В обеспечении безопасности и конкурентоспособности России всё более значимую роль играет наука. Согласно указа Владимира Путина, затраты на неё составят более 2% ВВП к 2030 году – эту сумму предоставит не только государство, но и бизнес, включая государственные компании и корпорации. Повышение наукоёмкости российской экономики необходимо для достижения технологического лидерства страны. Уже в бюджете 2025 года в рамках государственной программы «Научно-технологическое развитие РФ» на науку заложено 83,3 млрд рублей, и это на 14% больше, чем в 2024 году. Наука становится инструментом развития страны, и «квалифицированным заказчиком» этих работ выступит Российская академия наук. Глава РАН Геннадий Красников по решению Владимира Путина вошел в Совет безопасности, возглавил НТС Комиссии по научно-технологическому развитию при Правительстве России. В числе прочих функций, это контроль выполнения нацпроектов в части научных работ.

– Представленные национальные проекты пока во многом связаны с задачами импортозамещения, что обусловлено внешним давлением, с которым столкнулась наша страна. Тем не менее необходимы и дополнительные проекты, ориентированные на технологическое лидерство, – отметил Геннадий Красников на общем собрании членов РАН. Он выделил направления, где российская наука и российские технологии традиционно были сильными и сегодня занимают мировые позиции: ядерные технологии, биотехнологии, фотоника, СВЧ-электроника.

Наш собственный нацпроект

Ключевой вклад в научно-техническое развитие страны, который реализуется в атомградах, связан с реализацией национального проекта атомной отрасли, «Новые атомные и энергетические технологии». На Общем собрании членов РАН 10 декабря 2024 г. академик Георгий Рыкованов выступил с докладом «Научные и технологические вопросы атомной энергетики», в котором рассказал о ключевых задачах «атомного» национального проекта.

По его словам, понимание задач атомной энергетики возможно лишь в контексте её истории. Хотя ряд причин привёл к снижению доли генерации на АЭС в мире, с 18% в 1980-е годы до 9% в настоящее время, Россия (и не только Россия) считает, что атомной энергетикой заниматься необходимо. Для этого есть три причины, отметил Георгий Рыкованов. Первая – сравнение запасов ископаемых источников энергии в мире. При сегодняшнем «открытом» цикле АЭС запасы сырья (урана-235) – лишь 6 % от мировых запасов энергии, они будут исчерпаны в обозримой перспективе. Но если вовлечь в оборот уран-238, запасов энергии хватает примерно на 4 тысяч лет. Для этого необходимо дополнить действующие технологии «тепловых» реакторов «быстрыми» реакторами и замкнутым ядерным топливным циклом.

Вторая причина, почему атомная энергетика актуальна – экология. О причинах климатических изменений есть разные мнения, но никто не отрицает негативного влияния на здоровье выбросов от сжигания углеводородов. Ветряная и солнечная генерация не оптимальны – среди их недостатков большая ресурсоемкость и занимаемая площадь. Гигаваттная АЭС занимает порядка 30 гектаров, а солнечная и ветряная «плантация» той же мощности займут площадь в 100 и в 1000 раз больше.

Третья причина перспектив АЭС – экономика. До 2050-го года только в дружественных странах России собираются построить от 190 до 320 ГВт АЭС. При стоимости блока примерно в 5 млрд долл., этот рынок может потенциально составляет более 1,5 трлн долл., и Россия не может пренебрегать этими возможностями. Но факторы конкуренции на этом рынке – техническая новизна, повышение безопасности, и проверка предлагаемых на экспорт решений на территории страны-поставщика (референтность).

