Мировая энергетика и ядерные технологии нового поколения (стр. 2 )

Красный – атомная генерация

Серый – тепловая генерация

Голубой – вторичная генерация

При анализе перспектив развития отдельных направлений энергетики использовалась следующая методика:

1.  Оценивался тип генерации;

2.  Оценивались первичные потребляемые ресурсы - то, что прямо и непосредственно используется при генерации (например, сжигаемый уголь);

3.  Оценивались вторичные потребляемые ресурсы – то, что косвенно задействовано при генерации (например, территория водохранилища);

4.  Оценивались прямые первичные обременения (например, отработанное ядерное топливо);

5.  Оценивались косвенные вторичные обременения (например, повышенная заболеваемость раком легких при угольной генерации);

6.  Оценивались виртуальные, придуманные обременения (например, парниковые газы).

Данная методология привела к следующим выводам (смотри также Приложения 1 и 2):

Ранг	Виды энергетики	Перспективы (относятся ко всему рангу)
1 ранг	«Продвинутая» атомная энергетика (ЗЯТЦ, МЯЭУ)	Развитие является императивной социосистемной необходимостью
2 ранг	Солнечная генерация Нефтяная генерация Ветрогенерация	Интенции к развитию очень высоки. Развитие возможно и желательно. Развитие весьма вероятно
3 ранг	Приливная генерация Газовая генерация Геотермальная генерация	Существуют интенции к развитию. Развитие возможно при наличии политической воли. Развитие вероятно
4 ранг	Традиционная атомная генерация Угольная генерация Сжигание мусора	Интенции к развитию отсутствуют. Развитие возможно, как политическое решение. Развитие маловероятно, но будут сохранены существующие мощности
5 ранг	Сжигание бурых углей Торфяная генерация Сланцевая генерация	Развитие невозможно и нежелательно. Возможно сохранение некоторых локальных мощностей. Прогноз на свертывание использования и вытеснения в нишевые рынки
6 ранг	Сжигание биотоплива	Нельзя использовать ни при каких обстоятельствах. Социосистемно запрещенная технология Ограничения и свертывание неизбежно.

Весьма важно, что атомная генерация на медленных и на быстрых нейтронах представлены в разных графах данной таблицы. Традиционная ядерная энергетика, не способная к рециклингу топлива и дожиганию минорных актинидов не имеет интенций к развитию, в то время как для «продвинутой» атомной энергетики с замыканием топливного цикла развитие является системной необходимостью.

Выводы по генерации энергии:

Энергетика представляет собой очень устойчивую и инерционную систему. В этой связи прогнозирование во многом сводится к анализу Неизбежного будущего, то есть к изучению данной системы выводов.

Нефть сохранит свое значение ключевого ресурса в кратко - и среднесрочной перспективе. Абсолютное потребление нефти будет расти, хотя относительное – несколько снизится.

Газ останется спутником нефти. Привязка цены газа к цене нефти сохраниться.

Потребление угля будет расти более быстрыми темпами, нежели потребление нефти и газа. Расширится практика подземной переработки угля (например, газификации).

Потребление низкоуглеродных топлив снизится, хотя этот тип генерации сохранится в местном секторе энергетики. Посадки рапса будут прекращены сразу же после ближайшего продовольственного кризиса, но останется переработка в биоэтанол и биодизель отходов сахарного производства, кукурузы и т. п.

Потоковая энергетика будет активно развиваться, но ее вклад в общий топливный и энергетический баланс останется сравнительно небольшим (2–3% без крупных ГЭС, в генерации электричества несколько больше).

Классическая атомная энергетика (водо-водяные реакторы на медленных нейтронах) будет вводить в эксплуатацию новые мощности, стремясь удержать свой процент в общем мировом энергобалансе. При этом ее развитие будет сдерживаться высокой ценой генерации, в которую правительства и парламенты включат затраты на утилизацию РАО и ОЯТ; общий объем радиоактивных отходов будет нарастать.

Атомная энергетика разделяется на традиционную (медленные нейтроны) и инновационную (быстрые нейтроны, ЗЯТЦ). В среднесрочной перспективе инновационная атомная энергетика раскалывается на «современную технологическую платформу» и «продвинутую ядерную энергетику», по всей вероятности, ториевую, хотя нельзя полностью исключить какие-то достижения на пути овладения термоядерным синтезом.

Между кратко- и среднесрочным горизонтом начинается достаточно активное использование водородного топлива.

Базовый вывод по энергетике

Энергетика лежит в основе всякой деятельности человечества, поскольку удовлетворяет ключевые первичные потребности человека по А. Маслоу : тепло и свет, – и ключевую потребность любого производства – энергию.

Современная энергетика представляет собой индустриальную (отчасти, постиндустриальную) форму первичного технологического пакета «Огонь». В этом смысле энергетика фазово независима: ее развитие обусловлено самим фактом выделения человека из природы и формирования социосистемы.

Искусственное торможение развития энергетики представляет собой социосистемный риск, реализация которого в лучшем случае приведет к фазовой катастрофе.

Сценарные развилки

1. «Энергосберегающее будущее». Инерционный сценарий. Реальное Будущее совпадает с Неизбежным. Политическая воля на резкое изменение ситуации отсутствует. Политика энергосбережения продолжается до полного краха существующей социальной системы и, вероятно, фазы развития. В этом сценарии атомная энергетика развивается экстенсивно, то есть, через строительство водо-водяных реакторов на медленных нейтронах – кипящих и на воде под давлением, обращение с ОЯТ осуществляется, преимущественно, через водное хранение («мокрая» схема), объем ОЯТ со временем возрастает.

2. «Угольный Ренессанс». Традиционный сценарий. Его содержание – по возможности, вытеснить нефть и газ из местной и базовой генерации, оставив их, скорее, топливными, нежели энергетическими ресурсами. В этом сценарии активно развивается ветрогенерация и солнечная генерация, роль водородной энергетики минимальна. Атомная энергетика растет быстрее, чем в предыдущем сценарии – на фоне проблем с травматизмом на угольных шахтах, силикозом и раком легких радиофобия становится не актуальной. При этом проблемы с ОЯТ примерно столь же значимы, как и в предыдущем сценарии: объем ОЯТ здесь даже больше, но наряду с «мокрой», активно используется «сухая» переработка.

Данный сценарий подразумевает политическую волю, поскольку предусматривает отказ от пенсионной системы и системы социального страхования, общее, но контролируемое, снижение уровня жизни в развитых странах, какие-то формы включения мировых параэлит и контрэлит, расширение «золотого миллиарда» с одновременным сокращением его привилегий. В сущности, это сценарий контролируемого отступления цивилизации.

3. «Атомный прорыв». Как следует из названия, прорывной сценарий. Создается Современная Технологическая Платформа, как системный интегратор всей энергетики. Мир застраивается старыми (тепловыми) и новыми реакторами нескольких различных типов, среди которых размножители с натриевым теплоносителем, замкнутый цикл, организованный, как пристанционный – реакторы со свинцовым теплоносителем, газовые реакторы с когенерацией водорода, жидкосолевые дожигатели. Проблема ОЯТ решается «в общем виде».

Сценарий требует ясной политической воли на государственном и корпоративном уровне, на уровне Академии Наук и сообщества ученых.

4. «Обыкновенное чудо». Любой предыдущий сценарий с «дикой картой» в форме личной гениальности. Появление принципиально новых энергетических технологий, имеющих явное преимущество перед существующими. Непреклонная политическая воля использовать эти технологии любой ценой и во что бы то ни стало.

2. Современные и перспективные ядерные технологии

Современный реакторный парк

В настоящее время парк ядерных реакторов складывается из энергетических установок следующих классов:

Класс реактора	Тип реактора	Обозначение (количество)[2]
Реакторы с легкой водой под давлением (корпусные) 374 энергоблока	Реактор с легкой водой под давлением в качестве теплоносителя и замедлителя	PWR (264)
Энергетический реактор с водяным охладителем и замедлителем	WWER (98)
Усовершенствованный реактор с водой под давлением	APWR (2)
Европейский реактор с водой под давлением	EPR (2)
Усовершенствованный легководный реактор	ALWR (0)
Усовершенствованный пассивный реактор	APR (3)
Стандартный корейский проект	KSHP (5)
Легководные канальные реакторы. 30 энергоблоков	Реактор с легководным теплоносителем и с графитовым замедлителем	LWGR (30)
Кипящие реакторы 127 энергоблоков	Кипящий реактор с легководным теплоносителем и замедлителем	BWR (110)
Усовершенствованный кипящий реактор с легководным теплоносителем и замедлителем	ABWR (12)
Кипящий реактор с легководным теплоносителем и тяжеловодным замедлителем	HWLWR (5)
Газоохлаждаемые реакторы 56 энергоблоков	Газоохлаждаемый реактор с графитовым замедлителем	GCR (37)
Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор с графитовым замедлителем	HTGR (4)
Усовершенствованный газоохлаждаемый реактор с графитовым замедлителем	AGR (15)
Тяжеловодные реакторы 66 энергоблоков	Газоохлаждаемый реактор с тяжеловодным замедлителем	HWGCR (3)
Реактор с тяжелой водой под давлением в качестве теплоносителя и замедлителя	PHWR (62)
Паропроизводящий тяжеловодный реактор	SGHWR (1)
Реакторы на быстрых нейтронах 15 энергоблоков (один коммерческий)	Быстрый производящий реактор[3]	FBR (15)

Всего 668 энергоблоков общей мощностью 497,87 ГВт (включая остановленные реакторы). Из них функционируют 443 блока общей мощностью 367,83 ГВт, находятся в постройке 28 энергоблоков общей мощностью 21,68 ГВт, запланированы к постройке 51 энергоблок общей мощностью 47,15 ГВт, остановлены 126 энергоблоков общей мощностью 45,4 ГВт, остановлено строительство 20 энергоблоков общей мощностью 15,8 ГВт.

В этом перечне значительно преобладают реакторы на медленных нейтронах (98,7%). Общим свойством таких реакторов, вне зависимости от теплоносителя и используемой схемы является невозможность сжигания природного урана (изотопа U238) и обремененность отработанным ядерным топливом.

Проблема ОЯТ

В составе ОЯТ минорные актиниды и плутоний высокорадиоактивны, продукты деления обладают умеренной радиоактивностью с различными сроками полураспада (от десятков до сотен тысяч лет).

«При производстве 1 ГВт электроэнергии на традиционных АЭС в год образуется: плутония – 200 кг, трансплутониевых элементов – 4,53 кг, нептуния – 11,25 кг и продуктов деления – 82,1 кг При нынешних масштабах ЯЭ в мире на АЭС ежегодно нарабатывается около 80 т плутония, который является особым веществом в проблеме негативного воздействия на окружающую среду». (Муратов АЭС: эффективность и безопасность // Вопросы атомной науки и техники. Сер. “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”, 2002, № 6, с. 19-28.).

По различным оценкам общие запасы ОЯТ в мире превышают 200 тысяч тонн, в России – 15 тысяч тонн, в США – 50 тысяч тонн. По оценкам МАГАТЭ (заниженным) к 2015 году эта величина возрастет до 300 тысяч тонн. На сегодняшний день нарастание объемов ОЯТ составляет в мире около 11 тысяч тонн, в России – около 1.000 тонн. Перерабатывается не свыше 35% производимого ОЯТ.

Проблема ОЯТ усугубляется проблемой РАО. Объемы радиоактивных отходов – жидких и твердых – значительно превышают объемы отработанного топлива. Для России общие объемы РАО составляют 550 тысяч тонн, для мира – свыше 6,5 миллиона тонн. Активность РАО, как правило, невелика (за исключением части отходов военного производства, которые по активности сравнимы с ОЯТ), но она также может представлять угрозу. Поэтому РАО, как и ОЯТ, нужно либо где-то и как-то хранить, либо тем или иным способом перерабатывать.

ОЯТ и РАО представляют собой «хроническую болезнь» ядерной энергетики. В рамках традиционного подхода (медленные нейтроны, уран-плутониевый цикл) эта проблема решена быть не может. Строительство могильников со скоростью, соответствующей прогнозируемой скорости развития ядерной энергетики, даже в самом консервативном сценарии, представляется организационно и технологически невозможным, и коммерчески несостоятельным.

Необходимо признать, что проблема РАО\ОЯТ, если она не будет решена радикально – с уменьшением количества подлежащих захоронению отходов на порядок и больше – поставит предел развитию ядерной энергетики как в РФ, так и во всем мире.

Новая ядерная гонка

История и перспективы развития ядерной энергетики на период до 2070 года кратко даны в Приложении 3.

Современное состояние ядерной энергетики является метастабильным. На международных конференциях возникает ощущение, что страны пристально наблюдают друг за другом. Возможно, нужен лишь небольшой толчок, чтобы ситуация резко изменилась.

Вполне вероятно появление в одной из «ядерных стран» новой ядерной технологической системы, способной не только решить проблему нехватки генерирующих мощностей, но и дать надежду ликвидировать основное обременение ядерной энергетики – склады РАО и ОЯТ. В этой ситуации практически неизбежна быстрая экспансия ядерной энергетики сначала в базовую энергетику, затем – в местную энергетику, наконец – в универсальную энергетику. Тем самым произойдет перераспределение позиций в мировой энергетике с практически полным вытеснением низкоуглеродной генерации и снижением роли угля. Разумеется, это будут не одномоментные события: за основу расчета периода времени, необходимого на построение «нового ядерного мира», можно принять график вытеснения обычной телефонной связи сотовыми технологиями.

Это означает, что содержанием конфликта является борьба не за лишние 2–3 процента, а за десятки процентов в энергетическом мировом пироге. В сценарии «ядерный мир» потребление первичных энергетических ресурсов в пересчете на условное топливо будет иметь совершенно иной характер по сравнению с текущим:

Объем рынка можно грубо оценить из прогноза потребления электроэнергии на 2050 г. около 45000 Твт*час и цены электроэнергии 0,05 доллара 2006 года за киловатт-час. С учетом сопутствующих рынков имеем грубую оценку около тысячи миллиардов долларов в год, при этом рост рынка в сопоставимых целях предвидится десятикратный (оценка снизу!).

Речь идет об очень больших деньгах, значимых в масштабе мирового всеобщего валового продукта (порядка 1 – 1,5%).

Понятно, что первая же созданная в мире ядерная технологическая платформа с рециклингом и минимальным обременением ОЯТ неизбежно станет стандартом «де факто», а в определенных условиях может оказаться и стандартом «де юре». Это означает, что данная платформа будет представлена на мировом энергетическом рынке, как ведущая сила, контролирующая около двух третей рынка, все остальные конкуренты вместе будут «держать» оставшуюся треть и то – только в условиях государственного протекционизма.

Поэтому, как только одна из стран или корпораций приступит к активной деятельности по созданию соответствующей ядерной системы и современной технологической платформы, остальные игроки будут вынуждены сделать то же самое: создание «современной технологической платформы» немедленно сделает традиционные реакторы устаревшими и коммерчески не привлекательными.

Это и задает остроту текущего момента в технологической политике:

Из-за Чернобыльской катастрофы 3-й этап развития атомной энергетики – диверсификация генерирующих мощностей – запоздал на двадцать лет и практически совпал с 4-м этапом. Соответственно, перед участниками игры встает тяжелая проблема выбора: сконцентрировать ресурсы на уже востребованных и частично проплаченных реакторах поколения 3+ или же пуститься в технологическую авантюру и бросить значительные силы на создание нового поколения энергоблоков? При этом нужно иметь в виду, что эти новые реакторы окажутся конкурентами, прежде всего, своих же старых реакторов. Следует также учитывать, что современные экономические расчеты по ряду причин чисто технического характера занижают рентабельность «быстрых реакторов» с замкнутым циклом.

С чисто математической точки зрения мы сталкиваемся в реальном бизнесе с типичной «дилеммой заключенного»:

Если никто из игроков на рынке реакторов не начинает всерьез работать над «быстрыми реакторами» и ЗЯТЦ, пролонгируется текущая ситуация. Если одна из сторон создает современную технологическую платформу, а остальные – нет, происходит полное перераспределение рынка в пользу инноватора. Если в создании новых энергоблоков преуспевают все, атомная энергетика получает ряд бонусов за счет угольной, газовой и, отчасти, нефтяной, но в самой атомной энергетике идет серьезная конкурентная борьба, в которой первое место позволит получить сверхприбыли, а второе – по крайней мере, вернуть затраты и удержаться в игре.

Думается, что в тот момент, в который «дилемма заключенного» в атомной индустрии будет осознана первым же из игроков, во всех атомных странах и корпорациях развернется лихорадочная работа по дизайну реактора и энергетической системы нового поколения.

В отраслевую историю эти события войдут под названием «второй ядерной гонки».

3. Стратегия развития ядерной энергетики

Россия может выиграть «вторую ядерную гонку», последовательно реализуя маловероятный, но возможный сценарий «Атомный прорыв». Содержанием сценария «Атомный прорыв» является создание «современной технологической платформы» ядерной энергетики с последующей доминацией РФ на мировом энергетическом рынке. Средовой, технологический, стратегический и, собственно, сценарный анализ показывают, что эта версия развития представляет собой аттрактор: к ней, так или иначе, сходятся все позитивные возможности. Конечно, нет никаких оснований постулировать, что этот сценарий будет реализован именно в России, но нам хотелось бы именно этого.

Система выборов

Выбор энергетики

На начало XXI века имелось три версии:

• Традиционная тепловая энергетика.

• Потоковая энергетика, прежде всего – солнечная, ветровая, гидроэнергетика.

• Ядерная энергетика.

На наш взгляд, нет никакой возможности совершить иной информированный выбор, нежели развитие ядерной энергетики (смотри первую часть данного документа). Эта развилка пройдена, принятие решения оформлено в дискурсе «атомного ренессанса».

Выбор типа ядерной энергетики

На сегодняшний день налицо три возможности:

• Ядерная энергетика, основанная на делении тяжелых ядер.

• Термоядерная энергетика, основанная на синтезе легких ядер.

• Кварковая энергетика, гипотетическая энергетика, основанная на тех возможностях, которые могут открыться при дальнейшем развитии теоретической физики – энергетика новых физических принципов.

При современных темпах движения по «инженерно-технической лестнице»: концептуальные исследования – НИР – НИОКР – ОКР – создание прототипов – создание коммерческой установки – тиражирование этой установки, – ни у термоядерной энергетики, ни у гипотетической новой энергетики, еще не оформленной концептуально, нет никаких шансов занять заметное место в мировой энергетике даже в долгосрочной перспективе. Поэтому эта развилка также пройдена: нам остается только цепная реакция деления.

Выбор технологической платформы

Имеется три версии:

• Традиционная технологическая платформа – референтные, сертифицированные реакторы на медленных нейтронах, «кипящие» или построенные по технологии «воды под давлением». В России – это исключительно реакторы ВВЭР.

• Инновационная технологическая платформа – реакторы на быстрых нейтронах вытесняющие «медленные» реакторы. Эти реакторы необходимо проектировать, строить, лицензировать, сертифицировать. Преимущество России в предстоящей «второй ядерной гонке» заключается в наличии одного «быстрого» блока, имеющего статус референтного.

• Смешанная технологическая платформа: реакторы на быстрых нейтронах включены в систему реакторов на медленных нейтронах в качестве важного, хотя и второстепенного компонента.

Поскольку мы стремимся реализовать сценарий «Атомный прорыв» в чистом виде – то есть, без связок с альтернативными сценариями, первую возможность необходимо отбросить. Выбор между второй и третьей версией предстоит сделать.

Выбор типа реактора

Здесь присутствует более трех возможных вариантов:

• Быстрые» реакторы – размножители (коэффициент размножения 1,2 и выше, оптимизируется рециклинг топлива, для рециклинга требуется отдельный завод, то есть топливный цикл замыкается вне станции).

• Быстрые реакторы – замкнутый цикл (коэффициент размножения около 1,0, топливный цикл замыкается внутри станции).

• Быстрые реакторы – дожигатели (коэффициент размножения не имеет значения, оптимизируется процесс утилизации ОЯТ, топливный цикл замыкается вне станции).

• Быстрые реакторы – производители водорода (коэффициент размножения имеет второстепенное значение, оптимизируется процесс изготовления топливных элементов для универсальной энергетики).

• «Экономичные реакторы» (основное требование – конкурентоспособность по отношению к традиционным ядерным технологиям, а также углеводородным и потоковым энергетическим технологиям, замкнутый топливный цикл нужен лишь в том случае, если он повышает конкурентоспособность).

Выбор не сделан.

Выбор теплоносителя

Коррелирует с выбором типа реактора, но не в полной мере. На сегодня представлены следующие варианты:

• Металлический натриевый теплоноситель (представлен коммерческим реактором БН–600 и группой экспериментальных реакторов, начиная с БОР–60 и заканчивая Монжу и «Суперфениксом»).

• Металлический свинцово-висмутовый теплоноситель (представлен реактором СВБР, который устанавливался на советских АПЛ проекта 705 «Лира»).

• Металлический свинцовый теплоноситель (представлен проектом линейки реакторов «Брест»)

• Газовый теплоноситель, углекислотный или гелиевый

• Жидкосолевой теплоноситель – расплавы или растворы солей.

• Обсуждаются также реакторы с водяным теплоносителем со сверхкритическими параметрами, вихревые установки с гомогенной рабочей зоной и т. п.

Здесь выбор не сделан. В современных проектах и планах лидирует натриевый теплоноситель, далее идет свинец (свинец-висмут вытесняется в сектор реакторов малой мощности, который в настоящее время является нишевым). При всех объявленных приоритетах в области водородной энергетики, на теме газового реактора никто не акцентируется. Реакторы с жидкой рабочей зоной практически находятся вне пространства рассмотрения.

Выбор мощности типового реактора

Решение носит не только и не столько инженерный, а социально-экономический аспект:

• Сверхмощные энергетические установки (электрическая мощность выше 1,5 ГВт, оптимальная в среднесрочной перспективе – 3 ГВт; в данный момент реакторов этой мощности в мире нет, в плане 3 «медленных» энергоблока французской разработки – один типа EPR, 2 типа APWR и один «быстрый» российский – БН-1800, в постройке французский EPR для Финляндии).

• Мощные энергетические установки 750 МВт – 1,5 ГВт электрической мощности.

• Установки средней мощности 350 –750 МВт электрической мощности.

• Малые установки 100 – 350 МВт электрической мощности.

• Возможно, следует ввести дополнительные ступени градации:

• Локальные установки 10 – 100 МВт электрической мощности

• Сверхмалые энергетические установки 1 – 10 МВт электрической мощности

• Ядерные источники энергии до 1 МВт электрической мощности.