Атомная энергетика

V этап: Современный. Постепенный возврат к использованию энергии ядерных реакций.

История отрасли. I этап: История атомной энергетики насчитывает немногим более полувека, но по сравнению с другими областями этой отрасли ее развитие шло стремительными темпами. Уже в 40-х годах прошлого столетия помимо работ по созданию атомной бомбы в СССР начали разрабатываться проекты мирного использования энергии атома.  Так, в 1948 году по предложению И.В. Курчатова были начаты проекты по практическому применению энергии атома для нужд электроэнергетики.

II этап: В мае 1950 года близ поселка Обнинское начались работы по сооружению первой в мире  промышленной АЭС, мощностью всего 5 МВт. Обнинская АЭС вступила в строй 27 июня 1954 года. В 1958 была введена в эксплуатацию 1-я очередь Сибирской АЭС мощностью 100 МВт, впоследствии полная проектная мощность была доведена до 600 МВт. В том же году развернулось строительство Белоярской промышленной АЭС, а 26 апреля 1964 генератор 1-й очереди дал ток потребителям. В сентябре 1964 был пущен 1-й блок Нововоронежской АЭС мощностью 210 МВт. Второй блок мощностью 350 МВт запущен в декабре 1969. В 1973 г. запущена Ленинградская АЭС.

За рубежом первая АЭС  промышленного значения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 году (Колдер-Холл (Великобритания)). Через год была запущена АЭС мощностью 60 МВт в Шиппингпорте (США).

III этап: В 1979 году произошла серьёзная авария на АЭС Три-Майл-Айленд (англ. Three Mile Island), а в 1986 году — масштабная катастрофа на Чернобыльской АЭС, которая помимо непосредственных последствий, серьёзно отразилась на всей ядерной энергетике в целом. Она вынудила специалистов всего мира переоценить проблему безопасности АЭС и задуматься о необходимости международного сотрудничества в целях повышения безопасности них.

15 мая 1989 года на учредительной  ассамблее в Москве, было объявлено  об официальном образовании Всемирной  ассоциации операторов атомных  электростанций (англ. WANO), международной  профессиональной ассоциации, объединяющей  организации, эксплуатирующие АЭС,  во всём мире. Ассоциация поставила  перед собой широкомасштабные задачи по повышению ядерной безопасности во всём мире, реализуя свои международные программы.

IV этап: После катастрофы в Чернобыле темпы развития атомной энергетики и строительства новых станций сильно замедлились. Отдельные страны были вынуждены под давлением экологов и общественности либо отказываться от дальнейшего развития отрасли на неопределенный срок, либо принимать решения о сокращении количества АЭС в своем топливно-энергетическом комплексе. Лишь немногие государства решились, не смотря ни на что, продолжать свои ядерные программы. В их число входят Франция, Япония, Республика Корея.

V этап: В настоящее время доля выработки электроэнергии на АЭС во многих странах достигает довольно больших значений. На 2011 год в мире насчитывается 442 энергетических реактора общей мощностью 374,993 ГВт (электрических) и 65 в стадии сооружения. Также 5 реакторов находятся на стадии долгосрочного вывода из эксплуатации.

Мировым лидером по установленной  мощности является США, однако ядерная  энергетика составляет лишь 20,2% в общем  балансе этой страны. Мировым лидером  по доле в общей выработке является Франция (второе место по установленной  мощности), в которой ядерная энергетика является национальным приоритетом — 75%. До 2010 года лидером по доле атомной энергетики в структуре электроэнергетики страны являлась Литва, 80% энергии в которой давала Игналинская АЭС, закрытая по требованию Евросоюза из-за типа установленных на ИАЭС реакторов - РБМК-1500. Реакторы этого типа были установлены на печально известной Чернобыльской АЭС, откуда их неофициальное название - "реакторы чернобыльского типа".

Крупнейшая АЭС в Европе — Запорожская АЭС у г. Энергодар (Запорожская область, Украина), строительство которой начато в 1980 г. С 1996 г. работают 6 энергоблоков суммарной мощностью 6 ГВт.

Крупнейшая АЭС в мире по установленной мощности (на 2010 год) – Касивадзаки-Карива. Она находится в Японском городе Касивадзаки префектуры Ниигата. В эксплуатации находятся пять кипящих ядерных реакторов (BWR) и два продвинутых кипящих ядерных реактора (ABWR), суммарная мощность которых составляет 8,212 ГВт.

