uk

Атомна енергетика: консервативна і сучасна

Перспективи побудови нових енергоблоків на наших АЕС і подовження терміну експлуатації блоків, які працюють сьогодні, актуальні дослідження, що їх проводять наші вчені у ядерній галузі — ці теми зазвичай обговорюються на щорічній міжнародній конференції «Перспективи впровадження інновацій в атомну енергетику», яка традиційно відбулася в Інституті газу НАН України. Але цього року особливу увагу було зосереджено і на безпрецедентних безпекових викликах, які спричинила російська агресія.

Конференцію організувала Рада молодих учених при Відділенні фізико-технічних проблем енергетики НАН України за підтримки ГО «Українське ядерне товариство».

Конкуренція за нові технології

Атомна галузь є досить консервативною. Більшість технологій, які нині у ній використовуються, створювались роками. Водночас сьогодні головна конкуренція у світі — за нові технології. Розробляються малі модульні реактори, триває робота над подовженням експлуатаційного періоду енергоблоків. З таких меседжів розпочав конференцію заступник міністра енергетики України Микола Колісник.

— Останнім часом ми часто спілкуємося з європейськими партнерами, — зауважив посадовець. — Перед усіма стоїть ключове питання — на чому будувати свій паливний баланс у найближчі роки. На жаль, баланс спирався на енергоресурси походження країни-агресора. І це питання не лише про природний газ, ідеться також про установки й різні компоненти російського виробництва. І тепер у багатьох країнах стоїть питання заміщення цих складових. Сьогодні практично всі світові виробники (Westinghouse, Hitachi й інші) конкурують, хто швидше сертифікує нову технологію. І всі намагаються залучити до цього процесу провідні наукові інститути.

Здавалося, що після окупації наших ядерних об’єктів і численних актів ядерного тероризму багато країн поставлять хрест на розвитку атомної галузі. Але, за словами виконавчого секретаря Українського ядерного товариства Данила Лавренова, сталося зовсім навпаки. Багато країн світу почали активно розвивати ядерні проєкти й прискорили дослідження і розробки в цьому напрямі. «Впевнений, що завдяки науці ми зможемо якісно підготуватись до етапу, коли почнемо не тільки відновлювати, а й будувати нове, розвивати нові технології в атомній енергетиці, ядерній медицині, займатись всіма проєктами, які в нас були заплановані до 24 лютого», —сказав він.

У важких умовах

Однією з «підстав» нападу рф було фейкове твердження про те, що в Україні, незважаючи на без’ядерний статус, продовжуються роботи над ядерними озброєннями. Генеральний директор Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» академік НАН України Микола Шульга у своєму виступі вкотре спростував безпідставні російські звинувачення.

— Щороку у нас, а також в Інституті ядерних досліджень НАН у Києві проводяться інспекції МАГАТЕ, — зауважив академік Шульга. — В цих інститутах беруться проби там, де вони вважають за потрібне, щодо наявності ядерних матеріалів, які можуть використовуватись у цих озброєннях. І жодних претензій з боку МАГАТЕ не було. І це при тому, що доволі велика кількість співробітників цієї організації — представники рф.

Попри важку ситуацію, зокрема численні обстріли, роботи в інституті тривають, зокрема і за міжнародними проєктами. НТК «Ядерний паливний цикл» ННЦ ХФТІ продовжує співпрацю з НАЕК «Енергоатом», зокрема з Рівненською, Південноукраїнською і навіть за можливості із Запорізькою АЕС (наприклад, проводиться розробка звіту з підтвердження виконання проєктних критеріїв для енергоблока №1). Також тривають роботи зі створення Міжнародного центру з ядерної фізики й медицини.

Який блок будувати?

Враховуючи наявний досвід експлуатації АЕС, інфраструктуру та достатні запаси урану, Україні доцільно орієнтуватись на випереджальний розвиток ядерної енергетики. Таку думку у своєму виступі висловив директор Інституту проблем безпеки АЕС НАН України академік Анатолій Носовський.

За кількістю ядерних енергетичних реакторів наша країна посідає 9 місце у світі та 3 в Європі. Нині в Україні на 4 станціях експлуатуються 15 енергоблоків, з яких 12 працюють понад 30 років. Проте після запуску у 2004 році двох реакторів на Хмельницькій та Рівненській АЕС нові не будувались.

Як нагадав академік Носовський, відповідно до чинної Енергетичної стратегії України на період до 2035 року важливу роль як одному з найбільш економічно ефективних низьковуглецевих джерел енергії відведено саме ядерній енергетиці. Подальший розвиток ядерного енергетичного сектора на період до 2035 року передбачає збільшення виробництва електроенергії на атомних станціях, але для досягнення цієї мети важливим завданням поряд із забезпеченням експлуатації енергоблоків у понадпроєктні терміни є будівництво нових ядерних установок для заміщення енергоблоків, які виводяться з експлуатації.

Сьогодні в Україні розглядається проєкт ядерної установки АР1000 компанії Westinghouse, що характеризується підвищеною економічністю і безпекою. НАЕК «Енергоатом» і Westinghouse вже підписали низку угод, зокрема щодо будівництва за технологією АР1000 нових енергоблоків на майданчику Хмельницької АЕС. Отже, цілком природно, що під час конференції фахівці чимало говорили про плюси й мінуси цих блоків.

— Стандартний блок АP1000 складається із 50 великих і 250 малих модулів, які можна перевозити залізницею, — розповів Анатолій Носовський. — Модулі серійно виготовляють на заводі та транспортують на майданчики атомних станцій. Підхід до гарантування безпеки АР1000 заснований на використанні пасивних систем. Також цей проєкт відповідає всім вимогам контролювального органу США.

Зважаючи на досвід Китаю під час спорудження чотирьох енергоблоків АР1000, на думку академіка Носовського, доцільно використати такий досвід і в Україні. Наприклад, середній рівень локалізації виробництва під час будівництва в Китаї чотирьох енергоблоків АР1000 склав 55%. Водночас на першому з чотирьох енергоблоків рівень локалізації склав 25%, а на четвертому — вже 70%.

— Вибір технології АР1000 як пріоритетної реакторної установки легководних реакторів великої потужності для подальшого врахування стратегії розвитку ядерної енергетики України є прийнятним, але цей вибір необхідно підтвердити з урахуванням необхідних процедур узгодження відповідного техніко-економічного обґрунтування та інших документів згідно з чинним законодавством України, — додав Анатолій Носовський.

У січні 2021 року «Енергоатом» видав окреме доручення щодо підготовки пропозицій стосовно реалізації проєкту створення українського енергоблока АЕС із зазначенням першочергових завдань з підготовки до спорудження нових енергоблоків атомних станцій з максимальною локалізацією виробництва в Україні.

— Шкода, що це доручення запізнилось років на 20, — констатує академік Носовський. — Адже за цей час Україна втратила багато будівельників, налагоджувальників, монтажників обладнання та інших фахівців зі спорудження АЕС, які покинули Україну в пошуках кращої долі.

Порівняльний аналіз техніко-економічних показників сучасних ядерних енергоблоків навів завідувач відділення атомної енергетики Інституту проблем безпеки АЕС НАН України Володимир Борисенко.

Зокрема, він порівняв блоки АР1000, EPR-1750, EPR-1400 та ВВЕР-1200. Володимир Борисенко констатував, що за показником коефіцієнта готовності несення номінальної потужності АР1000 попереду всієї планети. Але є й проблеми, зокрема й аварійного характеру. У 2019 році на одному з енергоблоків було пошкодження різних елементів головних циркуляційних помп. Ще одне проблемне питання — реальні строки будівництва. В Китаї такі блоки було збудовано за 8–9 років, а у США будівництво вже триває більше 9-и років. Окрім того, загальна вартість будівництва 2-ох енергоблоків з АР1000 на АЕС Vogtle вже складає більш як 20 млрд доларів.

— Можливо, не все з ними так і добре, як ми намагаємось собі уявити, — додав Володимир Борисенко. — Тому потрібно, щоб рішення ухвалювались кваліфіковано. У світі заведено обирати блоки на тендері, а не рішенням однієї компанії, навіть державної.

Майбутнє за малими модульними реакторами?

У будь-якому разі, як констатував академік Носовський, для України спорудження нових атомних станцій великої потужності найближчими десятиліттями буде обмежуватись фінансовими можливостями, адже є невизначеність щодо розвитку економіки країни. Більш оптимістичний прогноз участі інвестиційного капіталу є для малої ядерної енергетики. У світі зростає інтерес до реакторів малої та середньої потужності (до 300 МВт), які дістали назву малих модульних реакторів (SMR).

