Сценарии развития ядерной энергетики России в XXI веке

В XX веке человечество освоило ядерную энергию сначала для использования в военной области, а затем и как новый энергетический источник, адаптированный для применения в мирной ядерной энергетике. Использование ядерной энергии открывает новые возможности раз-вития энергетики без ограничений со стороны ресурсов топлива и позволяет снизить темп загрязнения окружающей среды продуктами горения органического топлива.

Предполагаемые значительные масштабы ядерной энергетики предопределяют необходимость решения сложных проблем в области экономики, безопасности, воспроизводства топлива, радиоактивных отходов и нераспространения ядерного оружия, что в свою очередь определяет текущие задачи развития энергетики.

Решение энергетических про­блем человечества с помощью ядерной энергетики потребует совершенствования и развития ядерного топливного цикла, вовлечения в ядерную энергетику новых видов ядерного топлива, разработки ядерных энергетических установок различных типов и уровней мощности с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах для удовлетворения различных потребительских запросов и решения структурных задач этой энергетики.

Многие необходимые элементы структуры будущей ядерной энергетики получили к настоящему времени достаточный уровень развития. Разработаны и освоены проекты легководных реакторов средней и большой мощности, созданы заделы по реакторам на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем и по высокотемпературным реакторам, имеется опыт создания и эксплуатации жидко-солевых реакторов. Однако мно­гое еще предстоит сделать для создания целостной структуры ядерной энергетики, способной к долговременному и широкомасштабному развитию.

Для крупномасштабной ядер­ной энергетики необходимо по­лучение и использование искус­ственных делящихся изотопов плутония и урана-233, требующих реализации замкнутых топливных циклов. Без воспроизводства и повторного использования ядерного топлива ядерная энергетика лишается перспективы, поскольку ресурсы дешевого урана при ис­пользовании его в тепловых реакторах в энергетическом эквиваленте меньше нефти и газа и меньше угля.

При переходе к устойчивому развитию, наряду с созданием замкнутого топливного цикла ядер­ной энергетики с расширенным воспроизводством топлива, должны быть решены задачи обращения с РАО и разработки проектов реакторов, соответствующих структуре будущей ядерной энергетики и способных удовлетворить разнообразные потребности населения в различных регионах мира. Многокомпонентная структура ядерной энергетики позволяет различным типам реакторов наилучшим образом удовлетворить предъявляемым требованиям: по сферам применения (электричество, тепло, опреснение воды, транспорт, воспроизводство топлива, наработка полезных и транс­мутация опасных изотопов); по уровню мощности (большие, средние и малые автономные энерго-источники); по спектру нейтро­нов (быстрые реакторы, тепловые реакторы, реакторы-пережигатели долгоживущих РАО).

В более отдаленном будущем часть задач по обеспечению общества энергией возьмет на себя термоядерная энергетика.

Потенциальная возможность извлечения из топливного цикла мирной ядерной энергетики ядерных материалов, пригодных для оружейного использования, сохраняет опасность распространения ядерного оружия. Поэтому технологическая схема ядерных энер­гоустановок, предприятий топливного цикла и форма используемого топлива должны разрабатываться с учетом требований нераспространения ядерного оружия. Необходимо кардинальное повышение эффективности системы нераспространения ядерного оружия, которое должно предусматривать организационные и технические мероприятия как в сфере топливного цикла мирной ядерной энергетики, так и в сфере обращения с ядерными материала-ми. Ныне действующая политика гарантий, контроля и ограничений передачи «чувствительных» ядерных технологий неядерным странам не обеспечивает эффективных барьеров на пути нераспространения ядерного оружия.

Создание ядерных энергетических технологий, в полной мере учитывающих уроки полувеко­вого опыта и отвечающих усло­виям большой энергетики, требует активных совместных действий стран, заинтересованных в ядерной энергетике и обладающих не-обходимым для этого научно-техническим потенциалом и опытом. Промышленно развитые страны, заботясь о будущем, должны со­действовать внедрению имеющихся проектов в развивающиеся страны.

