Ядерная энергетика

Ядерная энергетика и её ресурсы. Итак, детальный учет всех рассмотренных выше факторов позволил экспертам МИРЭК-Х сделать вывод, что к 2020 г доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе может составить около 13%.

Анализ процессов трансформации энергии. Один из основополагающих законов природы – закон сохранения энергии устанавливает закономерности взаимной трансформации всех видов энергии. Согласно установившейся трактовке этого закона энергия не может быть уничтожена или получена из ничего, она может лишь пере­ходить из одного вида в другой. Но это вовсе не означает, что любой вид энергии может быть переведён в другой полностью. Это утверждение справедливо лишь в случае перевода любого вида энергии в тепловую энергию. Процесс обратной трансформации тепловой энергии в другие виды энергии не всегда возможен и, если происходит, то в любом случае не полностью.

Экологические проблемы производства энергии В последние годы проблемы влияния производства энергии на окружающую среду широко обсуждались на различных уровнях во всех странах мира

Радиоактивное загрязнение окружающей среды. Анализ многолетней работы атомных электростанций свидетельствует о том, что благодаря многоступенчатым системам защиты практически полностью исключены выбросы радио­активных веществ в окружающую среду

Вопрос о решающем влиянии «парниковых газов» на изменение климата является спорным. На чём собственно базируется Киотский протокол. Анализ данных изменения концентрации CO2 , CH4 , N2O и температуры за последние 650 тыс. лет показал, что они изменялись в широких пределах периодически под влиянием природных (космических) причин поскольку менялась орбита Земли и наклон её оси вращения, а следовательно, и количество энергии поступающей на Землю от Солнца.

Проблема теплового загрязнения Локальное тепловое загрязнение окружающей среды. Основное количество тепловой энергии на ТЭС и ТЭЦ поступает в окружающую среду на стадии конденсации пара, около 50-55% от тепловой энергии, выделяемой при сгорании топлива. На АЭС эта величина ещё больше и составляет для ВВЭР (водо-водяных реакторов) 65-68% от общей тепловой энергии, вырабатываемой в реакторе. В настоящее время наиболее распространённым хладоагентом при конденсации пара на ТЭС и АЭС является вода системы технического водоснабжения (СТВС). При прямоточной СТВС теплота конденсации передаётся проточной воде рек или озёр. При организации замкнутых СТВС тепло передаётся циркуляционной воде, охлаждаемой в замкнутых прудах-охладителях или градирнях.

 

Теперь оценим, какими ресурсами располагает ядерная энергетика. Естественно, что в первую очередь необходимо оценить запасы урана, поскольку ядерная энергетика сегодняшнего дня развивается только за счёт строительства АЭС с реакторами, в которых осущест­вляется цепная ядерная реакция.

Для урана характерна довольно большая распространённость: его среднее содержание в литосфере составляет примерно 310-4 мас.%. Однако экономически выгодно разрабатывать месторождения, содержа­щие не менее 0,1% урана. Стоимость добычи урана из таких месторож­дений составляет 80 долл. за 1 кг урана. Таким образом, к извле­каемым относятся запасы, в 1000 раз более богатые ураном, чем его среднее содержание. По данным, приведенным на Генеральной конференции МАГАТЭ в 1980 г, запасы урана со стоимостью извлечения до 80 долл./кг составляют 3330 тыс. т. Величина этих запасов в энергетическом эквиваленте зависит от типа ядерного реактора, в котором будет использоваться урановое топливо. В настоящее время ядерная энергетика базируется на строительстве АЭС с реакторами на тепловых нейтронах. К сожалению, эти реакторы характеризуются крайне неэффективным использованием запасов природного урана.

Реакторы на тепловых нейтронах "сжигают" 1,5% природного урана. Поскольку в процессе деления 1 кг урана выделяется 18,8 млрд. ккал, то в реакторах на тепловых нейтронах 1 т природного урана позволяет получить 282 млрд. ккал, что составляет примерно 11,210-7Q. Следовательно, запасы со стоимостью извлечения до 80 долл./кг (по современным представлениям экономически эффективные) соответствуют энергоисточнику емкостью 3,7Q.

Однако, согласно расчетам, в лучшем случае можно надеяться, что величина этих ресурсов в энергетическом эквиваленте возрастёт лишь до 20Q. Это означает, что при планируемых темпах развития ядерной энергетики достоверные запасы будут исчерпаны уже к концу столетия.

Таким образом, ядерная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах при указанных ресурсах топлива в принципе не может обес­печить создание крупной мировой энергетики. Выход из этого положе­ния можно найти на пути использования АЭС с реакторами-размножителями. С их внедрением эффективное использование природного урана мо­жет достигнуть 30-40%. Очевидно, что в этом случае, не повышая стоимости производства энергии, можно будет использовать ресурсы урана со стоимостью извлечения, существенно превышающей 80 долл. за кг. При использовании реакторов-размножителей экономически выгод­но разрабатывать месторождения бедных урановых руд, содержащих всего лишь 0,06% природного урана, не имеющих сегодня практического значения. Стоимость их извлечения составляет примерно 295 долл. за 1 кг урана. Возможно, в перспективе окажется выгодно использо­вать уран, содержащийся в морской воде и кристаллических породах. Не следует забывать и о запасах тория. По имеющимся данным, мировые ресурсы тория ниже, чем урана, однако надо иметь в виду, что они изучены гораздо хуже.

Согласно последним данным, характеризующим запасы урана при его использовании в реакторах на тепловых нейтронах и в реакторах-размножителях (табл. 15.3), следует, что широкое применение АЭС с реакторами-размножителями может решить проблему развития энергетики (с точки зрения обеспеченности энергоресурсами) в те­чение многих столетий без каких-либо топливных ограничений.

В ресурсы ядерной энергетики, кроме урана, входят также запасы дейтерия и трития. Термоядерная энерге­тика, основанная на синтезе ядер дейтерия или ядер дейтерия и три­тия, многократно расширяют сырьевую базу ядерной энергетики. В термоядерной реакции D - Т условно лимитирующим фактором оказы­ваются ресурсы не дейтерия, а лития. Дело в том, что трития в при­роде практически нет. Его получают искусственно, облучая ядра лития нейтронами. Это можно осуществить в самом термоядерном реакторе, окружив его специальной оболочкой из лития и воспользовавшись потоком нейтронов, возникающих при протекании в термоядерном реакторе реакции синтеза ядер дейтерия и трития. Литий лимитирует развитие энергетики услов­но, поскольку его ресурсов достаточно, чтобы обеспечить потребности на многие столетия. Переход же к термоядерной энергетике на основе синтеза только ядер дейтерия открывает неограниченные возможности для производства энергии.

Итак, ядерная энергетика хорошо обеспечена ресурсами. Однако вывод о необходимости развития того или иного источника энергии должен базироваться не только на основе соображений о его ресурсах. Здесь также нужно учитывать экономичность способа производ­ства энергии, его технические возможности и степень воздействия на окружающую среду и население.

Как показал анализ, ядерная энергетика и по этим показателям обладает преимуществами перед другими источниками энергии. Так, с экономической точки зрения, ядерная энергетика уже сейчас имеет пре­имущество перед энергетикой на органическом топливе и других источниках энергии. Далее, ядерная энергетика по своим техническим возможностям может в той или иной форме удовлетворить все энергетические потребности топливно-энергетического баланса.

При приближенном подсчете выясняется, что потребности в энергии распределяются ориентировочно следующим образом: ~25% – на производство электроэнергии, ~25% – на отопление жилых домов и других зданий, ~25% – на промышленные цели и ~25% – на транспорт. До настоящего времени генеральным направлением применения ядерной энергии было производ­ство с её помощью электроэнергии на АЭС. Следовательно, даже если все сегодняшние электростанции перевести на ядерное горючее, то потребление органического топлива уменьшилось бы не более, чем на 25%. Однако технические возможности ядерной энергетики позволяют использовать её и для отопления, и в промышленности.

Ядерной энергетике, подобно другим видам промышленной деяте­льности, присущи и вредные факторы, потенциально опасные для человека. Наибольшую потенциальную опасность представляет радиоактивное заг­рязнение. Однако, с самого начала развития ядерной энергетики, её предприятия проектировались таким образом, чтобы не допустить опасного выброса радиоактивных веществ в окружающую среду и чтобы обеспечить максимальную безопасность обслуживающего персонала. Ситуация с Чернобылем подорвала доверие к атомной энергетике, но в настоящее время приняты новые перспективные программы развития этой отрасли с учётом экологической составляющей.. Накопленная информация об уровнях радиационного воздействия, об индивидуальных и коллективных дозах облучения персонала предприятий и населения вблизи предприятий ядерного топливного цикла подтверждает, что биосфера достаточно надёжно защищена от радиационного воздействия предприятий ядерной энергетики. Из всех известных на сегодня способов производства энергии ядерная энергетика является минимально опас­ной.

Человек всегда подвергался воздействию ионизирующей радиации различных внеш­них или внутренних естественных источников. Это космические и гамма-лучи, радон и другие вещества, выделяемые горными породами и строительными материалами, природные радиоактивные вещества, попадающие в организм. На рис. 15.14 показана доля атомной энергетики в годовой дозе облучения населения Великобритании, которая составляет всего 0,1%.

Многолетний опыт эксплуатации АЭС и исследовательских реакторов в нашей стране показывает, что в результате тщательно выполнен­ных мероприятий по совершенствованию конструкции ядерных реакторов, систем очистки газоаэрозольных выбросов и жидких отходов, хорошо продуманной системы контроля и при научном подходе к вопросам защиты окружающей среды атомная энергетика не только не увеличивает заг­рязнения биосферы, но и способствует её оздоровлению. АЭС не требу­ет кислорода для сжигания топлива и не выбрасывает оксидов углерода, не загрязняет воздушный бассейн оксидами серы, азота, тяжёлыми ме­таллами, фенолами и канцерогенными веществами, летучей золой и дру­гими вредными компонентами. Выбросы радиоактивных веществ от АЭС в расчёте на единицу электрической мощности на порядок ниже выбросов есте­ственных радиопродуктов, содержащихся в органическом топливе (например, в угле) ТЭС.

  Таблица 15.3

Мировые ресурсы ядерной энергетики

Принцип производства энергии

Вид ресурса

Ресурсы в энергетическом эквива­ленте, равном Q

Реакторы на тепловых нейтронах

Уран при затратах на извлечение до 130 долл./кг

40

Реакторы-размножители

Уран при затратах на извлечение:

до 130 долл. / кг

до 295 долл. / кг

уран в океане

уран в земной коре на глубине до 500 м

1000

2500

340000

670000

Термоядерные реакторы

Литий (как источник трития) при затратах на извлечение до 60 долл./кг природного лития

литий в океане

дейтерий в океане

1900

2750000

4000000000

 


Рис.15.14. Средняя доза облучения населения Великобритании

Развитие атомной, а в дальнейшем термоядерной и других перспективных альтернативных направлений развития энергетики – прекрасная долгосрочная перспектива, но анализ показывает (рис.15.15), что в ближайшие десятилетия основным источником энергоресурсов будет по прежнему органическое топливо. Это необходимо учитывать при разработке перспективных планов решения экологических проблем.

Рис. 15.15 Эволюция структуры потребления энергоресурсов в России.

15.4. Энергоёмкость экономики и энергосбережение

За годы реформ в России в связи со спадом производства, объём которого в 1998 г. составил менее половины от уровня 1990 г. и до сих пор не восстановился, добыча энергоресурсов и выработка электроэнергии снизилась до 70% от уровня 1990 г.

Потребление электроэнергии в коммунально-бытовом секторе не только не сократилось, но и несколько возросло. В тоже время энергоёмкость экономики в России возросла на 22% и стала в 2,5-3 раза выше, чем в индустриально развитых странах. На единицу промышленной продукции в России затрачивается в 3 раза больше энергии, чем в странах западной Европы и в 2 раза больше, чем в США.

Энергоёмкость социальных расходов в различных странах (включая Россию) представлена в табл. 15.4.

Таблица 15.4

Энергоёмкость социальных расходов

Страна

Социальные расходы (капитал) на душу населения,

тыс. долл./чел. в год

ВВП на душу населения,

тыс. долл./чел. в год

Душевое энерго-потребление,

т условного топлива/чел. в год

Энергоёмкость социальных расходов,

т условного топлива/1 тыс. долл.

Франция

Израиль

Финляндия

США

Индия

Болгария

Россия

7,6

3,0

5,0

3,0

0,06

0,5

0,3

21,6

12,7

23,7

22,6

0,6

2,0

4,0

6,4

4,4

8,9

12,4

0,25

3,9

6,2

0,84

1,46

1,78

4,13

4,17

7,80

20,70

Всё это свидетельствует о нашем крайнем энергорасточительстве. А по имеющимся оценкам затраты на энергосберегающие мероприятия в 1,5-3 раза ниже, чем на развитие, например, газодобывающих и транспортных мощностей, не считая экологического эффекта. Потенциал только газосбережения оценивается примерно в ¼ часть от всего объёма расходуемого в России газа.

Повышение эффективности использования энергии, наряду с использованием альтернативных источников энергии, получило бурное развитие в индустриально развитых странах. Повышение эффективности использования энергии означает производство тех же самых энергетических услуг, включая освещение, обогрев и охлаждение помещений, пассажирские и грузовые перевозки, водоснабжение, работу различных двигателей, но с гораздо меньшими затратами. Оно обеспечивает такой же или более высокий уровень жизни с меньшими издержками. Одновременно снижается уровень загрязнения окружающей среды. Повышение эффективности использования энергии невозможно без анализа процессов трансформации энергии.

На главную