РОЛЬ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

В СТРАТЕГИИ РАЗВИТИЯ ЯЭ РОССИИ

Е. Адамов

23.05.2018

Системные проблемы

«старой» технологической платформы ЯЭ

1. Безопасность (EBR-I, Windscale, Three-Mile, Чернобыль, Фукусима)

2. Низкая эффективность использования добываемого природного урана

2

3. Отложенные решения по ОЯТ

4. Потеря конкурентоспособности

5. Риск переключения делящихся материалов, обращающихся в ЯТЦ,

на военные или террористические цели

Нефть 3%

Газ 3%

Уголь 5%

U235+U238 76%

ВИЭ 10%

Биотопливо3%

Нефть 31%

Газ 21%

Уголь 29%

U235 5%

ВИЭ 4%

Биотопливо 10%

3

Последствия опоздания с решением проблем ЯЭ

Ввод новых блоков АЭС за 10

последних лет примерно равен

выводу из эксплуатации и уступает

по масштабам вводу мощностей

альтернативной энергетики.

Основным барьером на пути

развития современной ЯЭ, является

проблема конкурентоспособности,

которая упирается в проблему

безопасности.

Попытки решить проблему

безопасности путём создания

дополнительных активных средств

защиты привели к снижению

конкурентоспособности ЯЭ в

сравнении с органической

энергетикой.

Задачи реакторов на быстрых нейтронах (РБН)

в двухкомпонентной ЯЭ

4

1. Техническая безопасность ЯЭ: исключение

аварий, требующих эвакуации населения может

открыть возможность крупномасштабного

развития ядерной энергетики

2. Экологическая безопасность ЯТЦ: решение

проблем обращения с ДВАО (МА и др.) и

накопления ОЯТ может снять ограничение,

связанное с общественной приемлемостью ЯЭ

3. Политическая нейтральность ЯТЦ:

технологическая поддержка режима

нераспространения может снять ограничение,

связанное с политической приемлемостью ЯЭ

4. Устойчивое топливообеспечение ЯЭ: ЗЯТЦ

может стать основой долговременной

обеспеченности ЯЭ (на тысячи лет)

топливными сырьевыми ресурсами

5. Конкурентоспособность ЯЭ

Проект «ПРОРЫВ»: исключение аварий с потерей

охлаждения и с разгоном реактора на мгновенных нейтронах

5

Интегральная конструкция РУ – позволяет локализовать течи теплоносителя в

объёме корпуса РУ и исключить осушение активной зоны. Это исключает аварии,

требующие эвакуации населения.

Запас реактивности в РУ БРЕСТ c MNIT-топливом

БН-1200-MNIT

БН-1200-MOКС

БН-800

Равновесное плотное топливо – исключение реактивностных аварий в РУ

Реакторные испытания экспериментальных

сборок с MNIT-топливом

Реактор БН-600

Поставлено на облучение 18 ЭТВС (1011-твэл), из них:

3 ЭТВС с твэлами типа БН- 600, 800

6 ЭТВС с твэлами типа ЦЗ и ПЗ БН-1200

9 ЭТВС с твэлами типа ЦЗ и ПЗ БРЕСТ

Завершено облучение 8-ми ЭТВС

Все сборки (максимальное выгорание 7,4% т.а)

сохранили герметичность

Реактор БОР-60

Поставлено на облучение 9 разборных ЭТВС, из них:

5 ЭТВС с твэлами типа БРЕСТ

2 ЭТВС с твэлами типа БН-1200

2 ЭТВС с новыми материалами оболочек твэлов (ЭК-181, ЧС-139 , ДУО)

Завершено облучение 1 ЭТВС (ОУ-1).

Реактор МИР

Поставлена на облучение инструментальная сборка из 7 твэлов, с датчиками

внутриреакторного контроля температуры центра топлива, давления газа под

оболочкой и удлинения топливного столба.

6

7 7

Экологическая безопасность ЯЭ

• Запрет на захоронение РАО, содержащих экологически значимые

количества ДВАО

• Сокращение количества хранящегося ОЯТ ТР и исключение

накопления ОЯТ БР

• Изоляция РАО

ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

• Переработка ОЯТ ТР и БР

• Трансмутация МА:

o в энергетических ядерных реакторах

o в специальных “дожигателях”

• Захоронение РАО

СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

• Исключить наработку плутония оружейного качества в

бланкетах энергетических реакторов (для стран, не

входящих в “Ядерный клуб”)

• Исключить наработку “избыточного” плутония в АЗ

• Исключить выделение чистого плутония при переработке

ОЯТ

• Минимизировать время нахождения плутония вне РУ в

процессе его обращения в ЯТЦ

Технологическое усиление режима нераспространения

ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

• БН-1200 с КВА ≈ 1 (плотное ЯТ)

• БРЕСТ-1200 с КВА ≈ 1 (плотное ЯТ)

• При водной переработке ОЯТ БР: оптимизированная

водная схема на заводе РТ-1 и водная схема на ОДЦ

• Гибридная переработка ОЯТ БР на МФР

• Пристанционный ЯТЦ

8

Требования конкурентоспособности РБН

9

Показатель

Требования

цены 2017 г.

