Известия РАН. Энергетика, 2021, № 2, стр. 151-160

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью исследования является проведение системного анализа наиболее актуальных сценариев развития ЯЭ России с переходом на инновационные опции полного или частичного замыкания ЯТЦ. Ожидаемые технико-экономические характеристики рассматриваемых технологий приведены в Стратегии-2018 [1]. Детально представлены диаграммы изменения структуры реакторного парка АЭС, балансов производства, переработки и транспортировки топлива, затрат на реализацию сценариев с детализацией по переделам ЯТЦ. Исследуемый временной интервал принят равным 80 годам – с 2020 г. по 2100 г.

Для сравнения преимуществ и недостатков рассматриваемых в настоящей работе сценариев развития ЯЭ в качестве основной исходной предпосылки выбран “базовый” сценарий роста установленной мощности АЭС, приведенный в Стратегии-2018 с выходом на уровень 91 ГВт (э) к 2100 г. В качестве ключевого показателя, определяющего экономическую целесообразность реализации того или иного сценария в данной работе, принято значение полных затрат на развитие ЯЭС, которое включает затраты на добычу природного урана, конверсию, обогащение, фабрикацию топлива, транспортировку топлива до АЭС, капитальное строительство, транспортировку ОЯТ (до централизованного хранилища или перерабатывающего завода), хранение ОЯТ, переработку ОЯТ и захоронение РАО. Операционные затраты на эксплуатацию и затраты на вывод из эксплуатации АЭС не были включены в перечень учитываемых затрат ЯТЦ ввиду небольшой разницы для этого вида затрат при сравнении различных типов АЭС. Тем не менее, эти затраты являются важнейшей составляющей стоимости электроэнергии ЯЭ и должны быть учтены при более детальном рассмотрении экономики различных типов АЭС. Расчет полных затрат приведен на базе стоимостных данных переделов ЯТЦ в текущих ценах 2019 г. без НДС. Для наиболее полного учета балансовых различий и их влияния на экономику ЯТЦ в рассматриваемых сценариях принято решение использовать показатель полных затрат (включая затраты на строительство АЭС), так как традиционный подход к экспоненциальному дисконтированию денежных потоков при расчете LCOE для выбранных временных интервалов не позволит учесть особенности сценариев (накопление ОЯТ, производство, переработка и транспортировка относительно большого количества топлива и т.д.), которые будут для них характерны во второй половине XXI века.

Ресурсная база природного урана принята без какого-либо ограничения в намерениях отразить возможность импорта ресурсов у зарубежных поставщиков, однако в целях демонстрации степени зависимости ЯТЦ от природной компоненты для каждого сценария проведен расчет интегрального потребления природного урана. Данный показатель по аналогии со Стратегией-2018 может использоваться в качестве условного критерия достаточности собственной ресурсной базы для развития ЯЭ России.

СЦЕНАРИЙ ПН “ПРОРЫВ”

В первом сценарии (сценарий ПН “Прорыв”) рассматривается развитие двухкомпонентной ЯЭ с постепенным полным переходом на технологии РБН, причем парк ВВЭР работает в открытом ЯТЦ исключительно на оксидном урановом топливе (включая дообогащенный регенерированный уран) с переработкой выгружаемого ОЯТ, а парк РБН – в замкнутом ЯТЦ на MNIT топливе. Рефабрикация и переработка ОЯТ РБН осуществляется пристанционным образом в рамках развития парка ПЭК (рис. 1).

Рис. 1.

Изменение структуры установленной мощности в сценарии ПН “Прорыв”.

