ГЛАВА 2: Атомная энергетика
2.1. Текущая ситуация в мире в области атомной энергетики
За 50 лет развития ЯЭ сумела занять в мировом балансе энергопроизводства такое же место, как и столетия существующая гидроэнергетика. В конце 20 века остро поставлена проблема окружающей среды и обоснованы преимущества ЯЭ по сравнению с большинством других энерготехнологий в плане ее сбережения. Однако уже в последние годы политический энтузиазм последователей Киотского протокола резко понизился и даже при более убедительных доказательствах опасности парникового эффекта, могут найтись причины убрать из числа приоритетных проблему эмиссии парниковых газов [2-1].
Для ряда стран (как, например, Франция или Япония) отсутствие собственных нефтяных или газовых ресурсов уже является достаточным мотивом сохранения ЯЭ в структуре энергетического баланса. Другие предпочтут этот выбор из-за стремления к диверсификации энергетического сектора или острого приоритета энергетической независимости. Безопасная ЯЭ, нарабатывающая экономически выгодно, например, водород позволит исключить сжигание органики не только в электропроизводстве, но и сохранить ее для более рационального сырьевого использования будущими поколениями, за счет топливозамещения на транспорте и в энергоемкой промышленности, что уже сегодня может быть привлекательно для ряда государств.
Для государств, принявших на себя бремя поддержания равновесия в реалиях мирового устройства, разумно определить и оптимальные условия предоставления преимуществ ядерной энергии странам, остро нуждающимся в развитии энергетического производства. Например, решая проблему нераспространения на первых порах не за счет предоставления максимального доступа к ядерным технологиям, а путем организации ядерными странами энергопроизводства в энергодефицитных регионах. Дотационное на период первоначального развития этих стран, а потому основанное не на коммерческом подходе, а началах международной помощи ускоренному продвижению отсталых регионов к благам мировой цивилизации, использование ядерной энергии могло бы стать решающим фактором стабилизации политической ситуации в известных на сегодня и потенциальных очагах международных конфликтов. Одновременно это отлично вписывается в практикуемые сегодня подходы "проектируй-строй-эксплуатируй" и может стать основным бизнесом государственных или международных корпораций.
Рассматривая ядерную энергетику в качестве орудия развития мировой экономики, необходимо отдавать себе отчет в ее потенциальных возможностях. Базирующаяся на современных реакторах и используемом открытом (без переработки облученного топлива) топливном цикле, ядерная энергетика (рисунок 2.1) исчерпает запасы доступного по разумным ценам урана к концу столетия. Практикующаяся некоторыми странами переработка топлива и повторное использование в тепловых реакторах способны значительно увеличить общую энерговыработку. Удваивается потенциал ядерной энергетики при использовании тория в дополнение к природному урану.
Переход к использованию реакторов на быстрых нейтронах, при замыкании топливного цикла, позволяет ядерной энергетике (рисунок 2.2) принять на себя весь требуемый (по прогнозам WEC) прирост электропроизводства в течение ближайших десятилетий, а затем и вообще снять ограничения по сырьевым ресурсам. Очевидно, что при этом автоматически выполняются требования Киотского протокола и стабилизируются на любом заранее заданном уровне выбросы парниковых газов, связанные с электроэнергетикой.
Таким образом, если рассматривать переход к крупномасштабной ядерной энергетике то, очевидно, что ее основой должны быть реакторы на быстрых нейтронах. Успешное решение задачи управляемого термоядерного синтеза только расширит возможности ядерной энергетики в удовлетворении постоянно растущих мировых энергетических запросов. Обусловленное указанными мотивами развитие ЯЭ, одновременно решает задачу сохранения запасов органических ресурсов для внеэнергетического использования будущими поколениями.
После пессимизма 90-х годов наблюдается тенденции возврата к включению ЯЭ в число приоритетов энергетических стратегий большинства крупных стран (Китай, Индия, Иран, Россия, США, Франция).
Рисунок 2.1. Ориентировочный сценарий роста ядерных мощностей без быстрых реакторов (при потенциальных запасах дешевого урана ~ 10 млн. т)
Рисунок 2.2. Ориентировочный сценарий роста ядерных мощностей, включая быстрые реакторы (при потенциальных запасах дешевого урана ~ 10 млн тонн)
Таким образом, крупномасштабная ЯЭ должна быть основана на конструкциях реакторов и топливных процессах, позволяющих технологически укрепить режим нераспространения.
Быстрые реакторы и замкнутый топливный цикл, при последовательной реализации принципов естественной безопасности, открывают возможность обеспечения экономической конкурентоспособности ядерной энергетики. Необходимая по изложенным выше причинам государственная и международная поддержка новому этапу развития ЯЭ в перспективе не препятствует превращению отрасли в конкурентную на энергетическом рынке, при успешном решении, прежде всего, политических проблем предотвращения расползания ядерного оружия.
Выполненный анализ привел к изложенным выше исходным требованиям к инновационным технологиям реакторов будущего, принципиально отличающимся от требований 60-70-х годов. Эти требования стали основой Стратегии развития ядерной энергетики РФ на первую половину XXI века и позволили Президенту России выступить с Инициативой международного сотрудничества на Саммите тысячелетия ООН в 2000 г. (сентябрь, Нью-Йорк). В этом же году Генеральная конференция МАГАТЭ дала старт международному сотрудничеству ряда стран в рамках так называемой Программы INPRO.
Изменения в политическом отношении к ЯЭ, нашедшие свое отражение в National Energy Policy США, стали базой для консолидации ряда стран в рамках Generation IV International Forum. Выбранные в рамках GIF шесть реакторных концепций соответствуют изложенным выше подходам. Подобная работа уже выполнена в России. На ее базе был выбран и далеко продвинут технический проект реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем.
Последние годы проявили новые подходы и требования к инновационным реакторам и топливному циклу. Постепенно все более широко осознается необходимость развития ядерной энергетики. В этих условиях весьма целесообразно объединение усилий Программ INPRO и GIF и реализация международной кооперации в достижении их общих целей. Опередившая практические надобности успешная реализация программы ITER, представляет собой замечательный пример того, как наиболее эффективно можно решать задачи международного сотрудничества в решении сложных технических проблем.
Дешевое электричество, получаемое при сокращении и последовательном замещении сжигания органики ядерной энергетикой, отвечающей изложенным выше требованиям - привлекательная база перспективного экономического развития, ликвидации гнетущего неравенства региональных уровней жизни и, в конечном счете, основных причин, порождающих политическую напряженность и международные конфликты [2-1].
Прогнозы развития и использования ядерной энергетики в разных регионах мира изменялись со временем от слишком оптимистичных до крайне пессимистических [2-2].
Наиболее высокие темпы роста мощностей ядерной энергетики наблюдались в первой половине 1970-х, когда они составляли в среднем 30 % ежегодно. Но рост начал замедляться уже во второй половине этого же десятилетия по нескольким причинам. Возрастающие требования со стороны защитников окружающей среды приводили к удлинению процедуры лицензирования и иногда к необходимости внесения изменений в проект. Это увеличивало затраты, замедляло возврат вложенных средств и снижало финансовую привлекательность АЭС. Другой причиной, приводившей во многих случаях к увеличению стоимости, была просто неспособность компаний, эксплуатировавших АЭС, поставщиков оборудования, подрядчиков и регулирующих органов справиться с управлением новой сложной технологией. Сочетание инфляции и повышающейся стоимости на энергоносители в 70-х годах прошлого века привело к снижению спроса на электроэнергию, что вызвало падение доходов энергокомпаний, и, одновременно, к увеличению эксплуатационных затрат.
В США к концу 1970-х годов заказы на сооружение новых АЭС прекратились. Наиболее очевидной причиной, усугубившей неблагоприятную обстановку, стала авария на АЭС Тримайл Айленд. Однако в мировом масштабе доля электричества, производимого на АЭС, продолжала увеличиваться, хотя темп роста ядерной энергетики стал замедляться. В 1981 г. доля ядерной энергетики в производстве электроэнергии составляла 9,1 %. В 1987 г. она достигла 16,2 %. Затем доля ядерной энергетики стабилизировалась, поскольку темп ее роста снизился до общего темпа прироста производства электроэнергии.
Затем наблюдался умеренный рост ядерных мощностей в Японии, Республике Корея и нескольких развивающихся странах. Северная Америка, Западная Европа, Россия и Восточная Европа, однако, не вносили вклада в этот рост. Такое положение объясняется тяжелой аварией на Чернобыльской АЭС в 1986 году и отказом от государственного регулирования рынка электричества во многих странах. Чернобыль расширил оппозицию ядерной энергии, особенно в Европе, а отказ от государственного регулирования привел к появлению на свободном рынке избыточных мощностей, росту цен на электричество, снижению доходов энергокомпаний и увеличению риска инвестирования в электростанции. Избыточные мощности снизили спрос на новые станции всех типов. На первый план в оценке инвестиционной привлекательности проектов вышел показатель срока окупаемости, который как раз и является слабым звеном экономики АЭС, поскольку для их сооружения требуются длительные сроки и большие удельные капитальные затраты. Все это в сочетании с низкими ценами на природный газ на протяжении всех 1990-х годов и представлением о природном газе как экологически чистом при сжигании топливе привело к переориентации инвестиций из ядерной энергетики в энергетику на природном газе.
Авария на Чернобыльской АЭС и лишение ядерной энергетики государственной поддержки во многих странах способствовали консолидации в ядерной индустрии, одним из результатов которой стал рост коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) на АЭС и опережающий рост темпов производства ядерной электроэнергии по сравнению с ростом ее установленных мощностей. Авария на Чернобыльской АЭС заставила улучшить организацию и принять дополнительные меры по повышению безопасности АЭС во всем мире, что способствовало росту коэффициента готовности АЭС.
Основной причиной замедления развития ядерной энергетики в этих странах многие эксперты называют сложившееся равновесие между спросом и предложением на электрическую энергию. Кроме этого, либерализация рынка электроэнергии привела к существенному уменьшению эксплуатационных затрат на АЭС, что вместе с постоянным повышением КИУМ приводит к стабильному повышению энерговыработки на АЭС и увеличению их рентабельности. Немаловажным фактором, тормозящим развитие атомной энергетики, является и высокая стоимость затрат при строительстве АЭС.
После продолжительного периода стагнации начало XXI века характеризуются появлением устойчивых положительных тенденций в развитии мировой атомной энергетики. Главной причиной такого поворота является признание обществом значимой роли атомной энергетики для решения мировых энергетических проблем. Другим важным выводом из 50-летней истории развития атомной энергетики следует считать понимание необходимости объединения усилий разных стран для нахождения достойного решения проблем атомной энергетики, прежде всего в области безопасности, нераспространения, воздействия на окружающую среду, конкурентоспособности. В 21 веке ожидается появление самых глобализированных и конкурирующих рынков за всю историю человечества, самый быстрый темп смены технологий и крупнейший рост потребления энергии, особенно в развивающихся странах. Существующие сценарии использования мировой энергии предсказывают, что спрос на энергию в мире в течение последующих 50 лет должен удвоиться. Предсказывается, что потребности в электроэнергии будут расти еще быстрее. На ближайшие несколько десятилетий существует ряд реальных возможностей для энергообеспечения устойчивого развития человечества:
Повышение эффективности производства и использования электроэнергии с использованием традиционных органических энергоносителей;
Расширение областей применения возобновляемых источников энергии, таких как ветровая, солнечная и геотермальная энергия, а также биомасса;
Улавливание выбросов двуокиси углерода на электростанциях, работающих на ископаемом топливе (в частности, угольных);
Увеличение использования атомной энергии.
Удовлетворение повышенного спроса на энергетическое обеспечение неизбежно потребует применения всех доступных возможностей для энергопроизводства, включая ядерную энергетику, которая имеет огромный потенциал, позволяя обеспечить будущую потребность в энергии, не увеличивая при этом выбросы в атмосферу двуокиси углерода и других загрязняющих веществ. Альтернативными вариантами могут служить повышение энергоэффективности, использование возобновляемых источников энергии и энергосбережение.
В рамках международных проектов по атомной энергетике INPRO и Generation IV проанализированы меры, необходимые для сохранения атомной энергетики в качестве серьезной альтернативы снижения выбросов парниковых газов, и удовлетворения возрастающей потребности в электроэнергии. В результате специалисты пришли к мнению, что для успеха широкомасштабного развертывания атомной энергетики необходимо решить четыре ключевые проблемы:
Стоимость. В настоящее время на свободном рынке стоимость энергии, произведенной на атомных станциях, неконкурентоспособна по сравнению с энергией, произведенной из угля и природного газа. Однако эта разница может быть уменьшена за счет разумного снижения капитальных и эксплуатационных затрат, затрат на техобслуживание, а также сокращения времени строительства. Все это можно достигнуть при вводе в эксплуатацию реакторов нового типа (Generation IV).
Безопасность. Атомная энергетика рассматривается обществом как угроза безопасности, окружающей среде и здоровью. Существует обеспокоенность за безопасную и надежную транспортировку ядерных материалов, а также защищенность атомных объектов от нападения террористов.
Отходы. Геологическое размещение радиоактивных отходов технически возможно, однако это должно быть продемонстрировано на практике. В современных замкнутых топливных циклах, включая переработку отработавшего топлива, долгосрочное управление отходами будет иметь преимущества, способные перевесить краткосрочные риски и затраты. Необходимо доказать наглядные преимущества замкнутого топливного цикла.
Нераспространение ядерного оружия. Проблема вызывает все большую озабоченность в мире в связи с терроризмом. Нынешний международный режим гарантий не соответствует проблемам безопасного и расширенного развития атомной энергетики, при ее глобальном характере. Система переработки, в которую входят извлечение и переработка плутония, имеет риск несанкционированного распространения ядерного оружия. Особую озабоченность вызывают топливные циклы, включающие процесс химической переработки отработавшего топлива для выделения оружейного плутония, а также технологии обогащения урана. Эта проблема становится особенно актуальной по мере расширения использования атомной энергии в мире.
Для сохранения атомного варианта в энергетике необходимо решить четыре вышеуказанные проблемы: стоимость, безопасность, распространение ядерного оружия и отходы. Атомная энергетика, построенная на новых принципах, будет способна решить существующие проблемы и стать устойчивым источников энергообеспечения на долгие годы.
Глобальный спрос на электроэнергию в ближайшие 50-100 лет можно будет удовлетворить с помощью реакторов нового IV поколения, которые будут свободны от недостатков своих предшественников и будут обеспечены неисчерпаемыми сырьевыми ресурсами собственной наработки. Произведен отбор шести реакторных концепций, способных удовлетворить поставленным требованиям. Для серийного развертывания будет рекомендована одна или две реакторные системы из шести. Ожидается, что этот выбор произойдет после окончания исследований к 2025 г.
В 2006 г. президентом России утверждена "Программа развития атомной отрасли в России", на основе которой правительство страны приняло федеральную целевую программу "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года". Общая установленная мощность АЭС к 2015 году должна составить более 33 ГВт. Таким образом, Россия и ряд других стран (Франция, Япония, Китай, Индия и др.) сделали выбор в пользу атомной энергетики. Ядерная энергетика будет играть важную роль в удовлетворении мирового энергетического спроса в соответствии с принципами устойчивого развития, то есть удовлетворения потребностей нынешних поколений без угрозы возможностям будущих поколений удовлетворять собственные потребности [2-2].
Согласно докладу МАГАТЭ в 2007 по оптимистическому сценарию установленная мощность АЭС в мире до 2030 года возрастет до 670 ГВт, с учетом действующих энергоблоков, срок эксплуатации которых не истечет к 2030 г. [2-3].
В таблице 2.1 представлены значения установленной электрической мощности АЭС и доли вырабатываемый на АЭС электроэнергии в 2006 году для стран OECD (NEA 2006 Annual Report). Доля 30 энергоблоков АЭС России в выработке электроэнергии составляет около 17%. Доля 15 энергоблоков ВВЭР АЭС Украины в выработке электроэнергии составляет около 50%. В Литве и Армении доля АЭС в выработке электроэнергии составляет около 70%.
В Китае и Индии пока доля АЭС в выработке электроэнергии невелика, однако планы развития ядерной энергетики огромны.
Таблица 2.1 - Установленная электрическая мощность АЭС и доля вырабатываемый на АЭС электроэнергии в 2006 году
|
Количество действующих энергоблоков
АЭС
|
Установленная мощность АЭС, ГВт(э)
|
Потребность урана, т
|
Доля электроэнергии, вырабатываемой АЭС, %
|
Бельгия
|
7
|
5,8
|
880
|
54
|
Канада
|
20
|
12,5
|
1600
|
16
|
Чехия
|
6
|
3,5
|
664
|
32
|
Финляндия
|
4
|
2,7
|
467
|
28
|
Франция
|
59
|
63
|
7184
|
78
|
Германия
|
17
|
20
|
3400
|
27
|
Венгрия
|
4
|
1,8
|
379
|
38
|
Япония
|
55
|
47
|
8352
|
34
|
Мексика
|
2
|
1,4
|
200
|
4,7
|
Нидерланды
|
1
|
0,5
|
65
|
3,7
|
Корея
|
20
|
17
|
3600
|
39
|
Словакия
|
5
|
2,0
|
491
|
58
|
Испания
|
8
|
7,3
|
1726
|
20
|
Швеция
|
10
|
8,9
|
1600
|
45
|
Швейцария
|
5
|
3,2
|
270
|
38
|
Великобритания
|
19
|
11
|
2165
|
19
|
США
|
104
|
100
|
22890
|
19
|
Сумма OECD
|
346
|
308
|
55933
|
23
|
 Рисунок 2.3 - Программы ввода АЭС по отдельным странам
Перспективные планы развития ядерной энергетики России
Структура топливного баланса в электроэнергетике России
Природный газ - 50%
Уголь - 18%
Ядерное топливо - 16%
Гидроэнергетика - 16%
Перспективные планы развития ядерной энергетики России представлены в таблицах 2-2 и 2-3.
Таблица 2.2 - Ввод энергоблоков в эксплуатацию по обязательной/дополнительной программам Генеральной схемы к 2020 году
Установленная мощность АЭС
|
~ 51,6 ГВт / 57,4 ГВт
|
Энерговыработка
|
~ 384 ТВт.ч / 427 ТВт.ч
|
Ввод мощностей
|
~ 32,1 ГВт / + 6,9 ГВт
|
Таблица 2.3 - Целевые показатели ФЦП РАЭПК
Характеристика
|
2006 г.
|
2010 г.
|
2015 г.
|
2020 г.
