлениях — вода на выходе там достигает температуры выше 500º C. Это направление мы называем революционным для ВВЭР.
— Перегретый пар?
— Не пар, а именно вода! Под сверхкритическим давлением — параметры, выходящие за пределы значений в таблицах Вукаловича (таблицы свойств и состояния воды и водяного пара в широком диапазоне температур и давлений, созданы советским физиком М.П. Вукаловичем (1898-1969). - Примеч. ред.). Там можно получить и большую величину теплосъема, и лучшие физические параметры. Но это уже революционный путь совершенствования ВВЭР.
Сегодня наиболее реален эволюционный путь. В его рамках можно использовать уран-233, получаемый из тория-232. Такое решение значительно улучшит физику активных зон. Уран-233 как раз хорош для реакторов на тепловых нейтронах.
— У вас от эволюции до революции метров сто...
— Курчатовский институт не был бы Курчатовским институтом, если бы не предлагал революционные и эволюционные пути решения проблем. В свое время об этом говорил Курчатов.
После того как сделали водородную бомбу, как раз и появилось намерение укротить термояд. Уже тогда было понятно, что термояд — это много нейтронов, которые могут превращать не делящееся сырье в делящееся. Сегодня мы реконструируем наш «Токамак-15», превращаем его в прообраз термоядерного источника нейтронов. На таком источнике, как мы посчитали, можно будет эффективно нарабатывать делящиеся изотопы даже при достаточно ограниченных мощностях самого устройства. Сняв с него гигаватт тепла, можно получить три тонны урана-233. При этом с того же гигаватта на быстром реакторе мы получаем всего 300 кг плутония-239.
— Но у нас же еще нет термояда!
— Именно поэтому такие устройства пока кажутся фантастичными. Но мир уже строит ITER. А мы изучаем физику более компактных, более приближенных к практическим задачам термоядерных источников нейтронов. Я думаю, что этот путь тоже будет играть в будущем значительную роль, потому что 97% энергии, про которые мы говорили, надо тоже еще как-то добывать.
— Есть еще направление, которого мы не коснулись, — это АЭС с ядерными реакторами малой мощности на тепловых нейтронах. Какие перспективы у них?
— Это весьма многообещающе направление, но его сдерживает одно очень серьезное обстоятельство: стоимость киловатт-часа раз значительно выше, чем на больших станциях. Реакторы средней мощности — «шестисотки» — уже вызывают вопросы, а реакторы малой мощности — тем более.
Это только кажется, что чем меньше станция, тем меньше проблем. Мини-АЭС имеет практически те же проблемы, что и большая, с точки зрения физической защиты, противоаварийных мероприятий, террористической опасности.
Очевидно, что малая энергетика нужна, но она нужна для специальных задач. Например, когда завозить большое количество дизельного топлива сложно или дорого, да и экологически накладно. Вот здесь небольшие атомные станции, несмотря на высокую стоимость, смогут успешно конкурировать и позволят решить многие проблемы золотодобытчиков, нефтяников и т.д. Полезными они окажутся и для военных, например на отдаленных арктических станциях. Стоимость здесь отходит на второй план — важно, чтобы мини-АЭС выполняла свои задачи по обеспечению электроэнергией боевые установки.
Что касается создания транспортабельных малых АЭС, которые можно будет отдавать в лизинг развивающимся странам, то все аспекты этого вопроса должны прорабатываться с максимальной тщательностью, не в последнюю очередь с точки зрения нераспространения ядерных технологий. Но и здесь главный вопрос — снижение стоимости их постройки и эксплуатации.
Дивный атомный мир
— В январе 2010 г. Министерство энергетики США создало независимую экспертную комиссию для изучения вопроса американского ядерного будущего. Два года спустя комиссия подготовила доклад, в котором говорится, что цикл надо замыкать, но пока у них для этого нет общепринятой технологии быстрых реакторов. Натриевый быстрый реактор у нас работает и запускается новый БН-800. Здесь мы впереди всех. На этом направлении мы активно сотрудничаем с французами.
— Есть такая богатая страна — Китай. Почему там решили развивать атомную энергетику не на базе наших ВВЭР, а взяли за основу АР-1000 фирмы Westinghouse?
