Во времена, когда человечество нуждается во все большем объеме энергии, ядерная энергетика вызывает много вопросов и контроверсий относительно перспектив ее развития. Среди круговорота различных мнений защитников ядерной энергии, конкурентов и противников можно не расслышать розсудительный голос профессионалов. Поэтому редакция веб-сайта Uatom.org создает площадку для дисскусий между експертами-ядерщиками в виде авторских блогов.
Открывает новый раздел блог Николая Штейберга – бывшего главного инженера ЧАЕС, главы Госкомитета Украины по ядерной и радиационной безопасности, заместителя министра энергетики Украины. Его текст – это приглашение специалистов к дисскусии.
Обращаем внимание, что редакция веб-сайта Uatom.org может не разделять позицию авторов в разделе «Блоги». Ответственность за материалы в разделе «Блоги» несут исключительно авторы текстов.
Из данной определенной причины необходимо вытекает действие, и наоборот, если нет определенной причины, то невозможно, чтобы последовало действие. Барух СпинозаНиколай Штейнберг
Прежде чем что-то делать, надо спросить: что делать и зачем делать? Позволим задать его и себе: зачем нам ядерная энергетика, а если нужна, то какая?
Тысячи лет человек жег дрова, потом уголь, потом дошел до нефти и газа. Любознательность довела до ядерной энергии. В августе 1945 года проверили эффективность и… для подавляющего числа жителей планеты уже которое поколение слово «ядерное» связано с колоссальной мощности взрывом (с вытекающими последствиями) и с радиацией, невидимой и «убийственной». Да и мы, энергетики, постарались: Three Mile Island, Чернобыль.
Остановимся пока на двух аспектах: нужна ли ядерная энергетика и почему?
Без энергии жизнь – это не жизнь. В последние 150 лет энергетика мира выросла в 35 (!) раз и прошла три этапа развития, длительность которых уменьшалась – 70, 50 и 30 лет и замедлялся темп роста энергопотребления – (в 4,8, 4,2 и 1,6 раза). Прогнозируется, что расход первичной энергии в мире увеличится на 40% (в среднем на 1,1% ежегодно) до 2040 г., сравнительно с периодом до 2010 года – это втрое меньше среднегодовых приростов ВВП, заметно медленнее роста темпов энергопотребления в последние 30 лет.
Не ожидается радикальных изменений глобальной топливной корзины. Углеводороды будут доминировать – ожидается, что их доля к 2040 г. будет составлять 51-52%. «Сланцевый прорыв» отодвинул угрозу исчерпания ресурсов нефти и газа.
Согласно данным Управления энергетической информации США, в 2007 году в качестве первичных источников энергии использовались: нефть — 36,0 %, уголь — 27,4 %, природный газ — 23,0 %. Доля органического топлива составила 86,4 % от всех источников потребляемой первичной энергии в мире. Доказанные на сегодня запасы органического топлива (в годах добычи в текущем темпе): уголь – 148 лет; нефть – 43 года; природный газ – 61 год.
Растет доля первичной энергии, используемой для производства электроэнергии – 47% к 2040 г. в сравнении с 36% в 2010 г. Важным драйвером спроса на органическое топливо остается транспортный сектор (до 80% от общего объема спроса на нефть к 2040 г). Повышение эффективности транспортных средств — основной фактор сдерживания роста потребления топлива. В среднем в мире мощность автомобилей возросла на 42 % в период с 1990 го 2013 год, а потребление топлива снизилось более, чем на треть (на 37 %).
Рост потребления органического топлива ведет к увеличению эмиссии «зеленых» газов, прежде всего, СО2. Развитым странам, возможно, удастся стабилизировать и даже снизить выбросы СО2, но это не изменит ситуации в глобальном масштабе.
Глобальное потепление — термин, не так давно вошедший в нашу жизнь, означает повышение средней температуры климатической системы Земли. Оно длится уже более века и основной причиной считается человеческая деятельность. Не все с этим согласны, однако, сама проблема от этого никуда не девается, и ее последствия от признания ее наличия или отсутствия, менее серьезными не становятся.
В настоящее время концентрация CO2 в земной атмосфере достигла 0,02—0,045 об. % (250—450 ppm) — максимальная за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 14 или 20 млн лет.
9 мая 1992 года была принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата, суть которой в том, чтобы добиться «стабилизации концентраций парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему». Считается, что необходимо удержать потепление в пределах 1,5°- 2,0°С до конца века. Если больше, то будет плохо.
В развитие Рамочной конвенции ООН об изменении климата 12 декабря 2015 года на конференции в Париже было принято соглашение, регулирующее дальнейшие меры по снижению содержания СО2 в атмосфере, начиная с 2020 года. Лоран Фабиус – министр иностранных дел Франции в того времени, заявил, что этот «амбициозный и сбалансированный» план стал «историческим поворотным пунктом» в борьбе с глобальным потеплением. Увы, не стал, ни поворотным, ни историческим.
Без малого 30 лет человечество толчется вокруг климатических проблем без реального движения к поставленной цели – отсутствие правил и процедур управления процессом привело к несоответствию между политическими заявлениями и реальным положением дел. В декабре 2019 года в Мадриде собрались почти 27000 (!) делегатов, но «набор правил и процедур» выработать так и не смогли. По оценкам, еще возможно уложиться в указанный предел – 2,0°С, если в атмосферу в период с 2020 года и до конца века будет выброшено не более 500 млрд т CO₂. Но мир уже выбрасывает 40 млрд т CO₂ в год. Например, климатическая политика Китая, России и Канады ведёт к потеплению на 5°С к концу столетия, немногим лучше выглядят США и Австралия (более 4°С). Для ЕС этот показатель составляет 3-3,5°С. Расчеты показали, что для того, чтобы уложиться в 2,0°С в мире не должно больше вводиться в строй новых электростанций на органическом топливе. Это реально? И что взамен? Что делать?
Ведь мир нуждается в электроэнергии. Электрификация конечных потребителей (промышленность, сельское хозяйство, транспорт, кондиционирование, бытовая техника, и другие) – ключевой элемент развития. Следует лишь напомнить, что 11% населения мира до сих пор не имеет доступа к электричеству.
Важную роль могут и должны сыграть возобновляемые источники энергии (ВИЭ), прирост мощности которых к 2040 г., как ожидается, составит более 75% к сегодняшнему уровню. Среди ВИЭ наиболее конкурентоспособными являются ГЭС (гидроэлектростанции) и ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции). Хороши геотермальные установки, но регионы их использования весьма ограничены.
Конкурентоспособность ВЭС (ветряные электростанции) и СЭС (солнечные электростанции ) пока обеспечивается государственной поддержкой и, по всей видимости, в ближайшие десятилетия значительная часть технологий ВИЭ будет нуждаться в этой поддержке. Непредсказуемый режим работы ВЭС и СЭС (управлять ветром и солнцем диспетчера энергосистем пока не научились), уже не один раз ставил даже крупные энергосистемы на грань развала. Это прерывистые (нестабильные) источники с мало предсказуемыми графиками производства электроэнергии и эти проблемы скрыть невозможно. Практически повсеместно параллельно с ВЭС и СЭС строятся резервные мощности, затраты на строительство которых, как правило, «растворяются» в государственных бюджетах. Так, конечно, можно конкурировать, но к чему это приведет? И как долго это будет продолжаться?
Проблема теоретически решается созданием экономически и технически приемлемых систем накопления и хранения энергии. Определенный прогресс здесь достигнут, но до решения задачи еще далеко, а потому доля таких ВИЭ, как ВЭС и СЭС не может превышать 30-40% установленной мощности энергосистемы, если нет возможности получить электроэнергии «со стороны».
В 2020 году в мире произведено 26659 ТВт*ч электроэнергии, в т.ч., в Китае – 7166, в США – 4461, в ЕС – 3277, в Индии – 1579. Но около 65% этой электроэнергии поставили электростанции, сжигающие органическое топливо. Предполагалось, что их доля к 2040 году снизится до 48%, но… Последние оценки говорят о другом – доля электроэнергии, произведенной с использованием органического топлива, может еще вырасти на 15-16% к 2040 году. ТЭС значительно продвинулись в повышении теплового КПД, но выбросы… Например, крупнейшая в мире угольная электростанция мощностью 5780 МВт в Тайчжуне (Тайвань) является и крупнейшим в мире источником выбросов СО2 (более 40 × 106 т в год.)