Прогресс неизбежен

По этим причинам в 2019 году в Росатоме была принята стратегия развития атомной энергетики до 2100-го года. Она предлагает двухкомпонентный подход, базирующийся на использовании тепловых и быстрых реакторов (напомним, Россия – абсолютный лидер в освоении быстрых реакторных технологий, два реактора БН действуют в Заречном Свердловской области). Благодаря дальнейшему развитию быстрых реакторов уран-238, пройдя облучение и преобразовавшись в пригодные для цепной реакции элементы, может быть ещё не один раз вовлечён в топливный цикл. Замыкание топливного цикла – это переработка облучённого топлива, с извлечением полезных урана и плутония, и перенаправлением их в следующие топливные элементы. Кроме того, при переработке извлекаются минорные актиниды – элементы, которые возникают в ходе ядерной реакции, и по мере накопления снижают эффективность реактора. Они составляют и наиболее «токсичную», в радиоактивном аспекте, часть отходов. Переработка этих элементов, их «трансмутация» в специальном типе реактора, позволит получать сравнительно безопасные отходы, для захоронения. 

Вместо двойных технологий – двухкомпонентная энергетика

Этап 2025-2035 годов – это время становления технологий и их проверки, проверки их состоятельности, увязки топливных балансов и так далее, отметил Георгий Рыкованов. Именно эти работы вошли в Национальный проект «Новые атомные и энергетические технологии».

Первая из составляющих двухкомпонентной атомной энергетики – хорошо всем известные реакторы типа ВВЭР (с водой под давлением). Они действуют на большинстве АЭС Росэнергоатома, и постепенно замещают реакторы РБМК (канальные). Чтобы реакторы ВВЭР могли действовать в замкнутом цикле, предстоит отработать их полную загрузку уран-плутониевым (вторичным) топливом. Исследование первых 6 экспериментальных сборок с уран-плутониевым топливом уже проведено на Балаковской АЭС, в ходе 18-месячной кампании. Также желательно повысить коэффициент воспроизводства топлива (наработки элементов, пригодных для вторичного использования): эту задачу планируется решить с созданием реактора ВВЭР со спектральным регулированием. В планах – сооружение и запуск в 2035 году головного блока ВВЭР-С, средней мощности, на Кольской атомной станции (Полярные Зори Мурманской области; общественные слушания по проекту успешно состоялись).

Также идут работы по исследованию элементов двухкомпонентной ядерной энергетики на действующем реакторе БН-800 (Белоярская АЭС, Заречный Свердловской области). Активная зона БН-800 на 100% загружена уран-плутониевым топливом, вместе с выработкой электроэнергии идет исследование режима работы реактора. Также идёт исследование эффективности трансмутации минорных актинидов, твэлы с добавлением америция-241 проходят облучение в реакторе.

Северск – столица завтрашней энергетики

Ключевой элемент развития двухкомпонентной энергетики – строительство на площадке СХК в Северске Томской области реактора «Брест». Это промышленно-энергетический комплекс, на примере которого отрабатывается технология работы. На одной площадке размещены «быстрый» реактор нового типа, со свинцовым теплоносителем, и завод по переработке топлива. Поскольку переработка топлива – это целый ряд нерешенных научно-технических задач, предстоит немало работы, связанной с химией, созданием технологического оборудования, высокой степенью автоматизации и роботизации процессов. Повысить эффективность переработки топлива должна инновационная пирохимическая технология, но она пока не даёт достаточной степени очистки топлива, и в Северске она будет отрабатываться в комбинации с традиционными методами. Тем не менее, поскольку в 2045-2050 годы планируется пуск полномасштабного завода по переработке топлива действующих АЭС, для отладки пирохимической технологии есть время.

Отходы в доходы, с учётом расходов

После того как топливо извлечено, необходима нейтрализация высокоактивных отходов. При традиционной гидротехнологии в высокоактивные отходы идёт всё, кроме плутония и урана – активные осколки деления и минорные актиниды. Они размещаются для хранения в матрице из стекла (остекловывание). Необходима отработка методов безопасного захоронения таких отходов – для этого к 2035 году в окрестностях Железногорска (Красноярский край) в Канском горном массиве будет создана подземная лаборатория. Стекло с отходами планируется помещено в контейнер, контейнер – окружить бентонитовой глиной (один из производителей соответствующих материалов – НПО «Бентонит», производство материалов для подобных проектов создаётся на ТОР «Северск»).

