Критические заметки: история, проблемы и перспективы ядерной наукии и техники
Дата: 07/10/2019
Тема: Атомная наука


В.М.Мурогов

Предлагаемая статья не содержит новых расчетно-экспериментальных научных результатов.В работе сделана попытка на основе упрощенного феноменологического подхода проанализировать методологию историй развития ядерной науки и техники,  противоречия и проблемы без разрешения которых не состоятельны обсуждения сценарии полномасштабного  развития  ядерной энергетики ЯЭ.


Молодое поколение – должно видеть противоречия развития ЯЭ и их причины. «Развитие – единство и борьба противоречий.» Наука необходима там, где необходимо разрешать противоречия , наблюдаемые в развитии.

«Выходом из критической ситуации является тщательная феноменологическая работа В случае историко-научного исследования в качестве феномена могут выступать: формирование новой парадигмы, коммуникация в научном сообществе, смена картины мира, научная революция, открытие или изобретение - словом, любой объект, который требует прояснения своей сущности».?(?Эдмунд Г.)

Если все прекрасно, нет проблем – то наука не нужна. Тогда нет развития, есть масштабные промышленные проекты, т.е. – эволюция, научный застой ,нет причин и необходимости инноваций. .Необходимы дисциплинированные исполнители и знание стандартов. Научный застой - творческие личности не востребованы .

Давайте с этих двух позиций взглянем на современную ядерную науку и технологию (Тем более для меня это возможность взгляда изнутри : 40 лет работать в отрасли от лаборанта – до руководителя и и 8 лет работы в руководстве МАГАТЭ – взгляд снаружи).

Фактическая информация

За более чем 75 развития реакторостроения и затем ЯЭУ (АЭС ) – ЯЭ стала промышленной отраслью , сравнимой по вкладу в производство электроэнегии в мире с гидроэнергетикой.

Рост мощностей АЭС в мире (по регионам) и число новых ежегодных строек АЭС [3]

ЯЭ — Передовой фронт промышленного развития в 30 наиболее развитых в промышленном отношении стран. Под эгидой МАГАТЭ многие новые в ядерном отношении страны “NEWCOMERS” планируют развитие и использование ядерных технологий и строительство АЭС. В этой связи Росатом откликнулся на предложение стран построить 32 новых АЭС (из всего планируемых Росатомом 36) в 12 странах. Это очень важно, если учесть, что 100 стран в мире импортируют более 50% энергоресурсов, а 40 стран не имеют собственных источников энергии.

Энергетическая зависимость стран в мире

Необходимо отметить , что на долю России сейчас приходится более 50% мирового ядерного «рынка»(проектирование и строительство АЭС , производство и поставки оборудования, топливных материалов, услуги по обогащению и т.п.).

ЯЭ достигло стабильного состояния – в мире 450 ± 5 блоков суммарной мощностью около 395 ГВт-эл , около 50 блоков в стадии строительства

С другой стороны, ядерное оружие, NPT, МАГАТЭ, другие ядерные организации,– обеспечивают новый мировой порядок (глобальный мир), 5 великих ядерных держав ( США , Россия ,Китай , Франция ,Англия) – являются основой Совета Безопасности ООН – базис международного режима безопасности.

В то же время, наряду с плановым строительством около 50 блоков АЭС еще больше число старых блоков готовится к выводу из эксплуатации. Если мы глянем на прогноз по регионам (Рис. ниже ) мы увидим картину «денуклеаризации» стран старого света – Зап. Европы и Сев. Америки ( 2/3 блоков в Зап. Европе будут выводится из эксплуатации в следующие 15 лет).

Прогноз  масштабов ЯЭ в мире по регионам (Max and Min)

Доля ЯЭ в общем энергетическом «багаже» в мире снижается

Масштаб и сокращение доли АЭС в производстве электроэнергии в мире  в настоящее время и в перспективе  до 2030г.(прогноз)

Такая «ядерная держава» как Китай – строит около 40 % всех АЭС в мире – до 20, но доля ЯЭ в электро -энергетическом балансе Китая менее 4%. Основная доля уголь – 65%, Гидро -20%, Ветер - 4%, ЯЭ – 3,5%.

