Андрианов Ядерные технологии история, состояние, перспективы 2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Обнинский институт атомной энергетики

ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: ИСТОРИЯ, СОСТОЯНИЕ,

ПЕРСПЕКТИВЫ

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2012

3

4

Глава 1. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ И ВНУТРЕННИЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ ТРАДИЦИОННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ

1.1. Особенности энергетического производства на современном этапе

Достаточное энергообеспечение является необходимым условием нормального функционирования экономики, а дефицит энергии – сдерживающим фактором устойчивого экономического развития. Хорошо известно эмпирическое соотношение, в соответствии с которым для обеспечения 1 % прироста национального валового продукта необходимо обеспечить увеличение производства и потребления энергии на 0,5–1,5 %. Само по себе энергопотребление представляет производную от масштаба экономики и уровня социальноэкономического развития страны.

Для обеспечения человечества энергией требуется наличие энергоресурсов и технологий по их преобразованию в конечные, потребляемые формы энергии. Энергоресурсы и спрос на них распределены в мире неравномерно в зависимости от геологогеографических особенностей стран. Вследствие этого экономическое развитие мира осуществляется за счет активной мировой торговли энергоресурсами, которая обеспечивает необходимые потоки от ресурсоизбыточных к ресурсодефицитным регионам.

Отметим одну принципиальную тенденцию использования энергоресурсов в истории человечества, обусловленную необходимостью роста производительности труда. По мере развития индустриальной и техногенной цивилизации происходил переход к использованию все более концентрированных источников энергии, что характерно не только для энергетики, но и всей деятельности человека в целом. В наиболее яркой форме это отражено в развитии военной техники. Параллельно происходит процесс, обусловленный ростом плотности энерговыделения, который неизбежно связан с необходимостью роста единичных мощностей энергоустановок (рис. 1.1)1.

1 Все рисунки помещены в конце книги.

5

Этими тенденциями отчасти обусловлена смена доминирующих энергетических ресурсов за последние 150 лет:

дрова → уголь → нефть → газ

В начале XXI в. мировая энергетика развивается по «углеводородной» траектории, заданной еще в прошлом столетии. Однако в обозримом будущем такая траектория таит в себе серьезные риски как для ведущих национальных экономик, так и для всей глобальной экономической системы. Это вынуждает искать способы защиты от данных рисков путем развития энергосберегающих технологий, альтернативных источников энергии, в первую очередь в атомной энергетике [1-4].

1.1.1.Состояние мировой энергетики

Внастоящее время структура мирового энергопотребления такова: нефть – 36 % потребляемых энергоресурсов, уголь – 28 %, газ – 24 %, гидроэнергетика – 6 %, атомная энергетика – 6 % (рис. 1.2).

Основной прирост потребления обеспечивают в основном экономики стран Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР), прежде всего Китая. Рост промышленного производства и социальные трансформации, связанные с экономическим развитием, в таких густонаселенных странах, как Китай и Индия, обеспечивают эффект быстрого приближения показателей среднего потребления энергии на человека в развивающихся странах к показателям развитых стран

(рис. 1.3).

Одним из многочисленных сигналов, заставляющих ожидать резкого увеличения потребления энергоресурсов в странах АТР в ближайшем будущем, является прогнозируемое вплоть до 2030 г. увеличение числа легковых автомобилей в Южной Азии в среднем примерно на 9 %, в то время как средний показатель для всего мира составит около 2 %. Другим сигналом является урбанизация, о темпах которой свидетельствуют следующие цифры: если в 1900 г. в городах проживало 10 % мирового населения, а в 2007 г. городское

исельское население делилось поровну, то к 2050 г. в городах ориентировочно будет жить 75 % людей.

Видущей быстрыми темпами индустриализации развивающихся стран значительную роль играют такие «грязные» и/или энергоемкие отрасли, как металлургическая, нефтехимическая, автомо-

6

бильная, электронная, авиационная, целлюлозно-бумажная и др. Они обеспечивают не только рост потребления углеводородов, но и усиливают негативное воздействия на экологическую ситуацию. В частности, увеличивается объем выбросов диоксида углерода, входящего в список «парниковых» газов, вызывающих повышение атмосферной температуры.

Международное энергетическое агентство формулирует центральный вопрос текущей ситуации на рынке органического топлива следующим образом: проблема не в отсутствии ресурсов, а в обеспечении доступа к ним. Следствием данной проблемы является обострение мировой конкуренции за права и условия этого доступа.

Запасы и возможности использования угля велики. При условии использования не только в твердой фазе уголь будет находить применение в течение сотен лет. Главные недостатки угля – неравномерность размещения запасов, риск для здоровья и жизни людей и загрязнение окружающей среды при его добыче и использовании. Рынок угля – глобальный рынок с ограниченными источниками поставок. Так, 90 % запасов угля сосредоточено в Китае, США, России и Австралии.

Но и для этих стран при использовании угля приходится решать ряд проблем. Для примера возьмем Китай – страну, чье промышленное развитие в наибольшей мере связано с наличием угольных запасов. В 2010 г. в Китае для всех промышленных нужд добывается более 2 млрд. т угля в год (больше, чем во всех странах ОЭСР вместе взятых). Китай не может продолжать интенсивно увеличивать объем транспортировки угля из-за пропускной способности своих железных дорог. Вследствие того, что основная добыча угля ведется на севере, а основное потребление осуществляется на юговостоке, Китай из-за логистических ограничений вынужден обеспечивать свои южные районы за счет экспорта угля высокого качества из Австралии.

Как известно, с потреблением угля связан наибольший экологический ущерб, а с его добычей и транспортировкой – максимальный риск для человеческой жизни. Согласно статистическим данным, добыча 1 млн. т угля связана с потерей 5–10 жизней шахтеров (в зависимости от технологии и промышленной культуры). В Китае в 2004 г. только по официальным данным погибло более 5000 шахтеров.

7

Сложнее ситуация с нефтью и газом. В использовании нефтяных ресурсов наступает «момент истины». Если до сих пор ежегодно запасы вновь открываемых месторождений нефти превышали объемы ежегодного потребления, то сейчас они сравнялись. В дальнейшем прогнозируется неуклонное снижение ежегодной мировой добычи на 2–3 % в год. К 2040 г. годовая добыча нефти составит 50–60 % от уровня 2000 г. При этом более 70 % мировой добычи будет приходиться на мусульманские страны. В США при условии сохранения текущего уровня добычи «черного золота» собственной нефти хватит примерно на 10–15 лет.

Ситуация с газом аналогична, но расценивается более оптимистично – его запасов хватит на 40–50 лет. Со структурой потребления газа в течение предыдущих 30 лет произошли изменения: из промышленности он был вытеснен, как и нефть, углем. Широкое распространение получило его неэнергетическое применение и использование в транспорте.

Если сопоставить количество потребляемых и импортируемых нефти, газа и угля, можно получить следующие цифры: в 2006 г. импортировалось 67 % потребляемой нефти, 26 % газа (включая сжиженный природный газ) и 16 % угля. Иными словами, нефть, газ и уголь – это энергоносители глобального, регионального и локального значения соответственно.

Импортно-экспортные операции с энергоресурсами поддерживают поляризацию и взаимозависимость производящих и потребляющих стран, сложившиеся в международных отношениях в прошлом веке. Сравнив список регионов, лидирующих по доказанным запасам энергоресурсов, со списком регионов – лидеров по энергопотреблению, можно обнаружить почти полное их несовпадение. Например, по объему доказанных запасов нефти впереди Ближний Восток, Европа и страны бывшего СССР, Африка, тогда как больше всего нефти потребляется в странах АТР, Северной Америки, Европы, включая Россию и ряд республик бывшего СССР. Более яркая картина складывается при детализации списка: крупнейшими доказанными запасами нефти обладают Саудовская Аравия, Иран и Ирак, тогда как список потребителей нефти возглавляют США, Китай и Япония.

Крупнейшие экономики мира, таким образом, все больше зависят от ситуации в регионах, откуда поступает значительная часть

8

потребляемых энергоресурсов (как и поставщики зависят от развития этих экономик). Показательными примерами такой взаимозависимости являются США и Китай. В Соединенные Штаты нефть поступает из Центральной и Южной Америки, Северной и Западной Африки, с Ближнего Востока, из Европы. Китай большей частью импортирует нефть из стран Ближнего Востока, Африки, АТР, бывшего СССР.

Очевидно, что возможное нарушение поставок по каким-либо причинам, включая внутриполитические, является серьезнейшей угрозой для таких крупных потребителей, как США и Китай, ставя развитие их национальной экономики в зависимость от внутренних и внешних политических событий в других странах. Такой риск, с одной стороны, побуждает импортеров создавать запасы «на черный день» и способствуют росту цен на энергоносители, а с другой

– стимулирует страны-потребители к диверсификации поставок и увеличению в структуре национального энергопотребления доли атомной энергетики и энергетики, основанной на возобновляемых ресурсах. Эти меры являются частью деятельности, направленной на обеспечение энергетической безопасности, которая подразумевает также предотвращение аварий и террористических атак на объекты энергетики, поддержание инвестиций в ее инфраструктуру, оптимизацию организации рынков всех видов энергоресурсов во избежание угрозы сокращения поставки энергоресурсов по допустимым ценам.

Позиции экспортеров энергоресурсов также уязвимы: отказ ко- го-либо из крупных потребителей от поставок из страны-экспортера может нанести тяжелый удар по ее экономике. Таким образом, энергетическая безопасность подразумевает не только гарантированный доступ потребителя к энергии, но и гарантированный выход поставщика энергоресурсов на мировой рынок, т. е. главной задачей энергетической безопасности является обеспечение стабильности международных потоков энергоресурсов.

Вопросы энергетической безопасности приобретают все бόльшую остроту в связи с ограниченностью мировых запасов углеводородных энергоресурсов, прежде всего нефти. Продолжение эксплуатации легкодоступных и давно освоенных месторождений

9

нефти на основе современных технологий ведет к падению объемов добычи в ближайшем будущем. Хотя доказанные мировые запасы нефти являются достаточными для удовлетворения растущего спроса на энергоресурсы до 30-х гг. XXI в., необходимы значительные инвестиции и внедрение новых технологий для более эффективной эксплуатации легкодоступных месторождений и освоения труднодоступных. В сочетании с политическими рисками в странах, являющихся крупнейшими производителями энергоресурсов, неопределенность с ресурсной базой порождает нестабильность энергетических рынков и международно-политической ситуации.

Подытожим сказанное выше о современной ситуации в области производства, потребления и распределения мировых энергетических ресурсов. В настоящее время эксперты все чаще говорят о предчувствии системного энергетического кризиса, проявляющегося в росте цен на нефть на мировых рынках, росте добычи и потребления, который опережает прирост запасов. Вся производственная цепочка по добыче, транспорту, переработке работает на пределе возможностей: любые небольшие перебои в поставках выводят рынок из состояния равновесия. Резервов для увеличения поставок нефти, которые удовлетворили бы растущий спрос, практически нет. Таким образом, из невозобновляемого топлива на будущее развитие остаются значительные по современным масштабам и достаточно хорошо разведанные запасы угля, а также урана.

1.1.2. Экологические аспекты углеводородной энергетики

Наряду с ограниченностью и неравномерностью распределения запасов органического топлива в мире существенным препятствием для дальнейшего интенсивного развития энергетики на органическом топливе являются опасные последствия такого развития для экологии биосферы земного шара.

Согласно оценкам Международного энергетического агентства, выбросы углекислого газа за последние 30 лет увеличились примерно в 1,8 раза и достигают в настоящий момент ~30 000 Мт.

В изменениях структуры потребления энергии в различных регионах мира и объемов выбросов парниковых газов наблюдаются

10