CC BY
88
ную среду, в первую очередь, топливно-энергетического комплекса. В энергетике уменьшение ущерба природе должно осуществляться как за счёт энергосбережения, так и за счёт повышения экологической чистоты энергетических технологий.
Доложено на пленарном заседании Международной молодёжной конференции «Энергосберегающие технологии», состоявшейся в ТПУ 28-30 июня 2011 г. в рамках ФЦП «»Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (мероприятия 2.1 - I очередь)» в соответствии с государственным контрактом ГК№ 14.741.11.0163.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Закон РФ от 5 марта 1992 г. № 2446-1 «О безопасности».
2. Бушуев В.В., Воропай Н.И., Мастепанов А.И. и др. Энергетическая безопасность России. - Новосибирск: Наука, 1998. -302 с.
3. Ушаков В.Я. Современная и перспективная энергетика: технологические, социально-экономические и экологические аспекты. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 469 с.
4. Лукутин Б.В., Суржикова О.А., Шандарова Е.Б. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении. -М.: Энергоатомиздат, 2008. - 231 с.
5. Безруких П.П. Роль возобновляемой энергетики в энергосбережении в мире и России // Электрика. - 2004. - № 4. - С. 3-5.
6. Энергетика окружающей среды. 2011. ИЯЬ: Ьйр://сгтеап-сейег.сош/?р=288 (дата обращения: 19.09.2011).
7. Ушаков В.Я. Возобновляемая и альтернативная энергетика: ресурсосбережение и защита окружающей среды. - Томск: Изд-во «СибГрафикс», 2011. - 137 с.
8. Energy Technology Perspectives: Scenaries and Strategies to 2050. (Second Edition) OECD/IEA. - Paris, 2008. - 650 p.
9. Твайделл Д., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.
10. Роза Р. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. - М.: Энергоиздат, 1970. - 250 с.
11. Бойко В.И., Демянюк Д.Г., Кошелев Ф.П. Перспективные ядерные топливные циклы и реакторы нового поколения. -Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 490 с.
12. Мурогов В.М., Троянов М.Ф., Шмелёв А.М. Использование тория в ядерных реакторах. - М.: Энергоиздат, 1983. - 96 с.
13. Гуськов С.Ю. Прямое зажигание мишеней термоядерного синтеза потоком ионов лазерной плазмы // Квантовая электроника. - 2001. - № 31 (10). - С. 885-890.
Поступила 19.09.2011 г.
УДК 620.91.004
ЗАМЫКАНИЕ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА В ПРЕОДОЛЕНИИ МИРОВОГО ДЕФИЦИТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ. Ч. 1. СОВРЕМЕННЫЕ ОЦЕНКИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ И ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Г.И. Полтараков*, Р.Е. Водянкин, А.В. Кузьмин
*Институт ядерной энергетики (филиал) Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, г. Сосновый Бор
Томский политехнический университет E-mail: kuzminav@tpu.ru
Приводятся данные экспертных оценок глобального потребления энергии на душу населения, структуры и динамики изменения мирового энергопотребления. Анализ структуры мирового обеспечения энергоресурсов показывает их нарастающий дефицит.
Ключевые слова:
Глобальное потребление энергии, структура энергоресурсов, дефицит энергоресурсов.
Key words:
Global energy consumption, structure of energy resources, shortage of energy resources.
Анализ глобального потребления энергии с точностью ±3 % (рис. 1), динамика роста общего
надушу населения, структуры и динамики измене- энергопотребления [2] остаётся достаточно высо-
ния мирового энергопотребления и структуры кой (рис. 2).
обеспечения энергоресурсов показывает их нара- Этот рост определяется тремя основными фак-стающий дефицит. торами: развитием мировой экономики, ростом
На протяжении всей истории своего развития населения и стремлением к более равномерному
человечество потребляло энергию, и потребности распределению душевого энергопотребления меж-
в ней постоянно росли. Так, за последние 50 лет ду странами [3].
при удвоении населения планеты, потребление Предполагается, что экономический рост энергии увеличилось в 4 раза [1]. Несмотря на то, до 2025 г. будет достаточно высоким - среднегодо-
что начиная с 1980 г энергопотребление надушу вой прирост мирового ВВП составит 4,3% [4].
населения остаётся практически неизменным Во второй четверти (2025-2050 гг.) экономический
на уровне 2,3 т. условного топлива на человека рост замедлится и прежде всего из-за замедления
темпов роста населения до 2,8 %. К 2025 г. демографы предсказывают рост населения на уровне 28...30 % от нынешнего количества с последующим уменьшением прироста вдвое каждые 25 лет
[2]. Таким образом, к 2050 г. население земного шара достигнет 9,4 млрд человек. Стабилизация численности ожидается только к 2100 г. на уровне 10,4-11 млрд человек [5]. Выравнивание душевого энергопотребления так же даст ощутимый вклад в рост общего энергопотребления, так как на данный момент этот показатель различается между странами в 25.30 раз. Глобальное потребление энергии, как минимум, удвоится к 2050 г., даже если исходить из минимальных темпов его роста
[3]. Естественно, возрастающие потребности в энергии обуславливают и рост потребностей в энергоресурсах.
Рис. 1. Динамика изменения мирового потребления энергии на душу населения
А млрд т.у.т.
1412108 -6 -4 " 2 -
□ ГЭС, АЭС и др.
□ Нефть [71 Уголь
И Дрова, отходы
Биотопливо - древесина, торф, биомасса, отходы, а также энергия солнца, ветра, геотермальные источники и т. д., по оценке Всемирного банка, составляют дополнительно около 10 %.
Доля ресурса, % 70^
60 -
50 -
40 -
30 -
20 -
10 -
0
Нефть
Газ
Уголь
Дрова, отходы Гидроэнергия Атомная энергия Новые возобновляемые источники энергии
1900 1920 1940 1960
Рис. 3. Эволюция структуры мирового потребления энергии
I ■ т ■
1980 Годы
о
1900 1920 1940 1960 1980 Годы
Рис. 2. Динамика изменения мирового потребления энергии
На рис. 3 представлена эволюция структуры потребления энергии за прошедший век [2]. Наблюдался устойчивый рост долевого участия в структуре энергопотребления газа, атомной энергии и новых возобновляемых источников энергии, практически постоянную долю занимала гидроэнергетика, снижалось долевое участие угля и дров. Нефть в 60-е гг. прошлого века стала доминирующей составляющей структуры мирового потребления энергии, в середине 70-х гг. достигла максимума, и затем её участие стало постепенно снижаться.
Современная структура мирового энергопотребления за счет коммерческих ресурсов выглядит следующим образом (рис. 4): на нефть приходится 35,6 %, природный газ - 23,8 %, уголь - 28,6 %, гидроэнергия - 6,4 %, атомная энергия - 5,6 % [6].
|-_] Нефть (35,6 %)
' ' Природный газ (23,8 %)
Уголь (28,3 %)
□ Атомная энергия (5,6 %)
□ Гидроэнергия (6,4 %)
Рис. 4. Современная структура мирового потребления энергии
Проанализируем, сколько может просуществовать данная структура, и приемлема ли она в будущем.
Как видно из представленных данных, ключе -вую роль в обеспечении мировой экономики необходимыми энергоресурсами играют исчерпаемые, невозобновляемые источники. Их запасы со временем уменьшаются. Так, ресурсы нефти достаточны для эксплуатации залежей в течение примерно 41,6 лет, газа - 60,3 лет, угля - 133 лет [7]. Приемлемого по цене урана (менее 130 USD за кг) хватит только на 85 лет [8]. Очевидно, что данные прогнозы носят лишь вероятностный характер и ежегодно пересматриваются с учётом поступления новых данных и возможностей использования новых технологий. Тем не менее, неоспорим факт ограниченности энергоресурсов в обозримой перспективе. Истощаемость запасов нефти наглядно продемонстрирована на рис. 5 [9].
Объём, млрд барр 50а 40302010-
I | Среднегодовая добыча □ Среднегодовой объём открываемой нефти
01930 1940 1950 1960
і " —і ■* * і ■' —
1970 1980 1990 Годы
Рис. 5. Прирост сырьевой базы идинамика мировой добычи нефти
В связи с быстрым истощением существующих запасов, удорожанием разведки новых месторождений, добычи, транспорта и переработки их стоимость возрастает из года в год. Так, себестоимость добычи нефти и газа с 2000 по 2007 г. выросла на 67 % [10]. Рост стоимости основных энергоресурсов с 1991 по 2006 гг. представлен на рис. 6 [11].
350 300250200 150100 50 Н
Ж Индекс цен, %
Дейтед Брент
Газовая корзина / ✓ 4
Уголън ая корзин а Средневзвешенная величина
0 •
1991 1994 1997 2000 2003 Годы
Рис. 6. Динамика цен на основные энергоресурсы
Неисчерпаемые и возобновляемые источники энергии не смогут в полной мере покрыть потребности человечества. Широкомасштабное использование гидроэнергетики имеет свои экологические и экономические ограничения, а возобновляемые источники энергии из-за крайне низкой и неравномерной плотности её потока не могут экономически конкурировать с тепловыми машинами в «большой» энергетике [12]. Управляемый термоядерный синтез очень сложен и дорог, и, по мнению ряда экспертов, имеет множество нерешённых проблем, что до сих пор ставит под сомнение саму возможность его промышленного использования [13, 14]. Таким образом, становится очевидным нарастающий мировой дефицит энергоресурсов.
Увеличение потенциала используемых углеводородных ресурсов и развитие энергосберегающих технологий, безусловно, будет способствовать более рациональному и экономному их использованию, но не изменит сложившейся ситуации в целом.
Возможность разрешения проблемы надвигающего «энергетического голода» связывают с атомной энергетикой, а именно, с её сырьевой базой,
деиствительныи потенциал которой на сегодняшний день практически не используется.
Связано это, прежде всего, с тем, что доля пригодного для деления в ядерных реакторах 235и в природном уране составляет всего 0,72 %, а остальная часть практически приходится на изотоп 238и. Если ядра 235и способны делиться нейтронами всех энергий, рождающимися в активной зоне ядерного реактора, то 238и - только быстрыми нейтронами с энергией больше некоторого порогового значения, примерно равного 0,8...1,3 МэВ.
Вероятность деления ядер 235и имеет наибольшее значение в тепловой области энергий нейтронов <0,2 эВ, что позволяет при небольшом обогащении топлива по изотопу 235и<5 % подобрать материалы активной зоны с малыми сечениями радиационного захвата, способными по другим физическим характеристикам обеспечить надёжную работу реактора. Изотоп урана 238и в резонансной области энергий от 0,2 до 1000 эВ имеет весьма высокую вероятность реакции радиационного захвата нейтрона, которая приводит к образованию вторичного ядерного горючего 239Ри (241Ри). Этот процесс образования нового горючего в реакторе на тепловых нейтронах оценивается коэффициентом воспроизводства и на существующих тепловых реакторах типа ВВЭР-1000 составляет «0,6. Получение дополнительного ядерного горючего обеспечивает примерно 1/3 энерговыработки атомной станции за микрокампанию. Особенности физики быстрых реакторов позволяют обеспечить более существенное воспроизводство с коэффициентом воспроизводства >1.
В настоящее время число реакторов на тепловых нейтронах, требующих обогащенного до 5 % ядерного горючего, насчитывается в мире несколько сотен, в то время как быстрых энергетических реакторов единицы. В результате частичного извлечения 235и из природного урана получают отвальный уран, который можно использовать только в зонах воспроизводства быстрых реакторов.
В соответствии с концепцией замкнутого ядерного топливного цикла отработавшие в ядерном реакторе тепловыделяющие элементы (твэлы) после выдержки во временном хранилище перевозятся в специальных контейнерах на перерабатывающий завод для химической переработки. В результате переработки извлекаются делящиеся нуклиды, которые повторно используются для производства новых твэлов. При этом только небольшая часть делящегося материала (примерно 1 %) в процессе химической переработки и изготовления твэлов теряется вместе с радиоактивными отходами. Такое повторное использование топлива (рециклинг) должно способствовать более полному использованию ядерного топлива и соответственно уменьшить расход природного урана.
Идея о более полном использовании 238и далеко не нова, и была сформулирована Э. Ферми ещё в 1944 г. [14]. Практическая реализация этой идеи может существенно расширить базу энергоресурсов. По оценкам [8], если вовлечь вядерный то-
пливный цикл 238и, то только имеющиеся запасы урана позволят обеспечить человечество энергией на несколько тысяч лет.
Выводы
Показано, что оптимальным путем разрешения проблемы надвигающего «энергетического голода»
является замыкание ядерного топливного цикла в атомной энергетике, что позволит значительно расширить использование её сырьевой базы.
Проблема замыкания ядерного топливного цикла уже сейчас становится глобальной и скорей всего потребует широкого международного участия в её разрешении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Макаров А.А., Фортов В.Е. Тенденции развития мировой энергетики и энергетическая стратегия России // Вестник РАН. -2004. - № 3. - C. 195-208.
2. Макаров А.А. Энергия и энергетика будущего: Доклад на Российском энергетическом форуме. 2005. URL: http://www.eri-ras.ru/papers/2005/fenergy.pdf (дата обращения: 11.03.2011).
3. Хлебников В.В. Топливно-энергетический комплекс России в XXI веке. Стратегия развития энергетического будущего. -М.: Научтехлитиздат, 2006. - 331 с.
4. Клинов В.Г. Мировая экономика: прогноз до 2050 г. // Вопросы экономики. - 2008. - № 5. - С. 62-79.
5. Синяк Ю.В., Бесчинский А.А. Возможная роль российского природного газа в социально-экономическом развитии Евразийского пространства в XXI веке // Проблемы прогнозирования. - 2003. - № 5. - С. 55-73.
6. Finley M. Volatility and Structural Change: BP Statistical Review of World Energy. June 2009. 2009. URL: http://www.usaee.org/usaee2009/ submissions/presentations/Finley.pdf (дата обращения: 11.03.2011).
7. Иванов А.С., Матвеев И.Е. Состояние мирового энергетического рынка на рубеже 2007-2008 годов // Мировое и национальное хозяйство. - 2008. - № 3 (6). - C. 1-6.
8. Uranium 2005: Resources, Production and Demand. 2006. URL: http://www.oecd-nea.org/ndd/reports/2006/uranium2005-russi-an.pdf (дата обращения: 11.03.2011).
9. Митрова ТА. Тенденции и риски развития мировой энергетики // Экономическое обозрение. - 2007. - № 7. - С. 8-15.
10. Нефть России: Новости 13.02.2007. 2007. URL: http://www.oil-ru.com (дата обращения: 11.03.2011).
11. Ruhl C. BP Statistical Review of World Energy: BP Statistical Review ofWorld Energy. London. 12 June 2007. 2007. URL: http://www bakerinstitute.netfu.rice.edu/.../bpstatisticalreview/Energy-in-Per-spective-bp- sustainability-report-2007-christof-ruhl-speech-and-slides.pdf (дата обращения: 11.03.2011).
12. Aдамов E.O. Белая книга ядерной энергетики. - М.: ГУП НИ-КИЭТ, 1998. - 355 с.
13. Бойко В.И. Управляемый термоядерный синтез и проблемы инерциального термоядерного синтеза // Соросовский образовательный журнал. - 1999. - № 6. - С. 97-104.
14. Орлов В.В. К публикации выступления академика A.R Are^ сандрова в ИЯИ AH УССР 19 мая 1978 г. // Вопросы истории естествознания и техники. - 2003. - № 2. - С. 22-25.
Поступила 31.01.2011 г.
УДК 621.039.577-027.31
ЗАМЫКАНИЕ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА В ПРЕОДОЛЕНИИ МИРОВОГО ДЕФИЦИТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ. Ч. 2. ИННОВАЦИОННЫЕ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Г.И. Полтараков*, Р.Е. Водянкин, А.В. Кузьмин
*Институт ядерной энергетики (филиал) Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, г. Сосновый Бор
Томский политехнический университет E-mail: kuzminav@tpu.ru
Рассматриваются современное состояние и перспективы замыкания ядерного топливного цикла в атомной энергетике, концепции инновационных ядерно-энергетических систем, которые позволят снять проблему наступающего энергетического голода.
Ключевые слова:
Ядерный топливный цикл, инновационные ядерно-энергетические системы, схемы новых реакторов, новые материалы ядерной техники.
Key words:
Nuclear fuel cycle, innovation nuclear power systems, circuitry of new reactors, new materials of nuclear engineering.
В настоящее время мировое сообщество реализует следующие стратегические направления: во-первых, создание термоядерной энергетики и, во-вторых, замыкание ядерного топливного цикла (ЯТЦ) и освоение критических и сверхкритиче-ских параметров в современной атомной энергетике, реализация которых позволит практически разрешить проблему «топливного голода» [1].
Осуществление управляемого термоядерного синтеза является сложной, дорогостоящей и проблемной задачей. Поэтому это направление реализуется в рамках международного сотрудничества созданием Международного термоядерного экспериментального реактора мощностью 500 МВт, который планируется построить в 2016 г., а первую промышленную термоядерную станцию [2] в 2045-2050 гг.
