Есть ли будущее у атомной энергетики? Разбираемся с экспертом атомной энергетики

Обзоры, интервью, свежие новости и изменения в законодательстве — оперативно в нашем Telegram-канале. О самых важных событиях — в нашей группе ВКонтакте.

Углеродный след атомной энергетики: сравнение с ВИЭ

В последнее время можно часто слышать высказывания о том, что общие выбросы от атомной энергетики на ее жизненном цикле находятся примерно на одном уровне с ветрогенерацией и составляют примерно в 4 раза меньше, чем выбросы от солнечных панелей. Имеющиеся расчеты, принимаемые Международной группой экспертов ООН по изменению климата (далее — МГЭИК), более многогранно описывают сравниваемые параметры.

Исходя из имеющихся данных, говорить о многократном превышении углеродного следа СЭС по сравнению с АЭС нельзя, так как у АЭС слишком широкий разброс климатического следа: по разным источникам, от 9 до 110 и от 1 до 288 граммов СО2-экв. на каждый производимый кВт*ч. То есть в ряде случаев для месторождений с низким содержанием урана и при других условиях углеродный след атомных станций выше углеродного следа СЭС, составляющего около 60 граммов СО2-экв. на кВт*ч. Кроме того, так как значительная доля энергии уходит на добычу и переработку урановой руды, а доступность дешевых запасов урана с низким углеродным следом при ее добыче падает,  можно предположить, что углеродный след АЭС будет расти. При этом с учетом роста КПД солнечных панелей углеродный след СЭС продолжит падение. С ветрогенерацией электроэнергии споров меньше: для береговой и морской ветроэнергетики соответственно среднее значение выбросов ПГ составляет 20 (±14) и 16 (±9,6) г CO2-экв/кВт-ч.

Заявления о четырехкратном преимуществе атомных электростанций (далее — АЭС) перед солнечными электростанциями (далее — СЭС), скорее всего, берут начало из недавних оценок для проекта АЭС «Хинкли-Пойнт С» в Великобритании. В соответствии с проектом, учитывая распределение энергии (климатический след от ЛЭП и так далее) общий удельный уровень выбросов ПГ прогнозировался на уровне 10,91 грамма СО2-экв. на кВт*ч электроэнергии. Но здесь важно помнить, что это одна из множества прогнозных оценок, и в соответствии с другими исследованиями, например, с  приведенными выше, текущее среднее значение климатического следа АЭС оценивается в 66 граммов СО2-экв. на кВт*ч.

Следовательно, заявляемое четырехкратное преимущество АЭС перед СЭС как минимум требует перепроверки и должно оцениваться с учетом динамики падения углеродного следа как СЭС, так и ВЭС. Важно отметить, что выбросы ветровой, солнечной и атомной энергетики значительно ниже выбросов от сжигания ископаемого топлива для энергетических целей. Выбросы такой традиционной генерации достигают 800 граммов СО2-экв. на кВт*час. Газовая генерация — не исключение. Климатический след газовых тепловых станций приблизительно равен 300 граммов СО2-экв. на кВт*час вырабатываемой электроэнергии, что гораздо выше показателей СЭС и АЭС (для последних в нижнем пределе).

Перспективы АЭС в борьбе с изменением климата

Если рассматривать весь жизненный цикл АЭС, то выбросы парниковых газов при добыче и переработке урана будут являться самыми высокими, за исключением выбросов в ходе строительства ЛЭП и транспортировки электроэнергии. Но даже эти значительные показатели выбросов ПГ для АЭС гораздо ниже, чем выбросы, сопровождающие добычу и сжигание ископаемых углеводородов.

Строительство АЭС — это длительный и сложный процесс, снос выведенных из эксплуатации ядерных объектов — тоже. Выбросы парниковых газов происходят на всех стадиях производства атомной энергии. В том же докладе по АЭС «Хинкли-Пойнт С» дается следующее распределение климатического следа в процентах для каждой из стадий.

Тем не менее, здесь также важно держать в уме, что выбросы атомных станций (в нижнем пределе разброса оценок) ниже выбросов угольных или газовых ТЭС. Поэтому здесь стоит обращать внимание на другой фактор — время. Действительно, с замещением угольной или газовой генерации на атомную происходит сокращение выбросов парниковых газов. Но какова скорость этого процесса? Для сравнения можно посмотреть на время, затрачиваемое на строительство атомных энергоблоков, запущенных в 2010-2019 годах в разных странах.

По статистике, средний срок строительства одного атомного энергоблока в мире составляет 10 лет. В России — более 20 лет, поскольку сильно влияет долгострой энергоблоков Ростовской, Белоярской и Калининской АЭС. Без их учета средний срок приближен к мировым показателям и составляет более 9 лет.

Для сравнения, за 6 лет с 2014 по 2019 год в России в рамках программы строительства генерации на основе возобновляемых источников энергии (далее — ВИЭ) было введено свыше 1 ГВт ветровых и солнечных станций. А уже в одном только 2020 году, когда появились определенные наработки на рынке, было введено свыше 1 ГВт солнечных и ветровых станций. То есть сроки строительства мощностей ВИЭ на порядок меньше строительства АЭС. Это объясняется различиями в требованиях безопасности: для ВИЭ требования не такие строгие, в то время как требования для АЭС только повышаются.

Еще одно различие — наличие крайне сложного топливного цикла в атомной энергетике, для которого нужно создавать отдельную инфраструктуру. За редким исключением все энергоблоки сдавались с задержкой на многие годы. Если обращаться к мировой статистике, то на 1 июля 2020 года среднее время строительства всех 52 строящихся энергоблоков составляло 7,3 года для тех из них.

Немаловажный момент заключается в том, что требования к строительству АЭС создают еще одно препятствие — допуск к строительству и производству оборудования для АЭС имеют немногие компании в силу специфики производства. В мире таких компаний относительно немного и получить лицензию на строительство атомных станций и других предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ) могут или стремятся далеко не все энергетические компании. В России рынок строительства АЭС по этой и другим причинам монополизирован, что снижает конкуренцию и может способствовать затягиванию сроков строительства.

Эти причины объясняют, почему строительство АЭС и ВИЭ отличается по срокам до 10 раз. А это значит, что несмотря на относительно низкий уровень выбросов парниковых газов и учет более высокого коэффициента использования мощности, атомные станции в своем климатическом эффекте в разы уступают солнечным и ветровым станциям по эффективности инвестиций.

Помимо сроков строительства существуют и другие проблемы:

• ограниченность урановых месторождений, которые в основном расположены в нескольких странах, что создает риски, связанные с монополизацией рынка;
• высокие требования к трудовым ресурсам (для АЭС нужна система обучения и высококвалифицированные кадры);
• географические требования ограничивают размещение АЭС (сейсмическая активность, доступ к водным ресурсам);
• ограниченность дешевых запасов изотопа урана-235, на котором работает подавляющее большинство АЭС мира в сочетании со сложностью перехода на плутониевое топливо и так далее.

Сроки строительства и другие причины негативно отражаются на динамике абсолютных значений мощности АЭС (с учетом вывода из эксплуатации отработавших энергоблоков). Такая ситуация отражается и на динамике выработки электроэнергии, которая последние примерно 20 лет стагнирует на мировом уровне.

Если говорить про долю в производстве электроэнергии, то в мире наблюдается медленное, но неуклонное снижение доли ядерной энергии в валовом производстве электроэнергии с пикового значения в 17,5% в 1996 году до 10,35% в 2019 году. При примерно той же неизменяющейся мощности и генерации электроэнергии атомная энергетика просто не успевает за растущим электропотреблением в мире. В то же время ВИЭ (без учета ГЭС) уже обошли АЭС по производству электроэнергии.

Сложившаяся динамика АЭС и ВИЭ находит отражение в различных сценариях мировой энергетики на будущее. В 2021 году Международное энергетическое агентство (далее — МЭА) разработало ряд сценариев, среди которых и Net Zero Emissions by 2050. В соответствии с этим сценарием, к 2050 году должна произойти масштабная электрификация всей энергетики за счет замещения огневых технологий в тепловой энергетике, включая замещение двигателя внутреннего сгорания на транспорте.

Эти изменение по мнению МЭА предполагают рост доли АЭС и ВИЭ, которые в основном и производят электроэнергию. В рамках сценария нулевых выбросов ПГ к 2050 году предполагается рост производства электроэнергии с текущих 27 трлн кВт*час до 71 трлн кВт*час электроэнергии в год к 2050 году. Из этих 71 трлн кВт*час более 62 трлн кВт*час будет приходиться на ВИЭ, из которых около 48 трлн квт*час это суммарно ВЭС и СЭС. Доля же АЭС вырастет с нынешних 2,7 трлн кВт*час (2020 г.) только до 5.5 трлн кВт*час, то есть будет на порядок ниже, чем производство электроэнергии на ВИЭ.

Отработавшее ядерное топливо: возможности переработки

В первую очередь важно отметить, что отработавшее ядерное топливо — не единственный вид радиоактивных отходов (далее — РАО), сопровождающих ядерный топливный цикл. РАО образуются как на самых начальных стадиях ЯТЦ (от разработки урановых месторождений), так и на заключительных — продукты переработки отработавшего ядерного топлива (далее — ОЯТ) и само ОЯТ.

Пока ни одна страна в мире не нашла эффективного способа утилизации отходов ядерного топливного цикла, включая ОЯТ (в случае открытого топливного цикла без переработки ОЯТ) или другие РАО, а основным способом утилизации отходов является хранение или перспективное захоронение. По информации МАГАТЭ, в мире хранится 263 тыс. тонн ОЯТ, 127 тыс. тонн ОЯТ было переработано. Ежегодно из всех реакторов в мире выгружается порядка 7 тыс. тонн ОЯТ, при этом мощности по его переработке составляют порядка 2 тысяч тонн и эти мощности неуклонно снижались последние годы. Для примера, в России каждый год производится порядка 0,7 тыс тонн ОЯТ, из которых перерабатывается только 15%.

При этом переработка ОЯТ не означает полное отсутствие отходов в конце процесса. В этом процессе отделяются «полезные» и «вредные» радионуклиды. К «полезным» относятся изотопы урана-235 и урана-238 (так называемый регенерированный уран, который включает и другие изотопы урана) и изотопы плутония. В сумме эти изотопы составляю свыше 90% от изначальной массы ОЯТ и их использование для получения свежего ядерного топлива означает, что на выходе образуется примерно такое же количество нового ОЯТ.

Кроме того, количество рециклингов ОЯТ ограничено, а сама переработка ОЯТ — экологически вредное и опасное производство. В ходе переработки образуются жидкие и твердые радиоактивные отходы, которые по массе в разы или на порядки превышают изначальное количество ОЯТ.

В отношении такой разработки Росатома — как РЕМИКС-топливо, для производства которого используют регенерированный уран и плутоний (без предварительного отделения плутония) с добавлением свежего обогащенного урана, также не существует бесконечного цикла. По сути это не решает проблему накопления ОЯТ, так как количество рециклинга для такого топлива также ограничено.

Экологическое воздействие атомной энергетики

Радиоактивное загрязнение вследствие добычи урана сложно сравнивать с последствиями строительства ГЭС, так как это разные виды воздействия на экосистему. Можно сказать, что площади суши, в том числе ценные экосистемы, потерянные в результате строительства плотин, больше, чем площади нерекультивированных отвалов урановых месторождений с технологией открытой добычи.

С другой стороны, фактор радиационного воздействия крайне опасен для населения и живых организмов, контактирующих с такими участками радиоактивного загрязнения, так как отвалы урановых месторождений являются источниками альфа частиц, которые могут мигрировать, например, с пылью.

Если сравнивать ЯТЦ с возобновляемой энергетикой, то ветровые и солнечные станции не оставляют такого радиоактивного следа, как АЭС, а их воздействие с точки зрения используемых материалов связано с добычей и переработкой различных металлов, производством цемента, то есть этот цикл аналогичен циклу атомных станций.

Природные и антропогенные риски для АЭС

При проектировании и эксплуатации атомных станций учитываются максимально возможное количество факторов. Насколько возможно учесть все эти факторы — остается большим вопросом. Среди стихийных бедствий, угрожающих безопасности АЭС, — ураганы, наводнения, пожары, цунами, извержения вулканов, землетрясения. Не все эти бедствия связаны с изменением климата. Например, цунами или вулканическая деятельность — это природные явления, связанные с геологической активностью, и не зависят от меняющегося климата.

В июне 2011 года после аварии на «Фукусиме» МАГАТЭ опубликовало План действий по ядерной безопасности, принятый государствами — членами МАГАТЭ. Это рамочная программа работ по укреплению глобальной системы ядерной безопасности в 12 сферах, включая оценку безопасности АЭС. Аналогичная ситуация сложилась после 1986 года, когда была принята и реализована программа мер по совершенствованию системы ядерной безопасности для реакторов чернобыльского типа (РБМК).

Атомные станции уязвимы перед экстремальными погодными явлениями, в том числе в свете климатических изменений. Согласно информации МГЭИК, в последние десятилетия во всем мире отмечается рост числа сбоев в работе АЭС, связанных с изменением климата. По некоторым подсчетам, частота сбоев в работе АЭС за последние 30 лет выросла с 0,2% аварий на реактор в год до 1,5%. На работу АЭС влияют, в том числе, волны жары, которые могут привести к проблемам с охлаждением реакторов. Кроме того, АЭС зависят от близлежащих источников воды для охлаждения реакторов, а они могут оказаться недоступны из-за засухи.

В докладе Агентства по ядерной энергии при Организации экономического сотрудничества и развития (АЯЭ) проанализированы известные природные и отдельно погодные явления, ставшие причинами отключений АЭС в мире с 2004 по 2013 год. Авторы пришли к выводу, что слишком низкая или слишком высокая температура охлаждающей воды — самые распространенные причины в обеих категориях. Среди погодных явлений на них приходятся самые большие доли отключений сразу по трем показателям: количество отключений, их продолжительность и потери энергии.

Экстремальные погодные условия влияют и на эффективность АЭС: согласно исследованиям, повышение средней температуры окружающей среды на 1°C снижает выработку ядерной энергии примерно на 0,5% за счет снижения КПД станции. По мере дальнейшего роста среднегодовой глобальной температуры, эта проблема может усугубиться. Согласно прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата, изменение климата повлияет на продолжительность, интенсивность и места проявлений экстремальных климатических явлений, которые в будущем повлекут за собой дополнительные риски для эксплуатации атомных электростанций.

Еще одна угроза для АЭС обоснована человеческим фактором напрямую. Террористические акты — это события, вероятность и механику которых крайне сложно или невозможно спрогнозировать. Режимы безопасности АЭС учитывают этот риск, но гарантировать неуязвимость для теракта — сложно. Также важно учитывать, что потенциально уязвимы не только сами АЭС (реакторные установки), но и хранилища ОЯТ при АЭС, заводы по переработке и транспортировка ядерных материалов. Кроме того, теракт может совершаться не только в виде атаки на какой-то объект ЯТЦ, но и в виде действий с использованием похищенных радиоактивных материалов.

Последние события продемонстрировали уязвимость объектов ЯТЦ, но несмотря на это атомная энергетика продолжает позиционироваться многими политиками как технология для решения проблемы энергетической безопасности. Очевидно, что попытки решения энергетического кризиса за счет атомной генерации повышают риски террористических атак на такие объекты. Можно предположить, риски террористических угроз рассматриваются как более приемлемые по сравнению с рисками потери энергетической устойчивости. В таких рассуждениях из внимания выходит существование и прочих способов решения проблемы энергообеспечения, не отягощенные рисками радиационных аварий, а именно рациональное использование энергии и возобновляемая энергетика.

Риски и последствия аварий на атомных станциях

В соответствии с докладом Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) за 2022 год, риск крупных радиационных аварий до сих пор есть. На сегодня существуют факторы, которые повышают риск аварий, и факторы, их снижающие (например, новые конструкции реакторов).

С другой стороны, эти риски возрастают из-за роста частоты и масштаба экстремальных природных явлений вследствие изменений климата. Кроме того, пока неустранимым риском остается человеческий фактор — нарушение техники безопасности и прочие, застраховаться от которых намного сложнее, чем от инженерных недостатков и природных катаклизмов.

Ученые из Химического института общества Макса Планка пришли к выводу, что ядерные катастрофы, такие как расплавление активной зоны, как это было в Чернобыле и на Фукусиме, могут происходить раз в 10–20 лет (исходя из текущего количества действующих реакторных установок). Во многом такая оценка связана с тем, что значительная часть атомных энергоблоков представлена первыми поколениями ядерных реакторов.

В упомянутом исследовании оценены и риски для населения вследствие радиационных аварий. Компьютерное моделирование показало, что аварии на реакторах могут вызвать радиоактивное загрязнение далеко за пределами национальных границ (сценарии для Западной Европы):

• только 8% дозообразующего радионуклида цезия-137, как ожидается, осядет в радиусе 50 км от места аварии;
• около 50% осядет за пределами радиуса 1000 км;
• около 25% распространится дальше 2000 км.

Даже если считать, что риск крупных аварий не очень велик, стоит помнить о цене каждого такого события. В случае крупной аварии с расплавлением активной зоны (для Западной Европы) в зоне радиоактивного загрязнения плотностью 40 килобеккерелей на квадратный метр по цезию-137 окажутся около 28 миллионов человек. Эта цифра оказывается примерно такой же в случае аварии в густонаселенных районах, например, в Южной Азии.

В соответствии с российским законодательством, такие территории относятся к так называемой зоне проживания с льготным социально-экономическим статусом. В данной зоне, помимо осуществления комплекса медицинских мероприятий по радиационной и радиоэкологической защите, создается хозяйственно-экологическая структура. Она обеспечивает улучшение качества жизни населения выше среднего уровня, а также компенсирует отрицательное воздействие психоэмоциональной нагрузки, связанной с катастрофой и применением контрмер.

Возрастающий интерес к атомной энергетике и перспективы ее развития

На данный момент мы переживаем не первый всплеск интереса политических лидеров к атомной энергетике. Аналогичная ситуация наблюдалась в нулевых годах. Но тот ренессанс был приостановлен аварией на АЭС Фукусима в 2011 году. Можно предположить, что и текущий интерес к атомной технологии носит временный характер. Одна из причин кроется в наличии состоявшихся технологий ВИЭ: солнечной и ветровой генерации, которые не только опередили АЭС по валовой выработке электроэнергии, но и оказались экономически сравнимы или более привлекательны с точки зрения инвестирования.

Однако есть ряд факторов, которые пока не позволяют сконцентрироваться исключительно на ВИЭ в производстве электроэнергии. Это следующие проблемы:

• накопление и маневрирование потоками электроэнергии для стабилизации энергопроизводства погодно зависимых ВЭС и СЭС;
• электрификация теплового хозяйства (отопление зданий), что требует дорогостоящей модернизации жилого фонда стран с холодным климатом;
• стартовые условия, в которых ВИЭ — пока новый игрок, занимающий порядка 10% от всей выработки электроэнергии на глобальном уровне.

Однако эти и другие проблемы имеют инженерные решения, а имеющиеся мировые финансовые возможности позволяют их реализовать. Остается вопрос политической воли, в том числе для преодоления сложившихся интересов действующих игроков в лице представителей ископаемой и атомной энергетики на энергетическом рынке.

В России озвученные вопросы можно дополнить такой важной проблемой, как высокое субсидирование энергетического рынка, что создает иллюзию дешевизны традиционной ископаемой и ядерной энергетики. Схемы субсидирования различны, и на их фоне ветровая и солнечная энергетика выглядит дорогой. При этом Россия только недавно начала развивать и поддерживать технологии ВЭС и СЭС.

Скорее всего в ближайшее десятилетие ВИЭ (без учета ГЭС) смогут экономически конкурировать с традиционной энергетикой на оптовом рынке и в России. При этом на розничном рынке солнечная энергетика в виде сетевой микрогенерации на основе солнечных панелей, подключенных непосредственно к потребителю, уже конкурентоспособна с электроэнергией, поставляемой сбытовыми компаниями.