Президент Российской Федерации Владимир Путин на Саммите тысячелетия выступил с инициативой по энергетическому обеспечению устойчивого развития человечества, кардинальному решению проблем нераспространения ядерного оружия и экологическому оздоровлению планеты Земля. Инициатива российского президента основана на критическом анализе состояния мировой ядерной энергетики и на одобренной Правительством России «Стратегии развития ядерной энергетики России до середины XXI века». В выступлении президента Рос­сии сделано предложение об организации Международного проекта под эгидой МАГАТЭ, нацеленного на решение ключевых проблем ядерной энергетики. Целью проекта является объединение усилий всех заинтересованных стран для разработки Концепции энергетического обеспечения устойчивого развития человечества, предложенной В. В. Путиным.

Энергетика XXI века.

Завершившийся XX век продемонстрировал возрастающую мощь человеческого разума. Освоение ядерной энергии, выход в космос, развитие электроники и информатики создали исключительные возможности для прогресса человеческого общества.

На фоне этого прогресса особенно заметны проблемы, с которыми человечество входит в XXI век. На смену развитию в условиях неограниченных ресурсов наступает время, когда оценки доступных ресурсов становятся сравнимыми с их потребностями на ограниченном временном интервале, а среда обитания начинает давать сбои в нейтрализации последствий реализации наших потребностей. Особенно это проявляется в сфере производства и потребления энергии.

Тенденции развития энергетики.

Мировое сообщество озабочено неравномерностью производства и потребления энергии в раз-личных регионах мира (рис. 1).

Тенденцией XXI века будет стремление к более равномерному потреблению энергии на душу населения в различных регионах мира. Обычно в прогнозах консервативно предполагается, что к середине XXI века произойдет удвоение производства энергии. В качестве основных конкурирующих первичных энергетических ресурсов энергии в XXI веке фигурируют органическое топливо (уголь, нефть, газ), ядерная и солнечная энергия.

XXI век – век крупномасштабной ядерной энергетики.

Динамика развития и долевое участие каждой энергетической технологии в балансе

мирового производства энергии определяются в основном ресурсами топлива и воздействием на окружающую среду. В конечном счете это сводится к экономической приемлемости того или иного энергетического ресурса.

Энергоресурсы. Сравнение разведанных запасов энергоресурсов органического топлива с величиной потребляемой энергии в XXI веке не вызывает тревоги. Однако истощение запасов нефти и газа уже в XXI веке потребует заметного расширения использования угля.

Оценки запасов ядерного топлива в земной коре и в водах океанов даже при консервативных предположениях о возможном извлечении этих материалов показывают, что использование ядерной энергии в любых масштабах не встретит ресурсных ограничений на обозримый период времени.

Экологические пределы. При производстве энергии в окружающую среду возвращаются отходы и низко потенциальное тепло.

В последние десятилетия отмечается тенденция к глобальному потеплению климата. Оно связывается с парниковым эффектом, обусловленным выбросом газообразных продуктов горения. Это одно из принципиальных ограничений наращивания производства энергии за счет сжигания органического топлива.

Для ядерных источников характерна компактная форма отходов и технически обоснованная возможность концентрации и локализации радиоактивных продуктов сгорания. Суммарная масса ядерных отходов в миллионы раз отличается от массы отходов при сжигании органики. Вместе с тем

потенциальная экологическая опасность использования ядерной энергии связана с образованием радиоактивности. Однако возникающая радиоактивность не превышает по количеству распадов активность исходных сгорающих элементов, а вот количество рас­падов в единицу времени в облученном топливе превышает радио-активность исходного ядерного сырья на протяжении нескольких тысяч лет (рис. 2). Этим определяется проблема безопасности ядерной энергетики: образующаяся короткоживущая радиоактивность должна быть локализована в обозначенном временном интервале.

Динамика энерготехнологий. Информация о вкладе различных энерготехнологий в мировое производство энергии позволяет проследить динамику развития ос­новных энерготехнологий: древесина, уголь, нефть, газ, ядерная энергия (рис. 3).

Практически неограниченные ресурсы ядерного топлива, высокая энергоемкость, компактность отходов, экологическая совместимость, а также наличие апробированных технологий, доказанная экономическая конкурентоспо­собность и техническая безопас­ность делают ядерную энергию фаворитом в обеспечении значительной доли энергопроизводства ко времени очередной смены энергоносителя в XXI веке.