В настоящее время в мире:
75,5% всей электроэнергии производится из невозобновляемых источников энергии: уголь (38,3%), природный газ (23,1%), нефть (3,7%) и ядерная энергия (10,4%);
24,5% электроэнергии производится из ВИЭ, включая гидроэнергию, биомассу, ветер, геотермальную, солнечную и приливную.
В общем, ситуация далека от оптимизма. Для декарбонизации электроэнергетики к 2050 году необходимо, чтобы доля низкоуглеродной генерации в выработке электроэнергии составила не менее 83-85%, а доля угля и газа была снижена до 12-15%. Очевидно, что ВИЭ самостоятельно решить задачу не могут. Где же выход?
Уже более 70 лет в мировой электроэнергетике есть сектор ядерной энергетики (ЯЭ). В глобальном масштабе ЯЭ ежегодно сокращает выбросы СО2 примерно на 2,5 млрд т. Это второй по значению источник производства низкоуглеродной электроэнергии после гидроэнергетики (в 2017 году ЯЭ произвела около 30% всей низкоуглеродной электроэнергии в мире).
В 2018 году АЭС поставили 2710 ТВт*ч электроэнергии, что составляет около 10% общего потребления электроэнергии в мире. Если бы 10% электроэнергии, вырабатываемой сегодня ЯЭ, было бы заменено газом, самым чистым органическом топливом, – в атмосферу было бы выброшено дополнительно 1300 млн т CO2 (эквивалентно эксплуатации дополнительных 250 млн автомобилей).
Расчеты показывают, что без ЯЭ задача декарбонизации не решается. По оценкам Управления энергетической информации США, ВИЭ и природный газ будут самыми быстрорастущими источниками энергии в мире в 2015-2040 годах. ВИЭ будут расти с темпом 2,6-2,8% в год и к 2040 году будут обеспечивать 31% выработки электроэнергии (такая же доля отдается углю). Модели «интеллектуального» и «устойчивого» экономического роста показывают, что низкоуглеродное будущее требует от ЯЭ около 17% выработки электроэнергии (7617 ТВт*час) в 2050-2060 гг (потребная установленная мощность АЭС оценивается в 989 ГВт).
Казалось бы, что ядерная энергетика (ЯЭ) должна «устремиться в гору», поскольку без нее решение задачи «разогрева шарика» чистая утопия. Действительно, борцы с потеплением начинают, иногда достаточно внятно, высказываться за повышение роли ЯЭ. Однако никак не хотят понять, что пока не будут устранены многочисленные дискриминационные меры, нагроможденные за три десятилетия антиядерной политики, ситуация не изменится. Прежде всего, это касается политики на рынках электроэнергии.
Преимуществом ЯЭ является малая зависимость цен на электроэнергию от затрат на топливо, что важно для поддержания стабильных основ для экономического развития. А низкий уровень выбросов CO2 выводит ее в лидеры поставки базовой низкоуглеродной электроэнергии. По совокупности этих показателей ЯЭ конкурентов не имеет.
Согласно МАГАТЭ, мощности ЯЭ увеличится с 392,6 ГВт (2020 г.) до 511 – к 2030 г, 641 ГВт – к 2040 г и 748 ГВт к 2050 г. МАГАТЭ допускает, что в силу дискриминации ЯЭ, сложившейся на мировых рынках, возможно серьезное и длительное снижение доли ЯЭ в мировом производстве электроэнергии. Суммарная мощность АЭС может снизиться до 352 ГВт к 2030 году и до 323 ГВт к 2040 году. Восстановление до 356 ГВт возможно лишь к 2050 году.
Прогноз МАГАТЭ консервативен, но правдоподобен. В предстоящие десятилетия предстоит вывод многих АЭС из эксплуатации, который не будет компенсирован вводом новых мощностей. А это означает, что цели Парижского соглашения достигнуты не будут.
