Мирный атом

Северный морской путь на десяток дней короче южного маршрута, но суровые условия Арктики долго не позволяли нам на полную воспользоваться его преимуществами. Погодные условия не стали проще, но мы научились с ними справляться: судами ледового класса, атомными ледоколами, всевидящей системой навигации и обустройством северных берегов страны. Начинается новая эпоха развития Северного морского пути. Naked Science разобрался, каким будет следующее поколение этой мощной транспортной системы

Проводка атомным ледоколом «50 лет Победы» / ©Росатом

Арктикой принято называть всю область планеты за Северным полярным кругом, проходящим по 66,5622-й параллели северной широты. Российская Арктика занимает около трех миллионов квадратных километров (18% территории России), из которых 2,2 миллиона квадратных километров приходятся на сушу, остальное — на прибрежные территории Северного Ледовитого океана.

Эти территории богаты ценными ресурсами, а по воде проходит кратчайший путь между европейской частью России и Дальним Востоком, Европой и Азией — Северный морской путь. Поэтому освоение Арктики не первый год называют стратегическим приоритетом в плане экономического развития страны.

Маршрут СМП / ©WikiMedia

Суровый климат, сильнейшие ветры, сковывающий лед требуют подходить к этой задаче с умом: разрабатывая новые технологии, мощные ледоколы и эффективную систему навигации. Не менее важно при этом поддерживать бережное отношение к экологии и ресурсам арктических просторов, так неохотно покорявшимся нам на протяжении последних десяти веков.

Северный морской путь (СМП) — судоходный маршрут, проходящий вдоль северных и восточных берегов России через шесть морей: Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское и Берингово.

Непокоримая Арктика

Первым причуды северных широт описал греческий географ Пифей еще за 330 лет до нашей эры. Отправившись в рискованную экспедицию на север Атлантического океана, он доплыл до берегов Норвегии (или Исландии — ученые до сих пор не пришли к общему мнению) и увидел полярный день, северное сияние и плавучий морской лед. Свои наблюдения Пифей опубликовал под названием «В океане» («On the Ocean»). И на протяжении многих веков его монументальная работа оставалась единственным письменным источником знаний о северных широтах планеты. Примерно в VIII веке нашей эры там начали селиться викинги.

Русские первооткрыватели начали исследовать Арктику в XI веке. В 1032 году состоялся морской поход от Северной Двины к «Железным вратам» — историки спорят, что подразумевалось под этим названием: Карские Ворота, пролив между островами Новая Земля и Вайгач, или Югорский Шар — пролив между островами и континентом. Походом руководил новгородский посадник Улеб.

Вскоре появились первые поселения на берегах Белого и Баренцева морей. Жителей этих территорий начали называть поморами. Промышляя рыболовством и охотой, они первыми из жителей России освоили плавание по нашим северным морям, но всестороннее освоение Арктики началось лишь в XV-XVI веках, когда дело коснулось экономики.

В XV-XVI веках торговлей в Мировом океане управляли Испания и Португалия, захватившие пути в Индию и Китай. Остальные страны искали другие маршруты – в частности, по северному берегу Евразии, хотя тогда еще никто не знал, есть ли там проход. Особенно им интересовались Англия и Голландия, а помогали им в этом русские моряки. Так начался поиск Северного морского пути.

К XVI веку купцы и казаки освоили Мангазейский морской путь — от Северной Двины до Оби, к XVII веку открыли и путь от Лены до Берингова пролива, а в 1648 году Семен Дежнев и Федот Попов проплыли от Чукотки на север и нашли выход в Северный Атлантический океан.

В XVIII веке благодаря Петру I у России появился мощный флот, способный плавать по северным морям. Вскоре состоялась Великая Северная экспедиция. Ее руководители — Витус Беринг, братья Лаптевых и Семен Челюскин — создали первую подробную карту арктических берегов и увековечили на ней свои имена.

Петровские реформы включили Сибирь в единое общероссийское русло развития / © Getty Images

В 1878 году шведский полярник Нильс Норденшельд первым в истории преодолел весь Северо-восточный проход, так до XX века называли Северный морской путь. Удачная экспедиция была исключением: толстый морской лед по-прежнему представлял большую опасность для судов. Решение проблемы предложил адмирал Степан Макаров, и в 1899 году на воду спустили угольный ледокол «Ермак». Так начался новый период в истории Арктики — освоение маршрутов и научное изучение ее климата, геологии и богатств.

В 1932 году на ледокольном пароходе «Сибиряков» экспедиции во главе с советским ученым Отто Шмидтом удалось проплыть Северный морской путь за одну навигацию: от Архангельска до Берингова пролива за 62 дня. Благодаря этому походу уверенность в маршруте сильно возросла; и в том же году открылось Главное управление Северного морского пути.

Пристальное внимание к морским льдам и их движению позволило начать делать долгосрочные ледовые прогнозы. Изучение дна и установка берегового оборудования упростили навигацию.

Подводя итог, условно историю освоения Арктики можно разделить на четыре этапа: медленное заселение севера России в XI-XVI веках, морские экспедиции в XVII-XIX веках, полноценное освоение богатств и маршрутов в XX веке и, наконец, современное наращивание движения по Северному морскому пути.

Многовековая история не прошла бесследно: форма поморских парусников по-прежнему узнаваема в ледоколах, морской флот обеспечивает движение по северным морям, а накопленные знания о движении арктических льдов бесценны для навигации.

Сегодня за обеспечение ледокольных проводок, управление судоходством и организацию деятельности в акватории Северного морского пути отвечают ФГУП «Атомфлот» и ФГБУ «Главное управление Северного морского пути». Мощные атомные ледоколы и профессиональное управление движением судов — основа этой эффективности.

Ледокол ледоколу рознь

В 1935 году, вскоре после открытия Главного управления Северного морского пути, рекордные четыре грузовых теплохода прошли по северным морям за одну навигацию. Помогали им четыре паровых ледокола, распределенных по разным участкам трассы.

После Второй мировой войны на смену паровым пришли дизель-электроходы. Спустя десятилетие, вдохновившись силой мирного атома, советские атомщики собрали первую реакторную установку для ледоколов. Разработка шла в условиях максимальной секретности, и 3 декабря 1959 года в эксплуатацию ввели первый в мире атомный ледокол «Ленин».

К концу века в Арктике работали пять атомных ледоколов с двухреакторной ядерной установкой — «Арктика», «Сибирь», «Россия», «Советский Союз» и «Ямал» — и два ледокола с однореакторной ядерной энергетической установкой: «Таймыр» и «Вайгач».

Встреча атомных ледоколов «Ленин» и «Арктика» проекта 10520 / © Росатом

В общих чертах все ледоколы устроены одинаково: бочкообразная форма, крепкие толстые стенки корпуса и большая мощность. У атомных ледоколов — такие есть только в России — эту мощность обеспечивает один, а чаще два реактора. Реактор нагревает воду, та превращается в пар и раскручивает турбины. Турбины запускают генераторы, вырабатывающие электричество, которое идет на обеспечение судна и работу гребных винтов. В среднем мощности реакторной установки «морских» ледоколов хватит на снабжение небольшого города.

Бочкообразная форма помогает ледоколу не застревать во льдах. Ватерлиния проходит ниже самой широкой части судна, поэтому льды своим давлением выталкивают судно вверх, а не зажимают. Форма помогает и в работе: во-первых, судно может «наползать» на лед и ломать его весом, во-вторых, ломать боками, раскачиваясь с помощью крена и балластной системы.

Сегодня у «Атомфлота» шесть атомных ледоколов. По-прежнему работают «Таймыр» и «Вайгач», а также ледоколы второго поколения «Ямал» и «50 лет Победы» (его стройка была приостановлена, в эксплуатацию он вошел лишь в 2007 году). К ним недавно присоединились «Арктика» и «Сибирь» — представители нового поколения атомных ледоколов проекта 22220.

Парочка «Таймыр» и «Вайгач»

Мелкосидящие ледоколы строились специально для работы в устьях рек. Их главная особенность — меньшая осадка в 8,1 метра. По мощности «Таймыр» и «Вайгач» меньше морских «собратьев» — у них всего один реактор мощностью около 50 тысяч лошадиных сил (водо-водяной КЛТ-40М). Чаще всего пара работает в Енисее.

Кстати их назвали в честь предшественников — пары ледоколов, на которых в 1912-1913 годах экспедиция под руководством Ивана Сергеева и Бориса Вилькицкого впервые в истории прошла Северный морской путь с востока на запад, по пути исследовав острова северных морей. В частности, они открыли архипелаг Северная Земля.

Атомный ледокол «Таймыр» / © Lobusov D.V.

«Ямал» и «50 лет Победы»

Представители второго поколения атомных ледоколов гораздо мощнее — два ядерных реактора (ОК-900А) дают им 75 тысяч лошадиных сил. Несмотря на разницу в «возрасте» («Ямал» начал работу в 1992 году, «50 лет Победы» был готов в 2007 году), по размеру они почти одинаковые, разве что слегка отличаются длиной. Над водой оба возвышаются на высоту 12-этажного дома (37,8 метра). Внешне вы их никогда не перепутаете: на носу «Ямала» красуется огромная зубастая улыбка. Атомный ледокол «50 лет Победы» возит туристов на Северный полюс.

Осадка у них около 11 метров, подходящая для движения по морям. По ровному неподвижному льду толщиной 2,7 метра они развивают скорость 3,7 километра в час (два узла). Конечно, ударами корпуса атомные ледоколы способны ломать и гораздо более толстый лед. Причем как задом, так и передом — ледокольные «способности» работают в обе стороны, иначе ледоколы часто застревали бы во льдах.

Свыше десяти лет эти атомные ледоколы были самыми большими в мире, но в 2020 году на Северном морском пути заработала «Арктика», а в 2022-м — «Сибирь».

Качественно новые ледоколы

Главная особенность нового поколения (проект 22220) — двухосадочность на 9,03 и 10,5 метра; они могут работать как в море, так и в устьях рек. Такую универсальность обеспечивает большая балластная система набора и сброса воды. Ядерные установки, конечно, тоже мощнее: два реактора (РИТМ-200) дают 81,5 тысячи лошадиных сил. Прибавка в мощности позволяет универсальным ледоколам развивать скорость в два узла по льду толщиной уже 2,8-2,9 метра.

Именно эти ледоколы обеспечат к концу 2024 года круглогодичную навигацию по Северному морскому пути. Прошлой зимой «Арктика» водила караваны до Певека, самого северного города России — не так давно такая задача казалась невозможной. Уже в конце года к ним присоединится «Урал», его испытания почти завершены. Через несколько лет войдут в эксплуатацию еще два ледокола этой серии.

Эффективность этого поколения ледоколов хорошо иллюстрируется простым сравнением: одна «Арктика» прокладывает такой же широкий канал, как пара «Таймыр» и «Вайгач». Впрочем, скоро и она будет казаться «мелкой».

Атомный ледокол «50 лет Победы» / © Росатом

К концу десятилетия на Северном морском пути появится качественно новый ледокол «Россия», первый представитель проекта 10510 «Лидер». Он будет на десять метров шире прошлого поколения и гораздо мощнее: скорость в два узла он сможет поддерживать на льду толщиной 4,3 метра, оставляя за собой канал шириной 50 метров. Чем шире канал, тем безопаснее для следующего за ледоколом каравана из судов.

Морские льды очень подвижны и, бывает, зажимают суда. Чтобы освободить их из ледового плена, ледоколы сдают назад, проходя близко к бортам «пленника». Главная опасность тут не в потере времени, а в сильном давлении и острых углах морских ледяных глыб — они способны сильно повредить обшивку и винты судов.

Экологичность, автономность и комфорт

Атомная энергетика — чистая энергетика. Ледокол «50 лет Победы» стал первым ледоколом со специально оборудованным экологическим отсеком для переработки отходов. Все тщательно сортируется, очищается и измельчается. Сточные воды тоже проходят обработку. В итоге экологический след минимален.

Автономность атомных ледоколов ограничивается только запасами продовольствия и сменой экипажа. В истории Росатомфлота были случаи, когда атомный ледокол до года работал без захода в порт. Рекорд принадлежит «Арктике».  Если подвозить продовольствие и сменять команду, новые двухосадочные ледоколы проекта 22220 могут работать до семи лет, после которых нужно перезагрузить топливо.

Монтаж реактора РИТМ-200 на атомном ледоколе «Арктика» проекта 22220 / © Росатом

Моряки работают на ледоколах по четыре месяца, сменяя друг друга — благо размеры ледоколов позволяют обустроить их всем необходимым: от одноместных кают и спортзала до сауны и даже солярия. Последний, кстати, необходим для поддержания здоровья (полярной ночью солнце не встает над горизонтом). Есть даже бассейн, который заполняется нагретой соленой морской водой. Температура в помещениях поддерживается в районе 22 градусов Цельсия.

Всего на ледоколе могут одновременно жить несколько сотен человек. Минимальный экипаж зависит от типа судна: на старых ледоколах — 106 человек, на новых ледоколах проекта 22220 — всего 54 человека, но это в минимальной комплектации.

Все ледоколы живут по московскому времени. Потому что иначе переводить часы пришлось бы постоянно, ведь между Мурманском и Камчаткой разница девять часов. Впрочем, «стандартные» дни и ночи за полярным кругом — явление как раз уникальное. Полгода длится полярный день, полгода — полярная ночь.

Северный морской путь

В общем смысле Северным морским путем называют путь по морям на севере Евразии. Исторически он начинался от Карских ворот (пролив между островами Вайгач и Новая Земля) и заканчивался у мыса Дежнева. Вся эта территория зимой скована морскими льдами. Общая протяженность — почти 5600 километров, и это самый короткий путь из Европы в Азию. Возьмем конкретный пример: путь из нидерландского Роттердама до портов Азии через Суэцкий канал занимает 33 дня (17,5 тысячи километров), а через Северный морской путь — всего 23 дня (12,2 тысячи километров).

Сегодня Северный морской путь начинается в незамерзающем порту Мурманска. Путь по северным морям от Мурманска до портов Японии в два раза короче, чем через Суэц, и по времени значительно меньше — всего 18 дней вместо 37 дней.

Круглогодичная навигация в западном районе Арктики началась, когда в 1975 году в эксплуатацию ввели атомный ледокол «Арктика». Кстати, спустя два года этот ледокол стал первым судном, достигшим Северного полюса по воде. Не нужно путать его с «Арктикой» последнего поколения атомных ледоколов.

Атомный ледокол «Арктика» проекта 10520 / © Росатом

Первая важная «остановка» на маршруте — полуостров Ямал, где добывают нефть и природный газ. В поселке Сабетта расположен крупнейший завод по сжижению газа «Ямал СПГ». Еще 20 лет назад в нем проживала пара десятков человек, сегодня — почти 3500.

Следующий важный пункт — устье Енисея. Там находится Норильск, город в 300 километрах к северу от полярного круга. Мало кто знает, что железной дороги в Норильск просто нет. Добраться туда на машине — почти невозможная задача. Летом можно доплыть по Енисею, а в остальные сезоны — только самолетом. Спасают ледоколы, поддерживающие проход в порт Дудинка, поселение, возникшее на этом месте еще в 1667 году.

Дальше на Восток — чукотский порт Певек, самый северный город России. Там расположены рудники золота, серебра и меди. Энергией Певек обеспечивает единственная в мире плавучая атомная электростанция «Академик Ломоносов» с двумя реакторами, способными «запитать» даже стотысячный город, но население Певека значительно меньше — около 5000 человек. Вскоре это изменится: порт планируют сделать важным транспортным узлом всего региона.

Прибытие ПЭБ «Академик Ломоносов» в Певек / © Алексей Башкиров, «Страна Росатом»

Всего сегодня на Северном морском пути десять крупных портов и сотни судов, число которых только растет. По словам Вячеслава Рукши, руководителя дирекции Северного морского пути, в 2030 году на маршруте должно работать 12-14 арктических ледоколов, из которых минимум восемь — атомные. Они необходимы для проведения караванов по маршруту, покрытому толстым морским льдом. Но по тонком льду многие суда ледового класса могут пройти и самостоятельно. Главное — помогать им в навигации и следить за погодой.

Мониторинг и прогнозирование позволяют максимально эффективно использовать мощности ледоколов — там, где они действительно нужны. Эти задачи выполняет новейшая система навигации.

«Арктика.Навигатор» для Северного морского пути

Штаб морских операций ФГБУ «ГлавСевморпуть» (входит в госкорпорацию «Росатом») в Мурманске круглосуточно поддерживает движение по всей акватории Северного морского пути. Севморпуть объединяет в общую транспортную сеть речные артерии, пролегающие на 70% территории России.

Автоматическая система управления движения судами впечатляюще выглядит на большом экране в просторном зале для совещаний: огромная карта с сотнями движущихся судов и ниточками их траекторий. Но главное, что ту же карту можно открыть и на планшете, и на телефоне, потому что главная ее задача — помощь в навигации для самих судов. Система строит маршруты, учитывая скорость движения, загруженность пути, погодные условия, необходимость ледокольных услуг.

Как и в привычных нам онлайн-картах, тут есть дополнительная информация и слои. Щелкаешь по судну, и выпадает полная информация о его характеристиках, грузе, маршруте, скорости, сопутствующих документах и разрешениях, контактах и данных с датчиков. Иногда даже можно подключиться к камере. На самой карте есть возможность включить слои с погодными условиями: данными о ветре, температуре, штормовых условиях и движении льдов.

В системе отображаются все суда с установленной автоматической информационной системой (АИС) — то есть все, кроме военных. Пока система в основном мониторит, но скоро научится и самостоятельно выстраивать оптимальные маршруты, учитывая скорость движения, загруженность пути, погодные условия, необходимость ледокольных услуг. А также пожелания владельцев судна: сэкономить топливо или быстрее прибыть в порт.

Штаб морских операций / © Росатомфлот

Штаб морских операций уже предлагает всем капитанам информационную услугу — рекомендации по маршруту и предварительную договоренность о помощи ледокола. В итоге эта система должна работать как обычный автомобильный навигатор, только для судов во льдах. Вот судно идет из точки А в точку Б с определенной скоростью. Трек судна оцифрован, прорисован на картах, его видит система. Анализирует, на каких участках возможны задержки. Логистически все понятно и прозрачно.

В ближайшем будущем ФГБУ «ГлавСевморпуть» планирует на все суда акватории поставить бортовые измерительные комплексы, которые будут считывать погодные условия и толщину льда. Ледовая информация — самая ценная, но и самая дорогостоящая. Если все суда станут датчиками ледовой обстановки, возрастет эффективность всего движения по Северному морскому пути.

Всем ли хватит места на Северном морском пути?

Объем грузоперевозок в 1987 году по Северному морскому пути достиг 6,7 миллиона тонн. В 1991-м маршрут открыли для международного судоходства, но к концу столетия грузоперевозки объяснимо упали до 1,4 миллиона тонн. В новом столетии объемы начали быстро расти.

К 2020 году объем достиг 33 миллионов тонн, был установлен новый рекорд: по Северному морскому пути прошло 331 судно. Для сравнения — по Суэцкому каналу тогда прошло 1,12 миллиарда тонн грузов. По мнению Вячеслава Рукши, руководителя дирекции Северного морского пути, их маршрут сможет перехватить около 10% грузового трафика с Суэцкого канала, но все же 70% перевозок должен составить российский экспорт: газ, нефть, уголь и другие полезные ископаемые.

В планах — добиться к 2024 году грузопотока в 80 миллионов тонн в год и суммарной мощности морских портов в 83 миллиона тонн. Как уже говорилось, для поддержания такой нагруженности хватит 13 ледоколов и информационной поддержки в виде развивающейся навигационной системы.

Первооткрывателей сменили масштабные экспедиции, традиционные ушкуи поморов «превратились» в атомные ледоколы, а рыбацкие поселения разрослись до масштаба многотысячных городов. Мы находимся в самом начале новой эпохи развития Арктики и Северного морского пути — ее главной жизненной и транспортной «артерии».

Источник

Генеральный директор госкорпорации "Росатом" Алексей Лихачев предложил провести марафон помощи Энергодару, обратившись в понедельник ко всем работникам атомной отрасли.

"Я и все руководство отрасли обращаемся к вам, сотрудникам Росатома, с предложением запустить марафон помощи Энергодару. Там сейчас нуждаются в самом элементарном - от теплых вещей, книг, карандашей и тетрадей до лекарств, медоборудования и обогревателей. Давайте поможем жителям Энергодара, организуем сбор средств и вещей", - говорится в обращении Лихачева, распространенном пресс-службой госкорпорации.

В этом году Энергодар стал 28-м городом Росатома, но ситуация там сейчас очень тяжелая, отмечается в сообщении. "Город находится под обстрелами, во многих домах нет света и тепла. Разорены поликлиники и больницы. Особенно трудно приходится детям - во многих школах и детских садах не хватает самого необходимого. Город не переживет эту зиму без нашей помощи", - уверен глава атомной отрасли России.

В Энергодаре расположена Запорожская АЭС, ее мощность составляет около 6 ГВт. Это самая крупная атомная станция в Европе. С 28 февраля 2022 года ЗАЭС контролируется российской армией. В октябре АО "Росэнергоатом" (входит в электроэнергетический дивизион Росатома) учредило компанию АО "Эксплуатирующая организация Запорожской АЭС"

https://tass.ru/obschestvo/16567161

https://rosatom-energodar.ru/

Как показывает практика, ядерное топливо можно многократно использовать, а самые опасные долгоживущие продукты деления — безопасно «сжигать». Все, что нужно — уникальные технологии и правильно организованный «жизненный цикл» топлива. Что такое ОЯТЦ, ЗЯТЦ и СЯТЦ и как именно Росатом собирается полностью перевести российскую ядерную энергетику на реакторы на быстрых нейтронах.

Реактор БН-800. Реакторы на быстрых нейтронах могут работать на инновационном топливе, для производства которого используются материалы из отработавшего топлива / ©Белоярская атомная электростанция, Росатом

Главный тренд современности — экологически безопасное долгосрочное развитие во всех сферах: от повседневной жизни до тяжелой промышленности. Главная цель — сократить загрязнение планеты и впредь поддерживать баланс, грамотно используя ее ресурсы. В зарубежной литературе этот переход проходит под лозунгом «трех R»: Reduce. Reuse. Recycle — сокращение отходов, многократное использование и переработка. Ошибочно думать, что это касается только обывателей вроде нас с вами. Крупные компании тоже стараются следовать этим принципам, но совсем в другом масштабе.

Стоит кого-нибудь спросить, какие отходы самые опасные, и собеседник, скорее всего, ответит, что радиоактивные. Несомненно, при неправильном обращении и хранении радиоактивные отходы опасны. Но при правильном подходе ядерная энергетика — это чистая энергетика, а «отходы» — подходящий ресурс для производства нового топлива. Именно о такой «переработке» в атомной отрасли, или «рециклинге» и пойдет речь.

Рециклинг — обращение с с регенерированными ядерными материалами, при котором они очищаются и используются повторно, либо возвращаются в производственный цикл. Стеклянные бутылки и банки отмываются, а пластик и бумага измельчаются для производства нового пластика и бумаги. Рециклинг — разновидность переработки.

С помощью специалистов топливной компании «ТВЭЛ» разбираемся в реализуемых сегодня жизненных циклах ядерного топлива: открытом цикле, французской модели, двухкомпонентной энергетике, закрытом ядерном топливном цикле, утилизации радиоактивных отходов и использовании «урановых хвостов».

Производство топлива

«Жизнь» топлива для атомных электростанций начинается с добычи урана. Уран — самый тяжелый химический элемент из тех, что встречаются на Земле в природе. Конечно, не в чистом виде, а в составе руд и минералов. В результате переработки получают чистый уран, который все же не подходит для производства топлива — он слишком «бедный».

Самый распространенный в природе изотоп урана — уран-238. На него приходится 99,3% всего урана. Для энергетики же ценны оставшиеся 0,7% — уран-235. Именно он является основным делящимся материалом в ядерном топливе для «обычных» тепловых АЭС. Проблема в том, что для работы АЭС содержание «полезного» урана-235 в топливе должно составлять до 5%, а не 0,73%, как в среднем в естественных условиях. Нужное процентное содержание получают на этапе обогащения.

Добытый природный уран отправляют на конверсию: из твердого состояния в газообразное. На выходе получают газообразный гексафторид урана. В газообразном состоянии его отправляют в центрифугу и раскручивают: более легкий уран-235 «прилипает» к оси, а тяжелый уран-238 оказывается на периферии. В результате выделяют немного обогащенного до 5% гексафторида урана, из которого и делают топливо. Все остальное — «хвосты», обедненный гексафторид урана (ОГФУ) с содержанием урана-235 около 0,25%.

Возможности Росатома по обогащению урана держатся в тайне. Граница в 5% — принятая для энергетических реакторов. Для АЭС обычно обогащают до 4,7-4,9%, все зависит от стоимости урана и услуг по обогащению, а также конкретного топливного цикла АЭС. И тут стоит упомянуть, что Россия — лидер в центрифужном обогащении. Так называемые «хвосты», ОГФУ, получаются бедными на уран-235, но и им нашли применение. Но об этом позже, пока вернемся к производству топлива.

На следующем этапе — этапе фабрикации — из газа делают порошок и спекают в урановые таблетки. Таблетки запаиваются в циркониевые трубки с необходимыми заглушками и крепежными элементами — получаются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Из ТВЭЛов собираются тепловыделяющие сборки (ТВС). Материалы и конструкция элементов и финальной сборки зависит от типа реактора.

Операция спекания таблеток в печах BTU / ©НЗХК

Готовые ТВС отправляются на атомные станции, где работают около пяти лет. С момента, как они покинули реактор, их уже называют отработавшим, или облученным ядерным топливом (ОЯТ). Еще пять лет отработавшее топливо остывает в бассейне выдержки на станции. Его дальнейший путь — главная тема этого материала.

Отработавшее ядерное топливо может отправиться на захоронение, а может продолжить приносить пользу. Это зависит от выбранного топливного цикла.

Открытый ядерный топливный цикл

Самый простой вариант, активно использовавшийся в прошлом, — загрузка отработавшего топлива в контейнеры и отправка на хранение: либо до момента, как придумают, что с ним делать дальше, либо вообще навсегда.

Один из видов «вечного» хранения — геологическое захоронение. Такие хранилища сейчас строятся в Швеции и Финляндии. Пока что отработавшее ядерное топливо копится в контейнерах, а когда строительство закончится, их перенесут в хранилища. Переработать другие страны его не могут — необходимые для этого технологии на сегодняшний день остались только у России и Франции (раньше еще были у Великобритании).

Французская модель

Во Франции отработавшее ядерное топливо отправляют на переработку: элементы и циркониевые оболочки распиливают, таблетки растворяют.

Состав отработавшего ядерного топлива выглядит примерно так: уран (96%), плутоний (1,2%) и радиоактивные отходы. Основные составляющие отходов: «короткоживущая» цезий-стронциевая фракция (2%), минорные актиниды (0,5%) и прочие продукты деления (0,3%). Главное — остается много урана.

Облученный уран называется регенератом. В нем, помимо «бесполезного» урана-238 и «полезного» урана-235 (2%) появляется еще и много других изотопов (232, 234, 236), которые будут мешать реакции.

