Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.5. Атомная энергия
За многие десятилетия ядерная энергетика доказала свою эффективность и стала неотъемлемой частью мирового энергетического баланса.
Сегодня в мире насчитывается 450 действующих энергоблоков. Большая часть энергоблоков эксплуатируется в США (100), Франции (58), Японии (43), России (36) и Китае (36).Общая генерирующая мощность АЭС составляет свыше 392 ГВт. По прогнозам, к 2030 году глобальная мощность ядерной энергетики при высоком сценарии возрастет на 88% [2.120].
Работающие ядерные реакторы вносят вклад в глобальное энергоснабжение, способствуют экономическому росту и позволяют избежать эмиссии около 700 миллионов тонн углекислого газа (СО2).
Основные страны, использующие ядерную энергетику(см.рис.2 .87 ) [2.121].
Рис.2.87. Основные страны, использующие ядерную энергетику.
В таблице 2.22 представлены подробные сведения о странах, производящих и использующих ядерную энергию и общее производство электроэнергии на начало 2018 года [2.121].
Таблица 2. 22. Соотношение общей электроэнергии и ядерной по странам,2018
Ниже представлена подробная информация о странах с действующими энергетическими реакторами, строящимися или находящиеся в долгосрочном или постоянном отключении. Слева перечислены страны, по оси Х указано количество реакторов.
Для каждой страны произведен обзор своих ядерных энергетических реакторов и последних доступных данных по производству электроэнергии, а также другие характеристики, включая график и сортировочную таблицу реакторов, которая позволяет более детально характеризовать реактор.
Рис 2.88. Количество реакторов по странам с характеристикой их состояния.
Хотя пик развития атомной энергетики прошёл, максимальная доля электроэнергии, вырабатываемой атомными электростанциями в мировом производстве электричества (17,5%) была достигнута в 1996. году. С тех пор эта доля снижалась, и сегодня составляет всего 10,5%. Абсолютный пик годовой выработки (2660 ТВт.ч.) был достигнут 2006 году, в 2016 было произведено меньше — 2476 ТВт.ч. [2.122].
"Большая пятёрка" - США, Франция, Китай, Россия и Южная Корея -ырабатывает 70% мирового атомного электричества. При этом на долю США и Франции суммарно приходится 48%.
Динамика развития ядерной энергетики на конец 2017 года выглядит следующим образом: 4 новых реактора введено(на 12 меньше запланированных), 3 остановлено, 4 начато строительство. Ряд крупных фирм(например,Westinghouse) испытывает значительное финансовое и экономическое давление в ядерной области. Пять новых реакторов временно остановлены, а 3 были перезапущены. В глобальном масштабе эксплуатируется 405 реакторов (1 меньше, чем год назад), 52- в стадии строительства (3 меньше) [2.123].
Общая картина состояния ядерных реакторов за период их существования с1954 по 2017 год представлена на рис.2.89. За этот период всего было построено 613 реакторов и выведено из эксплуатации 172.Сведения представлены по всем странам мира и отдельно по Китаю.
Рис. 2.89. Состояние ядерных реакторов в мире с 1954 года.
По состоянию на середину 2017 года, 31 странах работают атомные реакторы, которые выработали 2,476 тераватт -часов (Твтч.) электроэнергии, т.е. рост составил по отношению к в 2016 году 1,4%. Это всё же все же меньше, чем в 2000 году, на 6,9% ниже исторического максимума выработки электроэнергии на АЭС в 2006 году (см. рис. 2.89). Тем не менее, производство ядерной электроэнергии во всем мире, после падения на 264 Твтч. (10%) после 3/11 в Фукусиме. Даже в Японии несколько увеличилось. Таким образом, за пять лет после катастрофы атомная генерация восстановила лишь около половины потерянного производства [2.124].
На рис.2.90 приведены сведения по производству атомной энергии за период 1990-2016 гг.
Рис.2.90.Производство атомной электроэнергии в мире за 25 лет.
Цель по отношению к атомной электроэнергии поставлена таким образом, чтобы энергобаланс от возобновляемых источников в к 2030 году составлял 50% ,а к 2050 году, например, в ЕС, полностью перейти к безуглеродной системе электроснабжения. Ядерная доля будет сокращаться на протяжении десятилетий.
На рис.2.91 смоделирован сценарий прогноза, в котором учтены все лицензированные в настоящее время продления срока службы реакторов, определённой 40 годами.
Рис.2.91. Прогноз развития атомной энергетики до2050 года.
Показана степень, с которой возобновляемые источники энергии были развернуты в масштабе с нового тысячелетия. Произошло увеличение мощности на 451 ГВт. для энергии ветра и 301 ГВт. для солнечной энергии по сравнению с застоем ядерной мощности, которая за этот период увеличилась только на 36 ГВт., включая все реакторы в ЛТО.
В целом в течение года эксплуатируемые атомные электростанции, как правило, производят больше электроэнергии на МВт. установленной мощности, чем возобновляемые источники энергии.
Из приведенных графиков видно, что в 2016 году ежегодные темпы роста производства энергии ветра составляли 15,8% процента во всем мире, 30% для солнечной энергии и 1,4 %для ядерной энергетики. Девять из 31 ядерной страны - Бразилия, Китай, Германия, Индия, Япония, Мексика, Нидерланды, Испания и Великобритания. - генерировали больше электроэнергии из возобновляемых источников, чем из ядерной энергетики.
Обощённая картина представена на рис.2.92.
Рис.2.92. Динамика роста всех видов возобновляемой энергии в мире за период1997-2016 гг.
Сведения по ЕС представлены на рис.2 .93. В 2016 году энергия ветра увеличилась на 293 ТВт.ч. ,солнечная на- 111 ТВт.ч., в то время как производство ядерной энергии сократилось на 82 ТВт.ч. по всему ЕС. Этот рост производства возобновляемой электроэнергии будет продолжаться и дальше.
Можно только подчеркнуть ,что к 2050 году ЕС намерен перейти на полностью автономную электроэнергетическую систему, что потребует ускорения текущих темпов развертывания возобновляемых источников энергии.
Рис.2.93. Динамика роста всех видов возобновляемой энергии в ЕС за период1997-2016 гг.
В эпоху, когда источники возобновляемой энергии становятся все более рентабельным средством производства электроэнергии, Россия по-прежнему делает упор на ядерную энергетику. Ядерная энергетика теряет популярность во многих частях мира. В Соединенных Штатах снижение стоимости возобновляемых источников энергии делает их более привлекательным вариантом производства электроэнергии, чем ядерные АЭС. Франция, страна с давними традициями в области ядерной энергетики, также стремится снизить свою зависимость от реакторов. И даже Китай сейчас вкладывает больше средств в развитие ветропарков, чем в ядерную инфраструктуру [2.125].
Между тем Россия идет против мировой тенденции. Согласно данным Bloomberg New Energy Finance, ядерные реакторы обеспечивают 11% внутреннего производства электроэнергии в РФ, а доля ветровой и солнечной энергетики остается незначительной. Более 40% электроэнергии в России генерируется путем сжигания природного газа. Единственным крупным возобновляемым источником электроэнергии в РФ является гидроэнергетика, обеспечивающая примерно 20% нужд страны.
Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" является сейчас самым активным игроком на международном рынке ядерных энерготехнологий. Корпорация заключила договоры на строительство АЭС, а также поставки ядерного топлива и предоставление экспертной помощи с 20 странами Ближнего Востока, Африки, Азии и Латинской Америки. Египет является одной из четырех ближневосточных стран, где "Росатом" построил или собирается построить АЭС.
Дочерняя компания "Росатома", "Атомэнергострой", которая занимается строительными проектами за рубежом, имеет контракты на сооружение АЭС в Иордании и Турции. Также компания строит дополнительные реакторы на иранском "Бушере". "Росатом" предоставит финансирование, персонал и топливо для этих АЭС, но при этом они останутся в собственности корпорации, и она будет получать доход от производимой на них электроэнергии.
Россия предоставила примерно 50% финансирования для турецкой АЭС "Аккую" и будет полностью обеспечивать ее топливом после завершения строительства. Более 85% финансирования проекта "Эль-Дабаа" в Египте поступит в виде предоставляемых Москвой займов, хотя сама Россия переживает сейчас экономический спад.
Росатом также сотрудничает с Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) в сфере развития ядерной инфраструктуры на международном уровне. Российская сторона обязалась ежегодно дополнительно вносить в бюджет МАГАТЭ до 1,8 миллиона долларов для реализации целевых программ по развитию атомной инфраструктуры в странах-членах агентства.Однако эксперты выразили обеспокоенность в связи с тем, что амбициозные проекты Росатома не подкреплены адекватными планами по утилизации ядерных отходов.
Многолетние исследования, проведенные в зарубежных странах, показали, что соседство с АЭС приводит к росту заболеваний лейкемией. По этой причине в России было множество отказов от эффективных, но очень опасных проектов. Прогнозы дальнейшего использования атомной энергии противоречивы и неоднозначны. Большинство из них сходится к мнению, что к середине XXI века потребность возрастет в связи с неизбежным увеличением численности населения [2.126].
Министерство энергетики РФ сообщило энергетическую стратегию России на период до 2035 года (сведения поступили в 2014 году). Эта Программа "Стратегическая цель атомной энергетики" будет рассмотрена в дальнейшем.
Развитие атомной энергетики в РФ сталкивается с определенными трудностями. Перечисли м основные из них:
- Безопасность. Необходима надёжная внутренняя защита.. Это позволит избежать серьезных аварий по вине неопытных специалистов либо при совершении террористического нападения.
- Экономичность вырабатываемой энергии. В настоящее время наблюдается, что строительство станции и безопасная работа обходятся дороже, чем стоимость энергии, вырабатываемой на угольных и газовых станциях. Т.е. нужно искать варианты минимизации затрат без ущерба качества и безопасности.
- Снижение выпуска диоксида углерода. Уровень выброса вредных веществ АЭС намного выше электростанций с комбинированным циклом на природном газе. Т.е. необходимо строить атомные реакторы, уменьшающие выпуск диоксида углерода.
- Снятие с эксплуатации реакторов на АЭС. В настоящее время обостряется проблема по безопасной утилизации радиоактивных отходов. Приблизительно через 20 лет большинство реакторов выработают свои ресурсы. Необходимо эти станции остановить, отходы надо надежно утилизировать на длительный срок, что потребует значительных финансовых вложений.
- Опасность использования АЭС для распространения ядерного оружия. При обращении с отработавшим ядерным топливом нередко происходят серьезные сбои. В результате совершенных ошибок террористы могут создать множество грязных ядерных взрывных устройств. Предотвращение усиливающейся угрозы потребует больших государственных затрат.
Обобщённые сведения состояния атомной энергетики по России на конец 2017 года представлены на рис.2.94. [2.127].
Рис.2.94. Состояние атомной энергетики по России на конец 2017 года.
Состояние атомной энергетики ЕС в настоящее время можно охаректиризовать следующим образом[2.128].
Ежегодно Европейская комиссия (ЕК) выпускает отчет по “Пояснительной ядерной программе" (PINC) и прилагающийся к нему административный документ,в котором рассматриваются все аспекты ядерных программ в ЕС с акцентом на необходимые инвестиции. Выпуск отчета PINC является требованием статьи 40 Договора об учреждении Европейского сообщества по атомной энергии (Евратом).
Согласно отчету на начало 2017 года в странах ЕС за счет атомной энергии производится 27% электроэнергии ,т.е. столько же, сколько и за счет возобновляемых источников энергии. В 14 государствах ЕС действуют 129 ядерных реакторов общей мощностью 120 гигаватт.
Прогнозируется сокращение ядерных мощностей ЕС вплоть до 2025 года, за которым последует незначительное увеличение, но прогнозируемая на 2050 год мощность - 95-105 ГВт. -будет по-прежнему ниже нынешних 120 ГВт. Доля атомной энергии в энергобалансе ЕС упадет с 27% до 17-21% в 2050 году.
Возраст реакторов в ЕС составляет в среднем 29 лет. Отмечается, что без программ по продлению срока эксплуатации 90% существующих реакторов должны быть остановлены к 2030 году. Предусматривется, что срок эксплуатации многих европейских реакторов будет продлен и что к 2030 году большая часть парка реакторов ЕС будет работать сверх проектного срока эксплуатации. К 2050 году ожидается ввод 80 ГВт. новых мощностей, из которых две трети приходятся на долю Франции и Великобритании.
Кроме вопросов, касающихся атомной безопасности, совершенствования реакторов и экономических, большое внимание будет уделяться вопросам геологического захоронения и долгосрочного управления радиоактивными отходами. Ведь планируется, что к 2025 году должны быть остановлены 50 из 129 реакторов, действующих в настоящее время в ЕС. Вместе с тем, опыт в области вывода АЭС из эксплуатации невелик: на октябрь 2015 года в Европе было 89 окончательно остановленных реакторов, но только три полностью выведены из эксплуатации (все три в Германии).
По каждой из стран ЕС приводятся обобщенные сведения состояния атомной энергетики на конец 2017 года. Например, для Великобритании картина выглядит следующим образом(см.рис.2.95) [2.129].
Рис.2.95. Состояние атомной энергетики Великобритании на конец 2017 года.
Как и многие другие страны, в 1960-е-70-е годы Германия прошла стадию «ядерного романтизма», когда казалось, что АЭС – это прогресс, и за ними будущее. Но атомная энергетика ожиданий не оправдала. Оказалось, что атомные проекты имеют военную составляющую, что АЭС требуют субсидий, что есть риски аварий, что есть риски для здоровья людей и при безаварийной работе АЭС [2.130].
Но АЭС в Германии были построены, ядерные и радиоактивные отходы начали накапливаться. В 1970-х годах правительство ФРГ выбрало местом общенемецкого могильника местечко Горлебен, близ границы с ГДР на Эльбе. Там был создан Центр по обращению с РАО, построено наземное временное хранилище для высокоактивных отходов. Отходы от переработки немецкого ОЯТ из Франции регулярно доставлялись в это хранилище, что вызывало огромные протестные манифестации.
Пункт окончательного глубинного захоронения высокоактивных РАО планировалось построить внутри подземного соляного купола. С 1979 года там велись исследовательские работы, были пробурены две шахты, и создан горизонтальный туннель на глубине 840 метров. На исследования было потрачено около полутора миллиардов евро. Но результаты исследований сейчас трактуются по-разному, как в пользу выбора Горлебена в качестве места захоронения отходов, так и против этого решения. Таким образом, вопрос в настоящее время ещё не решён.
На отказ от атомной энергетики следует посмотреть и с экономической точки зрения. По прогнозам экономистов, отказ Германии от ядерной энергетики обойдется в сумму от €32 млрд. до €1,7 трлн. в период до 2030 года (верхняя граница прогноза эквивалентна более чем 65 % годового ВВП страны) [2.131].
Приведенные оценки имеют слишком большой разброс. И доверять таким данным, как прогнозирует "Deutsche Bank"-(средняя оптовая стоимость электроэнергии вырастет до €72 за 1 МВт·ч. вместо €60) вряд ли следует.
Обобщенные сведения состояния атомной энергетики на конец 2017 года для Германии приведены ниже ( см. рис.2.96 ) [2.132].
Рис.2. 96.Состояние атомной энергетики Германии на конец 2017 года.
Обновление АЭС – это не частный случай одной европейской страны. По мнению отраслевых аналитиков, в Старом Свете, а также в США в ближайшее десятилетие возникнет большая проблема по выводу из работы устаревших атомных станций. И от того, по какому пути пойдет ренессанс АЭС в мире, зависит не только будущее атомной отрасли, но и развитие традиционной углеводородной энергетики.
Старение атомной энергетики развитых стран является большой и важной проблемой. Значимость проблемы хорошо иллюстрирует атомная энергетика США, где расположено самое большое количество атомных реакторов – около 100 на 62 атомных электростанциях. Они вырабатывают около 25% всей электроэнергии страны. Только один блок станции "Уоттс-Бар" был введен в эксплуатацию в 2016 году, а сама АЭС строилась с 1972 года, более 40 лет. Средний возраст реакторов страны составляет 35 лет, а 16 уже перешагнули 40-летний рубеж. Известно, что срок действия лицензий ядерных реакторов в США ограничен 40 годами [2.133].
В ближайшее десятилетие закончатся лицензии большинства атомных реакторов и, если новые мощности так и не будут введены в эксплуатацию, для замещения выпадающей атомной генерации Соединенным Штатам понадобятся колоссальные средства и огромное количество традиционного углеводородного сырья.
Следует отметить, что в США в настоящее время вырабатывается комплексная программа максимального продления сроков эксплуатации действующих станций и замены выводимых атомных мощностей другими источниками энергии. Подавляющее большинство АЭС в мире используют реакторы на тепловых нейтронах. Топливом для них служит природный уран, запасы которого ограничены. И это является проблемой для широкого крупномасштабного развития атомной энергетики. Накапливающееся отработанное ядерное топливо также обременяет атомную отрасль.
Для решения этих принципиальных моментов надо включить в структуру атомной энергетики реакторы на быстрых нейтронах, которые обеспечат атомную энергетику неограниченным ресурсом топлива, поскольку могут воспроизводить больше топлива, чем сжигают, используя при этом продукты переработки отработавшего ядерного топлива реакторов на тепловых нейтронах. Совместное использование тепловых реакторов и реакторов на быстрых нейтронах является задачей сегодняшнего дня. Прогресс не стоит на месте, будущее покажет.
Показатели атомной генерации в США снижаются последние четыре года. Как прогнозируют эксперты, эта тенденция сохранится даже в краткосрочной перспективе. С 2013 года по 2016 год в США прекращена деятельность шести независимых атомных реакторов. Их суммарная мощность составляла 4862 МВт. Планируется, что в ближайшие несколько лет будут закрыты еще шесть атомных ректоров [2.134].
Выработка возобновляемой энергия превзошла атомную – это важный шаг в трансформации энергетики США. И этот разрыв только будет увеличиваться в последующие годы. К 2025 году объем атомной энергии снизится еще на 7% из-за закрытия ряда АЭС. Окончание строительства четырех новых реакторов окажется недостаточно, чтобы переломить эту тенденцию.
Если ранее некоторые эксперты утверждали, что США смогут к 2050 году полностью перейти на возобновляемые источники энергии ,то сейчас утверждается, что этап перехода с традиционных источников энергии на альтернативные окажется более длительным еще и потому, что потребует немалых капиталовложений.
В США имеется великолепная научная атомная школа. К концу 20 века в США действовало столько станций, сколько не было ни одной другой страны мира,104 действующих станции. На начало 2017 года действовало 99 реакторов. Они находятся на 1-м месте в мире по количеству атомных реакторов, а АЭС Пало -Верде входит в десятку крупнейших в мире. Т.е. ставить точку на атомной энергетике в этой стране ещё рано [2.135].
Обобщенные сведения состояния атомной энергетики на конец 2017 года для США приведены ниже (см. рис.2.9 ) [2.136].
Рис.2.97. Состояние атомной энергетики США на конец 2017 года.
И в заключение сведения по атомной энергетике по состоянию на 2018 год [2.137].
Таблица 2.23. Распределение реакторов в мире по типам
Рис.2.98. График установленных мощностей -диаграммы ввода в эксплуатацию по годам.
Рис.2.99. Диаграммы установленных мощностей АЭС по длительности эксплуатации.