Плюсы и минусы атомной энергетики. Перспективы развития атомной энергетики
Плюсы атомной энергетики в сравнении с другими видами получения энергии очевидны. Высокая мощность и низкая итоговая себестоимость энергии открыли в свое время большие перспективы для развития атомной энергетики и строительства АЭС. В большинстве стран мира плюсы атомной энергетики учитываются и сегодня – строятся все новые и новые энергоблоки и заключаются контракты на строительство АЭС в будущем.
Одним из основных плюсов атомной энергетики является ее рентабельность. Она складывается из многих факторов, и важнейший из них – низкая зависимость от транспортировки топлива. Сравним ТЭЦ мощностью 1 млн. кВт и равнозначный по мощности блок АЭС. Для ТЭЦ в год требуется от 2 до 5 млн. тонн топлива, расходы на его перевозку могут составить до 50% себестоимости получаемой энергии, а на АЭС потребуется доставить примерно 30 т. урана, что практически не отразится на итоговой цене энергии.
Также в плюсы атомной энергетики можно смело записать и то, что использование ядерного топлива не сопровождается процессом горения и выбросом в атмосферу вредных веществ и парниковых газов, а значит, строительства дорогостоящих сооружений для очистки выбросов в атмосферу не потребуется. Четверть всех вредных выбросов в атмосферу приходится на долю ТЭЦ, что очень негативно сказывается на экологической обстановке городов, расположенных вблизи них, и в целом на состоянии атмосферы. Города же, расположенные недалеко от атомных станций, функционирующих в штатном режиме, в полной мере ощущают плюсы атомной энергетики и считаются одними из самых экологически чистых во всех странах мира. В них производится постоянный контроль радиоактивного состояния земли, воды и воздуха, а также анализ флоры и фауны – такой постоянный мониторинг позволяет реально оценить минусы и плюсы атомной энергетики и ее влияние на экологию региона. Стоит заметить, что за время наблюдений в районах расположения АЭС ни разу не регистрировались отклонения радиоактивного фона от нормального, если речь не шла о чрезвычайных ситуациях.
На этом плюсы атомной энергетики не заканчиваются. В условиях надвигающегося энергетического голода и истощения запасов углеродного топлива, естественным образом встает вопрос и о запасах топлива для АЭС. Ответ на названный вопрос весьма оптимистичен: разведенные запасы урана и других радиоактивных элементов в земной коре составляют несколько миллионов тонн, и при текущем уровне потребления их можно считать практически неисчерпаемыми
Но плюсы атомной энергетики распространяются не только на АЭС. Энергия атома используется на сегодняшний день и в иных целях, помимо снабжения населения и промышленности электрической энергией. Так, нельзя переоценить плюсы атомной энергетики для подводного флота и атомных ледоколов. Использование атомных двигателей позволяет им долгое время существовать автономно, перемещаться на любые расстояния, а подлодкам – месяцами находиться под водой. На сегодняшний день в мире ведутся разработки подземных и плавучих АЭС и ядерных двигателей для космических летальных аппаратов.
Учитывая плюсы атомной энергетики, можно смело утверждать, что в будущем человечество продолжит использовать возможности атомной энергии, которая при осторожном обращении меньше загрязняет окружающую среду и практически не нарушает экологическое равновесие на нашей планете. Но плюсы атомной энергетики существенно померкли в глазах мировой общественности после двух серьезнейших аварий: на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году. Масштабы этих происшествий таковы, что их последствия способны перекрыть практически все плюсы атомной энергетики, известные человечеству. Трагедия в Японии для ряда стран стала толчком к переработке энергетической стратегии и смещения акцентов в сторону использования альтернативных источников энергии.
Минусы атомной энергетики после Чернобыльской аварии стали очевидными для мировой общественности, а события на «Фукусиме-1» окончательно доказали опасность использования «мирного атома». Считается, что вероятность крупных аварий на АЭС крайне низка, но за последние 50 лет произошло уже 3 крупных события, принесших значительный вред человечеству: Чернобыль, Фукусима и ПО «Маяк» (в 1957 году). На устранения последствий названных аварий уйдут десятки лет.
Минусы атомной энергетики заключаются не только в том, что существует угроза загрязнения окружающей среды в результате аварии, но и в том, что даже при работе в нормальном режиме АЭС производит радиоактивные отходы. Вода, охлаждающая турбины реакторов, обычно просто сбрасывается в ближайшие водоемы, а радиоактивный пар и другие газы выходят в атмосферу. А образующиеся в процессе выработки энергии радиоактивные отходы являются еще одним серьезным минусом атомной энергетики. В большинстве стран отработанное ядерное топливо не используется, и для его утилизации используются технологии складирования переработанного топлива в герметичных металлических контейнерах на свалках ядерных отходов. Но в ряде стран – во Франции, Японии, России и Великобритании – такое топливо подвергается дальнейшей переработке, что обеспечивает экономическую эффективность производства, но в результате получается еще большее количество радиоактивных отходов, ведь все оборудование, реактивы и даже одежда персонала подвергаются загрязнению. В настоящее время не разработана технология, которая позволила бы уменьшить эти явные минусы атомной энергетики и утилизировать ядерные отходы безопасно для окружающей среды.
Минусы атомной энергетики не ограничиваются только работой АЭС: ведь до того, как уран в виде ядерного топлива попадет в реактор, он проходит несколько этапов, и везде при этом оставляет за собой радиоактивный след. В процессе добычи урана в рудниках скапливаются радиоактивные газы – радий и радон, провоцирующие развитие разных форм онкологических заболеваний. Даже на этом начальном этапе минусы атомной энергетики очень велики – ведь здоровье тысяч людей, участвующих в процессе добычи или живущих рядом, подвергается большой опасности. В процессе последующей работы по обогащению урана количество радиоактивных отходов еще больше увеличивается. Сторонники использования атомной энергии обычно не озвучивают эти минусы атомной энергетики.
Следует отметить также, что в настоящее время не все минусы атомной энергетики оценены в должной мере, ведь в мире ни один реактор еще полностью не демонтирован. При этом уже сейчас большинство экспертов сходятся во мнении, что стоимость демонтажа будет очень высокой, по крайней мере, не меньше стоимости строительства реактора. В ближайшее десятилетие около 350 реакторов выработают свой ресурс, и они должны быть демонтированы, но способа сделать это безопасно и быстро пока не существует. Для этих целей в некоторых странах предлагают перевозить отработавшие реакторы в специальные могильники, а в других склоняются к строительству защитных саркофагов непосредственно над отработанным реактором.
Впрочем, несмотря на все озвученные минусы атомной энергетики, в мире сегодня работает 436 ядерных реакторов, их общая мощность около 351 тыс. МВт. Безусловно, это серьезный вклад в общемировую энергетическую систему, однако проводимые исследования гласят, что альтернативные источники энергии, не имеющие перечисленных минусов атомной энергетики, при существующих темпах развития технологий смогут вырабатывать такое количество электроэнергии уже через 10-15 лет. Антиядерные движения в разных странах мира занимают однозначную позицию: минусы атомной энергетики во много раз превышают получаемые выгоды, и потому строительство АЭС и производство ядерных отходов необходимо прекратить.
Главные аргументы в пользу развития атомной энергетики – это сравнительная дешевизна энергии и небольшое количество отходов. В пересчете на единицу производимой энергии отходы от АЭС в тысячи раз меньше, чем на угольных ТЭС (1 стакан урана-235 дает столько же энергии, сколько 10 тыс. т угля). Достоинством АЭС является и отсутствие выбросов в атмосферу диоксида углерода, которое сопровождает производство электроэнергии при сжигании углеродистых энергоносителей.
Сегодня уже совершенно очевидно, что при нормальной работе АЭС экологический риск при получении энергии несравненно ниже, чем в угольной промышленности.
По примерным расчетам, закрытие уже существующих АЭС потребовало бы дополнительно сжигать ежегодно 630 млн. т угля, что привело бы к поступлению в атмосферу 2 млрд. т диоксида углерода и 4 млн. т токсичной и радиоактивной золы. Замена АЭС на ТЭС привела бы к 50-кратному увеличению смертности от атмосферного загрязнения. Для извлечения из атмосферы этого дополнительного диоксида углерода потребовалось бы посадить лес на площади, которая в 4-8 раз превышает территорию ФРГ.
У атомной энергетики есть серьезные оппоненты. Как неконкурентоспособную ее рассматривает в последних работах Л. Браун (Brown, 2001). Аргументами против развития атомной энергетики являются сложность обеспечения полной безопасности ядерного топливного цикла, а также риск аварий на АЭС. Историю развития атомной энергетики омрачают тяжелые аварии, которые произошли в Кыштыме и Чернобыле. Однако, вероятность аварий на современных АЭС крайне низка. Так, в Великобритании она составляет не более чем 1:1000000. В Японии строятся новые АЭС (в том числе и самая крупная в мире «Фукусима») в сейсмически опасных районах на берегу океана.
Перспективы атомной энергетики .
Исчерпание углеродистых энергоносителей, ограниченные возможности энергетики на основе ВИЭ и возрастающая потребность в энергии подталкивает большинство стран мира к развитию атомной энергетики, причем строительство АЭС начинается в развивающихся странах Южной Америки, Азии и Африки. Возобновляется ранее приостановленное строительство АЭС даже в странах, пострадавших от Чернобыльской катастрофы, – Украине, Белоруссии, РФ. Возобновляется работа АЭС в Армении.
Повышаются технологический уровень атомной энергетики и ее экологическая безопасность. Уже разработаны проекты внедрения новых, более экономичных реакторов, способных расходовать на получение единицы электроэнергии в 4-10 раз меньше урана, чем современные. Обсуждается вопрос об использовании в качестве «топлива» тория и плутония. Японские ученые считают, что плутоний можно сжигать без остатка и АЭС на плутонии могут быть самыми экологически чистыми, так как не дают радиоактивных отходов (РАО). По этой причине Япония активно скупает плутоний, освобождающийся при демонтаже ядерных боеголовок. Однако для перевода АЭС на плутониевое топливо нужна дорогостоящая модернизация ядерных реакторов.
Меняется ядерный топливный цикл, т.е. совокупность всех операций, сопровождающих добычу сырья для ядерного топлива, его подготовку к сжиганию в реакторах, процесс получения энергии и переработку, хранение и захоронение РАО. В некоторых странах Европы и в РФ осуществляется переход к закрытому циклу, при котором образуется меньше РАО, так как значительная часть их после переработки дожигается. Это позволяет не только снизить риск радиоактивного загрязнения среды (см. 10.4.4), но и в сотни раз уменьшить расходы урана, ресурсы которого исчерпаемы. При открытом цикле РАО не перерабатываются, а захораниваются. Он более экономичен, но экологически не оправдан. По этой схеме пока работают АЭС США.
В целом вопросы переработки и безопасного захоронения РАО технически разрешимы. В пользу развития атомной энергетики в последние годы высказывается и Римский клуб, эксперты которого сформулировали следующее положение: «Нефть – слишком дорого, уголь – слишком опасно для природы, вклад ВИЭ – слишком незначителен, единственный шанс – придерживаться ядерного варианта».
В одном из разделов "Живого Журнала" инженер - электронщик постоянно пишет про ядерные и термоядерные машины - реакторы, установки, исследовательские лаборатории, ускорители, а так же про . Новая российская ракета, показания во время ежегодного послания Президента, вызвала живейший интерес блогера. И вот что он нашел по этой теме.
Да,исторически разработки крылатых ракет с прямоточным ядерным воздушным двигателем были: это ракета SLAM в США с реактором TORY-II, концепт Avro Z-59 в Великобритании, проработки в СССР.
Современный рендер концепта ракеты Avro Z-59, массой около 20 тонн.
Однако все эти работы шли в 60-х как НИОКР разной степени глубины (дальше всех зашли США, о чем ниже) и продолжения в виде образцов на вооружении не получили. Не получили по той же причине, что и многие другие проработки Atom Age - самолеты, поезда, ракеты с ЯЭУ. Все эти варианты транспортных средств при некоторых плюсах, которые дает бешенная плотность энергии в ядерном топливе, имеют очень серьезные минусы - дороговизна, сложность эксплуатации, требования постоянной охраны, наконец неудовлетворительные результаты разработок, про которые обычно что мало известно (публикуя результаты НИОКР всем сторонам выгоднее выставлять достижения и скрывать неудачи).
В частности, для крылатых ракет гораздо проще создать носитель (подводную лодку или самолет), который "подтащит" множество КР к месту пуска, чем морочиться с небольшим парком (а большой парк освоить невероятно сложно) крылатых ракет, запускаемых со своей территории. Универсальное, дешевое, массовое средство победило в итоге малосерийное, дорогое и с неоднозначными плюсами. Атомные крылатые ракеты не пошли дальше наземных испытаний.
Этот концептуальный тупик 60-х годов КР с ЯЭУ, на мой взгляд, актуален и сейчас, поэтому основной вопрос к показанному "зачем??". Но еще более выпуклым его делают проблемы, которые возникают при разработке, испытаниях и эксплуатации подобного оружия, о чем говорим дальше.
Итак, начнем с реактора. Концепты SLAM и Z-59 были трехмаховым низколетящими ракетами внушительных габаритов и массы (20+ тонн после сброса стартовых ускорителей). Страшно затратный низколетящий сверхзвук позволял по максимуму использовать наличие практически не ограниченного источника энергии на борту, кроме того, важной чертой ядерного воздушного реактивного двигателя является улучшения кпд работы (термодинамического цикла) при росте скорости, т.е. та же идея, но на скоростях в 1000 км/ч имела бы гораздо более тяжелый и габаритный двигатель. Наконец, 3М на высоте в сотню метров в 1965 году означало неуязвимость для ПВО.Получается, что раньше концепция КР с ЯЭУ "завязывалась" на высокой скорости, где преимущества концепции были сильными, а конкуренты с углеводородным топливом ослабевали.Показанная же ракета, на мой взгляд, околозвуковая или слабосверхзвуковая (если, конечно, верить, что на видео именно она). Но при этом габарит реактора уменьшился значительно по сравнению с TORY-II от ракеты SLAM, где он составлял аж 2 метра включая радиальный отражатель нейтронов из графита
Активная зона первого тестового реактора TORY-II-A во время сборки.
Можно ли вообще уложить реактор в диаметр 0,4-0,6 метра?
Начнем с принципиально минимального реактора - болванки из Pu239. Хороший пример реализации такой концепции - космический реактор Kilopower, где, правда, используется U235. Диаметр активной зоны реактора всего 11 сантиметров! Если перейти на плутоний 239 размеры АЗ упадут еще в 1,5-2 раза.Теперь от минимального размера мы начнем шагать к реальном ядерному воздушному реактивному двигателю, вспоминая про сложности.
Самым первым к размеру реактора добавляется размер отражателя - в частности в Kilopower BeO утраивает размеры. Во-вторых мы не можем использовать болванку U или Pu - они элементарно сгорят в потоке воздуха буквально через минуту. Нужна оболочка, например из инкалоя, который противостоит мгновенному окислению до 1000 С, или других никелевых сплавов с возможным покрытием керамикой. Внесение большого количества материала оболочек в АЗ сразу в несколько раз увеличивает необходимое количество ядерного топлива - ведь "непродуктивное" поглощение нейтронов в АЗ теперь резко выросло!
Размер всего ПВРД с ЯЭУ TORY-II
Более того, металлическая форма U или Pu теперь не годится - эти материалы и сами не тугоплавкие (плутоний вообще плавится при 634 С), так еще и взаимодействуют с материалом металлических оболочек. Переводим топливо в классическую форму UO2 или PuO2 - получаем еще одно разбавление материала в АЗ, теперь уже кислородом.
Наконец, вспоминаем предназначение реактора. Нам нужно прокачивать через него много воздуха, которому мы будем отдавать тепло. Примерно 2/3 пространства займут "воздушные трубки".
В итоге минимальный диаметр АЗ вырастает до 40-50 см (для урана), а диаметр реактора с 10-сантиметровым бериллиевым отражателем до 60-70 см. Мои наколеночные прикидки "по подобию" подтверждаются проектом ядерного реактивного двигателя MITEE , предназначенного для полетов в атмосфере Юпитера. Этот совершенно бумажный проект (например температура АЗ предусматривается в 3000 К, а стенки из бериллия, выдерживающего от силы 1200 К) имеет рассчетный по нейтронике диаметр АЗ в 55.4 см, при том, что охлаждение водородом позволяет слегка уменьшить размеры каналов, по которым прокачивается теплоноситель.
На мой взгляд, воздушный ядерный реактивный двигатель можно впихнуть в ракету диаметром около метра, что, впрочем, все же не кардинально больше озвученных 0,6-0,74 м, но все же настораживает.Так или иначе, ЯЭУ будет иметь мощность ~несколько мегаватт, питаемые ~10^16 распадов в секунду. Это означает, что сам реактор будет создавать радиационное поле в несколько десятков тысяч рентген у поверхности, и до тысячи рентген вдоль всей ракеты. Даже установка нескольких сот кг секторной защиты не сильно снизит эти уровни, т.к. нейтронны и гамма-кванты будут отражаться от воздуха и "обходить защиту".
За несколько часов такой реактор наработает ~10^21-10^22 атомов продуктов деления c с активностью в несколько (несколько десятков) петабеккерелей, которые и после остановки создадут фон в несколько тысяч рентген возле реактора.
Конструкция ракеты будет активирована до примерно 10^14 Бк, хотя изотопы будут в основном бета-излучателями и опасны только тормозным рентгеном. Фон от самой конструкции может достигать десятки рентген на расстоянии 10 метров от корпуса ракеты.
Все эти "веселости" дают представление, что и разработка и испытания подобной ракеты - задача на грани возможного. Необходимо создать целый набор радиационно-стойкого навигационного и управляющего оборудования, испытать это все довольно комплексным образом (радиация, температура, вибрации - и все это на статистику). Летные испытания с работающим реактором в любой момент могут превратиться в радиационную катастрофу с выбросом от сотен террабеккерелей до единиц петабеккерелей. Даже без катастрофических ситуаций весьма вероятная разгерметизация отдельных твэлов и выброс радионуклидов.
Конечно, в России до сих пор есть Новоземельский полигон на котором можно проводить такие испытания, однако это будет противоречить духу договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах (запрещение вводилось с целью недопущения планомерного загрязнения атмосферы и океана радинуклидами).
Наконец, интересно, кто в РФ мог бы заниматься разработкой подобного реактора. Традиционно изначально высокотемпературными реакторами занимался Курчатовский институт (общее проектирование и расчеты), Обнинский ФЭИ (экспериментальная отработка и топливо), НИИ "Луч" в Подольске (топливо и технологии материалов). Позже к проектированию подобных машин подключился коллектив НИКИЭТ (например реакторы ИГР и ИВГ - прообразы активной зоны ядерного ракетного двигателя РД-0410).
Сегодня НИКИЭТ обладает коллективом конструкторов, которые выполняют работы по проектированию реакторов (высокотемпературный газоохлаждаемый РУГК , быстрые реакторы МБИР , ), а ФЭИ и "Луч" продолжают заниматься сопутствующими расчетами и технологиями соотвественно. Курчатовский институт же в последние десятилетия больше перешел к теории ядерных реакторов.
Резюмируя, хочется сказать, что создание крылатой ракеты с воздушным реактивным двигателеям с ЯЭУ является в целом выполнимой задачей, но одновременно крайне дорогой и сложной, требующей значимой мобилизации людских и финансовых ресурсов, как мне кажется в большей степени, чем все остальные озвученные проекты ("Сармат", "Кинжал", "Статус-6", "Авангард"). Очень странно, что эта мобилизация не оставила ни малейшего следа. А главное, совершенно не понятно, в чем польза от получения подобных образцов вооружений (на фоне имеющихся носителей), и как они могут перевесить многочисленные минусы - вопросы радиционной безопасности, дороговизны, несовместимости с договорами о сокращении стратегических вооружений.
P.S. Впрочем "источники" уже начинают смягчать ситуацию: "Источник, близкий к ВПК, рассказал « Ведомостям », что радиационная безопасность при испытаниях ракеты была обеспечена. Ядерную установку на борту представлял электрический макет, говорит источник.
В разделе на вопрос ядерная энергетика плюсы и минусы заданный автором Оля Беспятова
лучший ответ это В том виде, в каком СЕЙЧАС = после Чернобыля, существуют АЭС - они безопасны! Атомные электростанции это и есть сегодняшняя ядерная энергетика. Безопасны они потому, что после Чернобыльской аварии ее причины были тщательнейшим образом проанализированы ВСЕМ научным сообществом, которое занимается ядерной энергетикой. Были сделаны важные выводы, ВОПЛОЩЕННЫЕ в конструкции современных реакторов, это гарантирует невозможность подобной аварии. Кстати, тем кто знает только о Чернобыле, советую набрать в поисковике "авария (катастрофа) в Бхопале" - что ж теперь и всю химическую промышленность закрывать? !
Теперь по существу вопроса: ПРЕЕМУЩЕСТВА: низкая стоимость энергии, высокая экологичность станций, наличие относительно больших запасов ядерного топлива (урана). НЕДОСТАТКИ: проблема ядерных отходов, исчерпаемость запасов урана - он тоже закончится, хотя и несколько позже чем нефть. Хотя проблема радиоактивных отходов - это только вопрос стоимости. Существует АБСОЛЮТНО экологичный способ их утилизации = в ракету и на Солнце! Я не шучу! Просто ПОКА это кажется сликом дорогим... Но, как учили древние, времена меняются; -)
Наиболее перспективным видом ядерной энергетики является термоядерный синтез. Он лишен обоих недостатков современной ядерной энергетики = нет радиоактивных отходов и практически неисчерпаемые запасы "топлива" - тяжелый водород (дейтерий) есть в воде. К сожалению, до сих пор не удается создать установку, которая производила бы больше энергии чем потребляла. Но ученые не теряют оптимизма; -))
Если в моем тексте что-то непонятно или сумбурно, задавай еще вопросы, можно в "мой мир"!
