Меню

Мощность мировой ядерной энергетики

Ядерная энергетика: глобальный взгляд

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции

Ядерная энергетика — передовой фронт более чем в 30 наиболее развитых в промышленном отношении странах. Под эгидой МАГАТЭ многие страны — новички ядерного клуба (newcomers) планируют развитие и использование ядерных технологий, строительство АЭС. Это очень важно, если учесть, что 100 стран в мире импортируют более 50% энергоресурсов, а 40 стран не имеют собственных источников энергии.

Атомная энергетика достигла стабильного состояния: в мире сегодня работают 442 реактора суммарной мощностью примерно 392 ГВт (эл.), 54 блока — на стадии строительства.

Ядерная наука и технологии вносят в большинстве стран мира определяющий вклад в дальнейшее развитие неэнергетических областей экономики, таких как сельское хозяйство и производство продуктов питания, в том числе пресной воды, ядерная медицина (диагностика и лечение) на базе использования ядерных источников и радиоизотопов, наука, техника и промышленность. Так, объем рынка ядерной медицины в США в 5−7 раз превышает объем бизнеса в ядерной энергетике.

В то же время наличие ядерного оружия у пяти великих ядерных держав (США, Россия, Китай, Франция, Великобритания), являющихся основой Совета Безопасности ООН, действие Закона о нераспространении ядерного оружия (Non-­Proliferation Treaty — NPT), работа МАГАТЭ и других международных организаций обеспечивают базис режима мировой ­безопасности.

ЯЭ нужно расти
Энергетическую основу современной цивилизации по-прежнему составляет органическое топливо (нефть, газ, уголь) — более 85% от общего энергетического баланса, до 70% в выработке электроэнергии.

То есть говорить сейчас о выполнении ЯЭ своей фундаментальной задачи (той, о которой говорили пионеры-­основатели Средмаша) — вытеснении органики как базового топлива нашей цивилизации — преждевременно.

Критический анализ развития и использования результатов ядерной науки и техники показывает, что наиболее успешно ядерные технологии были освоены и применены в оборонной сфере. В этом направлении были сконцентрированы основные ресурсы государств, как материальные, финансовые, так и человеческие. Мирное использование ядерной технологии стало практически конверсией результатов развития оборонной технологии. Технология ядерного топливного цикла (ЯТЦ) изначально была направлена на получение «чистого» плутония в ограниченных объемах. Огромный успех был достигнут в развитии промышленного высокого обогащения 235U на базе центрифуг.

Развитие реакторостроения для АЭС определялось требованиями развитого промышленного производства и рынка. Практически оно свелось к эволюционному усовершенствованию АЭС на базе успешной капитализации реакторов первого поколения.

Сегодня развитие реакторной науки остановилось. Основы достижений прошлых лет определялись решением конкретных технологических задач (материаловедение, программные комплексы и т. п.). Придуманные более 60 лет назад промышленные реакторы-­бридеры до сих пор существуют лишь в единичных экземплярах.

Поспешная капитализация ядерной технологии на начальном этапе ее развития привела к «втискиванию» этого принципиально нового источника энергии в прокрустово ложе пароводяного термического цикла. В итоге сегодня термодинамические показатели АЭС остаются на уровне 1960-х годов и являются наиболее низкими в энергетике (

60−65%). Это обуславливает экономические потери новой уникальной технологии создания термоядерного реактора (парадокс: температура плазмы в термоядерном реакторе достигает миллионов градусов при рабочей температуре термодинамического цикла этого реактора

Вывод: ядерная энергетика, реакторная наука остановились на «младенческом» уровне развития. Требуются возрождение творческого духа в реакторной науке и технике, «штучная» подготовка специалистов нового уровня.

Россия: достижения и проблемы
Согласно данным PRIS, в общей сложности на 11 АЭС России эксплуатируются 38 энергоблоков установленной мощностью 28,5 ГВт, из них 21 энергоблок с реакторами типа ВВЭР (три энергоблока ВВЭР‑1200, 13 — ВВЭР‑1000 и пять — ВВЭР‑440 различных модификаций).

