ЛАВЕРОВ Н.П.Атомная энергетика России: новый этап развития Уважаемые члены руководства Форума, его участники и гости!Позвольте сердечно поблагодарить за предоставленную мне возможность выступить здесь по волнующей многих специалистов и руководителей проблеме надежного развития энергетики в нашей стране (рис. 1).ВведениеЭнергетическая безопасность стала приоритетным направлением деятельности нашего государства. Важным ее элементом является опережающее развитие атомной энергетики. При этом впервые в ее истории тесно увязываются одновременное решение трех важнейших составляющих. Первой из них является эволюционное развитие реакторостроения и производства топлива, ориентированных на физическую безопасность, сочетаемые с расширением инновационных исследований и строительством реакторов на быстрых нейтронах. Второе – реализация крупномасштабной программы устранения радиационных загрязнений, в основном связанных с производством оружия в период холодной войны и третье – существенная поддержка развития атомной энергетики в мире с одновременным решением сложных проблем сдерживания и «расползания» по миру ядерных оружейных материалов и чувствительных ядерных технологий – в первую очередь обогащения урана и переработки полученного ядерного топлива. Совершенствование ядерного топливного цикла, его интернационализация, развитие лизинга обогащенного урана, возврат отработанного топлива в страну его производящую и даже лизинг ядерной энергии стали важными инициативами и предметом глубоких исследований, инициированных политическим руководством нашей страны и некоторых других стран, решительно поддержанные МАГАТЭ. Мы ведем широкомасштабные исследовательские работы в рамках международных соглашений с учеными США, Японии, Европейского Союза и МАГАТЭ по всем трем направлениям. Основные результаты опубликованы в ряде монографий, совместных докладов, итоговых документов семинаров и конференций, обычно в русской и английской версиях. Они доступны и поэтому я постараюсь с большей детальностью сосредоточить Ваше внимание на проблемных стратегических вопросах, которые относятся к области серьезных инноваций, и в меньшей мере – на решение тоже сложных, но более известных экологических проблемах и проблеме нераспространения ЯОМ и технологий.Ренессанс атомной энергетикиВ программе Международной энергетической ассоциации обосновывается необходимость ускоренного развития энергетических мощностей в мире, обеспечивающих увеличение производства и потребления электроэнергии в мире к 2030 г. в 1,5 раза. При этом особо подчеркивается приоритет ядерной энергетики. По расчетам МЭА будет к 2030 г. вдвое увеличено количество реакторов в мире – с 439 до 880. Существенно расширится круг стран, которые впервые столкнутся с проблемами ядерной энергетики. Потребуется преодолеть недостаток квалифицированного персонала, чтобы освоить технологии, решить проблемы сырья и отходов. В ряде стран возникнет желание создать собственное ядерное оружие. При таких темпах развития атомной энергетики потребуется новый подход к решению проблемы обеспечения АЭС первичным сырьем – природным ураном, кардинально изменить отношение к его нерациональному использованию На рис. 2 представлены все основные природные источники энергии. Нами они подразделяются на: невозобновляемые, возобновляемые и альтернативные. Невозобновляемые делятся на традиционные и нетрадиционные. В ядерной области к традиционным относятся урановые месторождения с рудами себестоимостью На рис. 3 показана «Динамика распределения потребляемой в мире энергии по ее источникам в ХХ веке». Как видно в ХХ веке преобладавшие в его первой половине – уголь, горючие сланцы, торф и дрова во второй половине века были замещены углеводородами – нефтью и природным газом, на которые сегодня приходится >9.0 млрд. т у т, почти 65% от всех его источников. За последние 20 лет человечество использовало больше природных энергетических ресурсов, чем за всю его историю и теперь ежегодно потребляет >15 млрд. т у т . Ядерная энергия «ворвалась» в современную историю для решения военных проблем. К счастью достаточно быстро – за 50 лет, прошедших со времени создания первых промышленных энергетических установок, она неуклонно увеличивала свою долю в балансе. Она почти вдвое превышает суммарную долю гидроэнергии, геотермальной, ветровой, энергии биомассы и других. С ее более широким использованием связаны новейшие инновационные энергетические проекты. Яркий пример в этом плане демонстрируют Япония и Франция. Динамика использования энергетических ресурсов в этих странах за 20 последних лет ХХ века показана на рис 4. Как видно на диаграммах в этих странах радикально изменилась структура использования энергетических ресурсов в весьма прогрессивном инновационном направлении. За эти годы доля использования ядерного топлива была увеличена более чем в 2 раза в Японии (с 14 до 30%) и в 3 раза – во Франции (с 24 до 78%). Во Франции резко сокращено использование углеводородов, углей и гидроэнергетики. Япония более чем вдвое уменьшила потребление нефтепродуктов и углей, увеличила потребление природного газа. В нашей стране структура использования энергетических ресурсов в производстве электроэнергии не имеет аналогов в мире. Она отчетливо ориентирована на природный газ, используемый крайне неэффективно. Как видно на диаграмме (рис. 5) ТЭС у нас производят 66% энергии: 46% – на природном газе, 3% – на нефтепродуктах и 17% – углях. На АЭС приходится 16% электроэнергии, ГЭС – 18% и возобновляемые источники О ресурсах природного уранаПрежде чем рассмотреть оценки имеющихся в мире и в России ресурсов природного урана, представляется необходимым хотя бы кратко остановиться на истории решения этой проблемы в период реализации атомного проекта в СССР. Из опубликованного недавно многотомного издания материалов, посвященных этой проблеме и других изданий, а также многолетнего личного опыта следует несколько важнейших выводов, которые представляется необходимым отметить сегодня. Это – выдающаяся роль ак. Вернадского В.И., который, начиная с 1908 г. и до конца своей жизни (1945 г.), убежденно и настойчиво проводил в жизнь идею важнейшего значения атомной энергии в решении многих научных и технических проблем общества. Организовал первые 5 радиологических лабораторий в России, развернул полевые работы по поискам урана до революции. После Октября создал Радиевый институт. Со своими молодыми коллегами открыл и изучил в 30-х годах в Средней Азии первые промышленные месторождения урана. Сыграл ведущую роль в строительстве Радиевого завода (в 1938 г.) на базе руд Табошарского месторождения. В конце 1943 г. было организовано первое урановое горнодобывающее предприятие. С 1945 г. начаты системные геологические исследования и геологоразведочные работы по всей стране. Развернута целевая подготовка кадров, решены сложные организационные вопросы. На высшем уровне налажено системное управление урановым проектом. Я горжусь тем, что со студенческих лет – с 1947 года, работая в экспедициях, на горных предприятиях, в министерстве и правительстве СССР, в Академии наук СССР и России никогда не оставлял работу по проблемам атомной науки и промышленности. Свидетельствую, что размах горно-геологических научных и производственных работ, несмотря на трудности послевоенного времени, был беспрецедентным. Открытия все новых и новых месторождений, урановых районов и новых ураноносных геологических провинций до 80-х годов шли непрерывным потоком. На базе их освоения строились новые предприятия и города. К началу 50-х годов были освоены известные и открыты новые месторождения урана. За развитие и освоение сырьевой базы урана, усовершенствование технологии производства металлического урана из концентратов и проектирование металлургических заводов в 1951 г. было присуждено 7 государственных (сталинских) премий. Десятки специалистов награждены орденами СССР. Большая группа ученых, инженеров и техников получила крупные денежные премии Правительства СССР. К 1989 г. в СССР и за его пределами действовало 12 урановых горнорудных и горно-химических комбинатов, 8 геологоразведочных объединений, десятки исследовательских центров и проектных институтов. Важным является то, что впервые в СССР были открыты новые, неизвестные в мире типы весьма крупных урановых месторождений – U-Mo в палеовулканических кальдерах, U-фосфатные редкоземельные в остатках и чешуе палеорыб, U-селеновые полиметальные в палеоруслах древних рек и предгорных впадин и др. с запасами в сотни тыс. т урана. Добыча урана в год (в 1989 г.) достигла 25 тыс. т. Всего в СССР было добыто более 700 тыс. т урана, почти половина добытого в мире. В связи с разработанными новыми технологиями подземного выщелачивания урана, без контакта человека с урановой рудой, полнота и себестоимость его извлечения из недр были самыми эффективными и экономными в мире. К сожалению, после распада СССР наиболее крупные из таких месторождений остались за пределами России. На их базе сегодня интенсивно развивают свою атомную горнодобывающую промышленность Казахстан, Узбекистан и др. страны. В некоторых из таких проектов принимает участие и Россия. Крупнейшим в России является Приаргунский ураново-рудный район. Здесь в кальдере древнего вулкана открыты 11 месторождений Mo-U руд с запасами 300 тыс. т урана. Положение двух из них показано на рис. 6. В отличие от других полезных ископаемых ресурсы урана в недрах оцениваются не только их количеством, но и разделяются на группы, различающиеся предельной себестоимостью. На рис. 7 показано соотношение накопленной добычи и остающихся в недрах достоверных ресурсов урана в мире при их различной предельной стоимости. МАГАТЭ ведет учет запасов и добычи урана в мире. Эти данные по состоянию на 2005 г. и послужили основой для приведенной оценки. За последние 5 лет в мире добыто около 200 тыс. т. урана. Поэтому по состоянию на 2010 г. накопленная добыча его составит около 2,5 млн. т. В связи с отсутствием открытий новых крупных месторождений урана в мире в последние 30 лет, прирост его запасов, в основном, происходит за счет разведки и переоценки известных объектов. Такую переоценку в 2007 г. провели Украина, Иордания и Россия и соответственно запасы 2005 г. по цене менее 130$ США за 1 кг урана с 5 млн. т урана увеличились до 5,6 млн. т. Соответственно, накопленная добыча превысила 45%. Несомненно, что такое состояние с разведанными запасами урана в мире потребует кардинального увеличения расходов на геологоразведочные работы. То же самое относится и к нашей стране. Возрастающее напряжение с состоянием разведанных запасов урана заставляет многих специалистов искать решение этой проблемы в серьезных технологических переменах в реакторостроении – постепенном увеличении доли быстрых реакторов, работающих с существенным сокращением потребления природного урана и меньшим количеством отходов. На следующей диаграмме (рис. 8) приведена технологическая схема современной атомной энергетики России установленной мощностью 23,2 Гвт (э). Из нее видно, что она работает в основном, в открытом топливном цикле, в условиях временного хранения возрастающих объемов ядерных материалов, при низкой эффективности использования природного урана – менее 1%. На входе – 5000 т природного урана в год. Далее конверсия и обогащение, при которых ежегодно 4100 т отвального урана пополняют отвалы обогатительного производства (75 тыс. т). Далее изготовление топлива и его поставки на АЭС. Более 800 т. ОЯТ в год поступают во временные хранилища, в которых в 2010 г. будет около 19000 т ОЯТ. ОЯТ транспортных и исследовательских реакторов и реакторов БН600 и ВВЭР-440 поступают на завод РТ-1 («Маяк») на переработку. Полученные радиоактивные отходы (3 т/год) поступают на временное хранение РАО (есть 75 т), а полученный плутоний (1т) – на склад выделенного плутония (РТ-1, есть 40 т). В Асмоловым, А. Зродниковым и М. Солониным предложена принципиальная схема будущей инновационной ЯЭ России, установленной мощностью 100 ГВт (э). Она основана на замкнутом топливно-ядерном цикле и кардинально отличается от действующей схемы. На рис. 9 хорошо видны эти отличия. Здесь показана не только последовательность операции цикла, но и место предприятий внутри концерна «Энергоатом». На диаграмме (рис. 10) видно, что на входе – 100 