Будущее атомных электростанций кратко
Обновлено: 08.07.2024
Автор: Ирина Сухарева
Фото: Атомный эксперт
Что есть энергия?
Прежде чем говорить о ядерной энергии, хорошо бы понять, что такое энергия вообще, хоть это и непросто. С похожей проблемой сталкивался Сократ при попытке объяснить, что такое красота: примеры привести легко, а дать определение — сложно. В той же Древней Греции Аристотель полагал, что энергия — это некое активное начало, причина всех видимых изменений в мире.
Позже выделили виды энергии: потенциальная, кинетическая, тепловая, химическая и т. д. Но любая энергия ассоциируется с работой, которую можно совершить, затратив энергию.
Исторически сложилось, что различные виды энергии измеряют в разных единицах: килограммометр (кГм) — единица измерения механической энергии, калория (кал) — тепловой, электронвольт (эВ) — электрической. В ядерной физике используют единицу измерения МэВ (миллион электронвольт).
Универсальная международная единица измерения энергии — джоуль (Дж) — связана со всеми перечисленными единицами соотношениями эквивалентности:
1 Дж = 0,239 кал = 0,102 кГм = 0,624∙10¹⁹ эВ = 0,624∙10¹³ МэВ
1 Вт =1 Дж/с; 1 кВт = 10³ Вт; 1 МВт = 10⁶ Вт; 1 ГВт = 10⁹ Вт
Еще раньше, в 1782 году, Джеймс Уатт (единица мощности Ватт названа в его честь) изобрел паровую машину, которая преобразовывала тепловую энергию в работу, а в 1824 году Сади Карно нашел закон этого преобразования. Оказалось, что в работу можно превратить не все тепло, а только его часть, равную
η = (T₁ — T₂) /T₁,
где Т = t˚C + 273,15 — абсолютная температура.
Это соотношение определяет максимальный КПД любой тепловой машины. Например, при t₁ = 300˚С и t₂ = 100˚С η = 0,35, то есть только треть тепловой энергии можно превратить в работу. Остальные две трети теряются безвозвратно; и связано это с понятием энтропии, которое ввел Рудольф Клаузиус в 1857 году. При последующих превращениях энергии ее потери непрерывно растут, то есть энергия системы необратимо уменьшается. Именно это свойство энергии отличает ее от вещества: атомы вещества могут быть использованы многократно (сгнившее дерево дает материал для новых деревьев), но энергию можно использовать только один раз. А это означает, что запасы энергии, накопленные на Земле, непрерывно уменьшаются и неизбежно иссякнут. Основной вопрос: когда?
Открытие электричества не отменило этот вывод — просто цепочка превращений энергии удлинилась: тепло → работа → электричество → работа → тепло.
В любом случае процесс использования энергии начинается и заканчивается теплом, и все выводы Карно и Клаузиуса остаются в силе. (Проекты вечного двигателя Парижская академия наук отказалась принимать к рассмотрению еще в 1775 году — за 70 лет до открытия закона сохранения энергии).
Леонид Иванович Пономарев родился в 1937 году в Донбассе. В 1963 году окончил физический факультет МГУ, в 1971 году защитил докторскую диссертацию.
Работал в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований, и в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. В настоящее время — главный эксперт ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, научный руководитель программы исследований быстрого жидкосолевого реактора с уран-плутониевым топливным циклом.
В 1994 году избран членом-корреспондентом Российской академии наук (РАН) по Отделению ядерной физики, с 2016 года — академик РАН в Отделении физических наук.
Ядерная энергия
О существовании внутриядерной энергии ученые узнали в начале XX века, а в 1939 году открыли деление ядра урана под действием нейтронов и поняли, что при этом выделяется огромная энергия:
n + U → продукты деления (ПД) + 200 МэВ.
Это в 50 млн раз больше, чем при сжигании атома углерода:
C + O₂ → CO₂ + 4,2 эВ.
Объяснение этому факту дает знаменитая формула Эйнштейна, которая обобщила закон сохранения энергии до закона сохранения материи: E = mc², где E — энергия, заключенная в теле массой m, а c — скорость света.
Кроме ядерной энергии деления существует также ядерная энергия синтеза, которая выделяется при слиянии ядер дейтерия и трития:
d + t → ⁴He + n + 17,6 МэВ.
Эта энергия в 14 раз меньше, чем энергия деления, и выделяется лишь при нагревании смеси ядер до температуры ~ 10 млн градусов. В отличие от ядерного реактора деления, который был построен уже через три года после открытия деления ядра, термоядерный реактор не удается построить вот уже 70 лет, и сегодня срок его постройки вновь отодвигается еще на 50 лет.
Сколько энергии человеку надо?
В среднем человек потребляет с пищей 2500 килокалорий в день, то есть его мощность составляет ≈ 120 Дж/сек ≈ 120 Вт — мощность яркой электролампочки; биологическая мощность всего народонаселения Земли (7,6 млрд человек) составляет ~ 10³ ГВт (Луна в полнолуние светит в тысячу раз менее ярко).
С доисторических времен человек увеличил потребление энергии (домашние животные, водяная и ветряная мельницы) до 200 Вт, к началу промышленной революции оно выросло до ~ 300 Вт, сегодня — ~ 2000 Вт = 2 кВт/чел.
Сегодня мощность энергетики мира составляет ~ 1,76.10¹³ Вт = = 1,76.10⁴ ГВт, то есть в среднем ~ 2 кВт на человека, хотя потребляется она крайне неравномерно: в США — 12 кВт, в Европе и России — 6 кВт, в Китае — 1,6 кВт, в Сомали — 0,2 кВт. Производство энергии растет со скоростью ~ 1,2 % в год — чуть быстрее, чем население Земли.
Для того чтобы число людей на Земле достигло 1 млрд, потребовалась почти вся история человечества — с доисторических времен до 1800 года. Второй миллиард появился уже через 130 лет, третий — через 30 лет, а теперь каждый новый миллиард добавляется за 13 лет. Легко подсчитать, что при таком темпе роста уже через 1000 лет количество людей увеличится в 10 раз, и вряд ли на Земле хватит ресурсов для их существования. К счастью (или к сожалению), мы живем в период космического поворота: начиная с 1990 года скорость роста населения Земли снижается, и по прогнозам ученых, численность людей к 2150 году стабилизируется на уровне ~ 12 млрд.
Если к этому времени каждый житель планеты будет потреблять в среднем мощность 4 кВт, то производство энергии вырастет в три раза — до уровня ~ 5·10⁴ ГВт. Где взять эту энергию?
Источники энергии
В доиндустриальную эпоху основным источником энергии были дрова, и топливный цикл был замкнут, то есть в природе не было отходов. Но промышленная революция разомкнула этот цикл, люди начали использовать органическое топливо (уголь, нефть, газ), накопленное ~ 300 млн лет назад.
Сжигание этих продуктов освобождает углерод, связанный миллионы лет назад, и в виде углекислого газа отправляет его в атмосферу, провоцируя нарушения баланса биосферы, которая обеспечивает само существование человека. За год в лучах Солнца растения и водоросли накапливают в процессе фотосинтеза ~ 10¹¹ тонн углерода, из которых ~ 20% — приходится на леса. Если всю эту древесину сжечь в топках, то выделится тепловая энергия 0,6∙10²¹ Дж/год = 2∙10¹³ Дж/с = = 2∙10⁴ ГВт, что примерно равно мощности современной энергетики. Однако представить себе современную цивилизацию (заводы, автомобили, самолеты и так далее), работающую на дровах, довольно трудно. Скачок производства энергии в мире произошел примерно в 1850 году. Появились заводы, паровозы, автомобили, самолеты — и все это связано со значительным ростом потребляемой энергии.
Изобретение электричества сильно изменило приоритеты видов используемой энергии: сейчас его доля в общем балансе составляет 18%, и доля эта растет опережающими темпами. Основа современной электроэнергетики — ископаемое топливо: уголь, нефть, газ; именно оно обеспечивает 67% производимого электричества. Еще 16% дают гидростанции; 11% — АЭС; остальные источники энергии (солнечная, ветровая, биомасса и другое) вносят в энергобаланс не более 7%.
Запасы энергии на Земле ограничены, и большая их часть (~ 90%) заключена в ядрах атомов урана. Если к ним добавить запасы энергии, заключенные в ядрах тория (а его в земле в три раза больше, чем урана), то доля ядерной энергии вырастет до 97%, запасы 235U снизятся до 0,1%, а на долю других источников останется менее 3%. По оценкам экспертов, запасов нефти человечеству хватит на 50 лет, газа — на 100 лет, угля — на 500 лет.
Все до сих пор упомянутые источники энергии создавались на Земле в течение миллиардов лет и неизбежно будут исчерпаны. Вопрос в том, хватит ли их на все время существования человека на этой планете. Ответ на этот вопрос неизвестен, поэтому имеет смысл рассмотреть возможности использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
По большому счету, такой источник энергии только один — наше Солнце. Мощность солнечного излучения, достигающего Земли, равна ~ 10⁷ ГВт — в 500 раз больше мощности мировой энергетики. Но плотность потока этого излучения очень мала, и, чтобы сконцентрировать ее, нужно затратить работу — в соответствии с законами термодинамики. На уровне земли она составляет в среднем 160 Вт/м², с учетом ненастных дней снижается до ~ 100 Вт/м², из которых лучшие фотоэлементы (КПД ~ 20%) могут извлечь ~ 20 Вт электрической энергии. Покрыв ими крышу дома (50−100 м²), можно получить в дневное время суток 1−2 кВт, что вполне достаточно для удовлетворения всех бытовых нужд. Но это не решает проблем тяжелой индустрии, металлургии и химии. Сегодня вклад солнечной энергии в электроэнергетику мира составляет ~ 2%. Следует отметить также, что малая интенсивность солнечного потока требует больших площадей для солнечных станций (~ 10 км² для станции мощностью 1 ГВт), и на эту площадь хрупких панелей будут падать не только солнечные лучи, но и дождь, град, песок. Кроме того, хранение этой энергии для ее использования в ночные часы обходится дороже ее производства. Тем не менее в последние годы наблюдается бурный рост солнечной энергетики, хотя до сих пор неясно, сможет ли она преодолеть принципиальные физические ограничения для масштабного роста.
Только ~ 0,3% потока солнечной энергии, достигающей Земли, усваивается растениями в процессе фотосинтеза, а остальная энергия расходуется на обогрев планеты, на поддержание равновесия биосферы и всех процессов в атмосфере и океанах: ветров, течений и так далее. Энергию ветра используют издревле (парус, ветряные мельницы); современные ветряные мельницы стали важной частью индустрии: вклад ветра в производство электричества составляет ~ 3%, невзирая на то что непостоянство этого явления природы известно даже поэтам.
Ядерная энергетика
Первый промышленный ядерный реактор мощностью 5 МВт был запущен в 1954 году в Обнинске. На пике развития ядерной энергетики (~ 1995 год) она производила в 33 странах 17,5% электричества планеты (во Франции — 78%, в США — 22%, в России — 16%, а в европейской части — 40%).
Преимущества ядерной энергетики очевидны: АЭС не требуют огромных масс топлива, идеально приспособлены для выработки электричества, не выбрасывают в атмосферу углекислоту, окислы азота и серы. По большому счету, они значительно безопаснее тепловых: для того чтобы обеспечить в течение года работу ТЭС мощностью 1 ГВт, в ее топливном цикле гибнет 300 человек, а при работе АЭС — в 500 раз меньше.
Вопреки этой логике в последние годы ширятся протесты против использования ядерной энергии, а в некоторых странах даже приняты решения о ее запрещении. Причины этих протестов отчасти иррациональны: человек также безотчетно боится темноты, а радиация, с которой неразрывно связана ядерная энергия, внушает страх своей непонятностью. И логические доводы здесь бессильны, даже такой: радиоактивные выбросы с дымом ТЭС многократно превышают аналогичные выбросы АЭС.
Однако профессионалы понимают и более глубокие причины этого инстинктивного протеста: современная ядерная энергетика далека от совершенства. Она возникла после мировой войны как побочный продукт военной программы создания ядерного оружия, когда не было времени думать ни о гарантиях безопасности, ни о радиоактивных отходах, ни об экономике. Но сегодня эти проблемы встали в полный рост. Перечислим их.
Первая проблема
Современные реакторы небезопасны, несмотря на многоуровневую инженерную систему предотвращения аварий. Серьезные аварии случаются редко, но их последствия приходится ликвидировать долго, и обходится это дорого. Необходимо создать внутренне безопасный реактор, в котором аварии будут запрещены законами физики, а не инженерными барьерами. Отдельная проблема безопасности — это риск попадания ядерной взрывчатки в руки террористов, что наиболее вероятно на стадии переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и выделения из него свежего топлива.
Третья проблема
При работе реактора выгорает менее 10% загруженного ядерного топлива (сегодня ~ 6%), и, чтобы его использовать полностью, нужно многократно очищать ОЯТ от продуктов деления и изготавливать из него новое топливо — замкнуть топливный цикл. Такая технология пока не создана, и в ее ожидании в хранилищах ОЯТ накоплено ~ 300 тыс. тонн ОЯТ, ждущих переработки.
Четвертая проблема
При работе АЭС образуются продукты деления — ~ 1 тонна в год для реактора электрической мощностью 1 ГВт. Среди них ~ 10 кг долгоживущих отходов, которые сохраняют свою радиоактивность сотни тысяч и миллионы лет, и оставлять их будущим поколениям люди пока не решились. За 60 лет атомной энергетики в мире накоплено таких отходов более 300 тонн, и что делать с ними — пока неясно.
Пятая проблема
Строительство ядерного реактора стоит дорого; пока мы живем в системе рыночной экономики, этот фактор имеет существенное значение. Не исключено, что в будущем дефицит энергии скорректирует важность экономических критериев: если жизни человека угрожает смертельная болезнь, он готов платить за лекарство любые деньги. К примеру, сегодня солнечная энергетика стремительно растет, несмотря на то что она вчетверо дороже ядерной.
Все эти проблемы известны давно, и они уже привели к снижению вклада АЭС в электрические мощности планеты: с 1995 года этот вклад снизился с 17,7% до 10,5%.
Скептики предсказывают и дальнейшее снижение вклада АЭС — вплоть до их исчезновения в следующем столетии.
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"
Для начала надо сказать, что если с начала нашей эры и до 1800 года население Земли выросло только до одного миллиарда человек, то за следующие сто тридцать лет прибавился еще миллиард. Теперь население планеты увеличивается каждые двенадцать лет на один миллиард. В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 16 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2200 Вт на человека, то есть потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе двадцати четырех стоваттных электрических ламп! И потребление будет только расти.
Ископаемые энергоносители– газ, угль и нефть – конечны, но возобновляемые источники энергии обеспечить нынешний уровень потребления электроэнергии не способны и будут не способны и в будущем. Так что атомная энергия – единственный возможный вариант для человеческой цивилизации. Однако и здесь есть проблемы.