|
Установленная мощность АЭС, ГВт
|
23,2
|
24,2
|
33,0
|
41,0
|
Выработка электроэнергии, ТВт•час/год
|
154,7
|
170,3
|
224,0
|
300,0
|
Доля АЭС в общем объеме производства электроэнергии, %
|
16,0
|
16,0
|
18,6
|
20-23
|
Снижение эксплуатационных расходов от уровня 2006 г., %
|
100
|
90
|
80
|
70
|
Снижение удельных капиталовложений, %
|
100
|
90
|
85
|
70
|
Рисунок 2.4 - Сценарные варианты развития атомной энергетики России
Рисунок 2.5 - Технологическая схема существующей ядерной энергетики России 23 ГВт(э)
Рисунок 2.6 - Принципиальная схема развития ядерной энергетики до мощности 100 ГВт(э)
Таблица 2.7 - Стратегические исследования развития атомной энергетики в энергосистеме
Цели
|
Содержание работ
|
Разработка долгосрочной стратегии развития
|
моделирование развития АЭ на основе оценки приоритетных направлений инноваций (временные рамки, масштабы, технические требования);
Оценка и прогноз нейтронной эффективности доступного в перспективе топлива;
подготовка предложений по оптимальному переходу на уран-ториевый топливный цикл
|
Рисунок 2.8 - Прогноз электропотребления по России на период до 2020 года
(В скобках даны среднегодовые приросты по вариантам за период 2007 - 2020 годов)
Федеральная целевая программа "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года" предусматривает:
сооружение и ввод в эксплуатацию 8 блоков суммарной мощностью более 8 ГВт;
сооружение 10 энергоблоков АЭС суммарной установленной мощностью более 11 ГВт;
достройку и ввод в эксплуатацию 2 энергоблоков высокой степени готовности;
доведение темпа ввода мощностей АЭС до не менее 2 ГВт в год.
общий объем финансирования - 1,5 трлн. руб.
Проект сооружения Нововоронежской АЭС-2
2 блока с реакторами типа ВВЭР-1200 (с последующим расширением до 4 блоков);
реакторная установка – ВВЭР-1000 (В-392М) тепловой мощностью более 3200 МВт;
установленная электрическая мощность одного энергоблока - более 1150 МВт;
начало сооружения энергоблока №1 - 2007 год, №2 - 2008 год;
ввод в эксплуатацию энергоблока №1 - 2012 год, энергоблока №2 - 2013 год;
общий объем бюджетного финансирования ~ 130 млрд. рублей в ценах 2006 года.
Рисунок 2.9 - График финансирования сооружения Нововоронежской АЭС-2
Рисунок 2.10 - Проектный график движения рабочей силы при сооружении Нововоронежской АЭС-2
2.2. Типы атомных электростанций и их классификация
Атомные электростанции классифицируются по ряду признаков. .АЭС отличаются по типу реакторов - на тепловых нейтронах, на быстрых нейтронах, термоядерные реакторы и субкритические реакторы, использующие внешние источники нейтронов. Современные ядерные энергетические реакторы отличаются также по конструкции реактора – корпусные или канальные, по типу теплоносителя – вода, газ или жидкие металлы.
Реакторы на тепловых нейтронах для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива используют специальные замедлители (графит, лёгкая или тяжёлая вода).
По виду отпускаемой энергии атомные станции разделяются на:
АЭС, предназначенные для выработки только электроэнергии;
Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие электрическую и тепловую энергию;
Атомные станции теплоснабжения (АСТ), вырабатывающие только тепловую энергию.
Наиболее распространены в мире ядерные энергетические реакторы с использованием в качестве теплоносителя и замедлителя легкой воды под давлением – PWR, к которым относятся и российские ядерные энергетические реакторы ВВЭР.
В ряде стран (США, Япония, Швеция и др.) эксплуатируются ядерные энергетические корпусные реакторы с использованием в качестве теплоносителя и замедлителя легкой кипящей воды – ВWR. В Великобритании эксплуатируются ядерные энергетические реакторы с газовым теплоносителем. В Канаде сконструированы канальные реакторы с тяжелой водой - CANDU, которые сооружены и в ряде других стран. В России и Литве эксплуатируются канальные реакторы с графитовым замедлителем типа РБМК.
В России, Франции и Японии накоплен опыт эксплуатации ядерных энергетических реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим натриевым теплоносителем.
Опыт наилучших конструкций ядерных энергетических реакторов послужил основой для эволюционного развития ядерной энергетики в ряде стран.
Результаты научно-технических проработок положены в основу разработки ряда инновационных проектов ядерных энергетических реакторов будущего.
Атомные станции могут быть конденсационными электростанциями (АКЭС) и теплоэлектроцентралями (АТЭЦ). Атомная энергия может использоваться также для целей теплоснабжения - атомные станции промышленного теплоснабжения (АСТП).
|