— Когда вы развиваете атомную энергетику, у вас постоянно идет борьба между стоимостью и обеспечением безопасности. До Фукусимы многие считали, что мы чересчур увлеклись вопросами безопасности. Тогда корейцы создали сильно удешевленные проекты, недостаточно, с нашей точки зрения, проработанные в плане безопасности. После Фукусимы вероятность строительства таких проектов сильно снизилась. AP-1000 — хороший проект, но мне кажется, что вопрос превращения американского реактора в китайский не безупречен с лицензионной точки зрения.
В нашем проекте ВВЭР-ТОИ учтен весь предыдущий опыт. Это позволило создать реактор, наносящий минимальный ущерб окружающей среде. Размеры санитарной зоны при возможной аварии нам удалось уменьшить с 3 км до 800 м!
Долго дискутировался вопрос о ловушках расплава активной зоны: нужны они или нет? Именно у нас в институте Владимиром Асмоловым были реализованы проекты «Маска» и «Расплав». На АЭС «Фукусима-1» расплавы из корпуса реактора ушли вниз, всем стало понятно, что ловушка — вещь не лишняя. То, что в китайских и индийских проектах мы установили ловушки, стало нашим большим экспортным преимуществом. Сейчас они предусмотрены во всех новых проектах.
Нам удалось завоевать хорошие позиции на мировой арене. Наглядный тому пример — Турция, где мы строим четыре блока по принципу «строй — владей — эксплуатируй». При этом мы проходим достаточно жесткую экспертизу местных надзорных органов. А вот французская Areva, выигравшая у нас тендер на строительство реактора в Финляндии, уже на семь лет отстает от графика, предусмотренного контрактом. Они никак не могут убедить Центр радиационной безопасности Финляндии (STUK) в безопасности своей станции. Мы надеемся, что проектируемая на площадке «Ханхикиви» российская станция с такими трудностями не столкнется.
— Если все пойдет так, как планируется, и у нас заработает замкнутый цикл, какова вероятность того, что к концу века 9/10 тепловой и электрической мощности в мире будут вырабатываться на ядерных реакторах?
— Надо смотреть, как в целом будет развиваться ситуация в мире. Об этом часто говорит наш директор Михаил Валентинович Ковальчук. Положение на энергетическом рынке круто изменилось с подъемом уровня потребления в тех странах, которые мы когда-то называли развивающимися. Это страны БРИКС. Индия и Китай вдвоем могут съесть столько энергии, что мы не напасемся. В этом случае, конечно, надо будет включать новые ресурсы. Возможно изменение моды энергопотребления: чтобы не бензин лить в машины, а, скажем, развивать водородные или электромобили. Ведь водород тоже может быть продуктом ядерной энергетики.
Энергетический рынок может стать очень емким. Сейчас мы находимся в стадии стагнации. Всерьез рассуждаем о солнечных батареях, ветряках и т.д. Но строить только на них благополучие 15 млрд человек, которые будут населять Землю к концу тысячелетия, конечно, невозможно. Нужны эффективные и дешевые источники энергии, такие как атомные станции. Я думаю, что про 90% говорить не стоит, но, когда органические ресурсы станут пищевыми (а такая ситуация при сохранении темпов прироста населения не за горами), мы нефть будем есть, а не сжигать. В этом случае атомная энергетика будет достаточно востребована.
NB!
— В 2012 г. вы получили Государственную премию. Вы — специалист по ядерному материаловедению. Недавно в России была разработана фантастическая сталь, позволяющая поднять срок службы корпусов реакторов до 100 и более лет. Я сопоставил эти факты. Это мы вам спасибо должны сказать?
— Не только мне. Но и мне тоже. Комплекс работ по корпусам реакторов, оцененный Государственной премией РФ, проводился специалистами трех организаций: ЦНИИ КМ «Прометей», Курчатовского института и ЦНИИТМАШ. В результате мы добились продления сроков службы корпуса с нынешних 30–40 лет до 60 лет. А это, поверьте мне, совсем не просто.
Второе, в чем как раз больше моего труда, — создание методов отжига материала корпусов реактора ВВЭР-1000. С их помощью можно поднять ресурс ряда проблемных корпусов до тех же 60 лет.
Третье - это та сталь, о которой вы говорите. Ее автор — ЦНИИ КМ «Прометей». Но мы (и институт, и я лично) принимали в ее создании непосредственное участие. Она продержится даже не 100, а 120 лет!
Беседовал Равиль Атжанов
