|
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА НЕИЗБЕЖНА, ПОТОМУ ЧТО ОНА НУЖНА
МФПУ "Синергия":
Александр Николаевич Медведь, с.н.с., к.т.н.
Наиболее реалистичные сценарии развития глобальной экономики в ХХI веке предполагают рост потребления первичной энергии в 1,5…3 раза к 2050 г. и в 2,5…5 раз к 2100 г. по сравнению с сегодняшним уровнем. Увеличение потребления электроэнергии будет вдвое большим. Основными причинами наращивания потребления энергии являются высокие темпы экономического развития, увеличение численности населения планеты, выравнивание душевого энергопотребления между развитыми и развивающимися странами.
Однако развитие энергетики в ХХI веке сдерживается рядом глобальных экологических проблем, связанных, в том числе, с выбросами парниковых газов и техногенными катастрофами. Энергонасыщенность современных предприятий такова, что авария на одном объекте способна оказать глобальное влияние. Катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС (2009 г.), морской платформе в мексиканском заливе (2010 г.), АЭС Фукусима (2011 г.) демонстрируют глобализацию масштабов техногенных катастроф. Особенно большой общественный резонанс вызывают аварии на объектах атомной энергетики. Многие общественные организации и экологические движения необоснованно "демонизируют" все, что связано с ядерной энергией. Давайте попробуем спокойно и трезво разобраться в роли и месте атомной энергетики в современном мире.
В настоящее время атомная энергетика является одним из основных мировых источников электроэнергии, ее доля составляет 17 % от общего количества вырабатываемой электроэнергии, что примерно соответствует доле производства электроэнергии на АЭС России (16 %). Экологические и экономические преимущества атомной энергетики позволяют ей рассчитывать на хорошие перспективы и в дальнейшем. Такие качества атомной энергетики как конкурентоспособность с энергоблоками на органическом топливе, высвобождение транспортных средств, используемых для перевозки топлива, практическое отсутствие выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, в том числе оксидов углерода, что тесно связано с парниковым эффектом планеты, создают благоприятные условия для ее дальнейшего развития.
К альтернативным вариантам, предлагаемым общественными экологическими организациями для покрытия энергетических нагрузок, в перспективе относят:
- тепловые электростанции на органическом топливе (уголь, газ, мазут);
- гидроэлектростанции средней и малой мощности;
- ветровые электрические станции;
- прочие нетрадиционные энергоисточники (солнечные установки, приливные электростанции, водородная энергетика, топливные элементы и пр.).
Сегодня нетрадиционные энергоисточники вносят вклад в мировую энергетику в размере нескольких процентов и пока не могут рассматриваться в качестве базовых, прежде всего потому, что большинство из них они являются низкоконцентрированными.
Альтернативные варианты энергоисточников можно сравнивать по следующим важнейшим факторам:
- технико-экономическим (себестоимость отпускаемой электроэнергии),
- экологическим (воздействие на окружающую среду);
- потенциальным последствиям аварии.
Технико-экономические факторы
Сравнение полной стоимости производства электроэнергии с учетом внешних и социальных затрат сравниваемых технологий энергопроизводства, включая экологические эффекты для топливной цепочки, иллюстрируются материалами.
Оценка ресурсной базы тепловых электростанций показывает следующую картину.
Уголь. Доказанные мировые запасы угля составляют 900 млрд т. При существующем уровне добычи человечество обеспечено углем на 160 лет. Основные запасы угля сосредоточены в трех странах: США (27%), Россия (17%), Китай (13%). Ожидается, что разведанные запасы угля будут увеличиваться. Сегодня сжигание угля обеспечивает 25% суммарного мирового энергопотребления. Ожидается, что к 2030 году этот показатель будет составлять 50%. Примерно 60% потребляемого угля сжигается на тепловых электростанциях.
Использование традиционных технологий энергетического использования угля сегодня неприемлемо из-за высокого уровня выброса парниковых газов. Требуется развитие инновационных технологий сжигания, которые в ближайшей перспективе обеспечат существенное сокращения выбросов углекислого газа. Самая многообещающая технология - газификация угля с превращением его в синтетический газ. В мире уже сейчас используются около 50 ГВт установленных коммерческих мощностей по газификации.
Еще одна проблема угольной энергетики - несогласованность географии ресурсов и потребления. Уже сейчас в России объемы перевозок угля магистральным железнодорожным транспортом составляет около четверти общего объема перевозок. Эта проблема решается, в основном, благодаря бюджетной поддержке государства.
Нефть. Доказанные запасы нефти составляют порядка 200 млрд т., причем к 2006 году добыто уже около 152 млрд т. Благодаря использованию нефти выполняется 95% всех транспортных функций на планете, что определяет особую ее роль в жизни современного общества. Тенденции использования нефти состоят в ее исчерпании как дешевого и доступного энергоресурса.
Газ. Природный газ является основным экспортным ресурсом нашей страны. Распределение его внутри Российской Федерации ориентировано преимущественно на квалифицированных потребителей (химические технологии, жилищно-коммунальные нужды), электростанции приоритета не имеют. Более того, цель на перспективу - снижение удельной доли потребления природного газа электростанциями по сравнению с углем.
Ветер. Ветроэнергетические установки также имеют определенные достоинства, но по совокупности технических и географических факторов эта перспектива может оцениваться как умеренная.
Вода. Гидроэнергетические станции обеспечивают самую низкую себестоимость электроэнергии среди всех производителей. Более 90% еще не используемых дешевых ресурсов гидроэнергетики сосредоточено в развивающихся странах. Потенциал России также достаточно велик. Однако экологические и социальные проблемы, связанные с затоплением территорий и засорением рек, географическая удаленность мест генерации от мест потребления существенно тормозят развитие этого энергетического источника.
Ядерная энергия. Ядерная энергетика обладает характерными чертами энергетики с возобновляемыми ресурсами, однако при использовании современных технологий ее ресурсы конечны. В публикациях 2010 г. сообщается о разведанных запасах урана (ископаемого топлива для современных АЭС), оцениваемых в 16,7 млн т. С 1945 г. мировой объем производства урана составил 2,2 млн т. С конца 1980-х годов подтвержденные урановые запасы растут, при этом ведущие страны-производители урана существенно увеличивают расходы на поиск новых ресурсов и развертывание новых производств.
Сегодня истощение запасов урана пока еще не стало значимым фактором для атомной энергетики. Однако расчеты показывают, что при использовании современных технологий (так называемого открытого топливного цикла) топливных ресурсов хватит не более чем на столетие. Решением этой проблемы должно стать создание технологии замкнутого топливного цикла. Одновременно будет решаться и другая проблема АЭС, связанная с захоронением отработанного ядерного топлива. В настоящее время исследования, направленные на создание замкнутого ядерного топливного цикла, введутся в ряде государств. Результаты обнадеживающие. В ближайшие 10-20 лет ожидается создание первых опытных блоков, использующих такие технологии.
Очень важным фактором для сравнения ядерного и альтернативных вариантов покрытия перспективных электрических нагрузок является фактор надежности гарантированного отпуска электроэнергии. Он связан с величиной коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) энергоисточника. КИУМ есть отношение фактической энерговыработки реакторной установки за период эксплуатации к энерговыработке при работе без остановок на номинальной мощности. КИУМ характеризует надежность реакторной установки не только в отношении полных, но и частичных отказов, которые не приводят к ее остановке, а требуют только снижения мощности.
Проектный КИУМ АЭС составляет не менее 90%. КИУМ ТЭС на газе, угле, мазуте приближается к этому значению, но уступает соответствующему показателю АЭС. Дело в том, что для АЭС из-за их технологических особенностей наиболее предпочтительным является глубоко базовый режим работы с постоянной мощностью. При этом в комплексной энергетической системе на ТЭС ложится задача покрытия переменной части графика нагрузок. Отказ от АЭС привел бы к повышению среднего КИУМ для ТЭС, что уменьшило бы "запас прочности" всей системы.
КИУМ ГЭС составляет приблизительно 50%, а КИУМ ветроустановок и солнечных энергоисточников заметно меньше этой величины. Таким образом, чтобы сравняться по надежности электроснабжения с конкурентами, источникам с КИУМ, не превышающим 50 %, необходимо иметь резервные источники такой же мощности, как и основные с использованием, очевидно, органического топлива.
Экологические факторы
Сравнительная оценка экологической безопасности АЭС и альтернативных источников от атмосферных выбросов при различных топливных циклах, включая стадии добычи и производства электроэнергии, иллюстрируется материалами.
Из рассмотрения таблицы видно, что ядерный топливный цикл является наиболее щадящим по экологическому воздействию. Сравнение АЭС и ТЭС по экологической безопасности показывает, что один гигаватт установленной мощности АЭС позволяет экономить за год 5,9·106 т угля, или 2,2·106 т мазута, или 2,6·109 м3 газа. При этом предотвращается выброс огромного количества газов, образующихся при сжигании органического топлива, и образование твердых отходов в количестве порядка 8,3·105 т/год (при работе ТЭС на угле).
Однако для АЭС, вследствие более низкого к.п.д. по сравнению с ТЭС, требуется больший расход технической воды для охлаждения конденсаторов турбин. Этим обуславливается повышенное тепловое загрязнение. Этот фактор важен для водных экосистем, а современные АЭС в основном имеют собственные искусственно созданные водохранилища-охладители или охлаждаются градирнями. Нужно сказать, что проблема теплового загрязнения еще не полностью решена. Здесь есть ряд технических мер, позволяющих снизить тепловое загрязнение или использовать его во благо. Можно использовать тепло для отопления (в таком режиме уже сейчас работает часть АЭС), можно отапливать теплицы, разводить рыбу, устриц и т.д.
Несколько слов о радиоактивном фоне нормально работающей АЭС. Тепловая станция за единицу времени выбрасывает в атмосферу больше радиоактивности, чем АЭС той же мощности. Экспериментально установлено, что индивидуальные дозы облучения в районе ТЭС превышают аналогичную дозу вблизи АЭС в 5…10 раз. Допустимые выбросы АЭС в атмосферу, установленные регулирующими органами РФ, обуславливают дозу населения 10 мкЗв в год. Фактические выбросы составляют 1…2% от величины допустимых выбросов, создавая при этом дозы для населения, сопоставимые с колебаниями естественного радиационного фона.
Атомная отрасль России не относится к числу главных источников ни по одному из основных показателей загрязнения окружающей среды. Ее доля в общепромышленных выбросах составляет 0,6%, в сбросе загрязненных сточных вод - 4,6%, в суммарном объеме ежегодно образующихся и накопленных токсичных химических отходов - 1,1%.
Большой проблемой современной АЭС является накопление ядерных отходов на всех этапах ядерного цикла. Ядерные отходы накапливаются в виде жидких, твердых и газообразных веществ с разным уровнем активности и концентрации. Большинство отходов АЭС низкоактивны. "Головной болью" являются высокоактивные отходы. Для их хранения строятся "могильники" - специальные долговременные сооружения, обеспечивающие изоляцию отходов от внешней среды на большой промежуток времени (около 300 лет). По истечении этого времени большинство радиоактивных изотопов попросту исчезнет. Вокруг "могильников" организуется запретная зона с постоянным контролем уровня радиоактивности. Вопросы, связанные с ядерными отходами крайне политизированы.
Надо сказать, что другие источники энергии по объему отходов несопоставимы с ядерными отходами АЭС, а по степени воздействия на природу просто катастрофичны. В случае с гидроэнергетикой площадь отчуждаемых земель для ГЭС намного превосходит площадь АЭС с могильниками.
Кардинальным решением проблемы ядерных отходов, как отмечалось выше, является создание технологий с замкнутым топливным циклом. Это в недалеком будущем. Но и сейчас энергетики создают реакторы, имеющие значительно меньшие объемы отходов (до 40%).
Фактор потенциальной аварии
Аварии на объектах атомной энергетики (особенно крупномасштабные) - самый больной вопрос эксплуатации АЭС. Кратко опишем последствия двух наиболее значимых инцидентов - Чернобыльской аварии (1986 г.) и аварии на АЭС "Фукусима-1" (2011 г.)
Непосредственно после аварии на Чернобыльской АЭС острому радиационному воздействию подверглось свыше 300 человек из персонала станции и пожарных. Из них 237 пострадавшим на основе первоначальных клинических показаний был поставлен диагноз острой лучевой болезни, а окончательный диагноз лучевой болезни был подтвержден у 134 человек. Несмотря на то, что большинство пострадавших было экстренно перевезено в специализированную клиническую больницу в Москве, наиболее тяжело пострадавших (28 человек) спасти не удалось. В последующие годы от лучевой болезни умерли еще 13 человек. Три человека погибли во время аварии от иных причин.
Сразу после аварии к работам в зоне ЧАЭС были привлечены большие контингенты людей. Всего в 1986 г. в работах в зоне ЧАЭС приняло участие около 120 тыс. человек. На некоторых объектах, таких как "Укрытие", в отдельные периоды работа велась в три смены с количеством работающих в смене до 10 тыс. человек. Полноценный дозиметрический контроль участников работ в зоне ЧАЭС сумели наладить только через несколько месяцев после аварии. Однако в последующем был проведен большой объем работ по реконструкции полученных доз.
В результате пятнадцатилетнего наблюдения специалисты констатировали:
- среди ликвидаторов выявлено 145 лейкозов, из которых 50 обусловлены радиационным фактором. Характерно, что на протяжении первых 2,5-3 лет после Чернобыля не наблюдалось увеличения заболеваемости ликвидаторов лейкозами, однако в 1992-1995 годах, т.е. после окончания скрытого периода развития радиогенных лейкозов, было зарегистрировано примерно двойное увеличение частоты заболеваемости ликвидаторов лейкозами над ожидаемым (спонтанным) уровнем;
- после 1995 г. частота вновь выявленной заболеваемости лейкозами среди ликвидаторов постоянно уменьшалась и приблизилась к фоновому уровню;
- у ликвидаторов выявлено незначительное повышение заболеваемости раком щитовидной железы (из 55 выявленных случаев 12 отнесены к воздействию радиационного фактора);
- на основе прямых эпидемиологических методов не удалось однозначно доказать превышение частоты заболеваемости ликвидаторов другими видами онкологических заболеваний над спонтанным уровнем.
Список пострадавших при аварии на атомной электростанции "Фукусима-1" невелик: в момент первого взрыва были ранены четверо сотрудников станции и двое работников подрядных организаций, еще двое сотрудников пропали без вести (их тела были найдены лишь 30 марта 2011 г.). Трое пострадали 12 марта, причем один из них получил дозу радиации, превышающую допустимую, но ниже опасного порога. Еще 11 человек были ранены при взрыве 14 марта, из них госпитализирован лишь один. В последующие дни также были единичные случаи ранений, небольших радиоактивных поражений, а также переутомлений и сердечных приступов в результате напряженной работы в защитных костюмах (один из госпитализированных из-за потери сознания впоследствии скончался).
Рискуя показаться циничными, все же зададимся вопросом: разве эти потери выше, чем их аналоги при крупномасштабных авариях на химических производствах (авария на химическом заводе в Бхопале, Индия - 2 тыс. погибших, более 200 тыс. пострадавших) или объектах энергетики (Саяно-Шушенская ГЭС - 77 погибших)?
Любая энергетическая технология не является абсолютно безопасной. Возобновляемые источники в том числе. Так, в 1959 г. прорыв плотины во Франции унес жизнь 500 человек, в 1963 г. в Италии обрушение горных пород в водохранилище привело к гибели 3 тыс. человек; прорыв двух плотин в китайской провинции Хенань оказался фатальным для 230 тыс. жизней.
Поэтому, как было отмечено на Всемирном энергетическом конгрессе 2004 г., не следует делать "идола" или "демона" ни из одной энергетической технологии.