Анализ современных технологий производства энергии

 

Попытка построить энергетику на основе новых многообещающих открытий и изобретений, которые еще не получили технологического развития, только усугубит современное состояние мира, в котором значительная часть населения планеты отапливает жилье дровами и “пашет палкой”, в то время как ученые запускают в космос спутники и получают несколько граммов сверхчистых изотопов, не существующих в природе. Поэтому из рассмотрения были исключены способы производства энергии, которые на сегодняшний день технологически слабо проработаны и требуют огромных вложений на доработку. В результате круг рассмотрения существующих технологий сузился до нескольких вариантов развития энергетики, анализ которых представлен ниже.

 

Органическое топливо

Мировое производство энергии сегодня в основном базируется на сжигании органического топлива (уголь, газ, нефтепродукты). Однако энергетика на органическом топливе эффективна только в случае открытого топливного цикла, когда основная часть продуктов сжигания выбрасывается в окружающую среду. При сжигании одной молекулы органического топлива выделяется около 6 эВ энергии, но для того чтобы эту молекулу добыть, переработать, транспортировать, превратить в электроэнергию и ликвидировать продукты сжигания, требуется примерно столько же, а в некоторых случаях в 1,5-2 раза больше (например, при добыче нефти в удаленных плохо освоенных регионах). Сохранение энергоэффективности возможно, если сама природа утилизирует продукты сжигания. Оценки показывают, что современные масштабы сжигания органического топлива превышают те, с которыми справляется природа, примерно в 3 раза. Это ведет к накоплению негативных последствий и нарушению природных биологических циклов в планетарном масштабе. Кроме того, истощение дешевых и легкодоступных месторождений нефти, газа и угля неизбежно ведет не только к удорожанию энергии, но и к различным международным конфликтам. Таким образом, такая энергетика не отвечает изложенным требованиям.

 

Термоядерный синтез

Возможность управления термоядерным синтезом до сих пор является предметом дискуссий. На пути реализации этой идеи в конкретную технологию встали, с одной стороны, ограниченность в земной коре запасов лития, необходимого для производства термоядерного топлива, с другой, аномальные потери энергии, при которых затраты энергии на зажигание и поддержание термоядерного синтеза превышают полезный выход энергии. Это перечеркивает идею его использования для производства энергии. Таким образом, надежды на ближайшее использование термоядерного синтеза не оправдались, и вопрос о практическом применении должен быть возвращен в область научных исследований.

 

Гидроэнергетика

Использование гидроэнергетики как основы глобальной энергетической системы связано с крупномасштабными изменениями биосистем (создание новых морей, изменение русла рек и др.) и влечет за собой нарушение природных циклов. Последствия широкомасштабного развития гидроэнергетики непредсказуемы, и при ликвидации последствий ее деятельности энергетические затраты на восстановление биосреды многократно превысят произведенную энергию.

 

Возобновляемые источники энергии

Технологии, использующие возобновляемые источники энергии (солнце, ветер, приливы, биоэнергия и др.), достаточно хорошо проработаны и в принципе удовлетворяют изложенным требованиям. Однако использование этих технологий эффективно только в диапазоне мощности установок от 1 кВт до 1 МВт. Создание более мощных установок такого типа затруднено в связи с малой концентрацией мощности самих источников энергии. Эти установки могут обеспечить теплом и электроэнергией небольшой дом, но их мощности недостаточно для индустриального производства. В результате доля установок на возобновляемых источниках энергии может составлять не более нескольких процентов глобального производства энергии.

 

Ядерная энергетика

Природа оставила нам единственный вариант развития глобальной энергетики – это энергетика, основанная на делении тяжелых ядер: изотопов урана, плутония и тория.

При делении одного ядра выделяется примерно 200 млн. эВ (МэВ) энергии и осколки деления в виде изотопов большей части таблицы Менделеева. Энергетические затраты на добычу и транспортировку топлива, производство энергии и уничтожение всех видов технологических отходов, включая радиоактивные, т.е. на всем замкнутом цикле, по самым высоким оценкам не превышают 50 МэВ, т.е. эффективность такой энергетики составляет около 150 МэВ на одно деление. Это гигантское количество при том, что природных запасов урана и тория при современном уровне потребления энергии хватит на миллионы лет.

Ядерная энергетика может быть реализована в замкнутом пространстве на химических элементах, не вовлеченных в биологические циклы Земли, не затрагивая природные циклы таких жизненно важных элементов, как водород, кислород, углерод, азот и т.д. Серьезного вторжения в энергетические циклы Земли в целом также не происходит, так как изотопы, применяемые как топливо (уран, торий), имеют свойство спонтанно распадаться, а мы лишь перераспределяем во времени и в пространстве концентрацию выделенной энергии.

 

 

Современные ядерные технологии

 

На сегодняшний день ядерные технологии производства энергии не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к целостной энергетической системе. Это результат ее формирования в период военного противостояния мировых систем, когда в первую очередь решались вопросы производства оружейных материалов, а не производства энергии. В результате мы унаследовали ядерную энергетику, которая породила множество социальных, экологических и экономических проблем, дав относительно малый энергетический выход.

Основными недостатками современной ядерной энергетики являются недостаточная безопасность и накопление большого количества радиоактивных отходов.

 

Безопасность

Безопасность современных реакторов, включая водо-водяные, уран-графитовые и быстрые натриевые, несмотря на их широкое применение в некоторых странах, недостаточна, особенно учитывая возможность внешних воздействий и терроризм, что стало одним из существенных препятствий для развития ядерной энергетики во всем мире. Высокое давление внутри активных зон современных реакторов и химическая активность материалов теплоносителя принципиально представляют опасность для окружающей среды, особенно в критической ситуации.

Обеспечение безопасности современных реакторов основано на наращивании количества и повышении эффективности различных внешних защитных и локализующих систем, которые снижают вероятность тяжелых аварий и уменьшают степень опасности их последствий. Осуществление на практике такого подхода приводит к усложнению и удорожанию ядерных установок, к ухудшению других их характеристик, но принципиально не исключает возможность крупной аварии с тяжелыми последствиями, поскольку не устранены внутренние причины, которые могут привести к ее возникновению.

Безопасность реакторов следующего поколения в первую очередь обеспечивается за счет внутренне присущих свойств самого реактора. Это означает, что внутренние причины возникновения серьезных аварий исключены за счет отрицательных обратных связей внутри активной зоны реактора, низкого давления в первом контуре, химической инертности теплоносителя и т.д., что делает реактор самозащищенным.

 

Обращение с отходами

Ядерные отходы производятся на всех стадиях топливного цикла: добыча, обогащение, изготовление топлива, производство электроэнергии и переработка отработавшего топлива. Основную и наиболее опасную их часть составляет отработавшее ядерное топливо. В настоящее время обращение с ним в основном сводится к изоляции и захоронению.

Энергетическая эффективность использования природного урана в действующих реакторах составляет примерно 1%. Это означает, что значительная составляющая отработавшего топлива является ценным ресурсом для производства энергии. Современная физика располагает проработанными технологиями, способными эффективно использовать эти ресурсы и решить задачу утилизации всех ядерных отходов. Переработка отработавшего топлива и запасов оружейных материалов для производства топлива позволяет решить не только проблемы безопасности и экологической приемлемости, но также существенно сократить добычу природного сырья.

Применяемые сегодня для осуществления этих целей технологии переработки основаны на водных методах (PUREX-процесс). Эти методы имеют много недостатков, главный из которых заключается в образовании большого количества загрязненных материалов и радиоактивных растворов, так как радиоактивные отходы разбавляются в огромных объемах жидкости. Следствием применения этих методов является необходимость захоронения большого количества средне и низко активных радиоактивных отходов, создание радиоактивных озер и неизбежность периодических сливов жидких радиоактивных отходов в моря.