Электро- энергетический баланс Китая

Более того 100 лет назад великий ученый Владимир Иванович Вернадский – не зная о нейтронах, о делении ядер урана, без доказательств возникновения цепной реакции - на основании изученных свойств ядерных реакций (радий) предсказывал «Золотой век» человечества- без дефицита энергии, при избытке продуктов питания, новом уровне обеспечения здоровья люде и т.д.

Но уже в 1922 г при открытии Радиевого института, созданном по его инициативе в С.-Петербурге, он говорил, что человечество может получит не только «золотой век», но и откроет дверь в возможность самоуничтожения, создав «глобальное» оружие. «Сможет ли человечество овладеть этой мощной силой природы без опасности самоуничтожения ?.» /В.И.Вернадский/

Вернадский В.И.  Из доклада на открытии Радиевого института. 1922 г. [2]

С 1945г началось промышленное производство ядерного оружия (ЯО) В мире было создано до 85 тыс.единиц ЯО. Построен атомный подводный (АПЛ) и надводный флот с ЯЭУ – более 1000 ЯР малой мощности. Плюс баллистические ракеты с ЯО – глобальное оружие ядерной триады.

 

1945

1953

Но энергетическую основу современная цивилизация по-прежнему составляет органическое топливо (нефть, газ, уголь )– более 85% общего энергетического баланс , до 70% в выработке электроэнергетике, при доле ЯЭ – около 6%.

Проблемы полномасштабного развития ЯЭ

Одна из основных причин в том ,что ЯЭ не решила свои внутренние проблемы. Попытаюсь показать вам уровень и объем проблем, без решения которых мы не достигнем «золотого века».

Мы начали массово развивать ядерную промышленность на основе конверсии оборонной ядерной технологии., не дождавшись достаточного уровня развития ядерной энергетической науки как Школы ядерных реакторов. Эта Реакторная Школа не успела вырасти, как мы ее капитализировали, в погоне за прибылью.

 История Чернобыля – запоздалая трагическая иллюстрация к этой ситуации. Необходимость интенсивного развития энергетики при промышленном росте в СССР в 60-годы до 8-10 % в год требовало массового строительства в стране АЭС -особенно в ее Европейской части (газо- и нефте- проводы из-за Урала еще не работали. Резервы гидроэнергетики в Европейской части практически были исчерпаны, оставались реки Восточной Сибири и Дальнего востока). Потенциальные возможности ЯЭ оказались как нельзя кстати. Однако возможности массового строительства достаточно отработанных и проверенных на опыте АПЛ ЯР типа ВВЭР были ограничены индустрией их корпусов (1-2 корпуса ВВЭР 1000 в год на Ижорском заводе). Промышленное развитие страны требовало пуска до 4-х блоков по 1000 МВт-эл в год. Ядерная отрасль предложила выход для решения проблемы - развернуть массовое строительство АЭС на базе реакторов РБМК (реакторы большой мощности- канальные) , используя опять же опыт оборонной промышленности – Сибирских реакторов для наработки оружейного плутония (научный руководитель - ИАЭ, главный конструктор НИКИЭТ) Стоимость КВТ-эл установленной мощности для такого реактора по тогдашним оценкам составлял около 200 долл на КВТ-эл.- один из самых низких в энергетике.

Проектировщики , разработчики и конструкторы реакторов РБМК говорили и писали об их высокой безопасности: «Можно строить хоть на Красной площади». Ученые не обманывали говоря об абсолютной безопасности РБМК. Они не обманывали, они сами не знали истины.

Они в это «верили», они еще не имели инструмента анализа «нейтроники» этих ЯР. Не только экспериментальных , но и корректных расчетных– математических программ.. А как известно степень «вера» - это мера «незнания». Для детального корректного расчета таких систем, каким является реактор РБМК в РЗ приближении требовалось непрерывной работы около 800 часов лучшей нашей ЭВМ того времени -БЭСМ -6 .Проводившиеся упрощенные расчеты в Р1 приближении не могли в принципе обнаружить «тонкие» переходные процессы в ЯР РБМК -1000.

