А. Гагаринский, В. Игнатьев, Н. Пономарев-Степной, С. Субботин, В. Цибульский (Российский научный центр «Курчатовский институт»)
Значительный рост мирового энергопотребления в XXI веке неизбежен, особенно в развивающихся странах. Глобальное потребление энергии, по всей видимости, удвоится к середине века, даже если исходить из очень низких темпов роста. Этот рост зависит от развития мировой экономики, роста населения и стремления к более равномерному распределению потребления энергии по регионам мира.
В ближайшие десятилетия углеводородное топливо будет продолжать служить главным источником энергии, однако освоенные его месторождения исчерпываются, а введение в оборот новых требует все больших инвестиционных затрат. Следствием этого должны стать постепенные изменения в инфраструктуре производства энергии, обусловленные как экономическими (повышение цен и их изменчивость), так и природоохранными факторами, а также дальнейшим развитием технологий новых видов топлива.
В последнее время большое внимание в международных дискуссиях уделялось экологическим последствиям использования ископаемого топлива. Введение глобальных ограничений на выбросы парниковых газов и региональные ограничения на другие загрязнители атмосферы серьезно повлияют на структуру эволюционирующей мировой энергетики и потребуют значительных дополнительных инвестиций для сдерживания роста выбросов.
Позитивному решению этих проблем будет способствовать развитие ядерной энергетики. Чтобы в глобальном масштабе существенно повлиять на производство энергии, обеспечить энергетическую безопасность и ослабление парникового эффекта, производство ядерной энергии должно быть увеличено к середине века в 4-5 раз от ныне достигнутого. Наличие ядерных мощностей такого масштаба поднимает очень важные вопросы ресурсной обеспеченности дешевым топливом, обращения с отходами и распространения ядерного оружия. Очевидно, что при дальнейшем развитии ядерной энергетики необходимо обеспечить также экономическую приемлемость и соблюдение критериев технической безопасности. Крупномасштабное развитие ядерной энергетики предполагает ее использование в большем числе стран, чем в настоящее время. Это, учитывая связанные с ядерной энергетикой проблемы безопасности и нераспространения, ставит дополнительные задачи в ее развитии.
Говоря об экономической приемлемости ядерной энергетики, следует помнить, что она занимает свою нишу среди производителей энергии. В настоящее время во многих странах она обеспечивает базовую электрическую нагрузку, а в России, кроме того, высвобождает для экспорта дополнительные объемы органического топлива. В перспективе ядерная энергия будет постепенно замещать природный газ в производстве тепла для технологических процессов, и в конечном счете обеспечит производство водорода из воды, что сохранит природное органическое сырье для неэнергетического применения. Кроме того, в перспективе будет освоено опреснение морской воды с использованием ядерной энергии.
В мире имеется достаточное количество ядерных материалов для обеспечения потребностей ядерной энергетики в топливе на многие десятилетия вперед, даже при работе в открытом цикле. Однако в дальнейшем она неизбежно столкнется с ограниченностью ресурсов дешевого урана. В связи с этим придется неминуемо реализовать замыкание топливного цикла и расширенное воспроизводство топлива при использовании в качестве сырья урана и тория. Внедрением таких инновационных ядерных технологий проблемы ресурсов ядерного топлива могут быть вообще сняты.
Исключительную важность имеет проблема обращения с большими объемами руды при добыче урана, отработанным топливом и высокорадиоактивными отходами. Сюда относятся работы по эффективным методам переработки отработавшего топлива, по сжиганию наиболее опасных актинидов и, возможно, долгоживущих продуктов деления, по долговременной геологической изоляции РАО.
Важнейшей проблемой ядерной энергетики продолжает оставаться проблема нераспространения. Снижение риска распространения, безусловно, будет одним из важных критериев при выборе перспективных топливных циклов. Кроме того, на США и России лежит особая ответственность за сокращение накопленных в этих странах огромных запасов, допускающих военное использование ядерных материалов. Имеющийся опыт свидетельствует о том, что для эффективного снижения риска распространения делящихся материалов требуется не только рассмотрение новых технологических подходов, но и разработка новых институциональных рамок. Среди них: лизинг топлива и реакторов, контракты на поставки топлива с сопровождением «от колыбели до могилы», создание крупных международных центров ядерного топливного цикла, обеспечение международного контроля этих центров и мониторинга всего топливного цикла.
В том, что касается России и США, президенты обеих стран определили позиции по отношению к ядерной энергетике. Каждый из президентов заявил об определяющей роли ядерной энергетики в будущем обеспечении человечества экологически чистой энергией. Российский президент В.В. Путин выступил с инициативой энергетического обеспечения устойчивого развития человечества с широкомасштабным использованием ядерной энергии на Саммите тысячелетия в сентябре 2000 г. В США это сформулировано в Докладе по национальной энергетической политике США, представленном американскому обществу президентом Бушем весной 2001 г.
Глобальная энергетика XXI века
Для анализа роли атомной энергетики в структуре мирового энергетического производства XXI века и прогнозирования ее международной инфраструктуры разработана модель глобальной ядерноэнергетической системы. Модель базируется на прогнозе динамики мирового энергопотребления развития с учетом роста населения. В этой работе используются исследования международной группы специалистов по «сценариям эмиссий» (SRES), подготовившей под эгидой Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 40 сценариев (объединенных в четыре основных семейства) — роста населения, темпов развития экономики и потребностей в энергии, а также структуры производства энергоресурсов. Некоторые характеристики четырех групп сценариев развития экономики и энергетики IPCC представлены в табл. 1. Величины развития ядерной энергетики по этим сценариям соответствуют мощности АЭС 2000 ГВт (э) в 2050 г. и 5000 ГВт (э) в 2100 г. или, соответственно, 45 EJ и 140 JE.
| Таблица 1Характеристики четырех групп сценариевразвития мировой энергетики | |||||
| Показатели | Годы | Группа сценариев | |||
| А1 | А2 | В1 | В2 | ||
| Население,млрд.чел. | 202020502100 | 7.68.77.1 | 8.211.315.1 | 7.68.77.0 | 7.69.310.4 |
| Темпы приростаВВП, % в год | 1990-20202020-20502050-2100 | 33,82.7 | 2.22.352.75 | 33.22.25 | 2.92.551.95 |
| Потребностьв первичнойэнергии, EJ | 202020502100 | 645-7031202-14072066-2228 | 5959711717 | 475689827 | 5658691358 |
Следует отметить, что не все исследователи прогнозируют такие темпы и уровни развития ядерной энергетики. Так, прогноз Международного энергетического агентства (МЭА ОЭСР) отводит ядерной энергетике незначительную роль, которая уменьшается к концу века.
Между тем развитие крупномасштабной водородной экономики невозможно без использования энергии ядерных реакторов для производства водорода из природного газа, а в конечном счете — из воды. Ядерная энергетика может поставлять также технологическое тепло для процессов газификации. Ожидаемые масштабы неэлектрического использования ядерных реакторов будут определяться стратегией решения проблемы исчерпания основных наиболее дешевых запасов природных углеводородов, необходимостью сокращения эмиссии парниковых газов и успешностью разработок соответствующих реакторных технологий для замещения углеводородов в неэлектрических секторах энергопотребления, на транспорте и в крупнотоннажных промышленных технологиях. В табл. 2 представлены оценки сводных показателей неэлектрического применения реакторов.
| Таблица 2Оценки масштабов неэлектрического использованияэнергии ядерных реакторов. ГВт (тепл.) | ||||
| Сектор потребления | 2050 | 2100 | ||
| Нижняя | Верхняя | Нижняя | Верхняя | |
| Производство водорода | 456 | 596 | 1232 | 1520 |
| Опреснение воды | 80 | 160 | 136 | 272 |
| Промышленное тепло | 240 | 2900 | 400 | 4900 |
| Теплофикация | 340 | 7600 | 340 | 7600 |
| Газификация угля | — | — | 250 | 600 |
Одним из ключевых факторов, определяющих возможный «облик» мировой ядерно-энергетической системы XXI века, является наличие урановых ресурсов. Наиболее широко используемые оценки содержатся в периодически публикуемой NEA/OECD «Красной книге» — сводке мировых данных по запасам, производству и потребностям в уране. Согласно обзору 2001 г., известные мировые запасы урана по наивысшей рассматриваемой сегодня цене в 130 долл. за килограмм урана оцениваются в 16.2 млн. метрических тонн. Если добавить к этой величине уже извлеченные ресурсы — коммерческие запасы, запасы на военных складах, а также уран, извлекаемый при повторном обогащении обедненного урана, можно довести оценку мировых ресурсов урана до 17.1 млн. т.
Торий может расширить топливную базу ядерной энергетики в несколько раз, но для этого нужно создать промышленность по его добыче, производству и переработке. Однако он как потенциальный топливный ресурс не конкурирует с ураном, а создает дополнительные ресурсные возможности.
Открытый или замкнутый цикл
Продолжается дискуссия сторонников развития ЯЭ с открытым или замкнутым ядерным топливным циклом.
Открытый цикл. Использование тепловых легководных реакторов типа ЛВР в открытом топливном цикле по умеренному сценарию приводит к высокому потреблению природного урана. Так, при мощности системы ЯЭ ~200 ГВт (э) в 2050 г., годовая добыча урана должна быть доведена более чем до 300 тыс. т, а интегральное потребление урана составит более 10 млн. т. К 2100 г., если мощность будет составлять 5000 ГВт (э), годовое потребление урана составит примерно 800 тыс. т., а интегральное потребление урана превысит 43 млн. т. Мощность разделительного производства к 2050 г. должна достичь примерно 450 млн. ЕРР (ЕРР — единица разделенного ресурса) в год, а к 2100 г. — примерно 1200 млн. ЕРР в год. Сокращение в два раза темпа развития (мощность ЯЭ системы 100 ГВт к 2050 г.) позволит реализовать ядерно-энергетическую систему с интегральным потреблением урана до 2100 г. в 17 млн. т. Уровень ниже 1000 ГВт (э) к 2050 г. оставляет ядерную энергетику скорее технологическим заделом, страхующим возможные ограничения в развитии других энергетических технологий.