ЯДЕРНА ЕНЕРГЕТИКА – думки коло та навколо

У час, коли людство потребує все більше енергії, ядерна енергетика викликає чимало запитань і контраверсій щодо перспектив її розвитку. Серед виру різних думок захисників ядерної енергії, конкурентів і противників можна не розчути розсудливого голосу професіоналів.  Тому редакція вебсайту Uatom.org започатковує майданчик для дискусій між експертами-ядерниками у вигляді авторських блогів.

Першим відкриває новий розділ блог Миколи Штейнберга — колишнього головного інженера ЧАЕС, голови Держкомітету України з ядерної та радіаційної безпеки, заступника міністра палива та енергетики України. Його текст — це запрошення фахівцям долучатися до дискусії.

Звертаємо увагу, що редакція вебсайту Uatom.org може не поділяти позицію дописувачів у розділі «Блоги». Відповідальність за матеріали в розділі «Блоги» несуть виключно автори текстів.

 

З певної визначеної причини випливає наслідок, а з іншого боку,

якщо немає визначеної причини, то й наслідок неможливий.

Барух Спіноза

Микола Штейнберг

Перш ніж щось робити, треба запитати: що робити і навіщо? Запитаємо у себе: навіщо нам ядерна енергетика, а якщо потрібна, то яка?

Тисячі років людина палила дрова, потім вугілля, а тоді дійшла до нафти і газу. Допитливість довела її до ядерної енергії. У серпні 1945 року перевірили ефективність і… для переважної більшості жителів планети вже яке покоління слово «ядерна» пов’язане із колосальної потужності вибухом (із відповідними наслідками) і з радіацією, невидимою і «убивчою». Та й ми, енергетики, постаралися: Three Mile Island, Чорнобиль.

Зупинимося поки на двох аспектах: чи потрібна ядерна енергетика і чому?

Без енергії життя – це не життя. В останні 150 років енергетика світу зросла у 35 (!) разів і пройшла три етапи розвитку, тривалість яких зменшувалася – 70, 50 і 30 років. Сповільнювався й темп зростання енергоспоживання – в 4,8, 4,2 і 1,6 разів. Прогнозується, що витрата первинної енергії в світі збільшиться на 40% (в середньому на 1,1% щорічно) до 2040 порівняно з періодом до 2010 року – це втричі менше середньорічних приростів ВВП, помітно повільніше й зростання темпів енергоспоживання в останні 30 років.

Не очікується радикальних змін глобальної паливної корзини. Вуглеводні будуть домінувати. Передбачається, що їх частка до 2040 року становитиме 51-52%. «Сланцевий прорив» відсунув загрозу вичерпання ресурсів нафти і газу.

Згідно з даними Управління енергетичної інформації США, в 2007 році в якості первинних джерел енергії використовувалися: нафта – 36%, вугілля – 27,4%, природний газ – 23%. Частка органічного палива склала 86,4% від усіх джерел споживаної первинної енергії у світі. Доведені на сьогодні запаси органічного палива (у роках видобутку в поточному темпі): вугілля – 148 років; нафта – 43 роки; природний газ – 61 рік.

Зростає частка первинної енергії, використовуваної для виробництва електроенергії – 47% до 2040 р. у порівнянні з 36% в 2010. Важливим драйвером попиту на органічне паливо залишається транспортний сектор (до 80% від загального обсягу попиту на нафту до 2040 р.). Підвищення ефективності транспортних засобів – основний фактор стримування зростання споживання палива. У середньому в світі потужність автомобілів зросла на 42% в період з 1990 по 2013 р., а витрата палива знизилися більш ніж на третину (на 37%).

Зростання споживання органічного палива призводить до збільшення викидів парникових газів, перш за все, СО2. Розвиненим країнам, можливо, вдасться стабілізувати і навіть знизити викиди СО2, але це не змінить ситуації в глобальному масштабі.

Глобальне потепління – термін, який нещодавно увійшов у наше життя, означає підвищення середньої температури кліматичної системи Землі. Триває воно вже понад століття і основною його причиною вважається людська діяльність. Не всі з цим згідні, однак, власне проблема від цього нікуди не дівається, а наслідки від визнання її наявності або відсутності, менш серйозними не стають.

Наразі концентрація CO2 в атмосфері Землі досягла 0,02-0,045 заг.% (250-450 ppm) – максимальна за останні 800 тис. років і, можливо, за останні 14 або 20 млн років.

9 травня 1992 року була прийнята Рамкова конвенція ООН про зміну клімату, суть якої в тому, щоб домогтися: «…стабілізації концентрацій парникових газів в атмосфері на такому рівні, який не допускав би небезпечного антропогенного впливу на кліматичну систему…». Вважається, що необхідно утримати потепління в межах 1,5-2,0°С до кінця століття. Якщо більше, то буде погано.

Для посилення Рамкової конвенції ООН про зміну клімату 12 грудня 2015 року на конференції в Парижі було прийнято угоду, що регулює подальші заходи щодо зниження вмісту СО2 в атмосфері, починаючи з 2020 року. Лоран Фабіусміністр закордонних справ Франції того часу, заявив, що цей «амбітний і збалансований» план став «історичним поворотним пунктом» у боротьбі з глобальним потеплінням. На жаль, не став, ні поворотним, ні історичним.

Майже 30 років людство товчеться навколо кліматичних проблем без реального руху до поставленої мети – відсутність правил і процедур управління процесом призвели до невідповідності між політичними заявами і реальним станом справ. За оцінками, ще можна вкластися у зазначену межу – 2,0 °С, якщо в атмосферу в період з 2020 року і до кінця століття буде викинуто не більше 500 млрд т CO₂. Але світ уже викидає 40 млрд т CO₂ на рік. Наприклад, кліматична політика Китаю, Росії і Канади веде до потепління на 5 °С до кінця століття, не набагато краще виглядають США і Австралія (понад 4 °С). Для ЄС цей показник становить 3-3,5 °С. Розрахунки показали, що для того, аби укластися в 2,0 °С у світі не повинні більше вводитися в дію нові електростанції на органічному паливі. Це реально? І що натомість? Що робити?

Адже світ потребує електроенергії. Електрифікація кінцевих споживачів (промисловість, сільське господарство, транспорт, кондиціювання, побутова техніка, та інші) – ключовий елемент розвитку. Слід нагадати, що 11% населення світу донині не має доступу до електрики.

Важливу роль можуть і повинні зіграти ВДЕ (відновлювальні джерела енергії), приріст потужності яких до 2040 року, як очікується, складе більше 75% до сьогоднішнього рівня. Серед ВДЕ найбільш конкурентоспроможними є ГЕС (гідроелектростанції) і ГАЕС (гідроакумулюючі електростанції). Гарно себе рекомендують і геотермальні установки, але регіони їх використання вельми обмежені.

Конкурентоспроможність ВЕС (вітрові електростанції) і СЕС (сонячні електростанції), поки забезпечується державною підтримкою і, очевидно, у найближчі десятиліття значна частина технологій ВДЕ потребуватиме цієї підтримки. Непередбачуваний режим роботи ВЕС і СЕС (управляти вітром і сонцем диспетчери енергосистем поки не навчилися) вже не один раз ставив навіть великі енергосистеми на межу розвалу. Це переривчасті (нестабільні) джерела з малопередбачуваними графіками виробництва електроенергії і ці проблеми приховати неможливо. Практично повсюдно паралельно з ВЕС і СЕС будуються резервні потужності, витрати на будівництво яких, як правило, «розчиняються» у державних бюджетах. Так, звичайно, можна конкурувати, але до чого це призведе? І як довго це триватиме?

Проблема теоретично вирішується створенням економічно і технічно прийнятних систем накопичення і зберігання енергії. Певний прогрес тут досягнутий, але до вирішення завдання ще далеко, а тому частка таких ВДЕ, як ВЕС і СЕС не може перевищувати 30-40% встановленої потужності енергосистеми, якщо немає можливості отримати електроенергії «збоку».

У 2020 році в світі вироблено 26659 ТВт*год електроенергії, у т.ч., в Китаї – 7166, в США – 4461, в ЄС – 3277, в Індії – 1579. Але близько 65% цієї електроенергії вироблені електростанціями, що спалюють органічне паливо. Передбачалося, що їх частка до 2040 року знизиться до 48%, але… Останні оцінки свідчать про інше: частка електроенергії, виробленої з використанням органічного палива, може ще зрости на 15-16% до 2040 року. ТЕС значно просунулися у підвищенні теплового ККД, але викиди… Наприклад, найбільша у світі вугільна електростанція потужністю 5780 МВт в Тайчжун (Тайвань) є і найбільшим у світі джерелом викидів СО2 (понад 40 × 106 т в рік).

Наразі у світі:

– 75,5% усієї електроенергії виробляється невідновлюваними джерелами енергії: вугілля (38,3%), природний газ (23,1%), нафта (3,7%) і ядерна енергія (10,4%);

– 24,5% електроенергії виробляється відновлюваними джерелами енергії, включаючи гідроенергію, біомасу, вітер, геотермальну, сонячну і приливну.

Загалом ситуація далека від оптимізму. Для декарбонізації електроенергетики до 2050 року необхідно, щоб частка низьковуглецевої генерації у виробленні електроенергії склала не менше 83-85%, а частка вугілля і газу була знижена до 12-15%. Очевидно, що ВДЕ самостійно вирішити завдання не можуть. Де ж вихід?

Вже понад 70 років у світовій електроенергетиці існує сектор ядерної енергетики (далі – ЯЕ). У глобальному масштабі ЯЕ щорічно скорочує викиди СО2 приблизно на 2,5 млрд т. Це друге за значенням джерело виробництва низьковуглецевої електроенергії після гідроенергетики (у 2017 році ЯЕ виробила близько 30% всієї низьковуглецевої електроенергії у світі).

У 2018 році АЕС виробили 2710 ТВт*год електроенергії, що становить близько 10% загального споживання електроенергії у світі. Якби 10% електроенергії, що виробляється сьогодні ЯЕ, було б замінено газом, найчистішим органічним паливом – в атмосферу було б викинуто додатково 1300 млн т CO2 (еквівалентно експлуатації додаткових 250 млн автомобілів).

Розрахунки показують, що без ЯЕ завдання декарбонізації не вирішується. За оцінками Управління енергетичної інформації США, ВДЕ і природний газ будуть найбільш поширеними джерелами енергії в світі в період із 2015 по 2040 роки. ВДЕ будуть рости з темпом 2,6-2,8% у рік і до 2040 року забезпечуватимуть 31% вироблення електроенергії (така ж частка віддається вугіллю). Моделі «інтелектуального» і «стійкого» економічного зростання показують, що низьковуглецеве майбутнє вимагає від ЯЕ близько 17% вироблення електроенергії (7617 ТВт*год) в 2050-2060 рр (необхідна встановлена потужність АЕС оцінюється в 989 ГВт).

Здавалося б, що ядерна енергетика (ЯЕ) повинна «прагнути в гору», оскільки без неї вирішення задачі «розігріву кульки» чиста утопія. Дійсно, борці з потеплінням починають, іноді досить виразно, висловлюватися за підвищення ролі ЯЕ. Однак, ніяк не хочуть зрозуміти, що поки не будуть усунуті численні дискримінаційні заходи, нагромаджені за три десятиліття антиядерної політики, ситуація не зміниться. Перш за все, це стосується політики на ринках електроенергії.

Перевагою ЯЕ є мала залежність цін на електроенергію від витрат на паливо, що важливо для підтримки стабільних основ для економічного розвитку. А низький рівень викидів CO2 виводить її в лідери поставки базової низьковуглецевої електроенергії. За сукупністю цих показників ЯЕ конкурентів не має.

Згідно з МАГАТЕ, потужності ЯЕ збільшаться з 392,6 ГВт (2020 р.) до 511 – до 2030 р., 641 ГВт – до 2040 р. і 748 ГВт до 2050 р. МАГАТЕ припускає, що в силу дискримінації ЯЕ, що склалася на світових ринках, можливе серйозне і тривале зниження частки ЯЕ у світовому виробництві електроенергії. Сумарна потужність АЕС може знизитися до 352 ГВт до 2030 року і до 323 ГВт до 2040 року. Відновлення до 356 ГВт можливе лише до 2050 року.

Прогноз МАГАТЕ консервативний, але правдоподібний. Упродовж прийдешніх десятиліть передбачається виведення багатьох АЕС із експлуатації, яке не буде компенсовано введенням нових потужностей. А це означає, що мети Паризької угоди досягнуто не буде.

Всесвітня ядерна асоціація (WNA) опублікувала власний прогноз – 930 ГВт ядерних потужностей до 2050 року (17% від загальної генерації електроенергії в світі). Досягнення цієї мети вимагає щорічного введення 10 ГВт на АЕС вже сьогодні, 25 ГВт до 2025 г і 33 ГВт до 2050 р. У середині 1980-х рр вводилось до 31 ГВт на рік. 

Є й інші прогнози, але всі стверджують одне – частка ЯЕ у генерації електроенергії в 2040-2050 рр повинна становити від 17 до 25%. Принципово ЯЕ може прийняти цей виклик, але для реалізації її потенціалу необхідно:

– створення на ринках електроенергії рівних умов для всіх видів генерації;

– гармонізація нормативно-правового регулювання;

– формування комплексного підходу до безпеки електроенергетичної системи.

Проте бізнесу не цікаво розгортатися в ЯЕ – вони вимагають гарантій від різного роду політико-економічних ризиків, а їх немає. Тому і немає підстав припускати, що в період до 2040 року частка виробництва електроенергії на АЕС в загальносвітовому вимірі зросте, а отже і гарячі заклики до боротьби з глобальним потеплінням нічого не значать – добре знайома всім нам політична тріскотня.

Але відволічемось від екологічних і політекономічних питань. Що ж являє ЯЕ світу сьогодні? Що вона може запропонувати?

Найбільша частка належить реакторам з водою під тиском (PWR) – близько 67% від загальної кількості. Друга за величиною частка реакторних установок – реактори з киплячою водою (BWR) – близько 16% від загальної кількості. Третя група – важководні реактори (PHWR) – близько 11%. Упродовж 10-15 років здебільшого завершиться експлуатація вдосконалених реакторів з газовим охолодженням (AGR) і реакторів із графітовим сповільнювачем і водяним охолодженням (РБМК).

Протягом останніх років було введено в експлуатацію реактори покоління IIІ+ підвищеної безпеки (всі PWR). Росія ввела в експлуатацію блок ВВЕР-1200. Китай почав експлуатувати EPR-1660, створений AREVA (Франція) і AP-1000, створений Westinghouse (США). У Південній Кореї і ОАЕ були введені в експлуатацію блоки APR-1400 (Південна Корея).

Основний напрямок покоління III+ визначився. Це – PWR. Не виключене також збільшення числа BWR. Обидві технології добре і давно відпрацьовані як в плані будівництва, так і в плані експлуатації. Очікувати тут на проривні технологічні рішення не варто. Підвищення одиничних потужностей також не очікується – ринок цього не потребує. Діапазон потужностей 900-1700 МВт перекритий і задовольняє великі енергосистеми, які потребують потужніших блоків високого рівня безпеки базового режиму, що гарантують прийнятні і стабільні ціни на електроенергію в тривалій перспективі.

В останні роки малі модульні реактори (SMR) стали «гарячою» темою в дискусіях, пов’язаних із перспективами ЯЕ. За даними МАГАТЕ, сьогодні розробляється вже близько 70 проєктів/концепцій SMR. Очевидно, що SMR не замінять потужні ядерні блоки, але у них є своя «ніша», зокрема, електропостачання та теплопостачання (також можливе опріснення води) віддалених населених пунктів, підприємств металургійної та хімічної промисловості, військових баз і под., а також для впровадження в країнах, які вкрай потребують стійкого забезпечення електроенергією, але не мають для цього необхідної економічної і соціальної основи. Впровадження SMR у таких країнах безумовно зробить помітний внесок у зниження викидів СО2 та інших «парникових» газів.

Буквально упродовж останніх місяців почав бурхливо виявлятися інтерес бізнесу, зайнятого в тепловій енергетиці – прекрасно розуміючи, що екологічні проблеми змусять виводити з експлуатації вугільні, а потім і газові блоки, вони зацікавилися можливістю розміщення SMR на своїх майданчиках.

Характеристики SMR дозволяють організувати їх комплектне постачання і експлуатацію операторами розвинених країн із подальшою передачею в експлуатацію місцевим операторам в міру дозрівання відповідних умов. Якщо вдасться вирішити правові аспекти такого підходу, перспективи ЯЕ стануть помітно оптимістичнішими. Прорив тут можливий, але навряд він станеться раніше, ніж за 5-10 років.

У квітні 2021 року було відзначено 20-річчя програми «Покоління IV» (GEN IV), основу якої покладено DOE (Міністерство енергетики США) в 2000 році і офіційно стартувала в середині 2001 року, щоб виконати дослідження для ядерних систем покоління IV, зробити їх доступними для промислового використання. Форум об’єднує 13 країн (Аргентина, Австралія, Бразилія, Канада, Китай, Франція, Японія, Південна Корея, Росія, Південна Африка, Швейцарія, Великобританія та США) і Євратом.

Програма виросла з планів США перезапустити свою ядерну програму, що призвело до визнання цінності глобального підходу до розгортання нових реакторних технологій. Було відібрано шість реакторних систем (п’ять із них з реакторами на швидких нейтронах) з цілями:

– досягнення рівня безпеки і надійності, що виключають необхідність аварійного реагування за межами майданчика АЕС;

– формування стійкої ЯЕ з мінімальними відходами;

– отримання переваг у вартості життєвого циклу в порівнянні з іншими джерелами енергії та зниження рівня фінансового ризику;

– запобігання розповсюдженню ядерного матеріалу.

Системи GEN IV повинні охоплювати весь паливний цикл, незалежно від розмірів і типів установок. Саме тому увага GEN IV зосереджена на реакторах-брідерах і замиканні паливного циклу, оскільки саме це переводить ЯЕ в категорію ВДЕ і забезпечує тривале енергетичне благополуччя людства.

Франція з 1973 по 2009 рік експлуатувала прототип швидкого реактора «Phénix», головними цілями створення і експлуатації якого були досягнення максимально можливого вигоряння палива і замикання паливного циклу. Обидва завдання були успішно вирішені, і в 1997 році Американське ядерне товариство внесло «Phénix» до списку пам’ятників історії ядерної енергетики.

Не менш значущим став досвід EBR-II (США), який був основою американської Integral Fast Reactor (IFR) програми, створення інтегрованої системи брідер-пірометалургійної переробки та виготовлення палива в єдиному комплексі. Після демонстрації можливості замикання паливного циклу реактора-брідера з натрієвим теплоносієм, включно із переробкою палива, акцент змістився на випробування матеріалів і палива (оксидів металів і кераміки, карбідів і нітридів урану та плутонію).

На EBR-II було проведено два унікальних випробування, які підтвердили характеристики внутрішньо властивої безпеки реакторів цього типу. У першому випадку на повній потужності були відключені головні циркуляційні насоси при заблокованому аварійному захисті (АЗ). Потужність реактора впала до нуля протягом приблизно п’яти хвилин. Ніяких пошкоджень палива або реактора не було виявлено. У другому випробуванні реактор також працював на повній потужності, але була зупинена витрата теплоносія у другому контурі. Реактор зупинився через кілька хвилин без втручання АЗ, операторів і без пошкоджень. EBR-II також внесено до списку пам’яток історії ядерної енергетики.

Список країн і корпорацій, що включаються до програми «брідери-замикання паливного циклу» вражає. Це говорить про те, що економіка системи «брідер-замкнутий цикл» демонструє спокусливі перспективи, що вже наявні знання і досвід підтверджують можливість досягнення практичних результатів. Саме в напрямку «брідери-замикання паливного циклу» у найближчі 10-20 років можна очікувати проривних результатів.

Перспективи ЯЕ складно оцінювати, не торкаючись таких проблем, як законодавчо-нормативні основи ядерної безпеки, продовження термінів служби, поводження з РАВ, виведення з експлуатації, ресурсне забезпечення і под. Звичайно, і перспективи ЯЕ в Україні чекають свого обговорення. Але для початку розмови вже представленої інформації більш, ніж достатньо. Розмову завжди можна продовжити, якщо є зацікавлення.