Типы реакторных установок эксплуатируемых  на АЭС мира. В мире разработано большое количество различных моделей реакторов, различающихся по устройству, типу протекающей реакции и используемого охладителя. В списке приведены некоторые наиболее известные типы реакторов, с кратким описанием особенностей и компаний, строящих реакторы этих типов в различных странах:

• PWR — водо-водяной ядерный реактор, энергоблоки строят Westinghouse (сейчас ей владеет Toshiba), General Electric, Areva, Kraftwerk Union (часть Siemens, которая сейчас передана в Areva), Babcock & Wilcox, Combustion Engineering (строившая модели System 80, компания стала в 80-е частью ABB, а сейчас входит в Westinghouse), Toshiba, Mitsubishi Heavy Industries, Hitachi. Также в некоторых странах существуют «национальные» модели PWR. В России – ВВЭР (полностью собственная технология, строят подразделения Росатома). В Китае - CNP и CPR которые основаны на западных технологиях с 30-70% китайского оборудования, данные реакторы строит компания CNNC. В Южной Корее - OPR. Технология скопирована с западной, но оборудование в последних блоках полностью своё. Строят совместно компании KEPCO и Doosan Heavy Industries & Construction.

• BWR — корпусной кипящий реактор, строят те же американские, японские и немецкие компании, что и перечислены выше. В Японии функционируют также ABWR, усовершенствованные реакторы этого типа.

• PHWR — тяжеловодный ядерный реактор. Реакторы этого типа в основном известны под названием CANDU. Это национальное канадское направление ядерной энергетики, которое успешно выступает на международном рынке, так как канадцы открыто работают в плане технологий. Топливо для этих реакторов, страны, в которых построены PHWR, способны производить самостоятельно, так как оно не требует сложного высокотехнологичного процесса – обогащения. PHWR также строил Siemens, но в настоящее время действует лишь один немецкий реактор (в Аргентине). Кроме Канады и Германии единственной страной, самостоятельно развившей технологию тяжеловодных реакторов, является Индия, которая строила их только у себя в стране.

• GCR — газоохлаждаемый реактор. Национальное направление ядерной энергетики Великобритании, которая активно строила модификации Magnox и AGR, однако большинство из них в настоящий момент закрыто. Также несколько реакторов этого типа англичане построили в Италии и Японии, однако все они уже не работают.

• LWGR — графитоводный ядерный реактор. Исключительно советское направление в реакторостроении, энергоблоки с реакторами этого типа, РБМК и маломощными ЭГП-6 строились только в СССР, последний был пущен в 1990 году. Довольно большое их количество эксплуатируется по настоящее время в России, работавшие на Украине и в Литве энергоблоки были закрыты. Особенностями этой модели были: возможность перегрузки топлива без остановки реактора, отсутствие дорогостоящего корпуса в отличие от корпусных реакторов (это снимало ограничение на размер и форму активной зоны), а так же крайняя нестабильность, приведшая в итоге к разрушению энергоблока №4 ЧАЭС. В последствие недостатки были устранены, но мировое сообщество с опасением относится к работающим реакторам этого типа. Как уже упоминалось, по этой причине были остановлены энергоблоки в Литве на ИАЭС.

• FBR — реактор-размножитель на быстрых нейтронах. Реакторы этого типа были разработаны и функционировали в нескольких странах, однако в настоящий момент работает лишь единственный в мире, БН на Белоярской АЭС в России. В США, Франции, Японии и Казахстане реакторы были закрыты, однако в мире имеется большой интерес к этой технологии. Интерес обусловлен тем, что данный тип реакторов позволяет «сжигать» ядерное топливо до уровня практически нерадиоактивных веществ. К тому же в качестве топлива для этих реакторов могут использоваться отработанные топливные кассеты из реакторов других типов.

Таблица 1.2

Ядерные реакторы по странам (составлено автором по [13],[14])

Страна	Эксплуатируется	Строится	Планируется	Перспектива строительства	Остановлено	Эксплуатирующие организации	Типы реакторов	Поставщики топлива
Аргентина	2	1	2	1	0	Nucleoeléctrica Argentina SA	1PHWR, 1CANDU	CONAUR SA
Армения[17]	1	0	1	0	1	Айкакан атомайин электракаян	ВВЭР	ТВЭЛ
Бангладеш	0	0	0	2	0	—	—	—
Беларусь	0	0	2	2	0	—	—	—
Бельгия	7	0	0	0	1	Electrabel	PWR	Areva
Болгария	2	2	0	0	4	НЕК ЕАД	ВВЭР	ТВЭЛ
Бразилия	2	1	0	4	0	Electronuclear	PWR	Siemens
Великобритания	19	0	4	6	26	British Energy	14AGR, 1PWR 4Magnox	British Nuclear Fuels
Венгрия	4	0	0	2	0	MVM Group	ВВЭР	ТВЭЛ
Вьетнам	0	0	4	10	0	—	—	—
Германия	17	0	0	0	19	EON, EnBW, RWE, Vattenfall	11PWR  6BWR	Siemens
Египет	0	0	1	1	0	—	—	—
Израиль	0	0	0	1	0	—	—	—
Индия	20	6	18	40	0	Nuclear Power Corporation of India	18PHWR, 2BWR	Nuclear Fuel Complex
Индонезия	0	0	2	4	0	—	—	—
Иордания	0	0	0	1	0	—	—	—
Иран	0	1	2	1	0	—	—	—
Испания	8	0	0	0	2	ANAV, CNAT, Iberdrola, Nuclenor	6PWR  2BWR	ENUSA Westinghouse
Италия	0	0	0	10	4	—	—	—
Казахстан	0	0	2	2	1	—	—	—
Канада	18	2	4	3	3	Ontario Power Generation  Bruce Power  Hydro-Québec NB Power	CANDU	Cameco
Китай	3	26	38	150	0	CGNPC  CNNC	4PWR  4CNP  2ВВЭР  1CPR, 2CANDU	Westinghouse Areva CNNC  ТВЭЛ
Литва	0	0	0	1	2	—	—	—
Мексика	2	0	0	2	0	Comisión Federal de Electricidad	BWR	General Electric
Нидерланды	1	0	0	2	1	EPZ	PWR	Siemens
ОАЭ	0	0	4	10	0	—	—	—
Пакистан	2	1	2	2	0	PAEC	1PWR, 1CANDU	CNNC, PAEC
Польша	0	0	6	0	0	—	—	—
Россия	32	11	13	30	5	Росэнергоатом	16ВВЭР 11РБМК, 4ЭГП-6, 1БН	ТВЭЛ
Румыния	2	0	2	1	0	Nuclearelectrica	CANDU	FCN
Северная Корея	0	0	0	1	0	—	—	—
Словакия	4	2	0	1	3	Slovenské elektrárne	ВВЭР	ТВЭЛ
Словения	1	0	0	1	0	Nuklearna Elektrarna Krško	PWR	Westinghouse
США	104	1	9	22	28	25 компаний, крупнейшие: Exelon Progress Energy FirstEnergy Energy Future Holdings Xcel Energy	69PWR,  35BWR	Areva, Westinghouse, Babcock & Wilcox, General Electric
Таиланд	0	0	2	4	0	—	—	—
Тайвань	6	2	1	0	0	Taiwan Power Company	4BWR, 2PWR,	General Electric, Westinghouse
Турция	0	0	4	4	0	—	—	—
Украина	15	2	0	20	4	НАЭК Енергоатом	ВВЭР	ТВЭЛ
Финляндия	4	1	0	2	0	TVO  Fortum	2BWR,  2ВВЭР	Westinghouse  ТВЭЛ
Франция	58	1	1	1	12	Électricité de France	PWR	Areva
Чехия	6	0	2	1	0	CEZ Group	ВВЭР	ТВЭЛ
Швейцария	5	0	0	3	1	Swissnuclear	3PWR,  2BWR	Westinghouse General Electric
Швеция	10	0	0	0	3	Vattenfall	7BWR,  3PWR	Westinghouse
ЮАР	2	0	3	24	0	Eskom	PWR	Westinghouse
Южная Корея	21	5	6	0	0	KHNP	10PWR, 7 OPR,  4CANDU	Korea Nuclear Fuel
Япония	54	2	12	1	6	TEPCO KyushuChubu Tohoku Shikoku Kansai Hokuriku	27BWR, 3ABWR, 24PWR	Toshiba, JFNL Mitsubishi Heavy Industries
В мире	442	65	144	337	125

 

Из таблицы 1.2 приведенной выше, вытекает, что лидерами по количеству действующих реакторов являются: США (104), Франция (58), Япония (54), Россия (32), Южная Корея (21). Превалирующими типами реакторов являются PWR и BWR (без учета “национальных» модификаций, вроде ВВЭР в России). Кроме того можно сделать вывод о том, что большинство компаний поставляющих топливо на станции принадлежат странам-обладательницам большого числа станций (США, Россия, Канада). Доля остальных поставщиков невелико, т. к. немногие страны могут производить ядерное топливо на экспорт. Зачастую они ограничиваются обеспечением внутреннего рынка (как например,  производители топлива в Японии). Помимо прочего виден интерес к этой отрасли со стороны ЮАР, которая планирует в перспективе построить 24 реактора; Китая, поставившего широкомасштабные задачи – довести число реакторов до 150 (на данный момент действует только 3). По темпам строительства лидирует все тот же Китай (26 реакторов на стадии строительства), за ним следует Россия (11 реакторов), после них с большим отставанием идут Индия (6 реакторов) и Южная Корея (5 реакторов). Остальные страны, даже США, на данный момент не имеют строящихся установок по причине их отсутствия (в развивающихся странах) либо строят не более 2-3. Все это позволяет сделать вывод о том, что основной рост как количества, так и удельной мощности АЭС в структуре энергетики будет в ближайшем будущем наблюдаться именно там.

 

3. Сырьевая  база атомной энергетики

Существование любой отрасли  энергетики и атомной в том  числе, невозможно без сырьевой базы. Для нашей отрасли сырьевой базой  являются руды урана, на основе которых  изготавливаются сначала тепловыделяющие  элементы (ТВЭЛы), а из них – тепловыделяющие  сборки (ТВС), собственно топливный  элемент ядерного реактора. Рассмотрим добычу урана по странам мира, виды топлива, которые могут применяться в будущем совместно с урановым, а так же в общем виде процесс получения необходимых соединений из урановых руд.

Добыча урановых руд по странам  мира. Крупнейшие месторождения и  компании, добывающие уран. На рисунке 1.2 представлена графическая интерпретация таблицы 1.5. Из рисунка следует, что большинство стран-лидеров по своему геоположению занимают северное полушарие. Однако, несмотря на то, что именно там добывается наибольшее количество урановых руд, богатейшие месторождения находятся в южном полушарии, в Австралии.

Рис. 1.4 Страны лидеры по добыче урана. (составлено автором по [19])

 

Согласно таблице 1.3, составленной по данным Всемирной ядерной организации, на 2009 год мировые запасы урана составляют:

 

Таблица 1.3

Запасы урана в мире на 2009 год (составлено автором по [14])

Страна	Запасы, тонн	% от мировых запасов
Австралия	1.673.000	31%
Казахстан	651.000	12%
Канада	485.000	9%
Россия	480.000	8,9%
ЮАР	295.000	5,5%
Намибия	284.000	5,3%
Бразилия	279.000	5,2%
Нигер	272.000	5%
США	207.000	3,8%
Китай	171.000	3,2%
Иордан	112.000	2,1%
Узбекистан	111.000	2,1%
Украина	105.000	1,9%
Индия	80,000	1,5%
Монголия	49,000	0,9%
Другие	150,000	2,8%
Мир в целом	5,404,000	100%

 

Из данных таблицы 1.3 следует, что наибольшими запасами обладает Австралия (31%) затем следуют Казахстан и Канада (12% и 9% соответственно). Однако по суммарным запасам, как континент лидирует Евразия 1,8 млн. т. В Америке сосредоточенно всего лишь 0,9 млн. т., в Африке – 0,8 млн. т. Первую пятерку формируют страны в которых запасы урана превышают 400 тыс. тонн, а десятку – страны с запасами более 170 тыс. тонн, причем на долю первых пяти стран приходится 66,4% общемировых запасов. Доля же первой десятки – 88,9%, что позволяет утверждать о том, что запасы урана размещены крайне неравномерно и концентрируются в небольшой группе стран, в которой численно (но не по запасам!) преобладают страны Африки.  На долю оставшихся шести стран приходится всего лишь 11.1%. Доля континентов в общемировых запасах составляет соответственно: Австралия – 31% , Евразия – 32,6%, Африка – 15,8%, Америка – 18%. На долю остальных стран принадлежность которых к определенному континенту невозможно установить, приходится 2,8%. Из этих подсчетов вытекает, что в процентном соотношении так же как и по суммарным запасам, лидирует Евразия. Далее рассмотрим добычу урана за 2009 год, представленную в таблице 1.4.

 

 

Таблица 1.4

Добыча урана за 2009 год (составлено автором по [19])

Страна	Добыто тонн (округленно)	Доля (в %)
Казахстан	14000	28
Канада	10000	20
Австралия	8000	16
Намибия	4600	9
Россия	3600	7
Нигер	3200	6
Узбекистан	2500	5