Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Классические задачи физики горячей плазмы

1. Статус и прогнозы современной энергетики

Термоядерный синтез, в учёном просторечии именуемый термоядом, часто называют потенциальной основой энергетики будущего. Поэтому, обсуждая проблемы термояда и пути их решения, резонно напомнить ставшие уже традиционными аргументы, используемые в дискуссиях о роли энергетики в экономике.

Как хорошо известно, благосостояние жителей России в значительной степени обеспечивается имеющимися в ней энергоресурсами и возможностями торговли ими. Однако, как учит нас история, именно использование энергоресурсов определяет благосостояние и всего человечества в целом, что иллюстрирует рис. 1.1. На нём

Рнс. 1.1. Человечество н энергетика в ретроспективе

изображены примерные зависимости удельных, т.е. в перерасчёте па одного жителя Земли, энергопотребления и мирового валового продукта (МВП) от Рождества Христова до наших дней. Энергопотребление принято исчислять в тоннах нефтяного эквивалента (тнэ) или в килограммах нефтяного эквивалента (кнэ) (как на графике). Мировой валовый продукт рассчитывают в долларах в ценах 2010 г.; номера годов в современном летоисчислении отложены по осям абсцисс приведённых графиков. Даже с учётом всей условности расчётов энергопотребления и МВП в начале тысячелетия, картина получается весьма показательной. Кривые на обоих графиках очень похожи, а их отношение изменилось совсем незначительно: если в первом году нашей эры удельное потребление первичных энергоисточников оценивалось на уровне около 0,2 тнэ на человека, а удельный МВП составлял примерно 500 $/чел., то к 2010 г. эти

показатели выросли приблизительно до 1,9 тнэ и 104 $/чел. соответственно. Таким образом, хотя благосостояние жителя Земли возросло за 2000 лет довольно заметно (примерно в 20 раз), обеспечивается оно, главным образом, за счёт роста энергопотребления, которое за этот же период увеличилось почти в 10 раз. Другими словами, энергетика — это не просто фундамент мировой экономики, это её эквивалент.

Второй вывод, который с очевидностью следует из рис. 1.1, заключается в том, что технический прогресс человечества на протяжении указанного исторического периода привёл всего лишь к удвоению эффективности переработки энергии в прочие блага. И любопытно, что увеличение в 1,5 раза произошло фактически лишь за последние 30 лет, что иллюстрируется рис. 1.2, изображающим потребление первичной энергии и производство МВП (долларовые оценки МВП приведены по паритету покупательной способности (ППС)). Это означает, что всё предшествующее время технический

Корреляция мирового валового продукта и потребления первичной энергии

Рис. 1.2. Корреляция мирового валового продукта и потребления первичной энергии

прогресс лишь компенсировал стремительно растущее народонаселение нашей планеты, поддерживая среднее благосостояние человечества па одном и том же уровне, и лишь последние 30 лет привели к увеличению энергоэффективности мировой экономики в указанные 1,5 раза. Вот почему до тех пор, пока человечество не сможет увеличить эффективность использования энергии как минимум на порядок, качество жизни будет по-прежнему определяться количеством потребления энергии.

Два слова о темпах роста населения Земли в связи с этим. Как оказалось, популяризируемая С.П. Капицей [1,2] аппроксимационная формула

где N — число населяющих Землю людей в году Y от Рождества Христова, весьма неплохо описывала народонаселение нашей планеты в течение почти десяти тысяч лет (формула (1.1) допускает также и отрицательные значения Y). Эта замечательная формула принципиально отличается от известной мальтусовской экспоненты наличием полюса в 2025 г. — в физике такими гиперболическими зависимостями описывают нелинейные взрывные процессы. В соответствии с (1.1) примерно в 2025 г. должен наступить конец света, если человечество в своём демографическом развитии не сможет уйти от этого закона; первооткрыватель данной формулы Heinz von Forster приписал «Судному дню» точную дату — пятницу 13 ноября 2026 г. Любопытно, что точность данной формулы не нарушалась ни известными истории эпидемиями континентального масштаба, ни мировыми войнами — вносимые ими искажения в естественный ход событий вполне укладывались в рамки стандартных статистических отклонений. К счастью, следует констатировать, что начиная примерно с 2005—2007 гг., отклонения от (1.1) уже зарегистрированы, что вселяет-таки надежду избежать указанного конца света.

Итак, приведённая статистика показывает, что именно количественный рост потребления энергоресурсов и есть главный фактор поддержания и развития благосостояния человечества. Поэтому, уделяя преимущественное внимание технологическому прогрессу, включающему в себя развитие малоэнергоёмких технологий, тем не менее, нельзя рассчитывать ни на сколь-нибудь значительное снижение интегрального энергопотребления, ни даже па снижение темпов его роста. В связи с этим вопрос о ресурсах, обеспечивающих такое энергопотребление, начинает выходить на передний план.

Мы не будем детально обсуждать этот, пусть весьма важный, но достаточно дискуссионный вопрос, который обычно сводят к короткой формулировке: па сколько лет человечество обеспечено энергоресурсами? Неопределённость в ответе на этот вопрос слишком велика: меняются количество разведанных запасов, оценки сценариев экономического развития и структуры энергопотребления, а также сами эти сценарии, меняется — а из сказанного ранее следует, что она должна меняться весьма значительно — демографическая картина. Тем не менее, если оперировать умеренными значениями разведанных запасов топливных природных ресурсов при экономически оправданной на сегодняшний день стоимости добычи этих ресурсов, то обычно демонстрируют числа, близкие к изображённым на рис. 1.3. Подчеркнём ещё раз, что речь идёт о значениях,

Оценка разведанных энергетических ресурсов и сроков их истощения соответствующих типовому расходу энергоресурсов Земли, при котором ежесекундно потребляется около 1000 баррелей

Рис. 1.3. Оценка разведанных энергетических ресурсов и сроков их истощения соответствующих типовому расходу энергоресурсов Земли, при котором ежесекундно потребляется около 1000 баррелей (0,2 млн л) нефти и приблизительно 200 т угля, а в атмосферу ежесекундно выбрасывается около 1000 т углекислого газа.

Более подробные сведения с учётом различий возможных сценариев развития мировой экономики, использования энергоресурсов, национальных особенностей различных государств и привлечения новых энергетических технологий, значимость которых возрастает в последние годы (например, использование сланцев) можно найти в системных прогнозах Аналитического центра при Правительстве РФ (см., например, [3]). Однако при всей неопределенности приведённых оценок масштабное истощение основных видов используемых ныне природных энергетических ресурсов к середине текущего века не вызывает сомнений.

Неопределённость, возникающая в энергетических прогнозах даже на весьма ограниченный период времени, может быть настолько велика, что делает сомнительной саму целесообразность построения каких-либо серьёзных экономических расчётов на базе таких прогнозов. К примеру, в 2004 г. американский департамент энергетики (БОЕ) прогнозировал рост мощностей по производству электроэнергии в мире до 2,7 ТВт к 2025 г., а в реальности уровень производства 4,4 ТВт был достигнут уже в 2012 г. Доминирующие способы производства электроэнергии в различных странах различны; в среднем по миру они соответствуют диаграмме, представленной на рис. 1.4, хотя для отдельных стран отличия могут быть весьма и весьма значительными.

Так, Китай, с 2011 г. опередивший США и лидирующий ныне в производстве электроэнергии в мире, почти 70 % электричества вырабатывает на тепловых электростанциях, примерно 23 % — па гидростанциях и лишь около 1 % на атомных станциях, тогда как Франция и Бельгия вырабатывают на атомных станциях более 80 % и 50 % электроэнергии соответственно. Если говорить о тенденциях последних лет, то они следующие. Уровень производства на тепловых электростанциях всех типов, т.е. использующих уголь, газ, мазут и другие производные нефти, примерно постоянен. Роль возобновляемых источников энергии плавно возрастает, главным образом, за счёт использования биомассы и отходов — эти технологии становятся всё более и более популярными, особенно в Азии и Латинской Америке. При этом доля ветровых, солнечных, приливных и прочих электростанций подобного рода крайне невелика (не превышает 1 %). Необходимо отчётливо понимать, что индустрию в масштабах страны или тем более планеты на таких технологиях не построить, прежде всего в силу низкой плотности энергии в этих источниках. Неуклонно воз-

Примерные схемы парциального распределения энергетических ресурсов (я) и способов производства электроэнергии (б) в мире в 2013 г

Рис. 1.4. Примерные схемы парциального распределения энергетических ресурсов (я) и способов производства электроэнергии (б) в мире в 2013 г.

растает и доля атомной энергетики[1], даже несмотря на то, что после аварии па атомной станции Фукусима 11 марта 2011 г. Япония, ранее производившая около 30 % электроэнергии на атомных станциях, временно отказалась от использования атомной энергетики. Тем не менее, очевидно, что атомная электроэнергетика из мировой экономики уже не может быть устранена, её доля будет продолжать расти.

Отдельно следует упомянуть ресурсное обеспечение атомной энергетики. Урана в мире добывается около 55 тыс. т в год, а мировые запасы составляют примерно 5,5 млн т, что гарантирует обеспечение нынешней атомной энергетики топливом примерно па 100 лет. Самые большие запасы урана, как видно из табл. 1.1, у Австралии, тогда как главным экспортёром урана в мире сейчас является Казахстан, в котором были сосредоточены основные урановые ресурсы Советского Союза и который поставляет на рынок в 3 раза больше урана, чем Австралия, и в 2 раза больше урана, чем Канада, где добыча осложняется более тяжёлыми природными условиями. При переходе на природный уран, т.е. на использование реакторов на быст-

№ п/п

Страна

Добыча, т в год

Оценённые запасы, тыс. т/%

1

Казахстан

19451

651/12

2

Канада

9145

485/9

3

Австралия

5983

1673/31

4

Нигер

4351

5

Намибия

3258

6

Россия

2993

480/8,9

7

Узбекистан

2500

8

США

1537

9

Украина

890

10

Китай

885

11

Малави

846

12

ЮАР

582

13

Индия

400

14

Бразилия

265

15

Чехия

229

Прочие

Менее 100 т

рых нейтронах, ресурсные ограничения на топливо снимаются. Однако конструктивно реакторы такого типа значительно сложнее традиционных водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), составляющих основу современной атомной энергетики, выше стоимость их эксплуатации, да и потенциальная опасность (речь идёт не только и не столько об использовании жидкометаллических теплоносителей — натрия, свинца, сочетания свинец-висмут, сколько о наработке плутония, который можно использовать в военных целях).

В настоящее время в мире функционирует единственный энергетический реактор-бридер — БН-600, работающий с 1980 г. па Белоярской АЭС. На 2014 г. Росатом запланировал запуск нового энергоблока с реактором БН-800 (т.е. на быстрых нейтронах, мощностью 800 МВт) — на той же Белоярской АЭС. Тем не менее, интерес к реакторам на быстрых нейтронах в мире не ослабевает, хотя проявляется он, как правило, в продолжении исследовательских разработок и испытаний.

Автор не претендует на абсолютную точность приведённых выше чисел и прогнозных оценок; дело в другом: ограниченность имеющихся топливных ресурсов при ориентации па существующие технологии их использования может в XXI в. из гипотетического стать вполне реальным фактором, ограничивающим развитие человечества. Вторым важнейшим фактором являются экологические ограничения, которые в XXI в. также приобрели глобальный характер. Экологические трудности, связанные с интенсивным развитием электроэнергетики на базе тепловых, атомных, гидростанций и даже при масштабном использовании солнечных батарей, хорошо известны и неоднократно обсуждались. Для нас же здесь важно лишь то, что эти факторы, в какой-то степени мотивировавшие работы по мирному освоению термоядерной энергии более 60 лет назад, в настоящее время стали лишь более актуальными.

  • [1] Автор использует ставший привычным термин «атомная энергетика» вместо болееточного «ядерная энергетика», который всё чаще употребляется в последнее время. Однакоустоявшиеся словосочетания «атомная электростанция», «атомное оружие» «атомная энергия» (включая название журнала «Атомная энергия») и даже название госкорпорации«Росатом» заставили автора сделать выбор в пользу традиции в ущерб точности формулировки.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы