Перспективные направления работы аэс кратко

Обновлено: 05.07.2024

Характеристика атомной энергетики некоторых стран

Страна	Площадь, тыс. км 2	Население	АЭС	Доля в производстве электроэнергии
млн. чел.	чел. на 1 км 2	Число блоков	Мощность, МВт (нетто)	Удельная мощность, МВт
на 1 чел.	на 1 км 2
Канада	9976,1	27,3	577,1	1,6	17,3
США	9372,6	252,7	390,9	10,5	22,5
Корея	99,0	43,3	166,7	72,9	36,1
Япония	377,8	123,9	306,9	100,7	33,4
РФ	17110,0	148,7	133,4	1,2	11,8
Украина	603,7	51,9	244,6	21,0	37,8
Бельгия	30,5	10,0	522,7	181,2	55,5
Болгария	110,9	9,0	393,1	31,9	46,4
Великобритания	244,1	57,6	206,8	48,8	25,0
Германия	357,0	80,1	282,9	63,5	29,1
Испания	504,8	39,3	180,8	14,1	34,1
Финляндия	338,1	5,0	462,0	6,8	29,9
Франция	551,5	57,0	1035,7	107,1
Швеция	450,0	8,6	1163,0	22,2	46,6
Швейцария	41,3	6,8	439,0	72,3	39,9

Плюсы и минусы атомной энергетики. Главные аргументы в пользу развития атомной энергетики – это сравнительная дешевизна энергии и небольшое количество отходов. В пересчете на единицу производимой энергии отходы от АЭС в тысячи раз меньше, чем на угольных ТЭС (1 стакан урана-235 дает столько же энергии, сколько 10 тыс. т угля). Достоинством АЭС является и отсутствие выбросов в атмосферу диоксида углерода, которое сопровождает производство электроэнергии при сжигании углеродистых энергоносителей.

Сегодня уже совершенно очевидно, что при нормальной работе АЭС экологический риск получения энергии несравненно ниже, чем в угольной промышленности (табл. 22).

Число преждевременных смертей, связанных с годом работы

блока мощностью 1 ГВт в угольном и атомном топливном циклах

(по Акимовой и др., 2001)

Воздействия и эффекты	Топливный цикл
угольный	атомный
Несчастные случаи Заболевания нерадиационной этиологии обслуживающего персонала окружающего населения Облучение обслуживающего персонала окружающего населения Всего	5,6 6,9 350,0 0,11 0,06	0,25 0,15 0,30 0,07 0,8

По примерным расчетам, закрытие уже существующих АЭС потребовало бы дополнительно сжигать ежегодно 630 млн. т угля, что привело бы к поступлению в атмосферу 2 млрд. т диоксида углерода и 4 млн. т токсичной и радиоактивной золы. Замена АЭС на ТЭС привела бы к 50-кратному увеличению смертности от атмосферного загрязнения. Для извлечения из атмосферы этого дополнительного диоксида углерода потребовалось бы посадить лес на площади, которая в 4-8 раз превышает территорию ФРГ.

Перспективы атомной энергетики.Исчерпание углеродистых энергоносителей, ограниченные возможности энергетики на основе ВИЭ и возрастающая потребность в энергии подталкивает большинство стран мира к развитию атомной энергетики, причем строительство АЭС начинается в развивающихся странах Южной Америки, Азии и Африки. Возобновляется ранее приостановленное строительство АЭС даже в странах, пострадавших от Чернобыльской катастрофы – Украине, Белоруссии, РФ. Возобновляется работа АЭС в Армении.

Меняется ядерный топливный цикл, т.е. совокупность всех операций, сопровождающих добычу сырья для ядерного топлива, его подготовку к сжиганию в реакторах, процесс получения энергии и переработку, хранение и захоронение РАО. В некоторых странах Европы и в РФ осуществляется переход к закрытому циклу, при котором образуется меньше РАО, т.к. значительная часть их после переработки дожигается. Это позволяет не только снизить риск радиоактивного загрязнения среды (см. 6.2.5), но в сотни раз уменьшить расходы урана, ресурсы которого исчерпаемы. При открытом цикле РАО не перерабатываются, а захораниваются. Он более экономичен, но экологически не оправдан. По этой схеме пока работают АЭС США.

В заключение обсуждения перспектив развития энергетики приведем табл. 23, в которой показана площадь, необходимая для электростанций, работающих на разных энергоносителях.

Площади отчуждаемых земель (в среднем), необходимые для производства

1 МВт электроэнергии в год на электростанциях разного типа

(по Лаврову, Гладкому, 1999)

Тип станций	Площадь, м 2
АЭС ТЭС на жидком топливе на природном газе на угле СЭС ГЭС ВЭУ

Контрольные вопросы

1. В каких странах наиболее развита атомная энергетика?

3. Возможна ли безопасная атомная энергетика?

Энергосбережение

Энергосбережение – это важнейший дополнительный энергосырьевой источник, один из важных элементов стратегии создания общества УР. За последние 20 лет удельное энергопотребление в мире на единицу ВВП уменьшилось более чем на 25%. Необходимо дальнейшее энергосбережение во всех сферах жизни: в промышленности, на транспорте, в сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве.

Энергосбережение в промышленности.Эта область хозяйства обладает воистину неисчерпаемыми ресурсами энергосбережения. Оно включает:

– использование энергосберегающих технологий. Так, к примеру, в металлургии переход от мартеновского способа плавки стали к конверторному способу позволяет затрачивать на производство 1 т готового продукта в 2 раза меньше энергии. Во многих случаях энергосбережение достигается за счет использования вторичных ресурсов. Так, в 10 раз экономится энергия, если сталь выплавляется не из чугуна (а тот – из руды), а из металлолома. В 3 раза меньше затрачивается энергии на производство стекла из битой посуды, по сравнению с процессом варки его из первичного сырья;

– снижение тепловых потерь при децентрализации производства электроэнергии. Небольшие блок-ТЭЦ мощностью от 100 кВт до 10 МВт, расположенные в подвальных этажах жилых зданий, позволяют использовать тепловые отходы для отопления. Блок-ТЭЦ вызывают незначительное загрязнение атмосферы;

– оптимизацию территориальной структуры производства и уменьшение длины перевозок: переработка металлолома без транспортировки на металлургические комбинаты, замена больших хлебозаводов минипекарнями, гигантов пивоваренной промышленности минипивоварнями и т.д.

Энергосбережение на транспорте.Этот ресурс энергосбережения может быть реализован путем экологизации автомобильного транспорта (см. 7.2) и повышения КПД тепловозов, теплоходов, электровозов, самолетов и т.д.

Энергосбережение в сельском хозяйстве.Возможно существенное уменьшение затраты антропогенной энергии на каждую единицу производимого сельскохозяйственного продукта. Высокий потенциал энергосбережения может быть раскрыт при:

– полном использовании внутреннего биологического потенциала агроэкосистем (биологической азотфиксации, использования органических удобрений, применения получаемого из навоза биогаза для обогрева животноводческих помещений, сухого земледелия, разведения холодостойких пород животных и т.д., см. 5.2);

– использовании новой сельскохозяйственной техники (более легкой, с широкозахватными и комплексными агрегатами, снижающими количество проходов техники по полю);

– внедрении энергосберегающих технологий обработки почвы (безотвальной и особенно минимальной обработки) и первичной переработки сельскохозяйственной продукции (сушка зерна, хранение овощей и фруктов и т.д.);

– уменьшении транспортных расходов за счет приближения ферм к полям, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции непосредственно в хозяйстве.

Энергосбережение в жилищно-коммунальном хозяйстве.Много энергии можно сэкономить в быту, так как большую часть энергии человек затрачивает на систему жизнеобеспечения (энергия пищи составляет не более 5-7%). Так, флюоресцентная лампочка мощностью в 18 Вт дает столько же света, сколько лампочка накаливания в 75 Вт. Замена ими ламп накаливания позволит сократить потребление электроэнергии на освещение примерно в 4 раза. Кроме того, новые лампочки в 7 раз долговечнее, чем старые, что позволит экономить и ресурсы.

Теплоизоляция стен даже в самых холодных районах позволит резко сократить расходы энергии на обогрев жилья. Вместо печи будет достаточно одного небольшого электронагревателя. Имеется принципиальная возможность сократить примерно в 2 раза расход электроэнергии при использовании холодильников, телевизоров и т.д. Сегодня самым жестким является шведский стандарт, который допускает теплопотери зданий не более 50-60 кВт-час/год на 1м 2 , а в Германии он равен 200. В принципе, можно сократить порог теплопотерь до 15 кВт-час/год (Кондратьев, 1998).

Трудно даже представить, какую экономию энергии можно получить при ликвидации расточительства тепла в жилищах россиян.

В США в 1972 г. энергопотребление среднего холодильника составляло 3,36 Втч/год, в 1993 г. стандарт был снижен до 1,16 Вт-час/год. В Дании сегодня это значение составляет 0,45, причем, планируется его уменьшение до 0,26 (Вайцзеккер и др., 2000).

Весьма любопытно, что в развивающихся странах, где основными источниками энергии являются некоммерческие (в первую очередь древесина), ставится вопрос об улучшении конструкций домашних очагов. При открытых очагах КПД использования энергии составляет всего 10%, более совершенная закрытая конструкция позволяет повысить КПД в 2-3 раза, что способствует сохранению лесов.

Возможности энергосбережения весьма велики, что можно проиллюстрировать табл. 24, в которой показана энергоемкость ВВП в разных странах.

Показатели энергоемкости производства (т нефтяного эквивалента на 100 долларов ВВП) в некоторых странах мира

Страна	Энергоемкость
Япония Англия Германия Франция Норвегия США Канада Россия	0,17 0,20 0,21 0,21 0,22 0,28 0,36 0,61

Цифры таблицы свидетельствуют, что ресурсы энергосбережения особенно велики в России, где на единицу ВВП затрачивается энергии в 2-3 раза больше, чем в развитых странах.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные пути развития энергосбережения в промышленности.

2. Какие резервы экономии энергии имеются в сельском хозяйстве?

3. Как можно снизить затраты энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве?

4. Сравните энергоемкость производства в РФ и в развитых странах.

Заключение

Развитие цивилизации сопровождалось повышением энерговооруженности человека. В настоящее время на одного жителя земли в среднем приходится 2 кВт энергии, на жителя США – 10 кВт. В целом валовое производство энергии в будущем возрастет незначительно. Прирост энергопотребления в развитых странах в течение ближайших 20 лет не превысит 1,5% в год, в развивающихся странах он будет в 2 раза выше. После этого ожидается стабилизация энергопотребления за счет широкого внедрения энергосберегающих технологий в промышленности, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве, на транспорте.

В начале XXI столетия в мировой энергетике преобладала теплоэнергетика на основе использования нефти, угля и газа, хотя в последние десятилетия возросла доля гидроэнергетики и атомной энергетики, вклад которых сегодня примерно одинаков и составляет около 7%.

Гидроэнергетика во многом исчерпала свои возможности, дальше она будет развиваться в основном за счет использования малых водотоков. До 10-30% в течение столетия может увеличиться вклад нетрадиционной энергетики на основе использования ВИЭ, однако в ближайшие 30 лет ее вклад в энергетический бюджет мира вряд ли превысит 3%. Имеется множество технических проблем, которые сдерживают развитие нетрадиционной энергетики, и в первую очередь – высокая материалоемкость. Так, для ВЭУ нужно большое количество алюминия, производство которого дорого и небезопасно для окружающей среды; для СЭС – много цемента и железа; для солнечных элементов – химически чистый кремний, который очень дорог. Кроме того, поскольку ВИЭ рассредоточены, для их концентрирования нужны большие площади. Наконец, районы, где возможно использование ВИЭ, удалены от тех территорий, где энергия будет использоваться. Это ставит вопрос о необходимости новых технологий передачи электроэнергии на большие расстояния (например, по водородопроводам).

Единственная реальная возможность компенсировать снижение производства энергии теплоэнергетикой – развитие атомной энергетики. В этом случае практически неисчерпаемы запасы энергоносителей, энергетические установки компактны и не загрязняют атмосферу диоксидом углерода, невелик объем жидких и твердых отходов. Однако при всей перспективности атомной энергетики она является самой опасной. Ее история омрачена катастрофами в Кыштыме и Чернобыле.

Тем не менее, у человечества нет другого пути, как развивать атомную энергетику, обеспечивая ее безопасность. Как показывает опыт Франции, Великобритании и Японии, это вполне возможно.

Разумеется, основой энергетической политики в обществе УР будет энергосбережение.

Растущий спрос на электроэнергию во всем мире и необходимость разработки и использования безопасных, надежных и экономичных источников электроэнергии подталкивают страны к строительству новых АЭС.

Во всем мире в настоящее время эксплуатируется более 400 действующих ядерных реакторов, а в 17 различных странах строятся 54 новых энергоблока. Всего же в мире сейчас насчитывается около 475 проектов новых ядерных реакторов, которые еще не начали строительство, но уже были объявлены или начали получать разрешения и финансовые средства.

Всего существует несколько типов реакторов, но тип реактора с водой под давлением (PWR) является наиболее популярным, имея 70% от мирового флота АЭС. Другие типы реакторов, которые в настоящее время также активно эксплуатируются, это – реакторы с тяжелой водой под давлением (PHWR), реакторы с кипящей водой (BWR), графитовые реакторы с легкой водой (LWGR), газоохлаждаемые реакторы (GCR) и реакторы на быстрых нейтронах (FBR).

Общий обзор

Тридцать две страны в настоящее время эксплуатируют атомные реакторы для выработки электроэнергии. В то время как некоторые страны, такие как Армения и Словения, эксплуатируют только один реактор в стране, то США эксплуатируют 95 и Франция 57 энергоблоков. Странами, обладающими значительными ядерными энергетическими мощностями, являются: США, Франция, Китай, Япония, Россия и Южная Корея с более чем 25 гигаваттами (ГВт) установленной мощности у каждой страны. Канада и Украина имеют около 13 ГВт, а Великобритания, Германия, Швеция, Испания, Индия и Бельгия имеют установленную мощность АЭС около 5–10 ГВт. Еще в 16 странах имеется один или несколько реакторов с установленной мощностью от 0,4 до 4 ГВт каждый.

Несколько стран за период с 2020 по 2030 годы планируют значительный вывод АЭС из эксплуатации, и к 2030 году около 12 стран, по их заявлениям, будут иметь меньшую по мощности ядерную программу, чем сегодня. Некоторые из них выводят из эксплуатации старые АЭС и не строят новых мощностей, а некоторые страны активно отказываются от атомной генерации и переходят на возобновляемые источники энергии.

Германия уже сократила свои ядерные мощности до половины своего общего количества в 2010 году и планирует к 2022 году свернуть свою ядерную энергетику. Бельгия, Тайвань и Швейцария осуществляют аналогичные программы по прекращению использования атомной энергии к 2030 году.

Между тем, Беларусь, Египет, Саудовская Аравия и Турция находятся в процессе строительства своих первых ядерных мощностей, и Беларусь планирует ввести в эксплуатацию свой первый реактор уже в 2020 году. ОАЭ является последней страной, добавившей ядерную энергетику в свой энергетический баланс, первый реактор АЭС “Барака” мощностью 1345 МВт должен начать свою работу уже в этом году.

В целом, в течение 2020–2025 гг. будет построено 49 новых блоков АЭС, мощность которых составит 53,5 ГВт, из которых 13,4 ГВт или 25% планируется ввести в эксплуатацию только в Китае благодаря строительству там 13 новых реакторов. Индия, Южная Корея и ОАЭ являются другими странами со значительными строящимися ядерными мощностями, которые планируется ввести в эксплуатацию в 2020–2025 годах. Эти три страны должны добавить 17,2 ГВт в течение этого периода.

Региональные прогнозы

В настоящее время Европа, Азиатско-Тихоокеанский регион и Северная Америка совместно эксплуатируют 98% мирового потенциала ядерной энергетики (см. рисунок 1). В рамках этой группы её внутренний баланс значительно изменится в течение 2020–2030 годов, поскольку доля Азиатско-Тихоокеанского региона значительно возрастет.

Рисунок 1: Мировая география атомной энергии, по регионам (%), 2019 г.

В регионах Ближнего Востока и Африки, а также в Южной и Центральной Америке каждый из них в настоящее время эксплуатирует около 1% мирового ядерного потенциала, и ни один из регионов не намерен вносить какие-либо существенные увеличения своей ядерной энергетической мощности.

В регионе Ближнего Востока и Африки только ЮАР, ОАЭ и Иран в настоящее время имеют ядерные энергетические программы. Саудовская Аравия и Египет, как ожидается, введут в эксплуатацию свои первые АЭС в течение 2020–2030 годов.

В Южной и Центральной Америке только Бразилия и Аргентина обладают ядерным потенциалом, и ни одна другая страна не планирует строить реактор в ближайшее время.

Мощность и выработка элетроэнергии

Глобальная установленная мощность ядерной энергетики в 2010 году составила 375,8 ГВт, из которых более 100 ГВт приходилось на США. В 2011 и 2012 годах эта цифра несколько снизилась после катастрофы на Фукусиме, поскольку некоторые реакторы в Японии были окончательно остановлены. Несколько реакторов в Германии также были остановлены в том же году в рамках долгосрочной политики этой страны по поэтапному отказу от ядерной энергетики.

В течение 2012–2019 гг. общая установленная мощность увеличилась на 30 ГВт и достигла 404,7 ГВт, несмотря на то, что в мире было остановлено несколько станций. Это было связано с тем, что в этот период в Китае были построены новые АЭС с более чем 37 ГВт новой мощности.

Ожидается, что в течение 2020–2030 годов двенадцать стран сократят свои ядерные мощности путем закрытия и вывода из эксплуатации существующих станций, что приведет к снижению мощности более чем на 30 ГВт. Тем не менее, поскольку в одном только Китае ожидается увеличение мощности свыше 80 ГВт в течение этого периода, ожидается, что общая установленная мощность в мире значительно возрастет с 404,7 ГВт в 2019 году до 496,4 ГВт в 2030 году (см. Рисунок 2).

Рисунок 2: Глобальный рынок атомной энергии, совокупная мощность и годовая выработка, 2010–2030 гг.

В 2000 году доля атомной энергетики в общем объеме мировых энергетических мощностей составляла чуть более 10%. Несмотря на значительное увеличение мощности в течение 2000–2019 гг., сейчас доля ядерной энергетики сократилась до 5,4%.

Доля ядерной энергии в общем объеме выработки электроэнергии в мире сократилась с 17,2% в 2000 году до примерно 10,2% сегодня, несмотря на увеличение мощности и повышение эффективности современных реакторов. Другие энергетические технологии просто развивались быстрее в этот период – в основном это тепловая энергия в 2000-2010 гг. и крупные солнечные и ветряные электростанции после 2010 г.

В течение 2020–2030 гг. доля ядерной энергетики в мировом энергобалансе может не так сильно упасть из-за большого количества новых ядерных реакторов в Китае.

Влияние вируса COVID-19

Атомная энергетика рассматривает безопасность как наиболее важный аспект, обусловленный природой этой технологии. Это, в свою очередь, также делает безопасность, здоровье и благополучие работников АЭС ключевым элементом эксплуатации станции. Для каждой АЭС, будь то на стадии строительства, эксплуатации или вывода из эксплуатации, имеются планы действий в чрезвычайных ситуациях, в том числе на случай пандемии. Это помогло большинству АЭС продолжать бесперебойную и устойчивую работу даже после начала пандемии COVID-19.

На многих площадках АЭС второстепенные специалисты были переведены на дистанционную работу и получили соответствующее необходимое оборудование и доступ. Ключевым же сотрудникам было предложено остаться на своих местах. В свою очередь были приняты меры для длительного пребывания рабочих на площадках АЭС, чтобы не было риска их заражения, потому что в этом случае могла бы потребоваться остановка всей станции.

Очень немногие действующие АЭС сообщили о сокращении рабочих. На некоторых строящихся площадках сообщалось о сокращении числа рабочих, например, на АЭС “Вогтль” в США, но работа по большей части на них всех успешно продолжается.

