Что означает переход к экологически чистой энергии и какая роль в нем отводится ядерной энергетике

Чтобы поддерживать повседневную жизнь людей и способствовать гуманитарному и экономическому развитию, миру необходима энергия. В 2019 году во всем мире было выработано больше 26 000 тераватт-часов электроэнергии. Электроэнергия вырабатывается в результате использования различных источников энергии, в основном органического топлива, но также и ядерных реакций и возобновляемых источников, к которым относится, например, энергия солнца, воды и ветра.

Производство и использование энергии, в свою очередь, представляет собой крупнейший в мире источник выбросов парниковых газов. Так как парниковые газы являются одним из факторов, обусловливающих изменение климата, страны всего мира ведут активную деятельность в целях перехода к экологически чистой энергии, изменяя свой подход к производству энергии.

В этой статье мы постараемся более подробно рассмотреть, в чем заключается переход к экологически чистой энергии и какая роль при этом отводится ядерной энергетике.

Переход к экологически чистой энергии означает уменьшение в производстве энергии доли источников, при использовании которых выбрасываются большие объемы парниковых газов, например органического топлива, и увеличение доли таких источников, которые предполагают минимальные выбросы парниковых газов или вовсе их отсутствие. К числу таких экологически чистых источников относится ядерная энергия, энергия воды, ветра и солнца.

Направление глобального перехода к экологически чистой энергии было определено в Парижском соглашении — международной договоренности, которая была достигнута при участии более 180 стран, являющихся сторонами Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИК ООН). Главная цель этого соглашения состоит в том, чтобы удержать прирост глобальной средней температуры намного ниже 2°C сверх доиндустриальных уровней за счет содействия использованию источников энергии с низким содержанием углерода в целях уменьшения выбросов парниковых газов.

С учетом того, что примерно две трети всей мировой электроэнергии вырабатывается на основе сжигания органического топлива, по расчетам Международного энергетического агентства (МЭА), для достижения к 2050 году поставленных целей в области борьбы с изменением климата потребуется перевести на низкоуглеродные источники не менее 80% всех генерирующих мощностей.

Парниковые газы — это присутствующие в земной атмосфере газы, способные улавливать и отдавать тепло. К их числу относится углекислый газ, метан, водяной пар, закись азота и озон. Из-за того, что они поглощают тепло и изучают его обратно в сторону Земли, средняя температура на планете возрастает.

Хотя происхождение некоторых парниковых газов связано с естественными источниками, по большей части они накапливаются в результате деятельности людей. Выбросы парниковых газов начали расти со времен промышленной революции в конце 19 века вследствие расширения масштабов человеческой деятельности, преимущественно в результате сжигания органического топлива, например при использовании автомобилей, заправляемых горючим, или сжигании угля для получения тепла. В процессе горения органического топлива высвобождается углекислый газ.

Уже более 100 лет накопление парниковых газов происходит гораздо быстрее, чем их рассеяние, что, согласно большинству признанных научных теорий, ускорят рост глобальной средней температуры. Это явление называется глобальным потеплением.

Глобальное потепление влечет за собой изменения в окружающей среде, например более экстремальные погодные условия, нерегулярное выпадение дождевых осадков, возникновение засухи и нарушение цикла смены времен года. Эти изменения и составляют суть понятия ?изменение климата?. С учетом наблюдаемых сегодня быстрых темпов глобального потепления предполагается, что изменение климата и его последствия приобретут еще более экстремальный характер и осложнят жизнь на нашей планете.

Ядерная энергетика сегодня является вторым по своим масштабам, после гидроэнергетики, направлением, обеспечивающим получение низкоуглеродной энергии, которая используется для выработки электричества. В процессе эксплуатации АЭС выбросы парниковых газов практически отсутствуют. По данным МЭА, благодаря ядерной энергетике за последние 50 лет удалось избежать выбросов углекислого газа в объеме более чем 60 гигатонн, что соответствует объему общемировых выбросов в энергетическом секторе примерно за двухлетний период.

Ядерная энергетика обеспечивает порядка 10% всей вырабатываемой в мире электроэнергии, при этом на нее приходилось около трети всей низкоуглеродной электрогенерации в мире. В настоящее время в 30 странах мира находится в эксплуатации 440 ядерных энергоблоков. В 19 странах ведется строительство еще 54 энергоблоков, в том числе в 4 странах такие энергоблоки сооружаются впервые.

Учитывая, что АЭС способны работать на полную мощность практически без перерывов, они могут обеспечить постоянное и надежное снабжение энергией. В этом заключается их отличие от возобновляемых источников энергии с переменным характером генерации, например солнечных и ветряных электростанций, в случае которых требуются резервные источники энергии, подключаемые на время перерывов в выдаче мощности, например, когда заходит солнце или прекращает дуть ветер.

Кроме того, АЭС могут работать достаточно гибко с учетом колебаний в потреблении энергии и обеспечивать стабильность энергосистем, особенно в том случае, если значительная доля мощностей в их структуре представлена возобновляемыми источниками с переменным характером генерации. Некоторые АЭС в настоящее время проектируются также в целях обеспечения услуг, не связанных с генерацией электроэнергии, например для производства водорода. Эти услуги могут способствовать снижению углеродного следа в других секторах помимо производства электроэнергии.

Дальнейший прогресс в развитии ядерно-энергических технологий приводит к появлению инновационных, усовершенствованных и относящихся к следующему поколению проектов реакторов, которые позволяют сделать ядерную энергетику более эффективным, доступным и привлекательным вариантом достижения целей по декарбонизации. Наступает новая эра ядерных установок, имеющих более компактную, гибкую и, в ряде случаев, допускающую возможность транспортировки конструкцию, и это, как ожидается, также будет способствовать тому, что ядерные энергетические технологии и варианты их неэлектрического применения станут более доступными и экономически эффективными, особенно в случае применения в удаленных и труднодоступных районах земного шара (подробнее здесь).

В основе выработки электроэнергии в ядерной энергетике лежит контролируемое высвобождение ядерной энергии, под которой понимаются ядерные силы, удерживающие вместе центральные части атомов. Эти центральные части называются атомными ядрами. Ядерная энергия высвобождается в конечном счете в форме тепла, в результате реакции ядерного деления, которая представляет собой процесс расщепления ядер определенных материалов. Наиболее часто используемым для этого материалом является уран — слабо радиоактивный тяжелый металл, который естественным образом присутствует в земной коре.

Как правило, уран помещается внутрь тепловыделяющих элементов в форме стержней, обычно после того, как он был подвергнут обогащению для повышения его способности к делению. Эти стержни загружаются в ядерный реактор.

В случае реактора с водой под давлением, который является самым распространенным типом эксплуатируемых сейчас во всем мире ядерных энергетических реакторов, топливные стержни располагаются внутри заполненного водой корпуса реактора. Там топливные стержни бомбардируются частицами ядра, называемыми нейтронами, поток которых изначально генерируется специальным устройством (источником нейтронов) внутри реактора. Эти нейтроны вызывают деление ядер урана, находящегося в топливных стержнях, которое сопровождается выделением энергии и испусканием новых нейтронов. Воздействие этих новых нейтронов приводит к расщеплению других ядер урана, затем процесс повторяется, что порождает цепную реакцию деления ядер.

В реакторах с водой под давлением выделяющаяся в процессе ядерного деления энергия нагревает топливные стержни и окружающую их воду. Вода находится под давлением для предотвращения ее кипения, а ее тепло за счет циркуляции воды с помощью насосов отводится в расположенную рядом емкость для получения водяного пара. Получаемый в результате кипения воды пар, в свою очередь, приводит в движение гигантскую турбину, которая вращается с очень большой скоростью. Турбина соединена с генератором, который также приводится во вращательное движение и вырабатывает электрический ток. Электрический ток поступает в энергосистему, которая представляет собой объединенную сеть для доставки электроэнергии от производителей к потребителям.

Деление ядер в реакторе продолжается до тех пор, пока в набор топливных стержней не будут введены регулирующие стержни, которые изготавливаются из материала, способного поглощать нейтроны без возникновения дальнейших процессов деления, например кадмия. В этом случае цепная реакция деления ядер прекращается.