Ядерная энергетика

Хотя в ближайшие два десятилетия применение угля будет снижаться, а возобновляемые источники энергии будут развиваться, увеличение совокупного вклада нефти и газа в глобальное производство энергии будет следовать тенденции, аналогичной тенденции последних двух десятилетий. Тенденция чрезмерной зависимости от ископаемого топлива для производства энергии угрожает устойчивости самой жизни. Ископаемые виды топлива не только неравномерно распределены и быстро истощаются, но и нарушают экологический баланс, необходимый для существования [3]. Изменение климата и энергетическая безопасность стали самыми большими проблемами нынешнего века. В настоящее время общепризнано, что, если не будут предприняты далеко идущие шаги для сдерживания глобального потепления, экономическое развитие замедлится, и мир может двигаться к антропогенной экологической катастрофе [4-6]. Наличие огромной доли ископаемых источников энергии в нестабильном регионе Ближнего Востока создает риски и вызывает опасения у разных стран с точки зрения надежности энергоснабжения и ценообразования [7]. Экологические проблемы и опасения по поводу энергетической безопасности заставляют многие страны изучать альтернативные источники энергии, помимо ископаемого топлива. Как ядерная энергия, так и возобновляемые источники энергии, практически безуглеродные источники энергии, стали перспективными решениями проблем экологической деградации и энергетической безопасности. Следовательно, многие страны начали инвестировать в ядерную и возобновляемую энергию, чтобы: а) уменьшить зависимость от торговли сырой нефтью, б) обеспечить лучшую энергетическую безопасность, в) уменьшить нестабильность цен, связанную с иностранными ископаемыми видами топлива, и г) смягчить экологическую деградацию. [8-9]. Немногие страны, которые в прошлом не были уверены в ядерной энергетике, сейчас также проявляют большую склонность к разработке ядерных реакторов, чтобы диверсифицировать источники энергоснабжения, укрепить энергетическую безопасность и создать безуглеродную альтернативу традиционным видам топлива. В настоящее время во всем мире эксплуатируется 447 атомных электростанций, и к 2035 году будет введено в эксплуатацию 287 новых (в том числе 28 в Японии). Однако будущее энергетики не такое светлое. У атомной и возобновляемой энергетики есть свои проблемы. Возобновляемая энергия не является непрерывной, зависит от географического положения и климатических условий, и требует очень большой площади земли. Несмотря на то, что ядерная энергия является проверенной технологией производства электроэнергии, многие экологические группы и общественность долгое время считали ее непривлекательной. Такое неблагоприятное отношение и опасения связаны с возможностью аварий, приводящих к расплавлению ядерных реакторов. Расплавление реакторов имеет катастрофические социальные и экологические последствия. Отсутствие четкой политики и правил в отношении захоронения радиоактивных ядерных отходов, а также риск использования расщепляющегося ядерного топлива в разрушительных целях, если оно будет направлено радикальным группам. Существуют недостатки и риски, связанные с любым методом производства электроэнергии. Необходимо создать ощущение оптимизации между потребностями в энергии, экономическим ростом, безопасностью и устойчивостью, поскольку у каждого типа источника энергии есть свои компромиссы. В свете получения преимуществ как от ядерной энергии, так и от возобновляемых источников энергии за счет смягчения их отдельных недостатков, новая интегрированная ядерно-возобновляемая энергетическая система была в центре внимания более широкого вопроса энергетических дебатов. Системы возобновляемой энергии редко ставятся под сомнение, в то время как интегрированные ядерно-возобновляемые энергетические системы являются относительно новым явлением.



1. ПРОБЛЕМЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Возобновляемая энергия — это энергия, полученная из естественных и постоянных потоков энергии, происходящих в непосредственной окружающей среде [10]. В настоящее время производство электроэнергии с использованием возобновляемых источников энергии хорошо подготовлено для удовлетворения новых мировых потребностей в электроэнергии. Возобновляемая энергетика ускоряется благодаря политике и стратегиям, направленным на снижение деградации окружающей среды и повышение энергетической безопасности, при этом устойчивое развитие росло самыми быстрыми темпами, и в настоящее время на ее долю приходится более 45 процентов от общего объема добавленной энергии. Широкое внедрение возобновляемых источников энергии продолжает успешно развиваться в странах с формирующейся экономикой, страдающей от нехватки энергии, и лишь немногие страны, такие как Китай и Индия, имеют амбициозные планы. Кроме того, быстрый технологический прогресс, рост новых рынков с лучшими ресурсами и укрепление сценария финансирования за счет государственной политики позволяют более рентабельно внедрять динамические возобновляемые технологии, такие как солнечные фотоэлектрические, солнечно-тепловые установки и наземные ветряные электростанции по всему миру. Однако с ним связаны различные вопросы и проблемы, которые обсуждаются в последующих подразделах.

1.1. Масштабируемость, коммерциализация и сроки
Масштабируемость относится к способности системы или источника выдерживать резкое увеличение производительности или количества пользователей без потери стоимости, производительности, надежности или функциональности. Альтернативные источники энергии должны масштабироваться в течение фиксированного периода времени по конкурентоспособной цене, чтобы в первую очередь зависеть от них при выработке электроэнергии. Различные нетрадиционные источники энергии вроде бы успешно проверены в малых масштабах, однако такие лабораторные проверки не говорят о потенциале применимости этих технологий для производства энергии в больших масштабах. Еще одна проблема связана с переносом науки из лаборатории на рынок или вопросом временного интервала, в течение которого предлагаемый альтернативный источник энергии будет полностью коммерциализирован. Любая технология производства электроэнергии требует много усилий и времени, чтобы увидеть свет рыночных процедур, требующих стандартизации и оптимизации, получения патентов, строительства и оценки пилотных или пробных установок, а также оценки их воздействия на окружающую среду. Типичные временные рамки между лабораторной демонстрацией осуществимости и полномасштабной коммерциализацией производства электроэнергии составляют 20–25 лет. Между тем, динамика потребности в энергии экспоненциально возрастает которую пытаются удовлетворить за счет традиционных источников, таким образом образуя порочный круг.

1.2. Требования к исходным материалам
Возобновляемые источники энергии — это не только высокие первоначальные капиталовложения, но и ресурсы и материалы для устойчивого роста инфраструктуры. Тип и количество требуемого сырья могут даже ограничивать масштабируемость, влиять на стоимость, коммерциализацию и осуществимость любого альтернативного источника энергии. Особенно важны бесперебойные поставки редкоземельных материалов для поддержки новых технологий, связанных с энергетикой. Например, палладий, платина и редкоземельные материалы необходимы для производства топливных элементов. Индий и галлий необходимы для солнечной фотоэлектрической технологии. Литий является неотъемлемым компонентом современных аккумуляторов. Редкоземельные материалы, такие как галлий и индий, требуются даже для энергосберегающих технологий, таких как органические светоизлучающие диоды или светоизлучающие диоды. В случае крупномасштабной интеграции таких альтернативных источников энергии возникнет огромный стресс для получения этих редкоземельных материалов. Тонкопленочная солнечная энергия, например, была одобрена как высокорентабельная, более гибкая и с более широкой применимостью для преобразования солнечной энергии в электричество по сравнению с более старой технологией кремниевых панелей. Тонкопленочная солнечная технология использует индий из-за его уникальных характеристик в настоящее время, однако он также широко используется в качестве элемента мониторов с плоским экраном. Известные запасы индия ограничены, и отчет, основанный на исследовании, проведенном в 2007 году, предсказал, что при нынешних темпах потребления его хватит всего на тринадцать лет [11]. Недавнее исследование также показало, что нехватка минералов, используемых в батареях электромобилей, включая индий, галлий и литий, может спровоцировать торговые войны [12]. В Таблице 1 представлена оценка спроса на сырье для поддержки новых технологий, имеющих отношение к производству энергии во всем мире [13].