Проблемные задачи атомной энергетики

По материалам Михаил Кондратьев, Сергей Киринович Надежность и топливная безопасность современной АЭС // Архитектура и строительство, 25.06.2007

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.

Обеспеченность человечества природным ураном – основным сырьем для ядерного топлива – сопоставима с обеспеченностью нефтью и газом.

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). Данные мировой добычи и потребления урана представлены в табл. 2, 3.

Таблица 2.

Добыча урана в мире, 2005-2015

Источник: Uranium Market Outlook. Ux Consulting, 2007.

Таблица 3

Крупнейшие потребители урана, 2005-2030

Источник: Uranium Market Outlook. Ux Consulting, 2007.

Современная атомная энергетика сталкивается с множеством проблем.

1. Полнота использования ядерного топлива. К примеру, АЭС с блоком ВВЭР1000 (водоводяной энергетический реактор электрической мощностью 1000 МВт) потребляет за год примерно до 30 т ядерного топлива – 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.

При полном сгорании 1 кг газа можно получить всего 14,9 кВт·ч энергии, нефти – 12,6, угля – 8,2, при делении 1 кг ядерного топлива (урана или плутония) выделяется 22,8 млн кВт·ч электрической энергии.

2. Уровень безопасности АЭС. 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.

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.

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. человек и при этом никому не приходит в голову запретить использование автомобилей.

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.

К настоящему времени мировая практика выработала некоторый стабильный свод правил, положений, рекомендаций, обеспечивающихбезопасность АЭС и сводящихся к допустимому минимуму их воздействия на человека и окружающую среду.

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.

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.

3. Радиоактивные отходы АЭС. 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.

Отработанное атомное топливо из действующих реакторов АЭС типа ВВЭР после дополнительной обработки может использоваться в реакторах на быстрых нейтронах типа БН800, где радиоактивная часть его будет выжигаться полностью, не оставляя радиоактивных отходов.

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.

АЭС и окружающая среда.

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, подвергается последующей радиохимической переработке. Поэтому не удивительно, что радиоактивность дымовых шлейфов теп­ловых электростанций на угле многократно превышает радиационный фон в окрестностях АЭС.

Выбросы вредных газовых составляющих – окиси азота, углекислого и сернистого газов на тепловых электростанциях в зависимости от используемого топлива выглядят следующим образом (табл. 4).

Таблица 4

Выбросы вредных газовых составляющих в атмосферу тепловыми электростанциями, г/кВт ч

Атомные станции в условиях нормальной эксплуатации являются одним из наиболее экологически чистых источников энергии, по своим экономическим показателям способных конкурировать на рынке производства электричества со станциями на органическом топливе. Для сравнения в таблице 5 приведены некоторые характеристики работы тепловых и атомных станций мощностью 4 000 МВт.

Таблица 5.

Количественные характеристики работы тепловой и атомной электрических станций мощностью 4 000 МВт.

Источник: Т. Жантикин, А. Балдов, С. Колтышев (2005) «Концепция развития атомной энергетики Республики Казахстан». Доклад Комитета по атомной энергетике, АО КАТЭП, Национальный ядерный центр РК, апрель 2005 года.
Примечание: Потребление топлива приведено в тоннах условного топлива; фактическое количество потребляемого топлива зависит от его теплотворной способности - для угля в зависимости от сорта 15-20 млн. тонн в год.

В Беларуси строительство первого блока АЭС завершится в 2016 г.. второго – в 2018 г. Ввод в действие атомных энергоблоков сумманой электрической мощностью 2000 МВт позволит заместить примерно 4,5-5 млн.т.у.т.