Атомная энергетика сегодня и завтра

Итак, анализ стратегии энергетического производства показывает, что основным реальным кандидатом для базовой энергетики завтрашнего дня являются атомные электростанции. Сегодня АЭС дают в мировую энергосистему почти 16 % всей энергии, но это лишь средняя оценка. В некоторых странах атомная энергетика является основой базовой энергетики, производя более половины энергии. Известным примером наиболее удачной и успешной реализации программы атомной энергетики является ситуация во Франции.

Реализация атомной программы во Франции началась в 1974 г. Теперь в стране эксплуатируется 56 энергоблоков, производящих почти 80% энергии. Вдвое сократился объем выбросов в атмосферу вредоносных окислов азота и серы. По сокращению выбросов углекислого газа Франция занимает первое место в мире. Эксплуатация ядерной энергетики позволяет стране ежедневно экономить около миллиона тонн нефти. В целом за период с 1973 г., когда арабские страны объявили эмбарго на поставку нефти, атомная энергетика позволила отказаться от закупок нефти на сумму в 420 млн. долларов. Потребление нефти для энергетических целей упало с 24 до 9%. Франция теперь практически не использует нефть для производства энергии.

В противоречии со сложившимся общественным мнением, экспертами всего мира ядерные электростанции признаны наиболее безопасными и экологически чистыми по сравнению с прочими традиционными способами производства энергии. Кроме того, уже разработано и устанавливается новое поколение ядерных реакторов, приоритетным для которого является полная безопасность эксплуатации.

Одним из серьезных вопросов, вызывающих беспокойство общественности, является наработка и необходимость хранения долгоживущих ядерных отходов. Оценки экспертов показывают, что при производстве к середине века на АЭС около 50% энергии, ежегодно будет производиться и около 50000 т высоко радиоактивных отходов. Давайте, однако, сравним с сегодняшними тепловыми электростанциями, которые выбрасывают в атмосферу более 50000 т углерода в минуту!

Да, радиоактивные отходы сохраняют активность в течение долгих лет, но эти отходы занимают относительно малые объемы и могут быть надежно локализованы, а наиболее опасные из них нетрудно еще раз переработать, как говорят, “сжечь” в ядерных реакторах. После однократного использования на АЭС ядерного топлива в нем остается около 20 % первоначального количества U²³⁵. Так что повторное использование невыгоревшего ядерного топлива и искусственных делящихся материалов путем переработки уже облученного топлива и его регенерации позволяет наиболее эффективно использовать имеющиеся урановые ресурсы. В этом случае объем образующихся радиоактивных отходов минимален.

Вообще, для ядерных источников характерна компактная форма отходов и отсутствие выбросов продуктов сгорания. Как показывают оценки, суммарная масса ядерных отходов в миллионы раз меньше массы отходов при сжигании органики (пропорционально калорийности топлива). И это несомненное преимущество ядерной энергии.

В процессе работы реакторов изменяется баланс радиоактивных веществ в природе. Одновременно протекают два противоположных процесса: уничтожение радиоактивных ядер, имеющих естественную радиоактивность, и образование новых радиоактивных ядер. С одной стороны, уничтожается уран или другой исходный ядерный элемент, являющиеся родоначальниками цепочки радиоактивных ядер, а с другой стороны, образуются новые радиоактивные ядра: продукты деления и продукты взаимодействия нейтронов с веществом, главным образом, трансурановые изотопы. Результаты исследований баланса радиоактивности приводят к принципиальному выводу: при работе реактора происходит снижение числа суммарных радиоактивных распадов в ядерном топливе, то есть, возникающая радиоактивность не превышает по количеству распадов активность исходных естественных элементов.

Образующиеся продукты деления являются короткоживущими изотопами, по сравнению с ураном и его дочерними продуктами. Их радиоактивные распады происходят в относительно короткий интервал времени. По этой причине радиоактивность (скорость распадов) облученного топлива превышает радиоактивность исходного ядерного сырья на протяжении нескольких тысяч лет. Именно этот вывод лежит в основе решения проблемы безопасности ядерных реакторов и послереакторного топливного цикла: образующаяся радиоактивность должна быть гарантировано локализована в указанном выше временном интервале. Несомненно, такая локализация ядерных отходов и во времени, и в пространстве находится в пределах возможностей человечества.

По мнению российских специалистов никаких проблем с хранением и переработкой ядерных отходов не возникнет, даже если взяться перерабатывать ввозимые ядерные отходы. Наоборот, это позволит более полно использовать мощности страны по переработке отработанного ядерного топлива. Известно, что на сегодняшний день мощности нашей страны по их переработке использованы лишь на треть: в 2000 г. переработка собственных ядерных отходов составила всего 150 т, тогда как Россия может ежегодно перерабатывать около 400 т отработанного ядерного топлива.

Поскольку ядерное топливо не сгорает до конца, возможно его вторичное использование. Одновременно с его подготовкой к повторному использованию из него извлекают различные элементы, необходимые в медицине (рентгеноскопия) и промышленности (сварка). На сегодняшний день по технологиям переработки ядерного топлива с Россией способна конкурировать лишь Франция, на территорию которой уже ввозятся ядерные отходы. Япония только начинает развивать такие технологии, а вот Англия уже строит свой первый завод по переработке ядерного топлива. Что касается США, то они перерабатывают ядерное топливо только для военных целей.

Таким образом, атомная энергетика при нормальной эксплуатации и условии гарантированно безопасного компактного хранения и переработки радиоактивных отходов имеет несомненные экологические преимущества перед конкурентами. Ее влияние на окружающую среду ограничено практически только тепловым воздействием, которое весьма мало. Добавим также и то, что дерное топливо, в сравнении с прочими видами топлива, имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии и практически неисчерпаемые ресурсы. Резервы урана в атомной промышленности могут обеспечить четырехкратное увеличение мощности АЭС.

Эти особенности атомного энергопроизводства открывают принципиально новые возможности и перспективы. Из ограниченных природных запасов топливного сырья в течение тысячелетий удастся получать необходимое количество энергии для удовлетворения энергопотребности человечества при любом прогнозируемом развитии цивилизации. Получится некий замкнутый цикл, при котором воздействие атомной энергетики на окружающую среду будет существенно меньше, чем при использовании традиционных технологий энергопроизводства.

Как говорят эксперты, использование ядерной энергетики позволяет “снизить экологическое давление на окружающую среду, создаваемое сжиганием ископаемых энергоресурсов”. По самым оптимистичным оценкам преобразование солнечной энергии и производство биомассы, вместе с другими возобновляемыми источниками, смогут обеспечить не более 50% будущих потребностей в энергии. Впрочем, можно не согласиться с утверждением о том, что для снижения выбросов СО₂ единственным решением будет замена всех тепловых электростанций ядерными. Как мы говорили выше, сейчас уже разработаны новые экологически чистые технологии сжигания твердого топлива, что, наряду с необходимостью эффективного регулирования пиковых и полупиковых нагрузок, а также с учетом объема топливно-сырьевых ресурсов, позволяет успешно использовать обновленную тепловую энергетику совместно с атомной.

Необходимо сказать также, что общественное мнение населения большинства развитых стран направлено против развития ядерного сектора энергетики, и, как следствие, законодательство вносит чрезмерно сильные ограничения на безопасность ядерных реакторов, снижая их конкурентноспособность. Причины и последствия этой “радиофобии” неоднократно обсуждались, и мы не будем повторяться (см., например, нашу книгу “Радиация, жизнь, разум”). Можно лишь привести еще раз тот факт, что от последствий гигантских выбросов СО₂, диоксидов серы и прочих “мелочей” непрестанно дымящими трубами сегодняшних устаревших ТЭС, ТЭЦ и прочих “печек” ежегодно умирают, к сожалению, тысячи людей. Однако это явление стало настолько привычным, обыденным, что уже никого не пугает. А напрасно. Ведь именно эти выбросы вредных веществ, составляющие миллионы тонн, представляют главную опасность для биосферы Земли.

Специалисты-ядерщики знают, что Россия — одна из немногих стран, в которой ядерные технологии представлены на должном уровне. В одной только Нижегородской области несколько крупных предприятий и исследовательских центров в течение многих десятилетий занимаются разработками для атомной промышленности. По-прежнему, ядерные технологии остаются основой обороноспособности России. Мощный ядерный комплекс, обеспечивающий надежность “ядерного щита” страны, до настоящего времени сохранил свою научную, техническую, промышленную и сырьевую базу. Все это создает условия для вхождения в масштабную ядерную энергетику нового века. Сейчас атомная энергетика, как и любая новая технология национального масштаба, для своего развития особенно нуждается в благоприятном экономическом климате и стремится избавиться от былой замкнутости.

Основные мощности российской атомной энергетики были включены в сеть задолго до имущественного раздела СССР и располагались в районах, далеких от мест добычи органического топлива. Это было сделано для того, чтобы обеспечить дешевой энергией крайне энергоемкие промышленные гиганты в европейской части страны. В последние годы, пока промышленные гиганты стремительно теряли объемы производства, АЭС использовали не более 60% установленной мощности, предпочитая экономить уран за счет неполной нагрузки реакторов. Не было никакого стимула наращивать производство атомной энергии: объемы внутреннего потребления резко упали, а с распадом советской энергосистемы были потеряны экспортные рынки. Теперь, на волне поддержки промышленности, атомная энергетика вновь может оказаться востребованной и, не в последнюю очередь, благодаря своей территориальной инфраструктуре. Экономия органического топлива в любой стране, даже столь богатой ресурсами, как наша, — важнейший компонент системы национальной безопасности. Сжигать газ на тепловых станциях становится все накладнее, а доля газа в производстве электроэнергии в России составляет уже более 60% (в большинстве развитых стран эта доля составляет не более 25 - 30%).

Подсчитано, что в результате замещения газовой энергетики атомной даже при нынешнем энергопотреблении и суммарной мощности российских АЭС можно ежегодно экономить около 25 млрд. кубометров газа, т. е. около 2 млрд. долларов в современных экспортных ценах. Атомные электростанции объективно должны быть крупным источником энергии в районах дорого топлива — на западе и Дальнем Востоке России. К тому же диверсификация позволила бы поддержать рациональную тарифную политику.

Атомная энергия ощутимо дешевле производимой на самых эффективных ТЭС: сегодня тариф на шинах АЭС составляет 19.2 коп. за 1 кВт ч по сравнению с 36.6 коп. на тепловых электростанциях. Кроме того, в результате конверсии российского ядерно-оружейного комплекса АЭС можно обеспечить недорогим топливом на десятки лет вперед. Более дешевой останется только энергия ГЭС, эксплуатируемые мощности которых несравненно ниже. Готов и базовый документ для развития атомной энергетики в ближайшей перспективе — утвержденная Правительством РФ Программа развития атомной энергетики РФ на 1998 - 2005 годы и на период 2010 года. Таким образом, атомная энергетика потенциально обладает всеми необходимыми качествами для постепенного замещения значительной части энергетики на органическом топливе и становления в качестве доминирующей энерготехнологии.

На сегодняшний день единственной отраслью промышленности, сумевшей вернуться на “дореформенный” уровень объемов производства и продолжающей наращивать темпы роста остается атомная энергетика. В 2000 году 9 российских АЭС выработали 130 млрд. кВт ч. электроэнергии, сэкономив 40 млрд. м³ газа (3 млрд. долларов в экспортных ценах). В европейской части страны доля атомной энергии приблизилась к 40%. В 2001 году Минатом обеспечил производство уже почти 140 млрд. кВт ч. электроэнергии. Напомним, что именно рост энергопроизводства лежит в основе всех наших надежд на подъем промышленности и уровня жизни в России.

По надежности и безопасности эксплуатации наши АЭС вышли на второе место в мире, опередив США, Францию, Германию и Англию. За счет средств, заработанных отраслью, продолжается строительство новых станций. В марте 2001 года началась эксплуатация первого энергоблока Волгодонской АЭС мощностью 1000 МВт, что позволяет заметно повысить энерговооруженность предприятий Южного региона.

В 2000 г. правительство России приняло также долгосрочную “Стратегию развития атомной энергетики России в первой половине ХХI века”. В ее рамках были выполнены оценки развития атомных мощностей с учетом вывода из эксплуатации оканчивающих срок службы блоков АЭС и сооружения реакторов нового поколения. В качестве первоочередных мер документ предусматривает достройку законсервированных блоков – “миллионников” на Калининской и Курской АЭС, возобновление строительства мощных энергоблоков нового поколения на Белоярской, Южно-Уральской и других АЭС. В более отдаленной перспективе атомная энергетика возьмет на себя весь прирост производства электроэнергии в Европейской части страны, и к 2030 г. сможет довести свою долю до 33%. Это позволит планомерно заменять выработавшие ресурс блоки ТЭЦ, снимет зависимость российской энергетики от газового топлива. Для экономики страны важно и то, что АЭС способны в избытке поставлять на экспорт дешевое электричество. Разработаны весьма выгодные для страны проекты поставок энергии в Турцию, Китай, Южную Корею. Конечно, эти проекты будут реализованы лишь после обеспечения энергией отечественного производителя и коммунального хозяйства. В ближайшие годы ожидается заметный рост спроса в мире на строительство и эксплуатацию новых атомных станций. Наша атомная энергетика успешно сотрудничает с энергетическими производствами разных стран мира. В 2000 году экспорт продукции ядерного топлива увеличился на 20 %. В 2000 г. Минатом продолжал осуществлять помощь в сооружении, реконструкции и модернизации энергоблоков АЭС в Китае, Иране, Индии, Болгарии, Словакии и Чехии. Положительная динамика экспорта, связанного с сооружением АЭС, обеспечивается прежде всего за счет стран Азиатского региона, где продолжается строительство Тяньваньской АЭС в Китае (2 блока по 1000 МВт) и АЭС “Бушер” в Иране (1 блок на 1000 МВт). Завершается разработка технического проекта АЭС “Куданкулам” в Индии (2 блока по 1000 МВт).

В марте 2000 г. с помощью Минатома был введен в эксплуатацию второй блок АЭС “Моховце” в Словакии (440 МВт). В декабре 2000 г. осуществлен энергетический пуск первого блока АЭС “Темелин” в Чехии (1000 МВт), продолжается сооружение второго блока. Продолжается сотрудничество с Финляндией, Ливией, Сирией, Румынией.

В будущем мало изменится структура ядерно-энергетического комплекса. Добыча и переработка топливного сырья, изготовление топлива, реакторы, переработка отработавшего ядерного топлива, захоронение отходов — все эти элементы будут необходимы для эффективного функционирования атомной энергетики и завтра.

Одним из основных аргументов конкурентоспособности ядерной энергетики в будущем является неограниченность топливных ресурсов, обусловленная возможностью воспроизводства нового ядерного топлива — Pu²³⁹ и U²³³. В настоящее время атомная энергетика не нуждается в расширенном воспроизводстве ядерного топлива, но широкомасштабная ядерная энергетика, претендующая на замену органического топлива, не сможет существовать без воспроизводства и повторного использования ядерного топлива. Замкнутый топливный цикл является обязательным условием крупномасштабной ядерной энергетики. Воспроизводство топлива наиболее эффективно будет осуществляться в быстрых реакторах, а его повторное использование предусматривается как в быстрых реакторах, так и в реакторах на тепловых нейтронах.

Как считают эксперты, в начале века, наряду с традиционными операциями в топливном цикле, будет решена задача использования в реакторах высвобождающихся излишков ядерных оружейных материалов — высокообогащенных урана и плутония. Очевидно, что использование этих материалов обеспечит ядерную энергетику ближайшего периода дополнительными источниками топлива.

Природные ресурсы тория, превышающие ресурсы урана, и его невысокая стоимость создают дополнительные возможности неограниченного по ресурсным соображениям развития атомной энергетики. Проблема вовлечения тория в топливный цикл неоднократно рассматривалась, имея в виду, что его использование позволит расширить топливную базу и облегчит решение проблемы захоронения радиоактивных отходов. В последнее время, наряду с указанными преимуществами тория, изучается возможность его использования в действующих или разрабатываемых реакторах с целью улучшения решения проблемы нераспространения. Такие проработки были выполнены в последние годы применительно к реакторам типа ВВЭР-1000. Изучаются и другие возможности применения тория в реакторах других типов (ВТГР, БН, ЖСР и др.).

Значительные усилия потребуются для решения проблемы обращения и окончательного захоронения радиоактивных отходов. Стратегия замкнутого цикла снизит потребности в добыче исходного топлива. Это облегчит решение проблемы отвалов при добыче и переработке ядерного сырья. Не исключено, что может потребоваться коррекция технологии переработки радиоактивных отходов, которая объединит реакторы и переработку топлива, например, в виде жидко-солевой технологии.

При дальнейшем развитии и увеличении масштабов атомной энергетики неизбежно ее структурирование с учетом технологических возможностей и экономических показателей реакторов различных типов. На структуру влияют различные факторы, набор которых специфичен для каждой страны. В России на структурирование атомной энергетики и отбор перспективных реакторных технологий оказывает влияние неравномерное по стране распределение источников и потребителей ресурсов топлива и структура энергопотребления в коммунальном и промышленном секторе.

Ядерные реакторы в настоящее время используются главным образом для получения электричества. Это положение сохранится и в перспективе. Наряду с этим будет наращиваться использование тепла реакторов для бытового теплоснабжения, опреснения воды, а также для других технологических нужд. Учитывая остроту теплоснабжения и экологическую напряженность крупных городов России, нет оснований сомневаться, что атомные станции теплоснабжения со временем займут ведущие позиции в решении этой проблемы. Широкие возможности в теплоснабжении предоставляют реакторы типа ВТГР, генерирующие высокотемпературное тепло, которое может быть использовано помимо перечисленных направлений и для промышленных высокотемпературных технологий. В перспективе ядерные источники обеспечат производство водорода из воды и, тем самым, будут созданы возможности экологически чистого транспорта на базе атомно-водородной энергетики.

Наличие в России труднодоступных регионов с низкой плотностью населения может сделать оправданным использование автономных ядерных источников малой мощности для тепло - и электроснабжения. Судовая атомная энергетика, которая по сути является истоком реакторов малой атомной энергетики, продемонстрировала свои возможности в экономике России. Развитие судового атомного реакторного строения для транспортных целей, а также для создания плавучих АЭС стимулируется экономическими факторами и будет продолжаться. В настоящее время прорабатывается использование технологий атомного подводного флота для освоения морской добычи нефти и газа. Такие системы могут иметь значение в отдаленном будущем и для морской добычи урана. Кстати, совсем недавно стала известна программа использования судовых атомных реакторов для энергообеспечения в Калиниградской области.

Что же предлагают Калининграду ученые? Мало кто знает, что в СССР были построены сотни судов (в большинстве своем — военных кораблей), оснащенных ядерными установками. Таких энергоисточников было у Советского Союза в десять раз больше, чем общеизвестных стационарных АЭС. И с опытом российских конструкторов, изготовителей судовых ядерных установок не может конкурировать никакое зарубежье. Вот несколько аргументов, которые приводят специалисты, предлагающие использовать закрытые разработки военной техники — атомные морские энергетические установки — на суше. Во-первых, такие установки имеют высокую степень защищенности от технических сбоев, аварий или диверсий. Так они проектировались и создавались. Во-вторых, они могут быть быстро введены в строй. Если обычную “большую” АЭС надо строить лет десять, то здесь на стройплощадку прибывает полностью собранный на заводе-изготовителе модуль, спускается по рельсам в шахту, где и устанавливается. Лет через 40 его извлекают из-под земли и меняют на новый. Вот и все. Не нужно никаких вспомогательных ремонтных подразделений, где обычно трудятся тысячи человек, специалистов и работников обслуживающего персонала требуется всего полторы сотни человек. В-третьих, КПД таких энергоблоков, как утверждают специалисты, чуть ли не выше КПД “больших” АЭС, причем для всех мировых станций. Принято считать, что стоимость производства энергии тем ниже, чем выше мощность станции. Стандартный энергоагрегат, используемый ранее только в военной технике, рассчитан на 250 МВт, что несопоставимо с гигантскими показателями стационарных АЭС, зато на киловатт установленной мощности приходится всего тысяча долларов затрат. Поэтому себестоимость отпускаемого потребителю киловатт-часа не превышает одного цента. Доступной даже для бедняков становится цена горячей воды для теплоснабжения и теплофикации. В-четвертых, загрузка топливом происходит лишь один раз в четыре года. Так что даже если будут перебои в поставке региону газа или нефтепродуктов (а это в наше время происходит почти регулярно), такая модульная АЭС их сгладит. Да и установить можно не один такой энергомодуль. В-пятых, установка такого типа вырабатывает всего около 50 кубометров жидких отходов в год, безопасная процедура утилизации которых хорошо отработана. Твердые же отходы перерабатываются в реакторах типа РБМК, вообще это сырье для производства новых активных элементов, которое имеет высокую коммерческую ценность.

