Ядерная энергетика в циркулярной экономике

Аннотация: В данной работе приводится обоснование необходимости исследования принципов циркулярной экономики и использование их с учетом специфики ядерной энергетики. Анализируются технологический, экологический, экономический и социальные аспекты ядерной энергетики. Сделан вывод, что использование подходов и принципов циркулярной экономики в атомной отрасли может существенно повысить качество жизни населения и улучшить экологию.

Ключевые слова: ядерная энергетика, циркулярная экономика, отходы.

Abstract: This paper provides a rationale for the study of the principles of circular economy and their use in view of the specifics of nuclear power. The technological, environmental, economic and social aspects of nuclear energy are analyzed. It is concluded that the use of approaches and principles of circular economy in the nuclear industry can significantly improve the quality of life and improve the environment.

Keywords: nuclear energy, circular economy, waste.

Циркулярная экономика - это восстановительная или регенеративная производственная система. Также зачастую можно встретить другие названия данного подхода, такие как "зеленая" экономика, экономика замкнутого цикла, безотходная экономика. Данный подход предусматривает замену концепции "окончание срока службы" ремонтом, обеспечивает смещение интересов в сторону использования возобновляемых источников энергии, полностью исключает использование токсичных химических веществ, которые мешают повторному использованию продукции, и ставит своей целью ликвидацию отходов посредством улучшения конструктивных характеристик материалов, изделий, систем, и, как итог, всей бизнес-модели [1].

Сегодняшняя экономика построена по принципу «быстрого оборота». Чем быстрее мы заменяем предметы нашего потребления, тем лучше для производителей. Это приводит к ошеломляющей неэффективности в том, как мы управляем ресурсами Земли. Переход к циркулярной экономике путем повторного использования принесет многочисленные выгоды.

Аристотель придумал понятие «энергия» для обозначения активной человеческой деятельности, преобразующей окружающий мир.

В наши дни степень прогресса и уровень развития цивилизации принято измерять количеством энергии, потребляемой человечеством, а также объемом имеющейся у него информации. Потребность в энергии в последние 100 лет растет пропорционально квадрату численности населения Земли. Эксперты прогнозируют 60 % прироста энергопотребления в следующие 15 лет и 50 % роста на интервале 25 лет. На долю развитых стран, входящих в организацию экономического сотрудничества и развития, к 2040 году будет приходиться 35 % всего потребления энергии в мире; доля развивающихся стран достигнет 65 % [2].

В течение следующих 50 лет человечество будет потреблять энергии больше, чем было израсходовано за всю предыдущую историю. Сделанные ранее прогнозы о темпах роста энергопотребления и развитии новых энерготехнологий не оправдались: уровень потребления растет намного быстрее, а новые источники энергии заработают в промышленном масштабе и по конкурентоспособным ценам не ранее 2030 года. Все острее встает проблема нехватки ископаемых энергоресурсов. Возможности строительства новых гидроэлектростанций тоже весьма ограниченны.

Не стоит забывать и о борьбе с «парниковым эффектом», накладывающей ограничения на сжигание нефти, газа и угля на тепловых электростанциях (ТЭС). Решением проблемы может стать активное развитие ядерной энергетики, одной из самых молодых и динамично развивающихся отраслей глобальной экономики. Все большее количество стран сегодня приходят к необходимости начала освоения мирного атома.

Сегодня в мире насчитывается 448 действующих энергоблоков. Большая часть энергоблоков эксплуатируется в США (99), Франции (58), Японии (42), России (35) и Китае (38) [3].

Работающие ядерные реакторы вносят вклад в глобальное энергоснабжение, способствуют экономическому росту и позволяют избежать эмиссии около 700 миллионов тонн углекислого газа (СО2).

К высоким технологиям, обеспечивающим ведущим державам и их корпорациям особое место в современном мире, принято относить ядерную энергетику и технологии создания ядерного оружия, аэрокосмические, энергетические технологии, цифровые, информационные и интернет - технологии, сектор телекоммуникаций, биотехнологии и создание медицинских препаратов, технологии создания материалов с заданными свойствами и нанотехнологии.

В большинстве высокотехнологичных отраслей сформировались олигополии. Лидерство этих компаний в глобальной экономике базируется на постоянном внедрении инноваций и активном финансировании НИОКР, а не только на объемах выпуска продукции, что определяет развитие всего мирового производства, от товаров народного потребления до военной техники. Единственная российская корпорация, способная попасть в этот список мировых монополий и олигополий, -- Росатом, который успешно расширяет свое присутствие на международном рынке и способен предложить иностранным партнерам самый полный список услуг в сфере атомной энергетики. Портфель зарубежных заказов Росатома превышает $130 млрд.

В настоящее время перед ядерным сообществом стоит задача -- обеспечить сохранение ядерной энергии в качестве эффективного фактора удовлетворения энергетических потребностей следующего столетия. Она может стать основным поставщиком электричества для базисной нагрузки и нужд транспорта в мегаполисах.

Ядерные отходы содержат в себе радиоактивные изотопы определенных химических элементов. В России, согласно определению, данному в ФЗ №170 «Об использовании атомной энергии» (от 21 ноября 1995 года), дальнейшее использование таких отходов не предусматривается.

Главная опасность материалов заключается в излучении гигантских доз радиации, губительно действующей на живой организм. Последствиями радиоактивного воздействия становятся генетические нарушения, лучевая болезнь и смерть. Основным источником ядерных материалов в России являются сфера атомной энергетики и военные разработки.

Все отходы ядерного производства имеют три степени радиации, знакомые многим еще из курса физики: Альфа -- излучающие. Бета -- излучающие. Гамма -- излучающие. Первые считаются самыми безобидными, так как дают неопасный уровень радиации, в отличие от двух других. Правда, это не мешает им входить в класс наиболее опасных отходов [4].

В целом, карта классификаций ядерных отходов в России делит их на три вида.

Твердый ядерный мусор. К нему относится огромное количество материалов технического обслуживания в сферах энергетики, одежда персонала, мусор, скапливающийся в ходе работы. Такие отходы сжигают в печах, после чего пепел смешивается со специальной цементной смесью. Ее заливают в бочки, запаивают и отправляют в хранилище. Захоронение подробно описано ниже. Жидкие. Процесс работы атомных реакторов невозможен без использования технологических растворов. Кроме того, сюда относится вода, которую применяют для обработки специальных костюмов и мытья работников. Жидкости тщательно выпаривают, а дальше происходит захоронение. Жидкие отходы нередко перерабатываются и используются в качестве топлива для атомных реакторов. Элементы конструкции реакторов, транспорта и средств технического контроля на предприятии составляют отдельную группу. Их утилизация -- самая дорогостоящая. На сегодняшний день существует два выхода: установка саркофага или демонтаж с его частичной дезактивацией и дальнейшее отправление в хранилище на захоронение.

Низкоактивные отходы -- возникают в процессе деятельности лечебных учреждений, институтов и исследовательских центров. Здесь радиоактивные вещества применяются для проведения химических тестов. Уровень радиации, излучаемой этими материалами, очень низок. Правильная утилизация позволяет превратить опасный мусор в обычный приблизительно за несколько недель, после чего его можно уничтожить как обычные отходы.

Высокоактивные отходы -- это отработанное топливо реакторов и материалы, применяемые в военной промышленности для разработки ядерного оружия. Топливо на станциях представляет собой специальные стержни с радиоактивным веществом. Реактор функционирует примерно 12-18 месяцев, после чего топливо необходимо менять. Объем отходов при этом просто колоссальный. И эта цифра растет во всех странах, развивающих сферу атомной энергетики. Утилизация высокоактивных отходов должна учитывать все нюансы, чтобы избежать катастрофы для окружающей среды и человека.

Переработка и утилизация. На данный момент существует несколько методов утилизации ядерных отходов. Все они имеют свои преимущества и недочеты, но как ни крути, не позволяют полностью избавиться от опасности радиоактивного воздействия. Захоронение Захоронение отходов наиболее перспективный метод утилизации, который особенно активно применяется в России.

Сначала происходит процесс витрификации или «остекловывания» отходов. Отработавшее вещество кальцинируют, после чего в смесь добавляется кварц, и такое «жидкое стекло» вливается в специальные цилиндрические формы из стали. Готовые цилиндры заваривают и тщательно моют, избавляясь от малейшего загрязнения. Далее они отправляются в хранилище на очень длительное время. Хранилище устраивают на геологических устойчивых территориях, чтобы хранилище не было повреждено. Геологическое захоронение осуществляют на глубине более 300 метров таким образом, чтобы в течение долгого времени отходы не нуждались в дальнейшем обслуживании. Сжигание. Часть ядерных материалов, как уже говорилось выше, представляет собой непосредственные результаты производства, а своего рода побочный мусор в сфере энергетики. Это материалы, в ходе производства подвергшиеся облучению: макулатура, дерево, одежда, бытовой мусор.

Все это сжигается в специально спроектированных печах, позволяющих минимизировать уровень токсичных веществ в атмосферу. Пепел, среди прочих отходов, подвергается цементированию. Но стоит сделать оговорку, что подобное захоронение возможно только для утилизации отходов среднего уровня опасности.

Уплотнение - давняя и достаточно надежная практика, нацеленная на захоронение и уменьшение объема отходов. Она не применяется для переработки основных топливных материалов, но позволяет обработать другие отходы низкого уровня опасности. В данной технологии применяются гидравлические и пневматические прессы с низкой силой давления. Повторное применение Использование радиоактивного материала в области энергетики происходит не в полной мере - в силу специфики активности данных веществ. Отработавшие свое, отходы все еще остаются потенциальным источником энергии для реакторов. В современном мире и тем более в России ситуация с энергетическими ресурсами довольно серьезная, и потому вторичное использование ядерных материалов в качестве топлива для реакторов уже не кажется невероятным.

Объемы в России, во всем мире объемы ядерных отходов, отправляющихся на захоронение, составляют десятки тысяч кубометров ежегодно. Каждый год европейские хранилища принимают около 45 тысяч кубометров отходов, а в США такой объем поглощает лишь один полигон в штате Невада.

Замкнутый ядерный топливный цикл - цикл, в котором отработавшее ядерное топливо(ОЯТ), выгруженное из реактора, перерабатывается для извлечения урана и плутония для повторного изготовления ядерного топлива.

В замкнутом топливном цикле ОЯТ после выдержки во временном хранилище перевозится на перерабатывающий завод для переработки. После переработки наработанный в ОЯТ плутоний, как и оставшийся уран, могут повторно использоваться для производства ядерного топлива. При этом только небольшая часть полезного делящегося материала (примерно 1%) в процессе переработки и изготовления ядерного топлива теряется и переходит в радиоактивные отходы. Использование ОЯТ для изготовления топлива (рециклинг) способствует более эффективному использованию природного урана, сокращая его затраты на единицу установленной мощности АЭС. Схема замкнутого ядерного топливного цикла представлена ниже на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема открытого и замкнутого ядерного топливного цикла

На рисунке 2 представлены сравнительные данные о выбросах парниковых газов на протяжении полного жизненного цикла ядерной энергетики - добычи урана; изготовления топлива; строительства, эксплуатации и снятия с эксплуатации электростанции; и обращения с отходами - и выбросах на протяжении жизненного цикла в случае других технологий производства электроэнергии.

Рисунок 2. Сравнительные данные о выбросах парниковых газов на протяжении полного жизненного цикла ядерной энергетики

Шкала для органических видов топлива в левой части простирается от нуля до 1800 г. СО2-экв/кВт-ч. Гидроэнергетика, ядерная энергетика и ветровая энергетика имеют самые низкие выбросы парниковых газов на протяжении жизненного цикла, которые более чем порядок величины ниже выбросов электростанций на органическом топливе и на две трети ниже оценочных данных для солнечных фотоэлементов и биомассы.

Для ядерной энергетики среднее значение составляет приблизительно 10 граммов эквивалента диоксида углерода на киловатт-час, причем эта цифра получена на основе 15 оценок в пределах от 2,8 до 24 г СО2-экв/кВт-ч [5].

Однако многие возобновляемые источники энергии в силу их прерывистого характера не могут обеспечивать надежные поставки электроэнергии в режиме базисной нагрузки.

Таким образом, хотя ветровая и солнечная энергетика и могут дополнять генерацию в режиме базисной нагрузки, они не способны полностью заместить гидроэлектрическую и ядерную энергетику.

Жизненный топливный цикл представлен на рисунке 1 выше. Информации по оценки жизненного цикла не было найдено. На мой взгляд, учитывая технологические аспекты, наиболее критичными считаются транспортировка, так как необходимо соблюдать определённые меры безопасности. Во-вторых, утилизация, поскольку от того, как происходит процесс утилизации отработанного ядерного топлива и ядерных отходов зависит опасность радиоактивного воздействия на человека и биоту.

Отсутствие необходимой общественной поддержки в настоящее время, безусловно, может затормозить строительство новых атомных электростанций. Необходимы гласные дискуссии по проблемам, вызывающим у населения обеспокоенность, в результате которой и наблюдается неприятие ядерной энергии. Однако обсуждение влияния на здоровье населения и окружающую среду, а также тяжелых аварий и проблемы удаления отходов не должно замыкаться только на ядерной энергии, как это слишком часто делается. Поскольку ни один из источников энергии не исключает риска, необходимо проводить широкие аналитические сравнения воздействия различных энергетических систем.

• Инженерная достижимость - высокая вероятность отказа

• Незащищенность. Например, большие поля солнечных батарей просто невозможно защитить в случае военного вторжения.

Настоящий профессионал никогда не постесняется открыть свои источники финансирования, в отличии от антиядерных движений. Взаимодействие с обществом должно происходит, в первую очередь, с помощью Центров Общественной Информации атомной отрасли. При этой информация должна представляться общественности оперативно, иначе антиядерные движения «сыграют на опережение». Немаловажно, чтобы такие судебные преследования с антиядерными компаниями широко освещались через СМИ в общество. Успех работы с общественностью в одной стране способствует успеху и в других странах, а победа антиядерных настроений в национальном масштабе оказывает сильное негативное воздействие на общественное мнение и других стран.

Актуальной задачей становится объединение усилий атомного сообщества на международном уровне. Пример активной деятельности, способствующей формированию общественного признания социальной ценности ядерной деятельности на мировом уровне, дает Всемирная ядерная ассоциация.

С экономической точки зрения, в отличие от подавляющего большинства электростанций ядерной энергетике свойственна стабильность цен на электроэнергию в течение длительного периода времени, т. к. АЭС практически не зависит от источников топлива из-за небольшого объёма его использования. Структура затрат на производство электроэнергии в атомной энергетике существенно отличается от структуры формирования цен в других видах энергетики. Это связано с тем, что себестоимость атомной электроэнергии определяется в основном капитальными вложениями в строительство АЭС, в отличие от нефти, газа и угля, где преобладают топливные затраты. Основной недостаток ядерной энергетики заключается в тяжелых последствиях аварий, для исключения которых АЭС оборудуются сложнейшими системами безопасности с многократными запасами и резервированием [5].

В последние годы происходит существенное повышение цен на нефть. Это, в свою очередь, вызывает рост цен на электроэнергию, вырабатываемую ТЭС, использующими органическое топливо. По оценкам Организации по экономическому сотрудничеству и развитию (ОЭСР), атомная электроэнергия заметно дешевле электроэнергии, выработанной на нефти, а также на угле и газе при высоких затратах на их добычу и транспортировку. При сопоставлении ядерного топлива с углем и газом, при низких затратах на добычу и транспортировку органического топлива, цена электроэнергии примерно одинакова. Сравнение себестоимости электроэнергии, производимой с использованием различных видов топлива, представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Себестоимость электроэнергии, производимой с использованием различных видов топлива

Топливная составляющая в общей стоимости электроэнергии, вырабатываемой АЭС не более 25%, а для ТЭС, работающих на органическом топливе, на уровне 50-80 %. Данное обстоятельство приводит к повышенной устойчивости цены на атомную электроэнергию по отношению к колебаниям цены на топливо. Наглядно это показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость себестоимости вырабатываемой электроэнергии от стоимости используемого топлива

Стоит отметить и энергоемкость урана по сравнению с органическим топливом. Из одного килограмма низкообогощенного урана (до 4% по урану- 235), используемого в ядерном топливе (при полном расщеплении ядер урана- 235) выделяется энергия, эквивалентная сжиганию примерно 100 тонн высококачественного каменного угля или 60 тонн нефти (рисунок 5) [6].

Рисунок 5. Энергоёмкость урана

Темпы развития атомной энергетики неразрывно связаны с прогнозами развития экономики России, а также зависят от увеличения доли АЭС в традиционных сферах применения электроэнергии и освоения новых рынков.

К последним можно отнести: обеспечение электропривода транспорта и аккумуляции газа; энергообеспечение производства сжиженного газа, алюминия, водорода и др.; теплопроизводство (включая использование сбросного тепла АЭС).

Информация по материальному потоку в ядерной энергетики в свободном доступе не найдена.

Таким образом, в настоящее время становится все более очевидным, что без ядерной энергетики у России нет достойного будущего. Это связано не только с географическими и социально-экономическими особенностями нашей страны - большой территории государства и дисбалансом между основными запасами энергоносителей в Сибири и преобладающим энергопотреблением в Европейской части России. Дело еще в том, что сейчас не подготовлено какой-либо другой технологии, кроме атомной энергетики, способной обеспечить требуемые масштабы производства электроэнергии ко времени окончания «газовой паузы».

На мой взгляд, долгосрочные перспективы развития ядерной энергетики определяются ее принципиальными преимуществами:

• относительная дешевизна ядерного топлива по сравнению с органическим;

• наличие практически неограниченных ресурсов ядерного топлива;

• возможность создания все более безопасных и экономичных ядерных энергоисточников;

• отсутствие выбросов продуктов сгорания.

Из вышесказанного следует, что ядерной энергетике есть место в циркулярной экономике.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Сайт международного центра научного сотрудничества «Наука и просвещение». [Электронный ресурс]. Ц^: https://naukaip.ru/wp-content/uploads/2017/01 /%В0%9А-32%Б0%А1%Б0%В 1%Б0%ВЕ%Б 1 %80 %В0%ВВ%В0%В8%Б0%ВА^Г (дата обращения: 08.01.2019).

2. Сайт журнала «Атомный эксперт». [Электронный ресурс]. : http://atomicexpert.com/page2213466.html (дата обращения: 03.01.2019).

3. Сайт Русатом Оверсиз. [Электронный ресурс].: http://www.rusatom-overseas.com/ru/nuclear-energy

4. Ежеквартальный журнал международного агентства по атомной энергии. [Электронный ресурс]. Ц^: https://www.iaea.org/sites/default/files/51 204721619_ru.pdf (дата обращения: 03.01.2019).

5. Интернет-издание «pandia.ru». [Электронный ресурс].:

https://pandia.ru/text/78/061/97102.php (дата обращения: 08.01.2019).

6. Сайт атомная энергия. [Электронный ресурс].:

http://www.atomic-energy.ru/why-nuclear (дата обращения: 09.01.2019).

Размещено на Allbest.ru