Новая энергетика

Энергетика XXI века: ставка на ядерные технологии

Новости - Современные Российские разработки

По самым осторожным оценкам, в XXI  веке общее энергопотребление на планете удвоится. Мировое сообщество всерьез озабочено проблемой возможного дефицита энергоресурсов и поиском наиболее эффективных источников энергии.

Нефти требуется замена

Ученые отмечают, что, по крайней мере, в ближайшие 30-40 лет углеводородное сырье сохранит за собой статус наиболее востребованного источника энергии. Однако известно, что освоенные месторождения иссякают, а разведка новых требует все больших инвестиционных вложений. Следствием надвигающегося кризиса неизбежно станут изменения в инфраструктуре производства энергии, обусловленные как экономическими (повышение цен на нефть и газ и их изменчивость), так и природоохранными факторами. Экологические последствия использования ископаемого топлива становятся все более угрожающими: атмосферные выбросы ведут не только к деградации окружающей среды и ухудшению здоровья населения, но и к глобальным изменениям, таким, например, как изменение климата.

На недавнем заседании круглого стола в Государственной Думе на тему О законодательном обеспечении инновационного развития атомной энергетики отмечалось, что решением накапливающихся проблем может стать интенсивное развитие ядерной энергетики. Чтобы существенно продвинуться по пути наращивания производства энергии, ослабить парниковый эффект, мировое производство ядерной энергии должно вырасти в 4-5 раз. В свою очередь, ядерные приоритеты порождают ряд новых проблем, таких, как обеспеченность реакторов дешевым сырьем, утилизация отходов, обеспечение технической безопасности.

Динамика мирового энергопотребления и прогноз роста народонаселения позволили международной группе специалистов смоделировать несколько возможных сценариев развития атомной энергетики и ее роли в структуре мирового энергопроизводства. Наиболее корректным можно считать так называемый умеренный сценарий, в соответствии с которым ядерной энергетике отводится в основном роль поставщика электроэнергии. Величины развития ядерной энергетики по этому сценарию соответствуют мощности АЭС 2000 ГВт (45EJ) в 2050 году и 5000 ГВт (140EJ) в 2100 году.

Ядерная энергетика сегодня

В настоящее время в мире действуют 442 ядерных реактора, которые съедают порядка 68 тыс. тонн урана в год. В последнее десятилетие потребности в уране на 40-45% обеспечивались в основном складскими запасами, а объемы годового производства составляют порядка 35-38 тыс. тонн. По оценкам экспертов, за предыдущие 15 лет в мире израсходовано около 250 тыс. тонн складского урана.

Основные мировые производители урана - Канада, Австралия и Казахстан, они дают почти 60% сырья. На них также приходится 70% мировых разведанных запасов относительно дешевого (до 40 долларов за кг) урана. Во всех трех странах реализуются масштабные планы развития производства сырья для обеспечения потребностей атомной энергетики. Доля России на мировом рынке ядерного топлива составляет 17%. В производстве топливного сырья - урана - ее доля вдвое ниже (8,5%).

В целом же мировой рынок испытывает хронический дефицит природного урана, что послужило причиной роста спотовых цен на это сырье в 2004 году более чем в два раза. К 2015 году ожидается полное израсходование добытых запасов урана.

Очевидно, что в более отдаленной перспективе ядерные (в мирном смысле) державы будут вынуждены решать проблему дешевого урана. Дело в том, что использование тепловых реакторов в открытом топливном цикле по умеренному сценарию модели глобальной ядерно-энергетической системы приводит к высокому потреблению природного урана. Так, при мощности системы ядерной энергетики порядка 2000 ГВт к 2050 году годовая добыча урана должна быть доведена до более чем 300 тыс. т, а интегральное потребление урана составит более 10 млн т. При мощности 5000 ГВт к 2100 году - 800 тыс. т (43 млн т). Мощность разделительного производства к 2050 году должна достичь примерно 450 ЕРР в год, а к 2100 году - примерно 1200 млн ЕРР в год. Сокращение в два раза темпов развития (1000 ГВт к 2050 году) позволит реализовать ядерно-энергетическую систему с интегральным потреблением урана до 2100 г. в 17 млн. тонн. Уровень ниже 1000 ГВт к 2050 году бесперспективен, поскольку отводит ядерной энергетике скорее роль страховки для других энергетических технологий.

Пока же сырьевые потребности отечественной ядерной отрасли складываются из потребностей российских АЭС (33%), экспорта высокотехнологичной продукции (28%) и экспорта низкообогащенного урана (39%). Ожидается, что к 2020 году потребности вырастут в 1,2 раза, в основном из-за роста производительности АЭС.

В большинстве развитых стран ядерная энергия главным образом используется для генерации электроэнергии. В России, кроме того, атомная отрасль позволяет экономить для экспорта внушительные объемы органического топлива. Предполагается, что в перспективе ядерная энергия одновременно с наращиванием производства электроэнергии постепенно заменит органическое топливо в обеспечении производственных процессов и, в конце концов, обеспечит производство водорода из воды.

Сегодня почти все энергоблоки и в России, и в мире построены на базе реакторов на тепловых нейтронах с открытым циклом. Фактически они работают по тем же принципам, что и углеводородная энергетика, сжигая конечные запасы природных ресурсов. В данном случае это природный уран. Между тем уже несколько десятков лет ведутся исследования по созданию принципиально нового типа реактора и новых технологий топливного цикла, имеющих конечной целью замыкание топливного цикла за счет воспроизводства энергетического потенциала ядерного топлива в процессе реакции в реакторе. Коэффициент воспроизводства при этом может превышать единицу.

Речь идет о реакторах на быстрых нейтронах и наукоемких технологиях топливного цикла с применением смешанного уран-плутониевого топлива, позволяющих осуществлять неограниченное число циклов его регенерации, а также дающих возможность сжигать в этих реакторах облученное ядерное топливо, накопленное в тепловых реакторах, продукты его регенерации, а также оружейный плутоний.

Две альтернативы

Ученые Российского научного центра Курчатовский институт убеждены, что международному научному сообществу неминуемо придется реализовать возможности ядерной энергии по замыканию топливного цикла и расширенному воспроизводству топлива с использованием в качестве сырья урана и тория.

У этой точки зрения есть немало оппонентов. Скептики согласны, что торий способен расширить топливную базу ядерной энергетики в несколько раз, но для этого нужно создать промышленность по его добыче, производству и переработке. Кроме того, торий как потенциальный топливный ресурс не конкурирует с ураном, а лишь создает дополнительные ресурсные возможности. Основной же аргумент сторонников открытого цикла состоит в том, что запрет на извлечение плутония из отработавшего ядерного топлива и его повторное использование в реакторах якобы решает проблему нераспространения отходов ядерного топлива (ОЯТ). Ресурс ядерного топлива, масштабы накопленных ОЯТ и рециркуляция плутония сторонниками этой точки зрения не рассматриваются.

Приверженцы же замкнутого цикла, в свою очередь, обращают внимание общественности на то обстоятельство, что модель открытого топливного цикла вовсе не решает проблему ОЯТ, а, напротив, усугубляет ее. В качестве иллюстрации приводится следующий аргумент. Американцы построили в Юкка Маунтин мощное хранилище ОЯТ с емкостью приблизительно 70 тыс. тонн. В случае развития американской ядерной энергетики по сценарию открытого цикла к концу века им придется построить еще порядка 50 подобных сооружений. Кроме того, неизбежна необходимость наращивания значительных объемов разделительного производства, что противоречит главному аргументу оппонентов - открытый цикл, дескать, снижает риск распространения ОЯТ.

Замкнутый цикл без расширенного воспроизводства плутония (КВ~1,6)

Замыкание топливного цикла с выделением плутония из тепловых реакторов и начальной его загрузкой в быстрые реакторы без расширенного воспроизводства также не позволяет выйти на требуемые уровни мощности при использовании 14 млн т природного урана. Мощность тепловых реакторов достигнет к 2050 году 1200 ГВт и далее снизится до нуля к 2100 году. Мощность всей системы ядерной энергетики достигнет максимума (2300 ГВт) примерно к 2060 году и снизится до 1600 ГВт к 2100 году (быстрые реакторы вводятся только на плутонии). В конце периода мощность ядерной энергетики начинает медленно расти за счет небольшой избыточной наработки плутония в быстрых реакторах. Максимальная добыча урана (200 тыс. тонн в год) и максимальная мощность разделительного производства в 290 млн ЕРР будут достигнуты к 2040 году.

Замкнутый цикл с расширенным воспроизводством плутония (КВ~1,6)

Введение быстрых реакторов с расширенным воспроизводством плутония позволяет обеспечить поступательное наращивание производства ядерной энергии, не превышая добычи 15 млн т природного урана. Быстрые реакторы с расширенным воспроизводством плутония вводятся с 2040 года. Добыча природного урана в сумме составит 14 млн тонн при максимуме ежегодной добычи 200 тыс. тонн и будет прекращена в 2100 голу. Максимальное разделение (290 млн ЕРР в год) будет достигнуто к 2040 году. Доля быстрых реакторов составит примерно 60% к 2100 году. Количество рециклируемого плутония составит 1500 и 7500 т в год соответственно в 2050 и 2100 годы.

Двухкомпонентная структура ядерно-энергетической системы (тепловые реакторы, удовлетворяющие нужды различных потребителей плюс быстрые реакторы с расширенным воспроизводством для базовой нагрузки), по мнению российских экспертов, обеспечат не только умеренное развитие мировой ядерной энергетики (к 2050 году мощность атомных электростанций достигнет 2000 ГВт, а к 2100-му - 5000 ГВт), но и позволит реализовать агрессивный сценарий, в котором предусматривается дополнительное производство электроэнергии, в том числе с внедрением реакторов малой и средней мощности, а также использование реакторов для производства водорода, технологического и бытового тепла и пресной воды. Дополнительно к приведенным выше мощностям ядерная энергетика в состоянии обеспечить производство электроэнергии в количестве 30EJ в 2050 году и 70 EJ - в 2100 году.

Оценка возможного роста мировой ядерной энергетики, исходя из ресурса 26 млн тонн природного урана с вводом быстрых реакторов с расширенным воспроизведением плутония (КВ~1,6), выглядит следующим образом. Электрическая мощность АЭС к 2100 году составит примерно 10000 ГВт. Доля ядерной энергетики в производстве электроэнергии будет примерно 70% к 2050 г. и 85% - к 2100 г. В этом случае добыча органического топлива для производства электроэнергии практически стабилизируется.

Атомно-водородный аспект

Изучение путей обеспечения потребностей человечества экологически чистыми видами энергии привело ученых к заключению, что кардинальное решение этой глобальной проблемы невозможно без реализации концепции атомно-водородной энергетики, предусматривающей крупномасштабное производство с помощью реакторов не только электроэнергии и тепла, но и водорода с последующим его использованием. При этом практически исключены вредные выбросы в атмосферу.

Атомно-водородная концепция предусматривает активное вторжение ядерной энергетики в такие энергоемкие отрасли, как химия, металлургия, строительство, производство топлива. Сюда же можно отнести централизованное бытовое теплоснабжение с использованием хемотермической передачи энергии. Кроме того, атомно-водородная концепция предусматривает крупномасштабное производство пресной воды.

По мнению ученых-ядерщиков, такая энергетика сохранит нефть и газ для неэнергетических производств и избавит атмосферу от вредных выбросов продуктов сгорания. Кроме того, реализация атомно-водородной концепции будет способствовать снижению риска распространения ядерных отходов, поскольку появится возможность поставлять в развивающиеся страны с неустойчивыми политическими режимами не ядерные материалы, а водород.

В настоящее время мировое крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов осуществляется главным образом путем паровой конверсии природного газа метана. В этом случае около половины исходного сырья расходуется на проведение эндотермического процесса паровой конверсии. Кроме того, сжигание природного газа приводит к загрязнению окружающей среды.

Экономить природный газ и снижать нагрузку на окружающую среду можно, используя технологию паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного гелиевого реактора. Она может также применяться для дальнего теплоснабжения с хемотермической передачей энергии.

Региональная модель: трудности прогноза

Эксперты испытывают известные трудности при оценке региональных перспектив развития ядерной энергетики главным образом из-за политической, экономической и социальной нестабильности во многих развивающихся странах. Пока можно говорить о двух наиболее вероятных вариантах распределения энергетических мощностей в мире в XXI веке. Первый базируется на имеющемся уровне ядерного развития стран и их намерениях и устремлениях (так называемое традиционное направление).

Второй основывается на идее более справедливого мира , в котором ядерная энергетика способствует сокращению разрыва в душевом энергопотреблении между развитыми странами и остальным миром. Исходный тезис - показатели мировой энергетики составляют 45EJ (2050 г.) и 140EJ (2100 г.), а выравнивание душевого энергопотребления происходит исключительно за счет ядерной энергии. При этом предельное удельное электропотребление составляет 4000 кВт.ч на человека.

В настоящее время наблюдается устойчивая интеграция на всех стадиях ядерного топливного цикла, начиная с добычи природного урана. И эта тенденция, по-видимому, сохранится. Такие высокотехнологичные сегменты ядерно-топливного цикла, как обогащение урана, производство ядерного топлива, переработка отходов и изготовление смешанного уран-плутониевого топлива, являются прерогативой сравнительно небольшого числа научно-производственных компаний из довольно узкого, но тем не менее постоянно расширяющегося круга стран. Всего несколько государств в настоящее время способны создать и эксплуатировать полный ядерный топливный цикл. Все это позволяет говорить о реальных предпосылках организации крупномасштабных интернациональных производств по обращению с ядерным топливом.

Первоочередные задачи

Для ядерного топливного цикла характерен положительный баланс между добычей сырья и созданием технологичной и конкурентоспособной продукции. Между тем уже сегодня существует реальная проблема обеспечения ураном АЭС России. В связи с этим к 2010 году необходимо увеличить производство урана в 1,4 раза, а к 2020 году - в 3,4 раза. Только в этом случае российские атомные станции будут в достаточной степени обеспечены сырьем и сохранены экспортные поставки ядерного топлива и низкообогащенного урана на внешний рынок.

Единственной компанией в стране, которая занимается производством ядерного топлива и его компонентов, является корпорация ТВЭЛ - открытое акционерное общество со 100%-ным государственным капиталом. Предприятие разработало долгосрочную программу Уран ТВЭЛ , которая предусматривает к 2010 году на действующих рудниках за счет собственных средств компании увеличить добычу природного урана в 1,4 раза и в 1,7 раза - к 2020 году. После 2010 года на базе новых и резервных урановых месторождений планируется ввести новые рудники.

Однако, как подчеркивалось на заседании секции по атомной энергетике экспертного совета Комитета Госдумы по энергетике, транспорту и связи, освоить новые масштабные месторождения, которые позволили бы полностью ликвидировать дефицит урана, без государственной поддержки ТВЭЛ не сможет. Ситуация с развитием минерально-сырьевой базы урана в целом напряженная. Любая задержка с интенсификацией работ по развитию сырьевой базы урана уже через 7-10 лет может привести к кризисным явлениям как для российской атомной энергетики, так и для всего мирового рынка ядерного топливного цикла.

Чтобы этого не случилось, Институт государства и права РАН рекомендует подготовить проект Федерального закона О государственной поддержке инновационного развития атомной энергетики , определяющий основные направления среднесрочной и долгосрочной политики государства в отношении атомной энергетики России. Такой документ в первую очередь необходим для законодательного обеспечения перевода атомной отрасли на технологии замкнутого цикла.

Важнейшей задачей дня является также создание необходимой нормативной правовой базы для проведения структурной реформы в атомной отрасли. Разработка концепции структурной реформы атомной энергетики и внесение на ее основе соответствующих изменений в действующее законодательство позволят решить задачу оптимизации структуры управления атомной энергетикой и в конечном счете повышения ее инвестиционной привлекательности.

---

Читайте:
ДВС на водороде Первый в мире водородный автомобиль - отечественный Гелиоактивные здания Министерство энергетики поддержало законопроект «Об использовании альтернативных видов моторного топлива» Умные сети – умная энергетика