Также будут предложены и исследованы дополнительные решения, препятствующие выходу нуклидов на поверхность. Моделирование показывает, что изотопы не выйдут на поверхность и через миллионы лет. Но напомнил Георгий Рыкованов, ни в одной стране мира нет разрешения на захоронение высокоактивных отходов; нет такой практики и в России. Следовательно, лучше максимально сократить объем высокоактивных отходов. Реализация этой идеологии предполагает большой объем работ по радиохимии – выделению различных фракций из ОЯТ. Но выделение фракций трансурановых элементов и последующее их дожигание в реакторе приведёт к тому, что вероятность воздействия становится равной природному уровню примерно через три столетия. Это обозримая цифра, в отличие от миллионов лет, на которые надо строить расчёты при безопасном захоронении высокоактивных отходов.

Материалы для светлого будущего

Необходимо исследовать радиационные эффекты в конструкционных материалах для атомной энергетики: они должны выдерживать радиационное воздействие, слабо меняя свои свойства в течение многолетнего срока эксплуатации реактора. Исследование перспективных образцов сталей для оболочек ТВЭЛ быстрых реакторов занимает приблизительно 8 лет – 5 лет выдержки в реакторе до 100 сна (сдвигов на атом), 2 года внереакторной выдержки, и приблизительно год исследования свойств. А поскольку поставлена задача повышения выгорания в полтора раза, восемь лет исследований могут растянуться и до 12 – понятно, что в таких условиях развивать технологию сложно. Экспериментально показано, что нейтронное облучение и облучение ионами приводит к сходным нарушениям кристаллической структуры материала – это позволяет существенно снизить время проведения экспериментов. Напомним, важную роль в отработке реакторных материалов играют НИИАР (Димитровград Ульяновской области, где создаётся исследовательский комплекс МБИР), и Институт реакторных материалов в Заречном Свердловской области (реактор модернизирован для продления срока действия).

Водород (не всё так однозначно)

Направление водородной энергетики (ряд работ активно развивается в ТВЭЛ, в том числе на базе НПО «Центротех», Новоуральск Свердловской области) также вошло в программу «Новые атомные и энергетические технологии». Георгий Рыкованов отметил, что недавний всплеск интереса к водороду, как и к ветро– и солнечной генерации, себя не оправдал: водород не является значимым ресурсом для масштабной энергетики. Тем не менее, он нужен для ряда отраслей. Кроме успешно реализованной силами НПО «Центротех» электролизной технологии получения водорода, для его производства актуальна разработанная в Росатоме система производства водорода с помощью высокотемпературного газового реактора – это позволит сократить потребление метана на производство водорода примерно вдвое.

Итак…

В результате выполнения представленных работ будут обеспечены лидирующие позиции России в технологиях атомных реакторов большой и малой мощности, замыкания топливного цикла, переработки и захоронения ОЯТ, исследования свойств материала в приоритетном воздействии, термоядерных исследованиях, расширение участия РАН в исследованиях по направлениям национального проекта, необходимые условия успешной реализации, – отметил Георгий Рыкованов в финале доклада.

Мы же в заключение добавим, что ряд малых и средних технологических компаний в городах присутствия Росатома выступают поставщиками Росатома, в том числе для инновационных проектов. Осуществляется изготовление нестандартного и ёмкостного оборудования для АЭС и предприятий топливного цикла, контейнеров для материалов, отрабатываются технологии 3d-печати в том числе ответственного оборудования. Не случайно генеральный директор Госкорпорации «Росатом» Алексей Лихачёв неоднократно подчеркивал, что социальная и технологическая повестка в атомградах неразделима.