Для производства топлива уран очищают от четных изотопов и радиоактивных отходов, и дообогащают до необходимых 5%. Плутоний оставляют, поэтому топливо уже называется уран-плутониевым (у французов принято название МОКС-топливо). Такое топливо можно один раз отправить в реактор, правда, загрузив лишь на 30-50% активную зону реактора в добавление к обычному топливу. И всё — дальше только захоронение, потому что соотношение изотопов урана становится совсем неподходящим для переработки, а плутоний начинает слишком сильно фонить.

Сборка каркаса тепловыделяющей сборки / ©НЗХК

Главная проблема такой переработки — она не избавляет от объема опасных радиоактивных отходов: «короткоживущей» цезий-стронциевой фракции и минорных актинидов (америций, нептуний, кюрий и другие). Последние представляют наибольшую опасность, потому что период их полураспада — тысячи лет. Однако в России умеют от них избавляться — с помощью реакторов на быстрых нейтронах.

Двухкомпонентная модель и радиоактивные отходы

Реакторы на быстрых нейтронах — наследие огромной работы, проделанной советскими учеными. В экспериментальном масштабе их разработкой занимались многие страны мира: Франция, США, Япония, Великобритания. Но лишь в России удалось выйти на промышленный масштаб. По сей день работает запущенный в 1980 году на Белоярской АЭС реактор БН-600. В 2015 году на той же Белоярской запустили БН-800. И развитие продолжается: в Северске строится экспериментальный реактор БРЕСТ-ОД-300 (на СНУП-топливе) и для Белоярской проектируется мощный БН-1200. В разделе планов на будущее мы вернемся к этой теме.

Главное отличие и первая особенность быстрых реакторов от «обычных» тепловых в том, что в них нет замедлителей, и поэтому энергия нейтронов достигает больших значений. Для запуска реакции им необходим плутоний в составе топлива, поэтому для его производства можно использовать отработанное топливо из «обычных» тепловых реакторов. Последовательная отработка топлива сперва в тепловых, а затем в быстрых реакторах называется двухкомпонентной моделью ядерной энергетики.

Вторая важная особенность быстрых реакторов: способность «выжигать» опасные минорные актиниды — кюрий, нептуний и америций. С кюрием можно ничего не делать, потому что со временем он распадается в плутоний. Но сам плутоний со временем распадается на америций. В общем, они дают много продуктов полураспада, причем периоды полураспада исчисляются тысячами лет.

Захоронить такие отходы возможно, но сложно. Требуется глубинное хранение, например, в закрытой шахте в глубине горы с подходящей породой гранита, которая не будет ничего пропускать. Сверху хранилище бетонируется, но за его состоянием все равно нужен мониторинг. Лучше от актинидов совсем избавиться — с помощью быстрых реакторов.

Быстрые реакторы работают на уран-плутониевом топливе, «выжигают» минорные актиниды и, что еще не упоминалось, в процессе работы нарабатывают себе новый плутоний (на котором могут сами работать). Именно за счет этого можно всю энергетику построить на быстрых реакторах — фактически создать замкнутый цикл.

Замкнутый цикл

В замкнутом ядерном топливном цикле (ЗЯТЦ) уран-плутониевое топливо после отработки в реакторе быстрых нейтронов перерабатывается, формируется в новые сборки и отправляется обратно в тот же реактор.

Фабрикацией и переработкой сейчас занимаются удаленные от АЭС предприятия. Чтобы увезти туда отработавшее топливо, ему сперва нужно дать остыть, и на переработке его снова разогреют. Это большие затраты времени и ресурсов, поэтому сейчас Росатом строит в Северске экспериментальную станцию, на которой фабрикация и переработка будут вестись прямо рядом с быстрым реактором (БРЕСТ-ОД-300). Так будет реализован пристанционный ядерный топливный цикл (ПЯТЦ), ответвление замкнутого, хотя некоторые специалисты считают как раз такой формат «истинным» замкнутым циклом.

На одной площадке в Северске будут находиться сам реактор, модуль фабрикации-рефабрикации и модуль переработки. Последние два – буквально через стенку друг от друга. И большинство операций роботизированы, чтобы снизить воздействие на персонал. Ядерные материалы будут нужны лишь для того, чтобы запустить реактор, дальше — лишь минимальная подпитка. И все основные радиоактивные отходы быстрый реактор будет сжигать. Планируется, что модуль фабрикации запустят в ближайшие годы, чтобы произвести топливо к запланированному пуску блока в 2026 году.

Загрузка топлива на 4 блоке Ростовской АЭС / ©Ростовская АЭС, Росатом

Аварийность БРЕСТа минимальна – внутри у него свинцовый теплоноситель, который никуда не денется при аварии. Самое опасное для АЭС — потеря теплоносителя. Именно это произошло на Фукусиме: вода ушла, а топливо расплавилось. В БРЕСТе при отключении свинец просто застынет. Впрочем там и само нитридное топливо (СНУП-топливо) не сможет расплавиться.

Даже в самом аварийном сценарии вся опасность останется в периметре АЭС. Свинец к тому же поглотитель нейтронов, поэтому реактор можно будет просто законсервировать на площадке. Безопасность — одна из главных задач современной ядерной энергетики. Современные новые реакторы максимально защищены от аварий.

Получается, быстрые реакторы есть в России и скоро будут в Китае, где их помогает строить Росатом. Во всем остальном мире реакторы «обычные» тепловые, способные работать лишь на чистом урановом топливе или на однократно переработанном (французская модель). Для вовлечения их в цепочку рециклинга Росатом разработал РЕМИКС-топливо.

Сбалансированный цикл и «короткоживущая» фракция

Опыт обращения с ураном, отработанным ядерным топливом и МОКС-топливом позволил создать специальное топливо, которое можно многократно на полную загрузку использовать в тепловых реакторах, перерабатывая и рефабрикуя на российских заводах.

Предположим, у страны вообще пока нет ни одной АЭС, но она хочет использовать ядерную энергетику. АЭС возводят всего за четыре года. Первые десять лет она будет работать на традиционном урановом топливе, выгружая его в бассейн выдержки на охлаждение.

В конце 2019 года в «Росатоме» начали проектировать первый в России исследовательский жидкосолевой реактор (ИЖСР) для отработки технологии дожигания долгоживущих компонентов облученного топлива — минорных актинидов / ©ВНИИНМ, Газета «Страна Росатом»

Постепенно Росатом будет забирать отработанное топливо и на своих предприятиях перерабатывать его в уран-плутониевое РЕМИКС-топливо (уран-плутониевое топливо для тепловых легководных реакторов), возвращая на станцию. С одиннадцатого года и до конца эксплуатации через 50 лет станция сможет работать на таком регенерированном топливе. В отличие от французского МОКС-топлива, которое можно загружать лишь на треть, РЕМИКС-топливом можно загружать 100 процентов активной зоны реактора. После каждого цикла облучения топлива плутоний становится «хуже», но специалисты Росатома нашли способ улучшать состав и перерабатывать топливо до семи раз, сжигая по пути минорные актиниды.

Такой подход позволяет существенно экономить на изготовлении ядерного топлива, ведь примерно 80% стоимости сборки приходится на уран и обогащение, около 15% — фабрикация, 3% — конверсия. Главное преимущество такого подхода — отсутствие опасных ядерных отходов. Все минорные актиниды будут «сжигаться» в России в быстрых реакторах. Останется лишь «короткоживущая» фракция с периодом полураспада около 80 лет, её можно залить в боросиликатное стекло (или в керамику – зависит от технологий будущего) и поместить в приповерхностное хранилище, где спустя несколько сотен лет эти отходы станут абсолютно безопасными. Не так уж много, по сравнению с минорными актинидами, которые требуют тысячелетий.

Ближе к концу срока эксплуатации станции, отработавшей на РЕМИКС-топливе, достаточно будет построить небольшое здание для контейнеров со «стеклом». Сегодня РЕМИКС-топливо успешно проходит опытно-промышленную эксплуатацию на Балаковской АЭС.

Взаимодействие тепловых станций с российскими быстрыми реакторами — это сбалансированный ядерный топливный цикл (СЯТЦ), на основе которого можно построить глобальную взаимосвязанную атомную систему, предоставляя другим странам услуги по выжиганию минорных актинидов. В перспективе у России останутся только быстрые реакторы. Впрочем, даже без притока урана с плутонием от тепловых реакторов у нас есть все необходимое для их работы — в частности, огромные запасы ОГФУ.

Урановые хвосты и коэффициент воспроизводства

Обедненный гексафторид урана (ОГФУ) остается в огромных количествах после получения обогащенного урана из природного. В основном, он состоит из урана-238 с небольшим количеством «полезного» урана-235.

Хранилище ОГФУ / ©УЭХК

За почти век работы отечественной атомной промышленности в России накопились огромные запасы ОГФУ — больше миллиона тонн. С целью сокращения этих запасов Росатом постепенно освобождает площадки с захоронениями. Планируется к 2038 году вдвое сократить их количество, а к 2057 году ликвидировать все запасы за счет переработки.

Сперва обедненный гексафторид урана очищают от фтора. Полученную плавиковую кислоту и безводный фтористый водород продают на рынке химической продукции. Обедненный уран тоже используется в промышленности: из него делают контейнеры для перевозки изотопов, экраны для медицинской аппаратуры, а также используют в противовесах и гироскопах в самолетах, судовом балласте и других целях. Но основная масса, конечно, идет на производство нового ядерного топлива.

В значительной части этих запасов процент урана-235 довольно высокий (до 0,4%), потому что в первые десятилетия обогащение проводили менее эффективным диффузным методом. Сегодня эти хвосты можно использовать в производстве топлива для тепловых реакторов. Вторичные хвосты уже точно бесполезны для всего остального мира, а вот для нас — отличное сырье для быстрых реакторов.

Быстрым реакторам «бесполезный» уран-238 не мешает, им главное, чтобы был плутоний. В процессе они могут сами себе наработать еще больше плутония. И это третья особенность быстрых реакторов.

Возможности конкретного реактора на быстрых нейтронах зависят от его изначальной конструкции. Если предусмотрено, реактор сможет работать в разных режимах — с разным коэффициентом воспроизводства.

Реактор БН-800 / ©Белоярская АЭС, Газета «Страна Росатом»

При равном единице коэффициенте воспроизводства в отработанном топливе будет столько же плутония, сколько и было в изначальной загрузке. В этом случае подходящий состав понадобится лишь для первой загрузки. Дальше быстрый реактор будет его поддерживать.

При коэффициенте воспроизводства меньше единицы быстрый реактор будет «выжигать» лишний плутоний. Такой режим необходим для утилизации накопившихся запасов отработанного топлива от тепловых реакторов. Можно сказать, что это забота о будущих поколениях — им не придется разбираться с фонящими запасами плутония.

Самый интересный вариант — при коэффициенте больше единицы. Процент прибавления плутония небольшой, но эффективный — до 1,2%. Позволяет со временем восполнить недостаток плутония для запуска нового быстрого реактора. Такую возможность обеспечивают быстрые нейтроны — на большой энергии они могут расщепить «бесполезный» уран-238 до плутония.

Основываясь на этой уникальной технологии, Росатом планирует в будущем все российские АЭС строить с реакторами на быстрых нейтронах.

Будущее российской атомной энергетики

На сегодняшний день тепловые реакторы —более продвинутая и отработаннаях технология, чем реакторы на быстрых нейтронах. Огромный опыт позволяет строить новые станции всего за четыре года. Тем не менее без быстрых реакторов тепловые будут значительными темпами использовать запасы урана и производить слишком много опасных отходов. С быстрыми реакторами бывшие отходы становятся почти неисчерпаемым источником топлива — их хватит на десятки тысяч лет.

У России есть преимущество — огромные вложения в изучение и разработку реакторов на быстрых нейтронах, сделанные в прошлом веке, позволяют и сегодня развивать это направление. Росатом планирует после 2035 года строить только быстрые реакторы. И к 2045 году перевести на атомную энергию четверть стремительно растущего энергобаланса России.

Старые реакторы будут постепенно выводиться из строя и заменяться новыми — быстрыми. На сегодняшний день в России работают 35 реакторов на 11 АЭС. Для замены их на быстрые нужно сперва подтвердить экономическую состоятельность проекта. Быстрый реактор гораздо сложнее теплового и поэтому стоит существенно дороже. Отчасти причина в том, что технология еще не до конца отточена, и потому себестоимость, видимо, будет постепенно снижаться.

Монтаж оборудования шахты научно-исследовательского реактора на быстрых нейтронах четвертого поколения в Димитровграде / ©ГНЦ НИИАР, Росатом

Строящийся в Северске реактор со свинцовым теплоносителем и с модулями переработки и рефабрикации — уникальный экспериментальный дорогостоящий проект, который позволит испытать многие новые технологии, но мощность у него будет небольшая. Главный быстрый реактор России — БН-800 на Белоярской АЭС — тоже по мощности не дотягивает до показателей тепловых реакторов (1000-1200 МВт). Зато на нем проверили сложную контурную систему и систему защиты.

Поэтому перед Росатомом стоит сразу несколько задач на ближайшие годы: оптимизировать конструкцию реакторов на быстрых нейтронах, увеличить единичную мощность и добиться оптимальной цены. Первым примером такого «серийного» быстрого реактора станет БН-1200 с натриевым теплоносителем на Белоярской АЭС. Его планируется построить и запустить к 2030 году.

Единственная страна, которая тоже собирается вводить в эксплуатацию быстрые реакторы — это Китай. К 2040 году страна планирует добиться целевой суммарной мощности 100 ГВт, то есть поддерживать в работе примерно сто реакторов. После 2040 года они будут строить лишь реакторы на быстрых нейтронах. В марте 2022 года в Китае работали 54 реактора общей мощностью 55 ГВт, с тех пор уже успели запустить еще два. Известно, что к 2025 году Китай стремится добиться показателя в 70 ГВт. С помощью Росатома они строят свой первый реактор на быстрых нейтронах.

Международное стремление к чистой возобновляемой энергетике с долгосрочным развитием уже сегодня становится реальностью в нашей атомной отрасли. Введение в масштабную эксплуатацию реакторов на быстрых нейтронах позволяет перерабатывать накопившиеся урановые хвосты, сокращает количество самых опасных радиоактивных отходов — как нашей страны, так и других стран — и экономно расходует ограниченные запасы урана, обеспечивая «обычные» реакторы подходящим топливом.

Источник: Naked Science совместно с Homo Science

Добрый день сообщество умных людей.

Недавно причитал пост (ссылки нет - найти его теперь уже не могу), суть которого в том, что Россия и часть соседей договорились вести торговлю в национальных валютах, но все равно зависят от доллара, т.к. иначе не могут понять курс, по которому следует обменивать их валюты. И сейчас умы работают над тем, чтобы придумать механизм.

Вот у меня стал вопрос, насколько реально применить такой механизм:

Предположим есть страна А и страна Б, которым надо вести товарообмен. Россия строит на территории этих стран атомные станции, которые будут принадлежать России и обслуживаться Россией. После этого курс рубля привязывается к стоимости киловатта энергии, и наше государство гарантирует странам А и Б, что за N-ное количество рублей поставит им N-ное количество энергии.

Теперь страны А и Б торгуют между собой в ценах привязанных к рублю без риска потерять на разнице курсов и прочего, к тому же покупая рубли они могут быть уверены в том, что не попадут в ситуацию аналогичную той, которая произошла с ФРС и золотом - атомные станции стоят на их территории и без из желания функционировать не смогут, а если функционируют, то они сами распределяют куда и сколько электричества пускать. По сути это высоколиквидный актив.

Со временем к ним присоединяются страны В, Г, Д и другой алфавит... Так же к цене киловатта энергии можно будет привязать газ и нефть... Следовательно работая с этими странами РФ может полностью избавиться от зависимости доллара, а страны смогут получать большое количество электроэнергии по рыночной стоимости без необходимости вкладываться в строительство дорогостоящих атомных станций. Особенно привлекательным этот вариант становится ввиду того, что недавно Росатом запустил строительство каких-то там мобильных и компактных атомных электростанций.

В дополнение получаем:

- загруженность наукоемких отраслей производства;

- потребность в большом количестве квалифицированного персонала (рабочие места);

- сбыт ядерного топлива;

- стратегическое сотрудничество с дружественными странами.

Скажите, что в моей фантазии такого, из-за чего она не может быть реализована?