Таким образом, XXI век - это век становления крупно масштабной ядерной энергетики.

Ядерная энергетика России XXI века.

Черты крупномасштабной ядерной энергетики. Прогнозируя значительное развитие ядерной энергетики, необходимо оценить ее реальную роль в энергетике наступившего XXI века. Доля ядерной энергии в про­изводстве энергии может составлять более десяти процентов, а в производстве электрической энергии - несколько десятков процентов. Потребуется осваивать и другие области применения ядерной энергии, такие как бытовое и промышленное теплоснабжение, технологические процессы, транс-порт. Внедрение ядерной энергии на транспорте будет осуществляться в виде ядерных энергетичес­ких установок для морских судов, плавучих станций, а также, возможно, в виде искусственного топлива, которое можно производить, используя ядерную энергию в технологических процессах. Ядерная энергия найдет применение в космосе для получения тяги и электричества.

Неизбежно расширение перечня стран, использующих ядерную энергию. При этом внедрение ядерной энергии в странах и регио­нах, в которых отсутствуют мощные энергетические сети, потребует создания ядерных установок средней и малой мощности.

Условия развития крупномасштабной ядерной энергетики. Особенности крупномасштабной ядерной энергетики, такие как увеличение объемов использования ядерной энергии, расширение областей ее применения, расширение числа стран, использующих ядерные установки, характеризуют качественное изменение и делают необходимым уточнение условий и требований, которые должны быть обязательными для системы и элементов крупномасштабной ядерной энергетики.

Безопасность.

Образующаяся при функционировании ядерной энергетики радиоактивность должна быть надежно локализована в интервале времени, когда ее уровень превышает радиоактивность исходных сырьевых материалов. Надежная локализация радиоактивности - это последовательная реализация концепции глубокоэшелонированной защиты, включающей систему технологических барьеров, ограничивающих распространение радиоактивности, мероприятия по предотвращению аварийных нарушений барьеров и по снижению аварийных последствий.

Крупномасштабная ядерная энергетика требует демонстрации нового, более высокого уровня безопасности, который должен быть воспринят обществом. Это требование в равной степени относится ко всем элементам топливного цикла: атомная станция, реактор, отработавшее ядерное топливо, его хранение, транспортировка, переработка, захоронение.

Современные атомные станции демонстрируют приемлемый уровень безопасности, опираясь на опыт эксплуатации и реализуя дополнительные мероприятия по повышению безопасности с учетом уроков происшедших аварий. Безопасность остальных элементов ядерного топливного цикла, и в первую очередь производств по переработке отработавшего ядерного топлива и по обращению с радиоактивными отходами, обоснована в меньшей степени, что вызывает беспокойство общественности. Требуется приложить серьезные усилия как в области фундаментальных и прикладных ис­следований, так и в области разработок и технологических реализаций, чтобы достичь в этих звеньях эквивалентного уровня безопасности.

Для перспективной ядерной энергетики цель уменьшения исходной опасности атомного объекта (в первую очередь ядерно-энергетической установки) становится центральной, особенно с учетом ее предполагаемого широкого распространения в развивающихся странах. Это достигается путем оптимального выбора его конструкции и наличием необходимого комплекса свойств и характеристик. Поэтому в системе средств и способов обеспечения безопасности на первый план будет выдвигаться максимальное использование и развитие способов внутренней защищенности.

В снижении исходной опасности объекта - основа уменьшения стоимости защитных средств и всей станции и устранения возможности аварий со значительными радиационными последствия-ми (тяжелых аварий). Одним из примеров исследований в этом направлении является программа «Расплав», выполняемая в РНЦ «Курчатовский институт» при поддержке и в содружестве со многими странами OЭCР.

Принципиальной компонентой безопасности является необходимый уровень культуры безопасности в звеньях государственного и технического управления, а также в сфере производства. Расширение круга стран, использующих атомную энергетику, и особенно развивающихся стран, делает эту проблему особенно актуальной.

