Содержание
Один из ведущих мировых специалистов по ториевой энергетике, член экспертного совета журнала «Редкие земли», доктор технических наук, экс-генеральный директор нескольких самых крупных предприятийСредмаша, Валерий Константинович Ларин — о кодексе доверия, новых возмож-ностях в освоении Арктики, об эволюции и светлом будущем атомной энергетики, которое невозможно представить без использования уникального элемента — тория.
Что такое торий? В чем его плюсы и минусы? Почему в других странах уже выбрали торий? финальные звонки перед большим спектаклем, приглашение на который мы можем не получить, если сегодня упустим свой шанс создать ториевую сверхтехнологию для новой технологической эпохи.
Торий как альтернатива урану
По распространению в земной коре тория в несколько раз больше, чем природного урана. Торий и присутствующий в нем один из изотопов, уран-232, могут являться достаточно эффективным источником в ядерной энергетике взамен широко применяемого топлива на основе 235-го изотопа урана. Ториевая энергетика обладает рядом колоссальных преимуществ. Каких? Во-первых, безопасность: в реакторе, работающем с использованием тория как элемента питания, нет избыточной реактивности. Это гарантия неповторения таких жутких катастроф, как Три-Майл-Айленд в Америке, как Чернобыль, как Фокусима. Еще академик Лев Феоктистов писал, что любой атомный реактор, работающий в сегодняшней конфигурации и технологии, обладает сумасшедшей избыточной активностью. По сути, в одном реакторе несколько десятков, а то и сотен бомб, что вынуждает нас принимать очень серьезные меры для защиты: ловушки, специальные конструкции и так далее, что, естественно, сильно удорожает производство и обслуживание. Второе преимущество ториевой энергетики — нет проблем с утилизацией отходов. Мы вынуждены осуществлять перезагрузку топлива в нынешних ВВЭРовских реакторах раз в полтора года. Это 66 тонн активного вещества, которое надо загрузить разово. Причем степень выгорания не такая уж высокая, остается достаточно много отходов, что сопряжено с рядом трудностей. Я имею в виду вторичное захоронение активных элементов, в больших объемах нарабатывается плутоний. В ториевой энергетике всего этого нет. Почему? Цикл полураспада у тория длится намного дольше — на практике десять лет и больше. Это обеспечивает более эффективное использование, меньше затрат на выгрузку-разгрузку, повышение КИУМ и так далее. Да, надо признать, что из-за другого периода полураспада тория образуются другие актиноиды, более активные, но на нынешнем этапе эта проблема вполне решаемая. Но существуют и большие плюсы. Согласитесь, есть разница: полтора года и десять лет?Основной минерал, содержащий торий, — это монацит, который содержит редкие земли. Поэтому, когда мы говорим о тории как о топливе для будущей энергетики, как о следующем этапе развития атомной энергетики, речь, естественно, пойдет о комплексной переработке монацитового сырья и разделении редких земель — это существенным образом делает применение тория коммерчески более экономичным и привлекательным. Здесь существует очень серьезный потенциал для развития и энергетики, и экономики, и горнодобывающей промышленности. Торий в России есть в виде монацитовых песков. Эта технология должна быть промышленно освоенной, опробованной и, самое главное, рентабельной. В лаборатории можно делать все.
Проблема поиска месторождений тория сходна с проблемой поиска месторождений редкоземельных металлов — его способность к концентрации слабая, и торий весьма неохотно собирается в сколь-либо значительные залежи, являясь очень рассеянным элементом земной коры. В небольших количествах торий присутствует в граните, грунтах и почве. Обычно отдельно торий не добывается, в качестве побочного продукта его извлекают при добыче редкоземельных элементов или урана. Во многих минералах, в том числе и в монаците, торий легко замещает атом редкоземельного элемента, что и объясняет сродство тория с редкими землями.Торий (Thorium), Th — химический элемент III группы Периодической системы, первый член группы актиноидов. В 1828 году, анализируя редкий минерал, найденный в Швеции, Йёнс Якоб Берцелиус обнаружил в нем окись нового элемента. Этот элемент был назван торием в честь всемогущего скандинавского божества Тора (Тор — коллега Марса и Юпитера, бог войны, грома и молнии). Получить чистый металлический торий Берцелиусу не удалось. Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 году другим шведским химиком, первооткрывателем скандия Ларсом Нильсоном. Радиоактивность тория была открыта в 1898-м независимо друг от друга одновременно Марией Склодовской-Кюри и Гербертом Шмидтом.
