Атомная энергетика в структуре мирового энергетического производства в XXI веке

Атомно-водородная концепция предусматривает расширение использования ядерной энергетики для энергоемких отраслей химической, металлургической, строительной, топливной промышленности, а также в централизованном теплоснабжении распределенных потребителей с использованием хемотермической передачи энергии. И, наконец, атомно-водородная концепция предполагает крупномасштабное производство пресной воды. Такая энергетика сохранит нефть и газ для неэнергетических производств и обезопасит атмосферу от вредных выбросов продуктов сгорания.

В настоящее время крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов осуществляется в мире в основном путем паровой конверсии природного газа-метана. В этом случае около половины исходного газа расходуется на проведение эндотермического процесса паровой конверсии. Кроме того, сжигание природного газа приводит к загрязнению окружающей среды продуктами его сгорания. С целью экономии газа и снижения нагрузки на окружающую среду была разработана технологическая схема паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного гелиевого реактора. Ядерная технологическая часть комплекса при проведении паровой конверсии метана аккумулирует тепло, получаемое от высокотемпературного реактора, синтез-газ транспортируется к централизованному потребителю тепла, где в метанаторе проводится обратная реакция с выделением тепла. Это тепло передается распределенному потребителю в виде горячей воды и/или пара. По-видимому, в ближайшем будущем методы получения водорода с использованием природного газа будут основными.

Опреснение воды. Многие регионы мира испытывают дефицит пресной воды. Объем дополнительных потребностей пресной воды в ближайшее десятилетие оценивается в несколько кубических километров в год, что стимулирует разработки крупномасштабных технологий опреснения морской воды. Опреснение воды относится к энергоемким технологиям, и с учетом нарастания дефицита неизбежным будет вовлечение ядерной энергетики в энергообеспечение опрес нительных комплексов. Сочетание возможности использования в опреснительной технологии электроэнергии, высокотемпературного тепла и водорода выдвигает в качестве кандидата на разработку атомного опреснительного комплекса реактор типа ВТГР.

Обращение с ОЯТ и РАО. Выбор стратегии обращения с ОЯТ является решением, требующим учета многих факторов, включая технологические, экономические и политические, а также проблем гарантий и защиты окружающей среды. Основополагающими предпосылками к осуществлению перехода к замкнутому топливному циклу являются необходимость эффективного использования ресурсов урана и вовлечения плутония в топливный цикл для решения проблемы обеспечения топливом на будущее, а также управления и контроля обращения с высокоактивными и долгоживущими радионуклидами.

Имеющиеся инновационные технологии, связанные с переработкой ОЯТ, открывают возможность глобальной оптимизации замыкающих стадий ЯТЦ, включая парционирование, трансмутацию и захоронение. Процесс трансмутации высокоактивных и долгоживущих радионуклидов может быть осуществлен в инновационных тепловых и быстрых реакторах, однако нельзя исключить появление в структуре ЯЭ еще одного компонента — реакторов-выжигателей.

Развитие ЯЭ и окружающая среда. При сложившейся структуре ЯТЦ в реакторах на тепловых нейтронах при производстве 1 ГВт в год электроэнергии сжигается 1 т урана, добывается 200 т урана и, при содержании его в руде 0.1%, перерабатывается 200 тыс. т руды. При такой структуре кратковременный риск связан с работой АЭС и процедурами по переработке топлива (примерно 4-10 чел.-Зв на 1 ГВт в год полученной электроэнергии). Долговременный риск возникает при добыче урана за счет поступления радона в атмосферу: разброс, по разным оценкам, составляет примерно от 10 до 150- 200 чел.-Зв на 1 ГВт в год. При замыкании ЯТЦ и использовании в системе ЯЭ реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством, способных использовать эффективно более 50% добытого урана, долговременный риск снижается до нескольких чел.-Зв на каждый ГВт в год произведенной электроэнергии за счет снижения добычи урана.

Таким образом, при обоснованных на сегодняшнем уровне оценках ресурсных ограничений по урану, реализация умеренных (5000 ГВт (э)), а, тем более, «агрессивных» (10000 ГВт (э)) сценариев ядерно-энергетического развития ставит задачу развития многокомпонентной структуры ядерно-энергетической системы с расширенным воспроизводством и замкнутым топливным циклом. Такое развитие потребует обеспечить жесткие условия для сроков и темпов внедрения в ядерную энергетику технологических инноваций. Заметим, что быстрый темп внедрения инноваций трудно представить без целенаправленной государственной (и межгосударственной) поддержки.

Одной из наиболее трудных частей прогноза развития энергетики и, тем более, ядерной энергетики является фактор региональных особенностей в силу политических и общественных неопределенностей. 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 — идущее от сегодняшнего уровня «ядерного» развития стран и их декларируемых намерений (далее оно обозначается как «традиционное»). Другое приближение — стремление к более «справедливому» миру, где ядерная энергетика способствует сокращению разрыва в душевом энергопотреблении между развитыми странами и остальным миром. Предполагается, что выравнивание душевого энергопотребления происходит исключительно за счет ядерной энергии, что предельное удельное электропотребление составляет 4000 кВт-ч на человека и что мировая ядерная энергетика достигает к 2050 г. 2000 ГВт (э), к 2100 г. — 5000 ГВт (э).

В настоящее время тенденция к интеграции присутствует в той или иной степени на всех стадиях ядерного топливного цикла, начиная с добычи природного урана. Такие высокотехнологичные сегменты ЯТЦ, как обогащение урана, фабрикация ядерного топлива, переработка ОЯТ и производство смешанного уран-плутониевого топлива являются достоянием сравнительно небольшого числа (частных, государственных или смешанных) компаний из ограниченного, но постоянно расширяющегося круга стран. Только несколько стран в настоящее время способны по техническим и экономическим соображениям создать и эксплуатировать полный ядерный топливный цикл. Долгосрочная эксплуатация масштабного ЯТЦ может оказаться непосильным бременем для одной, даже достаточно развитой страны.

Все это, а также озабоченность проблемой нераспространения, создает предпосылки организации в мире крупномасштабных производств по обращению с ядерным топливом. Идеи международной кооперации в области ядерного топливного цикла не новы. Еще в середине 1970-х гг. международная оценка ядерного топливного цикла, инициированная МАГАТЭ, показала предпочтительность интернационального подхода к организации предприятий ЯТЦ, имеющего преимущества как из-за повышения экономической эффективности масштабного производства, так и из-за укрепления режима нераспространения.

Региональная картина. Рассматривается сценарий двухкомпонентной ядерной энергетики (усовершенствованные ТР и быстрые реакторы с KB ~ 1.6) с достижением установленной мощности ЯЭС 2000 ГВт (э) к 2050 г. Распределение имеющихся в настоящее время промышленных мощностей ЯТЦ по регионам мира приведены в табл. 3 (по данным на конец 2002 г.).

Полученные оценки характеристик основных элементов топливного цикла а также трансграничные потоки ядерного топлива показывают, что масштабы производств (до 100 000 т в год) и транспортные потоки (до 50 000 т в год) находятся на технически приемлемом уровне даже к концу XXI века.

Проблемы нераспространения и МЦТЦ (международных центров топливного цикла). 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, что требует разработки методики количественного анализа риска распространения.

Развитие идеологии МЦТЦ, помимо технологических вопросов, неизбежно влечет за собой огромный комплекс политических и институциональных проблем, решение которых, в случае признания и поддержки этого направления международным сообществом, в существенной степени изменит сегодняшнюю картину мира. Международное разделение производителей и потребителей неизбежно ведет к росту трансграничных потоков ядерных материалов и оборудования. Эти потоки достаточно жестко регулируются и ограничиваются международными и национальными правовыми актами как экономически защитного характера, так и вытекающими из проблемы нераспространения, и эта законодательная база постоянно трансформируется, исходя из развития международной интеграции.

Механизм ядерного энергетического лизинга существенно упрощает трансграничное перемещение ядерных материалов, поскольку они остаются собственностью страны-поставщика. Международный лизинг уже неоднократно применялся к ядерным материалам (США, Европейское Сообщество и др.). В настоящее время рассматриваются возможности развития законодательства РФ, чтобы перевести в форму лизинга многолетнюю практику поставок из России ядерного топлива в целый ряд стран с последующим возвратом в страну-изготовитель, и тем самым дать основания для существенной трансформации рынка услуг в области обращения с ядерным топливом. Обсуждаются возможности международного лизинга ядерных энергетических установок. Примером развития национального ядерного законодательства в области экспорта услуг по обращению с ядерным топливом является принятый в 2001 г. в РФ пакет законов, разрешающий переработку зарубежного ядерного топлива.

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, составляет здесь основные проблемы.

Этапы развития ядерной энергетики в XXI веке

За 50 лет развития ядерная энергетика прошла путь становления от первых опытных установок до развитой промышленности. В процессе ее развития стало очевидным, что сложность ядерных технологий требует значительных усилий и средств для их разработки и внедрения, а также высокой готовности потребителей к их использованию. Это обусловлено как сложностью процессов в ядерных установках, так и повышенной по сравнению с другими энергетическими системами опасностью технологий ядерного производства. 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. К этим требованиям добавляется также особое внимание международного сообщества к опасности несанкционированного распространения ядерных материалов и технологий с целью производства ядерного оружия. 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 неядерной сфере. Это также сказывается на инерционности ядерных инноваций. В то же время анализ развития энергетического производства в XXI веке явно свидетельствует об опасности задержки внедрения новых ядерных технологий, необходимых для гарантированного обеспечения энергией общества. Государственные структуры должны взять на себя ответственность за своевременную разработку и внедрение инноваций в эту сферу энергетического производства.

Материальная емкость ядерных технологий требует объединения усилий сообщества. Демонстрацией такого подхода могут служить международные проекты Генерация-4, ИНПРО (Международный проект по инновационным ядерным реакторам и топливным циклам), Международное партнерство по водородной экономике. Опережающие действия государственных структур по инновациям в ядерном производстве обусловлены пониманием, что ожидание «жареного петуха» может привести к чрезмерным экономическим нагрузкам на общество. В то же время опыт предыдущего пятидесятилетия атомной энергетики предостерегает и против неподготовленных революционных шагов в ее технологическом развитии.

Достаточно условно можно представить следующие этапы развития ядерных технологий в XXI веке.

Ближний (10-20 лет):

эволюционное развитие реакторов и технологий топливного цикла (ЛВР, водные методы переработки);

разработка и опытная эксплуатация улучшенных и инновационных технологий реакторов и топливного цикла (БН, ВТГР, малые реакторы, сухие методы переработки).

Период активного роста ядерной энергетики (до середины столетия):

расширение масштабов в 4-5 раз;

освоение инновационных технологий реакторов и топливного цикла (расширенное воспроизводство топлива, замкнутые U — R и Тh — U циклы, 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.

Таким образом, анализ тенденций мирового энергопроизводства показывает, что ядерная энергетика призвана занять место одного из главных источников энергии в этом столетии, предполагает ее использование не только в сфере производства электричества и коммунального теплоснабжения, но и для технологических процессов, в том числе производства водорода.

Сложность и потенциальная опасность ядерных технологий требуют значительных усилий для их разработки и внедрения, а также высокой готовности потребителей к их использованию. Все это делает инерционным процесс развития ядерной технологии, возникает необходимость повышенного, в сравнении с обычной техникой, внимания государственных структур. 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. 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.