Всемирная ядерная ассоциация (WNA) опубликовала свой прогноз – 930 ГВт ядерных мощностей к 2050 году (17% выработки электроэнергии в мире). Достижение этой цели требует ежегодного ввода 10 ГВт на АЭС уже сегодня, 25 ГВт до 2025 г и 33 ГВт до 2050 г. В середине 1980-х годов вводилось до 31 ГВт в год.
Есть и другие прогнозы, но все говорят об одном – доля ЯЭ в выработке электроэнергии в 2040-2050 гг должна составлять от 17 до 25%. Принципиально ЯЭ может принять этот вызов, но для реализации ее потенциала необходимо:
создание на рынках электроэнергии равных условий для всех видов генерации;
гармонизация нормативно-правового регулирования;
формирование комплексного подхода к безопасности электроэнергетической системы.
Однако, бизнесу не интересно разворачиваться в ЯЭ – они требуют гарантий от всякого рода политико-экономических рисков, а их нет. Поэтому и нет оснований предполагать, что в период до 2040 года доля производство электроэнергии на АЭС в общемировом измерении возрастет, а значит и горячие призывы к борьбе с глобальным потеплением ничего не значат – хорошо знакомая всем нам политическая трескотня.
Но, отвлечемся от экологических и политэкономических вопросов. Что же представляет ЯЭ мира сегодня? Что она может предложить?
Самая большая доля принадлежит реакторам с водой под давлением (PWR) – около 67% от общего количества. Вторая по величине доля реакторных установок – реакторы с кипящей водой (BWR) – около 16% общего количества. Третья группа – тяжеловодные реакторы (PHWR) – около 11%. В течение 10-15 лет, в основном, завершится эксплуатация усовершенствованных реакторов с газовым охлаждением (AGR) и реакторов с графитовым замедлителем и водяным охлаждением (РБМК).
В последние годы введены в эксплуатацию реакторы поколения III+ повышенной безопасности (все, PWR). Россия ввела в эксплуатацию блок ВВЭР-1200. Китай начал эксплуатировать EPR-1660, созданный AREVA (Франция) и AP-1000, созданный Westinghouse (США). В Южной Корее и ОАЭ введены в эксплуатацию блоки APR-1400 (Южная Корея).
Основное направление поколения III+ определилось – PWR. Не исключено увеличение числа BWR. Обе технологии хорошо и давно отработаны, как в строительстве, так и в эксплуатации. Ожидать здесь прорывных технологических решений не стоит. Повышения единичных мощностей также не ожидается – рынок этого не требует. Диапазон мощностей 900-1700 МВт перекрыт и удовлетворяет крупные энергосистемы, которые нуждаются в мощных блоках высокого уровня безопасности базового режима, гарантирующих приемлемые и стабильные цены на электроэнергию в длительной перспективе.
В последние годы малые модульные реакторы (SMR) стали «горячей» темой в дискуссиях, связанных с перспективами ЯЭ. По данным МАГАТЭ, сегодня разрабатывается уже около 70 проектов/концепций SMR. Очевидно, что SMR не заменят мощные ядерные блоки – но у них есть своя «ниша», в частности, электроснабжение и теплоснабжение (также возможно опреснение воды) удаленных населенных пунктов, предприятий металлургической и химической промышленности, военных баз и т.д., а также для внедрения в странах, крайне нуждающихся в устойчивом обеспечении электроэнергией, но не имеющие для этого необходимой экономической и социальной основы. Внедрение SMR в таких странах безусловно внесет заметный вклад в снижение выбросов СО2 и других «зеленых» газов.
Буквально в последние месяцы начал бурно проявляться интерес бизнеса, занятого в тепловой энергетике, к возможности размещения SMR на своих площадках: они прекрасно понимают, что экологические проблемы заставят выводить из эксплуатации угольные и, а затем и газовые блоки.
Характеристики SMR позволяют организовать их комплектную поставку и эксплуатацию операторами развитых стран с последующей передачей в эксплуатацию местным операторам по мере созревания соответствующих условий. Если удастся решить правовые аспекты такого подхода, перспективы ЯЭ станут заметно оптимистичнее. Прорыв здесь возможен, но вряд ли ранее ближайших 5-10 лет.
В апреле 2021 года отмечалось 20-летие программы «Поколение IV» (GEN IV). Этот форум объединяет 13 стран (Аргентина, Австралия, Бразилия, Канада, Китай, Франция, Япония, Южная Корея, Россия, Южная Африка, Швейцария, Великобритания и США) и Евратом. . Программа «Поколение IV» (GEN IV) была инициирована DOE (Министерство энергетики США) в 2000 году и официально стартовала в середине 2001 года, чтобы выполнить исследования для ядерных систем поколения IV, сделать их доступными для промышленного использования.
Программа выросла из планов США перезапустить свою ядерную программу, что привело к признанию ценности глобального подхода к развертыванию новых реакторных технологий. Было отобрано шесть реакторных систем (5 из них с реакторами на быстрых нейтронах) с целями:
достижение уровня безопасности и надежности, исключающих необходимость аварийного реагирования за пределами площадки АЭС;
формирование устойчивой ЯЭ с минимальными отходами;
получение преимуществ в стоимости жизненного цикла в сравнении с другими источниками энергии и снижения уровня финансового риска;
предотвращение распространения ядерного материала.
Системы GEN IV должны охватывать весь топливный цикл, независимо от размеров и типов установок. Именно поэтому внимание GEN IV сосредоточено на реакторах-бридерах и замыкании топливного цикла, поскольку именно это переводит ЯЭ в категорию ВИЭ и обеспечивает длительное энергетическое благополучие человечества.
Франция с 1973 по 2009 год эксплуатировала прототип быстрого реактора «Phénix», главными целями создания и эксплуатации которого были достижение максимально возможного выгорания топлива и замыкание топливного цикла. Обе задачи были успешно решены и в 1997 году Американское ядерное общество внесло «Phénix» в список памятников истории ядерной энергетики.
Не менее значимым стал опыт EBR-II (США), который был основой американской Integral Fast Reactor (IFR) программы, создания интегрированной системы бридер — пирометаллургическая переработка и изготовление топлива в едином комплексе. После демонстрации возможности замыкания топливного цикла реактора-бридера с натриевым теплоносителем, включая переработку топлива, акцент сместился на испытания материалов и топлива (оксидов металлов и керамики, карбидов и нитридов урана и плутония).
На EBR-II было проведено два уникальных испытания, подтвердившие характеристики внутренне присущей безопасности реакторов этого типа. В первом случае на полной мощности были отключены главные циркуляционные насосы при заблокированной аварийной защите (АЗ). Мощность реактора упала до нуля в течение приблизительно пяти минут. Никаких повреждений топлива или реактора не было выявлено. Во втором испытании реактор также работал на полной мощности, но был остановлен расход теплоносителя во втором контуре. Реактор остановился через несколько минут без вмешательства АЗ, операторов и без повреждений. EBR-II также внесен в список памятников истории ядерной энергетики.
Список стран и корпораций, включающихся в программу «бридеры-замыкание топливного цикла» впечатляет. Это говорит о том, что экономика системы «бридер-замкнутый цикл» демонстрирует соблазнительные перспективы, что уже имеющиеся знания и опыт подтверждают возможность достижения практических результатов. Именно на направлении «бридеры-замыкание топливного цикла» в ближайшие 10-20 лет можно ожидать прорывных результатов.
Перспективы ЯЭ сложно оценивать, не касаясь таких проблем, как законодательно – нормативные основы ядерной безопасности, продление сроков службы, обращения с РАО, вывод из эксплуатации, ресурсное обеспечение и т.д. Конечно, и перспективы ЯЭ в Украине ждут своего обсуждения. Но для начала разговора уже представленной информации более, чем достаточно. Разговор всегда можно продолжить, если есть интерес.
https://www.uatom.org/ru/2021/10/06/yadernaya-energetika-vokrug-da-okolo.html
Если Вам понравилась новость поделитесь с друзьями :
| html-cсылка на публикацию |
|
| BB-cсылка на публикацию |
|
| Прямая ссылка на публикацию |
|
