Атомная энергетика как первостепенная отрасль экономики для экологически чистого будущего, или приручение атомного волка

Введение. Одним из революционных событий в истории человечества является одомашнивание человеком овец и быков, приручение волков и огня. Человек находил себе верных помощников в сфере строительства лучшей жизни. С середины ХХ века человек начал покорение атомной энергетики с той же целью – строительства лучшей жизни. Несмотря на то, что человек добился много в исследовании атома, покорение его все еще продолжается. Тем не менее, перспективы таковы, что атомный волк будет приручен, а следом за ним будет приручен и термоядерный зверь.

Актуальность данной темы обусловлено важностью экологической безопасности в рамках повышения уровня и качества жизни населения.

Цель данной статьи – оценка состояния экологической и энергетической безопасности России, а также оценка проектов, предлагаемых для нейтрализации угроз экологической и энергетической безопасности.

Задачи данной статьи: рассмотреть историю становления атомной энергетики в России, провести анализ текущего положения энергетического комплекса России, а также рассмотреть меры по нейтрализации угроз экологической безопасности.

Новизна данной статьи состоит в оценке нового проекта Росатома «Прорыв». Практическая значимость данной статьи обусловлена анализом статистики, связанной с энергетикой и экологией России, обзором угроз и проекта «Прорыв». Данное исследование будет интересно для экологов, экономистов, специалистов по обеспечению экологической и энергетической безопасности, так как данная статья обозначает основные угрозы экологической безопасности, а также указывает на реализующиеся проекты, которые могут помочь в деятельности по нейтрализации угроз, и на проекты, которые могут быть реализованы в будущем. Результаты данного исследования могут быть применимы в сфере экономики энергетического комплекса, научной сфере изучения энергетической безопасности, сфере экологии, сфере обеспечения экологической и энергетической безопасности.

Краткий курс в историю атомной энергетики в России. История атомной энергетики в России начинается с середины ХХ века, когда после принятия постановления Совета министров СССР «О научно-исследовательских, проектных и экспериментальных работах по использованию атомной энергии для мирных целей», началось масштабное применение энергии, сгенерированной атомными станциями, в мирных целях, то есть началось использование продуктов атомной промышленности в целях обеспечения экономики, транспортной и жилищной сфер электрической энергией [7]. Именно в этот промежуток времени появляется такое понятие, как «мирный атом», под которым подразумевалось использование атомной энергетики и атомных технологий в мирных целях, во благо человечества, во благо всех граждан страны.

Анализ текущего положения энергетического комплекса России. На данный момент в мире функционирует 192 атомный станции, расположенных в 31 странах [17]. На территории Российской Федерации действуют 11 атомных электростанций [1]. Но стоит также выделить, что более половины всей электроэнергии в России генерируется тепловыми электростанциями, количество которых на территории Российской Федерации насчитывается 598 станций [21]. Структура выработки электроэнергии в России отражена на рисунке 1.

Примечание: данные доступны по 2021 год.

Рисунок 1. Структура выработки электроэнергии в России

Источник: [10].

График, расположенный выше, демонстрирует, что в России за последнее десятилетие сформировалась тенденция к увеличению доли генерации атомной электроэнергии в общей сумме сгенерированной электроэнергии. Но доля электроэнергии, сгенерированной теплоэлектростанциями в три раза больше, нежели сгенерированной атомными электростанциями или остальными видами электростанций в сумме. Минимальная доля генерации электроэнергии атомными электростанциями приходится на 2008 г. с показателем 16,11%, а максимальная на 2020 г. с показателем 20,5%. То есть за последнее десятилетие доля атомной электрогенерации увеличилась на 4 процентных пункта.

Стоит отметить, что между тепловой электростанцией и атомной имеется принципиальная разница как в вопросах внутреннего устройства станции, так и в вопросах экологических. Тепловая электрогенерация осуществляется благодаря процессу окисления органического топлива (уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы, торф и пр.) [16]. Иными словами, работа тепловой электростанции происходит благодаря топке топлива, нагревающего воду до парообразного состояния, после чего пар поступает в специальный котел и далее переходит в паровую турбину. Пар, содержащийся в паровой турбине заставляет саму турбину вращаться, что приводит ротор генератора тепловой электростанции в движение, который в свою очередь и преобразует механическую энергию в электрическую энергию [5]. При сжигании топлива происходят выбросы различных веществ, в основном таких химических элементов, как углерод, водород и сера. Углеродные выбросы способствуют повышению глобальной температуры, а также удержанию солнечной энергии, что в совокупности имеет влияние на водные запасы, погоду, сроки выращивания продовольствия, уровень моря [8]. Выбросы водорода же увеличивают темп накопления метана в атмосфере, а метан представляет собой один из ключевых элементов парниковых газов вместе с углеродом, также влияя на среднюю глобальную температуру. Чрезмерные выбросы серы могут вызывать болезни дыхательных путей, поражать слизистые оболочки, стать причиной воспаления носоглотки, бронхита, различного рода кашля, хрипоты и боли в горле.

Принцип работы атомной электростанции схож с принципом работы тепловой электростанции. В основе работы АЭС также лежит процесс нагревания воды до парообразного состояния: пар также поступает в специальный котел, после чего пар идет в паровую турбину, которая, вращаясь, преобразует электрический ток [4]. Принципиальная разница состоит в том, что вода, которая поступает в турбину, нагревается с помощью деления атомного ядра [2]. Иными словами, вода нагревается в процессе высвобождения тепловой энергии вследствие контролируемой цепной реакции, а не нагревания воды вследствие окисления органического топлива. Одним из серьезных недостатков деятельности атомной электростанции является проблема утилизации ядерных отходов, так как немалое количество отходов, накопленных в процессе деятельности АЭС, является радиоактивным, а следовательно, опасным для живых существ. Отсюда вытекает проблема недостатка необходимых технических средств для того, чтобы обеспечить существенную безопасность в сфере обращения с радиоактивными отходами, а также наблюдается отсутствие хранилищ, удовлетворяющих требованиям длительного хранения [9]. Захоронение данных отходов может представлять собой угрозу облучения для населения ближайших к захоронению городов и угрозу радиационного загрязнения для окружающей среды в целом. Также недостатком АЭС является пагубность последствий аварий, которые могут повлечь человеческие жертвы и ухудшение окружающей среды.

Тем не менее, атомная электростанция обладает существенными преимуществами в сравнении с тепловыми электростанциями. АЭС обладает большей независимостью в вопросах топливного обеспечения, так как АЭС в сравнении с ТЭС нуждается в сравнительно меньшем количестве топлива. Также, за вычетом экологического вреда радиоактивных отходов деятельности атомных электростанции, сама деятельность АЭС характеризуется относительной экологической частотой. Те выбросы, что были перечислены в ходе обсуждения теплоэлектростанции, вовсе отсутствуют в процессе электрогенерации АЭС. Стоит отметить, что для такой страны, как Россия, электрогенерация АЭС обходится не дороже, чем та же электрогенерация на пылеугольных или газомазутных тепловых электростанциях. Поэтому, если смотреть в целом, то атомная электростанция обладает большим преимуществом в экологическом и экономическом плане, нежели тепловая.

Несмотря на аварии, произошедшие на атомных электростанциях и потрясших мир, мировое энергетическое сообщество не отказалось от строительства и введения новых АЭС.

Примечание: данные доступны по 2020 год.

Рисунок 2. Развитие мировой атомной энергетики после Чернобыльской аварии (1986 г.)

и аварии на Фукусима (2011 г.)

Источник: [20].

Данный график позволяет оценить развитие мировой атомной энергопромышленности в период с 1987 по 2020 гг. Всего за данный период было подключено 217 блоков (самое наибольшее подключение блоков приходится на период 1987-1990 гг.: в этот период было подключено 26,7% от всех подключенных с 1987 г. блоков), 165 блоков остановлено (наибольшее количество остановленных блоков приходится на период 2016-2020 гг.: в этот период было остановлено 21,2% от всех остановленных блоков) и 189 блоков строилось (наибольшее количество строящихся блоков приходилось на период 2007-2010 гг.: в этот период строилось 25,9% от строящихся блоков). Данные показатели демонстрируют то, насколько вопросы развития атомной энергетики актуальны в рамках мирового сообщества. Несмотря на то, что в период 1991-1994 гг. было зафиксировано падение числа подключенных блоков на 56,9% в сравнении с предыдущим периодом, а к периоду 2007-2010 гг. данное падение составило 77,59% в сравнении с периодом 1987-1990 гг., в период 2016-2020 гг. наблюдается рост числа подключенных блоков на 161,54% (или 58,62% от показателя периода 1987-1990 гг.). Отметим, что в последнее время тенденция на подключение новых блоков возобновилась.

Такая же тенденция наблюдается в остановке блоков. Наблюдается, что в период с 1987-1990 гг. по 1999-2002 гг. показатель отключений снизился на 66,67%. После чего показатель повысился на 110% в сравнении с периодом 1999-2002 гг. и составил 70% от показателя периода 1987-1990 гг. Далее наблюдается резкое падение показателя отключения блоков 66,67% в сравнении с периодом 2003-2006 гг. или 23,33% от показателя 1987-1990 гг. В последние три периода динамика показателей приняла обратную тенденцию, в период 2016-2020 гг. наблюдается рост на 400%, также показатель превышал значения 1987-1990 гг. на 16,67%.

Что касается строительства новых энергоблоков атомных станций, то тенденция до 2007-2010 гг. соответствовала тенденциям подключения и завершения работы энергоблоков, то есть число строительства падало с 1987-1990 гг. по 2007-2010 гг., сократившись на 64,52%, но в период 2007-2010 гг. наблюдается резкий рост в 345,45%. Также показатель превышал значения 1987-1990 гг. на 58,06%. В следующие периоды (2012-2015 гг. и 2016-2020 гг.) имеется падение значений показателя на 38,78% в 2012-2015 гг. в сравнении с 2007-2010 гг. и на 55,1% в 2016-2020 гг. в сравнении с 2007-2010 гг.

Данный график демонстрирует насколько увеличился интерес к атомной энергетике в странах мира с 2012 гг. В особенности проявляют интерес к данному виду производства энергии такие страны, как Россия, Китай, Южная Корея, Япония, США, Великобритания, ОАЭ, Белоруссия, Пакистан и Индия.

Примечание: данные доступны по 2021 год.

Рисунок 3. Доля энергетики в структуре выбросов парниковых газов

по секторам 2011-2021 гг.

Источник: [18].

Данный график позволяет оценить вклад энергетической отрасли в совокупные выбросы парниковых газов. График позволяет установить, что от 83% до 78% – часть всех выбросов, которые производятся в процессе генерации электроэнергии. То есть подавляющее большинство всех выбросов парниковых газов осуществляется именно энергетическим сектором. За весь период следующим сектором после энергетического был сектор, связанный с промышленными процессами и использованием промышленной продукции, третьим был сельскохозяйственный сектор, а четвертым – сектор, связанный с отходами. Стоит отметить, что в период с 2014 по 2017 гг. произошло резкое падение доли энергетического сектора на 3,4 процентных пункта. Данное уменьшение доли связано в основном с ростом доли сектора, связанного с промышленными процессами и использованием промышленной продукции. Тем не менее наблюдается тенденция снижения доли энергетического сектора, однако за весь рассматриваемый период доля данного сектора не имела значений менее ¾ от совокупных выбросов.

Также стоит напомнить, что более 60% электроэнергии в России генерируются тепловыми электростанциями, в то же время атомные электростанции не производят никаких выбросов парниковых газов. Таким образом, колоссальное количество парниковых газов производится теплоэлектростанциями. Данный факт представляет собой угрозу энергетической и экологической безопасности национальной экономики, так как тепловые электростанции создают множество выбросов, что соответственно является угрозой экологической безопасности. Резкое и стремительное сокращение доли ТЭС в производстве электроэнергии, в свою очередь, может создать угрозу энергетической безопасности.

Меры по нейтрализации угроз экологической безопасности. Эффективным выходом может быть политика развития и внедрения гибридных тепловых и атомных электростанций – развитие токамаков гибридных электроэнергетических систем (то есть систем хранения энергии, использующих более одного источника). Данная мера позволит таким отраслям производства электроэнергии (атомная энергетика), которые сами по себе не являются углеродными, но в своем обслуживании производящие углеродные выбросы, избавиться от данного «недуга». Стоит отметить, что ученые ФГБУ НИЦ Курчатовского института завершили эскизное проектирование гибридной энергетической установки [11]. Еще более эффективная мера – это развитие термоядерной электроэнергетики в будущем (на долгосрочный период), так как термоядерный синтез имеет огромную выработку электроэнергии при наименьших затратах ресурсов [14]. В научном ядерном сообществе так или иначе происходит разработка механизмов для реализации данной политики.

На данный момент в России идет реализация проекта Росатома «Прорыв» (БРЕСТ), представляющий собой комплекс из заводов по переработке отработавшего ядерного топлива (процесс химической обработки ядерного топлива, которое уже прошло цикл генерации электроэнергии), а также фабрикации топлива [15]. Иными словами, топливо, которое использовалось для генерации электрической энергии, будет перерабатываться на той же территории, что и находится атомная электростанция, что уже сокращает издержки перевозки и хранения отработанного топлива. Вдобавок, данной электростанции будет необходимо меньшее количество топлива, чем сопоставимой атомной электростанции с открытым циклом, так как использованное топливо, после переработки вновь будет использоваться для генерации электроэнергии. Данный проект также отличается от других АЭС своей технической безопасностью (так как проект исключает возможность аварий, влекущих эвакуацию персонала и ближайшего к АЭС населения) и экологической безопасностью (так как захоронение отходов электрогенерации производиться не будут) [6]. Примечательно, что ряд экспертов в области энергетической и экологической безопасности считает, что энергию, добывающаяся в будущем из данного реактора (БРЕСТ-ОД-300), можно считать энергией, добытой из возобновляемых источников. Таким образом, создание и дальнейшее распространение комплекса атомной электростанции на основе ректора БРЕСТ-ОД-300 и заводов по переработке отходов приблизят человечество к зеленой экономике. Запуск данного проекта запланирован на 2026 г.

Тем не менее стоит отметить, что атомная энергетика является основной 5 технологического уклада [12]. Развитие атомной энергетики является одним из элементов прогресса в виде перехода человеческого общества в новый технологический уклад. Технологическим укладом является макропроизводственный цикл в рамках общественного развития, включающий в себя процесс добычи топлива и энергии, систему производства продукции, подготовку рабочих кадров, непроизводственное потребление и пр. [19] Технологический уклад имеет четыре этапа своего развития: становление, развитие, зрелость и упадок. По мнению некоторых ученых наше общество стоит на пороге 6 технологического уклада [13]. Иными словами, в скором времени человечество переживет изменение структуры производства, добычи энергии, подготовки квалифицированных кадров, потребления.

Помимо того, что данный проект позволит совершить скачок в новый технологический уклад, он имеет ряд экономических эффектов, которые будут ощущаться сразу после запуска. Одним из таких является генерация электроэнергии с меньшими издержками, так как на единицу исходного топлива, необходимого для генерации электроэнергии атомной станцией, приходится большее количество выработанной электроэнергии. Также данный проект является наукоемким, то есть привлекает к себе множество научных специалистов как на уровне проектирования и строительства, так и на уровне производства, что положительно влияет на местный рынок труда, увеличивая среднюю квалификацию рабочего, являясь объектом практики для молодых ученых. Стоит отметить, что реализация данного проекта является крупной инвестицией в зеленую экономику, так как БРЕСТ открывает путь к созданию электростанций с возобновляемым источником энергии с высокой мощностью. С повышением мощности генерации электроэнергии на единицу исходного топлива может быть уменьшена себестоимость электроэнергии, что уменьшит издержки ряда производств национальной экономики.

Россия обладает неимоверным потенциалом по развитию зеленой электроэнергетики, поэтому она вполне может стать мировым лидером по развитию новой промышленной экономической модели. Также стоит отметить, что у России имеются колоссальные возможности к развитию данной сферы, так как Россия имеет многие наработки, оставшиеся еще с Советского Союза. Различные университеты, ученые, образовательные и научные центры и т. д. – большинство из них является наследием советских времен. Использование этого наследия и наработка новых инструментов реализации развития инновационной, технологической, промышленной и энергетической сфер национальной экономики позволит России в будущем выйти в мировые лидеры. Перестройка промышленного производства России в купе с зелеными нововведениями не только в производстве электроэнергии, но и в повседневной жизни граждан (распространение электромобилей, введение общественного электрического транспорта, отказ от пластиковых пакетов, упаковок, сортировка отходов и пр.) позволят обеспечить национальную безопасность страны в будущем по многим направлениям ее жизнедеятельности [3].

Заключение

Очищение производства электроэнергии от углеродных выбросов позволит очистить остальные сферы жизнедеятельности человеческого общества от углеродных выбросов с помощью введения новых технологий производства в тяжелую и легкую промышленности и распространения электромобилей, заправка которых будет стоить меньше с распространением мощных атомных реакторов. Проект «Прорыв» открывает новую эпоху. Если в 50-х гг. ХХ века началась эпоха «Мирного атома», то 20-е гг. XXI века предвещают начало новый эпохи «Мирного и чистого атома»!