Ядерная энергетика – это использование ядерных реакций для производства электроэнергии. Ядерную энергию можно получить в результате ядерного деления, ядерного распада и реакций ядерного синтеза. В настоящее время подавляющее большинство электроэнергии на атомной энергетике производится путем ядерного деления урана и плутония на атомных электростанциях. Процессы ядерного распада используются в нишевых приложениях, таких как радиоизотопные термоэлектрические генераторы в некоторых космических зондах, таких как Вояджер 2. Производство электроэнергии из энергии термоядерного остается в центре внимания международных исследований.
На большинстве АЭС используются тепловые реакторы с обогащенным ураном в прямоточном топливном цикле. Топливо удаляется, когда процент атомов, поглощающих нейтроны, становится настолько большим, что цепная реакция больше не может поддерживаться, обычно через три года. Затем его охлаждают в течение нескольких лет в бассейнах отработавшего топлива на территории площадки, прежде чем перевести на долговременное хранение. Отработанное топливо, хотя и небольшое по объему, представляет собой высокоактивные отходы. Хотя его радиоактивность снижается в геометрической прогрессии, его необходимо изолировать от биосферы на сотни тысяч лет, хотя новые технологии (например, быстрые реакторы) могут значительно снизить это явление. Поскольку отработавшее топливо по-прежнему в основном представляет собой расщепляющийся материал, некоторые страны (например, Франция и Россия) перерабатывают свое отработавшее топливо путем извлечения делящихся и воспроизводящих элементов для изготовления нового топлива, хотя этот процесс дороже, чем производство нового топлива из добытого урана. Все реакторы выделяют некоторое количество плутония-239, который содержится в отработавшем топливе, а поскольку Pu-239 является предпочтительным материалом для ядерного оружия, переработка рассматривается как риск распространения оружия.
Первая атомная электростанция была построена в 1950-х годах. Глобальная установленная ядерная мощность выросла до 100< ГВт в конце 1970-х годов, а затем увеличилась в 1980-х годах, достигнув 300< ГВт к 1990 году. Авария на Три-Майл-Айленде в 1979 году в США США и чернобыльская катастрофа 1986 года в Советском Союзе привели к усилению регулирования и общественной оппозиции атомным электростанциям. Эти факторы, наряду с высокой стоимостью строительства, привели к тому, что к 2022 году мировая установленная мощность увеличилась только до 390 ГВт. В 2019 году эти электростанции произвели 2586 тераватт-часов (ТВтч) электроэнергии, что эквивалентно примерно 10 % мирового производства электроэнергии и являются вторым по величине низкоуглеродным источником энергии после гидроэлектроэнергии. По состоянию на август 2023 года в мире насчитывается 410 гражданских реакторов деления общей мощностью 369 ГВт, 57 строящихся и 102 запланированных общей мощностью 59 ГВт. и 96< ГВт соответственно. Соединенные Штаты обладают крупнейшим парком ядерных реакторов, производящих почти 800 ТВтч низкоуглеродной электроэнергии в год со средним коэффициентом использования мощности 92%. Средний мировой коэффициент мощности составляет 89%. Большинство новых строящихся реакторов относятся к реакторам третьего поколения в Азии.
Сторонники утверждают, что ядерная энергетика является безопасным и устойчивым источником энергии, который снижает выбросы углекислого газа. Это связано с тем, что производство ядерной энергии вызывает один из самых низких уровней смертности на единицу произведенной энергии по сравнению с другими источниками энергии. Уголь, нефть, природный газ и гидроэлектроэнергия стали причиной большего количества смертей на единицу энергии из-за загрязнения воздуха и несчастных случаев. Атомные электростанции также не выделяют парниковых газов и приводят к меньшим выбросам углерода в течение жизненного цикла, чем обычные «возобновляемые источники энергии». Радиационная опасность, связанная с ядерной энергетикой, является основной мотивацией антиядерного движения, которое утверждает, что ядерная энергетика представляет собой множество угроз для людей и окружающей среды, ссылаясь на возможность таких аварий, как ядерная катастрофа на Фукусиме в Японии в 2011 году, и слишком дорого/медленно в развертывании по сравнению с альтернативными устойчивыми источниками энергии.
Открытие ядерного деления произошло в 1938 году после более чем четырех десятилетий работы в области науки о радиоактивности и разработки новой ядерной физики, описывающей компоненты атомов. Вскоре после открытия процесса деления стало понятно, что делящееся ядро может вызывать дальнейшие деления ядер, вызывая тем самым самоподдерживающуюся цепную реакцию. Как только это было экспериментально подтверждено в 1939 году, ученые многих стран обратились к своим правительствам с петициями о поддержке исследований ядерного деления, как раз на пороге Второй мировой войны, для разработки ядерного оружия.
В Соединенных Штатах эти исследовательские усилия привели к созданию первого искусственного ядерного реактора «Чикаго Пайл-1» под стадионом Стэгг Филд в Чикагском университете, который достиг критичности 2 декабря 1942 года. Разработка реактора была завершена. часть Манхэттенского проекта — усилий союзников по созданию атомной бомбы во время Второй мировой войны. Это привело к строительству более крупных одноцелевых производственных реакторов для производства оружейного плутония для использования в первом ядерном оружии. Соединенные Штаты испытали первое ядерное оружие в июле 1945 года, испытание «Тринити», а месяц спустя произошли атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки.
Несмотря на военный характер первых ядерных устройств, 1940-е и 1950-е годы характеризовались сильным оптимизмом в отношении потенциала ядерной энергетики для обеспечения дешевой и бесконечной энергии. Электричество было впервые получено с помощью ядерного реактора 20 декабря 1951 года на экспериментальной станции EBR-I недалеко от Арко, штат Айдахо, который первоначально производил около 100< кВт. В 1953 году американский президент Дуайт Эйзенхауэр произнес свою речь «Атом для мира» в Организации Объединенных Наций, подчеркнув необходимость быстрого развития «мирного» использования ядерной энергии. За этим последовал Закон об атомной энергии 1954 года, который позволил быстро рассекретить реакторную технологию США и стимулировал развитие частного сектора.
Первой организацией, которая начала практическое развитие ядерной энергетики, был ВМС США с реактором S1W, предназначенным для приведения в движение подводных лодок и авианосцев. Первая атомная подводная лодка, USS Nautilus, вышла в море в январе 1954 года. Реактор S1W представлял собой реактор с водой под давлением. Эта конструкция была выбрана потому, что она была проще, компактнее и проще в эксплуатации по сравнению с альтернативными конструкциями и, следовательно, более подходила для использования на подводных лодках. Это решение приведет к тому, что PWR станет предпочтительным реактором также для производства электроэнергии, что окажет долгосрочное влияние на гражданский рынок электроэнергии в ближайшие годы.
27 июня 1954 года Обнинская атомная электростанция в СССР стала первой в мире атомной электростанцией, производившей электроэнергию для энергосистемы, производя около 5 мегаватт электроэнергии. Первая в мире коммерческая атомная электростанция Колдер-Холл в Виндскейле, Англия, была подключена к национальной энергосистеме 27 августа 1956 года. Как и ряд других реакторов I поколения, эта станция преследовала двойную цель: производство электроэнергии и плутония-239. , последний для зарождающейся программы ядерного оружия в Великобритании.
Общая мировая установленная ядерная мощность первоначально росла относительно быстро: с менее чем 1 гигаватта (ГВт) в 1960 году до 100< ГВт в конце 1970-х годов. В 1970-е и 1980-е годы растущие экономические издержки (связанные с увеличением сроков строительства, в основном из-за изменений в законодательстве и судебных разбирательств групп давления) и падение цен на ископаемое топливо сделали строившиеся тогда атомные электростанции менее привлекательными. В 1980-х годах в США и 1990-х годах в Европе из-за плоского роста электросетей и либерализации электроэнергетики добавление новых крупных генераторов энергии с базовой нагрузкой стало экономически непривлекательным.
Нефтяной кризис 1973 года оказал значительное влияние на такие страны, как Франция и Япония, которые в большей степени зависели от нефти для производства электроэнергии и инвестировали в ядерную энергетику. Франция построит 25 атомных электростанций в течение следующих 15 лет, и по состоянию на 2019 год 71% электроэнергии во Франции будет производиться за счет ядерной энергии, что является самым высоким процентом среди всех стран мира.
Некоторая местная оппозиция ядерной энергетике возникла в Соединенных Штатах в начале 1960-х годов. В конце 1960-х годов некоторые члены научного сообщества начали выражать резкую обеспокоенность. Эти антиядерные опасения связаны с ядерными авариями, распространением ядерного оружия, ядерным терроризмом и захоронением радиоактивных отходов. В начале 1970-х годов прошли крупные протесты по поводу строительства атомной электростанции в Виле, Германия. Проект был отменен в 1975 году. Антиядерный успех в Уиле вдохновил сопротивление ядерной энергетике в других частях Европы и Северной Америки.
