Роль ядерной энергии в производстве электричества

Обзор отрасли: ядерная энергетика

Роль ядерной энергии в производстве электричества

Энергия атома на сегодняшний день является одним из наиболее спорных источников энергии. Повсюду продолжается бурная дискуссия между сторонниками и противниками АЭС. В таких европейских странах, как Швеция и Германия, «зеленые», похоже, одержали важную победу, добившись свертывания ядерной программы. Однако в других государствах, особенно в Азии, эти программы успешно развиваются.

Изначально ядерная энергетика являлась побочным продуктом военных технологий и ее развитие субсидировалось государством. Несмотря на то, что ядерный реактор впервые был создан еще в 1942 г., коммерческое использование энергии ядра началось только в 50-х годах. Тогда же появились и первые АЭС, но до 70-х годов они не находили широкого применения.

Эра расцвета ядерной энергетики приходится на 70-е годы. Нефтяной кризис 1973 г. поставил развитые страны перед необходимостью обеспечения энергетической безопасности, в том числе за счет выбора дешевых и доступных источников энергии, а также их диверсификации. Всем этим критериям удовлетворяла ядерная энергетика. Ее доля в общем объеме производства электроэнергии в странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) возросла с 5% в 1974 г. до 25% к середине 90-х годов. Доля же нефти в производстве электроэнергии за тот же период упала с 25% ниже 10%.

В 70-х годах казалось, что ядерная энергетика - это энергетика будущего. Однако аварии (на станции Three Mile Island в США в 1979 г. и на Чернобыльской АЭС в 1986 г.) вызвали громкий протест широкой публики против ядерной энергетики. К тому же рост цен на энергоносители оказался не таким значительным, как предсказывали в 70-х годах. Явного экономического преимущества ядерной энергии по сравнению с традиционными видами топлива уже не было. Кроме того, ужесточение требований к безопасности работы атомных станций привело к росту стоимости производимой энергии. В результате ядерная программа в некоторых странах начала сворачиваться и темп строительства ядерных объектов был замедлен. Если в 70-е годы производство электроэнергии в мире атомными станциями росло со среднегодовым темпом 19%, то в 80-е годы прирост замедлился до 10,5%, а в 90-е упал до 2,3%. Тем не менее сегодня ядерная энергетика является существенным фактором экономической жизни многих стран, а ее доля в общем объеме производства электроэнергии в мире составляет 16%.

На сегодняшний день основным топливом для атомных станций является уран, точнее его изотоп уран-235. По распространенности в земной коре уран можно сравнить с цинком. Его концентрация в среднем составляет 0,00014%. Но в урановой руде, используемой для промышленного производства урана, его концентрация может достигать 2%.
Распределение природных запасов урана в мире

Страна	U₃O₈ (т)	% к мировым
Австралия	889000	27
Казахстан	558000	17
Канада	511000	15
Южная Африка	354000	11
Намибия	256000	8
Бразилия	232000	7
Россия	157000	5
США	125000	4
Узбекистан	125000	4
Всего в мире	3340000

Источник: Uranium Information Center
Ядерное топливо, как и традиционные виды топлива, относится к невозобновляемым источникам энергии. Ежегодное промышленное потребление урана в мире составляет около 60 тыс. т. Разведанные же запасы этого вещества составляют 3,340 млн т. Таким образом, при сохранении нынешнего уровня потребления запасами урана человечество обеспечено всего на 50 лет.
Запасы и потребление ископаемых источников энергии в 1999 г.

Сырье	Запасы	Потребление	R/P (лет)
Нефть (млн т)	140400	3450	41
Газ (млрд куб. м)	146430	2330	63
Уголь (млн т)	984211	4300	230

Источник: BP Amoco
Обеспеченность человечества ураном сопоставима с обеспеченностью нефтью и газом. Однако уран уже сегодня имеет значительное преимущество перед традиционными видами топлива. В качестве ядерного топлива можно использовать не только уран-235, концентрация которого в природном уране составляет менее 1%, но и плутоний-239, который в природе не встречается. Производится плутоний в ядерном реакторе из изотопа уран-238, ранее не находившего применения в качестве атомного топлива. Однако сегодня не только разработана технология, но уже и созданы специальные реакторы на быстрых нейтронах, использующие в качестве топлива плутоний.

Применение в качестве реакторного топлива плутония увеличивает ядерные энергетические ресурсы в 60 раз, т.е. на 3000 лет при текущих темпах потребления атомной энергии. Сегодня в мире работает 6 реакторов на быстрых нейтронах, в том числе 3 в России. При этом в коммерческой эксплуатации находится два из них: российский БН-600 на Белоярской АЭС и французский реактор Phоenix. Первый эксплуатируется с 1980 г., а второй - с 1973 г. Тем не менее широкое применение реакторов на быстрых нейтронах сдерживается более высокой их стоимостью по сравнению с обычными типами реакторов.

Атомная энергетика на сегодняшний день получила широкое распространение в мире. В 1999 г. атомными станциями было выработано 2480 млрд кВт/ч. электроэнергии, на АЭС установлено 440 реакторов.

Ядерная энергия для коммерческого использования вырабатывается в 31 стране мира. В ближайшее время этот клуб пополнится Ираном, который запустит свою первую станцию в Бушере. Строительство атомных станций планируется еще в 3 странах (в Египте, Индонезии и Северной Корее). Правда, одновременно с этим некоторые страны сокращают свои ядерные программы. Так, о закрытии в ближайшее время своих АЭС заявили Швеция и Литва. К 2030 г. Германия тоже может закрыть атомные станции. Но, учитывая отдаленность этого события и то, какую долю ядерная энергия занимает в энергобалансе Германии сегодня, реализация этого решения ставится под сомнение.

Доля различных источников энергии для производства электричества в мире

по данным Uranium Information Center

Доля атомной энергии в электроэнергетике разных стран мира

по данным Uranium Information Center

В некоторых странах ядерная энергетика приобрела доминирующее положение. Для 16 стран доля ядерной энергии в общем объеме производства электроэнергии превышает 30%. На рис. 3 представлены 10 крупнейших стран-производителей ядерной энергии.
10 стран - крупнейших производителей ядерной энергии

по данным Nuclear Energy Institute

Экономическая эффективность ядерной энергии

Преимущество ядерной энергетики по сравнению с традиционными технологиями, используемыми для производства электричества, заключается прежде всего в низких операционных издержках АЭС и дешевизне ядерного топлива. При нынешней цене природного урана - около 25 долл. за кг после его обработки и обогащения - стоимость 1 кг ядерного топлива составляет примерно 800 долл. Этого количества достаточно для производства 315 тыс. кВт/ч электроэнергии. Таким образом, стоимость произведенной энергии составляет всего 0,26 центов за кВт/ч.

В последние годы стоимость производства электричества из всех видов топлива неуклонно снижалась. Небольшое увеличение операционных расходов атомных станций в середине 80-х годов связано с тем, что после аварий на Three Mile Island и в Чернобыле возросли требования к безопасности эксплуатации станций и, следовательно, расходы на соответствующие мероприятия.

Операционные издержки (эксплуатация плюс стоимость топлива) производства электроэнергии в США из различных видов топлива в ценах 1998 г.

по данным US Utility Data Institute

Однако тариф на электроэнергию определяется не только операционными, но и капитальными расходами. А ядерная энергетика имеет наибольшие капитальные затраты по сравнению с альтернативами. Необходимо также учитывать, что капитальные затраты ядерной энергетики включают не только стоимость строительства станции, но и расходы по утилизации отходов и демонтажу атомной станции после окончания ее эксплуатации. Но, несмотря на существенные капитальные издержки, ядерная энергетика доказала свою жизнеспособность даже в условиях конкурентного рынка электроэнергии.

При проведении реформы электроэнергетики в Великобритании, которая явилась пионером в области либерализации электроэнергетического рынка, будущее АЭС оказалось под вопросом. Так как ядерная программа опиралась главным образом на поддержку государства, то капитальные затраты при строительстве и эксплуатации атомных станций оказались чрезмерными. В условиях конкурентного рынка компенсировать эти издержки, которые были названы stranded cost, было невозможно. Перед правительством стояла задача их компенсации. В результате в 1990 г. был введен 10%-ный дополнительный налог на электроэнергию в пользу АЭС, который был отменен в 1996 г. после приватизации. Однако другие страны (Финляндия, Швеция, Голландия) при переходе к конкурентному рынку избежали проблемы stranded cost и их атомные электростанции успешно работают на рынке.

Причиной продуктивной работы атомных станций на конкурентном рынке являются низкие предельные издержки, которые ниже цены электроэнергии. Благодаря этому атомные станции используются как базовые для покрытия основной нагрузки в сети, что позволяет им вырабатывать большее количество энергии и, соответственно, получать больше выручки.

Стоимость вырабатываемой АЭС энергии различается в зависимости от технологии станции и ее местоположения. В США средняя стоимость ядерной электроэнергии составляет 2,1 цента за кВт/ч. Однако для некоторых АЭС стоимость может составлять 1,1 цента. При этом в 1987 г. средняя стоимость энергии составляла 3,12 цента за кВт/ч. В Великобритании стоимость производства электроэнергии на АЭС снизилась с 4,5-5 пенсов за кВт/ч перед началом реформ до нынешнего уровня - менее 2 пенсов. Тарифы же для промышленных потребителей в США составляют 4 цента, а в Великобритании - около 4 пенсов за 1 кВт/ч.

Как показывает практика, ядерная энергетика конкурентоспособна по сравнению с традиционной тепловой генерацией. Исследования, проведенные концерном Siemens, одним из ведущих производителей ядерного оборудования, показали, что при использовании реакторов типа EPR мощностью 1550 МВт и SWR-1000 стоимость производства электроэнергии (с учетом капитальных издержек) составит
2,6 евроцента за 1 кВт/ч (при 8% дисконте), а после амортизации оборудования - 1,5 евроцента. Для сравнения: стоимость производства на газовой станции составляет
2,5 евроцента за 1 кВт/ч.

Особенно примечательными являются показатели финской ядерной энергетики. По сравнению с другими генерирующими предприятиями этой страны стоимость строительства АЭС (1749 евро за1 кВт установленной мощности) примерно в 3 раза превышает стоимость строительства газовых станций. Однако при коэффициенте используемой мощности более 64% атомное электричество становится самым дешевым. При коэффициенте установленной мощности в 80% стоимость производства на атомной станции составляет 2,36 евроцента за кВт/ч, тогда как стоимость производства на газовой станции - 2,69 евроцента, на угольной - 2,54, а на торфяной - 3,26 евроцента. При увеличении коэффициента используемой мощности до 90%, что сейчас является нормой для финских станций, стоимость производства на атомных станциях снижается до 2,15 евроцента, на угольных - до 2,41, а на газовых - до 2,61 (норма дисконта принималась равной 4,5%).

Ядерная энергетика не может конкурировать с традиционной только в регионах, где малы издержки добычи энергоресурсов. Примером может служить Австралия с огромными запасами дешевого угля. Именно по этой причине в Австралии, несмотря на большие запасы урана, не развивается ядерная энергетика.

Разброс цен на энергию показывает, что станции с более высокой стоимостью имеют возможность повысить эффективность производства. Перечислим основные факторы, способствующие повышению эффективности АЭС:

Увеличение коэффициента используемой мощности.

Средняя стоимость производства электроэнергии на АЭС в США

Квартиль	Стоимость (центов за 1 кВт/ч.)	Средний коэффициент используемой мощности (%)
1	1,43	88,5
2	1,69	86,3
3	2,04	83,4
4	3,88	60,1

Источник: Nuclear Energy Institute
Из таблицы следует, что стоимость производства обратно пропорциональна загрузке станции. Сегодня коэффициент используемой мощности более 2/3 реакторов в мире превышает 75%, тогда как в 1992 г. этот показатель составлял 67%. Лучшими в этом отношении являются финские АЭС, где средний коэффициент равен 95%. Для японских реакторов он составляет более 80%, а для французских - 71,2%.

Увеличение объема производства. Этот вывод непосредственно следует из увеличения коэффициента используемой мощности. Во всех странах, где была проведена либерализация рынка электроэнергии, производство энергии на АЭС выросло (например, в Великобритании). Одной из причин удешевления ядерной электроэнергии был рост ее производства (на старых мощностях) с 41 млрд кВт/ч в 1992 г. до 67 млрд кВт/ч в 1997 г.

Снижение операционных издержек. Достигается путем более рационального распределения ресурсов и применения новых технологий. К примеру, после либерализации энергетического рынка в Великобритании количество служащих атомных станций уменьшилось с 8200 до 5000 человек. Текущие капитальные расходы атомных станций в США снизились с 60-70 долл. за 1 кВт установленной мощности в год в середине 80-х годов до 20-30 долл. в 90-х годах. Улучшение технологии позволило более эффективно использовать ядерное топливо. Так, на реакторах фирмы Siemens количество энергии, получаемой из 1 кг топлива, увеличилось с 30 МВт*дней в 1974 г. до 45 МВт*дней в 1998 г.

К этой же категории можно отнести сокращение цикла перезагрузки топлива, что также достигается совершенствованием технологии. К примеру, в США средний период перезагрузки топлива в 1990 г. составлял 78 дней. В 1998 г. этот процесс в среднем занимал 48 дней, а на некоторых станциях производится менее чем за 25 дней.

В будущем повышению относительной эффективности атомных станций может способствовать ужесточение экологических требований. Мы уже упоминали, что в стоимость ядерного электричества уже включены издержки по утилизации отходов. Тепловые же станции сегодня подобных расходов не несут. Но в связи с требованиями по сокращению выбросов двуокиси углерода в атмосферу экологические требования к тепловым электростанциям, прежде всего угольным, будут повышены. Это неминуемо приведет к росту стоимости производства электроэнергии на тепловых станциях и к повышению конкурентоспособности АЭС. Уже сейчас ужесточение экологических норм приводит к росту расходов на очистку выбросов. Так, с 1987 г. по 1998 г. затраты на экологические мероприятия американских энергокомпаний возросли с 3 млрд долл. до 6 млрд (в ценах 1993 г.). Ожидается, что в ближайшие 10-15 лет ежегодные расходы достигнут почти 22 млрд долл.
Продление срока службы реакторов. Первоначально предполагалось, что ядерные реакторы будут эксплуатироваться в течение 40 лет. Но благодаря совершенствованию технологии срок службы реакторов может быть продлен до 60 и даже до 70 лет. Продление срока службы, естественно, требует дополнительных капитальных затрат, однако эти затраты существенно меньше, чем при строительстве новых станций (примерно 300 млн долл. и около 2 млрд долл. соответственно). Заметим, что первые британские АЭС, построенные в 50-х годах, - Calder Hall и Chapelcross - до сих пор находятся в эксплуатации, хотя первоначально планируемый срок их работы составлял 20 лет.

Еще одно преимущество атомных станций перед обычными тепловыми - малая чувствительность к изменению цены топлива. На рис. 5 дан график изменения стоимости производства электроэнергии при изменении цены топлива (расчеты проводились для финских электростанций).

Изменение стоимости производства электроэнергии при изменении стоимости топлива

по данным Uranium Information Center

Увеличение стоимости ядерного топлива в 2 раза приведет к росту цены на электроэнергию на 9%, тогда как аналогичные изменения для угля приведут к удорожанию электроэнергии на 31%, а для газа - на 66%.

Ядерная энергия и экология

Главный аргумент противников ядерной энергетики - экология. Безусловно, последствия аварии на АЭС могут быть катастрофическими. Но ведь использование традиционных источников также не является безопасным с экологической точки зрения. Из 30 г ядерного топлива может быть получено 8000 кВт/ч электроэнергии. При этом масса высокоактивных отходов тоже будет составлять 30 г. Однако эти отходы легко собрать и потом переработать в 20 мл жидкости и 6 г стекла, после чего останется только найти место для их захоронения. Для получения же того же количества электроэнергии из традиционных источников понадобится от 3,5 до 9 т угля. Отходы могут составить до 8 т диоксида углерода и несколько сот килограммов диоксида серы, которые будут выброшены в атмосферу, способствуя созданию парникового эффекта и образованию кислотных дождей.

Таким образом, опасность для экологии от использования ядерной энергии остается в значительной степени гипотетической. Заражение окружающей среды произошло только один раз - при Чернобыльской аварии, а при аварии на Three Mile Island радиация не вышла за пределы станции. С тех пор на атомных станциях были значительно усилены меры безопасности, что снизило риск повторения инцидентов.

При использовании же традиционных источников энергии происходит перманентный выброс в атмосферу вредных веществ, которые разносятся ветром на значительные расстояния. Традиционные источники энергии также являются причиной техногенных катастроф, при которых погибают люди. Это и взрывы метана на угольных шахтах, и разрывы нефтепроводов и газопроводов, и аварии нефтеналивных танкеров, при которых не только гибнут люди, но и происходит заражение окружающей среды нефтепродуктами.
Количество непосредственных смертей от техногенных катастроф в различных отраслях энергетики

Источник энергии	Число смертельных случаев (1970-92 гг.)	Категория пострадавших	Кол-во смертей на 1 ГВт*год электроэнергии
Уголь	6400	Рабочие	0,32
Природный газ	1200	Рабочие и население	0,09
Гидроэнергетика	4000	Население	0,8
Ядерная энергия	31	Рабочие	0,01

Источник: Uranium Information Center
Как видно из статистических данных, даже гидроэнергетика может нести смерть людям. Но в современном мире человечество не может жить без энергии, поэтому необходимо не запрещать тот или иной источник энергии, а применять меры для минимизации вероятности аварии.

Ядерная отрасль России

В России сегодня работает 9 АЭС, на которых эксплуатируется 29 реакторов. 8 электростанций объединены в государственный концерн "Росэнергоатом", а Ленинградская АЭС является независимым производителем энергии. Общая установленная мощность российских АЭС составляет около 21,2 ГВт, или около 11% от всех генерирующих мощностей России. Однако доля атомных станций в российской энергетике выше. В 1999 г. российские АЭС произвели 122 млрд кВт/ч электроэнергии, или 14% от общего объема производства. Прирост производства энергии на АЭС в 1999 г. составил 15,7%, в то время как по отрасли в целом этот показатель был равен 2,2%. В 2000 г. атомные станции продолжали наращивать производство и за 11 месяцев произвели 116,6 млрд кВт/ч электроэнергии, что на 7,4% больше прошлогоднего показателя. Прирост был достигнут за счет увеличения коэффициента использования мощности, который в 2000 г. составил около 68% (в 1999 г. - меньше 65%).

Экономический рост в стране и трудности основного производителя электроэнергии в России РАО "ЕЭС" с обеспечением ресурсами топлива предполагают, что значение ядерной энергетики в России в ближайшее время возрастет. Руководители "Росэнергоатома" планируют довести долю российских АЭС в производстве электроэнергии до 20-25%, в том числе за счет ввода новых мощностей. Уже скоро будет запущен в строй первый блок Ростовской АЭС. Будут продолжены работы еще на четырех блоках, а именно на 5-м Курской АЭС, 3-м Калининской АЭС, 2-м Ростовской АЭС и 5-м Балаковской АЭС (степень готовности первых двух блоков превышает 80%). Введение в строй этих пяти объектов позволит увеличить годовую выработку электроэнергии на 50-55 млрд кВт/ч. Темп ввода новых объектов будет зависеть от финансирования строительства. По оценке Минатома, объем средств, необходимых для завершения строительства этих блоков, составляет 2,5 млрд долл.

Вопрос о денежных средствах для атомных станций стоит еще более остро, чем для всей российской электроэнергетики. При отпускном тарифе менее 21 коп. за 1 кВт/ч ядерная энергетика всегда получала оплату по остаточному принципу, так как в силу структуры отрасли все платежи потребителей проходят через РАО "ЕЭС". Еще в начале 2000 г. доля "живых" денег в оплате атомным станциям составляла всего 20-25%, тогда как само РАО получало от потребителей деньгами до 60%. К концу года ситуация стала улучшаться и доля "живых" денег была доведена до 60%. Тем не менее атомщики не удовлетворены нынешней ситуацией и требуют повышения денежной составляющей в расчетах. Кроме того, Минатом настаивает на повышении тарифа до 1 цента за 1 кВт/ч.

Намечаемые изменения в российской электроэнергетике должны благотворно сказаться на атомных станциях. Либерализация рынка электроэнергии даст значительные преимущества атомщикам из-за низкой стоимости энергии по сравнению с тепловыми станциями. Сегодня для некоторых АЭС отпускной тариф составляет менее 18 коп. за 1 кВт/ч. Кроме того, превращение РАО "ЕЭС России" в сетевую компанию и выделение из нее генерирующих мощностей устранит дискриминацию атомных станций при оплате электроэнергии, т.к. в этом случае для оператора энергорынка все субъекты будут равны и не будет «своих» электростанций. К тому же свободный рынок электроэнергии позволит АЭС непосредственно продавать электроэнергию потребителям, минуя посредников, что также должно благотворно сказаться на финансовом состоянии атомных станций. Неминуемое повышение цены газа при дальнейшей либерализации российской экономики негативно отразится на стоимости производства энергии тепловыми станциями, что также повысит относительную конкурентоспособность АЭС.

Будущая организационная структура российских АЭС после реформирования отрасли до сих пор не определена. Минатом выступает за объединение всех станций, в том числе Ленинградской АЭС, в единую акционерную энергокомпанию. Также есть мнение развести станции в 3-4 независимые компании.

Заключение

Сегодня человечество нуждается в энергии, особенно электрической. По оценкам, к 2020 г. потребление энергии по сравнению с 1980 г. удвоится, а потребление электроэнергии утроится. При этом в ближайшее время не предвидится появления абсолютно экономически приемлемых и экологически чистых источников энергии. Это означает, что человечеству придется пользоваться теми же источниками энергии, что и сегодня. И среди них по-прежнему будет ядерная энергетика. Как мы видели, АЭС оказываются вполне конкурентоспособными в условиях рынка электроэнергии.

Кроме того, атомная энергетика оказывается единственным надежным источником энергии в странах, где запасы ископаемого топлива незначительны. Это относится прежде всего к государствам Юго-Восточной Азии. До 2007 г. в этом регионе планируется ввести в эксплуатацию 18 ядерных реакторов, а всего в мире за этот период будет запущено 34 новых атомных блока. Особенно интенсивно ядерная программа развивается в Китае. Сейчас в этой стране функционирует всего 3 ядерных энергоблока, но в ближайшее время будет запущено 8 новых реакторов. При этом Китай нельзя назвать страной, обделенной природными ресурсами.

Человечество обречено на использование атомной энергии, которая в XXI веке приобретет еще большее значение в экономике многих стран.