Андрей Гагаринский
Фото Wikipedia.org
Игорь Васильевич Курчатов как-то спросил: «Кто знает, как это делают ребята, которые под нами ходят вниз головой?»
Достаточно заметно различаясь по потреблению первичной энергии (в пересчете на душу населения в США оно на 40% выше, чем в России), две великие державы демонстрируют удивительное сходство в структуре электрической генерации. Сопоставим данные за 2020 год по России и США: ископаемые источники (газ, уголь, нефть) – 60 и 61%, низкоуглеродные (гидро- и другие возобновляемые, атомная энергия) – 40 и 39%, из них АЭС – 20 и 19% соответственно. Уже только это совпадение вызывает вполне объяснимое желание попытаться выявить «историческую общность», сегодняшнее сходство и ожидаемые перспективы энергетической политики двух столь разных по экономическому и политическому устройству стран, ограничившись хотя бы ядерной энергетикой.
Историческое начало
После того как Советский Союз лишил США монополии на атомное оружие и началась длительная гонка, приведшая к ядерному паритету, практически одновременно между родоначальниками атомной эры возникло соревнование в освоении мирного атома.
Интересно, что большинство этапных событий в освоении ядерной энергетики обеих стран происходили с временным разбросом до трех лет, что после 70 лет этого процесса вполне можно определить как «практически одновременно». Неизвестное тогда миру Постановление Совета министров СССР о работах по «использованию атомной энергии для мирных целей», положившее начало созданию первой атомной электростанции страны, датировано 1950 годом. Объявленная в западном мире краеугольным камнем на пути создания ядерной энергетики речь Дуайта Эйзенхауэра в ООН «Атом для мира» была произнесена в 1953 году, а не менее историческая для нашей страны речь Игоря Курчатова на ХХ съезде КПСС с фантастической программой развития ядерной энергетики Советского Союза – в феврале 1956 года.
Первое атомное электричество получили американцы на экспериментальном реакторе в 1951 году, но это были четыре электролампы. Для создания атомной электростанции, способной поставлять энергию в сеть, требовалось решить множество научно-технических проблем. Необходимые для этого реакторы для испытаний материалов (MTR в США и РФТ в СССР) были запущены в 1952 году с временным сдвигом менее месяца.
С самой атомной станцией СССР опередил США. По времени пуска американский BORAX-III (2 МВт(э) отстал от Обнинской АЭС (5 МВт(э) ровно на год. Схожей была ситуация с откровенным соревнованием за создание атомного гражданского судна, где советский атомный ледокол «Ленин» (1959 год) на три года опередил американскую грузопассажирскую «Саванну» (1962 год).
Что касается «большой» ядерной энергетики, то при всех различиях экономической организации процесса (в США частный сектор участвует в производстве гражданской энергии больше, чем в любой другой стране) и даже стимулов к развитию ядерной генерации общие закономерности буквально бросаются в глаза. Из океана возможностей, определенных еще на заре атомной эры, в двух странах (больше к этому научно-техническому подвигу никто даже не приблизился за два десятилетия) были опробованы практически все представлявшиеся перспективными концепции ядерных реакторов. В итоге двумя странами были выбраны два направления (из мудрого принципа «отказа от одной корзины»): реакторы с водой под давлением, блестяще зарекомендовавшие себя во флоте (кстати, первый такой реактор – прототип энергоисточника атомной подводной лодки – был запущен в США в 1953 году, а советский аналог – 27-ВМ – в 1956 году), и реакторы с кипящей водой (в США – корпусные BWR, в СССР – канальные РБМК).
Об этом периоде выбора пути интересно привести мнение директора Аргоннской национальной лаборатории Уолтера Цинна, создавшего экспериментальный быстрый реактор EBR-1, первый производитель атомного электричества, названный соотечественниками «дьявольским котлом Цинна». По результатам II Женевской конференции он изложил мнение о «русских материалах» в отчете для Конгресса США: «Советский Союз делает быстрый технический прогресс в области развития атомной энергетики, проводя большую и активную программу строительства… исследуя практически все основные типы реакторов, изученные в Соединенных Штатах. В отношении некоторых разработок СССР продвинулся дальше, чем США…
Если советская строительная программа будет проводиться в соответствии с намеченными планами, то в течение двух-трех следующих лет будет получен опыт эксплуатации крупномасштабных установок для большинства важных типов энергетических реакторов».
Конечно, американский старт не мог не влиять на создателей советской ядерной техники. Вспоминают «исторический» юмор советского атомного руководителя Бориса Ванникова: «Куда вы торопитесь с этой идеей, ведь Трумэн еще не указал нам на нее!»
В этом историческом сравнении драматичной страницей было развитие направления реакторов на быстрых нейтронах. Маленький плутониевый кубик достиг критичности в Лос-Аламосе на три месяца раньше первого реактора Курчатова. Волна запусков экспериментальных быстрых реакторов с начала 1950-х годов продолжалась десятилетия, подогреваемая идеей Энрико Ферми о ядерной энергетике на быстрых нейтронах с неисчерпаемым топливом. Советский Союз вышел на высший уровень быстрого направления с пуском в 1973 году реактора БН-350, предназначенного для производства электричества, тепла и пресной воды, и с тех пор «остается на вершине».
Вскоре быстрое направление в США, завершившееся в XX веке пуском прекрасно оснащенного реактора FFTR (400 МВт), было остановлено по политическим причинам (в борьбе президента Картера с ядерным распространением), о чем американские физики сожалеют до сих пор. Догонять Россию, сконцентрировавшую отечественный опыт в быстром направлении запущенным в 1981 году реактором БН-600, американцам пришлось уже в новом веке.
На первом этапе быстрого развития ядерной энергетики принципиальной отметки на уровне в 200 МВт единичной мощности, объявленной еще Курчатовым в «съездовской» речи, США обошли Советский Союз немного больше чем на три года. Американская АЭС Дрезден с реактором PWR мощностью 180 МВт(э) была запущена в 1960 году, зато первый советский чисто энергетический реактор ВВЭР-210, запущенный в 1964 году, стал тогда самым мощным производителем ядерного электричества в мире. Затем события развивались с поразительной синхронностью: пик ввода атомных мощностей (в США – до 9 ГВт, в СССР – 5 ГВт в год) пришелся на середину 1980-х годов, также одновременно стал протекать и обратный процесс отказов от строительства АЭС и резкого снижения числа новых заказов. Экономические показатели оказались не столь радужными, как это казалось в момент «низкого старта».
Первая тяжелая авария на АЭС Тримайл в США (1979) вызвала беспокойство всего мира, привела к радикальному пересмотру требований безопасности и, как следствие, огромному материальному ущербу для всей ядерно-энергетической системы. Чернобыль нанес дополнительный серьезный удар, вызвав шок повсеместно в мире. В ряде стран были остановлены программы строительства АЭС, произошли отказы от планов ядерно-энергетического развития, а к середине 1990-х годов ядерная энергетика вошла в период стагнации, когда строительство АЭС в развитых странах практически прекратилось. Последний в ХХ веке атомный энергоблок в России был запущен в 1993 году (в Украине – в 1996 году), американский – в 1996 году.
Ядерная энергетика нового века
В начале XXI века обе страны практически одновременно приняли государственные решения, определяющие ядерно-энергетическое развитие. Американский закон об энергетической политике 2005 года (правительство вовлечено в коммерческую атомную энергетику больше, чем в любую другую отрасль), принятый после долгих дебатов, включал экономические стимулы для ядерной энергетики: налоговые кредиты на производство новых ядерных мощностей, федеральное страхование рисков, снижение налога на вывод из эксплуатации, гарантии по федеральным займам на современные ядерные реакторы, государственную поддержку передовых ядерных технологий. Разумеется, тридцать энергетических компаний, эксплуатирующих ядерный парк США, вкладывались в его техническое обслуживание и модернизацию. Эти ежегодные инвестиции составляют более 7 млрд долл. Следует заметить, что особенностью энергетической политики США является возможность для отдельных штатов вносить в нее собственные коррективы. В 1976 году на основе референдума в крупнейшем штате страны, Калифорнии, был принят закон, запрещающий строительство новых атомных станций, который остается в силе до сих пор. С другой стороны, в целом ряде штатов (Нью-Йорк, Иллинойс, Огайо, Коннектикут, Кентукки, Нью-Джерси) с 2015 года принимаются законы, так или иначе поддерживающие конкурентоспособность ядерной энергетики.
В свою очередь, обозначенная президентом России в 2006 году государственная поддержка атомной отрасли и принятая вслед за этим федеральная целевая программа развития атомно-промышленного комплекса впервые с советских времен открыли государственное финансирование строительства АЭС. Находившейся в застое отрасли был дан срок до 2015 года (потом он был продлен до 2020 года), чтобы стать на собственные ноги. Развернуто второе в мире по темпам (после Китая) строительство новых ядерных энергоблоков. Консолидирована в единый хозяйственный механизм огромная отрасль, как говорят американцы, from cradle to grave («от колыбели до могилы»), то есть от добычи урана до окончательной изоляции отходов ядерной деятельности. Начала реализовываться активная политика внедрения на мировой ядерный рынок.
За 20 лет нового века в России сооружено 11 энергоблоков АЭС (не считая ПАТЭС). За рубежом в этот период вошли в строй также 11 энергоблоков российского дизайна (в Украине, Чехии, Китае, Иране, Индии и Белоруссии), строятся еще 16. Все это (кроме БН-800) – на базе реакторов типа ВВЭР.
Успехи США в сооружении новых АЭС более скромны. После 2000 года введен в строй один энергоблок и достраиваются еще два (все – PWR). Четыре блока с реакторами АР-1000 запущены в Китае в 2018–2019 годах. Стоит заметить, что впервые с далекого 1978 года Комиссия по ядерному регулированию (NRC) в 2012 году дала разрешение на строительство в США новых ядерных реакторов. Всего NRC рассмотрела около 20 заявок на строительство таких реакторов. В разной стадии проработки только для Европы находятся предложения об участии американских реакторов в ядерных программах Украины, Болгарии, Польши. Государственный департамент США анонсировал запуск программы, направленной на «углубление стратегических связей, поддержку энергетических инноваций и развитие технического сотрудничества со странами-партнерами» в сфере ядерной энергетики. Программа формально нацелена на малые реакторы, но реальное оживление связей США с атомной Европой, практически сведенных к минимуму еще в конце прошлого века, наблюдается отнюдь не только в области все еще виртуальной малой энергетики. Надо полагать, что перечисленными странами американские интересы к зарубежным поставкам не ограничатся.
Прекращение эксплуатации ядерных энергоблоков в США – а с 2013 года было остановлено 12 блоков суммарной мощностью более 10 ГВт(э) – успешно компенсируется очевидным прогрессом в продлении ресурса действующих АЭС. Практически все действующие реакторы (их 93 – самый большой национальный парк АЭС в мире) уже имеют лицензии на эксплуатацию в течение 60 лет, а в конце 2019 года стартовала кампания по продлению срока службы атомных станций до 80 лет. К концу 2021 года продленную лицензию получили шесть блоков, а на горизонте – уже столетний срок. Отмечается также, что благодаря улучшению технического обслуживания АЭС (повышение коэффициента использования мощности, сокращение простоев на перегрузку и т.п.) за период с 1990 по 2010 год энерговыработка ядерного парка возросла на 40%, что эквивалентно 29 новым реакторам мощностью по 1000 МВт(э).
Что касается завершающего ядерного энергопроизводства, то к принятой в России стратегии перехода к замыканию ядерного топливного цикла (ЯТЦ) на базе «содружества» реакторов на тепловых и быстрых нейтронах США начали возвращаться после 2012 года, когда в известном докладе «Комиссия «голубой ленты» по ядерному будущему Америки» впервые после вето Картера был признан потенциал замкнутого топливного цикла с быстрыми реакторами наряду с различными модификациями открытого ЯТЦ. Вывод комиссии о возможности «достижения максимальной эффективности использования ресурсов урана при одновременном сокращении объемов долгоживущих радионуклидов в окончательных топливных потоках» дал основания для рекомендации о «целесообразности дальнейших инвестиций в НИОКР со стороны общества и государства» применительно к новым технологиям реакторов и ЯТЦ. Эта стратегия так или иначе реализуется в дальнейших программах США и уже не слишком далека от российской идеологии топливного цикла.
Стратегические ориентиры
Как уже стало «доброй традицией», в 2020 году, практически одновременно, в США был принят закон Nuclear Energy Leadership Act, направленный на восстановление лидерства страны в ядерной энергетике с акцентом на развитие и демонстрацию технологии усовершенствованных реакторов, а в России – энергетическая стратегия РФ на период до 2035 года, в том числе комплексная программа развития техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии.
Дальнейшее технологическое развитие корпусных водоохлаждаемых реакторов (ВВЭР, PWR, BWR), их непрерывная эволюция – базовое направление ядерной энергетики России и США. В основе его лежат такие задачи, как сокращение капитальных затрат и времени строительства, увеличение продолжительности сроков эксплуатации, а также ключевой тренд последних лет – внедрение устойчивого к авариям («толерантного») ядерного топлива. Характерно, что первые сборки с таким топливом для опытно-промышленной эксплуатации были установлены на действующие АЭС двух стран практически одновременно в 2021 году: на Ростовской АЭС в России и на АЭС Калверт Клиффс в США.
В отношении дальнейших перспектив развития ядерной энергетики в России, кроме базового положения о двухкомпонентной ядерно-энергетической системе на основе действующих и создаваемых реакторов ВВЭР, промышленно освоенных реакторов на быстрых нейтронах и замыкания на их основе ядерного топливного цикла, рассматривается «фронтальное» расширение использования этого способа производства энергии – внедрение АЭС малой и средней мощности и т.д.