1.4.3. Экологические аспекты использования ядерного топлива
Для обеспечения электроэнергией одного человека в течение года необходимо от 30 до 70 кг урановой руды, из которой производят порядка 230 г. концентрата двуокиси урана. Уран в этом концентрате, назовем его «естественный уран», содержит приблизительно 0.7% U-235, делящегося изотопа урана. Естественный уран используется для заправки топливом только реакторов типа «CANDU» канадского производства. В странах, использующих легководные реакторы, естественный уран обогащается по содержанию изотопа U-235, и из 30-70 кг урановой руды получают приблизительно 30 граммов обогащенного уранового топлива, которое содержит до 3.5 % U-235. Уран, отработанный в легководных реакторах, содержит достаточно большое количество ядерного топлива, и в некоторых странах обрабатывается для повторного использования. После повторной отработки топлива в легководных реакторах остается приблизительно 20 мл. жидких высокоактивных отходов. Такие высокорадиоактивные отходы занимают объем не более одного кубического сантиметра. В процессе работы ядерных реакторов образуются и другие отходы, но они имеют намного меньше значение.
Малые количества радиоактивности выбрасывают в атмосферу как угольные, так и атомные электростанции. При сгорании угля наличие в нем малых количеств урана, радия и тория приводят к тому, что уровень радиоактивности зольной пыли значительно повышается. Атомные электростанции и заводы по переработке ядерного топлива выделяют небольшие количества радиоактивных газов (например, криптон-85 и ксенон-133) и изотопы йода-131, которые могут быть обнаружены в окружающей среде с помощью специального аналитического оборудования. Сегодня предпринимаются всесторонние меры по уменьшению выбросов зольной пыли от угольных электростанций и радионуклидов от атомных электростанций. В настоящее время эти факторы уже не представляют существенную проблему для охраны окружающей среды. Этот вопрос более подробно будет освещен в главе «Радиационная безопасность».
1.4.4. Парниковый эффект
Этим термином называют способность некоторых газов, присутствующих в земной атмосфере, задерживать инфракрасное излучение (т.е. теплоту) вблизи поверхности земли. Как уже отмечалось, накопление «парниковых газов», особенно двуокись углерода - СО2, в земной атмосфере может приводить к глобальному потеплению климата. Если этот процесс не остановить, то его продолжение может, в конечном счете, привести к глобальным климатическим изменениям на всем земном шаре. Считается, что именно двуокись углерода оказывает основное влияние на парниковый эффект.
Несмотря на то, что в понимании происходящих процессов достигнут определенный прогресс, до сих пор не известно, какое количество углекислого газа может абсорбировать окружающая среда, и каким образом поддерживается глобальный баланс двуокиси углерода в атмосфере. Однако многие исследователи фиксируют постепенное увеличение содержания двуокиси углерода в атмосфере. Это обусловлено, в частности, сжиганием углеродосодержащего органического топлива, в процессе которого углерод быстро преобразуется в атмосферную двуокись углерода. Такие процессы происходят, например, в автомобильных двигателях внутреннего сгорания, различных индустриальных печах и при производстве электроэнергии. Постоянная вырубка лесов также вносит вклад в парниковый эффект, поскольку уменьшает поглощение атмосферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза (см. Табл. 1.9)16.
Таблица 1.9
Теплотворная способность различного топлива и коэффициенты выброса CO2
|
Теплотворная способность
|
Единицы
|
% содержания углерода
|
Углекислый газ - CO2
|
Сырая нефть
|
45-46
|
МДж/кг
|
89
|
70-73 г/МДж
|
Природный газ
|
39
|
МДж/м 3
|
76
|
51 г/МДж
|
Каменный уголь
|
21,5-30
|
МДж/кг
|
67
|
90 г/МДж
|
Бурый уголь (в среднем)
|
9,7
|
МДж/кг
|
25
|
|
Древесина (сухая)
|
16
|
МДж/кг
|
42
|
94 г/МДж
|
Естественный уран (в легко-водных реакторах)
|
500
|
ГДж/кг
|
-
|
-
|
Естественный уран (в реакторах на быстрых нейтронах)
|
28000
|
ГДж/кг
|
-
|
-
|
Уран, обогащенный до 3.5% (в легководных реакторах)
|
3900
|
ГДж/кг
|
-
|
-
|
Основным ограничивающим фактором на производство энергии с помощью органического топлива в следующих столетиях вероятнее всего будет климатическое воздействие от выбросов углекислого газа (СО2). Сегодня это уже общепринятая точка зрения. Глобальный климатический эффект от увеличивающегося содержания двуокиси углерода в атмосфере является сегодня наиболее существенным отличием угольной и атомной электроэнергетики в воздействии на окружающую среду (рис. 1.5.1)17. Каждые 22 тонны урана, используемые в легко водном реакторе (или 26 тонн U3O8 ), предотвращают выброс приблизительно одного миллиона тонн двуокиси углерода.
Глобальные выбросы двуокиси углерода от сжигания органического топлива составляют приблизительно 25 миллиардов тонн в год, из них ~45% и 40%, соответственно, от сжигания угля и нефти. Каждая электростанция мощностью 1 ГВт, работающая на каменном угле, выбрасывает в атмосферу ~7 миллионов тонн двуокиси углерода в год. Если используется бурый уголь, то количество выбросов намного большее. При использовании ядерных реакторов таких выбросов в атмосферу не происходит вообще.
Рис. 1.19
Сравнение выбросов парниковых газов
Поэтому для базисного производства электроэнергии более широкое использование уранового топлива является очевидным. На сегодняшний день имеются международные соглашения, определяющие такую стратегию использования энергетических ресурсов, которая минимизирует выбросы в атмосферу двуокиси углерода. Энергосберегающие технологии вряд ли будут столь же эффективны в следующих десятилетиях, как это было, начиная с середины 1970-х годов, потому что их возможности уже практически исчерпаны.
Киотский протокол и атомная энергетика
Первым международным соглашением, направленным на борьбу с глобальным изменением климата и его последствиями, является Рамочная конвенция ООН об изменении климата, принятая в 1992 году, Этот документ содержит общие принципы и основные направления деятельности подписавших его сторон (настоящее время 191 государство и Европейское Сообщество).
В 1997 году был принят Киотский протокол к данной Конвенции, РФ ратифицировала его в 2005 году. В настоящее время Киотский протокол ратифицирован 182 государствами и Европейским Сообществом. Его суть заключаются в суммарном сокращении выбросов парниковых газов минимум на 5% в период 2008-2012 гг. относительно базового уровня 1990 г., рассчитываемом для каждой страны индивидуально. Так, РФ необходимо за первый пятилетний период не превысить в среднем объем выбросов 1990 года.
Рис. 1.20 - Динамика выбросов в атмосферу двуокиси углерода от использования органических видов топлива
 
На Рис.1.4.218 и в Таблице 1.4.119 проводится сравнение выбросов ПГ от различных источников с учетом полного жизненного цикла во всей цепочке производства электроэнергии. Для каждого случая делаются соответствующие допущения и оценки. Все данные даны в килограммах и представлены в пересчете на двуокись углерода на кВт/час электроэнергии. Наиболее высокие выбросы дает бурый уголь, немного ему уступает антрацит. Производство атомной энергии, также как и гидроэнергии, и энергии от возобновляемых источников, напрямую практически не дает выбросов двуокиси углерода.
При учете полного жизненного цикла лишь небольшое количество двуокиси углерода производится в результате таких производственных процессов, как добыча урана, транспортные операции и строительство. Эти выбросы по отношению к атомной энергетике можно считать косвенными. Если взять возобновляемые источники, то гидроэнергетика и ветровая энергетика выглядят лучше, чем солнечные батареи и сжигание древесины при комбинированном производстве тепла и электроэнергии. Атомная энергетика стоит в одном ряду с лучшими возобновляемыми источниками, и только гидроэнергетика имеет самые низкие показатели удельных выбросов из расчета на весь жизненный цикл производства.
Сегодня атомная энергетика позволяет человечеству избежать выбросов двуокиси углерода в объеме от 2,2 до 2,6 Гт в год. Это те объемы, которые были бы произведены при сжигании угля или 1,5 Гт двуокись углерода в год, если бы для производства электроэнергии в мире была использована некоторая усредненная смесь энергоносителей. Например, без атомной энергии энергостанции в странах ОЭСР выбрасывали бы почти на треть больше ПГ, чем они это делают сегодня. Атомная энергия, как уже говорилось ранее, является важным элементом сбалансированного энергетического сектора.
За период с 1971-2004 (IEA, 2006) совокупные выбросы двуокиси углерода от органического топлива, использованного для производства электроэнергии составили 218 Гт, а совокупная экономия выбросов за счет атомной энергии - 58 Гт в пересчете на двуокись углерода. Следовательно, атомная энергия, несмотря на то, что в ранние годы данного периода она находилась ещё в стадии развития, позволила избежать почти 21% всех выбросов, которые могли бы быть произведены, если бы электроэнергия вырабатывалась из иных источников. Фактически, если бы темпы строительства АЭС не сократились в середине 1980-х, экономия могла бы быть значительно больше.20
Примечание: В основе данной схемы лежат данные UCTE (Союз координации передачи электроэнергии) о средних выбросах ПГ. На момент сбора данных членами Союза были Австрия, Бельгия, Босния-Герцеговина, Хорватия, Дания (ассоциированный член), Франция, Германия, Греция, Италия, Люксембург, Македония, Голландия, Португалия, Словения, Испания, Швейцария, Сербия и Черногория.
Бурый уголь
Антрацит
Мазут
Природный газ
Природный газ
Ко-генерация (дизель, газ, древесина)
Атомная
Гидро
Береговые ветряные
Морские ветряные
Солнечная
Рис. 1.4.2. Выбросы парниковых газов в атмосферу по различных энергетическим цепочкам(кг(СО2-экв.)кВт-ч.
Таблица 1.4.1: Средние выбросы двуокиси углерода CO2 по энергоисточникам
(кг CO2 /кВт/час)
|
Энергетическая цепочка
|
Средние выбросы CO2
|
Бурый уголь
|
1,2
|
Антрацит
|
1.,07
|
Мазут
|
0,9
|
Природный газ (комбинированный цикл)
|
0,4
|
Солнечные батареи
|
0,060
|
Ветровая (материковая)
|
0.,014
|
Ветровая (на шельфе)
|
0,011
|
Атомная энергетика
|
0,008
|
Гидроэнергетика
|
0.005
|
Киотский протокол предусматривает «гибкие механизмы», которые позволяют странам-участницам выполнить свои обязательства путем покупки квот на выбросы парниковых газов.
Продаваться и покупаться могут только те квоты, которые сертифицированы Исполнительным комитетом МЧР, учрежденным в соответсвии с Киотским протоколом, задачей которого является экспертиза и утверждение проектов, планируемых к реализации в странах, не зарегистрированных в нем, и это является обязательным условием для учета полученных сокращений.
Страны, не подписавшие Киотский протокол, не имеют ограничений на выбросы парниковых газов, но если в них реализуется некий проект, в результате которого происходит сокращение выбросов, то за счет этого проекта они могут получить углеродные баллы, которые можно продать покупателям из числа стран-участниц. В связи с тем, что углеродные баллы стали финансовыми активами с прозрачной ценой, их начали покупать с чисто коммерческими целями.
Киотский протокол дает возможность нескольким странам-участницам собраться вместе и образовать группу, которая может взять на себя объединенные обязательства по сокращению выбросов и будет рассматриваться как единый субъект при выполнении этих обязательств. Например, ЕС принял решение выступать такой объединенной группой и создал свою систему торговли выбросами двуокиси углерода. Она включает в себя соглашение о перераспределении сокращений выбросов ПГ среди членов союза с учетом конкретных обстоятельств.
Уже наметились самые разнообразные пути к достижению поставленных целей. ЕС имеет единые целевые показатели, для достижения которых 15 стран ЕС за период с 2008 до 2012 года должны сократить свои выбросы парниковых газов в целом на 8 % от уровня 1990 года. Ожидается, что разработанные планы и программы в сочетании с покупкой зачетных единиц на международном рынке позволят ЕС перевыполнить взятые обязательства и добиться сокращения на 9,3% уже к 2010.
Во время шестой Конференции стран-участниц МГЭИК в 2000 году, предложение засчитывать сокращение выбросов парниковых газов, полученное за счет использования атомной энергии, в зачет выполнения обязательств по Киотскому протоколу встретило сильное сопротивление. Противники атомной энергии доказывали, что ограниченность топливных ресурсов, проблемы безопасности, обращения с отходами и сохранения режима нераспространения ставят устойчивость атомной энергии под вопрос. Также существует мнение, что МЧР должен ограничиваться только мелкими проектами, в основном связанными с использованием возобновляемых источников или повышением энергоэффективности. Крупномасштабные проекты, такие как строительство новых АЭС, мощных гидростанций или улавливание и хранение углерода не могут быть включены в рамки механизма устойчивого развития. Хотя по Киотскому протоколу не разрешается использовать атомную энергетику для получения зачетных единиц и их продажи странам-участницам, тем не менее сами страны, подписавшие этот документ, могут использовать атомную энергию, потребляемую на внутреннем рынке, в зачет собственных квот.
Выводы по главе 1:
Солнце, энергия ветра, приливы и волны очень важны в тех районах Земли, где для их использования созданы особые (зачастую - уникальные) условия. Эти источники, тем не менее, не могут заменить использование угля, газа или ядерной энергии при производстве электроэнергии. Такие технологии вносят свой вклад в мировую энергетику, но никогда не станут основой для удовлетворения энергетических нужд планеты. Если человечество найдет в будущем способы эффективного хранения электроэнергии, получаемой от солнечных батарей или ветряных генераторов, вклад этих технологий в удовлетворение энергетических потребностей увеличится.
В некоторых местностях избыточную энергию угольных или ядерных электростанций (во время небольших нагрузок на сеть) можно использовать для накопления воды в водохранилищах, которую затем расходуется гидроэлектростанциями, когда необходимо компенсировать пиковые нагрузки.
К сожалению, не так много мест имеют возможности для строительства необходимых подкачиваемых плотин. Хранение сжатого воздуха в подземных хранилищах используется в гораздо меньшей степени. Способы хранения больших количеств электроэнергии в гигантских аккумуляторных батареях пока не разработаны.
Очевидно, что возобновляемые естественные источники энергии не могут обеспечить потребности в электроэнергии или компенсировать пиковые нагрузки. Практически они могут дать лишь 10–20% от общей потребности в энергии и никогда не заменят уголь, газ или ядерную энергию.
Рассмотрев все доступные человеку источники энергии, мы неизбежно приходим к выводу, что без ядерной и атомной энергетики обойтись нельзя. Ядерные реакторы нужны, потому что таковы сырьевые ресурсы нашей планеты. Бойкот ядерных реакторов равнозначен не только отказу от технологического и промышленного развития. Без ядерной энергетики невозможно уже сегодня поддерживать современный уровень цивилизованности.
Анализ текущего состояния и тенденций позволяет заключить, что на ближайшую и отдаленную перспективу, по крайней мере на 100 лет, отсутствует риск ограничения дальнейшего развития ядерной энергетики по причине ограничений сырьевых ресурсов.
Мировой рынок ядерного топлива для АЭС и исследовательских реакторов развит и устойчив. Отмечавшиеся колебания цен на топливо были вызваны изменениями прогнозов развития ядерной энергетики и изменениями на рынке производителей.
За полувековой период развития атомной энергетики отсутствовали случаи перебоев поставки топлива на АЭС, связанные с нехватками сырьевых источников. Напротив, в соответствии с антимонопольными ограничениями на ряде АЭС используется топливо различных поставщиков, например, АЭС Финляндии. Данное обстоятельство является дополнительным стимулом развития топливных циклов и повышения надежности топлива. Например, планируется переход АЭС Темелин с топлива производства Westinghouse на топливо производства ТВЭЛ. Напротив, АЭС Украины планируют расширение использования топлива производства Westinghouse.
Рядом интенсивно развивающих ядерную энергетику стран (Россия, Индия, Япония и др.), обладающих ограниченными запасами уранового сырья интенсивно разрабатываются альтернативные поиски решения проблемы обеспечения топливом на отдаленную перспективу. К наиболее перспективным из них следует отнести:
внедрение замкнутого топливного цикла с использованием реакторов-бридеров на быстрых нейтронах,
разработку ториевого топливного цикла,
утилизацию запасов ядерного оружия.
К настоящему времени накоплен более чем 50 реакторо-летний успешный опыт энергетических реакторов российских проектов на быстрых нейтронах как ля производства электроэнергии, так и опреснения воды. В России планируется дальнейшее развитие реакторов-бридеров на быстрых нейтронах.
За 15 лет реализации Международной программы «Мегатонны в мегаватты» (Соглашение между Россией и США ВОУ-НОУ) половина АЭС США работает на топливе, полученном из российского высокообогащенного урана (ВОУ), а Россия получила из США свыше 26 тонн низкообогащенного урана, которого достаточно для удовлетворения российской атомной энергетики в течение нескольких лет. По оценкам некоторых западных экспертов сокращение военных программ обеспечит получение около 750 тонн топлива для АЭС в эквиваленте природного урана.
Согласно сложившейся практике АЭС мира с реакторами ВВЭР возвращают отработавшее топливо в Россию на переработку и хранение, что решает проблему дальнейшего обращения с обращением с ОЯТ.
Литература
Risks and benefits of nuclear energy, OECD NEA, 2006
IEA. World Energy Outlook 2006.
Торий, его сырьевые ресурсы, химия и технология, М., 1960
Зеликман А. Н., Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана, М., 1961
Емельянов В. С., Евстюх и н А. И., Металлургия ядерного горючего, 2 изд., М., 1968
Сиборг Г. Т., Кац Дж., Химия актинидных элементов, пер. с англ., М., 1960
Bowen Н. J. М., Trace elements in biochemistry, L.—N. Y., 1966
Эндрю Пикфорд «Пути развития австралийской энергетики». Доклад Центра стратегического анализа (Future Directions International). 6 октября 2005 года. Перт, Австралия.
"Россия в глобальной политике". № 4, Июль - Август 2006
Торий еще будет? Деньги. 03 Августа 2007 г.
Индия не откажется от тория. AtomInfo.Ru 25.09.2008
Первый ториевый AHWR-300 может быть построен вблизи Мумбаи. AtomInfo.Ru 28.04.2008
Экономика ядерной энергетики. МИФИ, М. 2004 г.
Индия и Шри-Ланка могут сотрудничать в ториевой энергетике. AtomInfo.Ru 16.10 Анил Какодкар.
Эволюция ядерной программы Индии - обоснование и перспективы. AtomInfo.Ru 20.01.09.2008
Индия начнёт строительство ториевого реактора не позднее, чем через год. AtomInfo.Ru 20.10.2008
А.Н.Прасад: ядерная сделка с США ввергла Индию в урановую зависимость. AtomInfo.Ru 20.01.2009
-
Какодкар: торий - лучшее средство от плутония. AtomInfo.Ru 20.01.2009
Реактор AHWR - первый шаг Индии на пути к ториевой энергетике. AtomInfo.Ru 20.01.2009
В Индии празднуют пуск ториевого исследовательского реактора. AtomInfo.Ru 20.01.2009
Первым покупателем ториевой технологии станет страна-новичок. AtomInfo.Ru 20.01.2009
Индия - текущий статус ториевой энергетики. AtomInfo.Ru 20.01.2009
Компания из США предлагает Индии ториевые реакторы, не требующие химпереработки ОЯТ и способные обеспечить энергонезависимость Индии. AtomInfo.Ru 20.01.2009
Ю.И.Корякин. Окрестности ядерной энергетики России: новые вызовы. М.: Изд-во ГУП НИКИЭТ. 2002.
Белая книга ядерной энергетики. Под ред. проф. Е.О.Адамова. М.: Изд-во ГУП НИКИЭТ. 2001.
(У) Uranium 199: Resources, Production and Demand. NEA, OECD-IAEA. 199. 340 p.
(Э) Энергетическая политика Российской Федерации: Обзор. Париж: Международное энергетическое агентство. 1996.
(П) Программа развития атомной энергетики Российской Федерации на 1998-2005 г. И перспектива до 2010 г. М.: ЦНИИ управления, экономики и информации. 1977. : Обзор. Париж: Международное энергетическое агентство. 1996.
International Symposium on Nuclear Fuel Cycle and Reactor Strategy: Adjusting to New Realities. Key Issue Papers. Vienna, Austria. 3-6 June 1997.
(Р) Эффективность ядерной энерготехнологии: системные критерии направления развития /В.И.Рачков и др. М.: ФГУП ЦНИИАТОМИНФОРМ. 2008.
|
