Подписка:

+7 495 274-22-22

Телефон для справок:

+7 495 274-22-22

УДК: 621.039 DOI:10.33920/vne-04-2107-01

Ядерная энергетика XXI века в контексте климатических ограничений

Евгений Павлович Велихов д-р физ.-мат. наук, профессор, академик РАН, член президиума РАН, почетный президент НИЦ «Курчатовский институт», 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, E-mail: nrcki@nrcki.ru
Владимир Дмитриевич Давиденко д-р техн. наук, руководитель отделения НИЦ «Курчатовский институт», 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, E-mail: Davidenko_VD@nrcki.ru
Виктор Филиппович Цибульский д-р техн. наук, советник президента НИЦ «Курчатовский институт», 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, E-mail: Tsibulskiy_VF@nrcki.ru
Ключевые слова: ядерная энергетика, атомная генерация, термоядерный реактор, потребление энергии, АЭС, экономический рост, климатические изменения

В статье рассматривается вопрос развития ядерной энергетической системы в текущем столетии. Значимость этого вопроса как для перспективы, так и для выбора способов решения текущих энергетических задач высока, что в большой степени обусловлено нарастающими ограничениями экологического характера. Использование ядерной энергетики обещает минимизировать негативное воздействие энергосистемы на природу. Однако опасность радиационного загрязнения окружающей среды является существенным сдерживающим фактором развития отрасли в большом масштабе. В статье обсуждается проблема развития ядерной энергетической системы в варианте согласованного использования реакторов деления производства энергии и гибридных термоядерных реакторов для производства искусственного топлива из ториевого сырья для реакторов деления. Представлены оценки в обоснование предпочтений рассматриваемой структурной организации ядерной энергетической системы.

UDK: 621.039 DOI:10.33920/vne-04-2107-01

Nuclear energy on the 21st century in climate limits context

Evgeny Pavlovich Velikhov Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, member of the Presidium of the RAS, Honorary President of NRC Kurchatov Institute, 123182, Russia, Moscow, Academika Kurchatova sq., 1, E-mail: nrcki@nrcki.ru
Vladimir Dmitrievich Davidenko Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of NRC Kurchatov Institute, 123182, Russia, Moscow, Academika Kurchatova sq., 1, E-mail: Davidenko_VD@nrcki.ru
Viktor Filippovich Tsybulskiy Doctor of Technical Sciences, Adviser to the President of NRC Kurchatov Institute, 123182, Russia, Moscow, Academika Kurchatova sq. 1, E-mail: Tsibulskiy_VF@nrcki.ru
Keywords: nuclear power, nuclear generation, thermonuclear reactor, energy consumption, nuclear power plants, economic growth, climate change

Nuclear energy system development in the current century is considered in the article. The importance of this issue both for the future and for the choice of ways to solve current energy problems is high, which is largely due to the increasing environmental restrictions. Nuclear energy using promises negative impact of the energy system on enviroment minimizing. However, the danger of radiative pollution of the environment is a significant deterrent to the large scale industry development. The article discusses the problem of the nuclear power system development in the variant of the coordinated use of fission reactors for energy production and hybrid thermonuclear reactors for production of artificial fuel from thorium raw materials for fission reactors. Estimates are presented to substantiate the preferences of the structure of the nuclear power system under consideration.

Развитие мировой энергетики в текущем веке, как и прежде, будет определяться двумя главными тенденциями: ростом численности населения планеты и глобальным сближением по уровню удельного потребления энергии в разных странах. С середины 60-х гг. прошлого века, т. е. немногим более чем за полвека, численность населения планеты увеличилась в 2,3 раза. За это время потребление первичной энергии выросло в 3,7 раза.

Предыдущие полвека удельное потребление первичной энергии (потребление в расчете на человека) в мире росло невысоким темпом, около 0,6 % в год, а в последние десятилетие еще ниже — 0,3 % в год. Следует отметить, что неравномерность потребления энергии в мире достаточно большая и высокие темпы ее потребления в предыдущие полвека определялись главным образом ростом экономик в развивающихся странах. За это время разница в удельном потреблении первичной энергии между развитыми и развивающимися странами уменьшилась с 24 до 3 раз. Развивающийся мир в той конфигурации, как он определялся в семидесятые годы прошлого века, в котором проживала и проживает большая часть населения планеты, наращивал потребление первичной энергии со значительно большей интенсивностью. Сейчас эта неравномерность в значительной части скомпенсирована, и на перспективу текущего столетия можно, по всей видимости, ориентироваться на фактор роста глобальной численности населения планеты как доминирующего параметра увеличения потребления энергии. Пропорциональное соответствие между потреблением энергии и уровнем экономического развития, сближение разных регионов мира по уровню энергопотребления предопределены самой природой эволюции: жизнь людей на планете неизбежно ведет к распространению знаний и навыков, технологическому выравниванию разных экономик, а следовательно, и к потреблению энергии. Ускорили естественный ход процесса такого выравнивания развитые страны, организовав в межгосударственных отношениях так называемый процесс глобализации. Суть его проста. Экологически грязные, энергоемкие и ресурсоемкие производства, т. е. производства начального этапа передела продукции, перемещались в развивающиеся страны. Продукция, которую они производили, для следующих этапов передела перевозилась в развитые страны. Это позволяло развитым странам реализовать на своих территориях высокоэффективное производство с большой долей добавленной стоимостью и низким потреблением энергии. В ближайшие годы мировое движение будет мотивировано теми же факторами, как и прежде, и по этой причине можно ожидать, что еще до середины этого века различие в мире между странами по экономическому, технологическому и интеллектуальному развитию будут преодолены. Это новое состояние, конечно, найдет отражение и в глобальной энергетической политике, в которой на приоритетные позиции выступят не озабоченность дефицитом ресурсов, а проблемы добычи и использования энергии как наиболее значимого фактора сохранения экологической стабильности.

Этап эволюции, связанный с борьбой за выживание на отдельных территориях, по всей видимости, приближается к завершению. Объективно существенные различия между странами будут нивелированы, ресурсно сырьевые проблемы будут решены, и, скорее всего, произойдет это не в очень далекой перспективе. После этого развитие мировой цивилизации уже будет восприниматься как эволюция единого целого и многие ценностные ориентиры будет скорректированы. Все большую значимость будет приобретать фактор комфортного выживания на планете всех вместе, а это предполагает в первую очередь сохранение экологически привлекательной среды обитания при одновременном наращивании потребления энергии.

В настоящее время доля антропогенной энергии, используемой людьми для удовлетворения потребностей экономики, составляет около одной сотой процента от энергии, поступающей на Землю от Солнца. Это, конечно, немного, и риск для окружающей среды от такого дополнительного производства энергии, по всей видимости, незначителен. В последние годы возникла озабоченность, связанная с потеплением климата. Назначили виновника — избыточное поступление в атмосферу парниковых газов, в первую очередь СО2. Что уже сейчас всячески побуждает экономику принимать серьезные решения, способствующие снижению эмиссии парниковых газов. Считая главным виновником в эмиссии парниковых газов энергетику, ее развитию по традиционному пути стараются всячески воспрепятствовать.

В настоящее время около 80 % энергии, используемой людьми в экономике, извлекают из ископаемых углеводородов, что и обеспечивает рост антропогенного СО2 в атмосфере. Доля СО2 в парниковом эффекте невелика, он «ответственен» примерно за 6 % эффекта. Основной парниковый газ — это пары воды, но повышенное внимание к углекислому газу сейчас доминирует. Строгих доказательств, что именно СО2 — главный источник проблем, связанных с глобальным потеплением, нет. Поэтому не очевидно, что, избавившись от антропогенной эмиссии СО2, климат на Земле вернется к более прохладному.

Когда ведут разговор о повышении температуры Земли, то имеют в виду среднее значение температуры поверхности, которое определяют как среднее между множеством измерений в разных местах планеты. Определенная таким образом температура составляет 14,8 оС. Сейчас считается, что средняя температура планеты увеличивается. С начала индустриальной эпохи (1900 г.) ее рост составил около 1 оС, при погрешности определения среднего значения температуры около ±2 оС.

При такой неопределенности странно выглядит активность по внедрению энерготехнологий на основе так называемых возобновляемых источников, которые преподносятся как абсолютное решение энергетических проблем. Усилия, которые тратят передовые страны, чтобы побудить мир двигаться в этом направлении, внушительны и впечатляют. Возможно, истинный мотив такой активности совсем не связан с заботой об экологии. Для развивающихся стран сосредоточиться в энергетическом строительстве преимущественно на возобновляемых источниках — путь к большим ограничениям экономического роста. Это означает, что современные экономические лидеры сохранят свое привилегированное положение еще на какое-то время, ведь они-то свою энергетику уже выстроили.

Еще К. Марксом было подмечено, что «…теория становится материальной силой, как только она овладевает массами». При этом совершенно не важно, хороша теория или плоха, во благо она или во вред, нужно всего лишь, чтобы много людей проявили озабоченность в ее отношении. В этом случае теория приобретает рыночную привлекательность, а следовательно, обретает способность приносить доход. Насколько эффективно функционирует такой механизм по самым разным поводам, нетрудно убедиться, наблюдая за происходящим.

Массмедиа активно и, главное, эффективно формируют требуемую позицию, зачастую вообще без какойлибо достоверной аргументации.

Кроме антропогенного углекислого газа есть и другие факторы, способные вызвать потепление климата, если оно есть. На них тоже следовало бы обратить внимание, но пока все концентрируется вокруг СО2. Например, как указывалось выше, антропогенная энергия составляет всего сотую процента от ее потока со стороны Солнца. Понятно, что такое количество «дополнительной» энергии не в состоянии значительно повлиять на температурный режим в глобальном масштабе. Однако следует учесть, что практически весь сброс антропогенной энергии происходит в узком приземном слое атмосферы. Сложная энергетика физических процессов, происходящих в нем, требует учета этой антропогенной энергии. Ею уже нельзя пренебречь. При таком рассмотрении доминантным фактором влияния на температурный режим становится уже не химический состав сбросных материалов, поступающих в атмосферу, а количество энергии.

Предсказательное математическое моделирование процессов глобального характера, к которым относятся и вопросы, связанные с изменением климата планеты, пока не дает достоверных результатов, подтверждающих прогнозы на длительное время. Причина этого в сложности и комплексности рассматриваемых вопросов, скудости экспериментальных данных, кроме этого, нет и полноты физической картины явления. Достоверность аргументов относительно климатических изменений пока сомнительна, а потому и прибегать к первым попавшимся под руку вариантам разрешения вопроса преждевременно. Можно даже усугубить трудности. В использовании так называемых возобновляемых источников энергии следует быть особенно осмотрительным. Солнечная радиация, водные ресурсы и движение воздушных масс — основные физические процессы, с помощью которых природа занимается формированием климата и большинства явлений, обеспечивающих жизнь планеты. Эти параметры находятся, если так можно выразиться, в оперативном управлении у природы, и не следует в них вмешиваться, последствия такого вмешательства непредсказуемы. Изменения климата от такого вмешательства могут быть малозаметны ежегодно, но они обладают способностью накапливаться и в конечном итоге способны привести к серьезным неприятностям. Совсем не факт, что такие глобальные процессы обратимы и все можно будет вернуть на прежнее место.

Как будут развиваться события на энергическом рынке, ответить доказательно, конечно, нельзя. Однако представить потребительский и технологический потенциал отдельных энергетических отраслей целесообразно. Ведь именно эти оценки в конечном итоге определяют практические шаги в стратегическом направлении. Далее постараемся оценить потенциал ядерной энергетики как одной из составляющих энергетического комплекса и возможность его реализации в текущем веке.

Оценивая состояние атомной отрасли с учетом текущих тенденций в целом, его можно определить, как умеренно негативное.

В настоящее время генерирующие мощности атомной энергетики в мире составляют около 400 ГВт (эл). На АЭС преимущественно работают реакторы на тепловых нейтронах с водой под давлением, которые за полувековую историю израсходовали около 1,5 млн т природного урана. Гарантированные и готовые к добыче и поставке на рынок запасы природного урана сейчас составляют около 8,7 млн т. Учитывая, что атомная энергетика является наиболее чистой в экологическом смысле в сравнении с другими энерготехнологиями. Казалось бы, что в сложившихся условиях строительство новых АЭС должно идти в приоритетном порядке. Действительно, с точки зрения энергетической эффективности у атомных станций конкурентов нет. Под эффективностью здесь понимается отношение производства энергии относительно ее затрат. Затраты энергии связаны со строительством АЭС, изготовлением оборудования, добычей топлива и его подготовкой к использованию, выводом из эксплуатации отслужившего срок оборудования. При эксплуатации АЭС энергии будет произведено в 75 раз больше в сравнении с ее затратами. Для обычных электростанций с топливом в виде природного газа это отношение около 30 раз, для гидростанций — 35, для ветрогенераторов — 4 раза.

Если рассматривать вопрос эмиссии парниковых газов, то при генерации электроэнергии на АЭС никаких антропогенных выбросов не происходит, так же как на гидроэлектростанциях или при использовании ветрогенераторов. В то же время при строительстве самих генерирующих мощностей идет расход большого количества строительных материалов, изготовление которых сопровождается эмиссией парниковых газов. Для современных АЭС основной расход строительных материалов связан со строительством защитной оболочки реактора (контаймента). Вес защитной оболочки реактора ВВЭР-1000 составляет около 26 тыс. т. Расход материалов на единицу мощности для АЭС — около 30 т в расчете на 1 МВт (эл). Аналогичная величина для современного ветрогенератора составляет около 1000 т в расчете на 1 МВт установленной мощности, т. е. в 30 раз больше в сравнении с АЭС. С учетом отличий в материалоемкости различных энерготехнологий получаем оценки по эмиссии парниковых газов. Для ветрогенераторов эмиссия парниковых газов будет в 20 раз больше в сравнении с АЭС, для обычных тепловых электростанций, работающих на природном газе, — в 40 раз больше АЭС.

При всех положительных характеристиках атомной генерации и очевидных предпосылок для ее интенсивного развития действительность демонстрирует иную тенденцию. В текущем веке доля атомной генерации в мире сократилась с 17 до 10 %. В ряде прогностических исследований отстаивается предположение, что подобный тренд связан исключительно с аварией на Японской АЭС «Фукусима», и предполагается, что по прошествии небольшого времени рост атомной энергетики возобновится.

Более жесткие оппоненты выдвигают системные претензии к атомной энергетике, и они, конечно, представляются более обоснованными. Эти требования касаются и риска радиоактивного загрязнения окружающей среды, и ограниченности сырьевой базы, и длительных сроков строительства АЭС, что отрицательно сказывается на экономике.

Риск радиоактивного загрязнения окружающей среды, по всей видимости, следует рассматривать в качестве приоритета в перечне негативных факторов. Причиной тому, конечно, являются несколько тяжелых аварий на АЭС, сопровождаемых значительным выбросом радиоактивных элементов в окружающую среду, произошедших в последние десятилетия. Боязнь радиоактивного загрязнения значительных территорий, пожалуй, — главное препятствие для широкомасштабного строительства атомных станций. Другим фактором, препятствующим масштабному росту, является ограниченность ресурсов природного урана. По разным оценкам, общий объем ресурсной базы, экономически и энергетически приемлемой для добычи, составляет от 20 до 60 млн т природного урана. В пересчете на нефть это примерно 60 до 200 млрд т нефти. Для справки: годовое потребление первичной энергии сейчас составляет около 14 млрд т нефтяного эквивалента. Как видно из этих цифр, крупномасштабную атомную энергетику вряд ли удастся построить, если сжигать только уран-235, содержащийся в природном уране, его там всего 0,7 %. По этой причине значительное внимание в перспективных разработках реакторов деления уделяется направлению так называемых быстрых реакторов. Топливный цикл этих реакторов обладает тем преимуществом, что они способны эффективно конвертировать сырьевой изотоп уран-238 в делящийся плутоний. В таких реакторах количество наработанного плутония из урана-238 больше, чем израсходованного. С такими реакторами, даже по скромным оценкам, имеющейся ресурсной базы атомной энергетики хватит на сотни лет. Но по-прежнему существенно портит благодушную картину важный фактор радиационной безопасности. Причем в случае быстрых реакторов проблема радиационной безопасности связывается не только и не столько непосредственно с ядерным реактором, как с его топливным циклом. Дело в следующем. Чтобы использовать вновь наработанный в реакторе плутоний, необходимо его извлечь из облученного топлива, а для этого необходимо вскрыть тепловыделяющие элементы, в которых сосредоточена вся радиоактивность в виде продуктов деления и радиоактивных трансурановых изотопов. Таким образом, в составе облученного топлива находятся: сырьевой изотоп (уран-238), наработанный несгоревший плутоний и разные радиоактивные изотопы. Продукты деления и другие радиоактивные изотопы надо отделить и утилизировать, например отправить на захоронение. Это, конечно, непростая технологическая задача, но, по всей видимости, справиться с ее решением можно. Однако любая технология переработки облученного ядерного топлива, как и подобные ей технологии в других отраслях, неизбежно будет сопровождаться безвозвратными потерями, их еще называют технологическими. Обычно эти потери невелики, составляют доли процента, но неприятность состоит в том, что определить их местоположение и количество не представляется возможным. Такие потери при переработке облученного ядерного топлива (ОЯТ) сейчас оптимистично оцениваются в 0,1 %. Конечно, безвозвратные потери будут постоянно где-то накапливаться. Это накопление будет носить рассеянный характер, вряд ли они сосредоточатся в одном месте. В результате, несмотря на распад радиоактивных продуктов деления, присутствующих в потерях, общая радиоактивность накопленного количества безвозвратных потерь будет расти и, по всей видимости, рано или поздно, но будет представлять значительный риск радиоактивного загрязнения окружающей среды. С учетом этого обстоятельства переработка ОЯТ из реакторов деления является технологией с высоким риском, и гарантий, что общество согласится с ее применением для решения проблем топливного цикла атомной энергетики, нет. Это еще одна неопределенность в развитии атомной отрасли.

Чтобы справиться с этой проблемой, необходимо отказаться от переработки высокоактивного ОЯТ из реакторов деления. Но проблема топливного дефицита остается, поэтому, чтобы конвертировать сырьевые изотопы уран-238 или торий-232 в делящиеся, следует использовать нейтроны, полученные не в реакторах деления, а иным способом, например в термоядерных реакторах.

Кардинальное решение этой проблемы, а именно полный отказ от переработки ОЯТ, в принципе невозможно, поскольку дефицит делящихся изотопов в этом случае остается. Снижение же рисков радиоактивного заражения при переработке ОЯТ связано либо со значительным увеличением времени выдержки или снижением времени облучения, что, очевидно, негативно скажется на темпах роста ЯЭ, либо с кардинальными изменениями процесса облучения сырьевых материалов для накопления делящихся изотопов. Оптимизируя соотношения долей деления и захвата нейронов при облучении сырьевых изотопов уран-238 или торий-232, можно добиться существенного снижения удельной активности на одно образующееся ядро делящегося изотопа, поскольку основной вклад в активность облученного топлива, как известно, дает реакция деления. Также следует иметь в виду, что при облучении сырьевых изотопов нейтронами с энергией порядка 14 МэВ доля «реакции срыва» увеличивает общее число нейтронов более чем в два раза, что приводит и к уменьшению доли деления в балансе всех возможных реакций взаимодействия. Снижение энергии нейтрона нивелирует долю реакции срыва, с одной стороны, и увеличивает долю деления образующихся в сырьевых изотопах плутония-239 и урана-233. Таким образом, облучение сырьевых материалов высокоэнергетичными нейтронами увеличивает эффективность образования делящихся нуклидов, уменьшает долю деления и, следовательно, удельную активность на одно ядро нового топливного материала.

В традиционных, да и в перспективных реакторах, как быстрых, так и тепловых, получить исключительно высокоэнергетические нейтроны не представляется возможным. Но, как известно, в термоядерном реакторе при слиянии ядер трития и дейтерия образуются исключительно высокоэнергетичные нейтроны с энергией 14,2 МэВ, которые можно эффективно использовать для облучения сырьевых изотопов урана и тория.

Таким образом, в ядерной энергетической системе термоядерные реакторы следует ориентировать на производство искусственного топлива из сырьевых изотопов для последующего получения энергии в реакторах деления, т. е. использовать термоядерный реактор не как источник экологически чистой электроэнергии, а как источник экологически чистого ядерного топлива. При этом, как показывают расчеты, мощности термоядерных установок около 7 % от мощности всей ядерной системы будет достаточно, чтобы обеспечить топливом все реакторы деления. Принципиально важным является следующее. При конверсии сырьевых изотопов в делящиеся с использованием термоядерных нейтронов нет надобности долго держать сырьевой изотоп под нейтронным облучением, а следовательно, и радиоактивность облученного топлива будет небольшой. Высвобождаемая из облученного материала радиоактивность будет более чем в сто раз ниже в сравнении с аналогичной при переработке ОЯТ из реакторов деления. Следовательно, и риск радиоактивного загрязнения окружающей среды будет в такой же пропорции меньше. Такой топливный цикл уже может оказаться приемлемым.

Другие преимущества от разделения функций производства энергии и искусственного топлива. Термоядерный реактор, предназначенный для производства искусственных делящихся изотопов, может работать как в стационарном, так и в импульсном режиме, накапливая продукцию на складе. График его работы нет надобности согласовывать с требованиями энергосистемы. Это обстоятельство важно для термоядерных установок, которых пока нет, но про которые известно, что их непрерывная работа длительное время будет затруднительна. Если в качестве сырьевого изотопа будет использован торий, то термоядерный нейтрон можно будет эффективно размножить (более чем в два раза) без образования продуктов деления, и за счет этого произвести еще больше делящихся изотопов. Заметим, что торий предпочтительнее в качестве сырья для ядерной энергетики, его на Земле почти в четыре раза больше, чем урана. Делящийся изотоп уран-233, получающийся из тория, — прекрасное ядерное горючие для реакторов на тепловых нейтронах. Достаток топлива в ядерной системе позволит эффективно адаптировать тепловые реакторы к потребностям распределенной энергетики, ориентируясь на реакторы малой и средней мощности с высоким уровнем заводской готовности. В полном объеме реализовать концепцию так называемых ядерных батареек с длительностью кампании 10–15 лет. Экономика таких реакторов так же выиграет, и весьма существенно.

По существу, это будет ядерная энергетика, в значительной степени отличающаяся от существующей в сторону большей безопасности, маленького риска радиоактивного загрязнения окружающей среды, высокого уровня адаптивности к потребностям энергосистемы в целом. Понятно, что в такой постановке первоочередной становится задача создания гибридного термоядерного реактора, способного обеспечить производство делящихся изотопов из ториевого сырья.

В настоящее время во Франции большая международная кооперация строит термоядерную установку ITER, которая должна продемонстрировать на практике возможность создания установок, работающих с использованием технологий управляемого термоядерного синтеза. Ожидается, что завершение строительства и пуск установки будут в 2025 г. Конечно, рассматривать ITER в качестве прототипа будущих термоядерных реакторов не следует, его главная задача — дать практическое подтверждение возможности создания установок на основе управляемого термоядерного синтеза и демонстрация достигнутого технологического потенциала. Это позволит уже в текущем веке сделать следующий весьма существенный шаг в использовании ядерной энергетики для удовлетворения нужд цивилизации в энергии.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование выполнено в инициативном порядке.

Conflict of interest. Authors declare no conflict of interest.

Financing. The study was carried out on an initiative basis.