За последние 20 лет объемы чистой энергии увеличились в 2 раза. Это энергия, полученная из экологически чистых источников — гидроэлектроэнергия, атомная, солнечная, ветровая, геотермальная, приливная, энергия биомассы. Однако ее доля в общем объеме добытой энергии осталась прежней и даже немного сократилась. Дело в том, что индустрия ископаемого топлива развивается быстрее индустрии чистой энергии. Многие бедные страны все еще используют дрова, навоз и уголь в качестве основного топлива. Доля альтернативных возобновляемых источников за последние 20 лет возросла практически до 10% в 2018 году, а атомные электростанции, наоборот, закрывались. И это при том, что солнечная и ветряная энергия нестабильна, ее можно получать только 10-30% времени, когда достаточно светит солнце и дует ветер. А больницам, домам, городам и заводам энергия нужна постоянно. Межправительственный комитет ООН по вопросам климата (IPCC) изучил содержание CO2 во всех видах топлива. Атомная энергетика оказалась одной из самых экологически чистых. При этом атомная электростанция может быть задействована 92% времени. Так почему же мы так боимся атомных электростанций?
Атомная энергия кажется хорошим решением в борьбе с изменением климата. Но есть одна большая проблема — людям она не нравится. Согласно опросу Ipsos, проведенному в 2014 году, атомная энергия — одна из наименее популярных. Всего 28% опрошенных отдали предпочтение атомной энергетике. Даже к нефти люди относятся лучше (30%). Больше всего люди доверяют солнечной (85%) и ветряной энергии (78%). Страх атомной энергетики связан с тремя факторами — возможность утечки, захоронение отходов и ассоциация с ядерным оружием.
Но сложно сделать атомную энергию еще более безопасной, чем она есть сейчас. Согласно исследованию, проведенному одним из крупнейших медицинских журналов Lancet, атомная энергия — самая безопасная среди всех остальных источников энергии. Она безопаснее ветрогенераторов и солнечных панелей. Рассмотрев данные об авариях в Фукусиме и Чернобыле, ВОЗ обнаружила, что большая доля вреда была вызвана паникой. ООН также провела комплексные исследования катастрофы в Чернобыле. Взрыв на ЧАЭС — это худшая ядерная авария из всех случившихся. В результате нее погибло 28 человек от острого лучевого синдрома и еще 15 человек умерло за последующие 25 лет от рака щитовидной железы. 16000 человек заболели после Чернобыля раком щитовидной железы и, по скромным оценкам, 160 из них умрет от этого вида рака. Ядерная катастрофа в Фукусиме занимает второе место по тяжести последствий. Выброс радиации был намного меньше, чем в Чернобыле. От облучения после Фукусимы нет смертельных случаев. Погибли 15000 человек, которых вытащили из домов престарелых и больниц. Они получили большую дозу радиации только потому, что их перемещали на большое расстояние. Во многом это стало следствием общей паники. Для человека, живущего в большом городе, вроде Лондона, Берлина или Нью-Йорка, риск смертности увеличивается на 2,8% только от загрязнения воздуха. Для тех, кто живет рядом с курильщиками — на 1,7%. Для ликвидаторов аварии в Чернобыле, которые получили дозу радиации 250 миллизиверт, она увеличилась лишь на 1%. Для сравнения, топливная энергетика создает неконтролируемые отходы в виде выбросов парниковых газов, от которых умирает 7 млн. человек в год. Поэтому сокращение топливной энергетики в пользу атомной уже спасло жизни 1,8 млн. человек.
А что насчет отходов? Отходов атомной энергетики, как оказалось, не так уж много. Если взять ядерные отходы за всю историю США и наполнить ими футбольный стадион, их высота будет всего 6 м. Отходы хранятся в специальных изолированных контейнерах, и они постоянно находятся под наблюдением. К тому же, сейчас ведутся разработки по использованию ядерных отходов в качестве топлива. Такая же ситуация и с ядерным оружием. Нет примеров того, как страны с атомной промышленностью вдруг начинали создавать ядерное оружие. На самом деле, происходит обратное. Оказывается, единственный известный способ избавиться от большого количества ядерного оружия — использовать плутоний из боеголовок в качестве топлива для АЭС.
Концепции атомной энергетики
В течение следующих 50 лет человечество будет потреблять энергии больше, чем было израсходовано за всю предыдущую историю. Сделанные ранее прогнозы о темпах роста энергопотребления и развитии новых энерготехнологий не оправдались: уровень потребления растет намного быстрее, а новые источники энергии заработают в промышленном масштабе и по конкурентоспособным ценам не ранее 2030 года. Все острее встает проблема нехватки ископаемых энергоресурсов. Возможности строительства новых гидроэлектростанций тоже весьма ограничены. Не стоит забывать и о борьбе с «парниковым эффектом», накладывающей ограничения на сжигание нефти, газа и угля на тепловых электростанциях. Решением проблемы может стать активное развитие ядерной энергетики, одной из самых молодых и динамично развивающихся отраслей глобальной экономики. Все большее количество стран сегодня приходит к необходимости начала освоения мирного атома.
Использование ядерной энергетики может оказаться одним из вариантов решения этих насущных проблем, как бы маловероятным это ни казалось. Но для этого необходимо пересмотреть методы ее применения. В основе производства атомной энергии лежит сила, которая удерживает части атома вместе. Если атом нестабилен, он будет стремиться перейти в более стабильное состояние путем расщепления. Нестабильность атома может быть естественной или же вызвана добавлением дополнительных нейтронов в ядро. Когда атом становится более стабильным и выбрасывает частицы, высвобождается огромное количество энергии, которая в закрытой системе может быть использована для выработки тепла, достаточного для приведения в движение турбины. Радиация, представления о которой часто искажены, происходит по большей части в силу естественных причин.
Давайте посмотрим, в чем заключаются преимущества ядерной энергетики:
- Из 1 кг урана можно получить в 90000 раз больше энергии, чем из 1 кг каменного угля.
- Современные технологии позволяют перейти на замкнутый топливный цикл, который подразумевает многократное использование топливных продуктов и минимизацию отходов.
- Ежегодно атомные станции в Европе позволяют избежать эмиссии 700 млн. тонн СО2.
- Одно рабочее место при сооружении АЭС создает более 10 рабочих мест в смежных отраслях.
- Развитие атомной энергетики способствует росту научных исследований и интеллектуального потенциала страны.
Атомные электростанции в мире
Согласно справочнику МАГАТЭ, опубликованному в 2019 году, в США в 2018 году действовало 98 ядерных реакторов, во Франции — 58, в Китае — 46, в Японии — 39, в России — 38, в Республике Корее — 24, в Индии — 22, в Канаде — 19, в Великобритании и Украине — по 15. Общая генерирующая мощность АЭС составляет свыше 380 ГВт.
Атомная электростанция — комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений, предназначенных для получения электроэнергии путем использования теплоты, выделяемой в ядерном реакторе в результате контролируемой цепной реакции деления ядер тяжелых элементов (в основном урана-233, урана-235, плутония-239). Теплота, образующаяся в активной зоне ядерного реактора, передается (непосредственно либо через промежуточный теплоноситель) рабочему телу (преимущественно водяному пару), которое приводит в действие паровые турбины с турбогенераторами, где механическая энергия пара превращается в электрическую. Дальше электроэнергия по проводам поступает к потребителям. В качестве теплоносителей применяют обычную и тяжелую воду, водяной пар, жидкие металлы, органические жидкости, некоторые газы, например, гелий или углекислый газ. Теплоноситель циркулирует по герметичным трубопроводам, которые в сочетании с циркуляционными насосами образуют так называемый реакторный контур или петлю. Контуры, по которым циркулирует теплоноситель, всегда замкнуты во избежание утечки радиоактивности, их число определяется в основном типом ядерного реактора, а также свойствами рабочего тела и теплоносителя.
АЭС могут быть с одноконтурной, двухконтурной и трехконтурной схемой работы теплоносителя. Одноконтурная схема применяется на атомных станциях с реакторами канального типа. В таких АЭС теплоноситель является также и рабочим телом. В них кипящий реактор сам является парогенератором, поэтому весь контур радиоактивен. Он окружен биологической защитой. Двухконтурную схему применяют на атомных станциях с водо-водяными реакторами. В таких АЭС в активную зону реактора подается под давлением вода, которая нагревается. Энергия теплоносителя используется в парогенераторе для образования насыщенного пара. Первый контур радиоактивен и окружается биологической защитой, кроме тех случаев, когда в качестве теплоносителя используется инертный газ. Второй контур обычно радиационно безопасен, поскольку рабочее тело и теплоноситель первого контура не соприкасаются. Трехконтурную схему применяют на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой, сооружают второй контур с нерадиоактивным натрием. Таким образом, схема получается трехконтурной. Особенность АЭС с реактором на быстрых нейтронах состоит в том, что одновременно с выработкой электрической и тепловой энергии они воспроизводят делящиеся изотопы, пригодные для использования в тепловых ядерных реакторах.
Одно из преимуществ АЭС по сравнению с обычными тепловыми электростанциями — их высокая экологичность, сохраняющаяся при квалифицированной эксплуатации ядерных реакторов. Существующие барьеры радиационной безопасности АЭС (оболочки тепловыделяющих элементов, корпус ядерного реактора и т.п.) предотвращают загрязнение теплоносителя радиоактивными продуктами деления. АЭС практически всегда строят вблизи потребителей энергии. Их сооружают с подветренной стороны относительно ближайшего населенного пункта. Вокруг станции создают санитарно-защитную зону и зону наблюдения, где проживание населения недопустимо. В зоне наблюдения размещают контрольно-измерительную аппаратуру для постоянного мониторинга окружающей среды. Способность АЭС работать длительное время без смены топлива позволяет использовать их в удаленных регионах. Срок эксплуатации АЭС 25-30 лет.
Первая в мире АЭС была построена в СССР около города Обнинска Калужской области. Предложение о создании реактора будущей АЭС впервые прозвучало в ноябре 1949 года на совещании научного руководителя атомного проекта Игоря Курчатова. Реактор проектировался сотрудниками Государственного физико-энергетического института (образован в 1950 году на базе секретной научно-исследовательской лаборатории «В», созданной в 1946 году около станции Обнинская Московско-Киевской железной дороги для проведения исследований по ядерной физике и физике реакторов). В сентябре 1951 года начались работы по строительству АЭС. 9 мая 1954 года в присутствии Игоря Курчатова началась загрузка активной зоны реактора топливными каналами и осуществлена цепная самоподдерживающаяся реакция деления урана. 27 июня 1954 года Обнинская АЭС дала первый промышленный ток. В октябре 1954 года АЭС вывели на полную проектную мощность в 5 МВт. На ней использовался графито-водный реактор канального типа АМ-1 (Атом Мирный). Управление всеми технологическими процессами на АЭС было полностью автоматизировано. Первая в мире АЭС находилась в эксплуатации 48 лет, 29 апреля 2002 года реактор станции был заглушен навсегда. АЭС выполнила свою миссию, положив начало развитию ядерной энергетики. В 2006 году на базе Обнинской АЭС был создан отраслевой мемориальный комплекс. В 2016 году был подписан меморандум о создании в Обнинске музея мировой атомной энергетики.
Вторая в мире АЭС вступила в строй в 1956 году в Колдер-Холле в Великобритании (мощность 46 МВт), третья — в 1957 году в Шиппингпорте в США (60 МВт). В 1974 году была пущена первая в мире атомная тепловая электростанция (АТЭЦ) — Билибинская (Чукотский автономный округ), предназначенная для выработки электроэнергии и теплоты (в виде пара и горячей воды, в том числе и для обеспечения горячим водоснабжением и отоплением жилых и промышленных объектов). Массовое строительство крупных экономичных АЭС началось во второй половине 60-х годов прошлого века. Оно продолжалось до взрыва, произошедшего 26 апреля 1986 года на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС, расположенной на территории Украинской ССР. В результате аварии был полностью разрушен реактор и в окружающую среду выброшено большое количество радиоактивных веществ, что привело к радиоактивному загрязнению территорий многих стран Северного полушария, наибольшему — территории России, Украины и Белоруссии. Почти 8,4 млн. человек в России, Украине и Белоруссии подверглись воздействию радиации. После аварии на Чернобыльской АЭС привлекательность ядерной энергетики заметно снизилась, а в ряде стран, имеющих достаточные собственные традиционные топливно-энергетические ресурсы или доступ к ним, строительство новых АЭС фактически прекратилось (Россия, США, Великобритания, ФРГ).
В начале XXI века рост цен на нефть и газ и беспокойство по поводу глобального потепления заставили мир заговорить об «атомном возрождении». К этому времени системы безопасности атомных станций в России и за рубежом были максимально усовершенствованы, чтобы практически абсолютно исключить человеческий фактор. Очередное торможение развития атомной энергетики во всем мире произошло из-за аварии на АЭС Фукусима-1 (Япония), которая случилась 11 марта 2011 года из-за сильнейшего землетрясения магнитудой от 9,0 до 9,1 в Тихом океане и последовавшего за ним цунами. Удар цунами вывел из строя на АЭС внешние средства электроснабжения и резервные дизельные генераторы, что явилось причиной неработоспособности всех систем нормального и аварийного охлаждения и привело к расплавлению активной зоны реакторов на трех энергоблоках. В декабре 2013 года АЭС была официально закрыта.
Альтернативы традиционным АЭС
Сейчас мир не просто вернулся к широкому использованию ядерной энергетики, множество новых стран заявили о своих планах по развитию своей собственной ядерной отрасли. Одним из новых на сегодняшний день направлений является развитие малых модульных жидкосолевых реакторов (ЖСР), включая реакторы, работающие на денатурированном ядерном топливе. Их разработка происходила в Соединенных Штатах Америки в основном в 1950-1970 гг. В отличие от реакторов, используемых сегодня, в ЖСР были предусмотрены уникальные решения для ряда проблем, возникающих при эксплуатации обычных реакторов:
- Соли уже находятся в расплавленном состоянии, поэтому «расплавление активной зоны ядерного реактора» невозможно. Если система перегревается, соли пассивно сливаются в охлаждающую емкость.
- Радиоактивные материалы образуют в системе прочные взаимосвязи. Летучие материалы постоянно удаляются из системы.
- Жидкосолевые реакторы работают при атмосферном давлении, что делает невозможным повторение инцидента, имевшего место на АЭС «Фукусима-1» в Японии в 2011 году.
Многие ЖСР сконструированы таким образом, что имеющиеся ядерные отходы расщепляются прямо в реакторе-конверторе. Системы ЖСР могут использовать расщепляющийся материал гораздо эффективнее, чем обычные атомные реакторы. Можно использовать ЖСР в режиме, обусловленном нагрузкой; избыточная реактивность предотвращается благодаря сильному отрицательному паровому коэффициенту и температурному коэффициенту реактивности.
Тория — материала, который используется в обогащенном виде для работы ЖСР — в земной коре в три раза больше, чем урана. В настоящее время торий считается лишь побочным продуктом добычи редкоземельных ресурсов, и его коммерческая ценность сравнительно невелика, но его можно добывать путем землечерпальных работ (в отличие от более инвазивных способов) или даже из океана.
Теоретически системы ЖСР могут работать на денатурированном ядерном топливе; такие системы более безопасны с точки зрения ядерного нераспространения по сравнению с обычными жидкосолевыми или реакторами других более традиционных конструкций.
Подобные установки могут эксплуатироваться в полностью замкнутом режиме с использованием турбины, работающей по циклу Ренкина или Брайтона, что позволяет исключить необходимость их расположения около крупных водных объектов, как в случае с современными реакторами.
Возможно расширение применения этой технологии, в основу которой входит модульная система. Если использование ЖСР поставить на коммерческую основу, им можно найти самое широкое применение.
Существование целого ряда возможностей применения ЖСР является, вероятно, наиболее очевидной причиной, по которой необходимо развивать эту технологию, поскольку с ее помощью можно будет, кроме всего прочего, обеспечивать миллионы людей электроэнергией, водой, изотопами медицинского назначения, вырабатывать энергию, необходимую для производства продовольствия, а также сокращать накопившиеся запасы ядерных отходов и проводить электричество в удаленных районах. Наконец, эту технологию можно применять не только на Земле. ЖСР может быть хорошим вариантом энергетической установки, которую можно использовать для поддержания человеческой жизнедеятельности или автоматических станций, работающих без участия человека, в космосе.
Идея выработки энергии на основе «обратного деления», основанная на разности масс, увлекла физиков много лет назад. Проблемой первых термоядерных реакторов или, точнее, того, что было на них похоже, оставалось не только высокое энергопотребление, но и отсутствие реальных результатов. Для упрощения понимания физики процесса нужно сказать, что термоядерный реактор работает не так, как традиционная АЭС. Внутри термоядерного реактора (токамака) с помощью электричества разогревается специальный газ, который удерживается в тепловом контуре специальными особо мощными магнитами. Современные строители термоядерных реакторов идут тремя путями удержание плазмы в токамаках (наиболее распространенный тип) или в стеллараторах, а также нагрев мишеней при помощи лазеров. К первому типу принадлежит ITER — проект международного термоядерного реактора, который позволит удерживать плазму температурой 100 миллионов градусов Кельвина в течение 600 секунд.
Удержание столь высокотемпературной плазмы невозможно при наличии контакта между стенками реактора и рабочей средой. Это обеспечивается мощным магнитным полем: так как плазма состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, то магнитное поле способно удерживать ее в «подвешенном» состоянии внутри рабочей камеры. ITER должен стать первым реактором, который производит больше энергии, чем потребляет на нагрев плазмы: при потреблении в 70-75 МВт тепловая мощность должна составить от 600 (в среднем) до 1100 (в пике) МВт. Однако данный реактор не предназначен для преобразования тепловой энергии в электрическую. Следующий реактор DEMO планируется как первая ТЯЭС, строительство которого должно начаться после завершения испытаний ITER. В конце прошлого года в лаборатории Чэнду в провинции Сычуань в Китае был запущен новый термоядерный реактор HL-2M Tokamak. Данная установка заменила предыдущую модель HL-2A, и позволила нагревать плазму до 150 миллионов градусов Кельвина. Новый реактор смог достичь времени удержания до 10 секунд при токе до 2,5 триллионов Ампер в плазме. Новая установка является самой передовой в Китае и предоставит техническую возможность вести научные исследования в области термоядерного синтеза и плазмы на передовом уровне. Но это экспериментальный реактор, то есть он не предназначен для выработки энергии. Однако планы развития китайской термоядерной энергетики предусматривают запуск первого промышленного реактора в 2035, и начало массового строительства ТЯЭС к 2050 году.
Второй тип — стеллараторы — работают по схожему принципу, однако вместо формы магнитной камеры в виде тора, как в токамаках, используется более сложная геометрическая структура. Принципиальное отличие стелларатора от токамака заключается в том, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создается внешними катушками, что, помимо прочего, позволяет использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей. Однако стеллараторы сложнее, и в современности пока не предпринимается явных попыток построить коммерческие электростанции, использовавшие бы реактор стеллараторной схемы. Существующие лабораторные экземпляры — Large Helical Device (Япония), Wendelstein 7-X (Германия), Ураган-3М (Украина), Л-2М (Россия). Третий вариант — лазерный нагрев мишени — наиболее прост и наименее эффективен. Небольшое количество дейтерия и трития заключено в мишени, которая нагревается и сжимается при помощи лазерного излучения. Наиболее известная установка — американский импульсный термоядерный реактор NIF — при энергии импульса в 422 МДж, при выходной мощности синтеза до 150 МДж (энергия взрыва 11 кг тротила). Для повышения отношения выходной мощности/затраченной энергии необходимо значительно повысить мощность лазерного импульса.
Так что портативный термоядерный реактор, который работает на мусорном топливе прямо на борту DeLorean» в фильме «Назад в будущее» — по своей сути не такая уж беспочвенная технологическая выдумка. Фактически, концепция, описанная в фильме, представляет собой идеальную потребительскую модель продукта будущего. Но для того чтобы создать маленький и портативный реактор, нужно сначала достроить большой, и заставить его работать так, как нужно. По существу, даже ITER, строительство которого обошлось в 45 млрд. евро, представляет собой очень дорогую и рискованную попытку понять, как можно обуздать и подчинить термоядерный синтез.
В заключение
Перед планетой и ее жителями стоит множество проблем и задач. Поиск решения для любой из них может быть очень непростым, не говоря уже о таких решениях, которые могут одновременно способствовать достижению сразу нескольких целей в области устойчивого развития. Научно обоснованный и рациональный подход к использованию атомной энергетики может спасти жизни и сохранить ресурсы. Настало время фундаментальным образом переосмыслить ее применение и продолжить изучать ее потенциал в мирных целях.
Статья подготовлена по материалам сайтов www.un.org, trends.rbc.ru, www.iaea.org, www.atomic-energy.ru, www.dw.com и habr.com.
