Характерной особенностью современной цивилизации является огромная потребность в энергии, без которой она нежизнеспособна.
На протяжении столетий человеку служила энергия, запасенная в атмосфере, океане, растениях, – энергия ветра, рек, древесины. В XVIII в. человек начал использовать уголь, в XIX – нефть и природный газ, в XX в. получил ядерную энергию расщепленного атома.
Ядерная энергия в силу уникальной ее концентрации оказалась предельно приспособленной для централизованного производства электроэнергии, которой человечеству для удовлетворения своих энергетических нужд требуется все больше и больше. Так, если при полном сгорании 1 кг газа можно получить всего 14,9 кВт·ч энергии, нефти – 12,6, угля – 8,2, то при делении 1 кг ядерного топлива (урана или плутония) выделяется 22,8 млн кВт·ч электрической энергии.
Обеспеченность человечества природным ураном – основным сырьем для ядерного топлива – сопоставима с обеспеченностью нефтью и газом, но при этом учитываются лишь доступные и экономически рентабельные на сегодняшний день ресурсы.
Уран находится на земле повсеместно. Это металл, приблизительно такой же распространенный, как олово или цинк, он является составляющим множества пород (концентрация в среднем 0,0002–0,0004% в горных породах и 0,00013% – в море и океане). Поэтому при разработке экономичных технологий извлечения урана из распространенных на Земле пород ресурсы топлива для АЭС будут практически неисчерпаемы.
В настоящее время баланс ядерного топлива может быть восполнен и из вторичных источников, к которым относятся:
складские запасы;
уран и плутоний, регенерированные из отработанного ядерного топлива (смешанное оксидное топливо);
повторно обогащенные хвосты обедненного урана;
уран и плутоний класса оружия и т.д.
Использование вторичных источников практически наполовину покрывает потребности мировой атомной энергетики. Приведем данные мировой добычи и производства урана (табл. 1).
До сих пор нет технического решения, как наиболее полно использовать всю энергию ядерного топлива. К примеру, АЭС с блоком ВВЭР1000 (водоводяной энергетический реактор электрической мощностью 1000 МВт) потребляет за год примерно до 30 т ядерного топлива1 – обогащенного урана в виде оксида урана UO2. Для этого необходимо подвергнуть переработке порядка 150–180 т природного урана, содержащегося в урановой руде и являющегося на сегодняшний день основным сырьем для ядерного топлива. Но в итоге лишь не более 1 т загружаемого в реактор ядерного топлива подвергается делению и, соответственно, участвует в энерговыработке.
Тем не менее возможная выработка электрической энергии электростанциями на ядерном топливе в несколько сотен раз превышает выработку электроэнергии на органическом топливе, принимая равные расходы сырья. При этом топливная составляющая в себестоимости выработки электрической энергии на ядерном топливе значительно ниже, чем на органическом.
Например, на мировых рынках стоимость урана на сегодняшний день составляет порядка 150–180 долл./кг. Затраты на добычу и производство урана, как правило, составляют не более 2/5 от затрат на производство ядерного топлива2. Соответственно, приблизительно можно рассчитать общие максимальные затраты на топливо в год для блока ВВЭР1000 по формуле
,
где Ит – годовые издержки на топливо для АЭС, долл.; Вгод – общий расход топлива за год, кг; Цт – средняя цена урана на мировых рынках, долл./кг; a – доля затрат на добычу урана от общих затрат на производство ядерного топлива; r – коэффициент рентабельности производства ядерного топлива (условно 0,3).
Подставляя исходные данные, получаем Ит=73ё105 млн долл. в год. Общая выработка электрической энергии АЭС с блоком ВВЭР1000 при коэффициенте использования установленной мощности 0,7 в год составит примерно 6,132 млрд кВт·ч. Тогда топливная составляющая будет равна 1,2ё1,7 цента/кВт·ч, что как минимум в 2 раза ниже нынешней топливной составляющей в среднем по Республике Беларусь.
Безусловно, сложно точно рассчитать общие затраты на топливо для АЭС, поскольку окончательная стоимость ядерного топлива должна учитывать все ее составляющие (добыча, расходы на обогащение, фабрикацию, транспортировку, утилизация отходов). Но приведенный пример, в очередной раз подтверждающий приоритет ядерного топлива по сравнению с органическим, достоин внимания.
АЭС при нормальной эксплуатации практически не загрязняют окружающую среду вредными выбросами. Ежегодная масса “ядерной золы” от них в мире не превышает 1% прироста токсичных химических отходов, равных более 1 млрд т моющих средств, которые со временем могут полностью отравить почву и водоемы всей планеты Земля. Кроме того, 99,5 % всех радиоактивных нуклидов, возникающих на АЭС, концентрируется в твэлах и подвергается последующей радиохимической переработке. Поэтому не удивительно, что радиоактивность дымовых шлейфов тепловых электростанций на угле многократно превышает радиационный фон в окрестностях АЭС4.
Выбросы вредных газовых составляющих – окиси азота, углекислого и сернистого газов на тепловых электростанциях в зависимости от используемого топлива выглядят следующим образом (табл. 2).
С начала развития ядерной энергетики главное внимание уделялось контролю за возможной утечкой радиоактивности в окружающую среду. Поэтому к АЭС предъявлялись гораздо более жесткие требования, чем к любому другому источнику загрязнения. Вероятность радиактивного выброса очень мала – только при аварии.
Конечно, даже самое качественное оборудование не может обеспечить полной безопасности станции, однако мировая атомная энергетика шагнула далеко вперед. Как показывает практика производственной деятельности человека, риск аварий при производстве электроэнергии с использованием нефти, газа, угля и даже на гидростанциях в сотни и тысячи раз больше, чем при получении электроэнергии от АЭС.
К настоящему времени мировая практика выработала некоторый стабильный свод правил, положений, рекомендаций, обеспечивающих безопасность АЭС и сводящихся к допустимому минимуму их воздействия на человека и окружающую среду.
Мероприятия по повышению уровня безопасности реакторных установок (РУ) отражены на схеме6.
Среди выработанных положений, повышающих уровень безопасности АЭС, в частности, такие, как “Нормирование безопасности предприятий ядерного топливного цикла” с общепринятым принципом обеспечения безопасности на АЭС – глубокоэшелонированной защиты. Суть принципа – наличие физических барьеров безопасности, блокирующих распространение радиоактивных веществ как при нормальной эксплуатации, так и в различных аварийных ситуациях. Система располагает пятью уровнями организации, или, вернее, защиты7:
1) консервативность проекта установки, обеспечение качества, культуры безопасности;
2) оптимальное функционирование систем контроля и диагностики, обеспечивающих своевременную информацию о состоянии оборудования;
3) оптимальное функционирование систем безопасности, обеспечивающих сохранность и работоспособность физических барьеров, прекращение или ослабление процессов развития аварийных ситуаций и аварий;
4) оптимальное функционирование систем локализации, ограничивающих распространение радиоактивных веществ в пределах физических барьеров;
5) разработка мероприятий по защите населения и окружающей среды в случае маловероятного отказа в работоспособности физических барьеров и функционирования уровней защиты.
Отличительными особенностями безопасности РУ ВВЭР являются объективные показатели, заложенные в проектные основы систем и оборудования ВВЭР начиная с 1970х годов, сохраняющиеся во всех проектах РУ ВВЭР.
Надежность и устойчивость поведения РУ ВВЭР в аварийных ситуациях обеспечивается в первую очередь за счет свойств пассивной безопасности реакторов ВВЭР, которые определяются следующими конструктивными и проектными особенностями:
увеличенный объем теплоносителя над активной зоной;
увеличенный объем теплоносителя в первом контуре по отношению к массе топлива и тепловой мощности активной зоны;
увеличенный объем компенсатора давления;
используются горизонтальные парогенераторы с большим объемом воды во втором контуре.
Свойства внутренней самозащищенности РУ обеспечиваются:
срабатыванием органов регулирования в режиме аварийной защиты на основе гравитационных сил;
самоограничением энерговыделений активной зоны за счет отрицательных коэффициентов реактивности по температуре топлива, теплоносителя, по мощности;
отсутствием врезок и отверстий ниже главных патрубков корпуса реактора и, соответственно, ниже верхней отметки активной зоны;
применением пассивных элементов, отсечных, ограничительных и сбросных устройств;
использованием инерционного выбега специальных маховых масс ГЦНа (главного циркуляционного насоса) для обеспечения необходимого спада расхода через активную зону при обесточивании.
Для Республики Беларусь необходимо принять основополагающий Закон об использовании атомной энергии и радиационной безопасности (закон “Об атомной энергии”) и Программу развития атомной энергетики в Республике Беларусь. Проекты этих документов имеются, но до сих пор не приняты законодательными и исполнительными органами Беларуси.
Должны быть приняты “Санитарные правила проектирования и эксплуатации ядерных станций” и “Общие положения обеспечения безопасности атомных станций при проектировании, строительстве и эксплуатации” ОПБ88/97 (Основные положения безопасности).
В целом нормативная база проектов реакторных установок должна придерживаться:
1) норм и правил Республики Беларусь и Российской Федерации;
2) рекомендаций МАГАТЭ;
3) требований EUR (требования европейских эксплуатирующих реакторы организаций).
Обязательно должен быть создан контролирующий и регулирующий орган.
Все приведенные доводы и факты говорят, что сегодня и на обозримое будущее альтернативы атомной энергетике нет. И тем не менее общественность, люди разных рангов и образованности продолжают сопротивляться строительству АЭС.
Почему? – Многие считают, что любая авария на АЭС – это взрыв атомной бомбы.
Авария на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. поколебала мнения многих и напугала человечество еще больше, чем последствия атомных бомбардировок японских городов Хиросимы и Нагасаки в 1945 г. (в Хиросиме погибло и ранено около 140 тыс. человек, в Нагасаки – 75 тыс.).
На Чернобыльской АЭС не было ядерного взрыва. Разрушение реактора произошло изза его аварийного теплового перегрева в результате ошибочных действий оперативнодиспетчерского персонала смены, дежурившей в ночь с 25 на 26 апреля 1986 г., и были госпитализированы 134 человека с острой лучевой болезнью, 32 из них умерли в течение года и еще многие тысячи живут в ожидании неизвестных последствий от малых доз радиации.
Безусловно, чернобыльская трагедия ужасна, однако каждый год только в результате автокатастроф на дорогах России и Беларуси гибнут около 35 тыс. человек9 и при этом никому не приходит в голову запретить использование автомобилей.
Как видно из статистических данных табл. 3, даже гидроэнергетика способна нести смерть. Но в современном мире человечество не может жить без энергии.
В настоящее время возможно строительство надежной, безопасной, обеспеченной ядерным топливом АЭС с захоронением остаточных отходов топлива, а также всего того, что было в контакте по технологии производства энергии.
Для этого необходимо:
1) создание и применение экономичных и безотказных ядерных реакторов, а также оборудования ядерной схемы АЭС;
2) обеспечение надежной и безопасной работы атомных реакторов;
3) применение методов экономичного и безопасного захоронения твердых и жидких отходов, а также отработавшего свой срок оборудования ядерного тракта.
С учетом надежности и безопасности современная АЭС должна иметь следующие основные характеристики и параметры10:
1) мощность тепловая (номинальная) – 3000ё3200 МВт;
2) давление теплоносителя на выходе из активной зоны – 15,7ё16,2 МПа;
3) температура теплоносителя первого контура на входе в реактор – 290,0ё298,6 °С;
4) температура теплоносителя первого контура на выходе из реактора – 320,0ё329,7 °С;
5) паропроизводительность в номинальном режиме – 1470ё1600 т/ч;
6) количество парогенераторов – 4 шт.;
7) давление генерируемого пара при номинальной нагрузке на выходе из коллектора пара ПГ – 6,27ё7,0 МПа;
8) глубина выгорания топлива средняя (в стационарном топливном цикле) – до 70 МВт·сут/кгU;
9) время нахождения топлива в активной зоне – 4–5 лет;
10) время работы на номинальной мощности (эффективное) – 8 400 ч;
11) срок службы РУ – 60 лет.
Технология обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ) в настоящее время включает в себя:
долговременное хранение;
регенерацию, включение в цикл невыгоревших урана и плутония, утилизацию радионуклидов;
кондиционирование и включение отходов переработки отработанного ядерного топлива в твердую стабильную матрицу;
хранение и захоронение.
Выгружаемое из реактора АЭС отработанное ядерное топливо очень радиоактивно и выделяет высокую температуру. Поэтому первоначально оно помещается в “водоемы” или большие резервуары с водой на трехметровую глубину для охлаждения и замедления радиационной активности. Это можно делать как на самой территории АЭС, так и на заводе по переработке. В результате большинство типов топлива перерабатываются не сразу после выгрузки с реактора, а по истечении 5–25 лет.
Сегодня в большинстве стран используется открытый ядерный топливный цикл. В отличие от него замкнутый цикл вместо транспортирования ОЯТ к месту утилизации предполагает транспортирование его на радиохимические заводы, где происходит извлечение невыгоревшего урана. Годный для повторного применения уран составляет более 95 % от его первоначальной массы. Затем он проходит те же стадии обработки, что и добытый в рудниках.
Параллельно с этим происходит выделение и утилизация радиоактивных изотопов различных химических элементов. Радиоактивные отходы (их доля составляет менее 3% от имевшейся в свежем ядерном топливе массы урана) перерабатываются и размещаются в застывающую стеклянную массу, которая подвергается захоронению в специально оборудованных могильниках. Это заключительная стадия.
Надо сказать, что отработанное атомное топливо из действующих реакторов АЭС типа ВВЭР после дополнительной обработки может использоваться в реакторах на быстрых нейтронах типа БН80011, где радиоактивная часть его будет выжигаться полностью, не оставляя радиоактивных отходов.
Следует отметить, что мировой рынок обращения с отработанным ядерным топливом, имеющим остаточную радиоактивность, еще только начинает формироваться. В то же время многие страны уже оценили его значимость. В Великобритании и Франции созданы высокорентабельные радиохимические производства, разрабатывается технология сухого долговременного хранения, имеются предложения по международному хранению топлива, которые поддерживаются США, Великобританией, некоторыми странами ЮгоВосточной Азии, и проблема захоронения и использования ОЯТ в ближайшем будущем будет решена окончательно.
Подытоживая вышесказанное, можно констатировать, что современная атомная энергетика сталкивается с множеством проблем. Однако научные исследования продолжаются. В 2007 г. планируется приступить к практической реализации проекта по созданию первого в мире термоядерного реактора по проекту ИТЕР. На юге Франции в провинции Прованс в окрестностях города Кадараш в Центре ядерных исследований к 2020 г. будет построен ядерный реактор с управляемым термоядерным синтезом12. Источником энергии при термоядерном синтезе служат легкие изотопы, в том числе водорода, запасы которого в Мировом океане безграничны.
Участниками данного проекта являются представители Европейского Союза, США, Японии, Китая, Южной Кореи и России.
Эта грядущая победа человека окончательно докажет, что АЭС на земном шаре – самые надежные, самые безопасные и топливосамодостаточные источники электрической энергии.
Академик Евгений Павлович Велихов (Россия), которому в 2006 г. в числе трех ученых (Масаджи Йошикавы, Япония, и Роберта Аймары, Франция) за разработку научнотехнических основ для создания термоядерного реактора (по проекту ИТЕР) Международным комитетом присуждена премия “Глобальная энергетика”, отметил: “Термоядерный реактор в отличие от атомной электрической станции использует энергию синтеза ядер изотопов водорода, которые в таком реакторе выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов. Исследования показали, что при этом невозможны ни неконтролируемый рост мощности, ни взрыв, что произошло в 1986 г. на Чернобыльской АЭС.
При этом на единицу массы термоядерного топлива энергии образуется в 100 раз больше, чем при расщеплении ядерного урана, и в десятки миллионов раз больше, чем при сгорании органического топлива. А запасов топлива для термоядерных реакций хватит человечеству на миллионы лет.
Термоядерная энергия имеет два огромных преимущества: неограниченные запасы топлива (морская вода) и практически полное отсутствие радиоактивных отходов”.