Навозно-ядерный век

Появилась необходимость подновить данные по ЯЭ в конце 12 главы "Предела пределов" на основании последней статистики МАГАТЭ. Обвал строительства АЭС в США сам по себе интересен...

...Если считать не термоядерные бомбы, а выработку электроэнергии из ядерного топлива на душу населения, Россия, Китай, Великобритания и США не являются «великими ядерными державами». В 2007 году Россия находилась на 20 месте (129 Вт) из 31 страны с ядерными мощностями, между Испанией (139 Вт) и Великобританией (117 Вт). В первой тройке находились Швеция (835 Вт), Франция (784 Вт) и Бельгия (518 Вт). США были на 11 месте (322 Вт), КНР – на 29 (всего 5.4 Вт на душу).

В 2017 году состояние России несколько поправилось, и с 161 Вт на душу она поднялась на 15 место, между Венгрией (190 Вт) и Испанией (142 Вт). Лидеры гонки сдуваются: из первой тройки выбыла Бельгия (закрыла реакторы и переехала на 4 место), теперь там Швеция (746 Вт), Франция (695 Вт), и Финляндия (466 Вт) – все три идут с уменьшением по сравнению с 2007 годом. США поднялись на 10 место (294 Вт), Китай – на 25 (20 Вт). Кроме Бельгии и Швеции, сильную отрицательную динамику продемонстрировали Швейцария, Германия, Япония. Впрочем, у последней есть шанс восстановиться, – запускают реакторы снова после трагических событий 2011 года. Литва в 2009 закрыла Игналинскую АЭС и стала второй страной мира (после Италии), добровольно отказавшейся от ядерной энергии. К счастью на дистанцию бодро вошёл Иран, обогнав за 9 лет Мексику, Индию, Пакистан и Бразилию.

Ежели вкратце, даже лидерам гонки до безжалостно-нищенских 1'800-1'900 Вт на душу надо утроить производство. Для «середнячков», вроде России, Великобритании и США, речь идёт уже об увеличении на порядок, а перед КНР стоит задача увеличить производство ядерной энергии в 150 раз за 25 лет, или по 22% роста в год. С одной стороны, под мудрым руководством Коммунистической Партии трудолюбивые китайцы и не такое вершили. С другой – реактор не сельская домна времён Культурной Революции. Как бухнет – мало не покажется.

М.К.Хабберт в 1956 году[19] про ядерную энергетику знал только, что она технически осуществима, но абсолютных значений выработки предсказать, натурально, не мог. Первая АЭС в Обнинске к моменту публикации статьи Хабберта отработала ровно 24 месяца, а «Калдер Холл-1» в Великобритании ещё строилась. Мы вооружены данными за 70 лет и можем выдать прогноз несколько лучше. В качестве входных данных используем публично доступные с веб-ресурса Ассоциации производителей ядерного топлива (WNA)²

За время Холодной войны накопились огромные запасы добытого, но не обогащённого урана: почти 800 тыс тонн. Однако на волне Чернобыльской катастрофы добыча в конце восьмидесятых рухнула, и с тех пор не было ни одного года, когда добыча была бы выше потребления. В 2017 году только гражданские ядерные установки сожгли 65 тыс тонн урана, а добыча составила 59.5 тыс тонн. О стратегических запасах урана с точностью до тысячи тонн сказать трудно – эти данные секретны, но, по-видимому, к 2018 накопленные запасы практически исчерпаны во всех странах. Скоро – если не «уже» – заводы по производству топливных элементов для АЭС будут работать прямиком с месторождений, а добыча урана последние шесть лет стагнирует. Цены на уран остаются низкими, отчего добыча заморожена там, где добывать дороже всего: в Чехии, Бразилии, Франции, Германии и Малави.

Программа Chapter 12\Test_08_Uranium.py

Подтверждённые запасы урана в мире (по данным той же WNA) велики: не менее 6.1 млн тонн при цене $130 за кг и 8.0 млн тонн при цене 260 (в долларах 2000 года). Из этих запасов в странах из «списка Чуковского» всего шестая часть (Намибия, Нигер, Ботсвана, Танзания, Иордания, Малави), а крупнейшие запасы сосредоточены в странах мирных и надёжных: Австралии (30%), Казахстане (14%), Канаде (8%) и России (8%)³.

Добыча ограничивается не геологическими запасами, а огромным экологическим уроном: примерно половина урана в мире добывается так называемым подземным выщелачиванием (in situ leaching), по технологии слегка схожей с известной нефтяникам кислотной обработкой пласта. Только вместе с относительно «безобидной» соляной кислотой (HCl) используется серная (H₂SO₄). Ещё в процессе участвуют⁴ актёры на вторых ролях (в алфавитном порядке, дабы никого не обидеть): азотная кислота (HNO₃), аммиак(NH₃), гидроксид калия (KOH), гидроксид натрия (NaOH), уксусная кислота (CH₃COOH), фосфорная кислота (H₃PO₄), хлорная кислота (HClO₄). Если вы полагаете, что «нефтесланцевый» гидроразрыв на «быстрой воде» с лигроином с метанолом – это трэш и угар, попробуйте на вкус наше блюдо!

А так это выглядит в натуре.

В отличие от гидроразрыва и кислотной обработки пласта, где химия закачивается в скважины на достаточно больших глубинах – обычно глубже 400 метров – и притом одномоментно, выщелачивание урана протекает годами на глубинах от нескольких десятков метров до полукилометра. По дневной поверхности и в водоносных горизонтах «размазываются» сопутствующие урану соединения: свинец, арсениды, таллий, ртуть… Сказать, что после окончания работ в этом месте ничего расти не будет, – нельзя. Растёт, конечно. Только в пищу это лучше не употреблять. Ну и естественно остаётся великолепная роща из головок скважин. В металлолом их не примут, опять-таки из-за тяжёлых металлов и прочих полезностей.

Помимо метода с серной кислотой есть так называемый «карбонатный» метод, когда используется сода Na₂CO₃ + NaHCO₃. Природу это напрягает меньше, но, к сожалению, породы в покрышке и рудном пласте не всегда хорошо реагируют с содовым раствором. В блоге также указали, что в связи с уменьшением добычи тяжёлых нефтей может возникнуть дефицит серной кислоты. Пока производство серы растёт (в том числе за счёт битуминозных песков Альберты), и трудно учесть, что произойдёт с производством серной кислоты через 30-40 лет.

Короче, добывать уран можно, но методом подземного выщелачивания его надо добывать там, где низкая плотность населения, предпочтительно в пустыне.  Казахстан, арктические районы Канады, Северные Территории Австралии – великолепные кандидаты.

Вторая половинка добычи урана – классические шахты и открытые разрезы.  Породу вынимают и везут на обогатительный комбинат, где дробят и травят той же химией, но уже в аппаратах, не допускающих утечек кислоты в грунт.  Проблема одна: что делать с мегатоннами отработанной породы?  Там содержание тяжёлых металлов – тоже не сахар.  Раньше использовали ещё и хищнический метод поверхностного выщелачивания (heap leaching), когда породу складывают в большую кучу и поливают сверху кислотой, а вокруг кучи – открытая дренажная канава…  Кстати, уран добывают как побочный продукт на месторождениях меди и других ископаемых.  Сейчас это примерно 5-7% от общей мировой добычи урана.  Для Зелёных поясним, что добыча редких земель на нужды возобновляемой энергетики – это тоже выщелачивание, и теми же кислотами.  Вообще извлечение металлов матушку-Землю насилует куда больше, чем добыча того же каменного угля или природного битума.

Со строительством новых реакторов дело обстоит не так плохо, как иногда представляют на форумах. По состоянию на конец 2018 года в строительстве 54 реактора общей мощностью 54.7 ГВт(электрических)⁶, в том числе 12 в КНР, 7 в Индии и 6 в России⁷. В 2015 и 2016 годах в мире добавилось по 10 реакторов (9.4 и 9.5 ГВт соответственно), в 2018 – 9 реакторов (10.4 ГВт). Конечно, по сравнению с 1984 и 1985 годами, когда в мире ввели в строй по 33 реактора (по 32.1 ГВт в год), это не так уж много.

После аварии в Чернобыле количество работающих энергоблоков в мире оставалось примерно постоянным, около 450 единиц, но средняя мощность работающих реакторов выросла с 700 до 850 МВт. Рекордное число реакторов было выведено из работы в 1990 году: 14 единиц (4.8 ГВт), но это были в основном энергоблоки старые и уже выслужившие срок; просто после Чернобыля народ понял, что поддерживать на ходу «дедушек» постройки начала 1960-х с мощностями порядка 300 МВт – себе дороже. В 2011, после цунами и «Фукусимы-Дайичи», состоялась повторная ревизия «старичков»; было выведено из эксплуатации 13 реакторов общей мощностью 11.4 ГВт, то есть в среднем по 880 МВт на энергоблок.

Помимо графика установленной мощности, выше показаны ещё кривые выработки электроэнергии в пересчёте из ТВт·ч во мгновенную мощность делением на количество часов в среднем году (8'766). Кривая по данным «ВР» считается «на генераторе», WNA выдаёт данные «на счётчике потребителя»; разница – потери электропередачи, то есть технически разница между ERoEI_st и ERoEI_pou. Заметим, однако, интересную картину. С 2013 года установленная мощность растёт, а производство энергии так и не восстановилось после снижения 2011 года. Максимальная утилизация установленной мощности наблюдалась перед Глобальным Финансовым, в 2006 году – 85%. Средняя утилизация с 1991 по 2017 год – 78%, а с 2014 по 2017 гг включительно – 77%. Реакторы в среднем простаивают по 84 дня в году. Связано ли это с накоплением технических проблем в старых реакторах или с недостатком урана – трудно сказать.

Средняя мощность у энергоблоков, остановленных в 1990 году и ранее, – всего 220 МВт, а среднее время работы – 14 лет. Крупных реакторов шесть: «Тримайл-Айленд-2» (880 МВт, проработал меньше года), «Чернобыль-4» (925МВт, 3 года), построенный с грубейшими нарушениями регламента «Мюльхайм-Керлих» в Германии («Mülheim-Kärlich», 1'219 МВт, 2.5 года), повредивший в 1978 году теплообменник «Ранч Секо-1» в Калифорнии (873 МВт, 15 лет на 38% мощности) и невинно пострадавшие от рук Зелёных «Шорхэм» в Великобритании (820 МВт, проработал на 5% мощности 3 года и был закрыт в связи с набегами аборигенов на проходную) и «Каосо» в Италии (хороший, годный реактор 860 МВт, проработавший на момент закрытия всего 12 лет и павший жертвой референдума). Примерно треть из 67 остановленных с 1957 по 1990 год реакторов – экспериментальные установки с мощностями в районе 50 МВт⁸. Ясно, что статистику по таким установкам строить нельзя – всё равно что определять ТТХ МиГ-29 по авиеткам братьев Фарман.

С 1991 года по 2018 выведено из эксплуатации 103 реактора. Средняя продолжительность жизни машинки составила 33.6 года, средняя мощность – 524 МВт. Самым неудачным из группы был японский размножитель «Монзю» (246 МВт, размножение по проекту 1.2), запущенный 29 августа 1995 года, а 8 декабря того же года вставший на бесконечную «профилактику». В последний раз реактор недолго работал в 2010, и с тех пор принимается решение о демонтаже.

Удивительный долгожитель – реактор «Устричный ручей» в Нью-Джерси, США (619 МВт), отслуживший без малого 48 лет и торжественно закрытый в полностью рабочем состоянии 17 сентября 2018 года. Не выслужили полный срок «Чернобыль-2» (925 МВт, 13 лет), «Чернобыль-1» (740 МВт, 19 лет), «Чернобыль-3» (925 МВт, 19 лет)⁹. Тринадцать лет проработал американский размножитель «KHK II» (17 МВт), на год меньше размножал французский «Superphénix» (1'200 МВт). Сейчас самые старые реакторы в эксплуатации – 1969 года запуска: «Безнау-1» в Швейцарии (365 МВт), «Гинна» (580 МВт) и «Найн-Майл-Поинт-1» (621МВт) в США, «Тaрапур-1/2» в Индии (по 150 МВт каждый). Последние два – близнецы японских «Фукусима I-1/2», и, вероятно, наш следующий Чернобыль – если только не остановят вовремя. С другой стороны, швейцарцы заверяют, что, «Безнау-1/2» могут обязаны работать как местные часы с кукушкой: лет по 60 минимум, – отключение энергоблоков ожидается не ранее 2030 года!

Типичная мощность «новых» энергоблоков – 1'000 МВт(электрических). Это логично: строить АЭС с одним энергоблоком в большинстве случаев невыгодно. Если по любым причинам реактор надолго останавливается, окружающие территории начинают испытывать энергетический голод. Опыт России, Канады и США, а теперь и КНР, показывает, что оптимальное число энергоблоков на АЭС – от 3 до 8.

Можно принять в качестве параметров умеренно-оптимистической базовой модели подключение, начиная с 2019 года, 10 ГВт установленных мощностей ежегодно, с ростом по 2% в год. Функция остановки энергоблоков будет выглядеть как сглаженное распределение мощностей по возрасту, сдвинутое на 50 лет. Утилизацию установленной мощности оставим постоянной по факту на уровне 77% (даже если будет 90%, существенной роли это не сыграет). Программа Chapter 12\Test_10_Nuclear_Reactors_Projection.py

К сожалению, ждать чудес от ядерной энергетики не приходится. Вплоть до 2070 года она будет производить на каждого землянина менее 60 Вт мгновенной электрической мощности.

Реакторы, введённые в строй в 2018 году, строились в среднем по 8 лет: самый долгий – «Ленинград II – 1»(1'085 MВт) – десять лет, два рекордсмена – китайские «Тианван-4»(990 MВт) и «Янгджианг-5»(1'000 MВт) – по пять лет. Реакторы, запущенные с 2005 по 2018 годы, строились в среднем по 7.3 года. Рекордсмены – таких набралось 7 штук – строились за 4 года, долгострой: «Ауча-2» в Аргентине (692 MВт, 33 года с перерывами). Самые старые реакторы в постройке по состоянию на конец 2018 года – «Хмельницкий-3/4» (по 950 МВт каждый) в Украине, строящиеся с перерывами с 1986/87 года. В США строится всего два энергоблока (оба с 2013 года, совместно 2'234 МВт)¹⁰, Усяевропа™ – семь реакторов, 6'996 МВт. Россия и Белоруссия совместно – 8 энергоблоков, 6'678 МВт (в том числе два плавучих проекта «Академик Ломоносов» по 32 МВт).

Что немного напрягает: за типичный срок постройки энергоблока, с 2011 года (включительно) – начато строительство всего лишь 35 реакторов, в среднем по 4.3 энергоблока или 4.4 ГВт новой мощности в год.

Если так пойдёт и дальше, то речь о сокращении производства ядерной энергии вплоть до полного прекращения в 2070 году. Замедление строительства АЭС, естественно, может ещё больше обвалить спрос на уран. Освоение месторождений урана – дело долгое и дорогостоящее. Прежде чем начинать строить дороги и обогатительный комбинат, надо иметь уверенность, что добывающее предприятие проработает хотя бы лет 30. Зеленые предпочитают иметь вместо урана по 15 кг сушёного навоза на лицо и гарантий не дают. Один из нехороших, негодных сценариев показан ниже.

Геологи не хотят добывать и тычут пальцем в энергетиков: «может не быть спроса на уран». Энергетики не хотят строить АЭС и тычут пальцем в геологов: «может не быть доступного урана». Зелёные тычут пальцем в сушёный навоз, называя энергоблоки «Академик Ломоносов» «Чернобылем на льду»¹¹. Настоящие экологи указывают, что и производство солнечных панелей очень портит природу. Так мы и живём в первой четвертушке XXI века. Век правильнее называть не «ядерным», а «навозно-ядерным».

Подведём итоги главы:

• Рассмотрена модель подключения и вывода гражданских ядерных мощностей. В умеренно-оптимистических предположениях, производство ядерной энергии на душу населения будет оставаться низким вплоть до 2070 года. Этот уровень можно оценить в пределах 50 Вт мгновенной электрической мощности. Развитие будет тормозиться, во-первых, экологическими проблемами при выщелачивании урана, и во-вторых, недостатком инвестиций в ядерную отрасль в период после катастрофы в Чернобыле (с начала 1990-х по конец 2000-х).