Надо развивать собственное производство
В свое время писались докладные на имя Ефима Павловича Славского и Игоря Васильевича Курчатова о том, что надо переходить на ториевый цикл. И ториевая энергетика в экспериментальном исполнении была: работали реакторы на «Маяке» и в Германии. Но в то же время необходимо было развивать военное направление, связанное с энергетикой, и, соответственно, работать на плутонии, и ториевая программа была заморожена. Поэтому решение, которое принято нашим Президентом, что надо работы в этом направлении начать, усилить и, быть может, даже форсировать, очень правильное и своевременное. Сегодня второго шанса нам никто не даст. В Китае, Индии, Скандинавских странах есть очень серьезная ториевая программа. Скоро все так далеко уйдут, что мы уже никого не догоним. Китай настолько далеко ушел в развитии редкоземельной промышленности со своей рудной базой, что мы Китай этим сегодня не испугаем. Мы могли догнать Китай и обязаны были делать все, чтобы Китай от нас, по крайней мере, на шаг, на два держался на втором плане в атомном машиностроении, в атомных технологиях. Но, к сожалению, мы и здесь потихоньку уступаем. Китай рвется на рынок со своими атомными реакторами, со своей технологией. И я могу заверить, при той позиции, которая у нас сейчас, мы проиграем эту борьбу.
Они вот уже предлагают реакторы малой мощности и, как ни грустно это признавать, они и плавучие реакторные установки быстрее нас промышленно освоят — наши министерские товарищи очень заинтересованы в этих реакторах, вместо того чтобы развивать собственное производство. Нам надо развиваться. Например, газовые реакторы, высокотемпературные реакторы с газовым охлаждением — это, вообще-то, очень перспективное направление. Но это мы тоже почему-то очень медленно, робко, инертно делаем.
К сожалению, на протяжении всех 1990-х годов у нас господствовала идеология, что проще и дешевле купить редкие земли, например, в Китае, чем сделать собственный продукт.
Прогноз мирового производства ядерной энергии с использованием реакторов различных типов
Сколько стоит новое топливо
Производственники — консерваторы. И их консерватизм оправдан. Философия производственника понятна: у меня отлаженное производство, я работаю, отвечаю за план, за производство, за людей, которые работают. Всякое новшество приносит мне риски. Риски нового, которое надо испытывать, а при этом всегда возможны какие-то неполадки, накладки и так далее. Оно мне надо? Я буду лучше спокойно жить. Поэтому конфликт таких интересов: развития, продвижения нового и точки зрения производственника-консерватора, он всегда был, есть и будет. Другое дело, что надо это разумно преодолевать.
Сегодня существуют разновидности уранового топлива: нитридное, керамическое, топливо с добавкой редких земель. Очень большое количество вариантов. И разве это производится без всяких затрат, без всяких денег? Совершенно не так. Чтобы получить новое топливо, в основе которого будет торий, надо наработать технологию изготовления этих материалов. И прежде чем говорить, что ториевая энергетика намного дороже урановой, надо сделать простую вещь — сравнительный экономический анализ. Например, если в качестве топлива для реактора будет использоваться расплав фторида тория, то получить фториды тория, как мне кажется, не так уж и дорого. Если мы будем получать топливо в виде шаровых элементов — это второй вариант, керамика — третий вариант. Тем более речь здесь идет, прежде всего, о сырье, о монаците, и вопрос цены будет определяться с учетом комплексного использования. То есть выделение из монацита всей суммы редких земель, урана и циркония — все это серьезным образом снизит затраты на производство топлива на основе тория.
Дизайн первого в мире ториевого ядерного реактора, разработанного в Центре исследования ядерной энергетики Бхаба в Мумбаи (Индия) и предназначенного для использования ториевых топливных ячеек для коммерческой выработки энергии.
Немного о реакторах на быстрых нейтронах. Неважно, по какой технологии, на каком реакторе, в каком конструкторском исполнении использовать быстрые нейтроны, зажигать природный материал — в том или ином количестве все равно будут образовываться отходы. И отходы надо перерабатывать. Если говорить о чистоте методологии и понятий, как такового замкнутого цикла нет и не может быть. Но в варианте ториевой энергетики будет меньше активных отходов, которые надо перерабатывать.
Я убежден, что мы в любом случае перейдем постепенно на ториевую энергетику, тем более что последние исследования и расчеты физиков Томского политехнического университета, теоретический расчет активной зоны, показывают, что возможен эволюционный переход на ториевую энергетику применительно и к легководным реакторным установкам. То есть не сразу революция, а постепенный перевод активной зоны существующих легководных реакторов с частичной заменой активной зоны с уранового топлива на ториевое.
Центр исследования ядерной энергетики Бхаба (Индия).
Прежде чем вешать штампы, что это — плохо, а это — хорошо, надо серьезно заняться реальным делом. Допустим, изготовить парочку твэлов и на опытных стендах это все погонять. Снять все ядерно-физические характеристики. Много исследований нужно провести, причем долговременных. И чем дальше мы оттягиваем, отговариваясь, что это сложно и тяжело, тем больше мы будем отставать в развитии. Нужно все делать вовремя. В свое время в Средмаше этим занимались, получали металлический торий на наших предприятиях, и эти технологии были. Надо поднять старый опыт, старые отчеты, они все, наверное, в архивах сохранились, и специалисты это найдут. С учетом того, что было сделано, и новых возможностей необходимо все это дело продолжить.
Некоторые месторождения тория в России:
• Туганское и Георгиевское (Томская область)
• Ордынское (Новосибирская область)
• Ловозерское и Хибинское (Мурманская область)
• Улуг-Танзекское (Республика Тыва)
• Кийское (Красноярский край)
• Тарское (Омская область)
• Томторское (Якутия)
Торий для Арктики и не только
Существует огромная потребность в серийных мобильных и стационарных энергетических установках сверхмалой и малой мощности (от 1 до 20 МВт), которые могут быть использованы в качестве источников энергии и тепла при освоении северных территорий, разработке там новых месторождений, а также в обеспечении электроэнергией удаленных воинских гарнизонов и крупных военно-морских баз на Северном и Тихоокеанском флотах. Эти установки должны обладать как можно большим периодом работы без перегрузки ядерного топлива, при их эксплуатации не должен накапливаться плутоний, их должно быть легко обслуживать. Они не могут работать в уран-плутониевом цикле, потому что при его использовании накапливается плутоний. Перспективной альтернативой урану в данном случае является использование тория.
Проблема энергетики в Арктике — это проблема номер один. И этим надо абсолютно четко заниматься. Вот сейчас в Жодино наши уважаемые белорусские друзья сделали самый большой в мире «БелАЗ», грузоподъемность 450 тонн. Для того чтобы этот «БелАЗ» работал нормально, все его колесные пары приводятся отдельно, на каждое колесо стоит отдельный двигатель. Но для того чтобы получить электроэнергию, стоят два огромных дизеля, которые приводят в движение электрогенераторы, они распределяют все на эти электродвигатели. Давайте сделаем маленький ториевый реактор, причем не обязательно его ставить прямо на этот «БелАЗ». Можно сделать разные варианты. Например, очень эффективно будет использовать ториевые реакторы малой мощности для производства водорода. И перевести все двигатели на водородные. В этом плане у нас теоретически получается блестящая картина, потому что при сжигании водорода мы получим воду. Абсолютно «зеленая» энергетика, о которой мечтают все. Или мы сделаем атомные станции на основе реакторов малой мощности. С дальнейшим развитием и освоением Арктики передвижные локальные реакторы, реакторные установки малой мощности дадут, с моей точки зрения, сумасшедший народнохозяйственный эффект. Просто сумасшедший. Они должны быть вот именно передвижными, локальными, мобильными. И я думаю, что не так сложно сделать реакторы малой мощности на тории с периодом перегрузки в десять и более лет в условиях Арктики. Да, можно сделать реакторы малой мощности и на существующих технологиях: возьмем реакторы, которые у нас есть в военно-морском флоте, на подводных лодках, атомоходах. Поставим их. Начнем эксплуатировать. Все это можно сделать. Но сложности в эксплуатации и выводе из эксплуатации, загрузка, выгрузка и вывоз в суровых условиях северных широт сильно усложнят применение такого типа установок.
Еще один показательный пример. В громадных якутских карьерах «Алроса», на горных подразделениях Лебединского ГОКа при добыче железной руды мы используем большегрузные «БелАЗы» или «Катерпиллеры», и существует большая проблема проветривания карьеров от выхлопов и после массовых взрывов для отбойки руды. Что применяется? Вплоть до авиационных вертолетных двигателей, но они еще тоже работают на органическом топливе, на керосине и прочее, в свою очередь происходит вторичное загрязнение карьера. При переходе на транспортные средства с реакторными установками на основе тория отпадает необходимость в проветривании карьеров, не нужны склады ГСМ и т. д.Для меня шок, когда Россия, правопреемница Советского Союза, не в силах обеспечить свою атомную отрасль природным компонентом, урановым сырьем. Я этого не понимаю, а я воспитан на старой школе и нигде, кроме Средмаша, не работал. Шутка ли, некоторое время назад, судя по официальным источникам Росатома, мы были вынуждены закупать сырье в Австралии.
Российские предприятия, говорят, убыточны, но в таком случае, почему же аналогичные предприятия на Украине, где тоже подземная добыча и содержание металла в руде аналогичное нашему, прибыльны? Наверное, настала потребность, государственная потребность иметь госрезервы стратегических материалов для развития атомной энергетики, а также в целом для промышленности. С учетом вот таких фокусов, которые происходят (санкции и прочее), нас в любой момент могут поставить в очень-очень неудобное, зависимое положение.
Там, где речь идет о принципиальных вещах, о безопасности государства, не только с точки зрения обороноспособности, государственная безопасность — понятие емкое и громадное, и это не только вооружение. Это и продукты питания, и другие стратегические вещи.
Плавучие АЭС — один из перспективных проектов развития Арктики — вполне могли бы оснащаться ториевыми реакторами, небольшими и «долгоиграющими»
Где штаб аналитиков и специалистов?
Мне кажется, при любом министерстве должен существовать этакий штаб аналитиков, советников, серых кардиналов, если хотите, как угодно их назовите, которые должны анализировать громадный массив информации и отделять зерна от плевел, определяя стратегию развития. К сожалению, особенно сегодня, решения зачастую принимаются без должного анализа. Руководство отрасли должно заниматься аналитикой и стратегическим планированием, четко понимать, в каком направлении дальше развиваться отрасли. А это должно основываться на правильной аналитике.
Плохо то, что мы действительно забыли о понятии «критичные металлы», о том, что нужно для развития атомной отрасли, для ее бесперебойной работы. В моем понимании, очень нужен иттрий, бериллий, литий, очень нужна средняя тяжелая группа — это неодим, празеодим, диспрозий. Эти элементы действительно нужны ближайшие 5–10–15 лет. Да, мы определили, что эти элементы нам нужны. Я задам простой вопрос: господа начальники, господа технологи, мы получили эти элементы. А что мы с ними будем делать? У нас вторичная промышленность готова, чтобы делать изделия из этих элементов? Кто будет делать, есть ли эти предприятия? Первое, могут нам сказать, что да, мы делали опытные образцы. Вопрос в другом. Вы сделали что-то, а это конкурентоспособно? Этот продукт русский и это будет продукт, который по своим характеристикам лучше, чем немецкий, и так далее? Это как с телевизором. Вам, как потребителю, поставим русский телевизор и поставим японский. Я уверен, вы купите японский. Вот в чем вопрос — готова ли промышленность правильно использовать редкие земли и в нужном направлении. Готовы ли мы делать из них конкурентоспособный продукт или мы произвели редкие земли, чтобы продать на рынке? Нас не пустит Китай с нашими редкими землями на рынок. Здесь комплекс проблем, которые мы должны комплексно решать, а мы же только декларируем.
Но гораздо хуже то, что идет старение кадрового персонала, потенциала в министерстве, в госкорпорации. И это, к сожалению, особенно наглядно в сырьевом дивизионе. А сырьевой дивизион — это основа основ. Если у вас не будет сырья, то не из чего будет что-то делать. Железо-то можно понастроить, а чем железо питать? Мы не зря говорим о том, что нам надо думать и рассматривать многообразие источников сырья, в том числе и тория. Наряду с этим не надо забывать об уране, не надо забывать о накопленных запасах (природный компонент 238 в разных формах). Все это надо использовать в узконаправленном, грамотном, нормальном, обоснованном сегменте, в разных вариантах. Выпускника Гарварда в шахту не отправишь, юриста в металлургический цех тоже. Не пойдут они туда. А кто сейчас готовит таких специалистов? На Урале существовала целая отрасль, связанная непосредственно с Минсредмашем, — это химическое машиностроение. Мощнейшие заводы химического машиностроения на Урале.
Плюсы использования тория:
+ Экономичность. Тория нужно примерно в два раза меньше, чем урана, для производства того же количества энергии.
+ Безопасность. Ядерные реакторы на ториевом топливе более безопасны, чем на урановом, поскольку ториевые реакторы не обладают запасом реактивности. Поэтому никакие разрушения аппаратуры реактора не способны вызвать неконтролируемую цепную реакцию.
+ Удобство. На базе тория возможно создание реактора, не требующего перезагрузок топлива.
Три недостатка использования тория:
— Торий — рассеянный элемент, не образующий собственных руд и месторождений, добыча его дороже, чем урана.
— Вскрытие монацита (минерала, в котором содержится торий) — процесс намного более сложный, чем вскрытие большинства урановых руд.
— Нет налаженной технологии.Парадоксальная вещь — сегодня специалистов по химическому машиностроению не готовит ни один вуз в России. А как вообще будут проектироваться аппараты, не имея специалистов? Старики уйдут. Привезите сейчас пробу во ВНИИХТ, ее некому разделать. Если я не прав, так и напишите, что Валерий Константинович заблуждается. Это будет корректно и правильно. Вот сообщаем, вот такой-то вуз готовит. Я буду только рад, что я ошибся, искренне рад. Я говорю это на основе личного опыта. Я был недавно на Урале и встречался с людьми, которые работают в этой отрасли, это их слова. Они мне сказали: «Через пять лет можете забыть, что такая отрасль, как химическое машиностроение, в России была». Это люди, которые имеют опыт проектирования и создания аппаратов для химического машиностроения: специальные сушилки, специальные печи, агрегаты для разложения, для химического разложения. Это специальная отрасль техники, которая подразумевает работу с кислотами, в термических условиях, на аппаратах под давлением.
Где еще используется торий?
1 Оксид тория используется для производства огнеупорной керамики.
2 Металлический торий применяется для легирования легких сплавов, особо широко используемых в авиации и ракетной технике.
3 Многокомпонентные сплавы на магниевой основе, содержащие торий, применяют для деталей реактивных двигателей, управляемых снарядов, электронной и радарной аппаратуры.
4 Торий применяется как катализатор в процессах органического синтеза, крекинга нефти, при синтезе жидкого топлива из каменного угля, гидрирования углеводородов.
5 Торий используют как электродный материал для некоторых типов электронных ламп.
Зачем нужен директор?
Я был генеральным директором на трех самых крупных предприятиях Средмаша. Я горжусь этим и знаю, как выстраивались отношения между мной, как директором предприятия, начальником главка и министром. Я принимал решения в тех рамках финансирования и компетенции, которые у меня были. И я за это отвечал. Мы принимали решения, мы проводили испытания. Обосновывали? Да. Но мы это делали. Потом уже на основе всего этого мы обосновывали и доказывали необходимость подобных решений. Нам надо это делать, нам надо это внедрять, это в логику развития отрасли, это нужно, и так далее. Сейчас все ждут, какая будет команда из Москвы, что нам делать?
Любая система взаимоотношений, любая система в отрасли, в народном хозяйстве и где угодно — это есть система доверия. Если ты поставил директора, то а) значит, ты ему доверяешь, б) если ты ему доверяешь, ты даешь ему определенные рамки свободного плавания. Но нельзя директору, командиру, который отвечает за производство, за людей, за технику безопасности, за выполнение плана, миллион всяких функций, постоянно звонить из Москвы и одергивать: «так не делай, сюда не смотри, туда не ходи». Если что-то случится на производстве, отвечать будет директор, а не тот, кто его из Москвы дергает. Сейчас же директор предприятия, извините меня, кусок мыла не может купить. Все идет через Москву, через тендеры. Но если это так, то зачем вам директор нужен? Уберите его и командуйте из Москвы, что надо сделать.
Индонезийское Национальное агентство по атомной энергии (BATAN) планирует строительство экспериментального реактора (RDE) для тестирования с использованием ториевого топлива (фото из открытых источников).
Вопрос времени
Ученые, которые всерьез занимаются реакторами на быстрых нейтронах, совершенно четко говорят, что реальный пуск запланирован на 2030 год. Раньше никто ничего не планирует. Проблем куча. Расплавленный свинец — агрессивная жидкость. Течение свинца в трубках охлаждения — вопрос вопросов: что происходит на границе раздела фаз, какие особенности граничных слоев, как меняются массоперенос и теплоперенос, вопросы, вопросы, вопросы. Дело в том, что граничные слои обладают совершенно другими физико-химическими свойствами, там совсем другие коэффициенты массопереноса, теплопереноса и т. д. Свинец должен быть определенного качества, с нужным содержанием кислорода. Вопросов много. Есть ли на эти вопросы ответы? Не знаю. Нужны цифры, расчеты.
Что касается тория, то все зависит от того, как мы это организуем, как конструктивно все это оформим, какая логистика и кто будет управлять проектом. Если мы сумеем это грамотно сделать, подберем специалистов, увлеченных идеей ториевой энергетики, выделим финансирование, специальный исследовательский реактор только для этих целей, с наработкой топлива, я думаю, мы уложимся в практический результат за достаточно сжатые сроки, как было в сороковые–пятидесятые годы. В лабораториях уже проделана значительная часть работ по физике активной зоны, по переработке монацита с селективным выделением тория и получением редких земель. Надо все, что сделано раньше, аккумулировать, проанализировать, собрать вместе в рамках рабочей группы по развитию ториевой энергетики. И работать.
ТЕКСТ: «Редкие земли»
