Тепло технологического лидерства
Борьба с изменением климата и ростом парниковых эмиссий вновь делает актуальным вопрос ускоренного развития атомной энергетики, которая не производит выбросов СО2. Для России это открывает новые возможности экспорта технологий
В середине июля Еврокомиссия представила масштабную программу борьбы с изменением климата. Ее цель — к 2030 году сократить выбросы CO2 в Евросоюзе не менее чем на 55% по сравнению с уровнями 1990-х годов. Программа предполагает более активное использование чистых технологий, а также сокращение выбросов во всех сегментах европейской экономики, включая производство электроэнергии.
Параллельно в странах Евросоюза продолжается дискуссия о месте атомной энергетики в так называемой зеленой таксономии — разрабатываемой системе классификации технологий с точки зрения устойчивого развития, в соответствии с которой инвестиционные проекты в области «чистой» энергии будут получать финансирование на более выгодных условиях. В то время как одни политики и общественные организации выступают резко против поддержки атомной энергии, другие утверждают, что без атомных электростанций будет невозможно достичь глобальных целей по сокращению выбросов СО2.
Такие дискуссии ведутся не только в Европе, но и в США. Так, среди сторонников атомной энергетики оказался, например, основатель компании Microsoft Билл Гейтс. В середине февраля в интервью Национальной общественной вещательной корпорации Австралии он отметил, что солнечная и ветровая энергетика пока не могут обеспечить бесперебойные поставки энергии — из-за сезонности и нестабильности энергетических потоков, а вот атомная — вполне. Именно она может взять на себя функцию сохранения климата.
С Гейтсом согласны многие эксперты: в течение своего жизненного цикла атомные электростанции производят столько же эквивалента СО2 на единицу электроэнергии, сколько ветроэнергетика, и втрое меньше по сравнению с солнечными электростанциями.
Есть и наглядные примеры: сегодня во Франции 70% электричества вырабатывается на АЭС, при этом выбросы СО2 в энергетике составляют одну шестую от среднего показателя по Европе.
Активизация развития мировой атомной энергетики откроет для России огромные возможности, и не только как для главного игрока в строительстве атомных энергоблоков. Госкорпорация «Росатом» является одним из мировых лидеров на рынке ядерного топлива, причем именно новые технологии ядерного топливного цикла создают задел для технологического отрыва от конкурентов.
В дамках
С середины 2000-х Россия вырвалась в мировые лидеры на рынке строительства новых атомных мощностей. Портфель активных проектов «Росатома» насчитывает 35 реакторов в 12 странах.
Строительство новых атомных энергоблоков и конкуренция на мировом рынке стимулируют развитие наукоемких технологий в России по всей производственной цепочке. Специфика атомных станций в том, что в отличие от других видов электрогенерации их топливом является не природное сырье, как газ или уголь, и не природные потоки (вода, ветер, солнце), а высокотехнологичная машиностроительная продукция — тепловыделяющие сборки с обогащенным ураном.
Основным компонентом для ядерного топлива служит уран-235, но в природе он встречается в очень небольших количествах, составляя менее одного процента от природного урана. Остальной металл — уран-238. Чтобы природный уран можно было использовать в качестве топлива, его обогащают, увеличивая концентрацию урана-235 примерно до 3–5%, в отдельных случаях больше. Для того чтобы обогатить уран в каскадах газовых центрифуг, его очищают и переводят в газообразное состояние. После обогащения уран вновь приобретает твердое состояние в форме порошка, который спекают при температуре более 1200 °С в топливные таблетки и упаковывают в циркониевые трубки, из которых формируют тепловыделяющие сборки — собственно ядерное топливо. Один грамм обогащенного урана сопоставим по теплотворности с тремя тоннами каменного угля. Огромная теплотворность этого металла при делении и позволила ему создать новую отрасль в энергетике.
Технологиями ядерного топливного цикла на высоком уровне владеют всего несколько ключевых игроков на мировом рынке.
Таким образом, строительство за рубежом АЭС российского дизайна — это еще и новые рынки сбыта для российского ядерного топлива. Причем на жизненном цикле валютная выручка для России от экспорта топлива может быть даже выше, чем доходы от инжиниринговых контрактов. Как отмечала президент Топливной компании «Росатома» ТВЭЛ Наталья Никипелова, строится энергоблок в среднем пять лет, а топливо для этого реактора может поставляться еще как минимум 60 лет.
Сейчас на долю «Росатома» в лице ТВЭЛ приходится 17% мирового рынка ядерного топлива, главным образом это реакторы российского дизайна ВВЭР. В 2020 году выручка ТВЭЛ от поставок ядерного топлива и прочей ураносодержащей продукции составила 164 млрд рублей (около 2,3 млрд долларов по средневзвешенному курсу), при этом десятилетний портфель заказов на ядерную продукцию составляет 15,7 млрд долларов.
Компании ТВЭЛ, на базе которой был создан топливный дивизион «Росатома», в этом году исполняется 25 лет, и ее история в полной мере отражает то, как Россия в постсоветское время заново выстраивала управление стратегической атомной отраслью, состоящей из предприятий бывшего Минсредмаша СССР. Первоначально в 1996 году в состав компании вошли четыре завода.
«ТВЭЛ был создан как единый поставщик российского топлива. До этого каждый завод имел собственные экспортные контракты на экспорт топлива и, соответственно, отдельные контракты на закупку сырья и комплектующих. Получалось, что государственные заводы конкурировали между собой на рынке, не имели единой политики управления запасами, НИОКР и так далее. Создание единой компании убрало все эти противоречия — появилось не только единое окно продаж, но и единая политика в области качества, консолидированные закупки и так далее», — говорит главный редактор специализированного ресурса AtomInfo Александр Уваров.
Позже, когда становлением «Росатома» руководил Сергей Кириенко, в состав топливной компании вошли заводы по конверсии и обогащению урана, производители газовых центрифуг для разделения изотопов, научно-исследовательские и конструкторские организации — всего более 40 предприятий.
«Российская стратегия вертикальной интеграции в атомной отрасли оказалась успешной, — считает Александр Уваров. — По факту это обеспечивает России конкурентное преимущество. Если брать рынки ядерного топлива и его компонентов, то сегодня в мире нет других компаний, которые, как ТВЭЛ, объединяли бы и конверсию с обогащением урана, и фабрикацию топлива. Это дает максимальную гибкость и в ценообразовании, и в формировании рыночного предложения».
Новый дизайн — новые рынки
По мере того как на рынке ядерного топлива усиливается международная конкуренция, на первый план выходят вопросы технологического лидерства.
«Преимущество атомной энергетики в том, что у вас есть возможность быстро, без больших затрат и инвестиций увеличить эффективность, надежность и даже мощность энергоблока за счет новых решений по топливу и топливному циклу, — подчеркивает президент ТВЭЛ Наталья Никипелова. — Ядерное топливо — это наукоемкая продукция, которая все время совершенствуется, в отличие от других энергоносителей. И наша задача как поставщика и производителя — постоянно предлагать операторам АЭС новые конструкции и модификации топлива, которые помогут улучшить их экономику».
Традиционные рынки экспорта российского топлива и инжиниринговых услуг — энергоблоки с реакторами ВВЭР, построенные по российскому проекту. Пока большинство из них еще приходится на страны Центральной и Восточной Европы, Финляндию и бывшие советские республики, где они были построены или начинали строиться еще в советское время. Восемнадцать реакторов ВВЭР в странах Евросоюза, пятнадцать — на Украине, один в Армении, один в Белоруссии и еще семь — в странах Азии (Индия, Иран, Китай).
Для реакторов ВВЭР-440, наиболее старой модели из работающих за рубежом установок российского дизайна, «Росатом» регулярно предлагает новое топливо с улучшенными характеристиками, которое может сделать работу АЭС более эффективной. Сейчас ТВЭЛ параллельно реализует несколько инжиниринговых проектов по разработке и внедрению новых модификаций топлива ВВЭР-440 в Венгрии, Финляндии, Словакии и Чехии. Такие проекты особенно актуальны для стран, где атомная энергетика занимает значительное место в энергобалансе (в частности, в Венгрии это 50% выработки в национальной энергосистеме, в Словакии — порядка 55%).
Флагманский российский продукт — топливо для реакторов ВВЭР-1000. Это более мощные и современные энергоблоки. Для этого парка реакторов также предлагается топливо нового, четвертого, поколения. Примеры внедрения усовершенствованного топлива есть в России и Болгарии, а также в Чехии. Например, в Болгарии внедрение на шестом блоке АЭС «Козлодуй» топлива ТВСА-12 позволило повысить мощность энергоблока до 104% от номинальной.
Принцип постоянного совершенствования топлива заложен и в подписанных контрактах на поставки ядерного топлива для строящихся зарубежных энергоблоков с наиболее современными реакторами ВВЭР-1200.
Однако помимо задач удержания позиций на традиционных рынках в «Росатоме» рассматривают выход на рынки реакторов зарубежного дизайна. Для этих целей была создана конструкция топлива российской генетики для реакторов PWR — «ТВС-Квадрат». Это топливо названо так, потому что имеет квадратное сечение — у водо-водяных реакторов российского дизайна в сечении шестигранник.
В 2020 году был завершен полный цикл облучения опытных тепловых сборок на одной из АЭС в Швеции. Ожидается, что после завершения послереакторных испытаний новые топливные сборки будут готовы к экспортным поставкам. При этом если реакторов ВВЭР в мире сейчас всего 64 (на действующих энергоблоках), то реакторов PWR — 239, этот рынок больше в 3,7 раза.
Использованное топливо — в дело
Производители ядерного топлива по всему миру пытаются не только усовершенствовать имеющиеся продукты, но и решить проблему уже отработавшего топлива. Это будет не только отвечать целям устойчивого развития ООН, но и означать кратное расширение ресурсной базы атомной энергетики, сбережение запасов природного урана, повторное использование отработавшего ядерного топлива вместо хранения.
В данном случае Россия имеет ряд преимуществ, поскольку дальше всех продвинулась в технологии реакторов на быстрых нейтронах. Промышленные «быстрые» реакторы большой мощности сейчас есть только в России, другие страны либо строят свои первые коммерческие блоки с такими установками, как Китай, либо только ведут научные исследования в этой области. Преимущество «быстрых» реакторов — способность эффективно использовать для производства энергии вторичные продукты топливного цикла (в частности, плутоний). При этом, обладая высоким коэффициентом воспроизводства, такие реакторы могут производить больше потенциального топлива, чем потребляют, а также «дожигать» (то есть утилизировать с выработкой энергии) высокоактивные трансурановые элементы, образующиеся в результате ядерной реакции.
Технологии топлива для «быстрых» реакторов позволяют использовать отработавшие сборки для производства свежего «горючего». Сейчас, например, в «Росатоме» реализуется проект по переводу реактора БН-800 на Белоярской АЭС на уран-плутониевое МОКС-топливо, которое производится из оксидов обедненного урана и плутония, наработанного в энергетическом реакторе. В свою очередь, инновационный реактор БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем, строительство которого началось в июне этого года в Северске Томской области, будет работать на плотном нитридном СНУП-топливе, таблетки которого также будут изготавливаться на основе плутония и обедненного урана.
Повторное вовлечение в топливный цикл обедненного урана также позволяет решить проблему так называемых урановых хвостов. За годы существования атомной энергетики на складах обогатительных комбинатов скопились огромные запасы «отвального» обедненного урана в форме гексафторида (соединение урана со фтором), который остается после обогащения урана на центрифугах. Например, в России это более миллиона тонн. Производство уран-плутониевого топлива поможет не только поэтапно ликвидировать запасы «отвального» урана, но и обеспечить топливом парк «быстрых» реакторов на многие годы вперед. Для этого в «Росатоме» реализуется программа строительства мощностей по переработке обедненного урана из гексафторида в оксид, пригодный для использования в ядерном топливном цикле.
Благодаря технологиям ядерного рециклинга с использованием обедненного и регенерированного урана количество энергии, которую человечество может получить от запасов природного урана, увеличивается более чем в сто раз — содержание радиоизотопа уран-235, который сейчас используется для выработки энергии в реакторе, в природе составляет менее 1%, в то время как оставшиеся более 90% — это стабильный изотоп уран-238.
Преимущества российских технологий быстрых реакторов и ядерного рециклинга будут продемонстрированы на площадке Сибирского химического комбината в Северске, где строится опытный демонстрационный энергетический комплекс в рамках стратегического проекта «Росатома» «Прорыв». Он станет первой в мире площадкой, где будут совмещены и инновационный атомный энергоблок с «быстрым» реактором мощностью 300 МВт БРЕСТ-ОД-300, и пристанционный замкнутый ядерный топливный цикл — завод по производству ядерного топлива, и модуль по переработке отработавшего топлива. Облученное топливо после переработки будет направляться на рефабрикацию (то есть повторное изготовление свежего топлива) — таким образом, эта система постепенно станет практически автономной и независимой от внешних поставок энергоресурсов.
«Технологии проекта “Прорыв” — это не только инновационное топливо, но и более эффективные и экономически привлекательные радиохимические технологии переработки облученного топлива и обращения с отходами. Именно они в комплексе позволят сделать атомную энергетику будущего фактически возобновляемой и практически безотходной в производственной цепочке», — отмечает Наталья Никипелова.
Технологии ядерного рециклинга применимы не только к «быстрым» реакторам, но и к тепловым реакторам вроде российских ВВЭР, составляющим основу современной атомной энергетики. Сегодня в «Росатоме» на базе двух комбинатов — СХК в Северске и ГХК в Железногорске — создано экспериментальное производства уран-плутониевого РЕМИКС-топлива для ВВЭР-1000. РЕМИКС-топливо изготавливается из регенерированного урана и плутония.
Преимуществ у него много: во-первых, позволяет использовать в реакторах одновременно и регенерированный уран, и плутоний, то есть можно их не разделять при извлечении из отработанного топлива. Во-вторых, плутония там примерно столько же, сколько образуется в ходе эксплуатации обычного топлива, а значит, его использование не потребует серьезных модификаций реактора.
В Северске уже началась сборка первых топливных кассет с РЕМИКС-топливом, которые планируется испытать в одном из российских реакторов ВВЭР-1000. Первичные испытания экспериментальных сборок с отдельными твэлами на базе РЕМИКС-топлива показали хорошие результаты на Балаковской АЭС, теперь российские атомщики планируют загрузить полноценные топливные кассеты. Учитывая, что за пределами России работает более 40 реакторов ВВЭР и строится целый ряд энергоблоков российского дизайна, эта технология также имеет большой экспортный потенциал.
Безопасное топливо
Впрочем, есть еще один вид топлива, которое претендует на титул топлива будущего и определенно является одной из самых ожидаемых разработок на международном рынке, — это толерантное топливо (ATF). Ученые всех стран еще со времен фукусимской аварии пытаются решить задачу исключения взрывоопасного водорода в случае аварийной ситуации. Этот газ выделяется из-за взаимодействия перегретого пара и циркония, который сейчас применяется для создания оболочек топлива. И именно его скопление в случае нештатной ситуации ведет к взрыву в реакторе.
Для решения проблемы можно, например, использовать новые материалы с более высокой теплопроводностью, наносить на циркониевые оболочки тепловыделяющих элементов жаростойкие защитные покрытия или применять новые конструкционные материалы, не содержащие циркония. В России уже завершили второй цикл облучения сборок с толерантным топливом для реакторов ВВЭР и PWR в исследовательском реакторе.
По прогнозам экспертов ОЭСР, ATF может занять ведущие роли на рынке ядерного топлива уже через десять-двадцать лет. Это очень короткий срок в консервативной отрасли, где только на реакторные исследования и подготовку к ним может уйти десятилетие.
«Каким будет ядерное топливо нового поколения безопасности, зависит не только от технических свойств разработки, но и от экономического эффекта для АЭС от внедрения нового топлива. Существуют варианты, при которых ATF может быть шансом улучшить как безопасность, так и экономику реактора. Для этого есть два основных пути: удлинение топливных циклов и снижение себестоимости топлива. Использование более плотного топлива для ATF сделает возможным оба варианта», — отмечает Наталья Никипелова.
3D-печать и другие технологии будущего в производстве
Появление новых типов топлива меняет и традиционное производство. Создаются новые производственные участки и линии с инновационными решениями, перспективные виды продукции требуют полной автоматизации, а стремление использовать лучшие технологические достижения предполагает использование в производстве возможностей 3D-печати.
В конце декабря 2020 года в Москве на площадке Московского завода полиметаллов был открыт первый Центр аддитивных технологий компании «Русатом — Аддитивные технологии», созданной в структуре ТВЭЛ. Это первое в стране промышленное производство в области 3D-печати, созданное на базе отечественных технологий и оборудования. Центр укомплектован только российскими принтерами. К 2030 году запланировано открытие десяти подобных центров в структурах и на предприятиях «Росатома».
В прошлом году ТВЭЛ запустил программу внедрения 3D-технологий на предприятиях атомной отрасли. Например, планируется печать отдельных деталей для топливных сборок. Это особенно целесообразно при изготовлении деталей сложной конструкции. Компания прорабатывает возможность создания на 3D-принтере фильтра, который защищает топливо от так называемых дебриз-повреждений, связанных с попаданием в активную зону реактора посторонних частиц. Использование передовых технологий позволит значительно сократить время изготовления такой детали. А внедрение аддитивных технологий в традиционное производство знаменует переход к новой индустрии.
Имеющийся технологический задел и постоянное внедрение инноваций позволят и «Росатому», и России как государству претендовать на ведущие позиции не только в атомной энергетике, но и в экологической повестке благодаря снижению выбросов углерода. Россия имеет все необходимые технологии, а также мощную научную базу для лидерства в декарбонизации энергетики.
Фото: предоставлены пресс-службой компании ТВЭЛ
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl