Ретроспектива мирного атома: как атомная энергия стала «зеленым решением»
Одно из самых обширных и влиятельных направлений для мирного использования достижений ядерных исследований — это атомная энергетика. На сегодняшний день в России атомные электростанции предоставляют больше 20% всего электричества, используемого на территории страны, и ожидается, что в России и за ее пределами постепенно будет увеличиваться количество АЭС. Рассказываем, какой тернистый путь прошла атомная энергетика, чтобы из закрытой и непонятной сферы, стать решением, необходимым для сохранения планеты.
.disclamer { display: block; background-color:#6CACE4; font-family:sans-serif; font-size: smaller; text-align: left; padding: 10px; }
С чего начиналась атомная энергетика
В 1932 году физик Эрнест Резерфорд обнаружил, что когда атомы лития «расщепляются» протонами из протонного ускорителя, высвобождается огромное количество энергии в соответствии с принципом эквивалентности массы и энергии, сформулированным Эйнштейном в 1905 году. Однако Резерфорд и другие пионеры ядерной физики — Нильс Бор и Альберт Эйнштейн — считали маловероятным использование энергии атома в практических целях в ближайшем будущем. Они и представить не могли, что пройдет меньше 20 лет, прежде чем эта новая энергия станет использоваться человечеством. Но этому периоду предшествовала череда открытий, расширяющих само представление людей о материи и веществах, окружающих нас.
В том же 1932 году докторант Резерфорда Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Появилась современное понимание строения атома и соотношения субатомных частиц. Начались эксперименты по бомбардировке материалов нейтронами. Они привели Фредерика и Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии Склодовской-Кюри) к открытию наведенной радиоактивности в 1934 году. В ходе экспериментов супруги Жолио-Кюри направленно облучали бор и алюминий альфа-частицами полония. После облучения выяснилось, что частицы образцов преобразовались в радиоактивные изотопы других элементов. Алюминий превратился в радиоактивный фосфор, а бор — в радиоактивный изотоп азота. Это открытие принесло супругам Нобелевскую премию, а всему человечеству открыло путь к созданию радиоактивных изотопов, которые затем, почти 20 лет спустя, будут использоваться для создания термоядерного топлива.
В 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер и племянником Мейтнер Отто Робертом Фришем провели эксперименты с продуктами урана, подвергшегося бомбардировке нейтронами. Они определили, что относительно крошечный нейтрон разделил ядро массивного атома урана на две примерно равные части. Это был чрезвычайно неожиданный результат; все другие формы ядерного распада вызывали лишь небольшие изменения массы ядра, тогда как этот процесс, названный «делением» по аналогии с клеточным процессом в биологии, включал полный разрыв ядра. Многие ученые признали, что, если реакции деления высвобождают дополнительные нейтроны, может возникнуть самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.
Открытие ядерного деления произошло в 1938 году после более чем четырех десятилетий работы в области науки о радиоактивности и разработки новой ядерной физики, описывающей компоненты атомов. Вскоре после открытия процесса деления стало понятно, что делящееся ядро может вызывать дальнейшие деления ядра, вызывая тем самым самоподдерживающуюся цепную реакцию. Как только это было экспериментально подтверждено и объявлено Фредериком Жолио-Кюри в 1939 году, ученые многих стран (включая Соединенные Штаты, Великобританию, Францию, Германию и Советский Союз) обратились к своим правительствам с просьбой поддержать исследования в области ядерного деления — как раз на пороге Второй мировой войны.
Свое первое применение открытия в области ядерной физики получили в оборонной сфере. В Соединенных Штатах, куда эмигрировали многие известные физики из Старого Света, открытие цепной ядерной реакции привело к созданию первого исследовательского реактора, известного как Чикагский реактор-1, в котором впервые произошла цепная реакция 2 декабря 1942 года.
В августе 1945 года был выпущен первый широко распространенный отчет о ядерной энергии — карманный справочник «Атомный век». В нем обсуждалось мирное будущее с использованием ядерной энергии и изображалось будущее, в котором ископаемое топливо останется неиспользованным. Лауреат Нобелевской премии Гленн Сиборг, который позже возглавил Комиссию по атомной энергии США, тогда говорил, что «будут шаттлы с ядерными двигателями для полета с Земли на Луну, искусственные сердца с ядерными двигателями, бассейны с плутониевым подогревом для аквалангистов и многое другое».
В том же месяце, с окончанием войны, Сиборг и другие подали сотни первоначально засекреченных патентов на новый легководный реактор (LWR), который позже стал основным реактором Соединенных Штатов для военно-морских силовых установок, а позже занял наибольшую долю атомной энергетики. Великобритания, Канада и СССР приступили к исследованию и развитию ядерной энергетики в конце 1940-х и начале 1950-х годов.
F-1 (от «Первый физический реактор») — исследовательский реактор Курчатовского института в Москве, Россия. Когда он был запущен 25 декабря 1946 года, он стал первым ядерным реактором в Европе, который достиг самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.
Электричество было впервые выработано ядерным реактором 20 декабря 1951 года на экспериментальной станции EBR-I недалеко от Арко, штат Айдахо, которая первоначально производила около 100 кВт.
А 27 июня 1954 года Обнинская АЭС в СССР стала первой в мире атомной электростанцией, которая вырабатывала электроэнергию для энергосистемы, производя около 5 мегаватт электроэнергии. Первая в мире коммерческая атомная электростанция Колдер-Холл в Виндскейле, Англия, была подключена к национальной энергосистеме 27 августа 1956 года.
Общая глобальная установленная мощность атомной энергетики первоначально росла относительно быстро, увеличившись с менее чем 1 гигаватт (ГВт) в 1960 году до 100 ГВт в конце 1970-х годов и 300 ГВт в конце 1980-х годов. С конца 1980-х годов мировая мощность росла намного медленнее, достигнув 366 ГВт в 2005 году.
Оппозиция ядерной энергетики
Уже с 70-х годов темпы развития ядерных программ в ряде стран начали снижаться. Этому способствовали в первую очередь социальные и экономические факторы.
В 1970-х и 1980-х годах рост экономических издержек (связанный с увеличением сроков строительства в основном из-за изменений в нормативных актах и судебных разбирательств с влиятельными группами) и падение цен на ископаемое топливо сделали строящиеся атомные электростанции менее привлекательными. В 1980-х годах в США и 1990-х годах в Европе неизменный рост электросетей и либерализация электроэнергетики также сделали добавление новых крупных генераторов базовой нагрузки экономически невыгодными.
Однако во Франции, где раньше преобладали ископаемые виды топлива, с начала 1980-х годов преобладала ядерная энергетика, и большая часть этой энергии экспортировалась в соседние страны. Это произошло из-за нефтяного кризиса 1973 года, когда страны, полагавшиеся на нефть как основной ресурс для производства энергии, были вынуждены пересмотреть свою стратегию. Французский план, известный как план Месмера, предусматривал полную независимость от нефти и строительство 80 реакторов к 1985 году и 170 к 2000 году. В 2019 году 71% французской электроэнергии производился на 58 реакторах, что является самым высоким показателем среди всех стран мира.
Местная оппозиция ядерной энергетике возникла и в США в начале 1960-х годов. Ярким примером считается конфликт с местным населением Бодега-Бей в Калифорнии, когда местное население выступило против строительства атомной электростанции в регионе, и к 1964 году от этой концепции в конечном итоге отказались. В конце 1960-х годов некоторые члены научного сообщества начали выражать острую озабоченность безопасностью атомных электростанций. Эти антиядерные опасения связаны со страхом аварий, распространения ядерного оружия и трудностями с захоронением радиоактивных отходов. В начале 1970-х годов прошли массовые протесты против предлагаемой атомной электростанции в Виле, Германия. Проект был отменен в 1975 году. Антиядерный успех в Виле вызвал сопротивление ядерной энергетике в других частях Европы и Северной Америки. К середине 1970-х годов антиядерная активность приобрела влияние по всему миру, усилившееся в 1986 году в связи с аварией на Чернобыльской АЭС в Припяти.
Информация о последствиях аварии вышла далеко за пределы страны и, несмотря на принятие мер по обеспечению безопасности электростанций, ряд стран (такие как Австрия, Швеция и Италия) после проведения референдумов запустили процесс полного отказа от программ ядерной энергетики.
«Госкорпорация Росатом была создана 1 декабря 2007 года указом Президента РФ. С этого события началась новая эра атомной отрасли России, и за 15 лет своего существования госкорпорация Росатом прошла огромный путь, превратившись в национального чемпиона энергетического сектора и лидера на глобальном рынке ядерных технологий. За период 2007–2022 годов были запущены программы развития атомной промышленности, благодаря объединению активов удалось сформировать цепочку полного цикла технологий от добычи урана до вывода атомных объектов из эксплуатации».
Ренессанс ядерной энергетики
Конец 90-х и начало 2000-х называют ренессансом ядерной энергетики. Когда шок от аварии прошел, снова появились разговоры о возрождении энергетических программ с использованием энергии атомов. Основной причиной этого процесса стала развернувшаяся в мировом сообществе дискуссия об экологической безопасности энергетического сектора. По данным ученых, атомная энергетика была «зеленой» альтернативой угольным электростанциям, которые задействовали большое количество естественных ресурсов на всех этапах рабочего цикла: от добычи топлива до его отработки.
Более того, в 2009 году годовая выработка ядерной энергии имела тенденцию к небольшому снижению с 2007 года, снизившись на 1,8% в 2009 году. При этом ядерная энергетика удовлетворяла 13–14% мирового спроса на электроэнергию. Основным фактором снижения стал длительный ремонт семи крупных реакторов на атомной электростанции Касивадзаки-Карива в Японии после землетрясения в Ниигата-Тюэцу-Оки.
Новым витком антиядерной оппозиции стала авария на АЭС Фукусимы в 2011 году. Она спровоцировала пересмотр ядерной безопасности и политики в области ядерной энергии во многих странах и вызвала у некоторых комментаторов вопросы о будущем возрождении популярности атомной энергетики. Германия утвердила планы закрыть все свои реакторы к 2022 году. Тайвань рассматривает возможность поэтапного отказа, а Австрия (АЭС Цвентендорф) и Филиппины (АЭС Батаан) так и не начали использовать свои первые полностью построенные АЭС. Нидерланды и Швеция также планировали отказаться от ядерных энергетических программ, но вскоре пересмотрели планы и ввели дополнительные меры безопасности.
Из-за этого Международное энергетическое агентство вдвое сократило свою предварительную оценку новых генерирующих мощностей, которые должны быть построены к 2035 году. В 2012 году производство атомной энергии продемонстрировало самое большое падение по сравнению с предыдущим годом, составившее 7%.
Атомная энергетика с нулевым уровнем выбросов является важным инструментом для смягчения последствий изменения климата. В соответствии со Сценарием устойчивого развития МЭА, к 2030 году ядерная энергетика будет генерировать 3900 ТВт-ч во всем мире, а ветровая и солнечная энергия — 8100 ТВт-ч с целью достижения нулевых выбросов CO2 к 2070 году. Для достижения этой цели выработка электроэнергии должна ежегодно повышаться в среднем 15 ГВт. По состоянию на 2019 год в стадии строительства находилось более 60 ГВт новых атомных электростанций, в основном в Китае, России, Корее, Индии и ОАЭ.
Будущее ядерной энергетики сильно различается между странами в зависимости от государственной политики. Некоторые страны, прежде всего Германия, приняли политику поэтапного отказа от ядерной энергетики. В то же время некоторые азиатские страны, такие как Китай и Индия, взяли на себя обязательство по быстрому развитию этого направления энергетики. В других странах, таких как Соединенное Королевство и Соединенные Штаты, атомную энергетику планируют использовать вместе с возобновляемыми источниками энергии.
На сегодняшний день в России атомная энергетика удовлетворяет более 20% потребности страны в электроэнергии. Ядерная сфера активно включается в другие области жизни, обеспечивая повышение ее качества: ядерная медицина увеличивает вероятность своевременной диагностики заболеваний, развитие Северного морского пути позволяет решить ряд логистических трудностей, а исследования, направленные на создание замкнутого топливного цикла, позволят в будущем снизить нагрузку на окружающую среду.
Реклама. myatom.ru