– Главный вызов атомной энергетике – в том, что почти все нынешние АЭС работают на уране-235. Его запасы малы. Хватит еще на пятьдесят лет эксплуатации таких станций. Более того, использование этого урана означает, фактически, то, что мы топим печи спичками: дрова – это уран-238 и торий, – заявляет господин Пономарев. – Запасов урана-238 и тория хватит, чтобы обеспечить человечество энергией на тысячи лет. Но для их использования нужен уран-235. Если уран-235 весь используют, человечество утратит доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии. Так что ториевые реакторы и реакторы на уране-238 (этот тип составляет 99,3 процента всех природных запасов урана) – это вопрос о будущем нашей цивилизации, причем самом близком будущем.
Описанные выше реакторы будут работать на быстрых нейтронах. Реакторы на быстрых нейтронах позволяют трансмутировать долгоживущие (тысячи лет) изотопы в короткоживущие, а это, в свою очередь, позволяет их окончательно захоранивать в геологические формации, сохраняя один и тот же уровень радиации в земле (сколько взяли урана и тория, столько вернули после нескольких сотен лет). Радиоактивные отходы при такой технологии занимают небольшой объем, для них не потребуются большие территории и подземные объемы. Поскольку упомянутые реакторы сами для себя производят ядерное топливо (из урана-238 – плутоний-239), то нет накопления отработавшего ядерного топлива, образуется замкнутый топливный цикл.
Стопроцентно безопасная АЭС
Безусловно и то, что в будущем все больше внимания будет уделяться безопасности атомных электростанций. Ведь любое ЧП на АЭС порождает в обществе панические настроения (хотя, на деле, от радиации за все время эксплуатации атомных электростанций пострадало меньше людей, чем от фобий, связанных с радиацией). Так что АЭС будущего станут максимально безопасными.
Ученые вот уже много лет ведут разработки ядерных реакторов с так называемой естественной безопасностью. Что это означает? На таких реакторах принципиально не могут происходить тяжелые аварии, защита от них базируется только на законах физики. Даже если все стержни регулирования мощности и аварийной защиты будут извлечены, разрушения топлива не произойдет. Для этого в таком реакторе будет использоваться тяжелый металлический теплоноситель (свинец или свинец-висмут). Такой теплоноситель не горит и не может вытекать в больших количествах из активной зоны.
Кроме того, по мнению специалистов, на АЭС будущего начнет применяться плотное ядерное топливо и равновесное количество делящихся элементов (сколько делится и выделяет энергию, столько же вновь образуется). Это исключит возможность разгона реактора на мгновенных нейтронах (что произошло на Чернобыльской АЭС). В топливном цикле реактора не будет лишних делящихся элементов, которые можно было бы изъять без того, чтобы реактор встал, нет необходимости обогащать уран. Кроме того, ядерное топливо в замкнутом топливном цикле станут смешивать с высокорадиоактивными элементами, поэтому проблема хищения делящихся материалов перестанет существовать.
Работа над созданием таких реакторов и их топливного цикла уже активно ведется. К 2020 году должен заработать первый опытный реактор БРЕСТ-300, проектируется реактор СВБР-100, ведутся испытания плотного топлива и технологий переработки. Энергокомплексы на основе подобных реакторов и пристанционного топливного цикла можно будет свободно продавать в неядерные страны, не опасаясь хищения радиоактивных материалов для создания ядерного оружия. Эксперты считают, что переход атомной энергетики на реакторы естественной безопасности произойдет эволюционно, начиная с 2025‑2030 годов.
АЭС в коробке
Надо также сказать, что такие атомные электростанции, которые можно будет продавать в другие страны, наверняка станут модульными. Хотя в настоящее время действующих пилотных проектов модульных атомных станций малой и средней мощности (АСМСМ) не существует, все специалисты утверждают, что их появление – не за горами.
Уже сейчас проектные проработки АСМСМ показывают высокие показатели безопасности и надежности. Их работа не зависит от внешних природных условий, они позволяют стабильно обеспечивать потребителей энергией. Такие станции до 100 МВт электрической мощности очень помогут региональной энергетике.
