Андрианов Ядерные технологии история, состояние, перспективы 2012

2.2.2. Краткая история промышленного использования энергии ядра

Входе работ над атомной бомбой были проведены фундаментальные и прикладные исследования и заложена промышленная основа производства материалов для гражданской ядерной энергетики. В 1944 г. были построены первые газодиффузионные заводы в США. В 1949 г. Великобритания с целью создания собственной атомной бомбы начала строительство обогатительного предприятия. Во второй половине 1940-х гг., ещё до окончания работ по созданию ядерного оружия, приступили к разработке первых проектов мирного использования ядерной энергии, генеральным направлением которого стала электроэнергетика.

Сцелью практического освоения энергии ядра была поставлена задача спроектировать и построить опытно-промышленную станцию для решения научно-технической проблемы создания более крупных промышленных АЭС. Реализация задачи стала возможна благодаря опыту, приобретённому специалистами в 1940-х гг., когда были выполнены поисковые работы практически по всем направлениям реакторостроения, разработан определённый круг технических решений и созданы специализированные отрасли промышленности.

Вдекабре 1951 г. в США был запущен маленький экспериментальный быстрый реактор EBR-1. В августе 1953 г. было начато строительство промышленно-энергетического реактора в КолдерХолле (Великобритания), который был запущен 27 августа 1956 г.

По предложению И.В. Курчатова первые работы по созданию АЭС в СССР начались в 1948 г., несмотря на то, что некоторые учёные высказывали скептические мнения относительно целесообразности идеи создания АЭС и относили её скорее к «развлечению», которое никогда не будет иметь практического значения.

В1954 г. в Советском Союзе в г. Обнинске была запущена первая в мире АЭС (рис. 2.9). Она была создана и введена в строй всего за четыре с половиной года. Реализация этого амбициозного проекта оказалась возможным благодаря сотрудничеству ученых, инженеров, конструкторов, техников и рабочих, на основе широкой кооперации различных институтов и предприятий.

41

После пуска первой АЭС началось бурное развитие ядерной энергетики во всем мире. Эти тенденции достигли такого размаха, что потребовалась специальная организация для координации работ в области мирного использования энергии атома. В 1957 г. было создано Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), основной задачей которого является содействие в обеспечении ядерной и радиационной безопасности во всех странах, а также нераспространения ядерного оружия и развития ядерных технологий для удовлетворения потребностей человечества. МАГАТЭ создано по предложению американского президента Дуайта Эйзенхауэра, с которым тот выступил в своем обращении к пленарному заседанию Генеральной ассамблеи ООН 8 декабря 1953 г.

География ядерной энергетики после 1960 г. расширялась за счёт национальных проектов и импорта из более развитых в техническом отношении стран. Первые программы быстрого роста ядерной энергетики были разработаны еще в 1950–60-е гг. в США, Великобритании, СССР, Франции, затем в ФРГ, Японии. Но в большинстве своем они не были реализованы, что объяснялось, прежде всего, недостаточной конкурентоспособностью АЭС по сравнению с тепловыми электростанциями на угле, мазуте и газе.

С началом мирового энергетического кризиса, который привел к резкому подорожанию нефти и других видов минерального топлива, по-новому поставил вопросы надежности энергоснабжения, роль ядерной энергетики в решении данных вопросов была быстро осознана. В первую очередь, это относилось к странам, не обладавшим большими ресурсами нефти и газа, а иногда и угля – Франции, ФРГ, Бельгии, Швеции, Финляндии, Японии, Южной Корее. Однако крупные программы развития ядерной энергетики были приняты также и в таких богатых минеральным топливом странах, как США и СССР. В результате в конце 1970-х гг. большинство западных экспертов считало, что к концу XX века мощность АЭС может достигнуть 1300–1600 ГВт или примерно половины суммарной мощности всех электростанций, а сами АЭС появятся в 50 странах мира.

Снижение темпов роста ядерной энергетики наметилось ещё в 1972 г., когда в США начались первые отмены заказов на строи-

42

тельство блоков АЭС. Эти отказы стали ещё более значительными после избрания 2 ноября 1976 г. президентом США Дж. Картера, настроенного против программы развития ядерной энергетики. Но настоящий кризис в ядерной отрасли развернулся после Чернобыльской катастрофы 1986 года.

Первая крупная радиационная авария произошла 28 марта 1979 г. на АЭС Три-Майл-Айленд (Гаррисбург, штат Пенсильвания, США), которая является второй по величине в истории мировой ядерной энергетики. Она привела к хоть и небольшому, но всё же имевшему место выбросу радионуклидов за пределы станции.

Авария на Три-Майл-Айленде заключалась в том, что постепенная утечка теплоносителя (воды) из реакторного контура привела к частичному расплавлению топлива и выходу содержащихся в нем радионуклидов. По результатам расследования причиной аварии названо «сочетание отказа оборудования и неспособности операторов понять состояние реактора».

После инцидента на Три-Майл-Айленде отмены заказов на строительство блоков АЭС в США стали массовыми. Тем не менее, эта авария не сказалась критическим образом на развитии мировой ядерной энергетики.

26 апреля 1986 г. в 1 ч. 23 мин. по местному времени на четвёртом блоке Чернобыльской АЭС (РБМК-1000, введённом в эксплуатацию в декабре 1982 г.) произошла тяжёлая авария с разрушением активной зоны реактора и части здания, в котором он находился. Авария стала последствием проводимого на станции эксперимента, заключавшегося в получении электроэнергии в режиме «выбега турбины» (то есть при вращении турбины по инерции после прекращения подачи на нее пара).

Дальнейшее сочетание конструктивных особенностей РБМК и действий персонала и привело к тепловому взрыву реактора. В окружающую среду были выброшены фрагменты топлива, территория размером 145 тыс. км2 оказалась загрязненной радионуклидами, 6,5 млн. человек отнесено к пострадавшим.

Для предотвращения дальнейших выбросов радиоактивных веществ в окружающую среду над 4-м блоком Чернобыльской АЭС в кратчайшие сроки был возведен объект «Укрытие» (рис. 2.10).

43

Следующее послечернобыльское пятилетие (1991–1996 гг.) проходило уже под воздействием других событий. Последовавший политический кризис (распад СССР, смена политической системы в Восточной Европе и др.) привёл к остановке шести энергоблоков в Германии, из-за разрыва экономических связей вызвал трудности в функционировании ядерной энергетики ряда стран, в первую очередь Украины, однако не лишил ни одну страну этого региона ядерной программы.

В результате рост ядерной отрасли в развитых странах замедлился. Острая необходимость развивать ядерную энергетику такими темпами отпала. В тоже время в странах, которые не относились к промышленно развитым (Китай, Индия и ряд других) стали активно развивать ядерную энергетику.

Сегодня в мире проявляется возобновление интереса к строительству ядерных энергоблоков. Эксперты говорят о «ядерном ренессансе». Заявления о создании или развитии национальной ядерной энергетики сделали не только крупнейшие игроки такие как США, Франция, Россия, но и Китай, Индия, Финляндия, Швейцария, Испания, Италия, Болгария, Беларусь, Казахстан, Южная Корея, Япония, Аргентина и др.

2.3.История развития, текущее состояние

иперспективы развития ядерной энергетики

взападноевропейских странах, США и России

2.3.1. Ядерная энергетика в западноевропейских странах

Ситуация с развитием ядерной энергетики в Западной Европе в полной мере отражает противоречия, возникшие по мере реализации ядерных технологий в мире (рис. 2.11) [18-21]:

▪ с одной стороны – практически неисчерпаемые потенциальные мировые запасы ядерного топлива (урана и тория), обеспечивающие стабильное развитие ядерной энергетики на столетия; с другой стороны – практическая реализация развития ядерной энергетики на базе реакторов на тепловых нейтронах, использующих в основ-

44

ном только уран-235 из относительно богатых руд, потенциальные запасы которых меньше запасов нефти и газа;

▪с одной стороны – возможность создания внутренне безопасных ядерных реакторов (в том числе на базе пассивных систем), с другой стороны – ряд серьезных ядерных аварий (например, авария на АЭС Три-Майл-Айленд (США) и Чернобыльская катастрофа (СССР));

▪с одной стороны – потенциальная возможность полного контроля и изоляции практически всех радиоактивных отходов, с другой стороны – практически не решенная проблема окончательного захоронения высокоактивных ядерных отходов;

▪с одной стороны – создание глобального режима ядерного нераспространения (ДНЯО, ДЗЯО и т.п.), с другой стороны – черный рынок ядерных материалов и технологий, отсутствие международного механизма предотвращения возможного появления новых стран, обладающих ядерным оружием по мере распространения ядерной технологии в новые страны, потенциальная угроза ядерного терроризма;

▪с одной стороны, ожидаемый ренессанс ядерной энергетики, а

сдругой – нерешенная проблема создания коммерческого замкнутого ЯТЦ и коммерческого плутониевого реактора-размножителя, полностью отвечающих требованиям нераспространения; старение научно-технических кадров и угроза утраты опыта, знаний старшего поколения; потеря научно-технических школ, угроза утраты «критических» знаний для будущего развития ядерной энергетики.

Врезультате Западная Европа (прежде всего Франция, Швейцария, Швеция, Финляндия) демонстрируют использование основных преимуществ ядерной энергетики как экологически привлекательного, экономически конкурентоспособного источника энергии. В Западной Европе реализован замкнутый по урану и по плутонию ЯТЦ с переработкой более 30 % ОЯТ с использованием уранплутониевого МОХ-топлива в легководных реакторах Франции, Швейцарии, Бельгии, Германии. Здесь были разработаны и созданы реакторы будущего: реакторы-бридеры на быстрых нейтронах

(Phenix, Super-Phenix 1200 МВт во Франции, KNK в Германии, PFR

вАнглии); продемонстрирована на практике возможность окончательного захоронения отходов переработки ядерного топлива (Франция) или ОЯТ (Швеция, Финляндия).

45

ВЗападной Европе были разработаны и построены высокотемпе-

ратурные уран-графитовые реакторы с гелиевым охлаждением при температуре гелия до 800–900оС, в т.ч. с использованием тория (THTR , Германия) – основа будущих АЭС с газотурбинными установками и основа развития будущей атомно-водородной энергетики

(рис. 2.12).

Вто же время после аварии на АЭС Три-Майл-Айленд и на Чернобыльской АЭС ряд стран Западной Европы (в частности, Австрия, Ирландия, Голландия) в законодательном порядке запретили развитие ядерной энергетики или ввели мораторий на дальнейшее строительство новых АЭС.

Национальная политика стран Западной Европы в области ядерной энергетики. Развитие ядерной энергетики в Западной Европе началось со строительства первых коммерческих АЭС с газографитовыми реакторами типа MAGNOX (Колдер-Холл, 1956 г. Великобритания).

Как уже отмечалось, авария на АЭС Три-Майл-Айленд в США в марте 1979 г. и авария на Чернобыльской АЭС в СССР в апреле 1986 г. привели к приостановке программ строительства АЭС в ряде стран, а некоторые страны Западной Европы, такие, как Швеция, Германия, Испания, Бельгия, Голландия, отказались от намеченных ранее планов строительства ядерной энергетики, хотя и сегодня в этих странах ядерная энергия вносит существенный вклад в производство электричества на уровне 30–60 %.

Начавшееся антиядерное движение, ужесточение и расширение лицензионных правил и требований существенно способствовали снижению популярности ядерной энергетики и дальнейшему замедлению роста мощностей АЭС в Западной Европе. Среди нарастающих проблем, которые сопровождают развитие ядерной энергетики, главными становятся вопросы роста стоимости АЭС и снижения их конкурентоспособности, а также проблемы вывода из эксплуатации электростанций, отработавших проектный срок, и утилизации РАО.

Внастоящее время только в двух странах Западной Европы имеются конкретные планы строительства новых блоков АЭС – во Франции и Финляндии. Обе страны намерены построить по одному блоку с реактором EPR совместной франко-германской разработки.

46

ВФинляндии высказывается также намерение внести на рассмотрение парламента вопрос о строительстве еще одного, шестого блока.

Вдругих странах вопрос о строительстве новых блоков конкретно не обсуждался, но были высказаны предположения о такой возможности для замены выводимых из эксплуатации. Остановимся подробнее на ситуации с ядерной энергетикой в некоторых западноевропейских странах.

Сегодня Франция эксплуатирует 59 коммерческих ядерных энергоблоков суммарной мощности 63 260 МВт(э) и строит один 1600 МВт(э). Более трех четвертей своей электроэнергии она производит на АЭС – больше, чем любая другая страна мира.

Во Франции действующие АЭС конкурентоспособны по сравнению с ТЭС на импортируемом газе: издержки производства электроэнергии на АЭС составляют 3,20 евро/(кВт·ч), на газовых ТЭС – 3,05–4,26 евро/(кВт·ч) в зависимости от различных условий, на угольных ТЭС – 3.81–4.57 евро/(кВт·ч).

Правовые вопросы атомной отрасли промышленности включались в законодательные положения, относящиеся к обычным сферам деятельности (например, в законы об охране окружающей среды, о выбросах в атмосферу, водопользовании, охране здоровья и технике безопасности на производстве).

Во Франции выведено из эксплуатации 11 реакторов на АЭС, из них восемь – газографитовых первого поколения, шесть из которых очень похожи по своим показателям на магноксовые реакторы Великобритании. Часть оборудования на этих реакторах демонтирована, но для окончательного демонтажа и дезактивации они оставлены на 50 лет (рис. 2.13).

Франция не имеет законодательных ограничений по времени эксплуатации атомных блоков. Для реакторов мощностью 900 МВт(э), строившихся в 1980-е гг., установлены технические пределы (30–40 лет службы), связанные с надежностью оборудования. Эксплуатирующая организация, в качестве которой выступает компания Electicite de France, хотела бы продлить эксплуатацию своих PWR до 60 лет, мотивируя это желание опытом других стран.

Франция рассматривает строительство энергоблоков EPR как часть долгосрочной энергетической политики, которая может позволить стране «завоевать мировые энергетические рынки» и по-

47

кончить с ее зависимостью от нефти и газа. Имея такие компании,

как EDF, GDF Suez, Total, Areva и Alstom, Франция имеет все воз-

можности для наращивания объемов экспорта.

Финляндия, как и Франция, не меняла планы развития ядерной энергетики с 1981 г., когда суммарная мощность трех блоков (два из которых – ВВЭР-440) составляла 1500 МВт(э). В настоящее время на четырех блоках Финляндии установленная мощность 2696 МВт(э) и строится один блок EPR мощностью 1600 МВт(э). На блоках № 1 и № 2 АЭС Ловииза (рис. 2.14) с реакторами ВВЭР440 единичная мощность была повышена с 465 до 510 МВт (9,7 %), а срок службы – до 50 лет. Единичная мощность блоков № 1 и № 2 АЭС Олкилуото с реакторами PWR была увеличена с 690 до 870 МВт (26 %), и срок эксплуатации продлен до 60 лет.

ВФинляндии строительство пятого блока АЭС намерена осуществить компания TVO, созданная в 1969 г. рядом финских промышленных фирм для строительства и эксплуатации крупных национальных электростанций. В состав акционеров входят частные (56,9 %) и государственные (43,1 %) предприятия. Частными акционерами являются преимущественно крупные промышленные предприятия с большим потреблением электроэнергии в режиме базовой нагрузки, и поэтому для них имеет очень большое значение сохранение низкой стоимости электроэнергии, особенно в условиях предполагаемого роста цен на топливо. Расчеты показывают, что удвоение цен на топливо в Финляндии приведет к росту затрат на производство электроэнергии на АЭС на 9 %, на угольных ТЭС – на 31 %, на газовых ТЭС – на 66 %.

ВВеликобритании в декабре 1984 г. в эксплуатации было 35 блоков общей мощностью 10 612 МВт(э), продолжалось строительство ещё 7 блоков суммарной мощности 4620 МВт(э) (рис. 2.15).

Основу ядерной энергетики Великобритании с самого начала её развития составляли АЭС с газографитовыми реакторами. Сначала, как и во Франции, это были реакторы типа MAGNOX, а затем усовершенствованные газографитовые реакторы с повышенной температурой за счет перехода к использованию нержавеющей стали вместо сплава MAGNOX в качестве материала оболочек твэлов. Франция же резко изменила стратегию в области ядерной энергетики, перейдя к строительству легководных реакторов под давле-

48

нием (PWR) сначала по отечественным проектам, а позднее – по технологии Westinghouse.

После открытия и начала использования значительных запасов нефти и газа в Северном море в Великобритании была практически прекращена дальнейшая поддержка государством развития ядерной энергетики. В 1995 г. правительство Великобритании дало согласие на развитие ядерной энергетики при условии ее конкурентоспособности в рыночных условиях, но отказало в государственной поддержке в будущем.

В октябре 1998 г. была опубликована «Белая книга», посвященная проблемам развития электроэнергетики в стране. В ней рассматривались перспективы использования различных энергоносителей для производства электроэнергии, делался вывод о том, что строительство новых АЭС слишком дорого, и в будущем наиболее экономичным представляется использование существующих ТЭС на угле и газе. Одновременно подчеркивалось, что будущее ядерной энергетики зависит от способности атомной промышленности получать общественную поддержку.

Позиция правительства в отношении ядерной энергетики оставалась прежней: перспективы строительства новых АЭС «определит рынок», исходя из их безопасности, экономичности и отношения общественности.

Доля ядерной энергетики в производстве электроэнергии Великобритании составляла в 2000 г. 22 %, а к 2010 г. предполагалось ее снижение до 13 %. В декабре 2008 г. в Великобритании действовало 19 блоков суммарной мощности 10222 МВт(э).

Значительно более высокие затраты на единицу мощности для реакторов с газовым теплоносителем по сравнению с водоводяными реакторами является основной проблемой снятия с эксплуатации АЭС Великобритании. Для магноксовых реакторов это отношение составляет 5:1. Это связано с необходимостью обработки гораздо больших объемов материалов, особенно графита. Объемы отходов, получаемых при дезактивации магноксовых реакторов, в десять раз превышают объемы отходов от легководных реакторов.

В 2008 г. после обнаружения перспективы значительного сокращения добычи в Северном море (после 2020–2030 гг.) ввиду ограниченности запасов нефти и газа британское правительство опубликовало энергетическую «Белую книгу», в которой делается акцент на

49

необходимости развития ядерной энергетики для обеспечения будущих потребностей страны в электроэнергии. Согласно рекомендациям, изложенным в докладе Комиссии по энергетической безопасности в 2009 г., к 2030 г. доля ядерного электричества в Великобритании должна составлять 35–40 % от национальной электрогенерации.

В Германии закон об атомной энергии был принят в 1959 г. и охватил все основные аспекты регулирования этой сферы деятельности. С 1984 по 2002 г. в Германии остановлено 17 блоков АЭС и прототипных реакторов, 31 исследовательский реактор и критическая сборка, а также девять установок ядерного топливного цикла.

Два реактора на АЭС (Grosswelzheim и Niederaichbach), 21 исследо-

вательский реактор и критические сборки, четыре установки ЯТЦ были демонтированы. Площадки двух реакторов полностью дезактивированы и выведены из-под контроля органов надзора за безопасностью. Два других реактора (Lingeri, BWR, и Hamm-Uentrop, THTR-300) надежно законсервированы. Другие 14 блоков находятся в стадии демонтажа, предусматривающего рекультивацию территории до состояния «зеленой площадки». Реактор АЭС Stade, остановленный в 2003 г., также будет демонтирован.

Опубликованные в июле 2009 г. данные опроса, проведенного немецкой компанией по исследованию рынков и общественного мнения TNS Emnid, показали: 61 % немцев считает, что Германии не обойтись без ядерной энергетики. Только 36 % опрошенных полагают, что от развития мирного атома можно отказаться. 63 % полагают, что поспешное закрытие АЭС негативно отразится на германской экономике, а 31 % респондентов придерживаются альтернативной точки зрения.

Одним из условий успешного развития ядерной энергетики в условиях свободного рынка электроэнергии является ее конкурентоспособность в отношении других способов производства электроэнергии. Усилий эксплуатирующих компаний, направленных на снижение издержек производства, часто оказывается недостаточно. В Германии неустойчивый баланс равновесия между сторонниками ядерной энергетики (владельцами АЭС и крупной промышленностью) и ее противниками (политической коалицией в парламенте) основан на обещании эксплуатирующих организаций поддерживать работу АЭС в экономически приемлемых условиях. Но в то же время представители коалиции поддерживают государственное суб-

50