Однако среди конструкторов РБМК большой мощности царила эйфория. Уже был готов проект, а затем построен РБМК-1600 для Игналинской АЭС в Литве (в отличии от ВВЭР реакторы типа РБМК планировалось строить только на территории СССР). Готовился проект АЭС с самым мощным в мире блоком РБМК-2400 как основы будущего развития ЯЭ в нашей стране.

После Чернобыля – новые реакторы РБМК больше не строились., а работавшие на Украине и в Литве были остановлены.

Сейчас 95% всех строящихся ядерных реакторов на АЭС в мире – водо водяные PWR, BWR (ВВЭР) Это позволило , как уже упоминалось, реализовать развитие ЯЭ на базе промышленно освоенного оборудования для этих АЭС

Однако, в итоге – остались не решены системные проблемы развития ЯЭ как элемента общей энергетики, которые первоначально выдвигались «пионерами» ЯЭ как ее принципиальные преимущества. (Парадокс !).

На поиск решения этих проблем дальнейшего развития ЯЭ направлены два крупнейших международных проекта 21-го века ИНПРО и GIF-4 (Генерация -4 )

Базовые документы двух основных международных проектов – ИНПРО (INPRO) и Генерация-4 (GIF-4)

Задачи создания и   требования к АЭС 4-го поколения

Ресурсы – основа энергетической стабильности

Запас энергетического урана на базе PWR, BWR менее запасов нефти., т.к. этот тип тепловых реакторов использует только около 0,5% энергетических запасов природного урана.

Энергетический потенциал в мире традиционных энергоисточников и ЯЭ на уране-235

Принципиальная возможность решение проблем использования практически неограниченных ресурсов природных урана и тория на базе наработки вторичных «искусственных» делящихся изотопов ( плутония и урана-233 -соответственно) в ЯР известна с 40-ых годов прошлого века. Для решения этой проблемы необходимо создание ЯР-бридеров, работающих в замкнутом ядерном топливном цикле (ЗЯТЦ) с наработкой и повторным использованием вторичных делящихся изотопов.

Схема реализации замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ)

Как известно, первый реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый жидким металлом, был пущен ещё на заре развития ЯЭ: в 1946 г. (США, ANL) и в 1956 г. в СССР (БР-2, ФЭИ).

Прошло более 75 лет разработок и исследований - сейчас в мире работают только два энергетических реактора на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800 в России) из общего числа блоков в ЯЭ – около 450.

Работают они в основном на уране -235 (как и ВВЭР) и не являются бридерами, поскольку их ядерный топливный цикл (ЯТЦ) - не замкнут (выделенный при переработке ОЯТ плутоний повторно в них в промышленном масштабе не используется).

Разработка технологии ЗЯТЦ в ЯЭ для мирных целей явилась, как и в случае создания АЭС, конверсии «оружейной» технологии, созданной для наработки изотопно-чистого «оружейного» плутония. Там требовались килограммовые количества изотопно-чистого плутония-239, а ЗЯТЦ должен использовать тонны «энергетического» плутония смешанного изотопного состава, в т .ч. из ОЯТ водо-водяных реакторов.

Замкнутый ЯТЦ по Pu в ЯЭ до сих пор не создан на промышленном коммерчески приемлемом уровне

Более того, эта возможность получения плутония «оружейного» качества на основе использования традиционной «водной» радиохимии , развитой с 40-ых годов на мирные энергетические технологии заложил основы риска «ядерного распространения».

Попытка в США 1964-68 годах разработать и реализовать на базе быстрого реактора EBR-2 замкнутый «безводный» ЯТЦ на основе инновационной интеграции БР и технологии пирометаллургии и электрохимии ( Integral Fuel Cycle – IFC ) оказалась промышленно и «рыночно» не приемлемой.

Безопасность установок ЯЭ

Полномасштабное развитие ЯЭ на базе решения перечисленных проблем (стабильность - практическая неограниченность ресурсов, бридеры в замкнутом ЯТЦ,) возможно только при гарантированном обеспечении ядерной и радиационной безопасности АЭС и предприятий ЯТЦ.