без НДС

Мощность одного блока, МВт(э) 1220

Кгот, % 93

Шт. коэф., чел./МВт(э) 0,3

Затраты эл. энергии на собст. нужды, % 5,0

КВЛ в сооружение, тыс. руб./кВт 81,3

КВЛ 2 блока АЭС, млрд. руб. (без НДС) 198,5

Фабрикация ЯТ, тыс.руб./кг т.м. 131,9

Обращение с ОЯТ/РАО, тыс.руб./кг т.м. 81,4

Потенциал

снижения LCOE

ПГУ ~20%

Роль МОКС-топлива и РЕМИКС

С точки зрения оптимального использования топливных ресурсов

можно сформулировать следующие базовые принципы

организации ЯТЦ:

• все актиниды, как Pu, так и U, нужно использовать, как правило, в БР

• использование Pu в ВВЭР (МОКС) нецелесообразно по следующим

причинам:

o снижается база для развития ЗЯТЦ с РБН

o ухудшаются свойства Pu для РБН (увеличивается стартовая

загрузка на ~20%)

o неэффективно используется Pu, возрастает накопление

неутилизируемых МА

o возрастает величина топливной составляющей АЭС с ТР (если

не пренебрегать стоимостью Pu)

• РЕМИКС технология - известные преимущества перед МОКС

топливом существенны для однокомпонентной ЯЭ на ТР, но в

2-компонентной нивелируются; принципиальные недостатки – те же,

кроме того:

o возможно удорожание технологии дообогащения регенерата

урана в связи с необходимостью очистки от четных изотопов

10

Требования к расширению U-сырьевой базы

за счёт вовлечения Th

• Ежегодная сырьевая потребность Росатома в

эквиваленте природного урана в последние годы

составляла менее 10 тыс. т (с учетом экспортных

поставок для обеспечения работы зарубежных

АЭС). С учетом имеющихся запасов дефицита

уранового сырья в ближайшие десятилетия не

ожидается

• Интегральное потребление ресурсов урана для

развивающейся 2-компонентной ЯЭ России с

выходом на 120 ГВт(э) к 2100 г. не превысит 420 кт

при оцененных запасах со стоимостью извлечения

до 130 долл./кг на уровне 635 кт

• Вовлечение тория в ядерную энергетику, при

исчерпании урановых запасов, потребует

разработки новых технологий и создания

дорогостоящей промышленной инфраструктуры

топливного цикла

• В настоящее время отсутствуют экономические и

иные стимулы, обусловливающие переход на

торий-урановый ЯТЦ

11

Использование гибридных термоядерных

реакторов или ТИН

• Миссия ТИН может состоять в том, чтобы снизить

количество МА, передаваемое из ОЯТ ТР в ЯТЦ

РБН, в том числе забирая какие-то нуклиды,

«неудобные» для РБН

• МА могут также изыматься и при переработке

собственного ОЯТ РБН с целью улучшения

физических характеристик регенерированного

топлива.

• Ключевой момент – синхронизация работы ТИН с

переработкой ОЯТ ТР, откуда должны поступать

МА, и которая, в свою очередь, должна

синхронизироваться с ростом мощностей РБН

• Требуется уточнение топливных характеристик

РБН при использовании различных видов

топлива, которые могут быть получены во

взаимодействии ТЦ ТР и РБН

12

Мотивы приоритета РБН

• ЗЯТЦ может быть построен только на базе РБН с полным

воспроизводством топлива. Для использования 238U и получения высоких

показателей в части топливных ресурсов необходимо и достаточно иметь

КВ≥1, что в ТР недостижимо

• Сохранение безопасности ЯЭ в целом при ожидаемом увеличении

мощностей АЭС в разы требует существенного повышения безопасности

индивидуальных РУ. Это может быть достигнуто путем вовлечения РБН

естественной безопасности с инертным ЖМ теплоносителем

• Для решения проблем с ВАО необходима трансмутация минорных

актинидов (МА) в РБН, для чего требуется генерация избыточных (не

участвующих в выработке тепловой энергии) нейтронов, которая может

быть обеспечена только в РБН

• Решение задач равновесной активной зоны и трансмутации МА может быть

ускорено при использовании БН-800

13

Результаты системного исследования для

двухкомпонентной ЯЭ с выходом на 70 ГВт(э) к 2100 г.

• Продолжительность выдержки ОЯТ РБН до переработки определяет длительность внешнего

ЯТЦ РБН. Минимальная длительность внешнего ЯТЦ РБН может быть равной 2 годам

14

• Увеличение длительности внешнего ЯТЦ

РБН приводит к значительному накоплению

ОЯТ, что требует создания промежуточного

хранилища ОЯТ и дополнительных

инвестиций

• Потребление урана в ЯЭ с выходом на 70

ГВт(э) при изменении длительности внешнего

ЯТЦ РБН с 2 до 8 лет возрастает к концу века

на ~70 кт (17,5%)

• Общесистемная приведенная топливная

составляющая стоимости э/э возрастает на

~1% за каждый дополнительный год

длительности внешнего ЯТЦ РБН

• Выбраны в качестве основных варианты

длительности внешнего ЯТЦ 2 – 4 года, без и

с включением промежуточного хранилища

ОЯТ соответственно

Накопление ОЯТ РБН при различной

длительности внешнего ЯТЦ

Маневрирование не мощностью АЭС, а

производимой продукцией

• Развитие крупномасштабной ЯЭ с увеличением ее

доли в выработке электроэнергии актуализирует

требования к регулированию мощности АЭС,

отдаваемой в сеть

• При маневрировании мощностью АЭС снижение

осредненного КИУМ с 90% до 85% (соответствует

провальному КИУМ 0,7) приводит к уменьшению

прибыли на 27%. Если же осредненный КИУМ

приближается к 70%, то прибыль падает до нуля

• В случае необходимости маневрирования мощностью,

отдаваемой в сеть, выгоднее производить, например,

водород за счет избыточной электроэнергии,

вырабатываемой с максимальным КИУМ в часы

провальной сетевой нагрузки

• Перспективное направление: сочетание

крупномасштабного производства водорода (или

других энергоносителей) на базе АЭС с

предприятиями нефтехимии, металлургии, сетями

топливоснабжения автотранспорта и т.п.

15

Преимущества ЗЯТЦ перед открытым ЯТЦ

в уменьшении количества хранящегося ОЯТ

• Технология ЗЯТЦ для ЯЭ на БР кардинально решает проблему ОЯТ, т.к.

исключает его накопление

• Переход к ЗЯТЦ в переходный период (двухкомпонентная ЯЭ) позволяет

остановить темп накопления ОЯТ тепловых реакторов и увеличение затрат на

обращение с ним. Замещение одного ТР на БР:

o исключает образование около 1000 тонн ОЯТ ВВЭР (17 тонн/год × 60 лет) и

затраты на его хранение до переработки

o в 15 раз увеличивает выход товарного продукта - Pu при переработке (т.к. в ОЯТ

ВВЭР всего 1% Pu, а в ОЯТ БР – 15%)

• Использование продуктов переработки для запуска БР и ЗЯТЦ – эффективный

способ решения проблемы уже накопленного ОЯТ ВВЭР:

o один новый БР может утилизировать весь ОЯТ за время жизни одного ВВЭР

o замещение 10 ГВт тепловых реакторов быстрыми практически полностью решает

проблему накопленного российского ОЯТ ВВЭР (10 тыс. тонн.), а также придает

экономический смысл его переработке

16

Преимущества ЗЯТЦ перед открытым ЯТЦ

в уменьшении количества хранящегося ОЯТ

• Оценки требуемой мощности БР для утилизации ресурсов Pu:

o энергетический плутоний на складе ПО «Маяк» (40 т Pu) - 4 ГВт БР

o весь накопленный ОЯТ ВВЭР в РФ (10 тыс. т ОЯТ с 100 т Pu) - порядка 10 ГВт

БР

o экс-оружейный Pu (34 – 50 т) – 3-5 ГВт БР

o контролируемые Росатомом запасы 600 ÷ 700 кт Uприр после сжигания в ВВЭР

дают 600 ÷ 700 т Pu или 60 ÷ 70 ГВт БР (предел)

При существующем уровне накопления ОЯТ его масштаб не представляется

критическим. На первом этапе внедрения ЗЯТЦ целесообразно использовать

накопленные запасы энергетического и экс-оружейного Pu:

уже на этапе 2030-2040 гг. (4 ГВт БР) это позволит в значительной (если не в полной)

степени освободить склад ПО “Маяк” и исключить необходимость затрат на

дальнейшее хранение Pu

включение экс-оружейного Pu в ЗЯТЦ позволяет использовать его энергетический

потенциал вместо замораживания в программе утилизации

17

Ключевые факторы, определяющие топливный баланс и

экономику ЦЯТЦ и ПЯТЦ БР

Факторы ЦЯТЦ ПЯТЦ

Длительность внешнего ЯТЦ 3-7 лет 2-4 года

Промежуточное хранилище ОЯТ Да Нет/Да

Накопление ОЯТ до переработки 1,5-3,5 отн.ед. 1-2 отн.ед.

Число обслуживаемых энергоблоков ~10 2-4

Масштабный фактор удельных затрат 1 2-1,9

Доля топлива из внешних ресурсов в

интегральном потреблении БР

0,16-0,25 0,14-0,18

Приведенная топливная

составляющая БР

0,76-0,94

отн.ед.

1,10-1,00

отн.ед.

Интегральный объем

транспортировки топлива, ОЯТ и ВАО

11 отн.ед. 1,0 отн.ед.

18

Централизованный ЯТЦ при крупномасштабном развитии ЯЭ потребует 10-кратного

увеличения общего объема транспортировки радиоактивных продуктов по

сравнению с ПЯТЦ. Организация таких перевозок чревата проблемами

общесистемного характера

Производство электроэнергии и вклад ЯЭ

19

Вероятный масштаб развития Оптимистический масштаб

Вероятный масштаб означает лишь поддержание вклада ЯЭ в общее производство электроэнергии на

уровне ~20-25%, не улучшая энергобаланс страны. Это стратегия выживания. Оптимистический

масштаб обеспечивает увеличение вклада ЯЭ в покрытие спроса на электроэнергию, т.е. повышение

энергобезопасности страны, благодаря снижению зависимости от скудеющих, дорожающих и

загрязняющих окружающую среду горючих ископаемых. Это стратегия безопасного роста,

обеспечивающая «движущую перспективу» для отрасли.

Возможная динамика структуры

генерирующих мощностей АЭС России

Формирование перманентной 2-компонентной ЯЭ

Полный переход на НТП к 2100 г. с доминированием РБН

Предусмотрен экспорт АЭС на уровне до 100% от собственных (ВВЭР) и 50-100% для

РБН, топлива ВВЭР, топлива первых загрузок и начальных подпиток РБН, ПЯТЦ РБН

20

Установленные мощности

А Б

А

Б

Перспектива разработки и строительства ПЭК

27

ДА

Разработка технологии промышленного производства топлива

НИОКР и корректировка ТП для достижения конкурентоспособности ЭБ

ЭП и ТП по РУ БР-1200, НИОКР

Разработка ПД

ЭБ1 (БН-1200), Сооружение и ввод в эксплуатацию ЭБ1

(Белоярская АЭС

Разработка ПД комплекса ЭБ2 и

ЭБ-3

Сооружение и ввод в эксплуатацию ЭБ2 и ЭБ3 (на площадке Ю-У АЭС))

Интегрирующий проект головного

ПЭК

Разработка и формирование информационной модели ПЭК, актуализация интегрирующего проекта ПЭК.

Сроки уточняются по критериям экономической

целесообразности с учетом действующих мощностей

ОП ПЭК с БР-1200

ПД ПЭК с БН-1200

Критерии конкуренто- способности

ТЭП

ТЭП

Разработка ПД

Завода по

переработке ОЯТ

Сооружение и пуск завода по

переработке ОЯТ

Разработка ПД

на

модернизацию

МФР

ДА

ДА

Модернизация МФР ОДЭК .