СЦЕНАРИЙ MOX ВВЭР + РБН

Во втором сценарии (сценарий MOX ВВЭР + РБН) рассматривается развитие двухкомпонентной ЯЭ на основе парков РТН и РБН (за основу приняты характеристики БН-1200М), однако помимо парка ВВЭР, функционирующего на урановом топливе (включая дообогащенный регенерированный уран), рассматриваются также реакторы ВВЭР-С, работающие на MOX-топливе (рис. 2). Парк РБН при этом функционирует на уран-плутониевом топливе (характеристики приняты для MNIT БН-1200М) и снабжается урановыми бланкетами. В данном сценарии для предотвращения возникновения потенциального дефицита Pu ввод мощностей различных типов АЭС осуществляется поочередно. В первую очередь вводятся АЭС с БН-1200М, запускаемые на Pu из ОЯТ ВВЭР (включая складской + экс-оружейный). Эти РБН помимо выработки э/э используются для наработки Pu в бланкетах, который, в свою очередь, будет применяться для пуска ВВЭР-С. В процессе переработки бланкетов РБН выделяется также U-Pu регенерат для последующего изготовления MOX-топлива реакторов ВВЭР-С. Ядерные материалы в составе U–Pu–MА, получаемые после переработки MOX ОЯТ ВВЭР, направляются на пуск новых РБН.

Рис. 2.

Изменение структуры установленной мощности в сценарии “MOX ВВЭР + РБН”.

По сравнению со сценарием ПН “Прорыв”, где баланс доступного для запуска РБН Pu в основном зависит от скорости исчерпания запасов складского и вновь получаемого Pu от переработки ОЯТ РТН, ввод мощностей в сценарии ВВЭР + РБН зависит от большего количества факторов, включая доступный запас Pu от переработки ВВЭР, скорости наработки Pu в бланкетах, накопления достаточного количества ОЯТ MOX ВВЭР-С для запуска РБН, работающих на Pu с меньшим содержанием Pu-239. Важной особенностью для данного сценария также является централизованный подход к производству и переработке ОЯТ, что повышает запрос на “свежее” уран-плутониевое топливо, по сравнению со сценарием ПН “Прорыв”.

СЦЕНАРИЙ MOX ВВЭР

В третьем сценарии (MOX ВВЭР) рассматривается однокомпонентная ЯЭ, развивающаяся на базе парка ВВЭР, причем часть этого парка функционирует исключительно на однократно рециклированном MOX топливе (рис. 3). Все ВВЭР-С работают на 100% загрузках MOX топлива. Уран-плутониевый регенерат, образующийся в результате переработки ОЯТ ВВЭР, предназначен для производства на его основе MOX-топлива ВВЭР. Минорные актиниды, отделяемые от U-Pu регенерата из ОЯТ ВВЭР, включаются в остеклованные ВАО, которые далее направляются на окончательную изоляцию. В настоящем сценарии предполагается, что после выгорания в активной зоне ВВЭР-С ОЯТ MOX топлива не перерабатывается и направляется на хранение.

Рис. 3.

Изменение структуры установленной мощности в сценарии “MOX в ВВЭР”.

СЦЕНАРИЙ UOX ВВЭР

Для наглядного сопоставления преимуществ и недостатков сценариев, с точки зрения балансовых характеристик и экономической эффективности, дополнительно разработан сценарий “UOX ВВЭР”, в котором вся вводимая мощность вплоть до 2100 г. осуществляется на базе технологий ВВЭР (без каких-либо ограничений по сырьевой базе) без переработки ОЯТ.

ОПИСАНИЕ БАЛАНСОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЦЕНАРИЕВ

Суммарное количество производимого свежего и регенерированного топлива для каждого сценария зависит от многих факторов, в том числе глубины выгорания, схемы организации топливообеспечения (ПЯТЦ/ЦЯТЦ), длительности выдержки ОЯТ перед переработкой и, наконец, запасов и качества производимого ЯЭС плутония. На рисунке 4 приведена динамика топливообеспечения АЭС для рассматриваемых сценариев.

Рис. 4.

Динамика производства топлива.

На рисунке 4 обращает на себя внимание то обстоятельство, что наименьшее количество топлива, которое требуется для обеспечения АЭС к концу века, производится в сценарии ПН “Прорыв”. По мере замещения АЭС с ВВЭР новыми ПЭК в данном сценарии основным топливом для всей ЯЭС становится MNIT с высокой средней глубиной выгорания (12% т.а.). В сценарии MOX ВВЭР + РБН также используется MNIT топливо, однако, ввиду наличия в системе ВВЭР-С и некоторой доли ВВЭР-ТОИ, полного перехода на топливо РБН не происходит. Более того, в данном сценарии особое значение имеет производство Pu в бланкетах, которое используется для запуска и подпитки ВВЭР-С. С учетом бланкетов общее производство топлива РБН достигает 1500 т ТМ/год в 2100 г., что в 2.5 раза больше, чем в сценарии ПН “Прорыв” (не включая производство топлива РТН).

Экономика топливообеспечения сценария MOX ВВЭР + РБН в значительной степени зависит от стоимости производства бланкетов, MOX-топлива ВВЭР-С и топлива РБН. В данном случае также стоит отдельно отметить, что в сценарии MOX ВВЭР + + РБН используется централизованный подход к переработке и рефабрикации топлива РБН, что позволяет снизить удельные затраты на производство более дорогого топлива MNIT. С другой стороны, из-за необходимости более длительной выдержки топлива перед транспортировкой, система должна будет произвести большее количество свежего MNIT топлива из Pu ОЯТ РТН, что, в свою очередь, приведет к более быстрому израсходованию доступного запаса Pu для РБН. При наступлении дефицита Pu из ОЯТ РТН такая ЯЭС переходит на ввод АЭС с ВВЭР-С, которые для своего топливообеспечения используют Pu из бланкетов РБН. При такой организации ввода установленной мощности в сценарии MOX ВВЭР + РБН, начало запуска РБН на Pu из ОЯТ ВВЭР-С наступает только в 2065 году.

В сценарии MOX ВВЭР возможность производства уран-плутониевого топлива для ВВЭР-С определяется запасом и темпом переработки ОЯТ ВВЭР. На рисунке 4 видно, что доля MOX топлива в общем топливообеспечении сценария невелика – всего 15% от общей суммы за весь период. Экономический выигрыш в данном случае возможен в случае, если экономия урана оправдывает затраты на фабрикацию MOX топлива ВВЭР-С и переработку ОЯТ.

Вышеприведенные потоки производства и переработки топлива будут оказывать характерное влияние на объемы транспортировки ЯМ. У сценария ПН “Прорыв” с пристанционным исполнением ЯТЦ для АЭС с РБН в этом отношении заметное преимущество, т.к. в данном случае для АЭС с РБН необходимо будет транспортировать лишь начальные загрузки и первые две подзагрузки MNIT (длительность внешнего топливного цикла равна 2 годам). В остальных сценариях обременение на транспортное сообщение будет усиливаться по мере роста запроса ЯЭС на топливо (рис. 5).

Рис. 5.

Динамика транспортировки топлива.

На рисунке 5 отдельно стоит отметить наличие большого объема транспортировки облученных бланкетов в сценарии MOX ВВЭР + РБН, что может представлять интерес с точки зрения многокритериального анализа, в котором помимо экономических, ресурсных и радиоэкологических критериев оценивается потенциал нарушения режима нераспространения ядерного оружия.

В целях комплексного анализа результатов расчетов целесообразна детализация интегральных балансовых показателей рассматриваемых сценариев (рис. 6 и 7).

Рис. 6.

Балансовые показатели сценариев (потребление природного урана, обогащение, производство и переработка топлива).

Рис. 7.

Балансовые показатели сценариев (транспортировка, накопление ОЯТ, накопление РАО и МА).

На рисунке 6 в части экономии природного урана очевидно преимущество двухкомпонентных ЯЭС с полным или частичным переходом на технологии РБН. В сценарии MOX ВВЭР несмотря на частичное замыкание ЯТЦ интегральное потребление урана превысило отечественные запасы природного урана с учетом возможности извлечения, составляющие ~500 тыс. т. Отличия в балансовых характеристиках сценариев отразились на их интегральных показателях. Так, для сценария ПН “Прорыв” характерен минимальный суммарный объем производства, переработки (исключая сценарий UOX ВВЭР) и транспортировки топлива. На рисунке 7 для каждого сценария представлены объемы РАО I класса, образуемые после переработки ОЯТ и отправляемые на окончательную изоляцию (учтены только ПД). Из-за включения МА в ВАО в сценарии MOX ВВЭР объем РАО I класса заметно превышает альтернативные сценарии (за исключением сценария UOX ВВЭР, где ОЯТ РТН не перерабатывается). В свою очередь, для сценариев с вводом реакторов РБН учтена теоретическая возможность увеличения концентрации МА в топливе MNIT выше 0.5% [2], что позволит полностью утилизировать МА ОЯТ РТН. При отказе от переработки ОЯТ РТН суммарное количество накопленного ОЯТ превысит 100 000 т ТМ, что на 20 000 т ТМ больше ОЯТ, накопленного за все время существования ядерной энергетики США.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ПОЛНЫХ ЗАТРАТ

Оценка экономической целесообразности альтернативных сценариев в настоящей работе проводилась путем сравнения затрат на реализацию рассматриваемых ЯЭС с учетом всех переделов ЯТЦ, за исключением операционных затрат на эксплуатацию АЭС, так как этот вид затрат незначительно отличается для выбранных объектов исследования (рис. 8). На рисунке 8 продемонстрированы межсценарные отличия с детализацией по ключевым переделам ЯТЦ. Сравнение альтернативных сценариев с полным или частичным замыканием ЯТЦ целесообразно проводить, опираясь на характеристики сценария UOX ВВЭР, у которого самые высокие затраты на добычу природного урана, конверсию, обогащение и хранение ОЯТ. Очевидно, что если технологии ЯТЦ позволяют экономить природный уран, то интегральные затраты на добычу, конверсию и обогащение будут меньше, чем в сценарии UOX, однако эту экономию следует сопоставить с затратами на фабрикацию и переработку топлива. Также обращает на себя внимание то обстоятельство, что наибольший вклад в полные затраты любого сценария вносит строительство АЭС.

Рис. 8.

Относительное соотношение ключевых затрат на реализацию сценариев.

На рисунке 9 приведено итоговое сравнение относительного соотношения полных затрат на реализацию рассматриваемых сценариев.

Рис. 9.

Расчет полных затрат на реализацию сценариев (в отн. ед. по отношению к UOX ВВЭР).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнительный анализ интегральных характеристик показал, что:

– при выполнении сценарных условий по достижению заявленных технико-экономических показателей полные затраты на реализацию сценария ПН “Прорыв” существенно ниже альтернативных опций, рассмотренных в настоящей работе;

– затраты на реализацию сценария с частичным замыканием ЯТЦ (MOX ВВЭР) оказались выше полных затрат на реализацию сценария на базе технологий UOX ВВЭР; при увеличении стоимости урана этот сценарий мог бы сравняться со сценарием UOX ВВЭР по показателю полных затрат ввиду некоторой экономии природного ресурса, однако это привело бы к еще большей потере конкурентоспособности по сравнению с двухкомпонентными сценариями ПН “Прорыв” и MOX ВВЭР+РБН;

– перманентная двухкомпонентная ЯЭ на базе РБН и ВВЭР не предлагает каких-либо экономических преимуществ по сравнению со сценарием ПН “Прорыв”. Кроме того, предполагаемый масштаб транспортировки топлива с большим количеством Pu (в особенности в облученных бланкетах) в данном сценарии может отрицательно повлиять на общественное восприятие ЯЭ ввиду наличия рисков нарушения режима нераспространения ядерного оружия;

– неоптимальные ЯТЦ могут привести к существенному снижению конкурентоспособности всей ЯЭ по сравнению с альтернативными технологиями генерации э/э.