Роль атомной энергетики в структуре мирового энергетического производства XXI века и Атомно-водородная энергетика

Пономарёв-Степной Н.Н. – В 1952 г. окончил МИФИ. В настоящее время работает в Российском научном центре «Курчатовский институт», являясь его вице-президентом. Заведующий кафедрой моделирования ядерных процессов и технологий МФТИ. Профессор МФТИ. Круг научных интересов: ядерная энергетика, ядерные технологии, ядерные космические энергоустановки. В 1987 г. избран действительным членом РАН. Член совета директоров Американского Ядерного общества. Главный редактор журнала "Атомная энергия"

Содержание

Глобальная ядерная энергетика 21 века
Периоды развития ядерной энергетики в ХХI веке

Значительный рост мирового энергопотребления является неизбежным в двадцать первом веке, особенно в развивающихся странах. Глобальное потребление энергии, по всей видимости, удвоится к середине века, даже если исходить из очень низких темпов роста. Этот рост зависит от развития мировой экономики, роста населения и стремления к более равномерному распределению потребления энергии по регионам мира. Другим важным вызовом энергетики, который будет способствовать устойчивому развитию мирового сообщества, является использование водорода, производимого из воды с применением чистых источников первичной энергии. И, наконец, обеспечение пресной водой также потребует значительных источников энергии. Позитивному решению этих проблем будет способствовать развитие ядерной энергетики. Чтобы существенно повлиять в глобальном масштабе на производство энергии, энергетическую безопасность и улучшение экологической обстановки, производство ядерной энергии должно быть увеличено к середине века в 4 – 5 раз от ныне достигнутого. Наличие ядерных мощностей такого масштаба поднимает очень важные вопросы относительно ресурсной обеспеченности топливом, обращения с отходами и распространения ядерного оружия. Очевидно, что при дальнейшем развитии ядерной энергетики необходимо обеспечить экономическую приемлемость и соблюдение критериев технической безопасности. Крупномасштабное развитие ядерной энергетики предполагает ее использование в большем числе стран, чем в настоящее время. Это ставит дополнительные задачи в ее развитии, учитывающие вопросы безопасности и нераспространения. В настоящее время ядерная энергетика используется, главным образом, для генерации электричества. В перспективе ядерная энергия наряду с наращиванием производства электричества будет постепенно замещать органическое топливо в теплоснабжении технологических процессов, а, в конечном счете, обеспечит производство водорода из воды. Кроме того, в перспективе будет освоено опреснение морской воды с использованием ядерной энергии. В мире имеется достаточное количество ядерных материалов для обеспечения потребностей ядерной энергетики в топливе на многие десятилетия вперед даже при работе в открытом цикле. Однако в дальнейшем она неизбежно столкнется с ограниченностью ресурсов дешевого урана. В связи с этим придется неминуемо реализовать возможности ядерной энергии по замыканию топливного цикла и расширенному воспроизводству топлива при использовании в качестве сырья урана и тория. Внедрением этих инновационных ядерных технологий проблемы ресурсов ядерного топлива могут быть вообще сняты. Одной из важнейших проблем ядерной энергетики продолжает оставаться проблема нераспространения. Снижение риска распространения, безусловно, будет одним из важных критериев при выборе перспективных топливных циклов. Имеющийся опыт свидетельствует о том, что для эффективного снижения риска распространения делящихся материалов требуется не только рассмотрение новых технологических подходов, но и разработка новых институциональных рамок. В данной статье на основе прогнозов развития энергетики дается оценка возможной роли ядерной энергетики в обеспечении устойчивого развитии человечества, как в глобальном масштабе, так и по регионам мира.

Глобальная ядерная энергетика 21 века

Анализ роли атомной энергетики в структуре мирового энергетического производства XXI века выполнен с помощью модели глобальной ядерно-энергетической системы, которая базируется на прогнозе динамики мирового энергопотребления, определяемой темпами мирового и регионального энергетического развития. Рассмотренные сценарии отличаются темпами роста экономики, ее направленностью, темпами роста населения, темпами внедрения новых технологий, темпами глобализации и либерализации экономики. В рамках этих сценариев выполнена оценка развития ядерной энергетики. Эти данные показаны на рис.1. Они демонстрируют широкий диапазон темпов и уровня развития ядерной энергетики. Умеренные величины развития ядерной энергетики, используемой, в основном, для генерации электричества, соответствуют мощности АЭС 2000 ГВт(э) в 2050 году и 5000 ГВт(э) в 2100 году или, соответственно, 45 EJ и 140 EJ. Ряд исследователей оценивают развитие ядерной энергетики менее оптимистично. Пример такого подхода представлен в докладе MIT(Массачусетского технологического института), в котором прогнозируется мощность АЭС в 2050 году около 1000 Гвт(э). Такой подход обусловлен приверженностью авторов доклада к доктрине открытого ядерного топливного цикла. Расширенное воспроизводство и замыкание ядерного топливного цикла с повторным использованием воспроизводимого топлива практически неограниченно увеличивает ресурсы ядерного топлива. С учетом этого представляется целесообразным оценить предельные «агрессивные» возможности, которые могут внести ядерные технологии в развитие энергетики. Ядерная энергетика имеет возможность дополнительно к приведенным выше мощностям обеспечить производство электроэнергии примерно 30 EJ в 2050 году и 70 EJ в 2100 году. Развитие водородной экономики не возможно без использования энергии ядерных ректоров для производства водорода из природного газа, а, в конечном счете, из воды. Ядерная энергетика может поставлять также технологическое тепло для процессов газификации и сжижения на основе угля. Ожидаемые масштабы неэлектрического использования ядерных реакторов будут определяться стратегией решения проблемы исчерпания основных наиболее дешевых запасов природных углеводородов, необходимостью сокращения эмиссии парниковых газов и успешностью разработок соответствующих реакторных технологий для замещения углеводородов в неэлектрических секторах энергопотребления, на транспорте и крупнотоннажных отраслях промышленных технологий. Таким образом, в дополнение к генерации электричества, ядерные технологии могут поставить значительное количество энергии для теплоснабжения, производства водорода, синтетического топлива и совершенствования использования органического топлива. В «агрессивном» сценарии суммарно (ЭЭ + тепло) это составит в электрическом эквиваленте 85 EJ в 2050 году и 240 EJ в 2100 году.

Ресурсы ядерного топлива

Одним их ключевых факторов, определяющих возможный «облик» мировой ядерно-энергетической системы XXI века, является оценка достаточности урановых ресурсов. Мировые запасы урана, включающие: запасы категории Reasonable Assured Resources /RAR/ и Estimated Assured Resources /EAR/ по наивысшей рассматриваемой сегодня цене в 130 долларов за килограмм урана, дополнительные ресурсы, основанные на оценках тенденций и характеристиках «подобия», «теоретические» ресурсы, полученные путем геологических экстраполяций и, наконец, ресурсы, которые эксперты включают в рассмотрение пока без ценовой оценки, а также уже извлеченные ресурсы дают в сумме 17.1 млн. метрических тонн. Низкий уровень этой оценки объясняется недостаточно активным финансированием разведки месторождений урана, отсутствием стимула к поиску урана более высоких ценовых категорий, чем сегодняшние цены 20-40 USD/кгU, возможностью побочного производства урана при добыче других продуктов и рядом других соображений. В связи с этим, представляется оправданным использование для понимания чувствительности «облика» ядерной энергетики к увеличению ресурсов урана выполнить оценки ее развитии при запасах урана 20 40 млн. тонн. Эти оценки не учитывают добычу урана из морской воды (около 4 млрд. тонн), которая, возможно, когда-либо станет реализуемой, поскольку поиск технологий добычи урана из морской воды не прекращается. Торий может расширить топливную базу ядерной энергетики в несколько раз, но для этого нужно создать промышленность по его добыче, производству и переработке топлива. Торий как потенциальный топливный ресурс не конкурирует с ураном, а создает дополнительные ресурсные возможности. Однако, если высокие темпы развития мощности ядерной энергетики будут ограничиваться ресурсами дешевого урана, масштабное внедрение тория не решает эту проблему, т.к. время удвоения ядерного горючего в ториевых системах много больше, чем в системах с быстрыми реакторами, работающими на уран-плутониевом топливе.

Открытый или замкнутый цикл

Продолжается дискуссия сторонников открытого или замкнутого ядерного топливного цикла. Основным аргументом сторонников открытого цикла является запрет на извлечение плутония из отработанного ядерного топлива и его повторное использование в ядерных реакторах, что, якобы, решает проблему нераспространения. Такой подход оставляет вне рассмотрения другие факторы, влияющие на масштаб развития ЯЭ, в том числе и на риск распространения, такие как ресурсы ядерного топлива, мощности обогащения урана, объемы накопления ОЯТ, накопление и рециркуляция плутония. Использование тепловых реакторов типа ЛВР в открытом топливном цикле по умеренному сценарию приводит к высокому потреблению природного урана (43 млн. тонн) рис.2. Развитие ЯЭ по модели открытого топливного цикла наталкивается не только на ограничение ресурсов природного урана, но и на проблему обращения с ОЯТ. Известно, какие трудности испытывает американская ядерная энергетика в связи с вводом в эксплуатацию хранилища ОЯТ в Юкка Маунтин. Объем этого хранилища составляет приблизительно 70000 тонн ОЯТ.

Принимая это хранилище за стандартную единицу можно оценить количество таких хранилищ в случае развития ядерной энергетики по сценарию открытого цикла. /рис 3/. Кроме того, следует обратить внимание на необходимость наращивания значительных объемов разделительного производства, что находится в противоречии с исходным аргументом сторонников открытого цикла, что открытый цикл снижает риск распространения.

Замыкание топливного цикла с выделением плутония из тепловых реакторов и использованием его для начальной загрузки быстрых реакторов без расширенного воспроизводства также не обеспечит даже умеренного развития ядерной энергетики при использовании 14 млн. тонн природного урана. Только замкнутый цикл с расширенным воспроизводством плутония (КВ 1.6) позволяет обеспечить умеренный сценарий развития ЯЭ, не выходя за пределы 15 млн. тонн по добыче природного урана рис.4.

Структура ядерной энергетики

Двухкомпонентная структура ядерно-энергетической системы (тепловые реакторы, удовлетворяющие нужды различных потребителей + быстрые реакторы с расширенным воспроизводством для базовой нагрузки) позволяет обеспечить не только умеренное развитие ядерной энергетики с уровнем производства электричества 2000 ГВт(э) в 2050 году и 5000 ГВт(э) в 2100 году при реалистичных по сегодняшним оценкам ресурсов урана, но и реализовать «агрессивный» сценарий, в котором предусматривается дополнительное производство электричества, в том числе, с внедрением реакторов малой и средней мощности, а также использование реакторов для производства водорода, технологического и бытового тепла и пресной воды.

Выполнена оценка возможного роста атомной энергетики и ее роли в энергетике мира исходя из ресурса 26 млн. тонн природного урана с вводом быстрых реакторов с расширенным воспроизводством плутония (КВ 1.6) с 2030 года рис.5. В этом случае мощность ядерной энергетики в пересчете на электричество составит ~10000 ГВт(э) к 2100 году. Ядерная энергетика может производить примерно 70% электричества к 2050 году и 85% в 2100 году. Эта программа практически стабилизирует добычу органического топлива для производства электричества на современном уровне. И, наконец, эта программа развития ядерной энергетики позволяет стабилизировать эмиссию СО2 на современном уровне. /рис 6/. Такое развитие потребует обеспечить жесткие условия для сроков и темпов внедрения в ядерную энергетику технологических инноваций. Эти инновации включают замкнутый топливный цикл с коротким временем переработки, «хорошие бридеры» (с КВ 1.6) и «хорошие ТР» с КВ 0.9, использующие уран-плутониевое топливо. Кроме того, потребуются реакторы для более эффективного производства электричества и производства водорода, реакторы малой мощности. Особенно активным должен быть поиск и реализация решений по переработке ОЯТ и обращению с РАО. Быстрый темп разработки и внедрения инноваций трудно представить без целенаправленной государственной (и межгосударственной) поддержки. При подготовке соответствующих государственных решений необходимо учитывать инерционность разработки ядерных технологий. Это означает, что в критической ситуации с органическими энергоресурсами даже категорические государственные решения не смогут заставить ядерную энергетику мгновенно разработать и внедрить новые технологии.

Региональная модель ядерно-энергетической системы мира и Международные центры топливного цикла (МЦТЦ)

Одной из наиболее трудных частей прогноза развития энергетики, особенно ядерной, является прогнозирование региональных особенностей в силу политических и общественных неопределенностей. В качестве региональной модели мира принято устоявшееся в МАГАТЭ разбиение стран на группы, отражающее их чисто географическое положение рис.7.

При рассмотрении перспектив развития регионов учитывались как экономические реалии и состояние инфраструктуры (энергетические сети, коммуникации, кадровые ресурсы, и т.д.), так и чувствительность к насыщению ядерными материалами, пригодными для изготовления оружия. Рассмотрены два приближения по распределению ядерных энергетических мощностей в мире XXI века. Одно – «традиционное» – идущее от сегодняшнего уровня «ядерного» развития стран и их декларируемых намерений. Другое – «сокращение разрыва» – стремление к справедливому миру, где ядерная энергетика способствует сокращению разрыва в душевом энергопотреблении между развитыми странами и остальным миром. Предполагается, что предельное удельное электропотребление составляет 4000кВтхчас на человека и что мировая ядерная энергетика достигает к 2050 году – 2000 ГВт(э), к 2100 году – 5000 ГВт(э). рис.8.

В настоящее время тенденции к интеграции присутствуют в той или иной степени на всех стадиях ядерного топливного цикла, начиная с добычи природного урана. Только несколько стран в настоящее время способны по техническим и экономическим соображениям самостоятельно создать и эксплуатировать полный ядерный топливный цикл. Все это, а также озабоченность проблемой нераспространения, создает предпосылки организации в мире крупномасштабных производств по обращению с ядерным топливом. Дальнейшее развитие процесса интернационализации ЯТЦ с выходом на создание международных центров по обращению с ядерным топливом требует детального анализа технических, политических и социальных, а также институциональных вопросов. рис.10

Для двух принятых приближений о региональном развитии ядерной энергетики, рассмотрен сценарий размещения чувствительных производств ядерного топливного цикла (обогащение – фабрикация топлива и его переработка) только в регионах их сегодняшнего размещения. Получены оценки характеристик основных элементов топливного цикла: изготовление свежего и переработка облученного ядерного топлива, мощности ядерной энергетики по регионам, а также трансграничные потоки ядерного топлива рис.9,10,11. Одним из важных аргументов в пользу МЦТЦ является возможность более полного и адекватного обеспечения гарантий нераспространения путем концентрации наиболее уязвимых с точки зрения риска распространения производств ЯТЦ (обогащение, изготовление, переработка топлива) в центрах, находящихся под международным контролем и обеспеченных всеми необходимыми и совершенными технологиями физической защиты, мониторинга, контроля и учета. Вместе с тем, уязвимость этой линии развития по мотивам риска распространения связана с возрастающими потоками ядерных материалов между их потребителями (АЭС) и МЦТЦ. Все это требует разработки методики количественного анализа для объективного сравнительного анализа и минимизации риска распространения. рис.11

В некоторых случаях, в целях снижения риска распространения желательно дополнить состав МЦТЦ специальными ядерными энерготехнологическими установками: ядерные реакторы с расширенным воспроизводством, а также реакторы, нацеленные на производство водорода, который может быть распределен потребителям для удовлетворения их энергетических потребностей. Централизованное производство энергоносителя – водорода может рассматриваться как одно из важных направлений кардинального решения проблемы нераспространения. Развитие идеологии МЦТЦ неизбежно влечет за собой огромный комплекс политических и институциональных проблем, решение которых, в случае признания и поддержки этих усилий международным сообществом, в существенной степени изменит сегодняшнюю картину мира. Наиболее сложными для решения и восприятия международной общественностью являются социальные и этические проблемы международного распределения радиационных нагрузок и «благ» между «странами-хозяевами», оказывающими ценные энергетические услуги, и их потребителями. Выбор места для международных центров и восприятие общественности, очевидно, составят здесь основные проблемы. Однако, международный подход предоставит возможность использовать наиболее подходящую геологию для организации удаления РАО (например, исключить места с повышенной сейсмической активностью) и предложить гибкое решение для стран которые не могут позволить себе иметь собственное хранилище. При таком подходе обращение с замыкающей частью ЯТЦ происходит в МЦТЦ на коммерческой основе, но под международным контролем.

Периоды развития ядерной энергетики в ХХI веке

За 50 лет развития ядерная энергетика прошла путь становления от первых опытных установок до развитой промышленности. В процессе развития ядерной энергетики стало очевидным, что сложность ядерных технологий требует значительных средств для их разработки и внедрения, а также высокой готовности потребителей к их использованию. Обеспечение ядерной безопасности при использовании ядерных технологий требует соответствующего уровня культуры общества. Это требование относится и к разработчикам, и к пользователям, и к системе управления, контроля и регулирования ядерного производства, и к уровню образованности общества в целом. Все это делает процесс развития ядерной технологии инерционным, возникает необходимость повышенного в сравнении с обычной техникой внимания государственных структур. В связи с отмеченными выше обстоятельствами, а также более высоким риском инвестиций коммерческие структуры участвуют в развитии новых ядерных технологий с большей осторожностью, чем в не ядерной сфере. Это также сказывается на инерционности ядерных инноваций. Государственные структуры должны взять на себя ответственность за своевременную разработку и внедрение инноваций в эту сферу энергетического производства. В сферу международной ответственности входит как непосредственный анализ и отбор того, что необходимо делать, обеспечение соответствующих научных и технических разработок, стимулирование коммерческих промышленных структур к реализации инновационных технологий, а также подготовка конкретных пользователей (стран и структур) к работе с ядерными технологиями. Опережающие действия государственных структур по инновациям в ядерном производстве обусловлены пониманием, что ожидание «жаренного петуха» может привести к чрезмерным экономическим нагрузкам на общество. В тоже время опыт предыдущего пятидесятилетия атомной энергетики предостерегает и против неподготовленных революционных шагов в ее технологическом развитии. В связи с этим, оценивая предстоящие этапы развития ядерной энергетики, можно уверенно прогнозировать сочетание эволюционного улучшения отработанных и успешно реализуемых технических подходов с постепенной разработкой и освоением новых технологических решений, соответствующих требованиям ядерной энергетики будущего этапа. Достаточно условно можно представить следующие этапы развития ядерных технологий в XXI веке. Ближний, (десять – двадцать лет): -эволюционное развитие реакторов и технологий топливного цикла, -разработка и опытная эксплуатация улучшенных и инновационных технологий реакторов и топливного цикла. Период активного роста ядерной энергетики, (до середины столетия): -расширение масштабов в четыре/пять раз, -освоение инновационных технологий реакторов и топливного цикла, (расширенное воспроизводство топлива, замкнутый U-Pu и Th-U цикл, использование полезных и выжигание опасных изотопов, долговременная геологическая изоляция РАО, бридеры, высокотемпературные реакторы, малые реакторы, производство водорода, опреснение воды). Период устойчивого развития крупномасштабной ядерной энергетики, (вторая половина столетия): -развертывание инновационных ядерных технологий, -многокомпонентная ядерная энергетика, -атомно-водородная энергетика.

(продолжение следует)