Необходимость, сроки и ТЭП и

стоимость сооружения завода

по Ф/Р уточняются по данным

ПД на модернизацию

ДА

2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035

НИОКР по МП НИОКР по промышленной технологии переработки ОЯТ

ГГЭ, РТН

ВЫВОДЫ

• Формирование двухкомпонентной ЯЭ: решение накопившихся проблем ЯЭ и проверка

технологий для будущей крупномасштабной ЯЭ в России и для экспорта

• РБН имеют потенциал повышения конкурентоспособности и безопасности (до уровня требований к

крупномасштабной ЯЭ)

• Сценарий формирования двухкомпонентной крупномасштабной ЯЭ на НТП с выходом к середине

века на уровень 50 ГВт и последующим ростом к концу века до 100-120 ГВт, позволяет выявить

системные эффекты, которые необходимо учитывать при разработке Стратегии развития ЯЭ России

до 2100 г.:

При подтверждения требуемых характеристик блоков РБН-1200 на рубеже 2030 г. целесообразно

ограничить ввод ВВЭР к 2040 г. с целью:

• окончательного решения проблемы ОЯТ и обеспечения радиационно-эквивалентного

захоронения РАО

• сокращения потребностей в работе разделения

• сырьевой независимости, исключения роста потребления урана за счёт использования

энергетического Pu из ОЯТ ВВЭР

• сокращения темпа накопления ОЯТ ВВЭР

Топливный баланс ЗЯТЦ следует ориентировать на поступление продуктов массовой переработки

ОЯТ ВВЭР не ранее 2040 г.

• Формирование до конца века двухкомпонентной структуры ЯЭ с реакторами ВВЭР и РБН,

работающими в едином замкнутом ЯТЦ, а также и полного перехода ЯЭ через этап

двухкомпонентной структуры на НТП с доминированием РБН естественной безопасности

22

ПРИЛОЖЕНИЯ

23

Использование потенциала топливного сырья

• Полное воспроизводство делящихся

нуклидов в активной зоне

• Переход к закрытому (“замкнутому”) ЯТЦ

• Быстрый реактор с КВ 1

o БН -1200

o БРЕСТ -1200

• Переработка ОЯТ

• Фабрикация ЯТ из продуктов

переработки ОЯТ и природного

(или отвального) урана

ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

24

Резонатор

с тиглем

Барботер

Фильтр грубой

очистки

Емкость дозирующая

Техническая безопасность РБН - исключить реактивностные аварии

• плотного топлива для АЗ с нулевым запасом реактивности на

выгорание (равновесный состав ЯТ)

• малого полного отрицательного температурного эффекта

реактивности (1-3%)

• использования пассивных органов аварийной защиты на основе

температурного принципа действия

СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

Исключить разгон на мгновенных нейтронах путём

уменьшения запаса реактивности за счёт:

25

• Интегральная компоновка РУ

• Воздушный теплообменник РУ

• Естественная циркуляция теплоносителя

с отводом тепла через воздушный

теплообменник РУ

• Уменьшение гидравлического

сопротивления АЗ для увеличения

естественной циркуляции теплоносителя

• Использование перепада уровней

теплоносителя для сохранения

принудительного расхода (например, при

обесточивании)

СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕЛИ

Техническая безопасность РБН - исключить тяжелые аварии с потерей теплоотвода

26

Выбор базового сценария развития для

Стратегии-2018

• Выход Российской ЯЭ к концу века на уровень 120 ГВт(э) с

учетом вывода из эксплуатации АЭС, отработавших срок

службы, при скоростях ввода 4-6 блоков за 5 лет до 2050 г. и до

10 блоков за 5 лет во второй половине века

• Формирование до конца века двухкомпонентной структуры ЯЭ

с реакторами ВВЭР и РБН, работающими в едином замкнутом

ЯТЦ, а также и полного перехода ЯЭ через этап

двухкомпонентной структуры на НТП с доминированием РБН

естественной безопасности

• Отсутствие ограничений как по национальной ресурсной базе

природного урана, так и по мощностям обогатительного

производства

• Экспорт АЭС на уровне до 100% от собственных (ВВЭР) и 50-

100% для РБН, топлива ВВЭР, топлива первых загрузок и

начальных подпиток РБН

• Национальные ресурсы урана (включая зарубежные активы)

при указанных масштабах экспорта могут оказаться

недостаточными для этих целей, что требует особого

рассмотрения в части политики использования национальных

ресурсов

27

Ключевые показатели базового сценария для

Стратегии-2020

28

Полная установленная мощность АЭС в РФ к

2100 г.

120 ГВт

в т.ч. ВВЭР 30 ГВт

в т.ч. РБН 90 ГВт

Полная установленная мощность экспорта АЭС 90 ГВт

в т.ч. ВВЭР 30 ГВт

в т.ч. РБН 60 ГВт

Мощность ЯТЦ РБН (переработка) к 2050 г. 130 т/год

Мощность ЯТЦ РБН к 2100 г. 650 т/год

Интегральное потребление урана до 2100 г. 810 кт

в т.ч. для России 415 кт

Интегральные инвестиции в ЯТЦ до 2040 г. $9,2 млрд