т/год природного урана, отвального урана обогатительного производства и природного тория. Они поступают на заводы по изготовлению топлива для тепловых и для быстрых реакторов, куда также поступают соответственно уран 233+уран 238 и уран, плутоний, миноактиниды. ОЯТ со всех реакторов поступает на завод по переработке, который кроме топливных материалов получает 100 т РАО/год. РАО направляется для окончательной изоляции в подземное сооружение. Для реализации этой схемы требуется проведение широкомасштабных фундаментальных, экспериментальных опытных работ и широкое международное сотрудничество по проблемам показанным на слайде 11. Обращение с ОЯТ и изоляция РАО (Проблемы радиогеоэкологии)Накопленное в огромных количествах отработанное ядерное топливо, радиоактивные отходы и необходимость очистки загрязненных радионуклидами территорий и акваторий в разных регионах мира стали важнейшей проблемой, от успешного разрешения которой во многом зависит дальнейшее развитие ядерной энергетики. Крупные аварии на электростанциях Три Майл (США) и Чернобыль (СССР), радиохимическом предприятии «Маяк» (СССР), а также последствия испытаний ядерного оружия и его использования для реализации сложных гражданских проектов, наконец вывод атомных подводных лодок и других военных и гражданских судов с транспортными ядерными установками из действия, прекращение эксплуатации и ликвидация энергетических и исследовательских реакторов, многих других объектов использования атомной энергии существенно изменили радиационную обстановку в окружающей природной среде и потребовали принятия специальных мер радиационной безопасности. В мире они определены рядом договоров и документов МАГАТЭ, «Основами политики радиационной безопасности», утвержденными Президентом страны в 2004 г., принятыми Государственной думой законами и многочисленными подзаконными актами «Госатомнадзора» и других министерств и ведомств, использующих радиоактивные материалы. Для устранения негативных последствий в СССР, а затем в России, институтами Росатома, академиями наук, многими университетами были развернуты широкомасштабные исследования радиационных воздействий на здоровье человека, состояние биологических объектов окружающей среды и устранение негативных последствий. В ИГЕМе АН и МГУ под руководством проф. А.И. Перельмана были выполнены глубокие исследования условий миграции радионуклидов в разнообразных ландшафтно-геохимических природных системах. Создана теория миграции и концентрации радионуклидов, всесторонне разработаны представления о природных и технических геохимических барьерах. По сути, сформировано новое научное направление радигеохимии, включающее физические, химические, геологические, биологические и палеоклиматические основы «поведения» радиоэлементов в разных природных и техногенных условиях. На рис. 12 показано размещение источников радиоактивного загрязнения на ландшафтно-геохимической карте России. По-существу эта карта является базисным научным материалом для принятия решений по локализации радиозагрязнений в случае аварий, а также для разработки технологических проектов их устранения. Работа была отмечена Государственной премией России. Радиогеохимические научные основы были использованы при составлении Атласа карт радионуклидного загрязнения района ПО «Маяк», необходимых для разработки программы проектных решений по устранению радиационных загрязнений в уникальных ландшафтно-геохимических условиях его многолетней деятельности. Радиационная ситуация района «Маяка» широко известна и содержится во многих изданиях. На рис. 13 хорошо видны разные загрязненные объекты: Уральский радиационный след, особо загрязненные поверхностные хранилища технологических отходов – оз. Карачай и другие мелкие озера, большие водоемы – хранилища РАО (10 и 11), река Теча и загрязненная зона разломов приповерхностных недр (показанные на разрезе). Радиационная реабилитация этого района – задача исключительной технологической трудности. Она требует огромных затрат и нестандартных научно-технических решений. Потребуется много времени, чтобы выполнить сложный