Государственная поддержка ядерной отрасли России обеспечила рост доли АЭС в производстве электроэнергии за последние 10 лет с 16% до 19% (в Европейской части России — почти до 40%), в то время как в мире за это же время доля АЭС упала с 16% до 10% от всего объема производимой электроэнергии. Сегодня Росатом — мировой лидер по количеству энергоблоков АЭС в зарубежном портфеле проектов (36 в 12 странах) и по обогащению урана (38% мирового рынка).

Читайте также:  Треугольник мощностей косинус фи

В то же время недостаточно развитая машиностроительная база (производство корпусов, турбин и т. п.) требует участия иностранных фирм (в счет нашего кредита на строительство АЭС).

Кроме обеспечения «атомных строек» материалами, оборудованием, а также финансирования проектов (в том числе с учетом возможностей местной промышленности, банков), предусматривается участие иностранных фирм в поставках оборудования. Также ведется подготовка необходимых специалистов на базе российских вузов и организаций, а также работа с населением на базе создаваемых информационных центров.

Кроме того, топливный дивизион Росатома ТВЭЛ гарантирует обеспечение работы АЭС ядерным топливом, с возвратом ОЯТ в Россию на хранение и последующую переработку. Тем самым российской ядерной отрасли гарантируется рынок производства, обогащения и переработки топлива. Сегодня Россия занимает до 38% мирового рынка обогащения топлива, свыше 15% мирового рынка производства топлива. Тем самым реализуется наш успех в развитии технологии центрифужного обогащения.

Выполнение этих двух рыночных экономических задач обеспечивает решение третьей задачи — формирование политического влияния в стране (регионе) строительства АЭС.

В то же время экспортная ориентация ядерной отрасли России на страны-­newcomers обуславливает застой как в развитии инновационных технологий, так и в системе ядерного энергетического образования в России.

В промышленном масштабе в последние 40 лет реализуется лишь один традиционный тип реакторов — водо-водяные. Реакторы ВВЭР‑440, ВВЭР‑1000, ВВЭР‑1200 представляют единую технологическую линейку. Новые концепции, такие как реактор повышенной безопасности ВПБР‑600, не находят развития.

Экспортная ориентация означает подготовку специалистов из стран-­newcomers для эксплуатации АЭС стандартного типа, т. е. операторов с обязательным знанием инструкций и системы управления. Фактически в рамках стандартных образовательных программ готовятся специалисты по технологиям прошлого века. Разработка и развитие новых технологических решений при таком подходе исключаются.

В отрасли нет стимула для подготовки молодого поколения творческих специалистов-­энтузиастов, которые смогли бы создать и реализовать инновационные реакторные технологии. Аналогичная ситуация складывается в большинстве стран Старого света, породивших ядерную технологию. Практически все направления международного проекта GIF‑4 являются попытками реализации экспериментальных разработок 1960−1970-х годов.

Страны-­newcomers характеризуются низким уровнем знаний и опыта. Необходимо создание системы сбора и передачи нужных знаний и опыта в странах- донорах. В то же время отрасль концентрирует внимание на внутренних кадровых проблемах с упором на управление носителями знаний (кадрами), а не самими знаниями.

Есть и еще одна существенная проблема: по своим термодинамическим показателям современные АЭС находятся на уровне углеводородной энергетики 1960−1970-х годов с КПД 30−35%. При этом вся современная энергетика развивается на закритических параметрах с КПД до 60−65% (например, парогазовый цикл).

Ресурсы — основа энергетической стабильности
Запасы урана для тепловых реакторов PWR, BWR меньше запасов нефти, так как этот тип реакторов использует только около 0,5% энергетических запасов природного урана. Принципиальное решение использования практически неограниченных ресурсов природных урана и тория на базе наработки вторичных «искусственных» делящихся изотопов (плутония и 233 U) в ядерной энергетике известно с 1940-х годов. Необходимо создать реакторы-­бридеры, работающие в замкнутом ядерном топливном цикле (ЗЯТЦ) с наработкой и повторным использованием вторичных делящихся изотопов.

Более 75 лет ведутся разработки и исследования в этом направлении, и в результате сегодня в мире работают только два промышленных энергетических реактора на быстрых нейтронах (БН‑600 и БН‑800, оба в России) из 442 реакторов. При этом работают они в основном на 235 U (как и ВВЭР) и не являются бридерами, поскольку их ядерный топливный цикл (ЯТЦ) не замкнут: выделенный при переработке ОЯТ плутоний повторно в промышленном масштабе не используется. Разработка технологии ЗЯТЦ в ядерной энергетике для мирных целей cтала, как и создание АЭС, конверсией «оружейной» технологии, придуманной для наработки изотопно-­чистого «оружейного» плутония. Там требовались килограммовые количества изотопно-­чистого 239Pu, а ЗЯТЦ должен использовать тонны «энергетического» плутония смешанного изотопного состава, в том числе из ОЯТ водо-водяных реакторов.

Читайте также:  Наличие производственных мощностей описание

Попытка США в 1964—1968 годах разработать и реализовать на базе быстрого реактора EBR‑2 замкнутый безводный ЯТЦ на основе инновационной интеграции быстрых реакторов и технологии пирометаллургии и электрохимии (Integral Fuel Cycle — IFC) оказалась промышленно и рыночно неприемлемой. Впоследствии попытки повторить безводный ЯТЦ применительно к оксидному топливу безуспешно предпринимались в отечественном НИИАРе (Димитровград).

Безопасность — краеугольный камень
Полномасштабное развитие ЯЭ на базе решения перечисленных проблем возможно только при гарантированном обеспечении ядерной и радиационной безопасности АЭС и предприятий ЯТЦ.

Анализ развития ЯЭ показал зависимость конкурентоспособности ЯЭ от реализации перечисленных факторов. Как известно, на начальном этапе развития ЯЭ с использованием оборонной «ядерной» платформы (топливная и промышленная инфраструктура, образование и подготовка кадров) стоимость 1 кВт установленной мощности АЭС с водо-водяными реакторами составляла около $ 200. Современное значение — до $ 4000 за 1 кВт. В чем (кроме инфляции) основная причина такого огромного роста — в 20 раз?

По оценке Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США, только удовлетворение возрастающих требований «инженерной» безопасности привело к ежегодному росту стоимости выработки электроэнергии на АЭС на 10−12%. С учетом дополнительных «пенальти» на ЯЭ, не существующих в традиционной энергетике, рыночная экономика начинает избавляться от этой неконкурентоспособной технологии. Это рационально с точки зрения рынка. Но в действительности практическое использование ядерной энергии начиналось как важнейшая государственная задача (и продолжается в области ядерного вооружения). А ядерная энергетика отпущена в свободное плавание — в рыночных условиях. В результате при числе блоков АЭС менее 500 сохраняется приемлемый риск тяжелых ядерно- радиационных аварий на уровне ЯР

Если ядерной энергетике отводится роль «чистого» источника энергии для решения климатических проблем, то уровень развития ЯЭ в мире, по различным оценкам, должен достичь 5−10 тыс. ГВт (эл.) к 2100 году. Последние оценки представителей ядерных отраслей Старого света показали, что для подготовки к решению этой задачи доля ЯЭ в странах ЕС и США должна составить 20−25%, т. е. к 2050 году надо дополнительно построить не менее 1500 ГВт, учетверив существующие мощности.

На начальном этапе развития мирного использования ЯЭ считалось, что ядерные отходы дают преимущество ЯЭ в силу своей высокой концентрации, ограниченности объема (с возможностью строгого контроля, учета и изоляции) и постепенного радиоактивного распада. Однако присутствие в РАО долгоживущих высокоактивных осколков и актиноидов (в первую очередь, плутония) требует их контролируемого захоронения на сотни тысяч и миллионы лет, что не имеет аналогов в истории человечества.

Только Финляндия и Швеция подошли к реальной конструкции контролируемого хранилища ОЯТ без переработки. До сих пор нет промышленного решения этой проблемы — с переработкой или без, навечно или с возможностью контроля и доступа.

Что касается технологии трансмутации долгоживущих высокоактивных изотопов, то для ее реализации требуются специальные быстрые реакторы с большим избытком нейтронов (так называемые быстрые реакторы-­выжигатели), которые пока существуют только на концептуальном уровне.

Если перечисленные проблемы: ограниченность ресурсов и необходимость разработки реакторов-­бридеров, развитие и реализация технологии ЗЯТЦ, обращение с отходами, обеспечение приемлемого уровня ядерной и радиационной безопасности установок и технологий АЭС и ЗЯТЦ, — по мнению многих экспертов, являются технико-­экономическими, то есть решаемыми при наличии времени, средств и специалистов, то для такой проблемы, как обеспечение ядерного нераспространения, не гарантирована возможность 100% решения.