Все же атомные объекты, которые первоначально приостановили строительство во время вспышки коронавируса, теперь уже возобновили свою работу. На нескольких объектах продолжалась строительная деятельность, но с сокращением рабочей силы, чтобы поддерживать меры социального дистанцирования. Это может привести к небольшим задержкам в завершении строительства и испытаний на некоторых площадках реакторов, что, в свою очередь, приведет к возможной задержке ввода этих реакторов в эксплуатацию.

В целом, в краткосрочной перспективе не было каких-либо радикальных последствий пандемии COVID-19 для атомной энергетики. Не было никаких существенных сокращений рабочей силы, и при этом выработка электроэнергии не была прекращена. Механизмы и методы удаленной работы, которые иначе никогда ранее не рассматривались бы в атомной энергетике, были проверены, внедрены и адаптированы в течение нескольких недель. В более долгосрочной перспективе вполне вероятно, что некоторые АЭС может потребоваться закрыть из-за одного из нескольких условий, включая более агрессивное распространение вируса COVID-19, заражение им ключевого эксплуатирующего персонала АЭС или значительное падение спроса на электроэнергию.

Драйверы рынка атомной энергии

1. Ядерные амбиции Китая

К 2026 году Китай будет обладать самой большой мощностью ядерной энергетики, превосходя США и Францию. К 2025 году Китай собирается добавить 40 ГВт новых ядерных мощностей и еще 40 ГВт в течение 2026–2030 годов. Кроме того, в стране были предложены новые реакторы с еще 200 ГВт общей мощности. Китай также проявил интерес к созданию большого количества небольших плавучих энергоблоков, размещенных на судах, пришвартованных на верфях. Эти дополнительные мощности и растущий интерес Китая к тому, чтобы стать ведущим мировым поставщиком ядерных технологий, будут стимулировать рынок в течение следующих двух десятилетий.

Строительство АЭС в Китае

2. Стремление развивающихся стран к энергетической независимости

Некоторые страны, которые в настоящее время практически не имеют своей ядерной мощности, рассматривают эту технологию как жизнеспособный вариант для повышения своей энергетической независимости и разнообразия своего энергетического портфеля. Турция, Египет, Саудовская Аравия и Беларусь в настоящее время не имеют ядерных энергетических мощностей, но их реакторы находятся на разных стадиях завершения. Турция и Египет стремятся ввести в эксплуатацию около 5 ГВт атомной энергии к 2030 году. Саудовская Аравия будет иметь мощность около 3 ГВт к 2030 году. Стремление к укреплению и диверсификации энергетических портфелей в других странах может привести к дальнейшему повышению интереса к ядерной энергетике.

3. Обязательства и цели по сокращению выбросов

Проблемы, с которыми сталкивается атомная индустрия

1. Сопротивление со стороны экологических групп

2. Планы поэтапного отказа в Европе

После катастрофы на Фукусиме в Японии несколько правительств пересмотрели свою ядерно-энергетическую стратегию. Несколько европейских стран решили полностью остановить новые проекты, которые еще не начали строительство, в то время как некоторые планировали как запретить новые, так и вывести из эксплуатации старые АЭС. Германия, Швейцария, Бельгия и Тайвань обладают значительными ядерными мощностями, но планируют отключить все реакторы до 2030 года. В целях поэтапного отказа от ядерной энергетики эти страны отказывают в продлении лицензии энергоблокам АЭС, срок эксплуатации которых истекает, и в конечном итоге их отключают. Таким образом, экономика этих АЭС не нарушается, и, хотя реакторы работают до истечения срока действия их лицензий, другие технологии в конечном итоге занимают их место и их потенциальный рынок. Это оказывает серьезное влияние на рынок атомной энергии, делая его почти не существующим в ближайшие несколько лет в странах с такими планами.

3. Пандемия COVID-19

Пандемия COVID-19 до сих пор не оказала негативного влияния на рынок атомной энергии ни в одной стране. В марте было приостановлено лишь очень небольшое количество строительных проектов, но в конечном итоге там возобновились работы с немного меньшей по количеству рабочей силой. Тем не менее, общий спрос на электроэнергию сократился почти в каждой стране мира. Если падение спроса продолжится или если он не будет существенно восстановлен, то в каждой такой стране будет сокращена эксплуатация нескольких электростанций. Соответственно, некоторые АЭС также может потребоваться временно отключить. Реакторы, которые в настоящее время находятся в стадии строительства и должны быть введены в эксплуатацию в конце 2020 года или в начале 2021 года, также могут быть затронуты отсутствием спроса на электроэнергию. Это может привести к задержкам при вводе в эксплуатацию.

Российская плавучая АЭС "Академик Ломоносов"

Развитие человеческой цивилизации требует все большей и большей энергии, и поиск ее источников становится все актуальнее. Перспективным направлением исследований по этой теме является атомная энергетика, краткая характеристика которой представлена в данной статье.

Применение атомной энергии

Суть работы всех современных электростанций (исключение – солнечные) – это преобразование механической энергии вращения вала генератора в электрическую. Энергия же вращения производится по-разному. В гидроэлектростанциях это вращение лопаток гидротурбины, а в ветроэнергетике – вращение лопастей ветрового колеса. Но чаще всего, генераторы вращаются паровыми турбинами, пар для которых производится в паровых котлах.

Тепло для котлов с начала XXв производилось сжиганием угля или мазута. Добыча этих ископаемых становилась все дороже, а требовалось их все больше. В середине XXв появилась новая возможность получения тепла в гораздо больших объемах с меньшими затратами – использование энергии распада тяжелых элементов. В атомном реакторе происходит управляемая ядерная реакция распада ядер урана с выделением большого количества тепла, которое и служит для выработки электроэнергии.

Рис. 1. Схема атомной электростанции.

Рис. 2. АЭС в Обнинске.

Но разработка реакторов на быстрых нейтронах имеет ряд трудно разрешимых проблем конструктивного и экономического плана, поэтому в настоящее время в мире работает лишь два таких реактора на Белоярской АЭС, остальные страны остановили или заморозили разработки.

Плюсы и минусы атомной энергетики

Рассмотрим плюсы и минусы атомной энергетики.

Работа АЭС имеет огромные возможности для обеспечения человечества энергетическими ресурсами. При работе нет потребления сырья, не требуется работа добывающей промышленности. Не используется кислород воздуха, не выделяются в окружающее пространство вредные и опасные вещества.

Однако после исчерпания (которое обычно происходит в течении 20-30 лет) отработанное атомное топливо нуждается в утилизации и захоронении. Также утилизации подлежат и все конструкции отработавшего реактора, которые много лет подвергались действию радиации. Уменьшение радиоактивного фона происходит медленно, и места захоронений долгое время будут непригодны для жизни.

Еще большую опасность представляют аварии с выбросом радиоактивного вещества в окружающее пространство. События, произошедшие в Чернобыле в 1986 г, на Фукусиме в 2011 г привели к радиоактивному загрязнению обширных областей.

Рис. 3. Опасности ядерной энергетики.

Поэтому, хотя развитию ядерной энергетики альтернативы нет, необходимо помнить, что, как и любое изобретение человечества, она несет в себе не только выгоды, но и угрозы, и принимать меры для их исключения.

Что мы узнали?

Первая атомная АЭС была построена в 1954г в Обнинске. Атомная энергия позволяет иметь доступ к большим энергетическим ресурсам, являясь экологически более чистой, чем обычные тепловые электростанции. Однако, ядерное топливо представляет собой большую угрозу в случае аварий, а кроме того, после отработки требует утилизации и захоронения.

Предисловие. В ходе проведения в 2019 г. мониторинга научно-технического прогресса в энергетике установлено, что после утверждения в октябре 2016 г. Прогноза научно-технологического развития отраслей ТЭК России на период до 2035 года (далее – Отраслевой прогноз) в доступном множестве мировых и отечественных прогнозно-аналитических оценок и сценарных представлений произошли стратегически значимые изменения.

Сегодня российская атомная отрасль является одной из передовых в мире по уровню научно-технических разработок в области проектирования реакторов, ядерного топлива, опыту эксплуатации атомных станций, квалификации персонала АЭС. Возрастающие требования нормативных документов к безопасности АЭС и конкурентная борьба на энергетическом рынке побуждают к продолжению научно-технологического совершенствования отрасли.

Стратегическими целями развития атомной энергетики является обеспечение энергетической безопасности страны, диверсификация топливно-энергетического баланса, сбережение ценных ресурсов невозобновляемых ископаемых топлив для неэнергетического использования, повышение доли высокотехнологичных и наукоемких продуктов в экспорте, радикальное решение проблемы выбросов парниковых газов.

Эти цели будут достигаться консолидацией всего органически связанного атомного энергопромышленного комплекса, включающего АЭС, ядерный топливный цикл, строительный комплекс, машиностроительную и приборную базы, информационные технологии, инжиниринговые структуры, исследования, разработку и проектирование объектов атомной энергетики, нацеленных на обеспечение конкурентоспособности и безопасности атомных электростанций и атомной промышленности.

Важным стратегическим направлением развития атомной энергетики остается создание технологии управляемого термоядерного синтеза. Целесообразным здесь является участие страны в международном проекте ИТЭР. Следует обратить внимание на возобновление в мире работ в области высокотемпературных ядерных реакторов, а также на широкий рынок мини- и микро-АЭС с прямым (безмашинным) преобразованием тепловой энергии в электрическую (с использованием термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей).

Детальную программу научно-технологического развития атомной отрасли страны формирует Концерн Росэнергоатом. Эта программа исходит из того, что в настоящее время главными задачами развития атомной энергетики России являются:

а) глубокая модернизация основного оборудования действующих АЭС;

б) разработка инновационного атомного электрогенерирующего оборудования (АЭС нового поколения);

в) замыкание ядерного топливного цикла.

Модернизация действующих энергоблоков АЭС позволяет не только сохранить достигнутые масштабы развития атомной электрогенерации в стране, но и повысить уровень их безопасности и улучшить технико-экономические характеристики действующих энергоблоков.

Основными целями модернизации являются:

- обеспечение безопасной и устойчивой работы действующих АЭС в соответствии с критериями и требованиями действующих норм и правил в области использования атомной энергии;

- продление эксплуатационного ресурса энергоблоков, достигших назначенного срока службы;

- увеличение производства электрической и тепловой энергии на действующих энергоблоках АЭС;

- повышение надежности и экономической эффективности действующих АЭС для обеспечения их конкурентоспособности на рынках электроэнергии и мощности.

Продление сроков эксплуатации энергоблоков действующих АЭС после исчерпания назначенного срока службы является одним из эффективных направлений вложения финансовых средств для сохранение генерирующих мощностей и повышение безопасности АЭС. Экономически обоснованная продолжительность дополнительного срока эксплуатации энергоблоков АЭС составляет от 15 до 30 лет и определяется в каждом конкретном случае как техническими, так и экономическими факторами.

Основными задачами дальнейшего научно-технического развития атомной энергетики страны определены:

- повышение параметров рабочего тела в энергоустановках с целью существенного увеличения КПД и улучшения экономических характеристик АЭС;

- разработка реакторов на быстрых нейтронах;

- создание модульных энергетических реакторов малой мощности;

- разработка новых проектов АЭС с улучшенными технико-экономическими показателями в целях повышения безопасности и конкурентоспособности атомной энергетики;

- замыкание ядерного топливного цикла.

В перспективе возможна активизация разработок ядерных реакторов нового поколения (высокотемпературных газоохлаждаемых, жидкосолевых и др.).

1. Развитие технологии водо-водяных реакторов

Спектральное регулирование — это управление свойствами реактора за счет изменения соотношения воды и урана в активной зоне. В начале топливного цикла, когда в активную зону загружают свежее топливо, в реактор помещают специальные устройства (вытеснители), уменьшающие долю воды в активной зоне. В присутствии вытеснителя скорость нейтронов становится выше, а быстрые нейтроны позволяют нарабатывать новый делящийся материал — новое топливо. Ближе к концу топливного цикла, по мере выгорания ядерного топлива, вытеснители выводятся из активной зоны, и реактор работает как обычный ВВЭР.

2. Толерантное топливо

Современная концепция безопасности ядерных реакторов включает много уровней защиты на случай возможных отклонений в режимах работы и серьезных аварийных ситуаций — гермооболочку, аварийные системы подачи охладителя, пассивные системы отвода тепла, ловушку расплава на случай расплавления активной зоны и корпуса реактора и многое другое. Но безопасности много не бывает, особенно когда дело касается атомного реактора. Новое слово в обеспечении безопасности — устойчивое к авариям, или толерантное, топливо.

Толерантное — значит, такое, которое не разрушится и не вступит в реакцию с теплоносителем даже при аварии, если отвод тепла из активной зоны реактора будет нарушен. Сам по себе уран с водой не взаимодействует даже при температуре 2500 °C, до которой топливо может разогреться в случае аварийной потери охлаждения. Зато циркониевая оболочка топливных стержней может вступить в реакцию с водой уже при 800 °C. Это очень опасно, ведь в пароциркониевой реакции выделяется много водорода и тепла. Все вместе это может привести к взрыву или разрушить оболочки тепловыделяющих элементов.

3. Замкнутый ядерный топливный цикл

Одна из главных проблем мирного атома — это проблема радиоактивных отходов. Вынимая из земли слаборадиоактивную урановую руду, мы выделяем из нее уран, обогащаем его и используем в ядерных реакторах, на выходе получая опасную субстанцию. Некоторые из составляющих ее изотопов будут радиоактивны еще много тысяч лет. Ни одно сооружение не может гарантировать безопасность хранения отработавшего топлива на такой долгий срок. Но отработавшее ядерное топливо можно перерабатывать: дожигать самые долгоживущие нуклиды и выделять те, что можно использовать в топливном цикле снова.

Для того чтобы делать это, нужны реакторы двух типов: на тепловых нейтронах и на быстрых. На тепловых, или медленных, нейтронах работает большинство современных ядерных реакторов; теплоносителем в них является вода, она же и замедляет нейтроны (в реакторах некоторых типов замедлителями работают и другие вещества — например, графит в РБМК). Вода омывает топливные стержни; нейтроны, замедленные водой, взаимодействуют преимущественно с одним изотопом урана — редким в природе ураном-235 — и заставляют его делиться, выделяя тепло: оно-то и нужно для выработки электроэнергии. После того как тепловыделяющие сборки полностью отработают положенный срок в активной зоне реактора, отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), накопившее в себе осколки деления, выгружается из реактора и заменяется свежим.

В реакторах на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя используются вещества, которые гораздо меньше замедляют нейтроны — жидкий натрий, свинец, сплавы свинец-висмут и некоторые другие. Быстрые нейтроны взаимодействуют не только с ураном-235, но и с ураном-238, которого в природном уране гораздо больше, чем урана-235. Захватывая нейтрон, ядро урана-238 превращается в делящийся изотоп плутония, который подходит в качестве топлива и для тепловых, и для быстрых реакторов. Поэтому быстрые реакторы дают и тепло, и новое топливо. Кроме того, в них можно дожигать особо долгоживущие изотопы, которые вносят наибольший вклад в радиоактивность ОЯТ. После дожигания они превращаются в менее опасные, более короткоживущие изотопы.

Чтобы полностью избавиться от долгоживущих радиоактивных отходов, нужно иметь и быстрые, и тепловые реакторы в одном энергетическом комплексе. Кроме того, нужно уметь перерабатывать топливо, извлекая из него ценные компоненты и используя их для производства нового топлива. Сегодня Россия — единственная страна, в которой работают сразу два промышленных реактора на быстрых нейтронах — это реакторы БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС.

4. Новые материалы

Некоторые материалы в России делать еще недавно почти не умели: сверхпроводящие материалы, например, выпускались только небольшими партиями на заводах экспериментальной техники. Ситуацию изменило участие России в строительстве термоядерного реактора ITER: сейчас в нашей стране ежегодно производится несколько сотен тонн сверхпроводников. Часть отправляется на строительство ITER и других больших научных машин. Возможно, именно российские сверхпроводники будут использованы при строительстве в CERN нового коллайдера FCC. Другая часть останется в России — пойдет на сверхпроводящие трансформаторы, накопители и другие высокотехнологичные приборы.

5. Переработка ОЯТ

Атомная энергетика может стать по‑настоящему зеленой только тогда, когда перестанет генерировать опасные отходы — особенно те, снижение радиоактивности которых занимает тысячи лет. Для этого нужно научиться повторно использовать отработавшее ядерное топливо и избавляться от самых долгоживущих изотопов, которые неизбежно накапливаются в топливе в процессе работы ядерного реактора. Технологии, позволяющие это делать, уже существуют, но еще не внедрены повсеместно.

6. Водородная энергетика

Переход на водородную энергетику сегодня считается одним из самых разумных способов очистить воздух Земли. Ведь при сжигании водорода в чистом кислороде образуются только высокотемпературное тепло и вода — и никаких вредных выхлопов. Но на пути к водородному транспорту и полномасштабному использованию водорода в других отраслях существует несколько препятствий, одно из которых — маленькие объемы производства водорода. В мире производится всего около 80 миллионов тонн этого газа; эти объемы покрывают только современную промышленную потребность в водороде. Для создания водородной энергетики этого газа понадобится намного больше.

7. Ядерная медицина

Ядерная физика подарила нам химические элементы, которых в природе не бывает, и в том числе тяжелые элементы, массой превосходящие уран. Некоторые изотопы этих элементов нашли применение в ядерной медицине: их используют как источники нейтронов для облучения опухолей и для диагностики заболеваний. Такие элементы невероятно сложны в получении, а потому дороги и редки. Один из самых редких изотопов, калифорний-252, например, нарабатывают всего в двух местах — Национальной лаборатории в Окридже (США) и НИИ атомных реакторов в Димитровграде.

8. Будущее энергетики — термояд

Энергия, заключенная в атомном ядре, выделяется не только в процессе деления тяжелых ядер вроде урана и плутония. Ее дает и слияние легких ядер водорода, которых на Земле гораздо больше, чем урана. Эта реакция называется термоядерной. Современная атомная энергетика использует только делящиеся ядра, получая их из урановой руды. Второй путь — использование энергии термоядерного синтеза — пока еще не освоен.

Крупнейший экспериментальный термоядерный реактор ITER строится рядом с исследовательским центром Кадараш на юге Франции. Его цель — продемонстрировать возможность использования термоядерной реакции для выработки электроэнергии. Россия — один из главных участников проекта ITER. Но в России строятся и собственные термоядерные установки.

9. Лазеры для космоса, промышленности и медицины

10. Компактные реакторы малой мощности

Сегодня атомная станция — это целый городок: энергоблоки, турбины, генераторы, конденсаторы, градирни, технические сооружения. Но все чаще звучат разговоры о том, что будущее атомной энергии будет связано совсем с другими — компактными — атомными станциями малой мощности, которые будут снабжать электроэнергией и теплом не целые регионы, а отдельные города, поселки, предприятия.

Планов по использованию компактных ядерных реакторов у атомщиков много: например, в качестве источников энергии для удаленных районов и для океанских добывающих платформ. Кроме того, ими можно замещать выходящие из эксплуатации электростанции, прежде всего, мазутные и угольные. Проекты атомных станций малой мощности, как правило, предусматривают полную автономность реакторов и длительный топливный цикл; обслуживать компактные реакторы не нужно, достаточно установить и запустить, а в конце срока службы извлечь топливо и переработать его.

Российский мирный атом сегодня — одна из самых наукоемких и высокотехнологичных отраслей промышленности, большая и важная часть несырьевого экспорта страны. По многим магистральным ядерным направлениям российская атомная отрасль по‑прежнему опережает весь мир — например, в технологиях промышленных реакторов на быстрых нейтронах, замыкания ядерного топливного цикла, производстве атомных станций малой мощности. Сейчас российские атомщики закладывают основу для технологий будущего — в энергетике, медицине, промышленности, материаловедении и, конечно, в фундаментальной науке.

Читайте также: