Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

Некоторые из возобновляемых источников энергии (приливы, ветер, гидроэнергия, геотермальные источники) могут играть важную роль в отдельных регионах, способствовать экономии углеводородного топлива, но их общие ресурсы малы по сравнению с ожидаемым потреблением энергии.

Когда говорят о запасах энергетических ресурсов, то необходимо различать глобальные запасы (общее количество в земной коре или в воде морей и океанов) и запасы разведанные, технически извлекаемые или экономически обоснованные. Запасы могут расширяться по мере проведения геологической разведки, появления новых экономичных технологий извлечения ресурсов или повышения цен на энергетические ресурсы. Как следует из рис. 2.5, доступность энергетических ресурсов существенно зависит от стоимости их извлечения. При выборе энергетической стратегии приходится учитывать, помимо запасов энергоресурсов, также экономичность способа производства полезной энергии, его технические возможности и степень воздействия на окружающую среду и население.

Всвязи с надвигающимся исчерпанием невозобновляемых углеводородов главное значение в перспективе получают другие виды

горючего. К таковым относятся биотопливо (биоэтанол С2Н5ОН, биометанол СН3ОН, биогаз, биодизель) и синтетическое жидкое топливо (СЖТ – диметилэфир СН3ОСН3, метанол, бензин, дизтоп-

ливо и т. п.) [2, 3].

Биогаз (55 % метана и 25–45 % СО) получают метановым брожением биомассы при 80–90% влажности либо анаэробной микробиологической конверсией отходов пищевой индустрии, животно-

водства, очистных сооружений и коммунальных отходов. Выход биогаза на тонну полностью сухого сырья составляет 250–600 м3 (отходы большого рогатого скота, птицеводства, растениеводства).

ВКитае в год создают около 7 млрд м3 биогаза. В Дании биогаз обеспечивает до 18 % общего энергобаланса страны. В США имеется выше 500 заводов по производству «лэндфилл-газа» (биогаз из мусорных свалок), в Европе – 750, всего в мире – около 2000 (суммарная мощность выше 4 ГВт, масса обрабатываемых отходов выше 4 млрд т) [3].

Вцелях обеспечения энергетической безопасности и снижения экономических рисков важна диверсификация источников энергии для производства электричества. «Разнообразие энергоисточни-

51

ков – краеугольный камень зрелой энергетики» [3]. В мире в целом примерно по 17 % производства электроэнергии приходится на газ, гидроэнергию и ядерное топливо (рис. 2.6).

Наибольшее количество электроэнергии (39 %) производится за счет сжигания угля. Экономические риски повышаются, когда превалирует какой-то один источник энергии как, например, газ в России и Нидерландах (более 51 %), уголь в Польше, ЮАР и США (более 50 %), гидроэнергия в Бразилии и Норвегии (более 75 %) или АЭС во Франции (около 80 %).

2.5. Пределы роста энергетики и защита климата

Под названием «Пределы роста» в 1974 г. опубликован отчет группы ученых под руководством Д. Медоуза из Массачусетского технологического института США. Отчет выполнен по заказу Римского клуба – международной группы крупных бизнесменов, государственных деятелей и ученых. Требовалось исследовать причины и долговременные последствия роста численности населения, промышленного капитала, производства продуктов питания, потребления ресурсов и загрязнения окружающей среды. Чтобы проследить за этими взаимодействующими элементами экономической системы и спрогнозировать возможные пути их развития в будущем, была создана компьютерная модель World 3. Отчет вызвал сенсацию, был переведен на 35 языков мира и стал бестселлером. Газеты гласили: «Компьютер заглянул в будущее и содрогнулся». Многие восприняли отчет как предсказание скорого конца света.

Расчеты авторов [2] показали, что в первой половине ХХI в. объем промышленного производства на душу населения превысит вдвое уровень 1990 г., достигнет максимума и начнет резко уменьшаться. Более крупное промышленное производство в большей степени загрязняет окружающую среду и потребляет больше ресурсов. Загрязнение снижает урожайность сельскохозяйственных культур. Для поддержания необходимого уровня производства продуктов питания сельскохозяйственный сектор требует дополнительных капиталовложений. Исчерпание ресурсов, загрязнение среды и снижение качества питания приведут к драматическому снижению численности населения начиная с 2050 г., причем так, что через несколько десятилетий достигнет уровня «бронзового века».

52

Авторы [2] считают, что, безусловно, в отчете содержалось предупреждение, но была и надежда. Вот основные выводы авторов, подтвержденные и усиленные в их новой книге «За пределами роста» (2008 г.) [2], опубликованной к 30-летию первого отчета.

1.Темпы использования человечеством многих важных видов ресурсов и темпы производства многих видов загрязнений уже превышают допустимые пределы. Без существенного уменьшения потоков материальных и энергетических ресурсов в ближайшие десятилетия произойдет неконтролируемое (и резкое) сокращение следующих душевых показателей: продуктов питания, потребления энергии, промышленного производства и резкое сокращение численности населения (рис. 2.7).

2.Это сокращение не является неизбежным. Чтобы предотвратить его, необходимо: 1) пересмотреть политику и практику, способствующие росту численности населения и уровня материального потребления, 2) быстро и резко повысить эффективность использования материальных и энергетических ресурсов.

3.Технологически и экономически создание устойчивого общества еще возможно. Переход к устойчивому обществу требует тщательно сбалансированных дальних и ближних целей и акцента на достаточности, равенстве и качестве жизни, а не на объеме производства. Он требует большего, чем продуктивность, и большего, чем технология, он требует еще и зрелости, сострадания, мудрости.

«Идеи пределов, устойчивости, достаточности, равенства и эффективности – это не барьеры, не препятствия, не угрозы. Они ведут к новому миру. Устойчивость, а не все более совершенное оружие или борьба за власть и материальные блага – вот последний вызов энергии и творческим способностям рода человеческого» – таков вывод авторов отчета Римскому клубу.

Действительно, на всем пути развития человечество в целом всегда располагало достаточными ресурсами, и человек их осваивал, расселяясь по Земле и экспоненциально увеличивая масштабы производства. При этом общий рост населения планеты оставался неуклонным. По мнению ряда исследователей [4, 5], до настоящего времени отсутствует прямое влияние внешних факторов (окружающей среды и ресурсов) на пределы роста. Оптимисты полагают, что природные ресурсы не ограничены в своей величине и не могут быть исчерпаны. Скорее верно обратное – многие ресурсы

53

создаются трудом и изобретательностью человека. В технике и технологиях есть неограниченный резерв по производству новых ресурсов. Авторы «взрывной дейтериевой энергетики» [5] утверждают, что физических ограничений для получения громадного количества экологически чистой энергии нет.

Основная идея очередного доклада Римского клуба (1997 г.) «Фактор четыре. Затрат – половина, отдача – двойная», вызвавшая небывалый интерес во всем мире, состоит в том, что современная цивилизация достигла уровня развития, на котором рост производства фактически во всех отраслях хозяйства способен осуществляться в условиях прогрессирующей экономики без привлечения дополнительных ресурсов и энергии. Человечество «может жить в два раза богаче, расходуя лишь половину ресурсов».

Однако рано или поздно в более отдаленном будущем встанет вопрос о влиянии человечества на окружающую среду в планетарном масштабе и обратном влиянии глобальных условий существования на развитие человечества. Работы Римского клуба, концепция «устойчивого развития» (sustainable development), сформулированная в 1992 г. на Международной конференции в Рио-де- Жанейро, а также Киотский протокол об ограничении эмиссии парниковых газов свидетельствуют о быстром приближении этого времени.

Система добычи, доставки и преобразования энергии в настоящее время таковы, что в конечную полезную энергию (на совершение полезной работы) преобразуется лишь около 40 % потенциальной тепловой энергии, содержащейся в израсходованных ресурсах (угле, нефти, газе, дровах, торфе, уране и т.д.), а около 60 % составляют потери. С выбросами в атмосферу двуокиси (диоксида) углерода СО2, окислов серы и азота (и ряда других веществ) при сжигании углеводородного топлива связывают развитие таких негативных глобальных экологических явлений, как «закисление осадков», «парниковый эффект» и «истощение озонового слоя Земли».

В связи с этими явлениями разрабатываются национальные и международные стандарты, определяющие допустимые уровни выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и регулирующие трансграничный перенос загрязнений. В 1992 г. в Рио-де-Жанейро представителями более чем 150 государств была подписана Рамоч-

54

ная Конвенция ООН по предотвращению катастрофических антропогенных изменений климата. В 1997 г. страны-участницы Рамочной Конвенции ООН подписали в Киото Протокол по сокращению эмиссии парниковых газов (СО2, метан и др.), в котором определены обязательства ряда стран по регулированию выбросов в атмосферу. Вступление в силу Киотского протокола благодаря его ратификации Россией в 2005 г. означает, что 35 промышленно развитых стран и Европейское Сообщество за пять лет (2008–2012 гг.) законодательно обязаны снизить совокупную эмиссию шести парниковых газов ниже уровня 1990 г.

Несмотря на усилия по снижению антропогенного воздействия на окружающую среду, в последние годы всё чаще звучат опасения об экологических проблемах в странах с развитой промышленностью. Наиболее остро эти опасения сформулированы в трудах Римского клуба: «Конец 20-го века неприятно похож на конец «Титаника» медленным осознанием людьми грозящей им опасности: корабль уже давно обречен, а на палубе продолжается веселье». Такие прогнозы связаны с истощением энергетических ресурсов, загрязнением среды и перенаселением планеты. Тезис «ресурсов всем не хватит» кладется в основу агрессивной политики некоторых стран.

Таким образом, энергетика оказывает существенное влияние на социально-экономическую и политическую жизнь общества. Высокая энергоемкость экономики развитых стран представляет серьезную проблему для их энергетической, экологической и экономической безопасности. Причем требования к экологической безопасности энергетики становятся не менее жесткими ограничителями ее развития, чем обеспеченность ресурсами топлива и экономическая эффективность производства. Именно поэтому энергетика находится в фокусе современного естествознания, экономики и политики.

2.6.Географические и климатические особенности энергетики России

Около 95 % территории России расположено севернее широты, по которой проходит северная граница США (широта Ростова-на- Дону). Сравнительно приемлемые агроклиматические условия (на-

55

зываемые условиями рискованного земледелия) характерны для малой части территории страны, где и сосредоточена основная часть населения. В высокоширотных районах нормальное товарнорыночное производство, как правило, нерентабельно.

Причина – возрастание затрат до семи раз по сравнению с районами массового проживания людей [4]. Однако именно в этих районах находится 60–95 % важнейших ресурсов России – энергоносителей, редких металлов, драгоценных камней, золота, леса. Особенно неблагоприятны здесь условия добычи энергоносителей, которые не относятся к продукции с высокой удельной стоимостью как золото или драгоценные камни. Кроме того, внутриматериковое, отдаленное на тысячи километров от районов потребления, расположение месторождений энергоресурсов обусловливает неизбежность транспортировки нефти и газа почти целиком по суше – трубопроводами.

Удельная стоимость газопровода Ямал–Восточная Германия длиной 4200 км в шесть раз выше, чем транскавказского нефтепровода Баку–Поти длиной 920 км – 1,8 и 0,3 млн дол. за километр соответственно [5]. Такая разница в цене – влияние отдаленных северных условий сооружения.

Огромная сухопутная протяженность обрекает экономику России на дорогой железнодорожный грузооборот подавляющей части (80% в 1996 г.) валового продукта. Продукта, получаемого к тому же с повышенными затратами из-за дорогих энергоносителей и более суровых климатических условий.

По этим причинам жить в России труднее. Для того чтобы обеспечить такой же, как в Западной Европе (не говоря о США), уровень жизни, удельные средние затраты энергии на одного человека должны быть в 2–3 раза выше, чем сейчас, даже при равенстве технологий, производительности труда и уровня организации материального производства. Непонимание этого порождает различные иллюзии и мифы. Тем временем на долю северотюменской нефтегазовой провинции пришлось 96 % общероссийского объема газодобычи и около 70 % нефтедобычи (на 1996 г.).

Доля природного газа в объеме топливопотребления страны достигла 55 %, а в европейской части – 80 %. В производстве электроэнергии доля газа превысила 60 %. То есть энергетика Европейской части России, где проживает 80 % населения, приблизилась к

56

моногазовой, а экономика страны «посажена на нефтегазовую иглу» длиной до 3,5 тыс. км. Образовалась гигантская, невиданная в мире концентрация зависимости топливно-энергетической отрасли, а значит, и экономики России, от удаленного локального источника.

Как только Россия вступила на рыночный путь – сразу дали о себе знать ее географические особенности, ставшие одной из главных причин превышения внутрироссийских цен над мировыми. Выход из этой российской энергоэкономической проблемы был начат в 1970-х гг., когда был взят курс на высокие энерготехнологии – ядерные. Их экономические показатели не зависят ни от климата, ни от места использования. АЭС как бы предрасположены именно к уникальным географическим особенностям России. Топливная составляющая электроэнергии АЭС почти в 10 раз меньше, чем на тепловых электростанциях.

Железные дороги России, обеспечивающие 80 % ее грузооборота, потребляют 5 % электроэнергии, из которых 90 % потребляется железными дорогами Европейской части. АЭС, вырабатывающие 17 % электроэнергии и расположенные здесь же, могли бы взять на себя электроснабжение железных дорог вдвое более дешевой электроэнергией, чем она приобретается по тарифам из энергосистем РАО «ЕЭС России». Это позволило бы на 35–40 % снизить стоимость тонно-километра и цены на билеты.

Еще один аспект – военный. Существует вероятность разрушения АЭС любым, даже обычным оружием. Это сопровождалось бы глобальным выбросом радиоактивности планетарного масштаба. Поэтому наличие АЭС во всех развитых странах (в значительно большем масштабе, чем в России) обеспечивает стратегическую стабильность равновесия возмездия. Это гарантирует национальную безопасность развития ядерной энергетики в любой стране, чего нельзя сказать об обычных электростанциях: чем больше их доля в электроэнергетике страны, тем больший риск их поражения и больший ущерб для ее экономики в случае их разрушения.

Таким образом, ядерно-энергетические технологии являются единственным средством для прямого и опосредованного решения проблем экономики, экологии и достижения главной социальной цели государства – повышения благосостояния народа.

57

Контрольные вопросы и задания

1.С какой высоты должен падать камень массой 2 кг, чтобы перед падением на землю иметь кинетическую энергию 20 Дж?

2.При взрыве 200 г тротила (калорийность 4 МДж/кг) выделяется энергия 0,8 МДж, способная разрушить многоэтажный дом. Метеорная частица какой массы может спровоцировать такое энерговыделение при встречном столкновении с космическим кораблем (частица и корабль движутся со скоростями 8 км/с навстречу друг другу)? Ответ: около 6 г.

3.Электрический чайник мощностью 1,5 кВт работал непрерывно 10 мин для нагрева воды. Сколько израсходовано энергии за

это время? Отметьте все правильные ответы (1 т у.т. = 1000 кг условного топлива (у.т.) = 7·106 ккал).

4.Среднее душевое потребление энергии в мире составляет

приблизительно 2 т у.т./(чел. год). Эту величину можно выразить в других единицах измерения. Отметьте все правильные ответы (в году 365 сут).

5. Производство электроэнергии в мире увеличивается с течением времени приблизительно по экспоненциальному закону: W(t) = W0exp(kt). Какой график правильно изображает эту зависимость?

6.Добыча нефти в России возросла с 1910 по 1980 г. приблизи-

тельно в N = 1000 раз. Каков период τ2 удвоения добычи нефти? (Предположить, что добыча увеличивается по экспоненциальному закону.) Приведите расчетную формулу и отметьте все правильные ответы.

7.Добыча нефти в России возросла с 1910 по 1980 г. приблизительно в N = 1000 раз. Каков ежегодный прирост добычи нефти? (Предположить, что добыча увеличивается по экспоненциальному

58

закону.) Приведите расчетную формулу и отметьте все правильные ответы.

8.Докажите, что в первые 20 лет XXI в. прирост энергопотребления в мире будет больше, чем за вс` время существования человечества до 2000 г., если темпы роста потребления энергии сохранятся на уровне 3,5 % в год.

9.Пусть две страны А и В развиваются по экспоненциальному закону, т.е. их годовой валовый внутренний продукт (ВВП) на душу населения изменяется с течением времени t по формулам

странах А и В. Пусть в начальный момент времени ВВП в стране В меньше, чем в стране А, т.е. W0 A >W0B. Например, W0 A =3W0B , kA =0,03 1/год, т.е. 3 % в год. Каким должен быть темп kB разви-

тия страны В, чтобы через t = 10 лет ВВП в обеих странах сравнялись?

Список литературы

1.Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. – 344 с.

2.Медоуз Д.Х., Рандерс Й., Медоуз Д.Л. Пределы роста. 30 лет спустя. М.: ИКЦ «Академкнига», 2008.

3.Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях / Под общ. ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. Ч. 1. Трухний А.Д., Макаров А.А., Клименко В.В. Современная теплоэнергетика. М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 368 с.

4.Безопасность России. Правовые, социально-экономические и науч- но-технические аспекты. Энергетическая безопасность (ТЭК и государст-

во). М.: МГФ «Знание», 2000. – 304 с.

5.Велихов Е.П., Гагаринский А.Ю., Субботин С.А., Цибульский В.Ф. Россия в мировой энергетике XXI века. М.: ИздАт, 2006. – 136 с.

59

Глава 3. ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

3.1.Инженерно-физические основы ядерной энергетики

Внастоящее время в 30 странах мира работают более 440 коммерческих ядерных реакторов общей установленной мощностью около 350 ГВт (эл.). Они производят около 17 % электроэнергии, а в ряде стран их доля в производстве электроэнергии достигает 50– 80 % (рис. 3.1 и 3.2). Конструкции реакторов и экономические перспективы развития ядерной энергетики основываются на знаниях о физике ядерных превращений.

3.1.1. О строении ядра

Начиная с опытов Э. Резерфорда в 1911 г. была экспериментально установлена «планетарная» модель атома, в центре которого расположено маленькое ядро, несущее положительный заряд и почти всю массу атома. Отрицательно заряженные электроны формируют внешнюю оболочку атома. В свою очередь ядро атомов имеет протон-нейтронную структуру.

В современной ядерной физике принято называть протоны и нейтроны единым термином – нуклоны (ядерные частицы). Итак, ядро состоит из А нуклонов, из которых Z протонов и (А–Z) нейтронов. Величину А называют также массовым числом химического элемента, а величина Z определяет порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Ядра с одним и тем же числом протонов Z, но с разным числом нейтронов называют изотопами. Изотопы химически тождественны, но могут резко отличаться ядерными свойствами. В табл. 3.1 приведены некоторые изотопы, играющие ключевую роль в ядерной и термоядерной энергетике.

Как видно, в ядрах урана, плутония и тория гораздо больше нейтронов, нежели протонов. Уран-235, которого в природном уране всего 0,7 %, является в настоящее время основным топливом для ядерной энергетики.

60