Кстати, глядя в будущее, нужно отметить, что дальнейшее освоение космоса с созданием больших долговременных орбитальных станций, космических технологических комплексов, больших информационных и навигационных систем, реализация экспедиций к планетам Солнечной системы неминуемо потребуют использования ядерных источников, вырабатывающих электроэнергию или тягу, или и то, и другое. Нельзя также исключить возможность размещения мощных ядерных источников в космосе для энергоснабжения Земли.

Предвидя широкомасштабное развитие ядерной энергетики и ее внедрение в различные сферы энергопроизводства, необходимо работать над ядерными реакторами нового поколения, которые лучшим образом соответствуют этим задачам. Не вызывает сомнения, что на ближайшие полтора десятка лет проекты строящихся реакторов будут в максимальной степени использовать технические решения, виды оборудования, которые уже получили подтверждение при эксплуатации, либо являются их усовершенствованным продолжением. Необходимость таких проектов диктуется как внутренними потребностями России, так и выходом на международный рынок. Здесь необходимо подчеркнуть, что тенденции развития мировой атомной энергетики будут характеризоваться значительным расширением географии применения ядерной энергетики: это страны азиатского региона, ближний Восток, Африка, Южная Америка. Все это при стабилизации развития ядерной энергетики в ближайшие годы в промышленно развитых странах делает острой конкурентную борьбу на ядерном рынке. Россия, которая ранее распространяла свое ядерное присутствие в основном благодаря политическим аргументам, ныне должна предпринять существенные усилия для создания конкурентоспособного блока. Это является одним из принципиальных условий сохранения и поддержания ядерного потенциала страны. Определяющими показателями будут безопасность, экономическая привлекательность, надежность партнера.

Проекты действующих АЭС с легководными реакторами подтверждают наличие к настоящему времени технических решений, обеспечивающих в совокупности практическую безопасность АЭС.

Реакторы нового поколения включают как эволюционное развитие существующих реакторных технологий — легководные реакторы типа ВВЭР, их ветвь в виде реакторов интегральной схемы типа ВПБЭР и реакторы типа БН, так и новые разработки, например реакторы типа МГР - ГТ.

Однако, эволюционные проекты могут не дать полного решения проблем атомной энергетики будущего. Поэтому необходимы поисковые исследования и разработка революционных проектов реакторов следующих поколений, которые обеспечивали бы решение проблем широкомасштабной энергетики. Предпочтение при выборе направлений разработок в категории революционных проектов должны иметь предложения, которые могут внести новое качество в решении проблем ядерной энергетики будущего.

Среди революционных решений естественно постоянно видится не только линия использования ядерной энергии деления, но и энергия синтеза ядер. Конечно, термоядерная энергетика является наиболее совершенным способом производства энергии, но сегодня она еще находится в младенческом состоянии. В 1992 году были получены первые 2 мегаватта в нейтронном потоке, в 1993 году — 6 мегаватт, выработанных в течение нескольких секунд. Сегодня международное сообщество (в том числе и Россия) работает над проектом Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР), пуск которого намечен на 2003 год. Лишь к 2010 году предполагается осуществление самоподдерживающейся термоядерной реакции. А создание первой опытной термоядерной электростанции возможно не ранее 20-х годов нового столетия. Так что только после середины века энергетика, в своей основе, может стать термоядерной. Это означает, что, как минимум на ближайшие 50 лет, стратегия выглядит однозначно: прирост базовых мощностей электростанций должен осуществляться за счет строительства АЭС.