Анализ развития ЯЭ показал явную зависимость конкурентоспособности ЯЭ от реализации перечисленных факторов. Как известно, на начальном этапе развития ЯЭ с использованием созданной оборонной «ядерной» платформы (топливная и промышленная инфраструктура, образование и подготовка кадров) стоимость КВт установленной мощности АЭС с водо-водяными реакторами составляла около 200 долл. на КВт. Современное значение – до 4000 долл. на КВт. В чем основная причина такого огромного роста (кроме инфляции) – в 20 раз?

По оценке NRC (США), одно только удовлетворение возрастающих требований «инженерной» безопасности привело к ежегодному росту стоимости выработки электроэнергии на АЭС на 10-12 %. С учетом дополнительных «пенальти» на ЯЭ, не существующих для традиционной энергетики, «рынок» (рыночная экономика) начинает избавляться от этой неконкурентоспособной технологии. Это рационально с точки зрения рынка. Но в действительности практическое использование ядерной энергии начиналось как важнейшая государственная задача. И именно так продолжается в области ядерного вооружения. А ЯЭ передали на откуп рынка . В результате при числе блоков АЭС менее 500 сохраняется приемлемый риск тяжелых ядерно- радиационных аварий на уровне ЯР ~ 10 -5 (4 круга катастроф ( Маяк - Three Mile Island – Чернобыль – Фукусима)).

Если мы ожидаем ,что ЯЭ сыграет свою роль «чистого» источника энергии в сохранении климата, то для этого уровень развития ЯЭ в мире по различным оценкам должен быть около 5 000 - 10 000 ГВт-эл к 2100 году (вырастет в 25 раз). Последние оценки, выполненные представителями ядерных отраслей лишь «старого света» показали, что для подготовки к решению этой задачи доля ЯЭ в странах ЕС и США должна составить 20-25%, т.е. к 2050 г надо дополнительно построить не менее 1500 ГВт ( утроить существующие мощности).

Что будет с уровнем риска тяжелой ядерной аварии ( современный уровень риска аварии на ж-д, составляет около 10 -11, но мы регулярно слышим об авариях на ж-д, но это конечно не ядерные аварии ).

Отходы радиоактивные

 На начальном этапе развития мирного использования ЯЭ считалось что ядерные отходы дают преимущество ЯЭ в силу своей высокой концентрации, ограниченности по объему (с возможностью строгого контроля, учета и изоляции) и постепенному радиоактивному распаду.

Но присутствие долгоживущих высокоактивных осколков и актиноидов (в первую очередь, плутония) – требует долговременного контролируемого захоронением радиоактивных отходов (на сотни тысяч и миллионы лет) – что не имеет аналогов в истории человечества. Не случайно в МАГАТЭ создана и развивается приоритетная программа сохранения ядерных знаний для следующих поколений, в том числе для уникального долговременного сохранения знаний по захоронению отходов .

Только Финляндия и Швеция подошли к реальному решению контролируемого хранилища ОЯТ без переработки. До сих пор нет промышленного решения этих проблем ( с переработкой или без оного , навечно или с возможностью контроля и доступа ).

Что касается технологии трансмутации долгоживущих высокоактивных изотопов, - то для реализации этого процесса требуются специальные быстрые реакторы с большим избытком нейтронов (так называемые быстрые реакторы – выжигатели), которые пока что существуют только на концептуальном уровне .

Ядерное нераспространение

Если перечисленные проблемы - ограниченность ресурсов и необходимость разработки реакторов- бридеров, развитие и реализации технологии реализации ЗЯТЦ, обращение с отходами ,обеспечение приемлемого уровня ядерной и радиационной безопасности установок и технологий АЭС и ЗЯТЦ, по мнению многих экспертов являются технико-экономическими , т.е. решаемыми при наличии времени, средств и специалистов, то для такой проблемы , как обеспечение «ядерного нераспространения» не существует гарантии возможности 100% решения.

Известно , что наиболее «чувствительными» технологиями являются технологии ЯТЦ «обогащение» и «радиохимия» .Дело в том, что переработка ОЯТ в замкнутом ЯТЦ приведет в рамках рассматриваемой сейчас двух-компонентной модели развития ЯЭ дополнительно к существующей «чувствительной» технологии обогащения урана еще одной «чувствительной» технологии - радиохимической переработке, т.е. к выделению в явном виде из «горы» облученного топлива двух потенциально опасных, с точки зрения нарушения режима нераспространения, материалов – плутония и высокоактивных радиоактивных материалов (продуктов деления, актиноидов и др.).То-есть продуктов потенциально пригодных для создания ОМУ или «грязных» бомб.

Как отмечалось в Заявлениях экспертных групп МАГАТЭ и Конференций ДНЯО , долговременное принципиальное решение проблемы ядерного распространения лежит в двух плоскостях:

 - Интернациализация ядерного топливного цикла ( международные Центры ЯТЦ),

 - воспитания нового менталитета как населения, так и руководства стран, стремящихся к развитию ядерных технологий .

Заявление на Итоговой Конференции Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО 2010 г.)

Выводы

Как писал еще в 1955 г. академик П.Л. Капица, нельзя без смены научно-технического принципа преобразования ядерной энергии в электрическую создать конкурентоспособные новые энергоблоки АЭС .

Достижение полномасштабного уровня развития ЯЭ, способной решить социально-экономические и экологические проблемы - вызовы, стоящие перед человечеством, потребует принципиально новой концепции развития ЯЭ и её ядерного топливного цикла . Не менее серьезной задачей нашего общества является воспитание нового менталитета, вступившего в ядерный век человечества.

«… Достигнутые успехи науки и техники в использовании атомной энергии, несомненно, по своей значимости отмечают новую эру в культуре человечества, Главное значение технического использования атомных процессов это то, что в руки человечества дан новый могущественный источник энергии... То, что происходит сейчас, когда атомную энергию расценивают первым делом как средство уничтожения людей, так же мелко и нелепо, как видеть главное значение электричества в возможности постройки электрического стула. Атомная энергия для бомб будет так же мало применяться в будущем, как электричество для электроказни… Главное значение в применении атомной энергии лежит в мирных культурных целях, где ей предстоит революционизировать энергетику и ряд ведущих областей техники….» П.Л.Капица . Документы и материалы. «К истории мирного использования атомной энергии в СССР 1944-1951».Сборник. Обнинск. ГНЦ-ФЭИ. 1994.

Используемые источники

1.    Вернадский В.И. Собрание сочинений. //Т.1. М. «Наука». 2013. Стр.504.

2.    Вернадский В.И. «Очерки и речи». //Вып. 1. Пг. 1922.

3.    Андрианов А.А. и др. «Ядерные технологии: история, состояние, перспективы».//М. НИЯУМИФИ. 2012. 180 стр.

4.    Victor Murogov” The History of Nuclear Science and Technology. Theses of Simplified Analysis.” [электронныйресурс]- URL: http://www.atominfo.ru/ ; 2018

5.    Болдырев В.М. «Возобновляемые источники энергии, органическое топливо и экологичная атомная энергетика», докладу на «Десятой Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики»//Москва. 25-27.05.2016.

6.    IEA meeting considers future of nuclear.  World Nuclear News, July 2018.

7.    Salvatores M. at al.  ”How much can nuclear energy do about global warming”. Int. J. Global Energy Issues.Vol 40,No ½, 2017

8.    Капица П.Л. «Ядерная энергия»,статья, запрещенная ЦК КПСС  к изданию. 1955 г.

9.    Капица П.Л. «Эксперимент, теория, практика»//М. «Наука», 1981. Стр.430.

10.  10.Башкиров Д. Основные проблемы ЗЯТЦ и пути их преодоления. [электронный ресурс]- URL: WWW.proatom.ru; 2018.

Текст статьи приводится с некоторыми сокращениями. Полная версия будет опубликована в одном из выпусков «Атомной стратегии»







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8808