И.В.ФОМЕНКО,
школа № 1270, г. Москва
Полвека атомной энергетике: перспективы на XXI век
Сегодня, вопрос использования энергии атома в мирных целях очень актуален. По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) на 2005 г., в настоящее время в мире эксплуатируется 446 энергоблоков АЭС, которые расположены в 30 странах и обеспечивают 17% общемирового производства электроэнергии. Активность в области атомной энергетики всё больше проявляют страны Азиатского региона. Это объясняется, прежде всего, дефицитом природных ресурсов, стремлением к экономическому росту и увеличением численности населения: 22 из 31 введённого в последнее время в эксплуатацию энергоблока находятся в Азии, 18 из 27 сооружаемых энергоблоков также приходятся на этот регион. Безусловно, это потребует от МАГАТЭ дополнительных усилий в области контроля за безопасностью использования атомной энергии.
Чернобыльская катастрофа нанесла серьёзный удар по развитию атомной энергетики без различия используемых реакторов, ещё более актуальной проблема безопасности АЭС стала после Нью-йоркской катастрофы 11 сентября 2002 г. Мир осознал необходимость борьбы с терроризмом объединёнными усилиями. Поэтому сегодня самой важной задачей является безопасность, физическая защита, модернизация многих используемых реакторов, т.е. во всех инновациях необходимо исключать возможность распространения ядерных материалов
Увеличение потребности в энергии – объективная общемировая тенденция. Но запасы ископаемого топлива небезграничны, а его использование связано с продолжением ухудшения экологической ситуации. Специалистами МАГАТЭ разработаны «пессимистический» и «оптимистический» сценарии развития атомной энергетики. По «пессимистическому» сценарию будут работать только действующие АЭС, а из новых будут строиться только те, строительство которых уже начато или о таком строительстве уже принято решение. Но если закрыть все АЭС, как призывают к этому некоторые политики, то это приведёт к ежегодному увеличению выброса в атмосферу продуктов сжигания углеводородов на 600 млн т.
Атомной энергетике нет альтернативы, она экологически чистая и экономически выгодная. Её не заменят ни ветровая, ни солнечная. К 2030 г., по подсчетам специалистов МАГАТЭ, выработка электроэнергии на АЭС мира возрастет на 70%.
Этапы становления атомной энергетики в нашей стране тесно связаны с основными периодами развития её энергетической системы. Первый этап – это 1920–1940 гг., создание отечественной энергетической базы. В период 1940–1950 гг. создавались генерирующие мощности в восточных регионах России, восстанавливался энергетический потенциал в европейской части Советского союза. 1950–1965 гг. – период развития промышленности и социальной сферы в СССР при опережающем развитии энергетики.
Согласно утверждённой Правительством Российской Федерации 6 октября 2006 г. федеральной целевой программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007–2010 годы и на перспективу до 2015 года», ежегодно, начиная с 2007 г., должно закладываться строительство двух гигаваттных энергоблоков. В планах атомной отрасли строительство 12 новых энергоблоков на действующих атомных станциях и 9 новых АЭС, что, по сути дела, является удвоением мощности атомной энергетики России к 2020 г. и созданием крупномасштабной атомной энергетики при доминирующей роли реакторов на быстрых нейтронах.
В топливно-энергетическом комплексе России атомная энергетика играет системо-образующую, топливно-балансирующую, тарифо-стабилизирующую и природоохранную роль. Атомные энергоблоки предотвращают сжигание природного газа на ТЭС в объеме более 40 млрд м3 в год, обеспечивая темп прирост экономии до 3 млрд м3 в год.
В настоящее время атомная энергетика является наиболее динамично развивающейся отраслью электроэнергетики России. За последние 5 лет энерговыработка АЭС увеличилась на 40%, средний темп роста составил 7,5% в год. В 2005 г. атомная энергетика России достигла выработки 149 млрд кВт • ч, превысив максимальную выработку 1989 г., т.е. преодолев кризис спада 90-х гг. Сегодня в России действуют 12 АЭС, в составе которых 32 ядерных энергоблоков общей установленной мощностью 22,2 ГВт.
Суммарные запасы природного и накопленные резервы регенерированного урана и существующие мощности ядерно-топливного цикла в России обеспечивают прогнозируемые параметры развития для атомной энергетики без ограничения и на отдалённую перспективу. Долгосрочная отраслевая технологическая политика предусматривает постепенный переход к 2020 г. на новую ядерную энерготехнологию с «быстрыми» реакторами взамен тепловых.
Использование ядерной энергии может и должно стать основой построения энергетической системы, обеспечивающей устойчивое, экологически безопасное, экономически выгодное и социально приемлемое развитие совершенствование во всех областях человеческой деятельности в XXI в.
Сегодня переживает второе рождение атомно-водородная энергетика, формируется программа по развитию водородной энергетики. Потребность экономики в водороде возрастает, потому что это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем, в химической промышленности при получении аммиака и азотных удобрений, а в чёрной металлургии – для восстанавления железа из руд. Такие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже используются в качествен сырья в таких процессах, но гораздо эффективнее извлекать из них самый экономичный и чистый энергоноситель – водород. Водород – идеальный экофильный вид топлива. Его калорийность исключительно высока – 33 000 К кал/кг, что в три раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что обладает очень малой вязкостью. Например, транспортировка водорода по трубопроводу диаметром 1,5 м позволяет передать мощность порядка 2 • 104 МВт. Перекачка этого легчайшего газа на расстояние в 500 км почти вдесятеро дешевле, чем такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород можно использовать на кухне для приготовления пищи, для отопления и освещения. Чтобы показать его возможности, американские учёные построили «водородный дом», в котором для освещения использовался именно водород. Передавать водород в жидком виде очень дорого, т.к. на его сжижение нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нём самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубы, ведь температура кипения жидкого водорода очень низкая, всего 21 К. В качестве топлива водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта.
Уже сейчас созданы мегаваттные водородные установки на топливных сборках: электрохимические генераторы, мембранный технические устройства, установки химической промышленности. Пока стоят они дорого, но направление очень заманчиво. Прежде всего, оно высокоэкологично: продукт сгорания – вода, т.е. никаких угарных газов, никаких примесей закиси азота, тяжёлых металлов. В выхлопе – только вода. На этом топливе уже ездят автомобили, построены демонстрационные автобусы. У нас в России этим активно занимаются академики Анатолий Созонович Коротеев и Николай Николаевич Пономарёв-Степной. Здесь мы отстали от других развитых в техническом отношении стран, и это отставание нам предстоит преодолеть.
Использование водорода в энергетике выгодно, поэтому возникли ассоциации по развитию водородной энергетики, в том числе и международная. Сейчас в мире получают около 30 млн т водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам, за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20–30 раз.
С помощью атомной энергетики предстоит заменить нынешний источник водорода – природный газ – на более дешёвое и доступное сырьё – воду. Здесь возможны два пути.
Первый путь – традиционный, электрохимическое разложение воды. Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000–3500 °C, то её молекулы развалятся сами собой. Оба способа получения водорода из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза, например, в ночные часы, когда имеется лишняя (и дешёвая!) электроэнергия.
В энергетике смыкаются интересы физиков и инженеров разных специальностей, а в результате взаимодействия интеллектов всегда случаются открытия. Именно энергетика способна вывести нашу экономику из сырьевого сектора в высокотехнологичные отрасли, а значит обеспечить её быстрый рост. Водородная энергетика бурно развивается, но сейчас все чаще говорят об атомно-водородной энергетике – ведь для получения водорода требуется большой расход энергии. Ядерный реактор как генератор водорода претендует на роль энергетического лидера в экономике XXI в.
Литература
Атом-пресса, 2007, № 1 (736), январь.
Бюллетень по атомной энергии, 2006, № 12.
Международная конференция «50 лет атомной
энергетике – уроки и задачи на будущее». – М.:
Атом-пресса, июль 2004 г.
Ирина Васильевна Фоменко окончила физфак МГПИ им. В.И.Ленина в 1980 г., учитель физики и астрономии высшей квалификационной категории, педагогический стаж 27 лет. Ведёт курс «Технологии робототехники». Школа заняла первое место в окружной олимпиаде по робототехнике и рекомендована к участию во втором этапе соответствующей Международной олимпиады. Ученики побеждали на олимпиадах по физике и астрономии (МПГУ). Любит читать и заниматься спортом. Сын и дочь учатся в МАИ.