К середине 1970-х годов антиядерная активность приобрела более широкую привлекательность и влияние, и ядерная энергетика стала предметом серьезного общественного протеста. В некоторых странах ядерно-энергетический конфликт «достиг беспрецедентной интенсивности в истории технологических противоречий». Возросшая враждебность общества к атомной энергетике привела к более длительному процессу получения лицензий, большему количеству правил и ужесточению требований к оборудованию для обеспечения безопасности, что сделало новое строительство намного дороже. В Соединенных Штатах более 120 предложений по легководным реакторам были в конечном итоге отменены, а строительство новых реакторов было остановлено. Авария 1979 года на Три-Майл-Айленде, без человеческих жертв, сыграла важную роль в сокращении количества новых электростанций во многих странах.
В 1980-е годы один новый ядерный реактор запускался в среднем каждые 17 дней. К концу десятилетия мировая установленная ядерная мощность достигла 300 ГВт. С конца 1980-х годов прирост новых мощностей значительно замедлился: в 2005 году установленная атомная мощность достигла 366< ГВт.
Чернобыльская катастрофа 1986 года в СССР, связанная с реактором РБМК, изменила развитие атомной энергетики и привела к большему вниманию к соблюдению международных стандартов безопасности и регулирования. Это считается самой страшной ядерной катастрофой в истории как по общему числу жертв (56 прямых смертей), так и в финансовом отношении (ликвидация последствий которой оценивается в 18< миллиардов рублей (68 долларов США) миллиардов в 2019 году с поправкой на инфляцию). Международная организация по повышению осведомленности о безопасности и профессиональному развитию операторов ядерных установок, Всемирная ассоциация операторов атомной энергетики (ВАО АЭС), была создана в результате чернобыльской аварии 1986 года. Чернобыльская катастрофа сыграла большую роль в сокращении количества новых строек АЭС в последующие годы. Под влиянием этих событий Италия проголосовала против ядерной энергетики на референдуме 1987 года, став первой страной, полностью отказавшейся от ядерной энергетики в 1990 году.
В начале 2000-х годов атомную энергетику ожидал ядерный ренессанс, увеличение строительства новых реакторов из-за опасений по поводу выбросов углекислого газа. В этот период началось строительство новых реакторов III поколения, таких как EPR.
Перспективы ядерного ренессанса были отложены еще одной ядерной аварией. Атомная авария на АЭС Фукусима-1 в 2011 году была вызвана землетрясением и цунами Тохоку, одним из крупнейших землетрясений, когда-либо зарегистрированных. На АЭС Фукусима-1 произошло три аварии активной зоны из-за отказа системы аварийного охлаждения из-за отсутствия электроснабжения. Это привело к самой серьезной ядерной аварии со времен Чернобыльской катастрофы.
Авария вызвала пересмотр политики ядерной безопасности и ядерной энергетики во многих странах. Германия одобрила планы закрыть все свои реакторы к 2022 году, а многие другие страны пересмотрели свои ядерно-энергетические программы. После катастрофы Япония остановила все свои атомные реакторы, некоторые из них навсегда, а в 2015 году начала постепенный процесс перезапуска оставшихся 40 реакторов после проверок безопасности и на основе пересмотренных критериев эксплуатации и одобрения общественности.
В 2022 году правительство Японии под руководством премьер-министра Фумио Кисиды заявило, что после катастрофы 2011 года будут вновь открыты еще 10 атомных электростанций. Кисида также выступает за исследования и строительство новых, более безопасных атомных электростанций, чтобы защитить японских потребителей от колебаний цен на рынке ископаемого топлива и сократить выбросы парниковых газов в Японии. Кисида намерен сделать Японию важным экспортером ядерной энергии и технологий в развивающиеся страны по всему миру.
К 2015 году перспективы МАГАТЭ в области ядерной энергетики стали более многообещающими, поскольку было признано значение низкоуглеродной генерации для смягчения последствий изменения климата. По состоянию на 2015 год глобальная тенденция заключалась в том, что ввод новых атомных электростанций в эксплуатацию будет уравновешиваться количеством выводимых из эксплуатации старых станций. В 2016 году Управление энергетической информации США прогнозировало в своем «базовом сценарии», что мировая выработка ядерной энергии увеличится с 2344 тераватт-часов (ТВтч) в 2012 году до 4500 ТВтч в 2040 году. Большая часть прогнозируемого увеличения была Ожидается, что он будет в Азии. По состоянию на 2018 год планировалось построить более 150 ядерных реакторов, в том числе 50 строящихся. В январе 2019 года в Китае было 45 действующих реакторов, 13 строящихся и планировалось построить еще 43, что сделало бы его крупнейшим в мире производителем ядерной электроэнергии. Сообщается, что по состоянию на 2021 год в стадии строительства находится 17 реакторов. Китай построил значительно меньше реакторов, чем первоначально планировалось. В 2019 году доля электроэнергии, вырабатываемой атомной энергетикой, составила 5%, и наблюдатели предупредили, что, наряду с рисками, меняющаяся экономика производства энергии может привести к тому, что новые атомные электростанции «перестанут иметь смысл в мире, который склоняется к более дешевой электроэнергии». более надежная возобновляемая энергия».
В октябре 2021 года кабинет министров Японии после консультаций с общественностью утвердил новый План производства электроэнергии до 2030 года, подготовленный Агентством природных ресурсов и энергетики (ANRE) и консультативным комитетом. Ядерная цель на 2030 год требует перезапуска еще десяти реакторов. Премьер-министр Фумио Кисида в июле 2022 года объявил, что стране следует рассмотреть возможность строительства современных реакторов и продления лицензий на эксплуатацию на срок более 60 лет.
По состоянию на 2022 год, когда мировые цены на нефть и газ растут, в то время как Германия перезапускает свои угольные электростанции, чтобы справиться с потерей российского газа, который ей необходим для пополнения ее Energiewende, многие другие страны объявили об амбициозных планах по оживлению стареющих ядерных генерирующих мощностей с помощью новых инвестиций. Президент Франции Эммануэль Макрон объявил о своем намерении построить шесть новых реакторов в ближайшие десятилетия, поставив ядерную энергетику в центр стремления Франции к углеродной нейтральности к 2050 году. Тем временем в Соединенных Штатах Министерство энергетики в сотрудничестве с коммерческими организациями TerraPower и X-energy планирует построить два различных усовершенствованных ядерных реактора к 2027 году с дальнейшими планами по внедрению ядерной энергетики в своих долгосрочных целях зеленой энергетики и энергетической безопасности.
Атомные электростанции — это тепловые электростанции, которые вырабатывают электроэнергию, используя тепловую энергию, выделяющуюся в результате ядерного деления. Атомная электростанция деления обычно состоит из: ядерного реактора, в котором происходят ядерные реакции, выделяющие тепло; система охлаждения, отводящая тепло изнутри реактора; паровая турбина, преобразующая тепло в механическую энергию; электрический генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую.
Когда нейтрон попадает в ядро атома урана-235 или плутония, он может расщепить ядро на два меньших ядра, что является реакцией ядерного деления. Реакция высвобождает энергию и нейтроны. Высвобождаемые нейтроны могут поражать другие ядра урана или плутония, вызывая новые реакции деления, которые высвобождают больше энергии и больше нейтронов. Это называется цепной реакцией. В большинстве коммерческих реакторов скорость реакции сдерживается стержнями управления, которые поглощают избыточные нейтроны. Управляемость ядерных реакторов зависит от того, что небольшая часть нейтронов, образующихся в результате деления, задерживается. Задержка по времени между делением и высвобождением нейтронов замедляет изменения в скорости реакции и дает время для перемещения стержней управления для регулировки скорости реакции.
Жизненный цикл ядерного топлива начинается с добычи урана. Затем урановую руду преобразуют в компактную форму рудного концентрата, известную как желтый кек (U3O8), для облегчения транспортировки. Реакторам деления обычно нужен уран-235, делящийся изотоп урана. Концентрация урана-235 в природном уране невелика (около 0,7%). Некоторые реакторы могут использовать этот природный уран в качестве топлива, в зависимости от их нейтронной экономики. Эти реакторы обычно имеют графитовые или тяжеловодные замедлители. Для легководных реакторов, наиболее распространенного типа реакторов, эта концентрация слишком мала, и ее необходимо увеличить с помощью процесса, называемого обогащением урана. В гражданских легководных реакторах уран обычно обогащают до 3,5–5% урана-235. Затем уран обычно преобразуется в оксид урана (UO2), керамику, которую затем спекают под давлением в топливные таблетки, стопка которых образует топливные стержни надлежащего состава и геометрии для конкретного реактора. .
Через некоторое время в реакторе топливо будет иметь уменьшенное количество делящегося материала и увеличенное количество продуктов деления, пока его использование не станет нецелесообразным. На этом этапе отработавшее топливо будет перемещено в бассейн с отработавшим топливом, который обеспечивает охлаждение теплового тепла и защиту от ионизирующего излучения. Через несколько месяцев или лет отработавшее топливо становится достаточно радиоактивно и термически холодным, чтобы его можно было переместить в сухие контейнеры для хранения или переработать.
Уран — довольно распространенный элемент в земной коре: он примерно так же распространен, как олово или германий, и примерно в 40 раз чаще, чем серебро. Уран присутствует в следовых концентрациях в большинстве горных пород, грязи и океанской воды, но, как правило, экономически выгодно извлекается только там, где он присутствует в относительно высоких концентрациях. Добыча урана может осуществляться подземным, открытым способом или с выщелачиванием на месте. Все большее число шахт с самой высокой производительностью приходится на удаленные подземные разработки, такие как урановый рудник Макартур-Ривер в Канаде, на долю которого приходится 13% мирового производства. По состоянию на 2011 год известных мировых ресурсов урана, экономически извлекаемых при произвольной предельной цене в 130 долларов США за кг, было достаточно, чтобы хватило на 70–100 лет. В 2007 году ОЭСР оценила 670 лет экономически извлекаемого урана в общих традиционных ресурсах и фосфатных рудах, исходя из текущих темпов использования.
Легководные реакторы относительно неэффективно используют ядерное топливо, в основном используя только очень редкий изотоп урана-235. Ядерная переработка может сделать эти отходы пригодными для повторного использования, а новые реакторы также обеспечивают более эффективное использование имеющихся ресурсов, чем старые. При чистом топливном цикле реактора на быстрых нейтронах с выгоранием всего урана и актинидов (которые в настоящее время составляют наиболее опасные вещества в ядерных отходах) общий запас урана в обычных ресурсах и фосфатной руды оценивается в 160 000 лет по цене 60–100 долларов США/кг. Однако переработка обходится дорого, возможно, опасна и может быть использована для производства ядерного оружия. Один анализ показал, что цены на уран могут вырасти на два порядка в период между 2035 и 2100 годами и что ближе к концу века может возникнуть дефицит. Исследование, проведенное в 2017 году исследователями из Массачусетского технологического института и WHOI, показало, что «при нынешних темпах потребления мировые традиционные запасы земного урана (примерно 7,6 миллиона тонн) могут быть истощены чуть более чем через столетие». Ограниченные поставки урана-235 могут препятствовать существенному расширению нынешних ядерных технологий. Хотя изучаются различные способы снижения зависимости от таких ресурсов, считается, что новые ядерные технологии не могут быть доступны вовремя для целей смягчения последствий изменения климата или конкуренции с альтернативами возобновляемых источников энергии, а также являются более дорогими и требуют дорогостоящих исследований и разработок. Исследование показало, что нет уверенности в том, будут ли выявленные ресурсы разрабатываться достаточно быстро, чтобы обеспечить бесперебойную поставку топлива на расширяющиеся ядерные объекты, а различные формы добычи полезных ископаемых могут столкнуться с проблемами из-за экологических барьеров, затрат и требований к земле. Исследователи также сообщают о значительной импортозависимости ядерной энергетики.
Существуют также нетрадиционные ресурсы урана. Уран естественным образом присутствует в морской воде в концентрации около 3 микрограммов на литр, при этом считается, что в любое время в морской воде присутствует 4,4 миллиарда тонн урана. В 2014 году было высказано предположение, что производство ядерного топлива из морской воды будет экономически конкурентоспособным, если этот процесс будет реализован в больших масштабах. Как и ископаемое топливо, в геологических временных масштабах уран, добываемый в промышленных масштабах из морской воды, будет восполняться как за счет речной эрозии горных пород, так и за счет естественного процесса растворения урана с поверхности дна океана, оба из которых поддерживают равновесие растворимости морской воды. концентрация на стабильном уровне. Некоторые комментаторы утверждают, что это усиливает аргументы в пользу того, что ядерную энергетику следует считать возобновляемой энергией.
При нормальной работе атомных электростанций и объектов образуются радиоактивные отходы или ядерные отходы. Этот вид отходов также образуется при выводе из эксплуатации электростанций. Существует две широкие категории ядерных отходов: низкоактивные отходы и высокоактивные отходы. Первый имеет низкую радиоактивность и включает в себя загрязненные предметы, такие как одежда, которая представляет ограниченную угрозу. Высокоактивные отходы – это, главным образом, отработавшее топливо ядерных реакторов, которое очень радиоактивно и должно быть охлаждено, а затем безопасно захоронено или переработано.
Наиболее важным потоком отходов атомных энергетических реакторов является отработанное ядерное топливо, которое считается высокоактивными отходами. Отработавшее топливо легководных реакторов (LWR) обычно состоит из 95% урана, 4% продуктов деления и около 1% трансурановых актинидов (в основном плутония, нептуния и америция). Продукты деления ответственны за основную часть кратковременной радиоактивности, тогда как плутоний и другие трансураны ответственны за основную часть долговременной радиоактивности.
Высокоактивные отходы (ВАО) должны храниться изолированно от биосферы с достаточной защитой, чтобы ограничить радиационное воздействие. После извлечения из реакторов отработанные топливные пучки хранятся в течение шести-десяти лет в бассейнах отработавшего топлива, которые обеспечивают охлаждение и защиту от радиации. После этого топливо достаточно остыло, чтобы его можно было безопасно переместить в сухие бочки. Радиоактивность со временем уменьшается по экспоненте, так что через 100 лет она уменьшится на 99,5%. Более интенсивно радиоактивные короткоживущие продукты деления (SLFP) распадаются на стабильные элементы примерно за 300 лет, а примерно через 100 000 лет отработанное топливо становится менее радиоактивным, чем природная урановая руда.
Обычно предлагаемые методы изоляции отходов LLFP от биосферы включают разделение и трансмутацию, синхронную обработку или глубокое геологическое хранение.
Реакторы на тепловых нейтронах, составляющие сейчас большую часть мирового парка, не могут сжигать реакторный плутоний, образующийся при работе реактора. Это ограничивает срок службы ядерного топлива несколькими годами. В некоторых странах, например в США, отработавшее топливо полностью классифицируется как ядерные отходы. В других странах, таких как Франция, его в основном перерабатывают для производства частично переработанного топлива, известного как смешанное оксидное топливо или МОКС. Для отработавшего топлива, не подвергающегося переработке, наиболее опасными изотопами являются среднеживущие трансурановые элементы, во главе которых стоит реакторный плутоний (период полураспада 24 000 лет). Некоторые предлагаемые конструкции реакторов, такие как интегральный быстрый реактор и реакторы на расплавах солей, могут использовать в качестве топлива плутоний и другие актиниды из отработавшего топлива легководных реакторов благодаря их быстрому спектру деления. Это предлагает потенциально более привлекательную альтернативу глубокому геологическому захоронению.
Ториевый топливный цикл приводит к образованию аналогичных продуктов деления, хотя и создает гораздо меньшую долю трансурановых элементов в результате захвата нейтронов внутри реактора. Отработанное ториевое топливо, хотя обращаться с ним сложнее, чем с отработанным урановым топливом, может представлять несколько меньший риск распространения.
Атомная промышленность также производит большой объем низкоактивных отходов с низкой радиоактивностью в виде загрязненных предметов, таких как одежда, ручные инструменты, смолы для очистки воды и (после вывода из эксплуатации) материалов, из которых построен сам реактор. Низкоактивные отходы можно хранить на месте до тех пор, пока уровень радиации не станет достаточно низким, чтобы их можно было утилизировать как обычные отходы, или их можно отправить на полигон низкоактивных отходов.
В странах с ядерной энергетикой радиоактивные отходы составляют менее 1% от общего количества промышленных токсичных отходов, большая часть которых остается опасной в течение длительного периода времени. В целом, ядерная энергетика производит гораздо меньше отходов по объему, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе. В частности, угольные электростанции производят большое количество токсичной и умеренно радиоактивной золы в результате концентрации природных радиоактивных материалов в угле. В отчете Национальной лаборатории Ок-Риджа за 2008 год сделан вывод о том, что угольная энергетика фактически приводит к выбросу большего количества радиоактивности в окружающую среду, чем при эксплуатации атомной энергетики, и что эффективный эквивалент дозы для населения от радиации от угольных электростанций в 100 раз превышает эквивалент дозы от эксплуатации атомных электростанций. Хотя угольная зола гораздо менее радиоактивна по весу, чем отработанное ядерное топливо, угольная зола образуется в гораздо больших количествах на единицу произведенной энергии. Он также выбрасывается непосредственно в окружающую среду в виде летучей золы, тогда как на атомных станциях используется защита для защиты окружающей среды от радиоактивных материалов.
Объем ядерных отходов невелик по сравнению с производимой энергией. Например, на атомной электростанции Янки-Роу, которая за время эксплуатации выработала 44 миллиарда киловатт-часов электроэнергии, полный запас отработавшего топлива содержится в шестнадцати контейнерах. Подсчитано, что для производства энергии на всю жизнь для человека при западном уровне жизни (приблизительно 3< ГВтч) потребуется порядка банки из-под газировки низкообогащенного урана, в результате чего в аналогичном объеме образовавшегося отработанного топлива.
После временного хранения в бассейне отработанного топлива пучки отработанных тепловыделяющих сборок типичной атомной электростанции часто хранятся на площадке в емкостях для хранения в сухих контейнерах. В настоящее время отходы в основном хранятся на отдельных реакторных площадках, и в мире существует более 430 мест, где продолжают накапливаться радиоактивные материалы.
Утилизация ядерных отходов часто считается наиболее политически вызывающим разногласия аспектом жизненного цикла атомной электростанции. Отсутствие перемещения ядерных отходов в природных реакторах ядерного деления возрастом 2 миллиарда лет в Окло, Габон, называют «сегодняшним источником важной информации». Эксперты предполагают, что централизованные подземные хранилища, которые хорошо управляются, охраняются и контролируются, были бы огромным шагом вперед. Существует «международный консенсус о целесообразности хранения ядерных отходов в глубоких геологических хранилищах». С появлением новых технологий были предложены и другие методы, в том числе заглубление горизонтальных скважин в геологически неактивные области.
Специально построенных подземных хранилищ высокоактивных отходов промышленного масштаба не существует. Однако в Финляндии хранилище отработавшего ядерного топлива Онкало атомной электростанции Олкилуото по состоянию на 2015 год строилось.
Большинство реакторов на тепловых нейтронах работают по прямоточному ядерному топливному циклу, главным образом из-за низкой цены на свежий уран. Однако многие реакторы также заправляются переработанными расщепляющимися материалами, которые остаются в отработавшем ядерном топливе. Наиболее распространенным расщепляющимся материалом, который перерабатывается, является плутоний реакторного качества (RGPu), извлекаемый из отработавшего топлива. Его смешивают с оксидом урана и перерабатывают в смешанное оксидное или МОХ-топливо. Поскольку тепловые LWR остаются наиболее распространенным реактором в мире, этот тип переработки является наиболее распространенным. Считается, что это повысит устойчивость ядерного топливного цикла, уменьшит привлекательность отработанного топлива для кражи и уменьшит объем высокоактивных ядерных отходов. Отработанное МОКС-топливо, как правило, не может быть переработано для использования в реакторах на тепловых нейтронах. Эта проблема не затрагивает реакторы на быстрых нейтронах, которые поэтому являются предпочтительными для достижения полного энергетического потенциала исходного урана.
Основным компонентом отработавшего топлива LWR является слабообогащенный уран. Его можно переработать в переработанный уран (RepU), который можно использовать в быстром реакторе, использовать непосредственно в качестве топлива в реакторах CANDU или повторно обогатить для другого цикла через LWR. Повторное обогащение переработанного урана распространено во Франции и России. Переработанный уран также безопаснее с точки зрения потенциала ядерного распространения.
Переработка потенциально может восстановить до 95% уранового и плутониевого топлива в отработавшем ядерном топливе, а также снизить долговременную радиоактивность оставшихся отходов. Однако переработка вызывает политические споры из-за возможности ядерного распространения и различных представлений о повышении уязвимости перед ядерным терроризмом. Переработка также приводит к более высокой стоимости топлива по сравнению с прямоточным топливным циклом. Хотя переработка уменьшает объем высокоактивных отходов, она не уменьшает количество продуктов деления, которые являются основными причинами остаточного тепловыделения и радиоактивности в течение первых нескольких столетий вне реактора. Таким образом, переработанные отходы по-прежнему требуют почти идентичного обращения в течение первых нескольких сотен лет.
Переработка гражданского топлива энергетических реакторов в настоящее время осуществляется во Франции, Великобритании, России, Японии и Индии. В США отработавшее ядерное топливо в настоящее время не перерабатывается. Завод по переработке в Ла-Аге во Франции работает в коммерческих целях с 1976 года и по состоянию на 2010 год отвечает за половину мировой переработки. Он производит МОХ-топливо из отработавшего топлива, полученного из нескольких стран. По состоянию на 2015 год было переработано более 32 000 тонн отработавшего топлива, большая часть из Франции, 17% из Германии и 9% из Японии.
Разведение — это процесс преобразования неделящегося материала в делящийся материал, который можно использовать в качестве ядерного топлива. Неделящийся материал, который можно использовать для этого процесса, называется воспроизводящим материалом и составляет подавляющее большинство современных ядерных отходов. Этот процесс размножения происходит естественным путем в реакторах-размножителях. В отличие от легководных реакторов на тепловых нейтронах, в которых используется уран-235 (0,7% всего природного урана), в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах используется уран-238 (99,3% всего природного урана) или торий. Ряд топливных циклов и комбинаций реакторов-размножителей считаются устойчивыми или возобновляемыми источниками энергии. В 2006 году было подсчитано, что благодаря добыче морской воды, вероятно, будут запасы урана на пять миллиардов лет для использования в реакторах-размножителях.
Технология размножения использовалась в нескольких реакторах, но по состоянию на 2006 год высокая стоимость безопасной переработки топлива требует цены на уран более 200 долларов США за кг, прежде чем она станет экономически оправданной. Реакторы-размножители, однако, разрабатываются с учетом их способности сжигать все актиниды (наиболее активные и опасные компоненты) в существующем запасе ядерных отходов, а также производить энергию и создавать дополнительные количества топлива для большего количества реакторов посредством процесса воспроизводства. По состоянию на 2017 год в России действуют два бридера, производящие коммерческую электроэнергию: реактор БН-600 и реактор БН-800. Реактор-размножитель «Феникс» во Франции был остановлен в 2009 году после 36 лет эксплуатации. И Китай, и Индия строят реакторы-размножители. Индийский прототип реактора на быстрых нейтронах мощностью 500 МВт находится на стадии ввода в эксплуатацию, и планируется построить еще несколько реакторов.
Другой альтернативой размножителям быстрых нейтронов являются реакторы-размножители тепловых нейтронов, в которых в качестве топлива деления в ториевом топливном цикле используется уран-233, полученный из тория. Торий примерно в 3,5 раза чаще встречается в земной коре, чем уран, и имеет другие географические характеристики. Трехэтапная программа ядерной энергетики Индии предполагает использование ториевого топливного цикла на третьем этапе, поскольку она имеет большие запасы тория, но мало урана.
Вывод из эксплуатации — это процесс демонтажа ядерной установки до такой степени, что она больше не требует мер радиационной защиты, возвращая установку и ее части на достаточно безопасный уровень, чтобы их можно было передать для других целей. Из-за присутствия радиоактивных материалов вывод из эксплуатации ядерных объектов представляет собой технические и экономические проблемы. Затраты на вывод из эксплуатации обычно распределяются на весь срок эксплуатации установки и сохраняются в фонде вывода из эксплуатации.
В 2019 году гражданская атомная энергетика обеспечила 2586 тераватт-часов (ТВтч) электроэнергии, что эквивалентно примерно 10% мирового производства электроэнергии, и была вторым по величине источником энергии с низким уровнем выбросов углерода после гидроэлектроэнергии. Поскольку на электроэнергию приходится около 25% мирового потребления энергии, вклад ядерной энергетики в мировую энергетику в 2011 году составил около 2,5%. Это немного больше, чем совокупное мировое производство электроэнергии из энергии ветра, солнца, биомассы и геотермальной энергии, которые вместе обеспечили 2 % мирового конечного потребления энергии в 2014 году. Доля атомной энергетики в мировом производстве электроэнергии упала с 16,5% в 1997 году, во многом потому, что экономика ядерной энергетики стала более сложной.
По состоянию на март 2022 года в мире насчитывается 439 гражданских реакторов деления общей электрической мощностью 392 гигаватт (ГВт). Также ведется строительство 56 атомных энергетических реакторов и запланировано строительство 96 реакторов общей мощностью 62< ГВт и 96< ГВт соответственно. Соединенные Штаты обладают крупнейшим парком ядерных реакторов, вырабатывающих более 800 ТВтч в год при среднем коэффициенте мощности 92%. Большинство строящихся реакторов представляют собой реакторы третьего поколения в Азии.
Региональные различия в использовании ядерной энергии значительны. Соединенные Штаты производят больше всего ядерной энергии в мире: ядерная энергетика обеспечивает 20% потребляемой ими электроэнергии, а Франция производит самый высокий процент своей электроэнергии из ядерных реакторов — 71% в 2019 году. В Европейском Союзе ядерная энергетика обеспечивает 26% электроэнергии по состоянию на 2018 год.
Атомная энергетика является крупнейшим источником низкоуглеродной электроэнергии в Соединенных Штатах и составляет две трети низкоуглеродной электроэнергии в Европейском Союзе. и Италия не имеют действующих атомных электростанций.
Кроме того, в эксплуатации находилось около 140 военно-морских кораблей, использующих ядерные силовые установки и примерно 180 реакторов. К ним относятся военные и некоторые гражданские суда, например, атомные ледоколы.
Продолжаются международные исследования в области дополнительного использования технологического тепла, например, для производства водорода (для поддержки водородной экономики), опреснения морской воды и использования в системах централизованного теплоснабжения.
Экономика новых атомных электростанций является спорным вопросом, и от выбора источников энергии зависят многомиллиардные инвестиции. Атомные электростанции обычно требуют высоких капитальных затрат на строительство станции. По этой причине сравнение с другими методами производства электроэнергии сильно зависит от предположений о сроках строительства и капитальном финансировании атомных электростанций. Затраты на топливо составляют около 30 процентов эксплуатационных расходов, а цены зависят от рынка.
Высокая стоимость строительства является одной из самых больших проблем для АЭС. Стоимость новой электростанции мощностью 1100< МВт оценивается в сумму от 6 до 9 миллиардов долларов США. Тенденции затрат на атомную энергию демонстрируют большие различия в зависимости от страны, конструкции, темпов строительства и уровня знаний в области опыта. Единственными двумя странами, по которым доступны данные, в которых затраты снизились в 2000-х годах, были Индия и Южная Корея.
Анализ экономики ядерной энергетики должен также учитывать, кто несет риски будущих неопределенностей. По состоянию на 2010 год все действующие атомные электростанции были построены государственными или регулируемыми электроэнергетическими монополиями. Многие страны с тех пор либерализовали рынок электроэнергии, где эти риски, а также риск появления более дешевых конкурентов до того, как капитальные затраты будут возмещены, несут поставщики и операторы электростанций, а не потребители, что приводит к существенно иной оценке экономики новой атомной энергетики. растения.
Согласно анализу Международного энергетического агентства и Агентства по ядерной энергии ОЭСР, приведенная стоимость электроэнергии (LCOE) новой атомной электростанции оценивается в 69 долларов США/МВтч. Это представляет собой среднюю смету затрат на строительство n-ной атомной электростанции, строительство которой будет завершено в 2025 году, со ставкой дисконтирования 7%. Ядерная энергетика оказалась наименее затратным вариантом среди диспетчерских технологий. Переменные возобновляемые источники энергии могут генерировать более дешевую электроэнергию: средняя стоимость береговой ветровой энергии оценивается в 50 долларов США/МВтч, а солнечной энергии в коммунальном масштабе — 56 долларов США/МВтч. При предполагаемой стоимости выбросов CO2 в 30 долларов США/тонну, электроэнергия из угля (88 долларов США/МВтч) и газа (71 USD/МВтч) дороже, чем низкоуглеродные технологии. Электроэнергия от долгосрочной эксплуатации атомных электростанций с продлением срока службы оказалась наименее затратным вариантом — 32< долларов США/МВтч.
Меры по смягчению последствий глобального потепления, такие как налог на выбросы углерода или торговля выбросами углерода, могут способствовать экономике ядерной энергетики. Экстремальные погодные явления, в том числе явления, усугубляющиеся изменением климата, в небольшой степени снижают надежность всех источников энергии, включая ядерную энергию, в зависимости от местоположения.
Новые небольшие модульные реакторы, например, разработанные NuScale Power, направлены на снижение инвестиционных затрат на новое строительство за счет уменьшения размеров реакторов и их модульности, чтобы их можно было строить на заводе.
Некоторые конструкции на ранних этапах имели значительную положительную экономику, например CANDU, который реализовал гораздо более высокий коэффициент мощности и надежность по сравнению с легководными реакторами поколения II до 1990-х годов.
Атомные электростанции, хотя и способны поддерживать некоторую нагрузку на сеть, обычно эксплуатируются максимально долго, чтобы поддерживать как можно более низкую стоимость вырабатываемой электроэнергии, обеспечивая в основном электроэнергию для базовой нагрузки. Благодаря конструкции реактора с перегрузкой топлива в режиме онлайн, PHWR (частью которых является конструкция CANDU) продолжают удерживать многие мировые рекорды по самому продолжительному непрерывному производству электроэнергии, часто более 800 дней. Конкретный рекорд по состоянию на 2019 год принадлежит PHWR на АЭС Кайга, который непрерывно вырабатывает электроэнергию в течение 962 дней.
Расходы, не учтенные в расчетах LCOE, включают средства на исследования и разработки, а также катастрофы (катастрофа на Фукусиме, по оценкам, обошлась налогоплательщикам в ≈187 миллиардов долларов). В некоторых случаях было обнаружено, что правительства заставляют «потребителей платить авансом за потенциальный перерасход средств» или субсидируют неэкономичную ядерную энергетику или обязаны это делать. Операторы атомных электростанций обязаны платить за управление отходами в Европейском союзе. В США, как сообщается, Конгресс 40 лет назад постановил, что государство, а не частные компании, будет нести ответственность за хранение радиоактивных отходов, а налогоплательщики будут оплачивать расходы. В докладе World Nuclear Waste Report 2019 говорится, что «даже в странах, в которых принцип «загрязнитель платит» является юридическим требованием, он применяется не полностью», и отмечается случай немецкого объекта глубинного геологического захоронения Asse II, где извлечение больших объемов отходов должно оплачиваться налогоплательщиками. Аналогичным образом, часть расходов на другие виды энергии, включая ископаемое топливо и возобновляемые источники энергии, покрывается государством.
Наиболее распространенным применением ядерной энергии в космосе является использование радиоизотопных термоэлектрических генераторов, которые используют радиоактивный распад для выработки энергии. Эти генераторы энергии имеют относительно небольшой размер (несколько кВт) и в основном используются для питания космических миссий и экспериментов в течение длительных периодов времени, когда солнечная энергия недоступна в достаточном количестве, например, в космосе Вояджер-2. зонд. Несколько космических аппаратов были запущены с использованием ядерных реакторов: 34 реактора относятся к советской серии РОРСАТ и один — американский SNAP-10A.
И деление, и термоядерный синтез кажутся многообещающими для применения в космических двигателях, обеспечивая более высокие скорости полета с меньшей реакционной массой.
Атомные электростанции имеют три уникальные характеристики, которые влияют на их безопасность по сравнению с другими электростанциями. Во-первых, в ядерном реакторе присутствуют сильно радиоактивные материалы. Их выброс в окружающую среду может быть опасным. Во-вторых, продукты деления, составляющие большую часть высокорадиоактивных веществ в реакторе, продолжают выделять значительное количество остаточного тепла даже после остановки цепной реакции деления. Если тепло невозможно отвести от реактора, топливные стержни могут перегреться и привести к выбросу радиоактивных материалов. В-третьих, в некоторых конструкциях реакторов возможна авария с критичностью (резкое увеличение мощности реактора), если цепную реакцию невозможно контролировать. Эти три характеристики необходимо учитывать при проектировании ядерных реакторов.
Все современные реакторы спроектированы таким образом, что неконтролируемое увеличение мощности реактора предотвращается естественными механизмами обратной связи — концепцией, известной как отрицательный пустотный коэффициент реактивности. Если температура или количество пара в реакторе увеличивается, скорость деления по своей сути снижается. Цепную реакцию также можно остановить вручную, вставив стержни управления в активную зону реактора. Системы аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) могут отводить остаточное тепло из реактора в случае выхода из строя обычных систем охлаждения. В случае выхода из строя САОЗ многочисленные физические барьеры ограничивают выброс радиоактивных материалов в окружающую среду даже в случае аварии. Последним физическим барьером является большое здание содержания.
При уровне смертности 0,03 на ТВт·ч ядерная энергетика является вторым по безопасности источником энергии на единицу произведенной энергии после солнечной энергии с точки зрения смертности, если рассматривать исторические данные. Энергия, произведенная с помощью угля, нефти, природного газа и гидроэнергетики, стала причиной большего количества смертей на единицу произведенной энергии из-за загрязнения воздуха и аварий на предприятиях энергетики. Это обнаруживается при сравнении непосредственных смертей от других источников энергии с непосредственными и скрытыми, или прогнозируемыми, косвенными смертями от рака в результате аварий на предприятиях ядерной энергетики. При сравнении прямых и косвенных смертельных случаев (включая смертельные случаи в результате добычи полезных ископаемых и загрязнения воздуха) от ядерной энергетики и ископаемого топлива было подсчитано, что использование ядерной энергетики предотвратило около 1,84 миллиона смертей от загрязнения воздуха в период с 1971 по 2009 год за счет сокращения доли энергии, которая в противном случае была бы произведена за счет ископаемого топлива. После ядерной катастрофы на Фукусиме в 2011 году было подсчитано, что если бы Япония никогда не перешла на атомную энергетику, аварии и загрязнение окружающей среды на угольных или газовых электростанциях привели бы к большему количеству потерянных лет жизни.
Серьезные последствия ядерных аварий зачастую напрямую связаны не с радиационным воздействием, а скорее с социальными и психологическими последствиями. Эвакуация и длительное перемещение пострадавшего населения создали проблемы для многих людей, особенно пожилых людей и пациентов больниц. Принудительная эвакуация после ядерной аварии может привести к социальной изоляции, тревоге, депрессии, психосоматическим медицинским проблемам, безрассудному поведению и самоубийству. Комплексное исследование последствий чернобыльской катастрофы, проведенное в 2005 году, пришло к выводу, что последствия аварии для психического здоровья являются крупнейшей проблемой общественного здравоохранения. Франк Н. фон Хиппель, американский ученый, отметил, что непропорциональный страх перед ионизирующей радиацией (радиофобия) может иметь долгосрочные психологические последствия для населения загрязненных территорий после катастрофы на Фукусиме.
Произошло несколько серьезных ядерных и радиационных аварий. Тяжесть ядерных аварий обычно классифицируется с использованием Международной шкалы ядерных событий (ИНЕС), введенной Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ). Шкала ранжирует аномальные события или аварии по шкале от 0 (отклонение от нормальной эксплуатации, не представляющее риска для безопасности) до 7 (крупная авария с широкомасштабными последствиями). В гражданской атомной энергетике произошло три аварии уровня 5 и выше, две из которых — авария на Чернобыльской АЭС и авария на Фукусиме — относятся к уровню 7.
Первыми крупными ядерными авариями стали катастрофа в Кыштыме в Советском Союзе и пожар в Уиндскейле в Великобритании, обе в 1957 году. Первая крупная авария на ядерном реакторе в США произошла в 1961 году на SL-1, экспериментальном ядерном энергетическом реакторе армии США в Айдахской национальной лаборатории. Неконтролируемая цепная реакция привела к паровому взрыву, в результате которого погибли три члена экипажа и произошло расплавление. Еще одна серьезная авария произошла в 1968 году, когда в одном из двух реакторов с жидкометаллическим охлаждением на борту советской подводной лодки К-27 произошел отказ тепловыделяющего элемента с выбросом газообразных продуктов деления в окружающий воздух, в результате чего погибло 9 членов экипажа и 83 человека получили ранения.
Авария на АЭС «Фукусима-дайити» была вызвана землетрясением и цунами в Тохоку в 2011 году. Авария не привела к гибели людей, связанных с радиацией, но привела к радиоактивному загрязнению прилегающих территорий. Ожидается, что сложная операция по очистке обойдется в десятки миллиардов долларов в течение 40 или более лет. Авария на Три-Майл-Айленде в 1979 году представляла собой аварию меньшего масштаба, оцененную по уровню 5 INES. В результате аварии не было прямых или косвенных смертей.
Последствия ядерных аварий являются спорными. По словам Бенджамина К. Совакула, аварии на энергетике деления занимают первое место среди источников энергии с точки зрения их общей экономической стоимости, составляя 41% всего материального ущерба, причиненного энергетическими авариями. Другой анализ показал, что аварии с углем, нефтью, сжиженным нефтяным газом и гидроэлектростанциями (в первую очередь из-за катастрофы на плотине Баньцяо) привели к более серьезным экономическим последствиям, чем аварии на атомной энергетике. В исследовании сравниваются латентные случаи смерти от рака, связанные с ядерной энергетикой, с немедленными смертями от других источников энергии на единицу произведенной энергии, и не учитываются раковые заболевания, связанные с ископаемым топливом, и другие косвенные смерти, вызванные использованием потребления ископаемого топлива в его «серьезной аварии» ( авария с более чем пятью погибшими) классификация. Чернобыльская авария 1986 года привела к гибели около 50 человек в результате прямых и косвенных последствий, а также к временным серьезным травмам в результате острого радиационного синдрома. Прогнозируемая в будущем смертность от увеличения заболеваемости раком оценивается в 4000 человек в ближайшие десятилетия. Однако затраты большие и продолжают расти.
Ядерная энергетика работает в рамках системы страхования, которая ограничивает или структурирует ответственность за аварии в соответствии с национальными и международными конвенциями. Часто утверждают, что этот потенциальный дефицит ответственности представляет собой внешние издержки, не включенные в стоимость ядерной электроэнергии. Согласно исследованию Бюджетного управления Конгресса США, эта стоимость невелика и составляет около 0,1% от приведенной стоимости электроэнергии. Эти сверхнормативные расходы на страхование для наихудших сценариев характерны не только для ядерной энергетики. Гидроэлектростанции также не полностью застрахованы от катастрофических событий, таких как прорыв плотин. Например, обрушение плотины Баньцяо привело к гибели примерно от 30 000 до 200 000 человек, а 11 миллионов человек лишились своих домов. Поскольку частные страховщики основывают страховые премии по страхованию плотин на ограниченных сценариях, страхование от крупных стихийных бедствий в этом секторе также обеспечивается государством.
Террористы могут нацеливаться на атомные электростанции в попытке выпустить радиоактивное загрязнение в общество. Комиссия США по 9/11 заявила, что атомные электростанции были потенциальными целями, которые изначально рассматривались для атак 11 сентября 2001 года. Атака на бассейн отработанного топлива реактора также может быть серьезной, поскольку эти бассейны менее защищены, чем активная зона реактора. Выброс радиоактивности может привести к тысячам смертей в краткосрочной перспективе и большему числу смертей в долгосрочной перспективе.
В США Комиссия по ядерному регулированию проводит учения «Сила на силу» (FOF) на всех площадках АЭС не реже одного раза в три года. В Соединенных Штатах заводы окружены двойным рядом высоких заборов, которые контролируются электроникой. Территорию завода патрулирует значительный отряд вооруженной охраны.
Инсайдерский саботаж также представляет собой угрозу, поскольку инсайдеры могут наблюдать и обходить меры безопасности. Успешные инсайдерские преступления зависели от наблюдательности преступников и знания уязвимостей безопасности. В 1971 году энергетическому центру Индиан-Пойнт в Нью-Йорке в результате пожара был нанесен ущерб на сумму 5–10 миллионов долларов. Поджигателем был рабочий по техническому обслуживанию завода.
Распространение ядерного оружия — это распространение ядерного оружия, расщепляющихся материалов и ядерных технологий, связанных с оружием, в государства, которые еще не обладают ядерным оружием. Многие технологии и материалы, связанные с созданием ядерно-энергетической программы, имеют возможность двойного использования, поскольку их также можно использовать для производства ядерного оружия. По этой причине ядерная энергетика представляет собой риск распространения.
Ядерная энергетическая программа может стать путем, ведущим к созданию ядерного оружия. Примером этого является обеспокоенность по поводу ядерной программы Ирана. Перепрофилирование гражданской атомной промышленности в военные цели было бы нарушением Договора о нераспространении ядерного оружия, которого придерживаются 190 стран. По состоянию на апрель 2012 года в тридцати одной стране есть гражданские атомные электростанции, девять из которых имеют ядерное оружие. Подавляющее большинство этих ядерных держав произвели оружие раньше коммерческих атомных электростанций.
Фундаментальной целью глобальной безопасности является минимизация рисков ядерного распространения, связанных с расширением ядерной энергетики. Глобальное партнерство в области ядерной энергии представляло собой международную попытку создать распределительную сеть, в которой развивающиеся страны, нуждающиеся в энергии, будут получать ядерное топливо по сниженной цене в обмен на согласие этой страны отказаться от собственной разработки программы обогащения урана. Базирующийся во Франции Eurodif/Европейский консорциум по газодиффузионному обогащению урана представляет собой программу, которая успешно реализовала эту концепцию, при этом Испания и другие страны, не имеющие объектов по обогащению, покупают долю топлива, произведенного на контролируемом Францией обогатительном предприятии. , но без передачи технологий. Иран был одним из первых участников с 1974 года и остается акционером Eurodif через Sofidif.
В докладе Организации Объединенных Наций за 2009 год говорилось, что:
возрождение интереса к ядерной энергетике может привести к всемирному распространению технологий обогащения урана и переработки отработавшего топлива, которые представляют очевидный риск распространения, поскольку эти технологии могут производить расщепляющиеся материалы, которые можно непосредственно использовать в ядерном оружии.
С другой стороны, энергетические реакторы могут также сократить арсеналы ядерного оружия, когда ядерные материалы военного назначения перерабатываются для использования в качестве топлива на атомных электростанциях. Программа «Мегатонны в мегаватты» считается на сегодняшний день самой успешной программой нераспространения ядерного оружия. До 2005 года в рамках программы было переработано высокообогащенного оружейного урана на сумму 8 миллиардов долларов в низкообогащенный уран, пригодный в качестве ядерного топлива для коммерческих реакторов деления, путем разбавления его природным ураном. Это соответствует ликвидации 10 000 единиц ядерного оружия. В течение примерно двух десятилетий этот материал производил почти 10 процентов всей электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, или около половины всей ядерной электроэнергии в США, при этом в общей сложности было произведено около 7000< ТВтч электроэнергии. В общей сложности эта сделка, по оценкам, обошлась в 17 миллиардов долларов, что является «выгодной сделкой для американских налогоплательщиков», а Россия получила от этой сделки прибыль в 12 миллиардов долларов. Столь необходимая прибыль для российской атомной отрасли, которая после краха советской экономики столкнулась с трудностями в оплате содержания и безопасности высокообогащенного урана и боеголовок Российской Федерации. Сторонники борьбы с ядерным оружием назвали программу «Мегатонны в мегаватты» крупным успехом, поскольку она во многом стала движущей силой резкого сокращения количества ядерного оружия во всем мире после окончания «холодной войны». Однако без увеличения количества ядерных реакторов и увеличения спроса на расщепляющееся топливо стоимость демонтажа и смешивания отговорила Россию от продолжения разоружения. По состоянию на 2013 год Россия, похоже, не заинтересована в продлении программы.
Будучи источником энергии с низким содержанием углерода и относительно небольшими требованиями к землепользованию, ядерная энергия может оказывать положительное воздействие на окружающую среду. Она также требует постоянного снабжения значительным количеством воды и влияет на окружающую среду посредством добычи и переработки. Ее самые большие потенциальные негативные воздействия на окружающую среду могут возникнуть из-за ее трансгенерационных рисков распространения ядерного оружия, которые могут увеличить риски его использования в будущем, рисков проблем, связанных с управлением радиоактивными отходами, такими как загрязнение грунтовых вод, рисков аварий и рисков различных форм атак на места хранения отходов или перерабатывающие и электростанции. Однако они остаются в основном только рисками, поскольку исторически на атомных электростанциях было всего несколько катастроф с известными относительно существенными экологическими последствиями.
Атомная энергетика является одним из ведущих низкоуглеродных методов производства электроэнергии, и с точки зрения общего объема выбросов парниковых газов за жизненный цикл на единицу произведенной энергии ее значения сопоставимы или ниже, чем у возобновляемых источников энергии. Анализ литературы об углеродном следе, проведенный Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) в 2014 году, показал, что воплощенная общая интенсивность выбросов ядерной энергетики за жизненный цикл имеет медианное значение 12 г CO2экв/кВтч, что является самым низким показателем среди всех коммерческих источников энергии с базовой нагрузкой. Это контрастирует с углем и природным газом с содержанием CO2 экв/кВтч. Согласно отчету, по состоянию на 2021 год ядерные реакторы во всем мире помогли избежать выбросов 72 миллиардов тонн углекислого газа с 1970 года по сравнению с производством электроэнергии на угле.
Средняя доза естественного фонового излучения во всем мире составляет 2,4 миллизиверта в год (мЗв/год). Она колеблется от 1 мЗв/год до 13 мЗв/год, что в основном зависит от геологии местоположения. По данным Организации Объединенных Наций (НКДАР ООН), регулярная эксплуатация атомных электростанций, включая ядерный топливный цикл, увеличивает эту величину на 0,0002 мЗв/год облучения населения в среднем по миру. Средняя доза действующих АЭС для местного населения вокруг них составляет менее 0,0001< мЗв/год. Для сравнения, средняя доза для тех, кто живет в пределах 50 миль (80 км) от угольной электростанции, более чем в три раза превышает эту дозу и составляет 0,0003< мЗв/год.
Чернобыль привел к тому, что наиболее пострадавшее население и мужчины-восстановители получили среднюю начальную дозу от 50 до 100< мЗв в течение нескольких часов или недель, в то время как оставшееся глобальное наследие самой серьезной аварии на атомной электростанции по среднему уровню облучения составляет 0,002 мЗв/год и постоянно падает со скоростью затухания от первоначального максимума 0,04< мЗв на человека, усредненного по всему населению Северного полушария в год авария 1986 года.
Дебаты по ядерной энергетике касаются разногласий, которые окружают размещение и использование ядерных реакторов деления для производства электроэнергии из ядерного топлива в гражданских целях.
Сторонники ядерной энергетики рассматривают ее как устойчивый источник энергии, который снижает выбросы углекислого газа и повышает энергетическую безопасность за счет уменьшения зависимости от других источников энергии, которые также часто зависят от импорта. Например, сторонники отмечают, что ежегодно электроэнергия, вырабатываемая на атомной энергии, сокращает выбросы углекислого газа на 470 миллионов метрических тонн, которые в противном случае были бы получены из ископаемого топлива. Кроме того, сравнительно небольшое количество отходов, которые создает ядерная энергия, безопасно утилизируется на крупных предприятиях по производству ядерной энергии или перепрофилируется/перерабатывается для других видов использования энергии. М. Кинг Хабберт, популяризировавший концепцию пика добычи нефти, рассматривал нефть как ресурс, который скоро иссякнет, и считал ядерную энергию его заменой. Сторонники также заявляют, что нынешнее количество ядерных отходов невелико и может быть уменьшено с помощью новейших технологий и новых реакторов, и что показатели эксплуатационной безопасности электричества ядерного деления с точки зрения смертности до сих пор «не имеют себе равных». Хареча и Хансен подсчитали, что «глобальная ядерная энергетика предотвратила в среднем 1,84 миллиона смертей, связанных с загрязнением воздуха, и 64 гигатонны выбросов CO2-эквивалента (GtCO2-eq) выбросов парниковых газов (ПГ), которые могли бы возникнуть в результате сжигания ископаемого топлива», и, если продолжать, это могло бы предотвратить до 7 миллионов смертей и 240 GtCO2-экв. выбросов к 2050 году.
Сторонники также обращают внимание на альтернативную стоимость использования других форм электроэнергии. Например, Агентство по охране окружающей среды оценивает, что уголь убивает 30 000 человек в год в результате своего воздействия на окружающую среду, а 60 человек погибли в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС. Реальным примером воздействия, представленным сторонниками, является увеличение выбросов углерода на 650 000 тонн за два месяца после закрытия атомной электростанции Vermont Yankee.
Оппоненты считают, что ядерная энергетика представляет множество угроз для здоровья людей и окружающей среды, таких как риск распространения ядерного оружия, долгосрочное безопасное обращение с отходами и терроризм в будущем. Они также утверждают, что атомные электростанции представляют собой сложную систему, в которой многое может пойти не так и пойти не так. Затраты на чернобыльскую катастрофу составляют ≈68 миллиардов долларов по состоянию на 2019 год и продолжают расти, катастрофа на Фукусиме, по оценкам, обойдется налогоплательщикам в ~187 миллиардов долларов, а утилизация радиоактивных отходов, по оценкам, обойдется операторам атомной энергетики Европейского Союза в ~250 миллиардов долларов к 2050 году. Однако в странах, которые уже используют ядерную энергию, если не рассматривать возможность переработки, промежуточные затраты на захоронение ядерных отходов могут быть относительно фиксированными до определенной, но неизвестной степени, «поскольку основная часть этих затрат связана с эксплуатацией промежуточного хранилища».
Критики считают, что одним из самых больших недостатков строительства новых атомных электростанций являются большие затраты на строительство и эксплуатацию по сравнению с альтернативами устойчивых источников энергии. Дальнейшие затраты включают текущие исследования и разработки, дорогостоящую переработку в тех случаях, когда она практикуется, и вывод из эксплуатации. Сторонники отмечают, что сосредоточение внимания на приведенной стоимости энергии (LCOE), однако, игнорирует надбавку к стоимости, связанную с круглосуточной диспетчеризацией электроэнергии, а также стоимость систем хранения и резервного копирования, необходимых для интеграции переменных источников энергии в надежную электрическую сеть. «Таким образом, ядерная энергия остается управляемой низкоуглеродной технологией с самыми низкими ожидаемыми затратами в 2025 году. Только крупные гидрохранилища могут обеспечить аналогичный вклад при сопоставимых затратах, но по-прежнему сильно зависят от природных богатств отдельных стран».
В целом, многие оппоненты считают, что ядерная энергия не может внести значимый вклад в смягчение последствий изменения климата. В целом они считают, что это слишком опасно, слишком дорого, что развертывание занимает слишком много времени, является препятствием на пути к переходу к устойчивому развитию и углеродной нейтральности, фактически являясь отвлекающей конкуренцией за ресурсы (т.е. человеческие, финансовые, время, инфраструктура и опыт) для развертывания и разработки альтернативных, устойчивых технологий энергетических систем (таких как ветровая, океанская и солнечная энергия, включая, например, плавучие солнечные батареи), а также способов управления их прерывистостью, помимо генерации базовой нагрузки на ядерной энергии, например, управляемых генерация, диверсификация возобновляемых источников энергии, суперсети, гибкий спрос и поставка энергии, регулирующие интеллектуальные сети, и технологии хранения энергии).
Тем не менее, продолжаются исследования и дебаты по поводу стоимости новых ядерных технологий, особенно в регионах, где, в т.ч. обеспечить сезонное хранение энергии сложно, и целью которых является поэтапный отказ от ископаемого топлива в пользу низкоуглеродной энергетики быстрее, чем в среднем по миру. Некоторые считают, что финансовые затраты на переход к европейской энергетической системе, на 100% основанной на возобновляемых источниках энергии, которая полностью отказалась от ядерной энергии, могут быть более дорогостоящими к 2050 году с учетом нынешних технологий (т.е. без учета потенциальных достижений, например, в области зеленого водорода, возможностей передачи и гибкости, способов для сокращения потребностей в энергии, геотермальной энергии и термоядерной энергии), когда сеть простирается только по Европе. Аргументы экономики и безопасности используются обеими сторонами дебатов.
Замедление глобального потепления требует перехода к низкоуглеродной экономике, главным образом за счет сжигания гораздо меньшего количества ископаемого топлива. Ограничение глобального потепления до 1,5 °C технически возможно, если с 2019 года не будут построены новые электростанции, работающие на ископаемом топливе. Это вызвало значительный интерес и споры в определении наилучшего пути вперед для быстрой замены ископаемого топлива в мире. глобальный энергетический баланс, с интенсивными академическими дебатами. Иногда МЭА говорит, что страны, не имеющие атомной энергии, должны развивать ее, а также возобновляемые источники энергии.
Некоторые исследования показывают, что теоретически возможно обеспечить большую часть мирового производства энергии новыми возобновляемыми источниками. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) заявила, что, если бы правительства оказали поддержку, к 2050 году на возобновляемые источники энергии могло бы приходиться около 80% мирового потребления энергии. В то время как в развитых странах отсутствует экономически обоснованная география для новой гидроэнергетики, с Каждая географически подходящая территория в значительной степени уже освоена, некоторые сторонники ветровой и солнечной энергии утверждают, что одни только эти ресурсы могут устранить потребность в ядерной энергетике.
Ядерная энергетика сравнима, а в некоторых случаях ниже, чем многие возобновляемые источники энергии, с точки зрения количества потерянных в прошлом жизней на единицу поставленной электроэнергии. В зависимости от технологий переработки возобновляемых источников энергии ядерные реакторы могут производить гораздо меньший объем отходов, хотя и гораздо более токсичных, дорогих в обращении и более долговечных. Атомную станцию также необходимо разобрать и вывезти, а большую часть разобранной АЭС необходимо хранить как низкоактивные ядерные отходы в течение нескольких десятилетий. Захоронение и обращение с широким спектром радиоактивных отходов, которых по состоянию на 2018 год насчитывается более четверти миллиона тонн, может привести к будущему ущербу и затратам во всем мире на протяжении сотен тысяч лет – возможно, более миллиона. лет из-за таких проблем, как утечка, вредоносное проникновение, уязвимость к атакам (в том числе со стороны перерабатывающих и электростанций), загрязнение подземных вод, радиация и утечка на поверхность земли, утечка рассола или бактериальная коррозия. Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии установил, что по состоянию на 2021 год необходимые технологии для геологического захоронения ядерных отходов уже доступны и могут быть развернуты. В 2020 году эксперты по коррозии отметили, что откладывание решения проблемы хранения «никому не пойдет на пользу». Выделенный плутоний и обогащенный уран могут быть использованы для ядерного оружия, которое – даже при нынешнем централизованном контроле (например, на государственном уровне) и уровне распространенности – считается сложным и существенным глобальным риском, имеющим существенные будущие последствия для здоровья и жизни людей. , цивилизация и окружающая среда.
Анализ, проведенный в 2015 году профессором Барри В. Бруком и его коллегами, показал, что ядерная энергия может полностью вытеснить ископаемое топливо из электрической сети в течение 10 лет. Этот вывод был основан на исторически скромных и доказанных темпах добавления ядерной энергии во Франции и Швеции во время их строительных программ в 1980-х годах. В аналогичном анализе Брук ранее определил, что 50% всей мировой энергии, включая транспортное синтетическое топливо и т. д., можно было бы производить примерно в течение 30 лет, если бы глобальные темпы создания ядерных установок были идентичны исторически доказанным темпам установки, рассчитанным в ГВт в год. на единицу мирового ВВП (ГВт/год/$). Это контрастирует с концептуальными исследованиями систем 100% возобновляемой энергетики, которые потребуют на порядок более дорогостоящих глобальных инвестиций в год, что не имеет исторического прецедента. Для этих сценариев использования возобновляемых источников энергии также потребуется гораздо больше земель, отведенных для проектов по наземной ветроэнергетике и солнечной энергии. Брук отмечает, что «основные ограничения ядерного деления не связаны с техническими, экономическими или топливными проблемами, а вместо этого связаны со сложными проблемами общественного признания, финансовой и политической инерцией, а также неадекватной критической оценкой реальных ограничений, с которыми сталкивается [другая сторона] ] низкоуглеродные альтернативы».
Научные данные показывают, что — если предположить уровни выбросов в 2021 году — у человечества есть только углеродный бюджет, эквивалентный 11 годам выбросов, оставшихся для ограничения потепления 1,5< °C, в то время как строительство новых ядерных реакторов заняло в среднем 7,2– 10,9 лет в 2018–2020 годах, что значительно дольше, чем, наряду с другими мерами, расширение масштабов внедрения ветровой и солнечной энергии – особенно для новых типов реакторов – а также более рискованно, часто задерживается и в большей степени зависит от государственной поддержки. Исследователи предупреждают, что новые ядерные технологии, которые разрабатывались десятилетиями, меньше тестируются, имеют более высокий риск распространения, имеют больше новых проблем с безопасностью, часто далеки от коммерциализации и являются более дорогими, не будут доступны вовремя. Критики ядерной энергии часто выступают только против энергии ядерного деления, но не против ядерного синтеза; однако термоядерная энергия вряд ли получит коммерческое распространение до 2050 года.
Средняя площадь суши, используемая атомными электростанциями США на 1 ГВт установленной мощности, составляет 1,3 квадратных мили (3,4 км2). Для производства такого же количества электроэнергии в год (с учетом коэффициента мощности) от солнечных фотоэлектрических станций потребуется около 60 квадратных миль (160 км2), а от ветряной электростанции — около 310 квадратных миль (800 км< суп>2). В эту сумму не включены земли, необходимые для соответствующих линий электропередачи, водоснабжения, железнодорожных линий, добычи и переработки ядерного топлива, а также для захоронения отходов.
Текущие реакторы деления, действующие во всем мире, представляют собой системы второго или третьего поколения, причем большинство систем первого поколения уже выведены из эксплуатации. Исследования усовершенствованных типов реакторов поколения IV были официально начаты Международным форумом «Поколение IV» (GIF) на основе восьми технологических целей, в том числе улучшения экономики, безопасности, устойчивости с точки зрения распространения, использования природных ресурсов и способности потреблять существующие ядерные отходы при производстве электричество. Большинство этих реакторов существенно отличаются от ныне действующих легководных реакторов и, как ожидается, будут доступны для коммерческого строительства после 2030 года.
Гибридная ядерная энергетика — это предлагаемый способ производства энергии за счет сочетания процессов ядерного синтеза и деления. Эта концепция возникла в 1950-х годах и кратко защищалась Гансом Бете в 1970-х годах, но в значительной степени оставалась неисследованной до возрождения интереса в 2009 году из-за задержек в реализации чистого термоядерного синтеза. Когда будет построена термоядерная электростанция длительного действия, она потенциально сможет извлекать всю энергию деления, оставшуюся в отработавшем топливе деления, сокращая объем ядерных отходов на порядки и, что более важно, устраняя все актиниды, присутствующие в топливе. отработанное топливо, вещества, вызывающие обеспокоенность по поводу безопасности.
Реакции ядерного синтеза потенциально могут быть более безопасными и производить меньше радиоактивных отходов, чем деление. Эти реакции кажутся потенциально жизнеспособными, хотя технически довольно сложными и еще не созданы в масштабах, которые можно было бы использовать на работающей электростанции. Энергия термоядерного синтеза находится в стадии теоретических и экспериментальных исследований с 1950-х годов. Исследования ядерного синтеза продолжаются, но термоядерная энергия вряд ли получит коммерческое распространение до 2050 года.
Существует несколько экспериментальных термоядерных реакторов и установок. Самый крупный и амбициозный международный проект ядерного синтеза, реализуемый в настоящее время, — это ИТЭР, большой токамак, строящийся во Франции. Планируется, что ИТЭР проложит путь к коммерческой термоядерной энергетике, продемонстрировав самоподдерживающиеся реакции ядерного синтеза с положительным выигрышем в энергии. Строительство установки ИТЭР началось в 2007 году, но проект столкнулся со многими задержками и перерасходом бюджета. Ожидается, что объект начнет работу не раньше 2027 года, то есть на 11 лет позже, чем первоначально предполагалось. Был предложен вариант коммерческой термоядерной электростанции DEMO. Есть также предложения по созданию электростанции, основанной на другом подходе к термоядерному синтезу — электростанции инерционного термоядерного синтеза.
Первоначально считалось, что производство электроэнергии с помощью термоядерного синтеза легко достижимо, как и энергия ядерного деления. Однако экстремальные требования к непрерывным реакциям и сдерживанию плазмы привели к продлению прогнозов на несколько десятилетий. В 2020 году, спустя более 80 лет после первых попыток, коммерциализация производства термоядерной энергии считалась маловероятной до 2050 года.
Чтобы активизировать и ускорить развитие термоядерной энергетики, Министерство энергетики США (DOE) выделило в 2023 году 46 миллионов долларов восьми компаниям, включая Commonwealth Fusion Systems и Tokamak Energy Inc. Эта амбициозная инициатива направлена на внедрение пилотного термоядерного синтеза в рамках десятилетие.