С большой силой приходит большая ответственность — это не фраза дяди Бена из «Человека-паука», а древнеримский афоризм, высказанный еще до нашей эры.
Уже тогда люди понимали: если в руках сила и власть, то к этому нужно относиться предельно ответственно и осторожно, и даже так все равно будут возникать разного рода неприятности.
И это естественный процесс…
Вот только наше поколение решило проигнорировать это фундаментальное обстоятельство и возвело атомную энергию в ранг опасной, проблемной и никому не нужной технологии производства энергии.
И вместо того, чтобы решать проблемы, совершенствовать конструкцию и безопасность реакторов, весь так называемый цивилизованный мир впал в состояние истерики, заявляя, что атомная энергетика уничтожает планету и от неё нужно срочно избавляться.
Но как же большая ответственность? Ведь энергия атомного ядра может принести столько благ для человечества, сколько способно разрушить.
При делении атомного ядра, в основном изотопа урана-235, выделяется почти в 3 миллиона раз больше энергии, чем при сжигании угля той же массы.
Это, конечно, при 100% КПД, но тем не менее в ядерной реакции топлива, используемое для современных АЭС, на единицу массы мы получаем в 100 тысяч раз больше полезной энергии, чем при сжигании угля.
- То есть 1 условный килограмм ядерного топлива в современной АЭС выделит такое количество полезной энергии, которое мы получим от сжигания 100 тонн угля или 60 тонн нефти.
Даже дети, играясь со спичками, понимают, что могут либо зажечь свечку, либо спалить дом. Но почему тогда этого не понимают вполне взрослые люди, которые падают в эпилептический припадок от одного только слова — «атомная энергетика»?
Можно ли вменить атомной энергии то, что она может как приносить блага, так и разрушать?
Разумеется, это так и есть. Отсюда и вытекает афоризм, что обладание большой энергией влечет за собой тоже большую ответственность.
Но полезное освоение более мощных источников энергии — это то, что движет вперед человеческую цивилизацию.
За развитие нашей цивилизации, за весь наш технический прогресс стоят углеводороды: уголь, нефть, газ, энергию которых человечество поставило на поток.
- Мы смогли избавиться от маломощных источников энергии, в том числе ветряных мельниц, и совершить огромный скачок в своём развитии. За всю историю человечества мы не видели такого роста и прогресса. За XX век экономика нашей цивилизации выросла в 20 раз, а население — почти в 4 раза.
Конечно, у атомной энергетики есть свои недостатки, первое — это возможность крупной аварии, как это произошло на Чернобыльской, Фукусимской АЭС, и локальной аварии на АЭС Три-Майл-Айленд, произошедшей в 1979 году в США.
После этих катастроф, развитие атомной энергетики в мире попросту остановилось, выйдя на плато.
Многими странами атомная энергетика была признана чрезвычайно опасной, а поэтому и бесперспективной отраслью энергетики, да и к тому же с очень маленькой топливной базой, ибо урана хватит всего на 50 лет, если атомная энергетика продолжит развиваться в прежнем темпе.
Для сравнения, современные ядерные энергоблоки работают 60 лет, с дальнейшей возможностью продления их эксплуатации еще на 20 лет.
Вторая проблема АЭС — это ядерные отходы, которые после отработки в реакторе становятся предельно радиоактивными в течение 100 тысяч лет.
И логика тут была следующая: если АЭС не прекратят работу и дальше будут строиться в прежнем количестве, то ядерные отходы заполонят всю землю: почва, воздух и вода будут заражены радиацией. Такого будущего мы хотим для себя и своих детей?
И в это верили, и очень охотно, ибо перерабатывать отработавшее ядерное топливо более-менее научились (Франция, Англия, Россия), но перерабатывать уже ядерные отходы, деактивировать их радиационный фон никто не умел.
Однако сегодня мы пользуемся теми физико-химическими процессами, которые были известны еще на заре становления атомной энергетики.
В 1940-х ученые-физики-ядерщики в теории решили проблему отработанного ядерного топлива, ядерных отходов и попутно расширив топливную базу АЭС в 140 раз.
Всё, что нужно было делать, — это продолжать развивать экспериментально подтвержденные в 1940-х годах ядерные реакции.
Ядерная трансмутация химических элементов была наглядно продемонстрирована ещё в 1940-х, когда один химический элемент под действием нейтронного излучения в атомном реакторе превращается в другой.
Таким образом, можно было получать новое топливо и одновременно выжигать долгоживущие радиоактивные изотопы.
Но просто это выглядит на бумаге, а вот запустить эти реакции на практике в гражданском секторе экономики оказалось чрезвычайно сложной задачей.
Для того, чтобы ядерная энергетика была абсолютно безопасной, нужно было решить ряд высокотехнологичных задач.
Первая — это разработка реакторов нового поколения, более безопасных и эффективных.
Эта задача была выполнена, с 1996 года начали появляться реакторы поколения 3, которые потребляют на 17% меньше урана на единицу произведенной электроэнергии, чем реакторы второго поколения, и одна авария либо повреждение активной зоны случается раз в 34 миллиона лет.
А все ядерные катастрофы произошли на реакторах 2-го поколения, которые были уже коммерчески выгодны, но недостаточно отказоустойчивы, разрушение активной зоны которых происходит раз в 1300 реактора-лет.
- Введение новых правил МАГАТЭ после Фукусимской аварии подняли теоретический срок работы реакторов 2-го поколения без больших аварий до 13 000 реактора-лет.
Но это всё еще недостаточно, так как теоретически при 416 ядерных энергоблоков АЭС 2-го поколения ядерная авария будет происходить в среднем раз в 31 год.
Сегодня в мире 416 реакторов 2-го и 3-го поколений находятся в эксплуатации, и еще 59 реакторов 3-го и 3+ поколения строятся.
- 34000000 и 13000 реактора-лет — величина очень заметная.
Но в первой половине 21 века начали появляться реакторы поколения 3+, первый из которых был запущен в России на Нововоронежской АЭС в 2016 году.
Такие реакторы уже оснащены системой естественной безопасности, которая может функционировать без вмешательства персонала, просто на естественных физических законах, таких как гравитация, естественная конвекция и теплостойкость конструкции.
Они выдерживают падение крупного пассажирского самолета прямо в корпус реактора, землетрясение в 9 баллов и даже удар тактическим ядерным оружием в 100-300 метрах от здания реактора.
Да, конечно, не факт, что после бомбардировок такая АЭС останется работоспособной, но главное тут, что она останется безопасной.
Частота разрушения активной зоны у реакторов поколения 3+ превышает 1 на 100 миллионов реактора-лет, то есть они в больше чем 7,5 тысяч раз безопаснее, чем самые безопасные АЭС 2-го поколения.
Более того, Евросоюз, где засели самые активные зеленые экоактивисты, после тщательной проверки и исследования включил АЭС 3+ поколения в список зеленых технологий наряду с ветровой и солнечной энергетикой, как технологии, оказывающие минимальное воздействие на окружающую среду.
Более того, Еврокомиссия установила, что АЭС (обобщенно 2, 3 и 3+ поколения) за весь свой жизненный цикл со всеми ядерными отходами по воздействию на окружающую среду находится на уровне с ветряными электростанциями.
- CO2 уже давно стал универсальным мерилом воздействия на окружающую среду. Так, через него пересчитывается всё, начиная от ртутных загрязнений с ядерными отходами, заканчивая количеством выделения вредных веществ при содержании поголовья крупного рогатого скота. То есть это не обязательно углекислый газ, его там может и не быть вовсе, но вред окружающей среде пересчитан через него. Так, общий вред, наносимый окружающей среде, рассчитывается через эквивалент выброса СО2, этот показатель записывается как «СО2е».
Потому в ЕС с 2023 года официально разрешено строительство реакторов поколения 3+, признанных главным научным органом ЕС как безопасные.
Вторая проблема атомной энергетики — это малый запас ядерного топлива.
Цепную реакцию деления ядерного ядра в природе поддерживает изотоп урана-235, но его в урановой руде всего 0,72%, практически всё остальное — это изотоп урана-238, который фактически идет в отвал ядерной промышленности.
- В США и Великобритании делают броню танков и снаряды из обедненного урана, там содержание изотопа урана-238 99,7%.
Таким образом, из тонны добытой урановой руды на топливо для современных АЭС пойдет всего 7,2 кг урана, и то, чтобы эти килограммы получить, придется обогащать ядерное топливо до нужных концентраций.
Процесс увеличения концентрации ядер изотопа урана-235 с 0,72 до 5% и более называется обогащением и производится на газовых центрифугах.
Многокилометровые каскады газовых центрифуг работают беспрерывно 30 и более лет, обогащая уран.
Россия обладает технологией наиболее производительных газовых центрифуг, в ЕС — чуть менее производительные, самые низкопроизводительные в Китае, Иране, Пакистане и недавно появились в США.
Но ситуация с ядерным топливом не меняется, что, если бы весь извлекаемый уран можно было бы использовать как ядерное топливо? Это позволило бы расширить топливную базу АЭС в 140 раз.
И вместо 50 лет получить 7000 лет.
Работы в этом направлении шли во Франции и СССР, потом в России. Новый тип реакторов на быстрых нейтронах позволял из изотопа урана-238 получать изотоп плутония-239, который, так же как и уран-235, участвует в процессе цепной реакции деления ядерного ядра.
То есть, добавляя в реактор на быстрых нейтронах ненужный для АЭС уран-238 вместе с ядерным топливом, содержащим уран-235, то через определенное время уран-238 преобразуется в плутоний-239, то есть становится новым ядерным топливом.
Физика процесса такова, что плутония-239 в быстрых реакторах образуется больше, чем сжигается урана-235, тем самым в таком отработанном ядерном топливе соберется больше потенциального ядерного горючего, чем было до работы в АЭС.
Плутоний-239 образуется в и отходах обычных атомных станций, с соотношением примерно 0,5-0,8 к 1.
Дело за малым — извлечь этот плутоний-239 и сделать из него новое ядерное топливо.
- Делать это научились во Франции и России. Только две эти страны производят МОКС-топливо, в котором содержится плутоний-239.
Дальнейшее развитие этой технологии и использование реакторов на быстрых нейтронах продолжились в России, и сегодня реализуется первый в мире ядерный комплекс замкнутого ядерного топливного цикла, где отработанное топливо будет перерабатываться и снова использоваться в реакторе для получения энергии, и так по кругу десятки раз.
Комплекс уже частично запущен, недавно заработала фабрика по производству ядерного топлива. Полностью комплекс с реактором заработает в 2029 году.
Итак, вопрос с переработкой отработанного ядерного топлива и замыканием ядерного топливного цикла, можно сказать, практически решен, правда, пока только в России, тем не менее, «Росатом» уже озвучил, что эта технология станет коммерческой к 2040 году.
Получается, теперь ядерного топлива хватит на тысячи лет, а при большем развитии ядерной энергетики, например, весь мир перевести на атомную генерацию (не только электрической, но и тепловой энергии), то ядерного топлива хватит на 300 лет.
Но остаётся последняя проблема на пути к безопасной атомной энергетике — это высокорадиоактивные отработанные ядерные отходы. Даже при многократной переработке ядерного топлива в конечном счете в нем накапливается так много радиоактивных элементов, что его уже невозможно использовать в качестве топлива, и оно пойдет в отходы.
Что с ними делать? До недавнего времени эта проблема считалась отложенной и нерешаемой в обозримой перспективе, единственный метод — это глубинное захоронение ядерных отходов на сотни тысяч лет.
Сегодня строительством хранилища радиоактивных отходов занимается Финляндия (проект «Онкало»), идут исследования во Франции, России, Китае, США и многих странах.
Но строительство подобных хранилищ — вынужденная мера, известная ещё с 1950-х, однако в мире не торопится их реализовывать на практике.
Но есть ли альтернатива? Как оказалось, есть. Процессы превращения изотопа урана-238 в изотоп плутония-239 также возможно применить к радиоактивным отходам. Нейтронное облучение радиоактивных отходов приводит к снижению конечной радиоактивности более чем в 100 раз.
Самыми опасными радиоактивными отходами являются образование трансурановых элементов, которые сами по себе высокоактивны и имеют долгий период полураспада. Но при облучении их нейтронами они сами распадаются на менее радиоактивные элементы, что приводит к общему снижению радиоактивного фона.
Но опять-таки на практике реализовать это удалось только в России благодаря беспрерывной работе реакторов на быстрых нейтронах БН-600 (быстрый натриевый реактор электрической мощности 600 МВт) и БН-800, десятилетия исследований на которых подтвердили саму техническую возможность осуществления подобной деактивации радиоактивных отходов.
В 2019 году российские исследования были признаны экспертами МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии):
Согласно выводам МАГАТЭ, используя российский подход, можно снизить конечную радиоактивность ядерных отходов в 100–200 раз, тем самым сократить срок выдержки радиоактивных отходов со 100 тысяч лет до 1000 лет.
При этом уже через 100 лет выдержки такие переработанные радиоактивные отходы больше не будут представлять угрозы жизни человеку.
- То есть через 100 лет радиоактивные отходы становятся безопасными для человека, а через 500–1000 лет их радиоактивность падает настолько, что становится неотличима от естественного фона местной экосистемы.
И вот недавно эта технология вышла из лабораторных стен. В начале июля 2024 года в энергоблок на быстрых нейтронах БН-800 было загружено МОКС-топливо с минорными актинидами, содержащее нептуний-237 и америций-241 — наиболее радиотоксичные и долгоживущие компоненты облученного ядерного топлива.
Именно из-за минорных актинидов приходится захоранивать топливо на сотни тысяч лет. Но у реакторов на быстрых нейтронах есть возможность дожигания минорных актинидов, более того, этот тип реакторов и вовсе не производит столь радиоактивных изотопов, тем самым ядерные отходы из отработавшего ядерного топлива быстрых реакторов потребуют захоронения всего на 100 лет, а не на 100 тысяч лет, как это сейчас.
То есть первый шаг к практической реализации этой технологии уже сделан в России, выжигание самых опасных радиоактивных элементов отработавшего ядерного топлива официально стартовало.
В итоге в России на практике достигнуты все аспекты безопасности АЭС.
1. Строятся АЭС 3+ поколения и ядерные комплексы 4 поколения.
2. Разработаны новые АЭС на быстрых нейтронах 4-го поколения (БН-1200Н и БР-1200), которые тоже будут выжигать радиоактивные элементы, образующиеся при работе традиционных АЭС.
3. Освоена переработка отработанного ядерного топлива и производство из него целого семейства МОКС-топлива: РИМИКС-топливо, СНУП-топливо.
4. В совершенстве освоена технология обогащения урана и разделения прочих изотопов.
5. Начался процесс замыкания ядерного топливного цикла
6. Началась опытно-промышленная эксплуатация технологии дожигания радиоактивных отходов.
Теперь, благодаря работе российских ученых, человечеству больше не нужно бояться атомной энергетики, теперь она будет экологически чистой.
А что за выгоды это влечет для России, где мы на 20-30 лет опережаем всю мировую отрасль атомной энергетики в вопросах ядерной безопасности, — можете подсчитать сами:
- Фунт был – эпохой угля,
- Доллар – эпоха нефти,
- Рубль – будет эпохой атома?
Свежие комментарии