Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Отражение реальной значимости системных факторов в методологии и моделях энергетического планирования 22
1.1 «Внешние» факторы реальной стоимости энергии («экстерналии») 22
1.2 Учет экстерналии в моделях энергетического планирования 27
1.3 Энтропийная модель техногенных воздействий 38
1.4 Выводы к главе 1 61
ГЛАВА 2. Сравнительная оценка воздействия энергоисточников на окружающую среду и экологические стимулы развития ядерной энергетики 63
2.1 Категория относительных натуральных издержек 63
2.2 Подготовка исходных данных по воздействию на окружающую среду ядерных и неядерных энергетических источников 66
2.3 Учет специфики региональных условий с помощью метода локализации внешних издержек 73
2.4 Пределы и квоты глобального антропогенного воздействия для расчета относительных натуральных затрат 82
2.5 Сравнительная оценка относительных натуральных затрат при производстве электроэнергии и экологические стимулы развития ЯТЦ. 90
2.6 Выводы к главе 2 103
ГЛАВА 3. Сравнение показателей воздействия открытого и замкнутого ЯТЦ на окружающую среду 105
3.1 Источники радиоактивности и способы управления ими 105
3.2 Воздействие ЯТЦ на здоровье 120
3.3 Воздействие ЯТЦ на компоненты биосферы 123
3.4 Воздействие ЯТЦ по литосфере 126
3.5 Агрегирование экологических показателей ЯТЦ 129
3.6 Выводы к главе 3 131
ГЛАВА 4. Влияние глобальных внешних ограничений на выбор технических решений в ядерно-энергетическом секторе 133
4.1 О возможных направлениях глобального радиационного нормирования 133
4.2 Глобальные ограничения по сырьевым ресурсам 144
4.3 Подход к формированию глобальных ограничений по нераспространению делящихся материалов 149
4.4 Выводы к главе 4 164
ГЛАВА 5. Некоторые направления повышения эффективности использования природных ресурсов и снижения объема РАО в ядерно-энергетическом цикле 165
5.1 Снижение объемов и радиотоксичности отходов ядерного топлива в системе тепловых и быстрых реакторов 165
5.2 Научно-технические основы и направления снижения количества РАО от конструкционных и технологических материалов 173
5.3 Выводы к главе 5 204
ГЛАВА 6. Роль системных факторов в развитии ядерной энергетики: реальность и перспективы 206
6.1 Тенденции изменения значимости системных факторов 206
6.2 Конкурентоспособность ядерных энерготехнологий при условии сохранения действующих критериев принятия решений 208
6.3 Влияние политических факторов на развитие ЯТЦ. 229
6.4 Экологические издержки и конкурентоспособность 234
6.5 Подход к денежному выражению относительных экологических издержек в энтропийной модели 237
6.6 Выводы к главе 6 248
Заключение 250
Список литературы 254
Принятые сокращения и обозначения 281
Приложение 282
- Учет экстерналии в моделях энергетического планирования
- Пределы и квоты глобального антропогенного воздействия для расчета относительных натуральных затрат
- Подход к формированию глобальных ограничений по нераспространению делящихся материалов
- Научно-технические основы и направления снижения количества РАО от конструкционных и технологических материалов
Введение к работе
Общая обстановка, влияющая на ситуацию в сфере производства электроэнергии, за последние годы значительно изменилась. Глобализация мировой экономики и энергетических рынков, тенденции к международному разделению труда, разукрупнение и приватизация сектора производства электроэнергии, все более жесткие требования по охране естественной окружающей среды, - вот далеко не полный перечень факторов, приобретающих все больший вес и заставляющих считаться с собой при принятии решений по выбору технологий и стратегии развития энергетики. Новые реальности инициировали процесс серьезной реструктуризации энергетики как в мире, так и в нашей стране, окончательные итоги которого, по всей видимости, определятся лишь в отдаленном будущем.
На первый взгляд произошедшие изменения имели негативные последствия в основном для ядерной энергетики. Действительно, в условиях укрепления мирового рынка энергоресурсов и создания системы достаточно надежного доступа к ним аргумент энергетической независимости для промышленно развитых стран, обладающих незначительными запасами качественного органического топлива, отошел на второй план. Одновременно снизилась, или полностью прекратилась, государственная поддержка развитию ядерных технологий и ядерного замкнутого топливного цикла, на основе которого только и могла быть кардинально решена задача устойчивого внутреннего энергоснабжения этих стран. Расширение базы органического топлива промышленно развитых стран за счет создания устойчивого мирового рынка сырья, совершенствование технологий его разведки, добычи и транспортировки, - все это привело к тому, что реальная динамика цен на химические энергоносители за последние двадцать лет оказалось очень далекой от картины быстрого роста, какой она представлялась на заре развития ядерной энергетики.
Соответственно не оправдались и ожидания, связанные с резким увеличением топливной составляющей традиционной углеводородной энергетики. Конечно, в первую очередь это отразилось на энергетической политике стран-импортеров органического топлива - наиболее сильных в экономическом отношении государств, многие из которых являлись лидерами развития ядерных технологий.
Общему ослаблению конкурентных позиций ядерной энергетики, несомненно, способствовал также процесс разукрупнения и приватизации сектора производства электроэнергии, поскольку менее капиталоемкая и быстрее окупающаяся органическая энергетика оказалась более приемлемой для частных энергетических компаний. Дополнительные затраты на повышение безопасности действующих и строящихся ядерных установок, осуществленные в ядерных странах в период после тяжелых аварий на АЭС «Три Майлз Айленд» и Чернобыльский АЭС, а также отсутствие консенсуса по проблеме ядерных отходов не только повысили стоимость электроэнергии, производимой атомными станциями, но и создали дополнительную неопределенность и риск для вложения капитала, что негативно сказалось на инвестиционной привлекательности ядерной энергетики. И наконец, испытания ядерного оружия в Пакистане и Индии показали недостаточную эффективность мер по сдерживанию распространения этого вида оружия, что несомненно бросило тень на ядерный топливный цикл.
Указанные обстоятельства наряду с рядом других факторов серьезно ухудшили положение ядерного сектора производства электроэнергии и, в конечном итоге, сказались на замедлении темпов ввода ядерных мощностей. Но какими бы тяжелыми они ни были для положения отрасли на данном этапе, всесторонний анализ, результаты которого представлены на международных форумах последнего времени, свидетельствует о временном, неустойчивом и во многом обратимом характере произошедшего ухудшения конъюнктуры.
Подтверждением данного вывода служит тот факт, что, несмотря на неблагоприятные обстоятельства, АЭС сохранили конкурентоспособность практически во всех странах, где они построены /1-4/, в том числе в России /5-8/. Для некоторых перспективных рынков энергии, таких как Юго-Восточная Азия, именно с ядерной энергией связывают долговременные планы покрытия энергетических потребностей. Исключительно важным свидетельством жизнеспособности ядерного выбора для удовлетворения потребностей в электроэнергии является новое обращение правительства "США к обсуждению проблемы развития ядерно-энергетических систем следующего поколения - известных как ЯЭУ IV поколения - с привлечением правительств, промышленности и научных сообществ всех стран 191.
Таким образом, имеются веские основания говорить о намечающемся новом этапе развития ядерной энергетики, в ходе которого должен быть решен ряд фундаментальных проблем, позволяющих обеспечить ядерным технологиям твердое положение в XXI веке. На саммите тысячелетия в Нью-Йорке президентом РФ В.В. Путиным выдвинута инициатива, в которой эти технологии призваны ответить на три главных вопроса, волнующих сегодня мировое сообщество. Первый - как решить проблему энергообеспечения в мировом масштабе, второй - как при этом не только не повредить экологии, а, наоборот, улучшить ее, и третий - как не допустить самоуничтожения человечества в ядерной войне.
Фактически инициатива президента ставит задачу всестороннего рассмотрения ядерного топливного цикла как технологии, способной ответить на вызовы времени и обеспечить требование устойчивого энергетического развития общества - развития, которое не влекло бы за собой необратимых отрицательных изменений в условиях самого существования человечества.
Необходимость разработки и осуществления стратегии устойчивого развития (sustainable development), была обоснована на конференции ООН в Рио-де-Жанейро в 1992 году /10-14/. После конференции в Рио термин «устойчивое развитие» приобрел широкий эколого-экономический контекст и по сути дела стал выражением одного из немногих признанных на международном уровне ориентиров дальнейшего развития цивилизации.
В настоящее время движение в этом направлении набирает силу и приобретает новое качество. Постепенно растет понимание, что повышение экономической эффективности производства без учета экологических факторов поощряет хищническое отношение к природе и с неизбежностью ведет к тяжелым, а часто и непоправимым, последствиям. Вопросы охраны здоровья человека и окружающей среды вышли на политический международный уровень, и по некоторым признакам и развивающимся тенденциям можно предполагать, что их решение затронет основы мировой экономической системы. При всей многогранности и противоречивости происходящих в общественном сознании процессов достаточно отчетливо проявляется общее стремление к гармонизации социально-экономических и экологических интересов, к построению сбалансированной системы отношений между человеком и природой, в полной мере отвечающей принципу коэволюции - совместного развития общества и биосферы.
В этой обстановке топливно-энергетический комплекс с его существенным и все возрастающим антропогенным воздействием в региональном и планетарном масштабах стал объектом пристального внимания, полем широкомасштабных экологических исследований и достаточно жестких законодательных и административных мер.
Наряду с различного рода ограничениями разрабатываются экономические методы, ориентированные на включение в стоимость производства «экстерналий» - затрат, которые прежде считались чисто внешними, например, социальных выплат, компенсаций за негативное воздействие на здоровье людей и окружающую среду и др. Уже сейчас в странах, взявших курс на решительное оздоровление экологической обстановки, вводятся различного рода налоги и платежи, учитывающие социально-экологический контекст производства электроэнергии.
Что же касается перспектив реализации механизмов, предусмотренных Киотским протоколом к Конвенции ООН по климатическим изменениям /15/, то эти беспрецедентные по своему характеру меры объективно способствуют значительному росту стоимости электроэнергии ТЭС, обладающих большими выбросами парниковых газов. Новые подходы, отражающие ущерб от разных способов производства энергии, безусловно, ведут к выбору, отличающемуся от решений, сделанных на основе только прямых оценок производственных затрат /16-19/. Весьма вероятно, что процессы, происходящие в энергетическом секторе под давлением экологических факторов, могут обернуться для традиционной энергетики не меньшими потрясениями, чем те, которые испытала в последние пятнадцать лет атомная энергетика.
В сложной ситуации с признаками назревающего в энергетике кризиса значительная часть общественности, экологи и политики не спешат включать ядерные технологии в число экологически чистых энергетических источников, рассматриваемых в качестве альтернативы сжиганию органического топлива и, тем более, возобновляемым источникам. С большой долей уверенности можно назвать основную причину такого отношения - это боязнь повторения аварий, сколько-нибудь сравнимых по масштабу с Чернобыльской катастрофой. Поэтому вполне оправдано, что на поиске путей кардинального повышения безопасности ядерно-энергетических установок и других объектов ядерного цикла в значительной степени были сосредоточены усилия специалистов отрасли, руководящих и регулирующих органов в последние годы.
Уделяя исключительное внимание обеспечению ядерной безопасности, не следует упускать из вида, что результаты этой деятельности в конечном итоге позволят ответить лишь на вопрос - какой должна быть ядерная энергетика, но не вопрос - почему она необходима. Ответ на последний вопрос принципиально не изменился со времени создания первых АЭС - это эффективное производство пользующейся спросом продукции, в первую очередь энергии, при выполнении всех требований, формируемых средой функционирования. На переломном этапе развития общества, подобном нынешнему, понятия эффективности производства и внешних системных требований требуют глубокого переосмысления. Автор диссертации попытался сделать свой шаг по анализу проблем ядерного топливного цикла и путей его развития в новых условиях.
Цель и задачи работы. Целью работы является поиск системных критериев эффективности энергопроизводства, отвечающих принципам устойчивого развития, определение стимулов для повышения роли ядерной энергетики в топливно-энергетическом комплексе страны, разработка некоторых перспективных направлений совершенствования ЯТЦ.
В соответствии с целью ставились следующие задачи исследования: развитие методологии системного анализа и создание математической модели количественной оценки эффективности энергоисточников; сопоставление ядерных и неядерных топливных циклов по системным критериям и определение направлений по повышению конкурентоспособности ядерной энергетики; разработка конкретных научно-технических предложений по развитию ядерной технологии производства электроэнергии, реализации ее потенциальных преимуществ и устранению имеющихся недостатков; усовершенствование методов для проведения расчетов характеристик остаточной долгоживущей активности ядерных отходов.
Исследование проводилось для условий нормальной эксплуатации как предприятий ЯТЦ, так и предприятий альтернативных циклов.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
Первая глава посвящена вопросам методического обеспечения проводимого исследования. В первой части главы (1.1-1.2) дано краткое обозрение критериев, методов и программных инструментов, используемых для задач сравнительной оценки энергоисточников при подготовке решений по энергетическому планированию. Отмечено большое разнообразие используемых подходов, но, одновременно, и заметное продвижение на пути создания единой согласованной методологии объективной эколого- экономической оценки эффективности энергоисточников, выражением которого стала модель внешних (экологических, социальных) издержек, использованная в фундаментальном исследовании стран ЕС по экологическим проблемам энергетики - ExternE /20-21/. В части оценки воздействия на объекты окружающей среды, стоимость которых может быть так или иначе определена (включая воздействие на здоровье), данная методология демонстрирует достаточно высокую эффективность. Главным ее недостатком является систематическая недооценка ущербов объектам, не имеющим определенной рыночной стоимости. В целом, критический анализ используемых в настоящее время моделей энергетического планирования указывает на необходимость поиска новых идей с целью придания методологии большей общности.
Во второй части первой главы (1.3) рассматривается теоретический подход, разработанный автором диссертации и положенный им в основу модели сравнительного анализа энергоисточников, названной «энтропийной моделью». В этом подходе некоторые концептуальные физические представления распространены на производственную деятельность. Центральная идея состоит в описании предприятия как некоторой системы, состоящей из множества технологических операторов и совершающей цикл в определенном смысле подобный циклу теплового двигателя. Использование аналогии с методами статистической физики и термодинамики позволило получить комплексный критерий сравнения экономико-экологической эффективности различных производств, определяемый соотношением целевых (полезных) и побочных (как правило вредных) изменений, происходящих во внешней среде при осуществлении целенаправленной деятельности.
Во второй главе проводится сравнение глобального воздействия энергетических источников на окружающую среду по модели внешних экологических издержек ExtemE и разработанной автором энтропийной модели в двух сценариях развития энергетики страны на сто лет. Весьма примечательным с методической точки зрения представляется то обстоятельство, что в сценарии экстенсивного развития энергетики с допущением дальнейшего увеличения техногенной нагрузки на окружающую среду сравнительные (рейтинговые) оценки экологического воздействия основных технологий производства электроэнергии, полученные по обеим моделям, не противоречат друг другу, несмотря на абсолютно разные подходы, лежащие в их основе.
Центральное место во второй главе отводится анализу вопроса об экологических стимулах развития ядерной энергетики. С помощью энтропийной модели удается показать, что «центр тяжести» экологического воздействия ядерных циклов в отличие от всех других энерготехнологий, включая возобновляемые энергетические источники, лежит вне наиболее ценных ресурсов биосферы. Это уникальное свойство ядерной энергии предопределяет ее фундаментальную роль в обеспечении экологически допустимого развития энергетики будущего.
Несмотря на то, что энтропийная модель дает не противоречащее модели ExternE распределение энерготехнологий по их экологическим достоинствам, она обозначает гораздо менее оптимистическую картину в отношении абсолютного воздействия на окружающую среду возобновляемых источников и открытого ядерного топливного цикла (ОЯТЦ). Причина заключается в достаточно высоком воздействии этих технологий по тем природным факторам, которые естественно учитываются в энтропийной модели, но с большим трудом оцениваются экономическими методами и поэтому фактически не принимаются во внимание в моделях типа ExternE.
Таким образом, модель ExternE и разработанная автором энтропийная модель приводят к разным выводам в отношении необходимости улучшения экологических свойств реализуемого в настоящее время ОЯТЦ. В модели ExternE этот цикл выглядит настолько хорошо, что какая-либо потребность в его дальнейшем совершенствовании по экологическим характеристикам при нормальной эксплуатации АЭС и предприятий ЯТЦ по сути дела отпадает. Наоборот, энтропийная модель диктует необходимость улучшения показателей ОЯТЦ по наиболее чувствительным каналам его воздействия на природную среду (с сохранением низких воздействий по здоровью или их дальнейшим снижением).
Приведенные в заключительном разделе второй главы соображения говорят о том, что это противоречие в оценке ОЯТЦ не является случайным и легко устранимым, как может показаться на первый взгляд. За каждой из моделей стоит определенная концепция энергетического развития: за моделью ExternE - рыночная стихия с систематической недооценкой экологических ущербов; за энтропийной моделью и сценарием экстенсивного развития - рациональный подход с жесткими ресурсно-экологическими ограничениями на основе долговременного экологического планирования.
В первых разделах третьей главы рассматриваются вопросы подготовки данных по экологическому воздействию ОЯТЦ и замкнутого ядерного цикла (ЗЯТЦ) на окружающую среду и дается краткий анализ компонентов этого воздействия.
Поскольку основную специфику ядерного способа производства электроэнергии определяет радиационный фактор и именно он привносит особое качество в восприятие ядерной энергетики, в третьей главе особое внимание уделяется радиационной составляющей воздействия.
3.1 посвящен краткому рассмотрению физических закономерностей образования и распространения радиоактивных ядер, способов управления этими процессами и их систематизации. Большая часть из этих способов найдет применение в главе 5 диссертации в исследованиях по снижению количества долгоживущих радиоактивных отходов в ядерном цикле.
Основная часть главы (3.2-3.4) содержит обсуждение данных и сравнительный анализ показателей воздействия на окружающую среду четырех ядерных циклов: ВВЭР и РБМК с урановым топливом, ВВЭР с третью загрузки смешанным уран-плутониевым топливом при однократном рецикле плутония, БН с полной загрузкой смешанным уран-плутониевым топливом и многократным рециклом плутония. На основе этого анализа делается вывод о том, что все звенья реализованного в России ОЯТЦ с реакторами ВВЭР соответствуют достигнутому к настоящему времени мировому уровню. Россия является также одним из лидеров в осуществлении ЗЯТЦ и обладает уникальным опытом экологически безопасной эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах.
Результаты выполненного сопоставления экологических характеристик ОЯТЦ с реактором ВВЭР-1000 и ЗЯТЦ с реактором БН-800 на базе достигнутых к настоящему времени показателей воздействия предприятий по переработке топлива свидетельствуют о том, что по ущербу здоровью они очень близки друг к другу. Ни по одному из компонентов природной среды (биосферы) воздействие ЗЯТЦ не превышает воздействие открытого цикла, в то время как он обладает фундаментальными преимуществами в отношении потребления ресурсов недр и количества и радиотоксичности ядерных отходов.
В методологии внешних издержек в модели ExternE указанные экологические преимущества замкнутого цикла не находят адекватного отражения. Для выполнения поставленных в диссертации задач важно понять, в какой мере способна энтропийная модель отразить достоинства ЗЯТЦ и включить их в схему принятия решений на формальной основе.
В четвертой главе обсуждается ряд тонких вопросов применения энтропийной модели, которые остались на втором плане при сравнении ядерных и неядерных энергоисточников, но требуют исключительного внимания при оценке инновационных ЯТЦ. Формат используемых в энтропийной модели показателей значительно шире того формата, который требуется для модели внешних затрат ExternE, так что ее использование ставит дополнительные достаточно сложные задачи в области подготовки баз исходных данных.
Для получения количественных оценок техногенного воздействия основных энерготехнологий по энтропийной модели помимо показателей воздействия необходимо задать также емкость среды к воздействию данного рода, другими словами, - допустимые пределы глобального воздействия. Возможные подходы к построению системы глобальных экологических ограничений обсуждаются в первой части четвертой главы. Рассматриваются идеи различных авторов по построению глобальных радиационных ограничений с учетом естественных ориентиров радиоэкологической емкости природной среды.
Одна из центральных идей разрабатываемого автором подхода состоит в том, чтобы поставить в соответствие каждому фактору из рассматриваемого в системном анализе энергопроизводства множества натуральную оценку воздействия, полученную на совершенно иной, чем экономические оценки, основе. В 4.3 рассматриваются способы получения соответствующих натуральных оценок (рисков) в задаче нераспространения делящихся материалов, которая никак не может быть оставлена в стороне при сравнении различных реализаций ЯТЦ. Отмечается, что в методическом плане подход к оценке риска распространения во многом схож с оценкой экологических рисков, что открывает принципиальную возможность учета фактора нераспространения в общей схеме энтропийной модели.
Развивая введенное в системный анализ Р. Краковски и К. Баске /22/ понятие «экспозиции риска распространения», автор обосновывает несостоятельность известного тезиса относительно меньшей защищенности к распространению делящихся материалов ЗЯТЦ по сравнению с ОЯТЦ.
Более полный учет глобальных ограничений со стороны внешней среды, обеспечиваемый энтропийной моделью при долгосрочном планировании развития электроэнергетики, вносит существенные коррективы в картину воздействия открытого и замкнутого ядерных циклов. Если в модели внешних затрат экологическое воздействие циклов признается примерно одинаковым, то в энтропийной модели проявляются существенные преимущества ЗЯТЦ. При этом полученные результаты указывают не только на целесообразность осуществления всесторонне проработанной стратегии замыкания цикла по делящимся материалам, но и на необходимость постановки новой крупной задачи - замыкания технологического цикла ядерной энергетики по конструкционным материалам.
В пятой главе обсуждаются некоторые конкретные технические предложения по улучшению показателей ЯТЦ в направлениях, указанных проведенным в предыдущих главах анализом. Предлагаемые инновации в ядерном цикле направлены на дальнейшее снижение роли радиационной составляющей в антропогенном воздействии ЯТЦ на окружающую среду и, тем самым, на создание объективных предпосылок для постепенного искоренения из массового сознания представления о ядерном комплексе как источнике постоянной радиационной опасности.
В 5.1 отражены результаты исследований автора и его коллег по улучшению характеристик ЯТЦ по потреблению природного урана, количеству и радиотоксичности РАО в двухкомпонентной структуре ядерной энергетики, состоящей из тепловых и быстрых реакторов.
Исследования, проведенные в 5.1, лежат в русле общепризнанного направления работ по оптимизации цикла ядерного топлива. Однако системный взгляд на проблему ресурсов и отходов ядерной энергетики диктует необходимость расширения деятельности по совершенствованию цикла ядерной энергетики и в других компонентах. В 5.2 главы ставится вопрос о создании цикла облученных конструкционных материалов как составной части полного ЯТЦ, который по своей реальной значимости (количеству образующихся РАО, радиационному воздействию на персонал и население, экономическим издержкам) не уступает циклу ядерного топлива.
В шестой главе обсуждаются стимулы и перспективы развития ядерной энергетики, определяемые реально действующими, находящимися на пороге внедрения и только разрабатываемыми системными критериями. В первой части главы приведены результаты расчетов конкурентоспособности основных энергоисточников по отечественным и зарубежным моделям энергетического планирования, выполненные под руководством автора диссертации. В этих исследованиях определены общие условия и требования к технико-экономическим показателям АЭС, обеспечивающие их вхождение в энергетику страны при сохранении действующей в настоящее время практики принятия решений.
В последующих разделах (6.3-6.5) анализируется один из наиболее важных для темы диссертации вопросов: в какой степени актуализация системных факторов может способствовать развитию ядерно-энергетических технологий? В 6.3 обсуждается роль политического фактора, долгое время бывшего одним из серьезных препятствий на пути к замкнутому ядерному циклу, но в силу ряда объективных причин превращающемуся в один из стимулов его реализации в наиболее действенной, экономической форме.
В 6.4 показано, что перевод внешних (экологических) затрат, полученных из соображений рыночной экономики, во внутренние издержки производства в целом способствует повышению конкурентоспособности ядерной энергетики, но при этом не дает дополнительных стимулов замкнутому ядерному топливному циклу в сравнении с открытым.
Выводимый из разработанной автором диссертации теории производственных циклов системный критерий оценки эффективности существенно увеличивает влияние экологических достоинств энергоисточников в оценке их конкурентоспособности. Как следует из анализа, проведенного в 6.4, использование этого критерия ведет к появлению сильных экономических стимулов для развития экологически чистых, но более дорогостоящих технологий. Одновременно возникает экономическая основа для принятия эффективных мер по «экологизации» традиционных энергоисточников на химических топливах. Технология, основанная на замкнутом ядерном цикле с быстрыми реакторами, по критерию минимума техногенных и природных затрат - одна из самых перспективных в XXI веке.
В заключении подведены основные итоги выполненной работы и намечены пути ее дальнейшего развития.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:
Теоретический подход к описанию производства, в том числе энергопроизводства, как системы технологических операторов, использующих материальные ресурсы природы и трудовой потенциал общества для своего роста и воспроизводства и с определенной эффективностью преобразующей среду функционирования в заданном направлении.
Энтропийная модель системного анализа энерготехнологий, построенная на основе статистического описания энергопроизводств, и принцип минимума роста техногенной энтропии как критерий эффективности энергоисточников, характеризующий коэффициент их полезного действия в ресурсно-технологическом пространстве.
Результаты сравнительного анализа конкурирующих энерготехнологий на основе энтропийной модели и других современных системных средств, указывающие на фундаментальные преимущества ядерной энергетики для долговременного устойчивого развития, но также и на необходимость реализации конкретных мер по повышению системных показателей ЯТЦ.
Анализ системных аспектов стратегии утилизации оружейного и энергетического плутония в ЯТЦ России с целью определения условий повышения ее экономической эффективности, экологической безопасности и устойчивости к распространению. Доказательство несостоятельности используемого тезиса относительно меньшей защищенности ЗЯТЦ к распространению делящихся материалов по сравнению с ОЯТЦ.
Концепция замыкания цикла облученных конструкционных материалов для кардинального решения проблемы вывода АЭС из эксплуатации и результаты начального этапа научно-исследовательских работ по ее реализации.
Метод сопряжения для расчета больших возмущений в реакторных системах сложной структуры.
Научная новизна. Впервые поставлен вопрос относительно целесообразности достижения баланса трудозатрат общества и затрат природных ресурсов в энергетике как способа гармонизации производственных и экологических задач при развитии отрасли. Дано аналитическое описание производственного цикла в абстрактном ресурсно-технологическом пространстве. Предложен новый критерий эффективности энерготехнологий, учитывающий не только экономические издержки, но и возможности ресурсного потенциала рассматриваемой системы (региона, страны, мира). Обоснована задача определения глобальных пределов воздействия на окружающую среду по всем значимым факторам как необходимое звено формирования долговременной социально-экономической и экологической политики. Разработаны физические основы концепции цикла облученных конструкционных материалов, показана целесообразность его замыкания и впервые проведен комплекс научно-исследовательских работ в обоснование стратегии подобного рода. Разрешен ряд теоретических проблем в задачах переноса излучения в системах сложной структуры, созданы и внедрены в практику методы сопряжения для решения практических задач этого класса.
Личный вклад автора. Изложенные в диссертации теория производственных циклов в ресурсно-технологическом пространстве, энтропийная модель системного анализа, концепция цикла конструкционных материалов ядерной энергетики и технические предложения по его приближению к безотходности, новые методы и алгоритмы сопряжения для расчетов остаточной активности элементов конструкций реакторных установок разработаны лично автором. Им поставлены задачи, результаты выполнения которых обобщены в диссертации: по сравнительной оценке экологического воздействия ядерных и неядерных энергоисточников с привлечением современным данных и средств анализа, по роли быстрых реакторов в системе ядерной энергетики с учетом их экономических показателей и потенциала снижения радиотоксичности ядерных отходов, по развитию методологии количественной оценки защищенности к распространению делящихся материалов в различных ядерных циклах. Автором диссертации созданы программы методических и экспериментальных исследований на начальном этапе подготовки реакторов БН-350 и БН-600 к выводу из эксплуатации, в выполнении которых (в том числе и в проведении радиационного обследования помещений реакторов) он принимал непосредственное участие.
Практическая полезность. Результаты работы нашли следующее практическое применение: анализ проблемы топливообеспечения системы из тепловых и быстрых реакторов вошел в «Стратегию развития атомной энергетики России в первой половине XXI века»; данные по характеристикам открытого и замкнутого топливных циклов были использованы при формировании официальной позиции РФ на Международном Симпозиуме по перспективам развития ядерных технологий (Вена 1997), в подготовке которого автор принимал участие в качестве члена международной рабочей группы и где он представлял доклад по стратегии развития ядерной энергетики России; сравнительные оценки экологического воздействия энергоисточников были использованы в составе технико-экономического исследования «Энерго-экономическая эффективность строительства АЭС в Приморском крае в составе объединенной энергосистемы восточных регионов Азии», выполненного по заказу Дирекции Приморской АЭС; методология многофакторного системного анализа для сравнения альтернатив утилизации оружейного и энергетического плутония была рассмотрена в марте 2000 года на Координационном Совете Минатома по проблеме использования плутония в атомной энергетике, одобрена и рекомендована для дальнейшего практического использования; полученные в рамках двухсторонней российско-американской и трехсторонней российско-франко-германской рабочих групп результаты экономического анализа проблемы утилизации избыточного российского оружейного плутония стали основой для формирования позиции Минатома и РФ по данной проблеме; результаты цикла работ по подготовке АЭС с реакторами БН к выводу из эксплуатации были использованы при разработке «Концепции снятия с эксплуатации АЭС с реактором БН-350» и соответствующих разделов в ТОБ РУ БН-600 и БН-800; алгоритмы метода сопряжения внедрены в практику расчетных исследований облучательных медицинских устройств и устройств для наработки искусственных изотопов, в практику анализа экспериментов, в расчетный анализ задач по выводу из эксплуатации реакторов первых поколений и проектирования перспективных реакторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Российских научных конференциях по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок (Протвино 1989, Обнинск 1994, 1998), Ежегодных конференциях Ядерного Общества России (Обнинск 1999, Санкт-Петербург 2000, Москва 2002), Международном симпозиуме по численным методам переноса излучений (Москва 1992), Международном Симозиуме по перспективам развития ядерных технологий (Вена 1997), Международных конференциях по глобальным проблемам ядерных технологий «Глобал» (Версаль 1995, Йокагама 1997, Джексон Хоул 1999, Париж 2001), Конференции Американского ядерного общества (Чарльстон, 2002), Международной конференции «Планирование развития энергетики» (Москва, 2002), многочисленных семинарах и совещаниях, проводимых Минатомом и МАГАТЭ.
Публикации по работе. По результатам выполненных по теме диссертации работ автором опубликовано монография и более 100 статей, препринтов, докладов и научно-технических отчетов, наиболее важные из которых перечислены в списке литературы в конце диссертации.
Учет экстерналии в моделях энергетического планирования
То обстоятельство, что получение энергии может сопровождаться вредными последствиями для здоровья, было осознано очень давно. В средневековой Англии были случаи запрещения использования угля вместо дров для городского отопления, а в более давней мировой истории - даже смертной казни в государстве Ацтеков за выжигание древесного угля и «отравление воздуха» в черте города /27/. Однако систематическое изучение вопроса с научных позиций началось лишь с 60-х годов XX столетия в связи с оценкой воздействия на здоровье населения предприятий ядерной промышленности /28-29/. В начале 70-х годов началось проведение сравнительных оценок воздействия на здоровье других энерготехнологий. Таким образом, сравнительный анализ воздействия энергетических объектов на окружающую среду - сравнительно новое научное направление.
Уже на первой стадии исследований ученые, занимавшиеся сопоставлением вредных воздействий от энергетических источников, пришли к заключению о целесообразности введения общих единиц измерения для оценки воздействий разного рода /30/. Но если процедура приведения эффектов воздействий к единице произведенной энергии - к киловатт-часу электрическому (кВт-ч) - была принята сразу и используется теперь повсеместно, то путь к единой метрике воздействий оказался долгим и тернистым и, по сути дела, не пройден наукой до сих пор.
Сложность проблемы и недостаток знаний способствовали тому, что на первых порах многие вопросы решались на уровне качественных оценок. Они базировались на описании потенциальных источников воздействия и профессиональных суждениях об их сравнительной опасности. Для того чтобы убедиться, что основные каналы воздействия учитываются при оценке той или иной технологии, Пигфордом /31/ было предложено анализировать диаграммы потоков материалов и отходов на всех стадиях производства. Этот прием прочно вошел в последующем в общую схему системных исследований по сравнению физических ущербов от энергоисточников.
Переход от качественных к количественным оценкам стал возможным в результате успехов, достигнутых в исследовании биологических эффектов, вызываемых вредными веществами, а также в математическом моделировании переноса этих веществ от источника к внутренним органам человека и другим объектам воздействия.
Весьма примечательно, что на начальной стадшг развития методологии оценки антропогенных воздействий в энергетике ее создатели избегали денежного выражения этих воздействий, предпочитая обходиться рассмотрением анализом натуральных показателей. Наиболее значительным достижением этого периода стало отчетливое понимание того, что для корректного сравнения энергетических источников совершенно недостаточно учитывать только непосредственный ущерб, связанный с их деятельностью. Необходимо также принимать во внимание отдаленные последствия воздействия, которые носят вероятностный характер.
Важное значение в методическом плане имело продвижение в формировании единого критерия воздействия на здоровье человека на основе строгого определения понятий непосредственного и отдаленного рисков радиационного и химического воздействия. Как на пионерскую работу в этой области обычно ссылаются на отчет «Сравнительное исследование риска, затрат и выгод для альтернативных источников электроэнергии», выпущенный Комиссией по атомной энергии США в 1974 году /32/. Следует отметить также известные работы Комара и Сагана /33/, Инхабера /34/, Гамильтона /35/, способствовавшие быстрому развитию этого направления и его всеобщему признанию. Тогда же, в семидесятые годы, многими авторами была высказана мысль о целесообразности проведения сравнительного анализа технологий в рамках всего жизненного цикла: от добычи материалов до обращения с отходами. Итоги этого этапа развития методов сравнительного анализа энергетических технологий были подведены на Конференции во Франции в 1980 году /36/. В системный анализ энергоисточников прочно вошли понятия риска здоровью людей и окружающей среде и методология его оценки по множественным путям воздействия. Усовершенствованные математические модели, реализующие прямой численный расчет по методологии множественных путей воздействия, стали широко использоваться, начиная с 80-х годов прошлого века /20-21,37-39/.
Ученые нашей страны внесли существенный вклад в развитие данного направления исследований. Известные монографии и научные публикации P.M. Алексахина /40/, Н.Г. Гусева и В.А. Беляева /41/, А.А. Моисеева и В.И. Иванова /42/, Е.Е. Ковалева /43/, Ф.Г. Короткова, А.В. Термана /44/, В.Ф. Демина /45-47/, С.Г. Чухина /48/, И.И. Крышева и Е.П. Рязанцева /49-51/ и многих других специалистов способствовали созданию отечественной школы анализа радиационного и химического риска воздействия энергоисточников.
В Приложении 1 к диссертации приводится краткое описание алгоритма расчета ущерба здоровью и окружающей среде, основанного на использовании методологии множественных путей воздействия.
В 1970-х - 1980-х годах рядом экономистов и теоретиков в области методов принятия решений был сделан решительный поворот в сторону денежной оценки экологических воздействий. Райфа с соавторами /52/ предложили дисконтировать риски здоровью, то есть применить к ним процедуру, использовавшуюся ранее только в экономических расчетах. Практически одновременно появилось несколько работ, в которых авторы рассматривали различные аспекты экологических затрат как новой экономической категории (Барраджер и др., 1975 /53/, Лэйв и Сильверман, 1976 /54/). Окрент /55/ и Вильсон /56-57/ распространили концепцию экономической оценки риска с энергетической на другие области деятельности.
Проблемы воздействия энергетики на окружающую среду, учета этого воздействия при принятии решений, оценки экономического ущерба от воздействия, затрат и выгод при предотвращении (или уменьшении) этого воздействия заняли достойное место и в исследованиях российских специалистов - энергетиков, экономистов, экологов и др. Здесь можно отметить фундаментальные работы Афанасьева А.А., Балацкого О.Ф., Болтневой Л.И., Внукова А.К., Волкова Э.П., Гофмана К.Г., Демина В.Ф., Дунаевского Л;В., Егорова Ю.А., Кормилицина В.И., Кроппа Л.И., Израэля Ю.А., Покровского В.Н., Реймерса Н.Ф., Рихтера Л.А., Соколова Д.К., Стыриковича М.А., Шевелева Я.В. и многих других /58-61 и др./.
Впоследствии, в конце восьмидесятых - начале девяностых годов в значительной степени благодаря трудам Хомейера /62/ и Оттингера /63/ концепция социальных затрат при производстве энергии приобрела большую популярность. В 1988 г. комиссией АН СССР по разработке прогнозов по важнейшим направлениям науки под руководством академика М.А. Стыриковича был подготовлен "Прогноз снижения вредного воздействия энергетических объектов на окружающую среду" /64/, в котором дан анализ состояния окружающей среды и роли энергетики в техногенном воздействии, состояния научных исследований различных аспектов этой проблемы, включая вопросы экономической оценки рисков и ущербов, и сделаны предложения по активизации и координации этих исследований в стране. Экономическое направление оценки экологических воздействий оформилось как самостоятельная ветвь научных исследований.
Пределы и квоты глобального антропогенного воздействия для расчета относительных натуральных затрат
Перейдем теперь к центральному вопросу второй главы -сравнительному анализу воздействия на окружающую среду ядерных и неядерных энергоисточников по модели внешних затрат в версии ExternE и по разработанной автором энтропийной модели.
Показателем воздействия на окружающую среду в энтропийной модели являются относительные натуральные затраты (2.1). Для их расчета необходимо иметь не только величины техногенного воздействия по каждому технологическому фактору т - dqT, но и допустимые пределы (квоты) воздействия в рассматриваемой системе - qz.
Формирование допустимых квот - задача не менее ответственная и сложная, чем количественное определение самих воздействий. Набор ограничений, диктуемых внешней средой при проведении системного анализа энергоисточников, существенно зависит от характера и масштаба решаемой задачи. В данной главе обсуждаются результаты применения энтропийной модели для сравнительной оценки глобального антропогенного воздействия реализованных и перспективных циклов энергетики на временном горизонте в 100 лет с учетом ресурсной базы России.
Формирование квот воздействия является прерогативой национальных регулирующих органов. Энтропийная модель указывает на необходимость создания более разветвленной системы ограничений чем та, которая имеется в настоящее время. Построение и внедрение обоснованного набора таких ограничений представляется актуальной задачей на будущее, поскольку правильная стратегия квотирования способна направить в нужное русло развитие энерготехнологий. В данной работе автор попытался уловить тенденцию этого процесса и отразить ее в проводимых расчетах.
В тех случаях, когда национальные или рекомендованные международными организациями нормы допустимого годового воздействия по важным для данного исследования факторам отсутствовали, приходилось полагаться на собственные гипотезы и прогнозы. В принципиальном плане большое значение имеет прогноз развития энергетики на рассматриваемом временном интервале: будет оно экстенсивным или интенсивным?
При экстенсивном развитии рост энергетических мощностей будет сопровождаться дальнейшим ростом потребления природных ресурсов и воздействия на окружающую среду, в то время как при интенсивном развитии существующие (или более низкие) уровни должны быть взяты в качестве квот на будущее, даже в случае роста общей установленной мощности энергетической системы. Другими словами, интенсивный сценарий развития означает признание факта достижения пределов воздействия по ряду факторов окружающей среды и необходимости, как и для выбросов парниковых газов, не превышения их в дальнейшем. Два набора годовых квот, один из которых по представлению автора отвечает экстенсивному, а второй - интенсивному типу развития энергетики, приведены в таблице 2.7.
Данные таблицы основаны на анализе большого числа литературных источников. Учитывая имеющиеся неопределенности, а также отсутствие официальной стратегии экологического планирования, квоты из таблицы 2.7 следует рассматривать как весьма условные. Ограничения носят различный характер: демографические; по возобновляемым и исчерпаемым природным ресурсам; по экологической емкости природной среды к загрязнению; технологические, экономические и т.д. Демографические показатели, также как и предельные возможности природы достаточно хорошо известны и, следовательно, максимальные пределы воздействия по ним можно очертить достаточно уверенно.
Данные по возобновляемым ресурсам (к которым следует отнести и трудовые ресурсы), обычно приводятся в форме удобной для использования в энтропийной модели - в виде предельного годового потенциала возобновляемых ресурсов.
Несколько сложнее обстоит дело с формированием квот потребления невозобновляемых ресурсов. Они существенно зависят от временной базы, на которой производится сравнение, и графика потребления ресурсов. При составлении таблицы 2.7 использовалось предположение о равномерном исчерпании разведанных невозобновляемых ресурсов к 2100 году. Интересно, что получаемые при этом квоты ежегодного потребления примерно соответствуют реальным темпам исчерпания невозобновляемых ресурсов в настоящее время.
Остановимся на некоторых деталях формирования квот по основным составляющим социально-экономической и природной среды.
Население и ресурсы труда. Основным показателем, определяющим воздействие энергоисточников на население и персонал, является ущерб здоровью человека и его жизни. В настоящее время не существует норматива, который бы задавал квоту такого воздействия по всей стране, однако необходимые данные для его определения имеются (таблица 2.3).
В диссертации автор ограничился оценкой риска и ущерба жизни персонала и населения, поскольку по этому вопросу удалось собрать гораздо более представительные и надежные отечественные данные, чем по вопросу заболеваемости. На основе анализа данных, часть из которых представлена в таблице 2.3, получены экспертные оценки смертности по населению (предпоследняя колонка первой строки таблицы 2.7) и по персоналу электроэнергетики и обеспечивающих ее отраслей (предпоследняя колонка второй строки таблицы), обусловленной совокупностью используемых в ТЭК технологий. Эти показатели содержат составляющую непосредственного и отдаленного фатального ущерба, степень достоверности которых различна.
Статистика производственного травматизма, профессиональных заболеваний и гибели людей на предприятиях ТЭК до 1988 г. была закрытой /126/. В 1988 г. секретность была снята и официальными органами, в том числе управлением промышленной безопасности и охраны труда Минтопэнерго, стали публиковаться данные по смертности и травматизму на предприятиях ТЭК России. Учитывая, что к настоящему времени накопился большой фактический материал, степень достоверности оценок по непосредственному риску и ущербу следует признать достаточно высокой.
Менее надежны показатели отдаленного риска и ущерба. Их оценка основана на установлении зависимостей между уровнем воздействия и эффектом на здоровье человека (функций доза-эффект, о которых говорилось в первой главе диссертации). В частности, широко используются ставшие классическими зависимости относительной смертности населения от концентрации твердых частиц в воздухе Докери (1993) и Поупа (1995), полученные на основе статистической обработки большого количества экспериментальных данных. Соответствующие функции доза-эффект построены и для других токсичных веществ и для ионизирующих излучений (Кузин, 1977,1986 и др.).
Подход к формированию глобальных ограничений по нераспространению делящихся материалов
Важной дозиметрической величиной, которая определяет последствия облучения населения или группы лиц и используется для оценки радиационного риска персонала и населения, является коллективная доза.
В таблице 3.6 приведены результаты среднесрочных (на сто лет) оценок коллективных доз для четырех ЯТЦ: ВВЭР и РБМК с урановым топливом без рецикла плутония, ВВЭР с третью загрузки МОКС топливом с однократным рециклом плутония, БН с полной загрузкой МОКС топливом с многократным рециклом плутония. Представлены также оценки внешних затрат, полученные для Центрального региона России с помощью изложенного в 2.3 метода локализации.
Величины коллективных доз и производных от них показателей в таблице 3.4 получены на основе экспертной оценки имеющихся отечественных и зарубежных данных и с использованием результатов расчетов по разработанной в ГНЦ РФ ФЭИ программе «Выброс» /163/ и полученной в рамках сотрудничества с ЕС программе «Cosyma» /164/. По мнению автора приведенные в таблице данные представляют приемлемую основу для предварительного анализа радиационного воздействия ЯТЦ на здоровье. В то же время проблема уточнения дозовых нагрузок в различных топливных циклах остается актуальной. Для снижения имеющейся неопределенности было бы целесообразно сертифицировать расчетные коды, предназначенные для определения доз персонала и населения, так же, как это делается сейчас для расчетных кодов по безопасности.
Одним из выводов, который можно сделать на основе выполненного сопоставления, является то, что значения коллективных доз по трем вариантам ЯТЦ (ВВЭР-UOX, 2/ЗВВЭР-ШХ+1/ЗВВЭР-МОХ, БН-МОХ) достаточно близки. Переход к рециклированию плутония в реакторах ВВЭР и БН позволяет уменьшить дозы благодаря снижению радиационной нагрузки на стадии добычи и переработки урановой руды, но добавляет дозы вследствие стадии переработки.
Единственный цикл, в котором коллективная доза заметно превышает значения коллективной дозы других, - это топливный цикл с реактором РБМК. Но причина этого превышения кроется не в специфике внешнего топливного цикла РБМК, а в более высоком радиационном воздействии на стадии производства электроэнергии.
Для замкнутого цикла с реактором БН значения коллективных доз и радиационных рисков оказались несколько ниже, чем для открытого цикла с реактором ВВЭР. В приведенных оценках были приняты во внимание результаты, полученные на французских заводах по химпереработке UP2-UP3, где нормализованная коллективная доза персонала была снижена с 9 чел-Зв/Гвт(э)тод в 1976 году до 0,04 чел-Зв/Гвт(э)тод в конце 90-х годов /155-157/. За это же время нормализованная коллективная доза шахтеров в урановых рудниках Франции снизилась только в два-три раза, а на АЭС осталась на прежнем уровне.
Доказательство возможности достижения в замкнутом цикле более низкого радиационного воздействия на здоровье - дело принципа, однако в практическом отношении полученное небольшое преимущество ЗЯТЦ не может служить веским аргументом в пользу замыкания цикла. Во-первых, разница в величине коллективной дозы сопоставима с погрешностью полученных результатов. Во-вторых, при низких величинах коллективных доз как в замкнутом, так и открытом цикле, денежное выражение полученной разницы ущербов здоровью в вариантах ВВЭР и БН может иметь только символическое значение (таблица 3.4). Низкие внешние затраты по здоровью в обоих вариантах - важный аргумент в пользу ядерной энергетики при ее сравнении с неядерными энергоисточниками, но одновременно слишком слабый денежный стимул для перехода к замкнутому циклу. Показатели, ориентированные на охрану здоровья человека, не всегда обеспечивают безопасность других объектов природы и устойчивость функционирования экосистем. Более широкий подход к нормированию промышленных воздействий - экологический - в принципе должен обеспечить более универсальные, всесторонне обоснованные критерии, но в настоящее время всеобъемлющая система ограничений и квот по воздействию на окружающую среду на его основе пока не создана. Соответственно, в оценке влияния ядерной энергетики на биосферные компоненты окружающей среды гораздо больше неопределенностей и спорных моментов, чем в оценке влияния на здоровье.
В модели ExternE большое значение придается выбросам парниковых газов как самостоятельному экологическому фактору, выходящему за рамки воздействия на здоровье. Из рассмотрения, проведенного во второй главе, следует, что низкие значения выбросов парниковых газов в ЯТЦ являются одним из его главных экологических преимуществ перед топливными циклами, основанными на сжигании углеводородного топлива (см. табл.2.1,2.2). В настоящее время вопрос детального сравнения выбросов парниковых газов в ЯТЦ различного типа в имеющейся литературе практически не освещен. На основе предварительных оценок можно сделать заключение, что этот фактор как для открытого, так и замкнутого топливных циклов находится на предельно низком уровне, определяемым общим состоянием промышленного производства (металлургическая и обрабатывающая отрасли и т.д.) и транспорта. До тех пор, пока не будет существенно снижен этот общий фон, вряд ли вопрос сравнительного анализа ОЯТЦ и ЗЯТЦ приобретет большую актуальность, и для обоих циклов можно ориентироваться на оценку, приведенную в табл. 2.2.
Научно-технические основы и направления снижения количества РАО от конструкционных и технологических материалов
Четвертая глава диссертации посвящена поиску ответа на те принципиальные вопросы, которые подготовлены всем ходом проводимого исследования и естественным образом возникают на данном его этапе. Какое место отводит энтропийная модель замкнутому ЯТЦ по экологическим критериям при его сравнении с другими энергоисточниками? Какое влияние в отдаленной перспективе могут оказать глобальные ограничения на развитие ЯЭ? Какие условия и организационные меры могут способствовать повышению роли системных факторов в принятии решений в энергетическом секторе на фоне соображений экономического плана? Прежде, чем перейти к непосредственному рассмотрению этих и ряда других вопросов, сделаем одно общее замечание.
В энтропийной модели конкурентоспособность энергоисточников -это комплексный показатель, отражающий неразрывное единство собственных характеристик энергоисточников и характеристик состояния внешней среды, в которой функционирует ядерная энергетика. Внешние условия есть результат сложения политических, социально-экономических, экологических и других интересов и соответствующих законодательных действий. Несомненно, что их целенаправленное изменение - процесс более медленный по сравнению с усовершенствованием той или иной энерготехнологии.
Тем не менее, ядерному сообществу наряду с главной деятельностью по созданию безопасных и экономичных ЯЭУ необходимо уделять серьезное внимание также анализу «внешней обстановки», складывающейся вокруг энергетического сектора, не исключая из поля зрения вопросы формирования глобальных ограничений в отношении радиационного и нерадиационного воздействия. Ниже будет рассмотрено несколько примеров влияния выбора пределов глобального радиационного воздействия на оценку относительных экологических затрат.
С позиций радиационного воздействия на атмосферу большой интерес представляет оценка относительных затрат, обусловленных выбросами углерода-14, трития, йода-129 и ряда других так называемых глобальных радионуклидов. Рассмотрим эту проблему на примере загрязнения атмосферы радиоактивным углеродом.
Углерод, относящийся к важнейшим биогенным элементам, играет основную роль во всех формах жизни, участвует в большинстве биологических и биохимических процессах, составляет структурную основу органической материи. Его радиоактивный изотоп 14С является 6-излучателем и имеет период полураспада 5730 лет. Максимальная энергия В-частиц 155 кэВ, средняя - 54 кэВ. Углерод-14 наряду со своим стабильным изотопом 12С участвует во всех обменных процессах на Земле. Образуется 1 С как в природных процессах, так и в результате деятельности человека. В природе 14С постоянно генерируется в верхних слоях атмосферы в результате взаимодействия космических нейтронов с азотом. Скорость образования составляет 1(Г ТБк или 27 000 Ки в год. В обменном бассейне Земли, в котором установилось равновесное состояние, 14С присутствует в количестве 1,0 -1019 Бк (2,5 -10 8 Ки). В организм человека 14С поступает в основном с пищевыми продуктами (90%). Накапливаясь в организме, 14С облучает все органы и ткани.
Повреждающее действие 14С, вошедшего в состав молекул белков и особенно ДНК и РНК живого организма, определяется, во-первых, радиационным воздействием В-частиц и ядер отдачи азота, возникающих в результате распада 14С по схеме 14С—— 14N. Во-вторых, изменением химического состава молекулы за счет превращения атома углерода в атом азота (трансмутационный эффект).
В ядерных реакторах С образуется в результате тройного деления ядер урана-235 или шгутония-239 (1,7-1,8 атомов на 106 делений), а также в результате активации нейтронами таких нуклидов как 14N, 13С, 170 и др. Атомы азота, углерода, кислорода в ядерных реакторах присутствуют в твэлах, замедлителе, теплоносителе и конструкционных материалах в виде составного элемента или примеси. В настоящее время выбросы АЭС по радиоактивному углероду специально не ограничиваются, но в соответствии с требованиями норм радиационной безопасности должно выполняться условие непревышения эффективной дозы на население в 1 мЗв в год. Практика эксплуатации ядерных блоков показывает, что 14С не относится к числу основных дозообразующих радионуклидов из-за его низкой концентрации в приземном воздухе при реально наблюдаемых на АЭС выбросах. По этой причине контроль за мощностью выброса 14С в вытяжной трубе АЭС, как правило, отсутствует и систематическое наблюдение за его удельной активностью не ведется. Однако в ЯТЦ имеются объекты помимо АЭС, для которых выбросы 14С могут иметь существенное значение.
Вопрос о глобальных экологических аспектах выбросов С и целесообразности установки оборудования по улавливанию 14С встает на заводах по химпереработке ядерного топлива /168/, при сжигании облученного реакторного графита /169/ и т.д. Проиллюстрируем некоторые стороны проблемы 14С на примере разработки активной зоны быстрого реактора с нитридным топливом /170/, имеющим непосредственное отношение к созданию перспективного замкнутого цикла. Нуклид N, содержание которого в природной смеси азота составляет 99,63%, обладает высоким сечением активации с образованием С как в тепловом, так и быстром спектре нейтронов. Поэтому использование нитридного топлива ставит проблему радиоактивного углерода. В таблице 4.1 оценки активности выбросов С, полученные автором для быстрых реакторов с оксидным и нитридным топливом в цикле с химпереработкой топлива, сопоставляются с данными по тепловым реакторам разного типа в цикле без переработки /171/.
