133 НОВАЯ КНИГА Е.П. Велихов, А.Ю. Гагаринский, С.А
реклама
Новая книга НОВАЯ КНИГА Е.П. Велихов, А.Ю. Гагаринский, С.А. Субботин, В.Ф. Цибульский. Энергетика в экономике XXI века. — М.: ИздАт, 2010. В 2010 г. Издательство по атомной технике выпустило книгу, написанную сотрудниками НИЦ «Курчатовский институт» Е.П. Велиховым, А.Ю. Гагаринским, С.А. Субботиным и В.Ф. Цибульским «Энергетика в экономике XXI века». Книга содержит прогноз потребностей человечества в энергии вообще и в электрической энергии в частности к середине и к концу начавшегося столетия и анализ возможностей удовлетворить эти потребности. С моей точки зрения, наиболее интересным для читателей сборника ВАНТ, сер. Термоядерный синтез является то, как авторы этого анализа — в основном представители классической атомной энергетики, базирующейся на реакторах деления, оценивают необходимость термоядерных источников нейтронов (ТИН) и их место в энергетике мира к концу текущего столетия. В последние годы созданная под эгидой ООН Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC), МАГАТЭ, Международное энергетическое агентство Организации экономического сотрудничества и развития, Международный институт прикладного системного анализа и Министерство энергетики США опубликовали прогнозы роста потребностей человечества в энергии. Авторы рассматриваемой книги, обобщая эти прогнозы, отмечают, что следствием роста населения планеты и высоких темпов экономического роста развивающихся стран будет увеличение мирового потребления первичной энергии к 2050 г. до 700—1400 ЭДж/год (17—34 млрд т н.э. в год) и к 2100 г. до 800—2200 ЭДж/год (19—53 млрд т н.э. в год) по сравнению с 500 ЭДж в 2010 г. (1 ЭДж = 1018 Дж = 23,88·106 т н.э.). Рост потребностей в электроэнергии будет вдвое больше. Анализируя современное представление о потенциальных возможностях развития сырьевой базы глобальной энергетики, авторы констатируют, что до середины века будет преодолён максимум добычи нефти, несколько позже — природного газа. К 2050 г. может быть кратно увеличена добыча угля, приблизительно вдвое могут возрасти мощности гидроэнергетики, примерно в 10 раз — использование возобновляемых источников энергии (главным образом, ветра) и более чем втрое может вырасти мощность атомной энергетики. Однако и при таком оптимистическом прогнозе роста практически всех энергетических технологий удовлетворить возрастающие потребности человечества в первичной энергии в полном объёме, скорее всего, не удастся. Неудовлетворённый спрос на первичную энергию к середине века может составить около 30% максимальных прогнозируемых потребностей в 1400 ЭДж/год. Этот ощутимый дефицит в энергоресурсах будет служить мощным мотивационным фактором развития всех энерготехнологий, в том числе крупномасштабной ядерной энергетики, без развития которой обойтись не удастся. Авторы рассматривают три сценария развития атомной энергетики: низкий — 2,5 ТВт(э) в 2100 г., умеренный — 5 ТВт(э) и высокий — 10 ТВт(э). При этом они отмечают, что по оценкам, опирающимся на заявленные темпы развития в разных странах, масштаб мировой ядерной энергетики к 2030 г. может составить около 1 ТВт(э) по сравнению с современным уровнем около 375 ГВт(э). При высоком сценарии развития ядерной энергетики около 50% электроэнергии будет производиться ядерными реакторами. Этот вариант ориентируется на крупномасштабное развитие ядерной энергетики с высокими темпами увеличения её мощности во второй половине текущего столетия. При этом, кроме получения электричества, ядерная энергия начнёт использоваться для опреснения воды, газификации угля, производства искусственного моторного топлива и в технологических процессах, требующих высокого температурного потенциала. Данный сценарий развития ядерной энергетики в текущем столетии следует рассматривать как верхнюю границу её возможностей. В то же время такой высокий масштаб развития ядерной энергетики не является запредельным с точки зрения удовлетворения энергетических потребностей, которые могут сложиться в мире к концу века. Нарастание проблем, связанных с использованием органического топлива, только повышает необходимость развития альтернативных источников энергии. Так как официальные ресурсы урана, доступные при стоимости извлечения до 260 дол. за 1 кг, составляют менее 17 млн т, для высокого сценария был оценен потенциал термоядерных реакторов по воспроизводству делящихся материалов. Такая синергетическая ядерная электростанция имеет потенциальные преимущества по сравнению с использованием только ядерных реакторов деления. ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2012, вып. 2 133 Новая книга Электрическая мощность, ГВт Использование ТИН для обеспечения ядерной энергетики делящимся топливом целесообразно при производстве ими минимального количества энергии. В этом случае, когда ТИН не обременён требованиями высокой энергоэффективности, технологические трудности его создания будут меньше, чем при создании энергетических реакторов синтеза. В качестве сырьевого изотопа целесообразно рассматривать 232 Th, при использовании которого энергия, выделяемая в бланкете ТИН, будет минимальной. На каждый термоядерный нейтрон с энергией 14,1 МэВ в ТИН можно получить более 1,7 новых ядер делящихся изотопов, которые после деления в тепловом энергетическом реакторе дадут около 350 МэВ энергии. Для высокого сценария развития ядерной энергетики рассмотрен вариант использования ТИН для наработки 233U в жидкотопливных ториевых бланкетах с глубоко подавленным делением (выведение 233 Pa из бланкета и использование 233U при смешении его с 238U или 232Th для изготовления топлива для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) или легководных реакторов (ЛВР)). Пример такой ядерно-энергетической структуры представлен на рисунке. Потребление природного урана в 2010 г. составит 10 000 ТИН 20 000 т/год, т.е. 2 т/ГВт·год. Это значит, что ядерно9000 ЛВР энергетическая система выйдет на самообеспечение и ей РБН 8000 далее практически не потребуется природный уран. Для ВТГР 7000 выработки энергии она будет потреблять отвальный 6000 уран и торий. Суммарный расход природного урана до 5000 конца XXI века составит 10 млн т. 4000 По этому сценарию ТИН начнут вводиться с 2050 г. 3000 и доля ТИН в системе к 2100 г. достигнет 7% (700 ГВт). 2000 При использовании ТИН максимум годовой добычи природного урана и работы разделения изотопов может 1000 быть почти в два раза ниже, чем при использовании 0 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100 очень хороших реакторов на быстрых нейтронах (РБН) с Год коэффициентом воспроизводства делящихся изотопов Структура ядерной энергетики с использованием ТИН КВ = 1,4—1,6, создание которых является задачей высдля высокого сценария развития шего уровня сложности, но решаемой. Проекты таких реакторов рассматривались. Кроме этого, читатель может найти в книге много другой интересной информации и интересных соображений, например: — если доля затрат на энергию в глобальном валовом внутреннем продукте (ВВП) превышает величину, близкую к 10%, в глобальной экономике происходят кризисные явления; — в 1990-е гг. удельное потребление первичной энергии в развивающихся странах стало больше, чем в развитых; — в 2009 г. Россия уступила США первое место по ежегодной добыче природного газа. Рост газодобычи в США вызван освоением добычи газа из глинистых сланцев, которая стала экономически выгодной благодаря повышению цен на газ; — гидростанции мощностью 800 ГВт находятся в эксплуатации или строятся. Самая большая в мире ГЭС «Санься» («Три ущелья») проектной мощностью 22,4 ГВт строится на реке Янцзы в Китае; — глобальная установленная мощность ветровой энергетики в 2009 г. составила 158 ГВт. В Германии, Испании и Индии установленная мощность ветроустановок превышает мощность АЭС. В 2009 г. в Китае началось строительство ветряной электростанции мощностью около 10 ГВт, с возможностью увеличения мощности до 40 ГВт; — в 2009 г. в Андалусии, Испания, начала работать крупнейшая в мире солнечная электростанция мощностью 60 МВт. Она занимает площадь в 70 футбольных полей; — мировые мощности приливных электростанций (ПЭС) около 270 МВт. Мощность самой крупной ПЭС (во Франции) 240 МВт; — экспериментальные установки типа ВТГР действуют или строятся в Японии и Китае; — РБН работают в настоящее время в России, Японии, Индии и Китае. Авторы рассматривают возможные пути развития российской экономики и считают, что наибольший эффект с точки зрения роста ВВП даст развитие экономики, максимально ориентированное на развитие внутреннего рынка. Только развёртывание массового жилищного строительства и инфраструктурных проектов способно поглотить громадный объём материальных ресурсов, имеющихся в России. Б.Н. Колбасов 134 ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2012, вып. 2
