Как работает атомная генерация

Энергия атомных ядер преобразуется в полезную электрическую энергию на атомной электростанции, в сердце которой находится ядерный реактор. В нем идет непрерывная цепная реакция ядерного деления: ядра атомов расщепляются на осколки, высвобождая колоссальные объемы энергии, которая оборачивается теплом. Это тепло нагревает воду и превращает ее в пар, который вращает турбину, вырабатывая электричество. Сегодня так производится около 10% электричества в мире. 

Парниковые выбросы в атомной отрасли все же есть, но они прекращаются на стадии строительства АЭС. 

В 2014 году МГЭИК, авторитетная международная комиссия по вопросам климата, сравнила данные десятков исследований и рассчитала углеродный след энергетических предприятий за весь их жизненный цикл. Самым крупным источником СО2 ожидаемо оказалась угольная промышленность с показателем 820 граммов углекислоты на киловатт в час (у солнечных ферм, например, 48 г/кВт/ч). Минимальная эмиссия вышла у ветряной и атомной энергетик — по 11 г/кВт/ч — но для возобновляемых ресурсов не учтены технологии хранения, у которых, разумеется, будет свой след. 

На АЭС энергию хранить не нужно, потому что атомная генерация стабильна и не зависит от погодных условий. Более того, у атомных электростанций самый высокий коэффициент производительности среди всех источников энергии: они вырабатывают электричество на полной мощности 93% времени. Для производства того же объема энергии, что выдает стандартный ядерный реактор, понадобится три миллиона солнечных панелей или 430 ветрогенераторов. 

Еще один неоспоримый плюс АЭС — им не нужно много места. Большая атомная электростанция мощностью в 1000 мегаватт занимает пару квадратных километров; чтобы выработать те же 1000 мВт с помощью ветра, потребуется в 360 раз больше земной поверхности, с помощью солнца — в 75 раз больше (так что ради АЭС не приходится зачищать территорию от животной и растительной жизни, как это происходит при строительстве солнечных ферм). 

На само строительство энергоблоков тоже уходит гораздо меньше сырья, чем в случае с возобновляемыми источниками: сооружение тех же солнечных панелей требует почти в 17 раз больше материалов — стали, цемента, стекла и редкоземельных металлов. 

Все эти очевидные преимущества атомной энергетики дают ей пропуск в «зеленое» будущее и делают ее основой стратегий устойчивого развития в развитых странах. Международное энергетическое агентство называет атомную генерацию одной из ключевых мер по достижению главной климатической цели XXI века: удержать глобальное потепление в пределах 1.5°C.

В 2018 году МГЭИК опубликовала знаменитый доклад, в котором описала четыре способа это сделать — и каждый включает расширение атомной энергетики. В самом «плавном» сценарии мы должны к 2050 году увеличить атомные мощности на 98%, в самом решительном — на 501%. Пока человечество не может в полной мере рассчитывать на энергию солнца и ветра, у него есть прекрасный способ в избытке производить чистую энергию. Правда, на этом очевидные плюсы атомной энергии заканчиваются. 

Уран на вес золота

Первое, что может стать препятствием для строительства атомной электростанции — это география. АЭС должна располагаться на ровном открытом месте и желательно в регионе, не подверженном землетрясениям, а главное, иметь доступ к большим объемам воды. Ядерный реактор постоянно охлаждается водой, поданной под огромным давлением, поэтому энергоблоки строят на берегу моря, реки или водохранилища. Эти условия сразу делают некоторые регионы и даже страны непригодными для возведения собственных АЭС, но не мешают, например, импортировать электроэнергию, произведенную на АЭС в соседних странах. 

Второй недостаток атомной энергетики в том, что ядерное топливо не является возобновляемым ресурсом. Большинство реакторов работает на уране, радиоактивном веществе, содержащемся в урановой руде — полезном ископаемом, которое добывают из земной коры. Сегодня выявленные запасы урана на Земле чуть превышают 8 миллионов тонн; каждый год мы скармливаем ядерным реакторам по всему миру 70 тысяч тонн. Несложно подсчитать, что при таком раскладе планы развитых стран по декарбонизации через атом невыполнимы, ведь уран на планете закончится еще до того, как ЕС объявит итоги своей климатической программы в 2050 году. 

В том числе поэтому в прошлом году группа австрийских исследователей пришла к печальному выводу, что вклад атомной энергетики в борьбу с изменением климата крайне ограничен и таковым и останется. Они рассчитали, что

Правда, здесь есть целых три «но».

Во-первых, выявленные запасы — это далеко не все запасы планеты. Горнодобывающие компании озабочены тем, чтобы разведать и подтвердить лишь то количество ископаемых запасов, которое будет иметь экономический потенциал. Сегодня уран не пользуется вниманием инвесторов, и разработка новых месторождений ведется неохотно, но, если мир признает атомную энергетику реальным путем к климатической нейтральности, спрос на уран вырастет, и добывающие компании придут за этим (на самом деле, довольно распространенным) металлом.

Во-вторых, традиционные реакторы используют в качестве топлива особый изотоп урана — уран-235, который составляет меньше 1% всего урана на Земле. Остальные 99% — это уран-238, который мог бы удовлетворить потребность человечества в топливе на тысячи лет вперед. Этот изотоп годится в качестве сырья для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах — технологии, которая существует с середины прошлого века, но все еще нуждается в доработке. 

Кроме того, существуют экспериментальные ядерные реакторы на тории, еще одном радиоактивном металле. На Земле его в несколько раз больше, чем урана, его легче добывать, и энергоэффективность у него гораздо выше. Пока что торий — это побочный продукт добычи редкоземельных металлов вроде титана; не зная, что с ним делать, его просто зарывают обратно в землю. Там он и ждет момента, когда, наконец, триумфально войдет в атомную энергетику будущего. 

Смерти на тераватт в час

Главный камень преткновения в разговоре о ядерных реакторах — конечно, безопасность. Природа ядерных реакций сложна для понимания, феномен радиации покрыт непроницаемой толщей мифов, а образ невидимой ползучей силы, несущей смерть, цепляет нас за самые глубинные страхи. Интуитивные представления о ядерной силе, раздутые популярной культурой, повлияли (и продолжают влиять) на имидж атомной отрасли, а главное, мысль о строительстве АЭС «на моем заднем дворе» превратились в кошмар для многих людей — в том числе, для тех, кто принимает важные решения. 

Пример тому — многострадальная атомная промышленность в Италии, которая началась с бурного энтузиазма, но споткнулась о чернобыльскую аварию: в 1987 году на общенациональном референдуме 80% итальянцев проголосовали против АЭС. Спустя 20 лет в стране снова заговорили о перспективах атомной энергетики, но случилась Фукусима; в 2011 году в Италии опять провели референдум, и опять волеизъявление прошло под впечатлением: 94% против. 

Чаще всего противники атомной отрасли приводят в качестве аргумента именно аварии на атомных электростанциях. Действительно, это самая опасная сторона мирного атома. Так, на Чернобыльской АЭС погиб 31 человек, впоследствии еще 20 скончались от последствий облучения. По подсчетам ВОЗ, ООН, Всемирного банка и Международного агентства по атомной энергии, общее число жертв аварии, включая будущих, составляет от 4 до 9 тысяч человек. 

Во время аварии на японской АЭС Фукусима-1 не погибло ни одного человека; семью годами позже один из работников скончался от рака легких, вероятно, вызванного облучением. При этом около 600 пожилых японцев погибли в результате эвакуации — из-за пережитого стресса или прерванного лечения. ВОЗ не прогнозирует рост заболеваемостью раком в Японии, так как за исключением населенных пунктов, расположенных непосредственно вокруг АЭС, уровень утекшей радиации не поднимался до значений, способных нанести вред здоровью. 

Более того, любой другой способ производить электричество несет в себе больше рисков для здоровья населения. Что касается трагических инцидентов, в 2016 году датские ученые провели подсчет всех несчастных случаев в сфере энергетики, и выяснили, что безопаснее атомной энергии только биотопливо. Из 180 тысяч смертей, зарегистрированных с середины XX века, больше всего связаны с гидроэнергетикой, а именно с прорывами плотин.

Одно только загрязнение воздуха от сжигания ископаемого топлива ежегодно приводит к смерти миллионов людей (по разным подсчетам, от одного до почти девяти). Эти и другие последствия углеродной энергетики не производят впечатления, ибо неочевидны. Чтобы придать им зримую форму, в 2013 году исследователи из Колумбийского университета высчитали такой показатель, как «смерть на тераватт в час». У угля он, например, составляет 29; если считать только для Китая — 77. В то же время атомная генерация убивает всего 0,07 человека на тераватт в час, а с 70-х годов она сохранила жизнь почти двум миллионам жителей планеты. 

Мало того, в угле содержатся радиоактивные частицы, которые при горении попадают в воздух, поэтому уровень радиации вблизи угольных предприятий, как правило, выше, чем вокруг АЭС, и уж точно выше, чем вокруг склада ядерных отходов. Радиоактивные отходы — еще одна тема, покрытая мифами. Ядерное топливо чрезвычайно энергоемкое, поэтому нужно его очень мало: одна топливная таблетка из урана производит столько же энергии, сколько тонна угля или 480 кубометров природного газа. Поэтому если собрать все ядерное топливо, использованное, например, в США за последние 60 лет, оно заполнит одно футбольное поле на высоту меньше 10 метров.

Ядерные отходы подвергают специальной обработке, а затем временно складируют в безопасном месте, чтобы потом захоронить окончательно. Сейчас в Финляндии и Швеции на глубине 500 метров под землей как раз строят могильники, в которых отработанное ядерное топливо будет храниться на протяжении сотен тысяч лет. В отличие от других отраслей промышленности, именно атомная отрасль единственная несет полную ответственность за все свои отходы — в ее случае, это только радиоактивный мусор. Кстати, радиоактивное загрязнение легко измерить, чего не скажешь об ущербе от химической промышленности или о загрязнении воздуха, воды и почвы при сжигании ископаемого топлива. 

Солнце, ветер и атом 

Тем не менее с 1996 года доля атомной энергии в глобальном производстве электричества постепенно снижается. И дело здесь не столько в общественном страхе, сколько в том, что атомные электростанции стареют, а строить новые долго и дорого. Срок службы ядерных реакторов составляет от 20 до 40 лет; сегодня в мире работают 440 реакторов, их средний возраст — 31 год, причем каждый пятый уже старше 40 лет. 

На стадии строительства находятся еще полсотни энергоблоков, правда, сооружение традиционной АЭС стандартных размеров занимает лет пятнадцать и может потребовать до 10 млрд долларов. Современные ядерные технологии в теории должны упростить строительство и снизить затраты, но пока существуют в форме пилотных проектов и стоят еще дороже.

Например, сегодня сразу несколько стран тестируют реакторы нового поколения — малые модульные реакторы (ММР). Они гораздо меньше традиционных АЭС, поэтому на их возведение уходит в два раза меньше времени; их можно расширять, постепенно добавляя новые модули, что сокращает расходы на первых порах. ММР работают на уране-238 и производят меньше отходов, а еще они безопаснее традиционных реакторов, хоть и вырабатывают в 100 раз меньше энергии (правда, все равно в 10 раз превышая мощность ветряной турбины в ветреный день).

Пока же сравнительно низкая стоимость возобновляемых источников энергии все больше привлекает политиков и инвесторов. На основе прошлогоднего отчета о состоянии мировой атомной индустрии можно судить о том, сколько сегодня стоит производить электричество из разных энергоресурсов на всем жизненном цикле. Самая высокая усредненная стоимость — у атомной генерации, которая в последние годы только дорожает; самая низкая — у ветряной и солнечной энергетик, которые за последние 10 лет подешевели на 70% и 90% соответственно. 

Мы пока не умеем копить и хранить такую энергию, поэтому как бы дешево ни стоило строительство ветряка или солнечной фермы, полагаться на них рано. Есть надежда, что вскоре человечество изобретет подходящую аккумуляторную технологию, а до тех пор пробелы в энергоподаче от возобновляемых ресурсов будет закрывать какое-нибудь традиционное топливо, зачастую ископаемое. 

Ядерный реактор, в свою очередь, работает бесперебойно и без парниковых выбросов, а дорогостоящее строительство АЭС искупают довольно низкие затраты на ее обслуживание. В 2020 году в совместном докладе Агентство по ядерной энергии и Международное энергетическое агентство заявили, что с поправками на новые технологии в ближайшие годы атом станет самой дешевой технологией низкоуглеродной и одновременно управляемой генерации. 

Для тех, кто все равно предпочитает возобновляемые ресурсы: атомная энергетика хорошо интегрируется с ними в гибридную энергосистему и уж точно лучше других подходит на роль переходного источника энергии. Например, Китай, который планирует снизить парниковые выбросы до нуля к 2060 году, активно строит АЭС, замещая ими ископаемое топливо. Более реалистичный план ЕС по достижению климатической нейтральности тоже частично опирается на мирный атом: в начале февраля там одобрили ядерную энергию и природный газ в качестве переходных вариантов — от ископаемого топлива к чистой энергии.

Вместо российского газа

Сегодня в Европе на ядерном топливе производят около 25% всего электричества. На фоне пост-ковидного энергетического кризиса некоторые страны ЕС уже с любопытством присматривались к атомной отрасли; теперь, когда Еврокомиссия внесла ее в свою «зеленую» таксономию, АЭС явно получат дополнительную поддержку. Новые энергоблоки подпадут под определение «экологически устойчивых», если их строительство одобрено до 2045 года, а к проекту прилагается детальный план по захоронению радиоактивных отходов. 

Уже работающие АЭС должны с 2025 года перейти на так называемое толерантное топливо (accident-tolerant fuel). Это еще одна передовая технология, которая позволяет снизить риски внештатных ситуаций, например, в случае повреждения реактора. Такое топливо будет выдерживать больший жар и влажность и сможет на 30% повысить энергоэффективность генерации, что означает — меньше отходов и ниже цена. Проблема в том, что противоаварийное топливо пока находится на стадии тестирования и к 2025 году вряд ли появится на рынке. 

Предложение «озеленить» атомную промышленность в ЕС обсуждалось горячо. Ядерные реакторы — давний источник противоречий в блоке: хотя большинство стран считают их лучшим переходным вариантом, некоторые в корне не согласны и предпочитают природный газ. 

Первый лагерь представляет Франция, уже покрывающая 70% внутреннего спроса на электроэнергию с помощью атомной генерации. Ее поддерживает Финляндия, только что открывшая долгожданную новую АЭС, Швеция, Польша, Венгрия, Чехия и другие страны ЕС. В этом году Франция в очередной раз объявила об увеличении атомных мощностей: в стране хотят построить шесть новых реакторов и инвестировать в те самые малые модульные реакторы. В Великобритании, где доля атомной генерации составляет 17%, тоже считают что без расширения этой отрасли климатических целей не добиться, и потому готовятся соорудить два десятка ММР.

По другую сторону баррикад — Германия, которая голосует за газ. Несмотря на то, что и техника, и персонал немецких АЭС считаются одними из лучших в мире, после аварии на Фукусиме правительство объявило о сворачивании национальной ядерной программы. Последние три реактора остановят работу в этом году. Решение немецких политиков было вновь продиктовано эмоциями их избирателей и явно нецелесообразно экономически: закрывать уже построенные и исправные АЭС — значит лишать себя самой дешевой энергии из категории «стабильная + безуглеродная». Кстати, энергии, которую Германия теперь импортирует с французских АЭС.

Дания, Австрия, Португалия и Люксембург тоже выступают против атомной энергетики, в том числе, из-за спорной темы хранения радиоактивных отходов; Австрия и Люксембург уже пригрозили подать на Европейскую комиссию в суд. В основном претензии к нынешнему предложению связаны с тем, что оно лицемерно включает в перечень «зеленых» ресурсов ископаемый природный газ. 

Но есть и те, кто боится, что новые правила отвлекут европейскую экономику от вложений в возобновляемую энергию. «Если можно, я хотела бы заявить о попытке ограбления, — заявляет Ариадна Родриго, активистка кампании по устойчивому финансированию европейского «Гринпис». — Кое-кто пытается украсть миллиарды евро у возобновляемой энергетики и спустить их на технологии, которые либо никак не помогают бороться с климатическим кризисом (вроде атомной энергии), либо активно усугубляют проблему (вроде природного газа)». 

Однако комиссар ЕС по финансовым вопросам Мейрид Макгиннес подчеркивает, что в новой таксономии оба источника энергии четко названы переходными и призваны помочь европейской экономике полностью перестроиться на возобновляемые ресурсы. При этом очевидно, что именно газ, а не атом, должен был стать главным проводником «зеленого» перехода в Европе, ведь до начала российского вторжения он казался гораздо более простым и доступным энергоресурсом. 

Будущее атома

С началом войны в Украине многие европейские страны помимо декарбонизации задумались еще и о собственной энергетической безопасности. Евросоюз импортирует из России почти половину нужных ему энергоресурсов: газа, нефти, угля. Он бы рад перепрыгнуть через ступеньку — сразу заместить весь этот объем солнечными панелями и ветряками — но снова встает проблема с хранением. В такой ситуации дешевле всего откатить назад вплоть до угля или начать покупать сжиженный газ на Ближнем Востоке, чем и занимается, например, Германия. 

В марте Международное энергетическое агентство выпустило для Евросоюза рекомендации по снижению зависимости от российского газа, посоветовав ему сделать упор на атомную и биоэнергетику. В том же направлении мыслит Борис Джонсон, заявивший, что Великобритания теперь будет строить по одному ядерному реактору в год (а не в десятилетие, как предполагалось), чтобы больше никогда не «стать жертвой шантажа со стороны таких людей, как Владимир Путин».

У Словении, которая и так вырабатывает треть своего электричества на АЭС, до войны был выбор: построить новый реактор или гибридную энергетическую установку, которая сочетала бы природный газ с возобновляемыми ресурсами. После войны выбора не осталось. Польша и страны Балтии тоже подумывают о строительстве АЭС, но не ради борьбы с сегодняшним кризисом — темпы строительства энергоблоков здесь не в помощь — а ради энергетической независимости в будущем. 

Сейчас продлить срок их эксплуатации настолько выгодно, что на это пошла даже Бельгия, собиравшаяся свернуть все атомные предприятия к 2025 году (еще одно обещание, данное после Фукусимы). В самой Японии доля атомной генерации до 2011 года составляла 30% и должна была расти — после трагедии произошло обратное. Сегодня все реакторы в стране проходят проверку по новым стандартам безопасности, перезапущена только треть. Но в свете последних событий даже японские политики торопятся вернуться к теме атомной энергии; общественная поддержка перезапуска АЭС тоже растет. 

Вообще, не только в Европе — во всем мире энергетический кризис разворачивает страны лицом к атомной энергии. Ее крупнейший производитель, США, спонсирует строительство реакторов, в том числе, в Бразилии, Кении и Индонезии; Франция согласовывает строительство шести энергоблоков в Индии. Пока что Азия — единственный регион мира, где атомная генерация набирает обороты: ни один другой источник чистой энергии не в состоянии удовлетворить спрос бурно развивающихся стран на электричество. Вьетнам пока размышляет, Филиппины и Сингапур присматриваются к ММР, Южная Корея планирует удвоить атомные мощности и довести их до 30% энергобаланса. 

Самые впечатляющие перспективы, как водится, у Китая. В данный момент там строят больше реакторов, чем в любой другой стране, и в ближайшие годы планируют построить еще как минимум 150. В Китае активно экспериментируют с теми самыми малыми модульными реакторами. На майском форуме в Давосе генеральный директор Международного агентства по атомной энергии Рафаэль Мариано Гросси пообещал, что они будут безопаснее, дешевле и лучше подходить для объединения в гибридную энергосистему с возобновляемыми ресурсами. 

Атомная энергетика такая же чистая, как возобновляемая, и такая же надежная, как ископаемое топливо, но ей не хватает технологического прогресса, чтобы эти преимущества заиграли всеми красками. Несмотря на то, что недавно группа европейских парламентариев выступила против внесения газа и урана в список устойчивых источников энергии, предложение Еврокомиссии скорее всего будет одобрено парламентом, и атомные станции войдут в «зеленую» таксономию Евросоюза. Европа во многом является первопроходцем — в том числе, в энергетике — и со временем на ее опыт разделения энергии на «чистую» и «грязную» наверняка будет опираться весь мир.