комплекс работ, предусмотренных предложенной программой, утвержденной Правительством России. На «Маяке» технологические отходы радиохимического производства в первые годы работы предприятия помещались в специальные емкости. После взрыва одной из них (1957 г.) – сбрасывались в поверхностные заболоченные водоемы, что в совокупности и привело к чрезвычайной радиологической ситуации в районе. На других радиохимических предприятиях (схк-Томск и ГХК-Красноярск) и Институте реакторов (НИИАР) проблема обращения с технологическими отходами была решена путем их подземного захоронения в жидком виде в коллекторах застойных вод, под надежной «покрышкой» глин (рис. 14). Начиная с 60-х годов на полигоне СХК (Томск), на глубине 150-250 м в слоистой толще песчано-глинистых пород были захоронены жидкие РАО общей активностью около 800 млн. кюри. Аналогичное хранилище было создано и на ГХК в районе г. Красноярска (нижняя часть рис. 14). Исходной теоретической базой послужило хорошо изученное поведение месторождений нефти и природного газа в т.н. структурных ловушках коллекторов под покрышкой глинистых отложений. Как известно до вскрытия нефтяных залежей и их газовой «шапки» буровыми скважинами, они находятся в стабильном состоянии млн. лет. 40-летний опыт такого размещения РАО свидетельствует о правильности принятых решений. За прошедший период тритий и другие короткоживущие изотопы распались. Большая часть долгоживущих изотопов сорбирована вмещающими породами и по-существу представляют собой техногенные месторождения урана, миноактинидов и других элементов. Прекращение эксплуатации таких полигонов требует лишь создания наблюдательной сети и не представляет большой сложности. Обращение с облученным ядерным топливом, в тех странах, где оно относится к отходам, а также с высокоактивными отходами переработки (рециклинга) топлива представляет собой более сложную задачу, чем размещение жидких РАО в подземных условиях. Отработанное топливо хранится в контейнерах (непосредственно в ТВС) и имеет исключительно высокую радиоактивность. Другие ВАО при рециклинге также переводятся в твердую форму – они вводятся в специальные матрицы (стекла или кристаллические минералоподобные синтетические материалы). Специальные канистры с радионуклидами размещаются в контейнерах. К настоящему времени поведение высокоактивных и долгоживущих радионуклидов в матрицах разного состава хорошо изучено. Созданы и испытаны сотни матриц различного состава. Их характеристика приведена во многих работах, в том числе и выполненных под моим руководством. Предложены разные типы матриц для разного набора радиоэлементов в отходах. На рис 15 показана весьма перспективная ферригранатовая матрица актинидов с высокими изоляционными свойствами и высокой емкостью. Для актинидов она составляет 14,9 мас.%, а для актинидов +Р.3. – 35,1 мас.%. Не менее сложной задачей является выбор геологических условий подземного захоронения подготовленных контейнеров с ОЯТ и ВАО, проектирование и строительство хранилища. Достаточно сказать, что только на подготовку мест подземного размещения, создание технических средств для транспорта, перегрузки и управления таким хранилищем, строящемся в США (ЮККА, Невада) уже затрачено >12 млрд. $ США. Концептуальная схема геологического хранилища Юкка Маунтин в туфах и схема размещения упаковок с ОЯТ и ВАО в горной выработке показаны на рис. 16. В России имеется серьезный опыт размещения радиационных объектов в подземных условиях. Научно обоснованы выбор мест для таких хранилищ, технологии подготовки ВАО, размещение и контроль за состоянием. На рис. 17 показаны возможные места их размещения, учитывающие положение основных источников ВАО и необходимость сокращения протяженности транспортных путей от объекта производства до хранилища. Заключая, хотел бы особо подчеркнуть, что на этом – новом этапе развития атомной энергетики главным вопросом стал вопрос подготовки квалифицированных кадров. Представляется, что богатый опыт реализации атомного проекта в СССР, дает нам яркий пример успешного решения и этой проблемы.Благодарю за внимание.