Читайте также:  Как выбрать электрический кабель по мощности

Известно, что наиболее уязвимы с точки зрения нераспространения технологии обогащения и радиохимии. Переработка ОЯТ в замкнутом ЯТЦ приведет (в рамках рассматриваемой сегодня двухкомпонентной модели развития ЯЭ), дополнительно к существующей технологии обогащения урана, еще к одной «чувствительной» технологии — радиохимической переработке, т. е. выделению из большого количества облученного топлива двух потенциально опасных, с точки зрения нарушения режима нераспространения, материалов: плутония и высокоактивных радиоактивных материалов.

  • Как отмечалось в заявлениях экспертных групп МАГАТЭ и конференций участников Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), долговременное принципиальное решение проблемы ядерного распространения лежит в двух плоскостях:
  • интернациолизация ядерного топливного цикла (создание международных центров ЯТЦ),
  • воспитание нового менталитета как у населения, так и у руководства стран, стремящихся к развитию ядерных технологий.

Выводы
Как писал еще в 1955 году академик П. Л. Капица, нельзя без смены научно-­технического принципа преобразования ядерной энергии в электрическую создать конкурентоспособные новые энергоблоки АЭС.

Достижение полномасштабного уровня развития ЯЭ, способной принять социально-­экономические и экологические вызовы, стоящие перед человечеством, потребует принципиально новой концепции развития ЯЭ и ее ядерного топливного цикла. Не менее серьезная задача для нашего общества — воспитание нового менталитета у вступившего в ядерный век человечества.

Источник



ПРОДУКЦИЯ И УСЛУГИ

Атомная энергетика в мире

Атомная энергетика — важнейшая подотрасль глобальной энергетики, начавшая несколько десятков лет назад вносить заметный вклад в глобальное производство электроэнергии. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой АЭС сегодня, позволяет говорить о серьезной конкуренции с их стороны другим типам электростанций. Явное преимущество АЭС — отсутствие выбросов аэрозолей и парниковых газов в атмосферу.

Около 17% производства электроэнергии в мире принадлежит АЭС. Отрасль также занимает третье место после угольной энергетики и гидроэнергетики. Наибольшее распространение АЭС имеют в США, в эксплуатации страны находится сегодня свыше 100 энергоблоков общей мощностью до 100 ГВт, но лидером в области атомной энергетики в мире является Франция, которая использует 58 энергоблоков, производящих около 75% всей атомной энергии мира. В целом же на сегодняшний день мировая атомная энергетика включает в себя 440 атомных реакторов, которые расположены в 31 стране мира и суммарно производят около 370 ГВт электроэнергии.

Мировым лидером по доле АЭС в национальном производстве электроэнергии является Франция. Атомная энергетика в этой стране развивается планомерно и устойчиво. Здесь эксплуатируются 59 атомных энергоблоков суммарной электрической мощностью около 70 ГВт, которые вырабатывают 78% всей электроэнергии страны. В конце 1997 года во Франции введен в эксплуатацию реакторный энергоблок с водой под давлением (PWR) электрической мощностью 1450 МВт, который относится к третьему поколению реакторных установок повышенной безопасности. В 2007 году начато сооружение нового, третьего по счету энергоблока мощностью 1600 МВт на атомной станции вблизи города Фламанвиль.

В Японии эксплуатируются 55 ядерных энергоблоков, которые производят в стране 34% электрической энергии, и еще один строится. Причем в 1991 году их было 41, то есть за последние годы построено 14 новых энергоблоков. К 2016 году планируется доведение доли «атомного» электричества до 40%. Необходимо отметить, что все АЭС в Японии размещаются на морском побережье в сейсмически активных районах.

В Швеции доля выработки энергии на 10 энергоблоках составляет около 45% в общем национальном производстве электроэнергии.
На территории Германии действуют 17 ядерных энергоблоков, и доля вырабатываемой на АЭС электроэнергии составляет более 30%.

Самый большой в мире парк АЭС принадлежит США. Находящиеся в эксплуатации 103 энергоблока суммарной мощностью почти 100 ГВт обеспечивают производство почти 20% всей электроэнергии страны.

Источник