Энергетические ресурсы и прогнозы развития ядерной энергетики

Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. Лекция № 2. Энергетические ресурсы и прогнозы развития ядерной энергетики Содержание 2.1. Возобновляемые и не возобновляемые источники энергии 2.2. Углеводородное топливо 2.3. Гидроэнергия 2.4. Солнечная энергия 2.5. Ядерная энергия деления 2.6. Термоядерный синтез 2.7. Сравнительные характеристики первичных источников энергии 2.8. Модель динамики исчерпания не возобновляемых ресурсов 2.9. Прогнозы развития ядерной энергетики Заключение Список литературы Упражнения и задачи 2.1. Возобновляемые и не возобновляемые источники энергии Различные виды первичной энергии, называемые чаще энергетическими ресурсами или первичными источниками энергии, подразделяются на возобновляемые и не возобновляемые. К не возобновляемым энергоресурсам относятся извлекаемые из Земли уголь, нефть, газ, торф, уран, торий, литий и некоторые другие, запасы которых сформировались в доисторические времена и в настоящее время практически не образуются (или образуются в миллионы раз медленнее, чем извлекаются). К возобновляемым энергоресурсам относятся непрерывно возобновляемые в биосфере Земли виды энергии: солнечная энергия, энергия рек и приливных течений (гидроэнергия), ветер, геотермальная энергия, тепловая энергия океана и др. 2.2. Углеводородное топливо Природа сделала нам замечательный подарок, который готовился миллионы лет, в виде углеводородов. Наиболее освоенные углеводороды, называемые также органическим топливом, - уголь, нефть и газ – это результат теплового, механического, биологического и радиационного воздействия на останки растительного и животного мира в течение десятков и сотен миллионов лет (существует несколько альтернативных гипотез абиогенного 1 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. происхождения нефти из неорганического вещества на сверхбольших глубинах в условиях колоссальных давлений и высоких температур. Этой идеи придерживался и Д.И. Менделеев). В составе углеводородного топлива превалируют углерод и водород, поэтому его именуют углеводородным топливом. Так, природный газ состоит преимущественно из метана СН4, а каменный уголь – из углерода. Нефть представляет собой сложную смесь углеводородных соединений. Из нее получают бензин (СН2)N, керосин, дизельное топливо, мазут и ряд других видов вторичного топлива. Энергия при полном сгорании углеводородов в кислороде высвобождается главным образом в процессе образования двуокиси углерода (углекислого газа) и воды по реакциям С + О2 = СО2 + q , СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + q. (2.1) Здесь q – теплотворная способность топлива, равная 33 МДж/кг для угля (или 4,1 эВ на атом углерода) и 37 МДж/кг для метана (или 6,1 эВ на молекулу метана). На сгорание 1 кг углерода расходуется приблизительно 3 кг кислорода (16х2/12), а на сгорание 1 кг метана расходуется 16∙4/(12 + 4) = 4 кг кислорода, то есть больше, чем на сжигание 1 кг угля. кг. Учитывая, что в воздухе содержится всего 21 % кислорода, для сжигания 1 кг углерода в камеру сгорания необходимо подавать около 15 кг воздуха. Для выработки 1 кВт∙ч электроэнергии на ТЭС требуется примерно 3-6 м3 воздуха. Кроме обычных ресурсов природного газа есть нетрадиционные – так называемые газогидраты, представляющие собой кристаллическое соединение метана и молекул воды, похожее на лед либо мокрый снег, которое появляется под действием низких температур и сверхвысокого давления в зонах вечной мерзлоты либо на глубине Мирового океана. Предполагается, что в газогидратах сосредоточено более половины всего углерода органического происхождения, залегающего в земной коре. Это вдвое больше, чем во всех залежах нефти, угля и природного газа, вместе взятых. Однако промышленной технологии добычи газогидратов пока не существует, их добыча может быть освоена не ранее 2-й половины XXI века. Тепловые электростанции (ТЭС), работающие за счет сжигания углеводородного топлива, дают основной вклад в производство электроэнергии в нашей стране и в мире. Для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения ротора турбоагрегатов, различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые ТЭС. Принципы работы ТЭС обсуждаются в лекции 4. 2.3. Гидроэнергия Гидроэнергия относится к числу возобновляемых источников энергии. Наиболее освоена энергия рек для производства электроэнергии на гидроэлектростанциях (ГЭС). ГЭС 2 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. имеет два основных сооружения – плотину, создающую водохранилище и необходимый перепад уровней воды (напор) Н (м), и здание ГЭС, в котором размещено электрическое и механическое оборудование. На открытой площадке рядом со зданием ГЭС или в отдельном здании обычно сооружают повышающую трансформаторную подстанцию ГЭС с распределительными устройствами. Вода реки под действием силы тяжести движется по водоводам плотины с верхнего уровня в нижний, вращая рабочее колесо турбины. Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор электрогенератора, вращающийся в магнитном поле статора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат. Таким образом, на ГЭС происходит преобразование энергии по цепочке: потенциальная энергия воды → кинетическая энергия воды → механическая (вращательная) энергия ротора → электрическая энергия. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет 85 – 90 %. Найдем зависимость мощности ГЭС W (Вт) от массового расхода воды через плотину, G (кг/с), и от напора Н (м), равного разности уровней воды до и после плотины, исходя из определения потенциальной энергии массы жидкости в поле тяжести: W= ηGgH. (2.2) Здесь η=0,88–0,94 – КПД гидроагрегата, g=9,8 м/с² - ускорение свободного падения. Как видно, мощность ГЭС тем больше, чем выше плотина (больше Н) и чем больше расход воды G. Самая крупная в мире ГЭС Санься («Три ущелья») находится в Китае на реке Янцзы. Плотина имеет длину 2309 м и высоту 185 м. Её 32 гидроагрегата развивают мощность 22,4 ГВт, что чуть меньше мощности всех 10 АЭС России в 2015 г. (около 25 ГВт). Мощность крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС в верховьях Енисея с высотой плотины 250 м и 10 гидроагрегатами составляет более 6,4 ГВт. Для сравнения: высота знаменитого Ниагарского водопада в Канаде всего 53 м. Себестоимость вырабатываемой ГЭС электроэнергии, а также эксплуатационные расходы в 5–6 раз ниже, чем на тепловых и атомных электростанциях. В европейской части России экономический потенциал гидроресурсов рек практически исчерпан. 2.4. Солнечная энергия Солнце является мощным источником электромагнитного излучения. Солнце, как и любое нагретое тело, излучает электромагнитные волны с разной длиной волны. Распределение энергии по длинам волн называют спектром излучения. Спектр солнечного излучения имеет «колоколообразную» форму и совпадает со спектром так называемого черного тела, имеющего температуру Т≈5785 К и описываемого формулой М. Планка. Максимум энергии солнечного излучения приходится на видимый диапазона волн (≈0,4 – 0,8 мкм). То есть, человечество в процессе эволюции адаптировалось к Солнцу так, что глаз 3 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. видит лучше всего в диапазоне длин волн из окрестности максимума энергии солнечного спектра. Плотность теплового потока от Солнца вблизи Земли составляет 1,4 кВт/м2. До поверхности Земли в районе экватора сквозь атмосферу доходит около половины. Среднесуточная плотность потока солнечной энергии не превышает 250 Вт/м2. Однако суммарная мощность солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, в тысячи раз превышает потребление первичной энергии человечеством. Энергетика, основанная на использовании солнечной энергии, в широком смысле часто именуется как «гелиоэнергетика» (от греч. Helios – Солнце). Существует два основных типа солнечных электростанций: 1) солнечные тепловые электростанции, в которых концентрированное зеркалами солнечное излучение используется как источник тепла для традиционного паротурбинного цикла; фотоэлектрические 2) солнечные электростанции, в которых реализуется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью полупроводников (photovoltaics systems). солнечных электростанций не превышает 20%. Главный недостаток КПД солнечных электростанций – высокая себестоимость и непостоянство мощности (день-ночь). Тем не менее мировой рынок солнечной энергетики в XXI в. динамично развивается с ежегодным приростом установленной мощности 10-20%. Установленная мощность солнечных электростанций различного типа в мире в 2013 г. превысила 100 ГВт (это мощность 100 ядерных реакторов). 2.5. Ядерная энергия деления Деление ядер – одна из важнейших для энергетики ядерных реакций, происходящих под действием нейтронов. Единственным делящимся материалом, распространенным на Земле, является изотоп урана-235. Именно на основе природных ресурсов урана-235 состоялось развитие ядерной энергетики. Реакцию деления урана под действием нейтрона упрощенно записывают так: U  n  ( f1  f 2 )  n  q. 235 92 (2.14) (2.3) Здесь обозначено: f1+f2 – два осколка деления (от английского fission – деление), ν – число вторичных нейтронов, образующихся при делении ядер (ν≥2,4). Деление урана отличается невиданным энергетическим выходом (калорийностью) – около q=200 МэВ на одно ядро или 8,2•1013 Дж/кг. То есть калорийность урана в 2,5 миллиона раз выше калорийности углеводородного топлива (угля, нефти и газа). Принципиально важно, что деление ядра урана возбуждается одним нейтроном, а в результате деления образуется в среднем более ν = 2,4 новых (вторичных) нейтрона, которые могут разделить более 2 других ядер урана. Так возникает цепная реакция деления. Характерный для реакции деления избыток нейтронов 4 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. деления (ν-1), т.е. превышение их числа над единицей, служит физической основой: 1) цепной самоподдерживающейся реакции деления, 2) воспроизводства искусственного ядерного топлива и 3) трансмутации радиоактивных нуклидов в нейтральные или короткоживущие нуклиды. В естественной смеси изотопов урана (в урановой руде) содержание урана-235 составляет всего 0,7115% по массе. Практически все остальное – уран-238, который в цепной реакции деления не участвует. Ядерной энергетике, в отличие от других энергетических технологий, «повезло» в том смысле, что имеется возможность производить в ядерных реакторах новое топливо - плутоний-239 из урана-238 или уран-233 из тория-232 в большем количестве, чем сгорает исходного природного топлива - урана-235, благодаря реакциям радиационного захвата нейтронов U  n239 94 Pu   ; Th  n233 92 U   . 238 92 232 90 (2.4) Искусственные делящиеся нуклиды плутоний-239 и уран-233 по некоторым параметрам, характеризующим деление, превосходят единственный природный делящийся нуклид уран235. В специальных типах ядерных реакторов, называемых реакторами-бридерами (реакторами–размножителями), скорость накопления новых делящихся нуклидов может превосходить скорость выгорания первоначально загруженного топлива, т.е. возможно расширенное воспроизводство ядерного топлива. Среди возможных типов реакторовбридеров промышленно освоенными являются реакторы на быстрых нейтронах. В настоящее время в 31 стране мира, в которых проживает две трети населения планеты, работают почти 440 коммерческих ядерных реакторов общей установленной мощностью около 370 ГВт. Они производят около 15 % электроэнергии, а в ряде стран их доля в производстве электроэнергии достигает 50-80%. Наибольшее количество энергетических ядерных реакторов работает в США, Франции, Японии и России. Единственный промышленный реактор на быстрых нейтронах БН-600 работает на Белоярской АЭС. Таким образом, всего за 60 лет мощность ядерной энергетики в мире возросла с 5 МВт (первая АЭС в Обнинске, 1954 г.) до 370 ГВт. 2.6. Термоядерный синтез Если при делении тяжелых ядер образуются более легкие ядра, то при ядерном синтезе наоборот – легкие ядра соединяются в более тяжелые ядра. Основная проблема в осуществлении синтеза ядер связана с преодолением кулоновского отталкивания положительно (одноименно) заряженных ядер при их сближении на расстояние действия ядерных сил (около 10-15 м). Для инициирования реакций синтеза приходится либо ускорять ядра до энергии в сотни кэВ, либо нагревать термоядерное топливо почти до миллиарда 5 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. градусов, когда вещество находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Поэтому реакции ядерного синтеза и получили наименование термоядерных (температура в энергетических единицах 1 эВ соответствует температуре в градусах 11600 К согласно формуле e•В = kT). Из всех реакций термоядерного синтеза наиболее доступной является реакция образования гелия из изотопов водорода дейтерия и трития D + T → 4He + n + 17,6 МэВ (2.5) На долю нейтронов приходится почти 80 % энергии синтеза. (Для сравнения напомним, что в реакции деления урана или плутония более 80 % энергии приходится на сравнительно тяжелые ядра продуктов деления). К сожалению, самой доступной реакции термоядерного синтеза D + T присущ большой недостаток: трития в природе практически нет. Где его взять? Тритий образуется при распаде лития под действием нейтронов: 6 Li  n4He  T ; Li  n4He  T  n. 7 (2.6) Таким образом, для воспроизводства трития, сгорающего в термоядерном реакторе, необходимо окружить плазму оболочкой (бланкетом=«одеялом») из материалов, содержащих литий. Вылетающие из плазмы термоядерные нейтроны будут поглощаться литием с образованием трития, который можно извлекать для последующего введения в плазму в качестве топлива. Условие самоподдерживающейся термоядерной реакции, именуемое критерием Лоусона, достигается, когда выход энергии синтеза по реакции D + T превышает затраты на нагрев плазмы. Это происходит, если произведение концентрации N ядер дейтерия и трития в плазме на время  их жизни превышает пороговую величину N=1020 с/м3 , а температура плазмы выше 4 кэВ. Достижение этих критических значений N и температуры – главная цель термоядерных исследований. Наибольший прогресс достигнут на установках типа токамак с магнитным удержанием плазмы и в установках с лазерным инициированием термоядерного синтеза. 2.7. Сравнительные характеристики первичных источников энергии Назовем энергоемкостью топлива (или энергоносителя) количество энергии, которое можно получить с 1 кг топлива (или энергоносителя). Так, потенциальная энергия массы воды m перед плотиной высотой h≤100 м составляет E=mgh. Отсюда энергоемкость воды как энергоносителя при h≤200 м составляет E/m=gh≤2000 Дж/кг. Переход к углеводородному топливу (благодаря применению паровой машины, ставшей символом промышленной революции и прихода капитализма) с энергоемкостью (калорийностью) около 30 МДж/кг характеризовался скачком в десятки тысяч раз по сравнению с водяным колесом. Переход к 6 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. ядерной энергетике дает скачек энергоемкости более чем в 2 млн. раз по сравнению с углеводородным топливом. Энергоемкость термоядерного топлива D+T (3,4·1014 Дж/кг) превышает энергоемкость урана (0,82∙1014 Дж/кг) всего в 4 раза. Теоретический предел энергоемкости вещества определяется теорией относительности по формуле E = m∙c2, то есть предельная энергоемкость вещества E/m = c2 = 0,9∙1017 Дж/кг всего в 1000 раз больше калорийности урана. По-видимому, для практического применения нет топлива более калорийного, чем ядерное (и термоядерное). Важными характеристиками первичных источников энергии являются их распространенность и доступность, с которыми связан так называемый «энергетический потенциал природных источников энергии». Энергетическим потенциалом природных источников энергии называют количество тепловой энергии (Дж), которое можно получить при полном сгорании «достоверных запасов» (Proved reserves) углеводородного топлива (угля, нефти, природного газа) и при полном делении изотопов уран-235 и уран-238, содержащихся в извлекаемых ресурсах природного урана. Из табл.2.1 следует, что энергетические потенциалы нефти, природного газа и урана-235, на котором работает современная ядерная энергетика, близки друг к другу и находятся в диапазоне 4-10 тыс. ЭДж (ЭДж=эксаджоуль=1018 Дж). Энергетический потенциал угля почти в 5 раз превышает потенциал урана-235. В природном уране этого изотопа (урана-235), являющегося практически единственным природным делящимся материалом для топлива реакторов, содержится всего 0,7115 % (по массе). Остальные почти 99,3 % природного урана составляет изотоп уран-238, который топливом для реакторов не является. Таблица 2.1 Энергетический потенциал природных источников энергии в мире. Источники: Расчет авторов по данным [ВР, 2014; WNA, 2013] Ресурс Масса Калорийность, Энергетический Доля (Объем) МДж/кг потенциал, энергии, ресурса в ЭДж = 1018 Дж % 891 Гт 186 трлн. м3 238 Гт Нефть Уран-238 7 800 кт 55 кт Уран-235 Уголь Газ 25 39 МДж/м3 42 0.8·108 0.8·108 ИТОГО: 22 300 7254 3.33 1.09 10 000 624 000 4 400 668 000 1.50 93.40 0.66 100 То есть, существующая ныне ядерная энергетика на так называемых «тепловых нейтронах» использует менее 0,7 % добываемого природного урана. Однако, существует 7 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. техническая возможность превращать уран-238 в новое искусственное ядерное топливо плутоний-239 путем облучения урана-238 нейтронами в так называемых реакторах-бридерах (например, в реакторах на быстрых нейтронах). В настоящее время работают два промышленных реактора такого типа БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС в России. Существует ряд проектов другого типа реакторов-бридеров на быстрых нейтронах. Таким образом, энергетический потенциал ядерной энергетики, базирующейся на реакторах-бридерах, увеличивается по сравнению с энергетическим потенциалом ныне действующих реакторов на тепловых нейтронах в 140 раз! В этом случае энергетический потенциал невозобновляемых потенциала природного урана природных источников энергии на 93% состоит из и лишь на ≈7% - из потенциала традиционных углеводородов (табл.2.1). Здесь мы не учитываем ресурсы тория, количество которого приблизительно в 3 раза превышают количество урана, и не учитываем ресурсы дейтерия и лития, необходимые для развития термоядерной энергетики. 2.8. Модель динамики исчерпания не возобновляемых ресурсов В условиях все более обостряющейся конкуренции за энергетические ресурсы весьма актуальной становится проблема исчерпания известных месторождений, опустошаемых освоенными технологиями добычи. До сих пор углеводороды (уголь, нефть и природный газ) обеспечивают почти 90% всего энергопотребления человечества. Дискуссии о «пиках добычи», то есть о пределах практически экспоненциального роста добычи энергетических ресурсов, в том числе и урана, ведутся с середины ХХ века, когда американским геофизиком Кингом Хаббертом в 1956 г. был теоретически предсказан пик добычи нефти в 2000 г. По модели К. Хабберта добыча сначала быстро наращивается, затем достигает пика (максимума) добычи и после этого уменьшается вплоть до окончательного исчерпания ресурса. Наиболее остро задача о «пиках и тормозах развития» сформулирована под названием «Пределы роста» в 1974 г. в отчете группы ученых Массачусетского технологического института (США) под руководством Д. Медоуза о прогнозировании мирового развития по заказу «Римского клуба». Ниже приведена новая аналитическая модель динамики добычи не возобновляемых ресурсов, включая уран. Обозначим массу ежегодной добычи не возобновляемого ресурса (например, урана) в году t через G(t), кг/год. В некоторый начальный момент времени t=0 (начало прогноза) ежегодная добыча составляла величину G0 (рис.2.1). Известные на сегодня извлекаемые ресурсы некоторого источника энергии обозначим через М. Количество добытого к настоящему времени ресурса обозначим через Q. Таким образом, полное количество извлекаемого ресурса составляет Q∞=Q+M, из которых Q уже добыто, а М предстоит добыть 8 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. в будущем. По модели К. Хабберта динамика добычи не возобновляемого ресурса описывается колоколообразной кривой, определяемой выражением (рис.2.2) G (t )  2Gmax dQ  dt 1  ch a (t  t max )  (2.7) где пик добычи Gmax и время достижения пика tmax определяются выражениями Gmax  aQ ; 4 t max  1 M  ln  . a  Q  (2.8) В которых а – темп добычи в начальные годы освоения ресурса (1/год). Как показано на рис.2.2, К. Хабберт в 1955 г. предсказал пик добычи нефти в США Gmax≈3 млрд. баррелей в год и tmax≈ 17 лет, то есть пик добычи должен был наступить в 1955+17=1972 году, что и подтвердилось в последствие. Если бы полные запасы нефти в США были оценены не в 200, а в 233 млрд. барр, то пик добычи составил бы 3,5 млрд. барр/год в 1975 г., что лучше отражает реальную ситуацию (рис.2.2, кривая В). Рис.2.1. Схема прогнозирования динамики добычи не возобновляемого ресурса с известным начальным уровнем добычи G0 и оставшимся в недрах количеством М. Величина Т0 =М/G0 – период полного исчерпания при постоянной ежегодной добыче G0 («R/P-ratio»). 9 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. Рис.2.2. Зависимость от времени количества добытого ресурса Q(t) и скорости добычи G(t)=dQ/dt согласно модели К. Хабберта (вверху) и динамика добычи нефти в США с 1890 г. (закрашено) с прогнозом «peak oil» К. Хабберта от1955 г. при а≈0,06 1/год, то есть около 6% в год: кривая А при Q∞≈200 Гбарр, кривая В – при Q∞≈233 Гбарр (1 Гбарр=109 баррелей). В правой части графика показан прогноз компании ВР о добыче не традиционной сланцевой (тяжелой) нефти. Источники: [Hubbert, 1956, 1982; Инфографика, 2013]. В модели МИФИ устранен главный недостаток модели К. Хабберта – симметричность кривой G(t). Исходные идеи модели МИФИ заключены в трех уравнениях: 1) уравнение материального баланса означает равенство известных на сегодня извлекаемых ресурсов в количестве М сумме (интегралу) годовых объемов добычи G(t) данного ресурса в будущем:  M   G(t )dt . t 0 2) скорость изменения добычи dG/dt пропорциональна самому уровню добычи G(t): 10 (2.9) Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. dG  k (t )  G(t ), dt (2.10) при начальном уровне добычи G(t=0)=G0. 3) темп добычи линейно уменьшается с течением времени прогноза (имеется в виду темп тренда добычи):  t k (t )  k0 1   TM  ,  (2.11) где k0 – значение темпа в начальной стадии прогнозного периода (при t = 0), ТМ – момент наступления пика добычи (от начала прогноза) GМ. Величину k(t) называют эффективностью использования ресурса или эффективностью экономики, так как чем больше величина k(t), тем выше скорость роста добычи при том же ее уровне. Задача модели – определить явный вид функции G(t) и взаимосвязь основных прогнозных параметров М, k0, ТМ и GМ. Интегрирование уравнения (2.10) дает зависимость годовой добычи урана от времени при любой функции k(t) в виде  t  G (t )  G0 exp   k (t )dt  .    t 0  (2.12) В итоге подстановки (2.11) в (2.12) получаем аналитическое выражение для динамики добычи в виде Гауссовой кривой:  k  G(t )  GM exp   0 (t  TM ) 2 .  2TM  (2.13) Подстановка (2.13) в (2.9) дает  М   G(t )dt  GM TM  ( ). (2.14) t 0 Здесь обозначено: G   ln M ; G0  1  Ф( );  ( )  2 ( )  2  exp(  z   2 )dz. (2.15) В литературе часто используют отношение ресурса к годовой добыче (Reserves-toProduction), сокращенно именуемое как R/P-ratio, которое имеет смысл времени исчерпания Т0 ресурса при нынешнем уровне его добычи (в наших обозначениях это М/G0): ( R / P  ratio )  M  T0 . G0 (2.16) На рис.2.1 площадь прямоугольника высотой G0 и длиной Т0 равна М. Как следует из рис.2.3 время исчерпания углеводородов и урана (для ныне действующих реакторов на тепловых нейтронах) составляет сейчас 53-113 лет, т.е. ограничено текущим столетием. 11 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. Рис.2.3. Длительность жизненного цикла WNA, 2015]. Так в 2014 г. энерготехнологий. Источник: [ВР, 2014; в мире добыто G0≈56 ктU/год. Почти 3/4 мировой добычи урана обеспечили Казахстан (41%), Канада (16%), Австралия (9%) и Нигерия (7%). Извлекаемые запасы урана в мире по себестоимости до 260 долл./кг составляют около М=7.8 МтU. Время исчерпания урана по формуле (2.16) менее 130 лет. Рис. 2.4. Прогнозирование предложения природного урана для АЭС мира для трех сценариев развития мировой ядерной энергетики: с низким темпом роста k0≈0,5 %/год; средним - 2,5 %/год и высоким – 3,5 %/год. В расчетах принято: ресурсы урана М=7,8 Мт (при себестоимости добычи до 260 долл./кг), годовая потребность АЭС в 2014 г. G0≈66 кт/год. Источник: составлено авторами по данным [Klingbiel, 2005; WNA, 2013, 2015] Как следует из рис.2.4, для всех трех рассмотренных сценариев развития мировой ядерной энергетики (с низким начальным темпом роста k0≈0,5 %/год; средним - 2,5 %/год и 12 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. высоким – 3,5 %/год) пик «предложения природного урана» наступит не позднее середины века (2050 г.), а к концу века предложение урана станет меньше, чем в 2014 г. Оценки динамики добычи углеводородов указывают (рис.2.5), что пики добычи нефти и газа превысят сегодняшний уровень добычи всего на 4% и 30% соответственно и будут достигнуты до середины века (в 2020 и 2030 гг.). К концу века добыча нефти и газа существенно сократится (в 10 и более раз по сравнению с пиковой добычей). Добыча угля может превысить сегодняшний уровень на 70% в 2041 г., а к концу века добываться угля будет меньше, чем в 2011 г. Рис.2.5. Динамика мировой добычи нефти (вверху в млрд баррелей/год) и газа (внизу, в млрд м3/год). Прогноз добычи по формуле (2.13). Источник данных: [ВР, 2014, 2015]. 1 баррель (нефтяной, США) соответствует ≈0,1364 тонн нефти или 7,33 барр./т. 13 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. 2.9. Прогнозы развития ядерной энергетики К числу основных факторов, определяющих развитие ядерной энергетики, относят: - рост потребности народного хозяйства в электроэнергии, потребность в энергии для опреснения морской воды, угроза исчерпания и подорожания углеводородного топлива; - исключительно высокая калорийность ядерного топлива, обуславливающая малую потребность реакторов в массе топлива и снимающая проблему транспорта энергии на большие расстояния и привязку АЭС к ископаемым источникам, - обеспеченность ядерным топливом на тысячелетия благодаря ядерному бридингу, - отсутствие выбросов парниковых газов при работе АЭС и др. Сценарии развития ядерной энергетики обычно делятся на три категории: пессимистические, умеренные и оптимистические (в терминологии WNA - the lower, reference and upper scenarios). Пессимистический сценарий (lower scenario) развития ядерной энергетики учитывает политическое влияние «синдрома Фукусимы», сдержанные планы развивающихся стран и остановка ряда реакторов в развитых странах. В этом сценарии установленная мощность АЭС к 2030 г. либо останется на современном уровне, либо на 15% снизится. В умеренном сценарии (reference scenario) предполагается рост установленных мощностей АЭС с 370 ГВт в 2013 г. до 574 ГВт в 2030 г., то есть рост почти на 60% (около 2,5%/год). Оптимистический сценарий (upper scenario) предполагает реализацию всех планов строительства АЭС в разных странах и продление эксплуатации действующих. Установленная мощность АЭС возрастет в 1.9 раза до 700 ГВт (около 3,5%/год). Основной прирост мощностей АЭС ожидается в Китае, Индии и странах ЮгоВосточной Азии. В 2009 г. Правительством РФ была принята «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года». Согласно этой стратегии установленная мощность АЭС возрастет более чем вдвое до 52–62 ГВт. При этом доля АЭС в суммарном производстве электроэнергии возрастет незначительно: с нынешних 16% до ≈20 % в 2030 г. Однако, кризисные процессы в экономике страны привели к снижению потребности в электроэнергии и снижению темпов строительства новых АЭС. Заключение Различные виды первичной энергии, называемые чаще энергетическими ресурсами или первичными источниками энергии, подразделяются на возобновляемые и не возобновляемые. В лекции рассмотрены основные источники первичной энергии: углеводороды (уголь, нефть, природный газ), гидроэнергия, солнечная энергия, ядерная энергия (деление 14 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. урана) и термоядерная энергия. Почти 90% первичных источников энергии, используемых человечеством, являются углеводородами. Динамика исчерпания углеводородов указывает, что пики добычи нефти, газа и угля будут достигнуты до середины века (около 2020, 2030 и 2040 гг. соответственно). К концу века традиционная добыча углеводородов существенно сократится по сравнению с настоящим временем. В целях обеспечения человечества электроэнергией в будущем большое внимание в ряде стран уделяется развитию солнечной электроэнергетики, которая развивается в последнее десятилетие с темпом около 20 %/год. Основой долгосрочного развития ядерной энергетики должны стать реакторыразмножители (бридеры) на быстрых нейтронах, позволяющие увеличить ресурсную базу ядерной энергетики в 140-300 раз (на несколько тысячелетий) благодаря включению в топливный цикл изотопов уран-238 и торий-232, которые под действием нейтронов определенного спектра могут превращаться в новое искусственное ядерное топливо на основе плутония-239 и урана-233. Список литературы к лекции 2 А) Основная литература 1. Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы: Учебное пособие. – М.: МИФИ, 2007. – 256 с.+ илл.72 с. 2. Синев М.Н. Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с. 3. Харитонов В.В. Динамика развития ядерной энергетики. Экономико-аналитические модели. М.: НИЯУ МИФИ, 2014. – 328 с. Б)Дополнительная литература 1. Живов В.Л., Бойцов А.В., Шумилин М.В. Уран: геология, добыча, экономика / М.: РИС «ВИМС», 2012. – 304 с. 2. Концептуальные положения стратегии развития ядерной энергетики России в XXI веке. – М.: ОАО «НИКИЭТ», 2012. – 62 с. (Авторы: Аврорин Е.Н., Адамов Е.О., Алексахин Р.М., Джалавян А.В.,Драгунов Ю.Г., Иванов В.Б., Калякин С.Г., Лопаткин А.В., Молоканов Н.А., Муравьев Е.В., Орлов В.В., Рачков В.И., Смирнов В.П., Троянов В.М.). 3. Харитонов В.В., Крянев А.В., Курельчук У.Н., Дудин Н.Ю. Аналитический прогноз динамики добычи урана. Экономические стратегии, 2013, № 3, с.58-72. 15 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. 4. Экономико-аналитические модели динамики развития ядерной энергетики: Монография / Под ред. В.В. Харитонова. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - 76 с. 5. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 г. 6. The Global Nuclear Fuel Market. Supply and Demand 2011-2030, WNA report, 2011.- 236 р. 7. Да Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учебное пособие / Пер. с англ. под ред. С.П. Малышенко, О.С. Попеля. – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект». М. : Издательский дом МЭИ. 2010. -704 с. 8. Харитонов В.В., Кабашев К.В., Маликов Р.Р. Аналитические модели исчерпания традиционных энергетических ресурсов и их влияние на перспективы ядерной энергетики. М.: НИЯУ МИФИ, 2016. – 100 с. Упражнения и задачи 1. Какие источники энергии называют первичными, вторичными, возобновляемыми и не возобновляемыми? Укажите правильные ответы. № п/п Ответ Возобновляемые источники энергии - это первичные энергетические ресурсы, освоенные человеком. 1 Первичные источники энергии подразделяются на возобновляемые и не возобновляемые. 2 Не возобновляемые источники энергии – это вторичные энергетические ресурсы, израсходованные 3 человечеством в предыдущие годы. К не возобновляемым энергоресурсам относятся извлекаемые из Земли уголь, нефть, газ, торф, уран, торий, литий и некоторые другие, запасы которых сформировались в доисторические времена и в настоящее время практически не образуются. К возобновляемым энергоресурсам относятся непрерывно возобновляемые в биосфере Земли виды энергии: солнечная энергия, энергия рек и приливных течений (гидроэнергия), ветер, геотермальная энергия, тепловая энергия океана и др. 4 5 2. Укажите правильную запись реакции горения природного газа (метана) в кислороде. А. СН+О=СО+НО Б. С2Н4+О2=С2О2+Н4 В. СН4+О2=СО2+Н2О Г. СН4+2О2=СО2+2Н2О 3. Сколько требуется угля (углерода) и воздуха (по массе Мс и Мо соответственно) для выработки W=1 кВт∙ч электроэнергии на угольной ТЭС при КПД η=40% ? Укажите правильный ответ. Считать, что уголь состоит из чистого углерода, имеющего калорийность q=33 МДж/кг. № п/п Ответ 1 Мс=0,757 кг углерода Мо=9,62 кг воздуха 2 273 г углерода 3,47 кг воздуха 3 0,273 кг углерода 0,729 кг воздуха 4. Современная пылеугольная ГРЭС производит электроэнергию общей мощностью 1 кг воздуха W = 3,8 ГВт (как АЭС с четырьмя реакторами типа ВВЭР) с удельным расходом условного 16 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. топлива b = 336 г/(кВт∙ч). Сколько железнодорожных составов с углем необходимо подавать на ГРЭС ежесуточно? Принять теплоту сгорания используемого угля равной теплоте сгорания условного топлива q=29 МДж/кг. Железнодорожный состав состоит из 31 вагона емкостью по 60 т угля. № п/п 1 2 3 Ответ 24 состава в сутки 5 составов в сутки 70 составов в сутки 5. Крупнейшая в мире ГЭС «Санься» (Три ущелья) в Китае на реке Янцзы работает при напоре Н=81 м и объемном расходе воды через гидроагрегаты около G/ρ=28200 м3/с. Полагая, что ГЭС работает на максимальной мощности 50% времени в году, и продает электроэнергию по цене 0,05 $/кВт·ч, определите: 1) максимальную мощность ГЭС (W), 2) выработанную за год электроэнергию (E) и 3) выручку за проданную электроэнергию (R). Укажите правильные ответы. № п/п 1 2 3 Ответ W=22,4 ГВт W=196 млрд. кВт·ч/год W=22400 МВт Е=98,1 млрд. кВт·час/год Е=22,4 ГВт·год Е=11,2 ГВт·год R=4,9 млрд. $/год R=11,2 млрд. $ R=4900 млн. $/год 6. В Крыму была построена первая советская солнечная электростанция. В районе Крыма среднесуточный поток солнечной энергии составляет около q=250 Вт/м2. Эта энергия фокусируется с помощью зеркал на паровой котел, где образуется водяной пар, поступающий в турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию мощностью W=5 МВт. Какова должна быть площадь S зеркал, если КПД преобразования солнечной энергии в электричество составляет η=15%? Напишите расчетные формулы и укажите правильные ответы. № п/п 1 2 3 4 Ответ S=2666 соток S=13,3 гектара S=2,66·105 м2 S=0,133 км2 7. Компания Activ Solar (Австрия) завершила в 2011 г. строительство в Крыму одной из крупнейших в мире фотоэлектрических солнечных электростанций (солнечного парка «Перово») суммарной установленной мощностью W=106 МВт. Полагая η=15% и удельные капитальные затраты k=4500 $/кВт, оцените стоимость электростанции К и площадь полупроводниковых панелей S, если среднесуточный поток солнечной энергии q≈250 Вт/м2 . Укажите правильный ответ. № п/п 1 2 3 4 Ответ К=0.48 млрд. $ К=477 млн. $ К=1.48 млрд. $ К=48 млн. $ S=2,83 км2 S=282,7 га S=2827 км2 S=200 га2 8. Запишите уравнение реакции деления урана-235 под действием нейтрона. Укажите правильную запись. № п/п Ответ 235 1  (2.14) 92U  n  ( f1  f 2 )  n  q. 94 U  n139 56 Ba  36 Kr  3n 2 235 92 3 235 92 U  n  ( f1  f 2 )  7n  200МэВ 4 17 Экономика ядерной энергетики. Автор: Харитонов В.В. 9. Оцените массу урана-235, «сгорающего» за год (М, т/год) в реакциях деления в ядерном реакторе c установленной тепловой мощностью Q=3 ГВт и КИУМ=0,86, полагая, что вклад в тепловыделение вносит только уран-235. № п/п 1 2 3 4 Ответ М≈1 т/год М=232 000 т/год М≈0,1 т/год М=992 кг/год 10. Оцените период времени Т (в годах), необходимое для полного исчерпания дешёвого природного урана (по себестоимости до 130 $/кгU), запасы которого в мире оценивают в M=5,5 млн. т, если в настоящее время за год в реакторах на тепловых нейтронах потребляется G0=50 тыс.т., а потребление урана увеличивается экспоненциально с ежегодным приростом k=2 %/год. Укажите правильный ответ. № п/п 1 2 3 Т=58 лет Ответ Т=580 лет Т=112 лет 18