Раздел 1. Развитие атомной энергетики

Двадцатый век прошел под знаком освоения энергии нового вида, заключенной в ядрах атомов, и стал веком ядерной физики. Эта энергия многократно превышает энергию топлива, применявшуюся человечеством в течение всей его истории.

Уже к середине 1939 года ученые мира располагали важными теоретическими и экспериментальными открытиями в области ядерной физики, что позволило выдвинуть обширную программу исследований в этом направлении. Оказалось, что атом урана можно расщепить на две части. При этом освобождается огромное количество энергии. Кроме того, в процессе расщепления выделяются нейтроны, которые в свою очередь могут расщепить другие атомы урана и вызвать цепную ядерную реакцию. Ядерная реакция деления урана весьма эффективна и далеко превосходит самые бурные химические реакции. Сравним атом урана и молекулу взрывчатого вещества – тринитротолуола (тротила). При распаде молекулы тротила выделяется 10 электронвольт энергии, а при распаде ядра урана – 200 млн. электрон-вольт, т. е. в 20 млн. раз больше.

Эти открытия произвели в научном мире сенсацию: в истории человечества не было научного события, более значительного по своим последствиям, чем проникновение в мир атома и овладение его энергией. Ученые понимали, что главное ее предназначение – производство электроэнергии и применение в других мирных направлениях. С вводом в эксплуатацию в СССР в 1954 г. первой в мире промышленной атомной электростанции мощностью 5 МВт в г. Обнинске началась эра атомной энергетики. Источником производства электроэнергии стало расщепление ядер урана.

Рис. 1.1. Рост мощностей АЭС в мире

Опыт эксплуатации первых АЭС показал реальность и надежность ядерно-энергетической технологии для промышленного производства электроэнергии. Развитые индустриальные страны приступили к проектированию и строительству АЭС с реакторами разных типов. К 1964 г. суммарная мощность АЭС в мире выросла до 5 млн. кВт.

С этого времени началось стремительное развитие атомной энергетики, которая, внося все более значимый вклад в общее производство электроэнергии в мире, стала новой многообещающей энергетической альтернативой. Начался бум заказов на строительство АЭС в США, позднее в Западной Европе, Японии, СССР. Темпы роста атомной энергетики достигли около 30% в год. Уже к 1986 г. в мире работали на АЭС 365 энергоблоков суммарной установленной мощностью 253 млн.кВт. Практически за 20 лет мощность АЭС увеличилась в 50 раз. Строительство АЭС велось в 30 странах мира (рис.1.1).

К тому времени широкую известность получили исследования Римского клуба – авторитетного сообщества ученых с мировыми именами. Выводы авторов исследований сводились к неизбежности достаточно близкого исчерпания природных запасов органических энергетических ресурсов, в том числе нефти, ключевых для мировой экономики, их резкого подорожания в ближайшей перспективе. С учетом этого атомная энергетика пришлась как нельзя более ко времени. Потенциальные запасы ядерного топлива (2 8 U, 2 5 U, 2 2 Th) на длительную перспективу решали жизненно важную проблему топливообеспечения при различных сценариях развития атомной энергетики.

Условия развития атомной энергетики были крайне благоприятны, причем экономические показатели АЭС также вселяли оптимизм, АЭС уже могли успешно конкурировать с ТЭС.

Атомная энергетика позволяла уменьшить потребление органического топлива и резко сократить выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду от ТЭС.

Развитие атомной энергетики базировалось на сформировавшемся энергетическом секторе военно-промышленного комплекса – достаточно хорошо освоенных промышленных реакторах и реакторах для подводных лодок с использованием уже созданного для этих целей ядерного топливного цикла (ЯТЦ), приобретенных знаниях и значительном опыте. Атомная энергетика, имевшая огромную государственную поддержку, успешно вписалась в существующую энергетическую систему с учетом присущих этой системе правил и требований.

Проблема энергетической безопасности, обострившаяся в 70-е годы ХХ в. в связи с энергетическим кризисом, вызванным резким повышением цен на нефть, зависимостью ее поставки от политической обстановки, заставила многие страны пересмотреть свои энергетические программы. Развитие атомной энергетики, уменьшая потребление органического топлива, снижает энергетическую зависимость стран, не имеющих или имеющих ограниченные собственные топливно-энерге

тические ресурсы, от их ввоза и укрепляет энергетическую безопасность этих стран.

В процессе быстрого развития атомной энергетики из двух основных типов энергетических ядерных реакторов – на тепловых и быстрых нейтронах – наибольшее распространение в мире получили реакторы на тепловых нейтронах.

Разработанные разными странами типы и конструкции реакторов с разными замедлителями и теплоносителями стали основой национальной ядерной энергетики. Так, в США основными стали водо-водяные реакторы под давлением и кипящие реакторы, в Канаде – тяжеловодные реакторы на природном уране, в бывшем СССР – водо-водяные реакторы под давлением (ВВЭР) и уранографитовые кипящие реакторы (РБМК), росла единичная мощность реакторов. Так, реактор РБМК-1000 электрической мощностью 1000 МВт был установлен на Ленинградской АЭС в 1973 г. Мощность крупных АЭС, например Запорожской АЭС (Украина), достигла 6000 МВт.

Учитывая, что блоки АЭС работают практически с постоянной мощностью, покрывая

АЭС «Три Майл Айленд» (США)

базовую часть суточного графика нагрузок объединенных энергосистем, параллельно с АЭС в мире строились высокоманевренные ГАЭС для покрытия переменной части графика и закрытия ночного провала в графике нагрузок.

Запорожская АЭС мощностью 6000 МВт – крупнейшая атомная электростанция Европы

Высокие темпы развития атомной энергетики не соответствовали уровню ее безопасности. На основании опыта эксплуатации объектов атомной энергетики, возрастающего научно-технического понимания процессов и возможных последствий возникла необходимость пересмотра технических требований, что вызывало увеличение капвложений и эксплуатационных затрат.

Серьезный удар развитию атомной энергетики был нанесен тяжелой аварией на АЭС «Три Майл Айленд» в США в 1979 г., а также на ряде других объектов, что привело к радикальному пересмотру требований безопасности, ужесточению действующих нормативов и пересмотру программ развития АЭС во всем мире, причинило огромный моральный и материальный ущерб атомной энергетике. В США, которые являлись лидером в атомной энергетике, с 1979 г. прекратились заказы на строительство АЭС, также сократилось их строительство в других странах.

Тяжелейшая авария на Чернобыльской АЭС в Украине в 1986 г., квалифицируемая по международной шкале ядерных инцидентов как авария самого высокого седьмого уровня и вызвавшая экологическую катастрофу на огромной территории, гибель людей, переселение сотен тысяч людей, подорвала доверие мирового сообщества к атомной энергетике.

«Трагедия в Чернобыле – это предупреждение. И не только в ядерной энергетике», – говорил академик В.А. Легасов, член правительственной комиссии, первый заместитель академика А.П. Александрова, возглавлявшего Институт атомной энергии имени И.В. Курчатова.

Во многих странах были приостановлены программы развития атомной энергетики, а в ряде стран вообще отказались от намеченных ранее планов по ее развитию.

Несмотря на это, к 2000 г. на АЭС, работающих в 37 странах мира, вырабатывалось 16% мирового производства электроэнергии.

Предпринятые беспрецедентные усилия по обеспечению безопасности эксплуатируемых АЭС позволили в начале XXI в. восстановить доверие общества к атомной энергетике. Наступает время «ренессанса» в ее развитии.

Авария на энергоблоке №4 Чернобыльской АЭС

Кроме высокой экономической эффективности и конкурентоспособности, обеспеченности топливными ресурсами, надежности, безопасности, одним из важных факторов является то, что атомная энергетика относится к экологически наиболее чистым источникам электроэнергии, хотя остается проблема утилизации отработанного топлива.

Стала очевидной необходимость воспроизводства (бридинга) ядерного топлива, т.е. строительства также реакторов на быстрых нейтронах (бридеров), внедрения переработки полученного топлива. Развитие этого направления имело серьезные экономические стимулы и перспективы, велось во многих странах.

В СССР первые экспериментальные работы по промышленному использованию реакторов на быстрых нейтронах были начаты в

1949 г., а с середины 1950-х годов начался ввод в эксплуатацию серии опытно-экспериментальных реакторов БР-1, БР-5, БОР-60 (1969 г.), в 1973 г. была введена в действие двухцелевая АЭС с реактором мощностью 350 МВт для производства электроэнергии и опреснения морской воды, в 1980 году запущен промышленный реактор БН-600 мощностью 600 МВт.

Обширная программа развития этого направления реализовывалась в США. В 1966–1972 гг. был построен экспериментальный реактор «Enrico Fermi l», а в 1980 году введен в эксплуатацию крупнейший в мире исследовательский реактор FFTF мощностью 400 МВт. В Германии первый реактор начал работать в 1974 году, а построенный реактор большой мощности SNR-2 так и не был введен в эксплуатацию. Во Франции в 1973 году был пущен реактор «Phenix» мощностью 250 МВт, а в 1986 г. – «Superphenix» мощностью 1242 МВт. Япония в 1977 г. ввела в эксплуатацию опытный реактор «Joyo», а в 1994 г. – реактор «Monju» мощностью 280 МВт.

В условиях экологического кризиса, с которым мировое сообщество вошло в ХХI век, атомная энергетика может внести значительный вклад в обеспечение надежного электроснабжения, снижение выбросов в окружающую среду парниковых газов и загрязняющих веществ.

Атомная энергетика наилучшим образом отвечает принятым в мире принципам устойчивого развития, одним из важнейших требований которого является наличие достаточных топливно-энергетических ресурсов при стабильном их потреблении в долгосрочной перспективе.

В соответствии с прогнозами, основанными на расчетах и моделировании развития общества и мировой экономики в XXI веке, доминирующая роль электроэнергетики сохранится. К 2030 г. по прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА) производство электроэнергии в мире увеличится более чем в 2 раза и превысит 30 трлн. кВт·ч, а согласно прогнозам Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) в условиях «ренессанса» атомной энергетики ее доля увеличится до 25% мирового производства электроэнергии, причем уже в течение ближайших 15 лет в мире будет построено свыше 100 новых реакторов, а мощность АЭС возрастет с 370 млн. кВт в 2006 г. до 679 млн. кВт в 2030 г.

В настоящее время активно развивают атомную энергетику страны с высокой ее долей в общем объеме вырабатываемой электроэнергии, включая США, Японию, Южную Корею, Финляндию. Франция, переориентировав электроэнергетику страны на атомную и продолжая ее развивать, с успехом решила энергетическую проблему на многие десятилетия. Доля АЭС в производстве электроэнергии в этой стране достигает 80%. Развивающиеся страны с незначительной еще долей ядерной генерации электроэнергии высокими темпами строят АЭС. Так, Индия заявила о намерении в долгосрочной перспективе построить АЭС мощностью 40 млн. кВт, а Китай – более 100 млн. кВт.

Из 29 блоков АЭС, строившихся в 2006 г., 15 находились в Азии. Планируют впервые ввести АЭС Турция, Египет, Иордания, Чили, Таиланд, Вьетнам, Азербайджан, Польша, Грузия, Белоруссия и другие страны.

Дальнейшее развитие атомной энергетики планирует Россия, которая предусматривает к 2030 г. построить АЭС мощностью 40 млн. кВт. В Украине в соответствии с Энергетической стратегией Украины на период до 2030 г. предусматривается увеличивать выработку АЭС до 219 млрд. кВт·ч, сохранив ее на уровне 50% общей выработки, и повысить мощность АЭС практически в 2 раза, доведя ее до 29,5 млн. кВт, при коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) 85%, в том числе за счет ввода новых блоков мощностью 1–1,5 млн.кВт и продления срока эксплуатации действующих блоков АЭС (в 2006 г. в Украине мощность АЭС составила 13,8 млн. кВт с выработкой 90,2 млрд. кВт·ч электроэнергии, или около 48,7% общей выработки).

Ведущиеся во многих странах работы по дальнейшему совершенствованию реакторов на тепловых и быстрых нейтронах позволят обеспечить дальнейшее повышение их надежности, экономической эффективности и экологической безопасности. При этом важное значение приобретает международное сотрудничество. Так, при реализации в будущем международного проекта ГТ МСР (газотурбинный модульный гелиоохлаждаемый реактор), который характеризуется высоким уровнем безопасности и конкурентоспособности, минимизацией радиоактивных отходов, может повыситься к.п.д. до 50%.

Широкое применение в будущем двухкомпонентной структуры атомной энергетики, включающей АЭС с реакторами на тепловых нейтронах и с реакторами на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное топливо, повысит эффективность использования природного урана и снизит уровень накопления радиоактивных отходов.

Следует отметить важнейшую роль в развитии атомной энергетики ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), который фактически является ее системообразующим фактором. Это вызвано следующими обстоятельствами:

• ЯТЦ должен обеспечиваться всеми необходимыми структурными, технологическими и конструктивными решениями для безопасной и эффективной работы;
• ЯТЦ является условием социальной приемлемости и экономической эффективности атомной энергетики и ее широкого использования;
• развитие ЯТЦ приведет к необходимости объединения задач обеспечения требуемого уровня безопасности АЭС, вырабатывающей электроэнергию, и минимизации рисков, связанных с производством ядерного топлива, включая добычу урана, транспортировку, переработку отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и захоронение радиоактивных отходов (единая система требований по безопасности);
• резкое увеличение добычи и использования урана (начальный этап ЯТЦ) ведет к росту опасности попадания природных долгоживущих радионуклидов в среду обитания, что требует повышения эффективности топливоиспользования, уменьшения количества отходов и замыкания топливного цикла.

Экономическая эффективность работы АЭС зависит напрямую от топливного цикла, включая сокращение времени на перегрузку топлива, повышение эксплуатационных характеристик тепловыделяющих сборок (ТВС). Поэтому важное значение имеет дальнейшее развитие и совершенствование ЯТЦ с высоким коэффициентом использования ядерного топлива, созданием малоотходного замкнутого топливного цикла.

Энергетической стратегией Украины предусматривается развитие национального топливного цикла. Так, добыча урана должна увеличиться с 0,8 тыс. т до 6,4 тыс. т в 2030 году, получит дальнейшее развитие отечественное производство циркония, циркониевых сплавов и комплектующих для тепловыделяющих сборок, а в перспективе создание замкнутого топливного цикла, а также участие в международной кооперации по производству ядерного топлива. Предусматривается корпоративное участие Украины в создании мощностей по изготовлению тепловыделяющих сборок для реакторов ВВЭР и в создании Международного центра по обогащению урана в России, вхождение Украины в предложенный США Международный банк ядерного топлива.

Обеспеченность топливом атомной энергетики имеет важнейшее значение для перспективы ее развития. Современные потребности в природном уране в мире составляют порядка 60 тыс. т при общих запасах около 16 млн.т.

В ХХI в. резко возрастет роль атомной энергетики в обеспечении возрастающего производства электроэнергии в мире с использованием более совершенных технологий. Атомная энергетика пока не имеет серьезного конкурента на длительную перспективу. Чтобы реализовать ее развитие в широких масштабах, она, как уже указывалось, должна обладать следующими свойствами: высокой эффективностью, обеспеченностью ресурсами, энергоизбыточностью, безопасностью, приемлемостью экологического воздействия. Первые три требования могут быть выполнены при использовании двухкомпонентной структуры атомной энергетики, состоящей из тепловых и быстрых реакторов. При такой структуре можно значительно увеличить эффективность использования природного урана, снизить его добычу и ограничить уровень поступления радона в биосферу. Пути достижения необходимого уровня безопасности и снижения капитальных затрат для реакторов обоих типов уже известны, нужны время и средства на их реализацию. К моменту осознания обществом необходимости дальнейшего развития атомной энергетики технология двухкомпонентной структуры будет фактически подготовлена, хотя многое еще необходимо сделать в плане оптимизации ЯЭУ и структуры отрасли, включая и предприятия топливного цикла.

Уровень экологического воздействия в основном определяется количеством радионуклидов в топливном цикле (уран, плутоний) и в хранилищах (Np, Am, Cm, продукты деления).

Риск от воздействия короткоживущих изотопов, например 1 1 I и 9 0 Sr, l 7 Cs, может быть снижен до допустимого уровня за счет повышения безопасности АЭС, хранилищ, предприятий топливного цикла. Приемлемость такого риска можно доказать на практике. Но трудно доказать и невозможно продемонстрировать надежность захоронения долгоживущих актиноидов и продуктов деления в течение миллионов лет.

Несомненно, нельзя отказываться от поиска путей надежного захоронения радиоактивных отходов, но необходимо разрабатывать возможность использования актиноидов для получения энергии, т.е. замыкания топливного цикла не только по урану и плутонию, но и по актиноидам (Np, Am, Cm и др.). Трансмутация опасных долгоживущих продуктов деления в системе реакторов на тепловых нейтронах усложнит структуру атомной энергетики за счет дополнительных технологических процессов по изготовлению и переработке ядерного топлива или увеличит число типов ядерно-энергетических установок. Введение Np, Am, Cm, других актиноидов и продуктов деления в топливо реакторов усложнит их конструкцию, потребует разработки новых видов ядерного топлива, отрицательно скажется на безопасности.

В связи с этим рассматривается возможность создания трехкомпонентной структуры атомной энергетики, состоящей из тепловых и быстрых реакторов и реакторов для сжигания Np, Am, Cm и других актиноидов и трансмутации некоторых продуктов деления.

Важнейшими проблемами являются переработка и удаление радиоактивных отходов, которые могут быть преобразованы в ядерное топливо.

В первой половине ХХI века человечеству предстоит осуществить научный и технический прорыв на пути освоения новых видов энергии, в том числе электроядерной с использованием ускорителей заряженных частиц, и в перспективе термоядерной, что требует объединения усилий, международной кооперации.

Строительство Тяньваньской АЭС (Китай)

Тяньваньская АЭС – самая крупная по единичной мощности энергоблоков среди всех строящихся в настоящее время АЭС в Китае. Ее генплан предусматривает возможность строительства четырех энергоблоков мощностью 1000 МВт каждый. Станция расположена между Пекином и Шанхаем на берегу Желтого моря. Строительные работы на площадке начались в 1998 году. Первый энергоблок АЭС с водо-водяным энергетическим реактором ВВЭР-1000/428 и турбиной К-1000-60/3000, запущенный в мае 2006 года, был сдан в эксплуатацию 2 июня 2007 года, а второй такой же блок – 12 сентября 2007 года. В настоящее время оба энергоблока атомной станции работают стабильно на 100% мощности и снабжают электроэнергией китайскую провинцию Цзянсу. Планируется строительство третьего и четвертого энергоблоков АЭС «Тяньвань».