Воспроизводство ядерного топлива (Pu, 233U). Действующие сегодня реакторы используют в лучшем случае около одного процента добываемого урана. В этих условиях имеющиеся экономически приемлемые запасы урана могут обеспечить топливом ядерную энергетику в ее нынешнем масштабе менее чем на сто лет. Топливная база широкомасштабной ядерной энергетики должна быть основана на воспроизводстве и повторном использовании делящихся ядерных материалов - плуто­ния и урана-233. Поэтому замкнутый топливный цикл является обязательным условием крупно­масштабной ядерной энергетики XXI века.

Гарантии нераспространения. Такие признаки крупномасштабной атомной энергетики, как увеличение объемов, расширение областей применения и круга стран, расширенное воспроизводство и переработка топлива, могут сказаться на риске распространения, и поэтому необходимо выполнить значительный круг работ, направленных на повышение гарантий нераспространения. В1977 г. США, основываясь на приверженности политике нераспространения, приняли решение о прекращении Ра-бот по переработке ОЯТ и по использованию плутония в топлив-ном цикле.

Проведенные в последнее время экспертные оценки сравнительной опасности или риска распространения ядерного оружия при различных исходных ядерных материалах (НОУ, ВОУ, Rupp и Wipe) в зависимости от параметров, характеризующих основные компоненты возможного сценария распространения ядерного оружия (длительность создания, стоимость, скрытность, технологическая безопасность, доступность исходного материала), показывают (табл. 1), что использование плутония в ядерной энергетике не является доминирующим фактором риска распространения. При соблюдении и расширении контроля и защиты ядерных материалов вовлечение плутония в топливный цикл ядерной энергетики не нарушит режим нераспространения.

Проблема распространения ядерных материалов и технологий, учитывая научно-технический про­гресс в области информационных систем, будет требовать постоянного внимания к системе распространения знаний, повышения уровня знаний и к области техноло­гий получения опасных ядерных материалов.

Поэтому должны быть разработаны и внедрены организационные и технические меры, технологические барьеры на пути не-санкционированного распространения делящихся материалов, которые обеспечивают защиту ядерных материалов на уровне риска доступности ядерных материалов из источников естественного происхождения.

Требование снижения риска распространения будет влиять на отбор технологических решений во всех звеньях топливного цикла крупномасштабной ядерной энергетики, направляя их на уменьшение накопления пригодных для оружия ядерных материалов и использование конструктивных схем, затрудняющих выведение ядерных материалов из цикла.

Экономическая конкурентоспо­собность. Решающую роль в выборе того или иного источника энергии в конкретной ситуации будут играть экономические по­казатели. Набор компонент сто­имости производства электричества должен включать не только стоимость непосредственной гене-рации электричества, но и стоимость компенсации воздействия на окружающую среду. При этом важно учитывать воздействие на человека и окружающую среду при нормальных условиях рабо­ты и при возникновении аварийных ситуаций для всего топливного цикла. Среди энергетических источников разного типа только ядерная энергетика способна замкнуть затраты на компенсацию воздействия на окружающую среду. Это обусловлено высокой энергоемкостью ядерного топлива и соответственно компактной формой отходов.

Органические источники энергии не способны к замыканию затрат по выбросу С02. Дополнительная составляющая так называемой «социальной» стоимости, которая учитывает воздействие каждой технологии на человека и окружающую среду, даже без учета воздействия С02, более значима для органического топлива и особенно для угля.

Экономическая конкурентос­пособность ядерной энергии существенно повышается, если учитывать не только стоимость не-посредственной генерации электричества, но и стоимость компенсации воздействия на окружающую среду при производстве энергии («внешняя цена» производства электроэнергии). Таким образом, ядерная энергетика помогает человечеству замедлить рост стоимости энергии при увеличении мирового энергопроизводства.

В силу большой емкости капитальной составляющей и значительного времени окупаемости энергетическое производство относится к разряду естественных монополий, что затрудняет действие рыночных механизмов в этой сфере. Поэтому наряду с экономическими аргументами при выборе той или энергетической технологии необходима политическая воля и настрой общества.

Планы развития ядерной энергетики в ближайшем будущем.

Дата добавления: 2015-05-08