Термоядерная энергетика будущего
Однако все, о чем мы писали выше, является лишь развитием старых идей, доведением их до совершенства. По-настоящему новым словом в развитии атомной энергетики станет создание действующего термоядерного реактора.
В чем основные преимущества ядерного синтеза? Прежде всего, в экономичности. Термоядерная реакция может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт, составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма топлива.
Исходным топливом для термоядерного реактора являются литий и вода. Литий представляет собой обычный металл, широко используемый в бытовых приборах (в батарейках для мобильных телефонов и т. п.). Например, для производства 200 000 кВт-ч электрической энергии (что эквивалентно энергии, содержащейся в 70 тоннах угля) термоядерному реактору потребуется такое количество лития, которое содержится в одной батарейке для компьютера, а количество дейтерия – в 45 литрах воды. Указанная выше величина соответствует современному потреблению электроэнергии (в пересчете на одного человека) в странах ЕС за тридцать лет. Сам факт, что столь ничтожное количество лития может обеспечить выработку такого количества электроэнергии (без выбросов CO2 и без малейшего загрязнения атмосферы), – серьезный аргумент для скорейшего развития термоядерной энергетики.
Дейтерия должно хватить на миллионы лет, а запасы легко добываемого лития вполне достаточны для обеспечения потребностей в течение сотен лет. Даже если запасы лития в горных породах иссякнут, мы сможем добывать его из воды, где он содержится в достаточно высокой концентрации (в сто раз превосходящей концентрацию урана), чтобы его добыча была экономически целесообразной.
Сейчас опытный термоядерный реактор ITER создается консорциумом, в который входят Европейский Союз, Япония, Россия, США, Китай, Южная Корея и Индия. Общая численность населения этих стран составляет около половины всего населения Земли, так что проект можно назвать глобальным ответом на глобальный вызов. Основные компоненты и узлы реактора ITER уже созданы и испытаны, а строительство уже начато в местечке Кадараш (Франция). Запуск реактора запланирован на 2018 год, а получение дейтерий-водородной плазмы – на 2026 год, так как ввод реактора в действие требует длительных и серьезных испытаний для плазмы из водорода и дейтерия.
И если все пройдет удачно, человечество на долгое время сможет забыть о нехватке электроэнергии, а ядерная энергия утвердиться в качестве главного источника электроэнергии на Земле.
Точкой отсчета истории российской атомной промышленности принято считать 1945 год. Именно тогда был создан специальный орган при Государственном комитете обороны СССР, отвечавший за работы по урану. Власти Союза быстро поняли: за атомной промышленностью будущее. В ее развитие тут же начали вкладывать огромные деньги и собирать лучших специалистов страны для работы на секретных проектах.
По мнению американского эколога Майкла Шелленбергера, восприятие атомной энергетики как потенциально опасной связано с тремя убеждениями: возможность утечки ядерных материалов, захоронение отходов и ассоциации с ядерным оружием. Но эти опасения необоснованны.
Во-первых, для жителя крупного города гораздо опаснее загрязнение воздуха от предприятий и углеродных электростанций, тогда как воздействие АЭС на окружающую среду в разы ниже.
Во-вторых, ядерные отходы, которые были получены за всю историю работы атомной отрасли США, где работает крупнейший в мире парк АЭС, можно было бы разместить в герметичных контейнерах высотой шесть метров, занимающих площадь размером с один футбольный стадион, так что их объемы не так велики, как кажется.
В-третьих, ядерные испытания запрещены и строго контролируются во всем мире. И как раз избыточный плутоний, извлеченный из ядерных боеголовок, сегодня перерабатывают для использования в качестве топлива для АЭС.
Вызовы XXI века
В отличие от солнечных и ветряных станций, у АЭС есть весомое преимущество: при сопоставимой мощности они занимают намного меньше места, чем ветропарки или солнечные станции.
Преимущество атомной энергетики — помимо того, что АЭС не выбрасывают СО2, — в большой мощности и длительном сроке эксплуатации. Современные АЭС рассчитаны на работу в течение 60 лет с возможностью продления ресурса еще на 15 лет. Для любого развивающегося региона это очень значимое преимущество
Российские АЭС, используемые вместо угольных или газовых станций, по оценкам, спасают планету от выбросов более 100 миллионов тонн парниковых газов. Это около семи процентов всех выбросов в России. В то же время в мировом масштабе АЭС предотвращают попадание в атмосферу миллиардов тонн парниковых газов.
не попадают в атмосферу благодаря АЭС
Одним из них является вторичное использование отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В настоящее время в мире за весь период работы всех АЭС накопилось около 290 тысяч тонн отработавшего ядерного топлива. Однако объемы накоплений отходов угольных ТЭЦ в разы больше — в России они оцениваются в 1,5 миллиарда тонн и занимают 28 тысяч гектаров территорий. Лишь малая часть этих отходов — менее десяти процентов — используется повторно.
В отличие от угля, урановое топливо не выгорает до конца и может применяться для изготовления нового. Реализация этой технологии позволяет организовать замкнутый цикл использования ядерного топлива. При такой технологии практически отсутствуют отходы, и атомная энергетика будет обеспечена топливом на столетия вперед. Фактически об атоме можно говорить как о возобновляемом источнике энергии.
Замкнутый ядерный топливный цикл позволяет задействовать более 99 процентов урана, тогда как сейчас используется меньше одного процента.
Реакторы на быстрых нейтронах относятся к четвертому поколению АЭС. Пока немногие страны способны освоить эти технологии. Среди преимуществ нового поколения реакторов — меньшее количество отходов и возможность воспроизводства топлива.
Реакторы на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем уже работают на Белоярской АЭС — БН-600 и БН-800, так что переход на четвертое поколение уже состоялся. А первый реактор со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-300 сооружается на площадке Сибирского химкомбината (СХК) в Северске
Однако для внедрения реакторов на быстрых нейтронах требуется доказать их экономическую целесообразность. По словам Першукова, они должны выйти на показатели стоимости электроэнергии ниже, чем у водо-водяных реакторов.
Малый атом
Судно имеет две реакторные установки, способные вырабатывать до 76 мегаватт, — этого достаточно для обеспечения энергией города с населением до 100 тысяч человек.
Реализация еще одного проекта по строительству станции малой мощности, но уже в наземном варианте, должна вскоре начаться в Якутии.
В настоящее время над технологиями АСММ работают не только в России. Аналогичные разработки ведут в США, Канаде и странах Европы, с которыми Россия вступает в конкуренцию за потенциальных заказчиков малых АЭС, имея преимущество в виде уже работающей плавучей АЭС.
Премьер-министр Чехии Андрей Бабиш назвал именно малые АЭС оптимальным решением для строительства атомных мощностей в стране. Власти и бизнес в АСММ по сравнению с крупными АЭС привлекают меньший объем капитальных затрат, более высокая скорость строительства, снижение рисков при строительно-монтажных работах, возможности модульной компоновки и тестирования новых технологий.
У России, уже имеющей готовые решения малых АЭС, в том числе ПАТЭС — уникальный в своем роде проект, есть все шансы завоевать значительную долю мирового рынка АСММ.
Деньги из ветра
Ветряные электростанции можно строить в самых отдаленных уголках страны, без развитой инфраструктуры, что является их неоспоримым преимуществом. Ветроустановки способны работать до 20 лет, практически не требуя обслуживания, — все параметры ВЭС могут контролироваться дистанционно.
Зеленый носитель
Переход к зеленым источникам энергии сделал чрезвычайно важной и разработку накопителей, которые могли бы хранить энергию и отдавать ее в случае необходимости. Например, солнечные панели вырабатывают энергию лишь в дневное время, а пик ее потребления наступает после захода солнца. Ветряные станции тоже зависят от внешних условий, поэтому им требуется накопитель.
Одним из самых перспективных энергоносителей считается водород, который уже называют новой нефтью
Кроме того, что он не наносит вреда окружающей среде и хорош для нужд энергетики тем, что его можно производить при избытке энергии и сжигать при недостатке. Поэтому популярность водорода как зеленого носителя сегодня растет.
Например, в Евросоюзе планируют увеличить производство водорода до 1 миллиона тонн в 2024 году и до 10 миллионов тонн — в 2030-м. На развитие чистого железнодорожного транспорта Евросоюз выделил около 2 миллиардов евро и более 20 миллиардов — на развитие чистого городского.
В России начали разрабатывать методы использования водорода на транспорте. Первые российские поезда на водородных топливных элементах могут появиться на Сахалине. Для опытной партии из семи поездов на острове создадут малотоннажное производство водорода и сеть топливозаправочных комплексов. Партнерами российской стороны в проекте выступят французские компании EDF и Air Liquide.
Вечный атом
Чистый и безграничный источник энергии человечество может получить в том случае, если удастся освоить термоядерный синтез. Международный проект ИТЭР — еще один шаг в этом направлении.
ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor, экспериментальный термоядерный реактор) считается одним из самых сложных научно-технических проектов современности. Идею создания подобной установки предложил еще в 1985 году академик Евгений Велихов. Инициативу СССР поддержали во Франции и США.
Сейчас в проекте участвуют 35 стран, в том числе Россия, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, США и государства Евросоюза. ИТЭР строится с 2010 года в 60 километрах от Марселя во Франции, затраты на него уже в 2017 году превысили 22 миллиарда долларов. Получение первой плазмы на реакторе запланировано на середину 2020-х годов.
Цель проекта ИТЭР — продемонстрировать возможность использования термоядерной реакции в промышленных масштабах и отработать технические решения, которые в будущем позволят создать энергетический термоядерный реактор. Такой реактор в перспективе может дать человечеству практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии.
В качестве топлива для термоядерного реактора используются изотопы водорода дейтерий и тритий. Дейтерий широко распространен в природе — его содержит каждая шеститысячная молекула воды в Мировом океане. Тритий нарабатывается непосредственно в реакторе. Таким образом, для обеспечения топливом будущей промышленной термоядерной электростанции достаточно иметь доступ к морской воде.
Появление и строительство ИТЭР было бы невозможным без России, которая поставляет 25 ключевых высокотехнологичных систем. Созданные Россией для международного термоядерного реактора сверхпроводники и СВЧ-генераторы большой мощности по многим параметрам считаются лучшими в мире.
В число ключевых входит производство девяти систем измерения параметров плазмы, коннекторы, компоненты дивертора и так далее. Россия также работает над материалами и сварными соединениями, которые должны выдерживать мощные тепловые потоки.
Исследования в области термоядерной энергетики в России не ограничиваются участием в международном проекте. В 2021 году правительство России утвердило национальный проект по развитию атомной науки и технологий, в который входит первая за 30 лет целостная программа по управляемому термоядерному синтезу.
В этом году была также запущена первая за последние 20 лет новая российская термоядерная установка — токамак Т-15 МД. К 2030 году в Троицке на базе уже существующего токамака с сильным полем планируют запустить национальный токамак реакторных технологий. Это вместе с Т-15МД создаст мощную экспериментальную базу и обеспечит нашей стране статус одного из мировых лидеров в области управляемого термоядерного синтеза.
При этом технологии термоядерной энергетики обещают найти применение не только на Земле — разрабатываемый в Троицке плазменный ракетный двигатель на базе магнитно-плазменных ускорителей может открыть новые возможности не только на околоземной орбите, но и в освоении дальнего космоса.
Читайте также: