Исследовательская работа "Энергия и люди"

Министерство образования и науки РТ ГАПОУ «ЛНТ»

Исследовательская работа

«Энергия и люди: сейчас и завтра».

                                                                                      Выполнил:  Кизим П.Н.,

                                                                                  Студент группы Б-1-14

                          Руководитель: Корытко И.А

                                                                                              преподаватель физики

Бугульма, 2014

Содержание.

Введение………………………………………………………………………………….………3

Анализ состояния и прогноз топливно-энергетического баланса……………………..…..…4

Характеристики энергоустановки………………………………………………………………8

Перспективы развития термоядерной энергетики……………………………………………..9

Перспективы создания энергетики на баз возобновляемых источников…………………...10

Перспективы развития гидроэнергетики……………………………………………………...12

Энергия атома – энергия будущего…………………………………………………………...13

Заключение……………………………………………………………………………………...16

Литература………………………………………………………………………………………17

Введение.

Миллионы лет на Земле в результате фотосинтеза непрерывно накапливалась лучистая энергия Солнца. Древние растения и животные, погрузившиеся на дно морей и водоемов, отдают нам ее теперь в виде угля, нефти и природного газа - наших основных источников энергии.

Огромные природные резервы человечество тратило постепенно в течение тысячелетий своего существования. Технический прогресс непрерывно увеличивает скорость истощения этих запасов. Вот почему все чаще начинают раздаваться голоса о перспективе энергетического голода и целесообразности экономии природных ресурсов. И это толкает ученых и инженеров на поиски новых путей, которые помогут удовлетворить будущие потребности в энергии. Обсуждаются проблемы энергетики будущего: на какой источник энергии следует всё же ориентироваться человечеству, чтобы иметь сколько-нибудь приемлемые цивилизационные перспективы? Каков календарный план их оптимальной адаптации к реалиям наших дней и обозримого будущего? На сколько лет хватит нефти и угля?

Цель работы: изучить состояние, проблемы и перспективы развития энергетики по литературным данным.

Задачи:

1.      Проанализировать состояние и прогноз топливно-энергетического баланса.

2.      Сравнить достоинства и недостатки возобновляемых источников энергии.

3.      Выяснить перспективы развития термоядерной энергетики.

4.      Убедиться, что атомная энергетика, при правильной эксплуатации, не так уж и опасна.

Объект исследования: состояние, проблемы и перспективы развития энергетики.

Методы исследования: сбор и анализ информации.

Анализ состояния и прогноз топливно-энергетического баланса.

Одним из величайшим изобретением человечества является костёр. Именно «управляемый огонь» – костёр – положил начало энерготехнологиям, которые в своей основе есть не что иное, как способы освобождения и использования человеком в своих интересах различных форм энергии, запасённой природой.

На современном этапе развития цивилизации энерготехнология как совокупность её отдельных форм и разновидностей имеет важнейшую особенность – в отличие от большинства других, она является технологией прямого жизнеобеспечения. Попросту говоря, жить, например, без самолёта, автомобиля, Интернета и прочего человеку XXI века, разумеется, очень скучно, неуютно, неудобно, в общем – плохо. Плохо – но, исходя из критерия выживания человечества как биологической популяции, – можно. А вот без энерготехнологий – нельзя. Не только потому, что без них немыслимы ни самолёт, ни автомобиль, ни Интернет и так далее, но элементарно невозможны ни современное земледелие (значит, еда), ни современное водоснабжение (значит, вода). Невозможны химия и металлургия (значит, прощай решительно всё хоть сколько-нибудь искусственное, что нас окружает), невозможны фармацевтика и медицина (значит, уже забытые человеком губительные эпидемии снова будут выкашивать сотни тысяч и миллионы людей). Наконец, в условиях современных мегаполисов невозможными становятся обогрев жилища, приготовление пищи…

Жалкое зрелище будет являть собой лишённое энерготехнологий человечество (точнее, немногочисленные его остатки), отброшенное, как кошмарной фантастической машиной времени, в эпоху пещер и каменных топоров. Хорошая иллюстрация к сказанному – рис. 1. На нём средняя продолжительность жизни граждан различных стран и регионов мира показана как функция удельного (в пересчёте на одного жителя страны или региона) годового энергопотребления, W_УГЭ. Мы видим, что эта зависимость имеет логарифмический характер – при  W_УГЭ > 5...6 МВт/(чел. × год) она выходит на плато, то есть определяется естественным старением и дополнительными факторами (структурой и уровнем социального совершенства общества, качеством окружающей среды, наличием либо отсутствием вредных привычек и так далее).

Рис. 1. Средняя продолжительность жизни землян как функция удельного годового энергопотребления.

            Дальнейшее увеличение удельного энергопотребления сверх некоторого критического уровня не имеет особого смысла. В этих условиях становятся возможными развитие энергосберегающих технологий, оптимизация структуры топливно-энергетического комплекса страны и региона и тому подобное. Но надо очень внимательно отслеживать процесс замещения выбывающих энергетических мощностей, ни в коем случае не допуская падения удельного годового энергопотребления ниже указанного критического уровня.

К «клубу энергетического изобилия» по такому критерию, например, относятся: большинство стран Западной и Средней Европы (W_УГЭ = 5,0...7,5 МВт/(чел. × год), Россия (6,2), Япония (8,2), США (14,7), скандинавские страны и Канада (14,9–25,8). Именно жители этих (и немногих других) стран формируют так называемый «золотой миллиард» – составляя около 15% населения Земли. Они во второй половине ХХ века потребляли около 75% получаемой человечеством энергии! Кстати говоря, сравнивать эти страны и регионы тоже надо с известной осторожностью. Так, для России, большая часть населения которой живёт в существенно более суровых климатических условиях, нежели «средние» европейцы, для обеспечения нормальной жизнедеятельности необходимо гораздо более высокое душевое энергопотребление.

А что дальше? Но как долго будут сохраняться такие различия в удельном энергопотреблении, в кругу специалистов получившие выразительное название «энергетический империализм»? Каковы, в этой связи, прогнозы на уровень общего мирового энергопотребления? За счёт чего его обеспечивать? Хватит ли для этого ресурсов и технологических возможностей, хватит ли «запаса экологической прочности»

нашей планеты? И – самое главное: как сделать так, чтобы хватило? Вот в ответе на этот вопрос ошибиться нельзя – слишком велика цена ошибки.

            Энергопотребление зависит от роста численности населения мира. На рис.2 показан текущий прогнозируемый рост численности населения мира.

Рис. 2. Рост численности населения мира.

Очевидно, что в большинстве стран «золотого миллиарда» она стабилизировалась, а в некоторых государствах (Россия, Япония) – и сокращается. С учётом того, что, как мы уже видели, существенного увеличения удельного энергопотребления в этих странах ждать не приходится, на приблизительно постоянном уровне останется и общее энергопотребление. Впрочем, уровень этот отнюдь не низкий – около 65% в 2002 г. А весь

прирост численности населения мира (с нынешних 6,5 млрд. до ~7,8 млрд. в 2025 г. и до 8,5…9,0 млрд. к 2050 г.) будет обусловлен, как мы видим, развивающимися странами.  

Всё это, вместе взятое, не может не привести в середине ХХI века к росту общего мирового энергопотребления в 2–3 раза по сравнению с нынешним уровнем. Точнее говоря, таковы будут потребности в энергопотреблении – и не факт, что для их удовлетворения будут и возможности…

            В табл. 1 показаны (в %) состояние (на 2000 г.) и прогноз (на 2030 г.) топливно-энергетического баланса (ТЭБ) для мира в целом и для России. Беглого взгляда на эту таблицу достаточно, чтобы понять: физическая основа нынешнего энергообеспечения и там, и там, увы, в основе своей недалеко ушла от того самого костра, с которого мы начали своё повествование.

Эта основа – «огневая» энергетика, утилизация энергии, выделяющейся при горении органики, то есть экзотермическом окислении углерода (~4 эВ на образование одной молекулы СО₂) и его соединений. На литосферные запасы энергоносителей, ископаемые углеводороды (нефть, газ, уголь)  суммарно электроэнергии приходится 87% в мире и 92% в России. Всё другое – так, довесок. А структура ТЭБ всегда и везде очень консервативна, кардинального её изменения в краткосрочной перспективе ждать не приходится.

Самое время поинтересоваться – надолго ли хватит нефти, газа и угля, при таких-то аппетитах. Тут и ждёт нас неприятный сюрприз: ненадолго. Поэтому даже при сохранении лишь нынешнего уровня мирового энергопотребления (а он, как мы видели, наверняка будет возрастать) и существующей структуры ТЭБ и электроэнергетики, нефти хватит на 40–60 лет, газа – на 60–80, угля – на 300–500 (по различным оценкам). С учётом возможной конверсии энерготехнологий (технически реалистичных изменений структуры ТЭБ и электроэнергетики) вероятное время общего истощения доступных запасов горючих энергоносителей – от 100 до 150 лет. Дальше, если продолжать жить по принципу «после нас – хоть потоп», человечество ждут тяжёлые времена. А ведь надо иметь в виду, что приведённые выше оценки – лишь «голая арифметика», они не учитывают резкой географической неравномерности распределения этих запасов в мире и его крайне неоднородной политической и социальной картины. Значит, не только не исключены, но, напротив, весьма вероятны острейшие «ресурсные» конфликты и войны. И тут благостных иллюзий быть не должно – принадлежащие к «золотому миллиарду» страны Запада, привыкшие к энергетическому изобилию (и, в последние годы, к политической безнаказанности), будут вести эти войны с остервенением загнанных в угол крыс. Предвестники этого уже налицо – вспомним о несомненной «нефтяной» подоплёке американской агрессии в Ираке и недавних событий в Ливии, о настойчивых разговорах (по инициативе и при активном участии, в частности, видных политических лидеров США) о «наднациональной принадлежности» ресурсов российской Сибири, об отчётливо обозначившейся острой конфронтации по проблеме арктического шельфа с его предполагаемыми газовыми и нефтяными богатствами и так далее.

Как избежать столь безрадостных перспектив? По крайней мере – с чего начать? Прежде всего – с ясного осознания того факта, что проблема предотвращения мирового энергетического кризиса имеет системный, комплексный характер. Её невозможно ни анализировать, ни тем более решать, не учитывая большого количества тесно взаимосвязанных аспектов. И вот некоторые из них:

– политический – обитатели мира, утратившего стратегическую стабильность на «топливной» почве и безвозвратно погрузившегося в бездну территориальных переделов, войн и терроризма, будут заниматься всем этим, пока не погаснет последняя лампочка;

– экономический – энергетика должна обеспечивать благосостояние общества, а не наоборот, и затраты на функционирование и развитие ТЭБ должны соответствовать этому принципу. Как говорил Цицерон – надо есть, чтобы жить, а не жить, чтобы есть;

– ресурсно-экологический – никакие решения и действия в энергетической сфере не должны нарушать концепцию устойчивого развития, то есть осуществляться ценой ухудшения условий жизни последующих поколений;

– социально-мировоззренческий – многим ещё предстоит понять, что обладание прожорливым четырёхколёсным чудовищем и стояние в многокилометровых городских пробках не есть признак «престижности» и большого ума (часто наоборот).

            Конечно, есть и другие аспекты проблемы развития мировой энергетики, но здесь более подробно мы коснёмся лишь одного – физико-технологического. Иными словами, поищем ответ на вопрос: чем можно, не абстрагируясь от физико-технологических реалий, заменить выбывающие запасы нефти, газа и угля в структурах ТЭБ и электрогенерации (см. табл. 1).

Характеристики энергоустановки.

            Инженер при анализе принципиальных возможностей той или иной энергоустановки обращает внимание, прежде всего, на две её характеристики: плотность передачи энергии и коэффициент готовности.

Плотность передачи энергии – это количество энергии, снимаемое с единицы площади приёмника в ходе работы. Таким приёмником является, например, поверхность теплообменника угольного или газового котла, рабочая площадь лопастей ветрового генератора или водяной турбины, поверхность тепловыделяющего элемента ядерного реактора или солнечной батареи. Понятно, что чем плотность передачи энергии выше – тем лучше. Ведь она определяет площадь, необходимую для сооружения электростанции или теплоцентрали заданной мощности.

Коэффициент готовности (с некоторым упрощением) – это безразмерная величина, равная отношению времени за некоторый (достаточно длительный, не менее года) период, в течение которого технически возможна работа установки на номинальной мощности, к общей длительности этого периода. Она всегда меньше единицы, но чем ближе к ней – тем лучше. Мало кому нужна энергоустановка, которая в процессе эксплуатации больше стоит, чем работает. Кроме того, очень важно, является ли коэффициент готовности управляемым – иными словами, чем обусловлено его отличие от единицы. Если мероприятиями, заранее запланированными по началу и длительности (ремонтно-профилактические работы, регламентные технологические паузы) – то в этих случаях всегда предусматривается (и реализуется) маневр оставшимися мощностями, позволяющими избежать сбоев в энергоснабжении. Но вот если эти технологические паузы установка «выбирает себе сама», то это никуда не годится. Самая плохая технология – это непрогнозируемая технология. В контексте выполнения всех этих требований мы и рассмотрим основные энерготехнологии настоящего и обозримого будущего.

«Огневая» энергетика по факту своего вполне реального существования способна обеспечить как минимум достигнутый уровень мирового энергопотребления – как мы видели, она-то его и определяет. Реализующие её установки характеризуются высокими значениями плотности передачи энергии (десятки и сотни кВт/м²) и управляемого коэффициента готовности (~0,8). Но её близкое ресурсное исчерпание вынуждает нас вести весь этот разговор.

Перспективы развития термоядерной энергетики.

            Термоядерная энергетика, хотя бы в рассматриваемых к настоящему времени физико-технических подходах, вполне способна обеспечить всему человечеству энергетическое изобилие. Это обусловлено приемлемыми ожидаемыми значениями плотности передачи энергии (порядка десятков кВт/м²) и заведомо высокими величинами управляемого коэффициента готовности – при практически неограниченном (в случае реализации DD-цикла) ресурсном обеспечении. Ведь дейтерий есть в обычной воде, пусть и в малом количестве (0,0147% по числу ядер от всего водорода). А потенциал его громаден – расчётное количество энергии, запасённое лишь в 1 л воды, эквивалентно, при полном протекании термоядерных реакций, сжиганию примерно 400 л нефти или около 600 кг высококачественного угля.

Но… весь вопрос в том, когда термоядерная энергетика станет практической реальностью – сейчас она таковой не является. И главной проблемой является то, что требуемое для этого время, по всей видимости, сравнимо со сроком исчерпания ресурсных запасов «традиционной» огневой энергетики. В этих условиях идти на величайший в истории человечества технологический риск, безоглядно бросив все силы на овладение управляемым термоядерным синтезом, вряд ли уместно – слишком «коварен» в обсуждаемом смысле термояд. Сколько раз уже казалось, что вот он в руках, но, увы… Тем более, что даже в случае законченной инженерной готовности термоядерной энергетики на глобальную системную перестройку энергетической структуры тоже потребуется время, а, главное – энергия. Много энергии, с каждым годом всё более дефицитной. Это, кстати говоря, справедливо и в отношении других энергетических альтернатив.

Поэтому наиболее разумной стратегией в отношении термоядерной энергетики представляется подход «надеясь на лучшее, готовиться к худшему». Иными словами, ни в коем случае не прекращая термоядерных исследований (напротив, всемерно развивая их), иметь наготове энергетический сценарий и на какой-то иной физико-технической основе, позволяющей постепенно заменить нефть, газ и уголь.

Перспективы создания энергетики на баз возобновляемых источников.

            Вот теперь самое время обсудить перспективы создания масштабной энергетики на базе так называемых возобновляемых источников. А так называемые возобновляемые источники? Ведь их, в общем, достаточно – энергия рек, ветра, солнца, приливов, земных недр. Характерной чертой этих источников является отсутствие технологий получения энергии. Ведь дрова, уголь, нефть, газ, уран, дейтерий сами по себе энергией не являются – она лишь «запасена» в них, требуя для высвобождения костра, печи, котла, форсунки, реактора. А вот ветер, например, сам по себе есть энергия, «готовая для использования». Так же обстоит дело и с другими возобновляемыми источниками.

Отсюда – немедленный вывод: говорить о ресурсном обеспечении энергетики на возобновляемых источниках вообще бессмысленно – оно бесконечно в том же смысле, в каком более или менее неизменны условия жизни на нашей планете.  

Подножку ставит первое требование (техническая возможность обеспечения хотя бы существующего уровня мирового энергопотребления). Тут и проявляются в полной мере «врождённые пороки» энергетики на возобновляемых источниках. Первый (вероятно, главный) – чрезвычайно низкая плотность передачи энергии. Вместо десятков и сотен кВт/м², типичных, как мы знаем, для «огневой» энергетики – десятые (для средних широт и нормальных погодных условий) доли кВт/м² для ветровой и солнечной, тысячные – для приливной, стотысячные – для геотермальной. Исключение – гидроэнергетика: для неё характерна достаточно высокая плотность передачи энергии (порядка 100 кВт/м²), о чём разговор далее. Прямым следствием этого является резкое возрастание производственных площадей энергостанций и, соответственно, площадей отчуждаемых земель (табл. 2).

            Это означает, что площадь, занимаемая ветровой или солнечной электростанцией мощностью 1 ГВт (а это - электрическая мощность всего лишь одного реактора ВВЭР-1000, каких на Калининской АЭС – 3, а на Балаковской – 4), составляет более 100 км². Так что гипотетическое полное замещение такими станциями всех генерирующих мощностей, например, Франции потребует «энергетического отчуждения» порядка одной десятой территории страны.

            Одно тянет за собой другое. Вынужденно огромные площади энергостанций на возобновляемых источниках влекут за собой резкое, на порядки, увеличение удельных (на

единицу произведённой энергии) натуральных и стоимостных затрат на материалы и оборудование при их сооружении и эксплуатации. Например, для сооружения всего лишь

1 км² простейших солнечных коллекторов требуется около 10 000 т алюминия и примерно столько же – железа. А ведь их ещё получить надо – естественно, тоже затратив на это энергию, и немалую! Во многих случаях возникают серьёзные сомнения, не оказывается ли произведённая на таких электростанциях энергия вообще меньше затраченной на их сооружение и эксплуатацию. Кстати, даже в Германии, стране, которую особенности внутриполитических процессов привели к неадекватно преувеличенной оценке возможностей возобновляемых энергоносителей, широко пропагандируемая ветровая энергетика и сейчас остаётся глубоко дотационной: её себестоимость составляет ~9 цен-

тов/(кВт • ч) при средней по стране цене электроэнергии 2,5 цента/(кВт • ч), невзирая на все технологические и инновационные усилия.

При знакомстве с полу- или же вполне фантастическими планами развития возобновляемой промышленной энергетики часто вообще возникает впечатление какой-то ходульности, полной их оторванности от вполне очевидных инженерных, экономических и ситуационных реалий. Вот проект энергоснабжения Европы (или, во всяком случае, значительной её части) на основе строительства в Сахаре солнечной электростанции с общей площадью кремниевых фотоэлементов в полпустыни. Так помимо уже сказанного, озаботился ли кто-нибудь из авторов этой идеи схемой электрокоммутации модулей этого монстра, вопросами её надёжности, ремонта и обслуживания? Что делать с квадратными километрами фотоэлементов после первой же довольно обыденной для пустыни песчано-пылевой бури – а делать придётся, ведь их эффективность при загрязнении чувствительной поверхности резко падает. Содержать армию подметальщиков?.. Оценивалась ли, хотя бы по порядку величин, экономика всей этой маниловщины?

            Очень скверно у «возобновляемой энергетики» обстоит дело и с коэффициентом готовности. Во-первых, он банально низок – для ветровой и солнечной энергетики не выше 0,15…0,3, причём для солнечной он даже теоретически не может превысить величину 0,5. Ведь ночью гелиоустановка работать не может вообще, а утром и вечером её эффективность весьма невелика. А, во-вторых, что особенно печально, он не является управляемым. Это и понятно: например, эффективность ветрового генератора в основном определяется направлением ветра и его силой, а они человеком не контролируются, хуже того – в сколько-нибудь долгосрочном плане и не прогнозируются. То же – гелиоустановка: небо то ясное, то в тучах…

Жаль, конечно, но реальная значимость, да и обозримые перспективы ветровой, солнечной, приливной, геотермальной и пр. «возобновляемых» энергетик абсолютно несоизмеримы с надеждами, часто возлагаемыми на них политиками и экологическими деятелями, а ещё чаще – шумно озвучиваемыми кем попало через средства массовой информации. Конечно, эти источники как резервные, вспомогательные могут оказаться очень и очень кстати – в особенности в локальных, изолированных энергосистемах отдалённых регионов, имеющих для этого к тому же объективные предпосылки. Глупо отрицать, например, перспективность геотермальной энергетики на Камчатке или ветровой – на острове с небольшим местным населением и ограниченной хозяйственной инфраструктурой. Как и препятствовать развитию научных и инженерных исследований в этих направлениях. Но, находясь опять-таки в рамках здравомыслия, нельзя не признать и другого – «большой», промышленной энергетики на возобновляемых источниках нельзя построить ни концептуально, ни технологически. Для энергетического спасения человечества они с очевидностью не подходят.

Перспективы развития гидроэнергетики.

Гидроэнергетика: для неё коэффициент готовности выше (0,6–0,7) и в основном управляем. В совокупности с высокой плотностью передачи энергии на ГЭС это обуславливает особую роль гидроэнергетических ресурсов среди возобновляемых источников: из ~17% мировой электрогенерации за их счёт на долю гидроэнергетики приходится 15,7–15,9%. Причина этого ясна: носитель гидроэнергии (вода) относительно просто концентрируется в значительном объёме с большим энергетическим эквивалентом накопленной массы. Для этого достаточно с помощью плотины создать пороговую разность уровней реки выше и ниже ГЭС (напор) и направить падающий поток на турбину через специальные тоннели. Для сравнения: попробуйте, например, сконцентрировать ветер…

Можно добавить, что рекордные показатели удельного энергопотребления (свыше 20 кВт/(чел.× в год) для скандинавских стран, а также Австрии и Швейцарии во многом обусловлены наличием значительных количеств высокотехнологичных энергоёмких производств именно на базе относительно дешёвой гидроэнергии.

Увы… Главной проблемой, резко ограничивающей глобальные перспективы гидроэнергетики, являются «побочные» экономические и экологические, а иногда – и социальные последствия создания упомянутой разности уровней реки выше и ниже ГЭС как условия накопления необходимого энергетического потенциала. Вовсе не случайно гидроэнергетика в перечисленных выше странах базируется на значительном количестве сравнительно небольших ГЭС, сооружённых на горных реках (что соответствует общему природному рельефу этих стран). «Ущелистые» русла таких рек позволяют добиться значительного напора при минимальной площади водного зеркала водохранилища, образуемого при сооружении плотины. Соответственно не слишком большой будет и площадь затапливаемых при этом земель, что делает такие ГЭС приемлемыми экономически и экологически.

Совсем иная картина на равнинных реках. Здесь для обеспечения необходимого напора господствуют циклопические масштабы – и при сооружении плотин (что резко ухудшает инвестиционную привлекательность проектов), и при затоплении громадных площадей выше по течению (с неизбежными как экономическими, так и, в особенности, экологическими потерями). Этим и обусловлен очень неблагоприятный общий показатель гидроэнергетики по площади отчуждаемых земель (см. табл. 2). А ведь именно равнинными являются крупнейшие ГЭС мира – в частности, в России, для которой гористый рельеф, в общем, нехарактерен. И уж кому-кому, а россиянам хорошо известна

цена «побед над природой», одерживаемых при сооружении таких ГЭС. Безвозвратная потеря земель, не только представляющих огромную экономическую ценность, но и имеющих ни с чем не сравнимую социальную значимость. Деградация водных и прибрежных экосистем, исчезновение десятков биологических видов. Климатические, гидрологические и литосферные изменения – как минимум, регионального масштаба…

К тому же и физические потенциалы равнинных рек, текущих в европейской области России, где расположена основная часть потребителей энергии (большие города, крупные предприятия) практически исчерпаны. Аналогично выглядит ситуация и для большинства других промышленно-развитых стран. Сооружение же новых ГЭС на реках, где эти потенциалы ещё имеются (для России это – азиатская часть страны) упирается в необходимость строительства протяжённых ЛЭП к районам основного энергопотребления, что резко увеличивает стоимость энергии – в особенности, если учитывать неизбежные в этом случае потери при её транспортировке.  

Сказанное обуславливает весьма скромные перспективы гидроэнергетики как энергии будущего. При естественных различиях в частности. Все прогнозы на этот счёт совпадают в главном – возрастания её доли ни в электрогенерации, ни в общей структуре ТЭБ ожидать не приходится. Напротив, более вероятным представляется её уменьшение.

Энергия атома – энергия будущего.

Итак, энергия будущего уже в среднесрочной перспективе – не углеводородная, не «возобновляемая», не, очень может статься, термоядерная. Что у человечества есть ещё? Вот мы и переходим к атомной энергии, основанной на технической утилизации цепной реакции деления в ядерных реакторах. Рассмотрим её с позиции сформулированных нами ранее требований. Плотность передачи энергии рекордная: от топлива к теплоносителю через оболочку тепловыделяющего элемента свыше 1000 кВт/м²! Более того, ядерное топливо обладает колоссальной энергоёмкостью. Ведь на каждый акт деления ядра урана или плутония выделяется около 200 МэВ энергии. Сравним эту величину с 4 эВ от окисления одного атома углерода в углекислый газ – впечатляет, верно? 1 кг ядерного топлива реактора ВВЭР-1000 по полной запасённой энергии эквивалентен примерно 100 т (2 вагона) высококачественного угля или 60 т нефти!

Коэффициент готовности атомной энергетики очень высок (свыше 0,8) и практически полностью управляем и не зависит от суточных и погодно-климатических факторов. Вопрос о её практической реализуемости, понятно, вообще не стоит: это – вполне реальная отрасль современной энергетики, обеспечивающая около 16% мировой наработки электроэнергии и свыше 6% в структуре ТЭБ.

А вот перспективы ресурсного обеспечения атомной энергетики следует обсудить подробнее. Хотя бы потому, что среди аргументов противников её развития активно муссируется и этот. Как известно, в природе существует один-единственный расщепляющийся материал, делящийся нейтронами любых энергий и, поэтому способный при соответствующем конструктивном оформлении в виде ядерного топлива поддерживать цепную реакцию деления – физическую основу атомной энергетики. Это лёгкий изотоп урана – уран-235. Однако в естественном уране его очень мало – всего-то 0,71%. Остальное – уран-238. Сам по себе он для ядерной энергетики никакой ценности не представляет, поскольку делится очень плохо и поэтому цепной реакции не поддерживает. Но…

Физика реактора – это прежде всего нейтроны и их судьба. На 10 актов деления урана-235 их (статистически, в среднем) образуется примерно 25 – потому-то, собственно говоря, и возможна цепная реакция деления. Часть нейтронов идёт на её поддержание, часть поглощается конструкционными материалами активной зоны, органами управления

реактора и его биологической защитой. Наконец, некоторое количество нейтронов поглощается ядрами вроде бы бесполезного урана-238 без деления. Однако образовавшийся при этом уран-239 довольно быстро в ходе двух последовательных бета распадов переходит в новое ядро – долгоживущий плутоний-239. А он-то является прекрасным ядерным топливом, не уступающим урану-235!

Мы видим, что любой ядерный реактор не только сжигает первоначальный делящийся материал (уран-235), но и нарабатывает новый (плутоний-239). Причём, что важно, из широко распространённого (в отличие от урана-235) урана-238. Часть образующегося плутония-239 сгорает тут же вместе с ураном-235, а часть остаётся в облучённом ядерном топливе, откуда его можно извлечь путём радиохимической переработки и использовать вновь.

Главный вопрос – ресурсное обеспечение атомной энергетики. В упрощённой формулировке он звучит так: как соотносится с единицей отношение скоростей наработки нового ядерного топлива (плутония-239 из урана-238) и выгорания исходного (урана-235 и/или того же плутония-239)? Если оно меньше единицы – тогда атомная энергетика будет существовать лишь до тех пор, пока доступен (технически и экономически) уран-235 – плутония-то в природе нет, весь он получается искусственно в ядерных реакторах. К сожалению, для современной мировой атомной энергетики дело именно так и обстоит – её основой являются ядерные реакторы на тепловых нейтронах, а для них это отношение (коэффициент конверсии) всегда меньше единицы – в лучшем случае порядка 0,8. Простейшей оценкой несложно получить, что в этом случае вовлечение в топливный ресурс урана-238 за счёт образования плутония ничтожно – единицы процентов. В таком виде атомная энергетика для решения проблемы энергии будущего вряд ли сильно поможет – даже при возврате в топливный цикл невыгоревшего урана и образовавшегося плутония время её существования ограничено величиной порядка сотни с небольшим лет. После этого исчерпание урана-235 ставит на ней крест, поскольку оставшийся после этого уран-238 (более 95% первоначального запаса всего природного урана!) сам по себе никому не нужен.

Но вот если упомянутое отношение больше единицы (тогда оно называется коэффициентом воспроизводства) – дело другое. Ведь тогда реактор в каждом эксплуатационном цикле производит больше нового топлива (плутония из урана-238), чем выжигает исходного урана-235 или плутония. С точки же зрения ресурсного обеспечения это означает, что атомная энергетика «не успокоится», пока не сожжёт весь уран – включая и уран-238! При этом «в дело» пойдут не только урановые руды (минералы, содержание урана в которых превышает порог рентабельности их разработки), но и вообще всё, где есть хоть немного урана, вплоть до гранитных пород и морской воды. По образному выражению академика А.И. Лейпунского, такая атомная энергетика способна «жечь камни».

Насколько при этом возрастает её ресурсный потенциал? Попробуем оценить это. Если современная атомная энергетика с реакторами на тепловых нейтронах, вовлекающая в производство энергии около 3% всего технически доступного природного урана, работоспособна по запасам топлива примерно 100 лет, то при вовлечении в режиме воспроизводства 60% этого урана (что вполне реально) ресурс увеличивается в 20 раз – до двух тысяч лет! Имея такую «энергетическую подстраховку» по времени, можно без спешки и суеты создавать принципиально новые энерготехнологии, развивать энергосбережение и так далее. Грозный призрак энергетической катастрофы перестанет маячить перед человечеством.

Остаётся назвать тип ядерно-энергетического топливного цикла, позволяющий совершить эту технологическую революцию. Это – реактор на быстрых нейтронах с топливом на основе плутония в совокупности с радиохимическим предприятием по переработке облучённого топлива.  Реактор на быстрых нейтронах – вполне обыденное техническое устройство, работоспособность которого многократно проверена не только на десятках опытных установок, но и на коммерческих энергоблоках. Реактор на быстрых нейтронах БН-350, запущенный в СССР в 1973 г. на побережье Каспийского моря в г. Шевченко (ныне г. Актау, Казахстан) успешно эксплуатировался в режиме производства электроэнергии и опреснения морской воды в течение почти 20 лет. Запущенный на Белоярской АЭС в 1980 г. БН-600 до сих пор бесперебойно снабжает россиян электроэнергией, а ввод в строй реактора на быстрых нейтронах следующего эволюционного поколения БН-800 ожидается в 2014 г. Вполне отработанными технологиями являются и переработка облучённого топлива с выделением плутония, и изготовление свежего топлива на его основе. Кстати говоря, реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем (как все отечественные реакторы серии БН) обладают, в сравнении с реакторами на тепловых нейтронах, существенно более высоким уровнем ядерной безопасности. В частности, ни одна из трёх наиболее крупных аварий за всю историю ядерной энергетики (Три-Майл-Айленд, Чернобыль, Фукусима) на

таком реакторе не могла произойти в принципе.

Так почему же быстрые реакторы-размножители до сих пор не стали основой мировой ядерной энергетики? Ответ прост: пока они заметно дороже. До сих пор ещё относительно дешёв топливный уран и, соответственно, коммерчески выгоднее реакторы-конвертеры на тепловых нейтронах. Положение начнёт меняться примерно к 2050 г., когда урана уже будет недостаточно. Вот если к этому времени структурная перестройка мировой атомной энергетики на базе новой технологической платформы с быстрыми реакторами-размножителями будет если уж и не завершена, то развёрнута – тогда мирового энергетического кризиса удастся избежать. Остаётся надеяться, что человечество до той поры поумнеет и прекратит безоглядно барахтаться в болоте приоритета сиюминутной выгоды.

Кстати, наша страна до сих пор обладает мировым технологическим приоритетом в области реакторов на быстрых нейтронах. Хочется надеяться, что усилиями российских учёных и инженеров этот приоритет будет сохранён и упрочен.

Заключение.

Подведём некоторые итоги. Атомная энергетика, вероятно, приходит к нам всерьёз и надолго – просто потому, что, как мы видели, никакого другого пути предотвращения системного энергетического кризиса реально не просматривается. А это значит, что она на наших глазах будет менять свой общественный статус – из «занятия избранных», технологии достаточно элитарной, она становится достоянием масс, частью обыденной жизни. При этом возникает множество серьёзных вопросов, связанных с сохранением высокого уровня физической и эксплуатационной безопасности на атомных объектах, с подготовкой кадров новой формации, с созданием надёжно функционирующей, оптимальным образом встроенной в экономическую, социальную и административную систему страны, структуры, отрасли и т. д.

Но именно для атомной энергетики в этой связи есть и чрезвычайно специфическая проблема, другим технологиям либо присущая в гораздо меньшей мере, либо не присущая вовсе. Это – проблема обретения должного общественного доверия, чего сейчас у неё, назовём вещи своими именами, нет. А в таких условиях упомянутая смена статуса – очень трудное дело, поскольку в этот процесс будет постоянно «встроено» подспудное внутреннее противодействие. Фукусимские события – тому наглядная иллюстрация.

Литература.

1.      Колдобский А.Б. Энергия и люди: сейчас и завтра. // Физика – 2012 - №3 – с.37 – 44.

2.      Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: Юпитер, 1996.

3.      Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 класс. М.: Дрофа, 2009.