Коли матеріал готувався до друку, стало відомо, що Україна і США домовилися про започаткування нового пілотного проєкту з будівництва малого модульного реактора (ММР). Про це на своїй фейсбук-сторінці повідомила посол України в США Оксана Маркарова. Вона зазначила, що міністр енергетики України Герман Галущенко і посланник президента США з питань клімату Джон Керрі уклали домовленість під час 27-ї Кліматичної конференції ООН.

— Специфіка вимог до цих реакторів визначається прагненням максимально спростити експлуатацію та обслуговування станції, звести до мінімуму чисельність персоналу, — зауважив Анатолій Носовський. — Для цього необхідно максимально використовувати пасивні засоби й системи забезпечення високої ресурсної надійності обладнання та систем, кардинально зменшити кількість перевантажень ядерного палива. Обсяг робіт на будівельному майданчику має бути зведений до мінімуму завдяки високому ступеню заводської готовності та блокового постачання обладнання і систем. Технологія утилізації енергоблока після вироблення ресурсу також повинна бути максимально спрощена.

За словами академіка Носовського, реактор для малої атомної станції має бути компактним, що дасть змогу доставити його на місце з допомогою звичайних транспортних засобів — автомобільним або водним шляхом. Для цього його можна розробити із невеликих окремих модулів, які виготовлятимуться в заводських умовах, і на місці невелика група монтажників збере їх докупи й запустить реактор. Про підходи до впровадження малих модульних реакторів у короткостроковій перспективі йшлося у виступі головного інженера ВП «Науково-технічний центр» ДП НАЕК «Енергоатом» Олега Годуна. За його словами, пріоритет надаватиметься водно-водяним енергоблокам, враховуватиметься можливість будівництва на майданчиках наших АЕС, можливість адаптації проєкту до серійного виробництва, максимальне використання виробництва систем і компонентів в Україні тощо.

Сьогодні є декілька напрямків розвитку малих модульних енергоблоків — одноблокові, багатомодульні, мобільні, мікромодульні й блоки IV покоління.

Як зауважив Олег Годун, НАЕК «Енергоатом» для можливої експлуатації нині розглядає одноблокові та багатомодульні блоки. Додатково вивчається можливість будівництва дослідницького реактора з гарячими камерами для супроводження довгострокової експлуатації АР1000, створення науково-дослідного центру ММР (у разі будівництва серії енергоблоків) і виробництво медичних ізотопів. Серед переваг малих модульних реакторів було названо високі стандарти безпеки порівняно з реакторами великої потужності, гнучкий режим експлуатації (слідування за навантаженням, синергія під час виробництва тепла та електроенергії), відсутність обмежень на транспортування (розмір, вага основного обладнання), скорочений термін будівництва і низькі загальні капітальні витрати. Крім того, це використання наявної інфраструктури поводження з відпрацьованим ядерним паливом та його зберігання. А ще — можливість отримання технології виготовлення тепловидільних збірок для підвищення енергетичної безпеки в умовах реалізації обраної технології.

За даними Міжнародної агенції з атомної енергетики, які навів академік Носовський, у світі проводиться розроблення понад 50 проєктів малих модульних реакторів, більшість з яких — на ранніх стадіях науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт. Ці реактори можуть виявитись конкурентоздатними під час розміщення в регіонах з менш розвиненою інфраструктурою внаслідок зниження капітальних та експлуатаційних витрат, а також скорочення термінів будівництва.

— Але на цей час малі модульні реактори не мають належного техніко-економічного і наукового обґрунтування, а також не підтверджуються необхідною апробованою практикою, адже у світі такі реактори лише розробляються, — констатував Анатолій Носовський.

Наука пропонує

Розглянути варіант теплопостачання міст за допомогою атомних станцій малої потужності пропонують науковці НУ «Одеська політехніка». Таке бачення презентував аспірант Андрій Оверченко. За його словами, схема теплопостачання міст-супутників АЕС для великих населених пунктів не спрацьовує. Наприклад, для забезпечення тільки одного району Одеси треба використати теплову енергію з 2,5 енергоблока АЕС з реакторами ВВЕР-1000, що абсолютно нереально.

— Крім АТЕЦ, які зазвичай мають турбіни для виробітку електроенергії та теплофікаційну установку, для теплопостачання можливо використання атомних станцій теплопостачання (АСТ), які призначені тільки для виробництва тепла, — зауважив Андрій Оверченко. — Це дає змогу зменшити параметри теплоносія і тим самим підвищити безпеку. Але в цьому разі втрачається перевага комбінованого виробництва теплової та електричної енергії. До того ж АСТ влітку не працює, що погано впливає на економічні показники. Малі модульні реактори, які за визначенням мають електричну потужність до 300 МВт, не можуть використовуватися для теплопостачання великих міст за відомою технологією. Якщо використовувати SMR-160 у якості АСТ, то за теплової потужності реактора 525 МВт, він може успішно забезпечити теплом район великого міста. Але тут знову ж таки постає питання економіки. Для забезпечення роботи впродовж року АСМП повинна мати обладнання для обох режимів: конденсаційного за умови виробітку тільки електроенергії влітку та теплового для теплозабезпечення взимку.

Про підвищення ефективності АЕС завдяки прямому термоемісійному перетворенню на електрику високотемпературної теплової енергії йшлося у виступі завідувача відділу Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Євгена Леня.

Науковець нагадав про проблему низького ККД атомних і теплових електростанцій під час перетворення енергії згорання ядерного або органічного палива на електричну енергію (20–40%), а також — про технічну неможливість використання енергії високотемпературного циклу згорання ядерного або органічного палива та неусувні втрати на різних етапах непрямого перетворення енергії.

Серед методів використання високотемпературної теплової енергії — магнітно-гідродинамічні генератори й високотемпературні термоемісійні прямі перетворювачі енергії. Саме останніми науковці Інституту металофізики пропонують оснащувати гарячі зони реакторів — фактично вбудовувати їх у стінки оболонок. Про актуальність цього питання, за словами Євгена Леня, свідчить те, що ЄС протягом останніх років профінансував вже декілька програм з дослідження нових матеріалів для пристроїв зберігання та перетворення високотемпературної енергії.

Вплив проникної радіації на активні світлодіодні елементи контрольно-вимірювальних систем вивчають науковці Інституту ядерних досліджень НАН України й Національного педагогічного університету ім. М.П. Драгоманова. Науковий співробітник та голова ради молодих учених ІЯД Євген Малий зауважив, що в умовах підвищених рівнів радіаційних полів з боку ядерних реакторів, прискорювачів чи перебування у космосі, актуальною стає проблема радіаційної стійкості точкових джерел випромінювання — світлодіодів. Насамперед це стосується систем оперативного, аварійного і сигнального контролю, до яких входять світлодіоди, а також — галузі космічного зв’язку, передачі, обробки, відображення та зберігання інформаційних масивів, керування промисловими процесами.

— Знання радіаційних констант необхідне для прогнозування експлуатаційного ресурсу моніторів, що використовуються у радіаційно-небезпечних умовах, — розповів науковець. — Також опромінення швидкими частинками дає змогу вводити у зразок потрібне число дефектів певного виду і моделювати наслідки їхнього впливу на електрофізичні характеристики приладів. Актуальним завданням сучасної атомної енергетики України є організація власного виробництва поглинальних стрижнів системи управління та захисту реактора ВВЕР-1000.

У виступі молодшого наукового співробітника наукового-технічного комплексу «Ядерний паливний цикл» ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» Ігоря Чернова йшлося про дослідження з обґрунтування розроблення технологій виготовлення порошку титанату диспрозію.

Проведені розроблення і технологічні напрацювання були використані під час виготовлення в лабораторних умовах НТК ЯПЦ експериментальних партій порошків титанату диспрозію для дослідної партії поглинальних елементів з оболонкою зі сплаву 42ХНМ.

Про сучасні методи й технології поводження з рідкими радіоактивними відходами аварійного походження на прикладі АЕС Фукусіма-1 йшлося у виступі старшої наукової співробітниці Інституту геохімії навколишнього середовища НАН України Юлії Бондар.

Як зауважила науковиця, для ліквідації наслідків однієї з найсерйозніших в історії атомної енергетики аварій було реалізовано технологію очищення РРВ та циркуляції очищеної води, що базується на застосуванні трьох основних модулів: видаленні радіонуклідів цезію та стронцію; зворотного осмосу для зменшення солевмісту охолоджувальної води; видаленні радіонуклідів з сольового залишку від зворотного осмосу. Аналіз результатів поводження з аварійними РРВ з різним хімічним складом на АЕС Фукусима-1 продемонстрував актуальність розробок «під ключ» сучасних сорбційних матеріалів із селективними властивостями щодо різних радіонуклідів.

«Незважаючи на те, що в Україні є велика потреба в сорбентах як для проведення експрес-визначення радіонуклідів у природних і технологічних розчинах, так і для очищення РРВ, випуск вітчизняних селективних сорбентів не налагоджений попри те, що є цікаві експериментальні розробки», — зауважила Юлія Бондар.

Безпекові виклики

Розвитку і функціонуванню української атомної енергетики з урахуванням наслідків російської агресії була присвячена окрема експертна дискусія.

Як зауважив модератор конференції, провідний науковий співробітник Інституту газу НАН України, голова науково-аналітичної секції Українського ядерного товариства Костянтин Сімейко, жоден з можливих сценаріїв ядерних аварій не передбачав таких терористичних актів, як обстріли АЕС і захоплення регулярними військами ядерних об’єктів. Виклики постають надзвичайно серйозні, адже якщо скинути звичайну бомбу на ядерний об’єкт, то наслідки можуть бути не меншими, а навіть більшими, ніж від застосування ядерної зброї.

На жаль, прогнози учасників дискусії виявились пророчими. Ворог під час останніх ракетних обстрілів намагався «відрізати» наші атомні станції від енергосистеми. І добре, що була можливість застосувати дизель-генератори…

Про підвищення готовності АЕС в умовах воєнних дій ішлося у виступі ветерана атомної енергетики, представника Державного науково-технічного центру з ядерної та радіаційної безпеки Віктора Шендеровича.

— В умовах воєнних дій, які можуть вплинути на АЕС, ядерна та радіаційна безпека не можуть бути гарантовано забезпечені жодними технічними й організаційними заходами, адже ці об’єкти не проєктувались для таких умов, — констатував доповідач. — Однак деякі превентивні й компенсувальні заходи доцільно розглянути.

Наприклад, доцільно розробити спеціальний документ щодо підвищення готовності АЕС та інших ядерних установок, щодо гарантування безпеки в умовах воєнної загрози, який має відбивати спільну позицію експлуатаційної організації, органу державного управління та регулювального органу з ядерної безпеки.

Щодо енергоблоків АЕС, то з погляду безпекиїх треба перевести в холодний стан. Водночас слід враховувати, що за сучасної ролі атомних електростанцій, зупинення енергоблоків АЕС може бути різким ударом по економіці країни.

Одним з ключових є питання забезпечення надійного електропостачання за умов відмови джерел зовнішнього електропостачання. На думку експерта, враховуючи наявність на АЕС мобільних дизельних установок, мобільних помпових станцій, необхідно додатково оцінити надійність роботи обладнання протягом тривалого періоду, а також забезпечити необхідні запаси дизельного палива. Але, як констатував Віктор Шендерович, коли проєктувались мобільні установки, ніхто не розглядав можливості їхньої роботи протягом тривалого періоду.

Говорили учасники дискусії й про необхідність більш жорсткої реакції з боку міжнародної спільноти — зокрема Генасамблеї ООН, МАГАТЕ — на акти ядерного тероризму з боку рф.

Замість резюме

Яким буде майбутнє нашої атомної енергетики? Під час конференції лунали різні оцінки. Були й скептичні, мовляв, якщо США і Китай будують енергоблоки по 10 років, то хіба може Україна потягнути таке будівництво самотужки. Анатолій Носовський зауважив, що інноваційна діяльність у нашій атомній галузі зводиться до закупівлі за кордоном не завжди прогресивних технологій і обладнання, а в результаті маємо занепад національних наукових шкіл. Але академік переконаний: наукові дослідження з розроблення нових ядерних енергетичних технологій мають стати пріоритетним напрямом фундаментальних та прикладних досліджень інституцій НАН України.

У будь-якому разі, як наголосив Данило Лавренов, треба думати про те, щоб розвивати атомну галузь і будувати нові енергоблоки на заміну тим, які виводяться з експлуатації.

«Атомна галузь як найбільш наукомістка, як така, що потребує найбільшого обсягу фінансування, може стати основою енергетичного «плану Маршалла», — переконаний експерт. — Сподіваюсь, що це дасть поштовх до розвитку не лише безпосередньо атомної енергетики, а й усіх суміжних галузей. Величезне будівництво, яке коштує мільярди доларів, дає феноменальний мультиплікативний ефект».

Серйозні дослідження свідчать, що від атомної енергетики до 2100-го року світ відмовлятися не буде, однак, як зауважив Костянтин Сімейко, людство напевно рухатиметься до того, щоб зробити її безпечнішою, адже сьогодні багато країн починають розглядати у себе можливість ситуації, яка склалась в Україні.

Дмитро ШУЛІКІН

Фото автора і з сайту Хмельницької АЕС