В европейских странах активно пропагандируется переход от «плохой невозобновляемой» энергетики, к которой относят тепловые электростанции на ископаемом топливе, а также атомные, к «хорошей зелёной», к которой относят в первую очередь солнечные и ветровые. В данной статье будет разобрана зависимость альтернативной энергетики от атомной.

I. «Плохая невозобновляемая» энергетика

К невозобновляемым источникам энергии отнесены все электростанции на ископаемом топливе – тепловые на угле, на мазуте, на газе, ядерные. Действительно, все они используют топливо, добытое из-под земли.

Что касается электростанций на ископаемом углеродном топливе, они действительно серьёзно влияют на экологическую обстановку. Если не говорить о парниковых газах, а только о прямом вреде для живого, даже газовые электростанции дают вредные для живых существ выхлопы, а самые «грязные» среди тепловых — электростанции на торфе и буром угле. Угольные электростанции дают довольно много золы, которая могла бы быть использована, например, в качестве удобрений, если бы она не содержала значимые количества радиоактивных изотопов. В частности, зола тепловых электростанций, работающих на кузбасских углях, содержит уран и торий на уровне, типичном для урановых руд. Зона превышения ПДК по радионуклидам вокруг угольной электростанции охватывает сотни квадратных километров[18].

В выхлопе электростанций на нефтепродуктах (мазуте и твёрдых углеводородах, сюда же относятся дизельная генерация) радионуклидов меньше, зато больше оксидов серы, азота и других не полезных для животных и растений веществ[16].

С ядерными электростанциями ситуация несколько иная. Во время эксплуатации современные АЭС дают сравнительно низкий уровень загрязнений – ни парниковых газов, ни заметной радиоактивности[17]. Даже три худшие аварии на АЭС, двумя из которых медийные персоны любят пугать обывателей – чернобыльской и фукусимской, по своим последствиям менее тяжёлые, чем крупные аварии на неядерных технологических объектах. Например, число жертв крупнейшей ядерной аварии – чернобыльской аварии 1986 года в десятки и тысячи раз меньше, чем число жертв крупной аварии 1984 года на химическом заводе в Бхопале: в Чернобыле умерли 29 человек от острой лучевой болезни, а общее число смертей от последствий аварии по разным оценкам составляет от 50 до 4000 человек[11]; в Бхопале за день умерли 3000 человек, в течение недели – 10 тысяч, за последующие 20 лет – 15 тысяч. Причём данные по бхопальской трагедии не оценочные: это официальная информация об умерших в результате отравления ядохимикатами[3]. В фукусимской аварии 2011 года радиоактивная вода утекла в океан и разбавилась там до безопасных концентраций, и жертвой аварии стал один человек – сотрудник АЭС, который умер в 2018 году от рака лёгкого[1].

С топливом ситуация также сильно отличается в случае угля, нефти, газа с одной стороны, и ядерного – с другой. Для углеродных видов топлива уже видны или достигнуты пределы для их добычи. Пики добычи углеводородов и угля пройдены во многих странах[22]. Что касается топлива для ядерных электростанций, мало того, что оно разведано на 50–80 лет вперёд, так еще и существует рабочая технология для его получения из стабильного изотопа урана, что отодвигает проблему на тысячи лет[19]. При уже достигнутом темпе прогресса это даёт уверенность в том, что до исчерпания запасов будет найден другой удобный источник энергии.

Таким образом, атомная энергетика совершенно зря записана «зелёными» энтузиастами в «плохой» лагерь. Это скорее результат радиофобии, а не реальных недостатков.

II. «Хорошая зелёная» энергетика

К «зелёной» энергетике, использующей возобновляемые ресурсы, в последнее время относят исключительно солнечные и ветровые электростанции. На самом деле старейшие действующие электростанции работают как раз на возобновляемом источнике – энергии падающей воды, и это ГЭС. У гидроэлектростанций есть преимущества по сравнению с тепловыми, есть и недостатки. С точки зрения влияния на экологическую обстановку ГЭС совсем не идеальны, хотя и намного лучше, чем ТЭС. Но не лучше АЭС. Дело в том, что при строительстве ГЭС затопляются большие территории. Водохранилища изменяют локальный и региональный климат и ухудшают экологическую обстановку[12].

Ветровые электростанции, как ни странно, не безвредны. В частности, большие «поля» ветряков приводят к нагреву почвы, что изменяет местный климат[9]. Другой минус ветряков – они убивают птиц и летучих мышей[10].

Солнечные электростанции при массовом строительстве тоже внесут свой вклад, хотя он может считаться скорее положительным – большое количество СЭС в пустынях будет приводить к их увлажнению. Правда и выработка энергии при этом на них снизится[7].

Казалось бы, с фотовольтаикой всё хорошо. Но нет. Срок службы солнечных панелей – не более 50 лет. Их производство и переработка далеко не безопасны для экологии, и массовое производство фотовольтаики чревато серьёзной экологической проблемой[20].

III. Зависимость

Теперь взглянем на процесс производства электроэнергии. Любая электростанция используют мощное силовое оборудование. У «зелёных» ветровых и солнечных электростанций требования к силовому электрооборудованию намного выше, чем у традиционных. Дело в том, что они вырабатывают электричество недостаточно стабильно. Ветер изменяет скорость и направление, солнце светит тоже по-разному как в течение дня, так и в разные дни. Поэтому вырабатываемое напряжение (и выдаваемая мощность) у «зелёных» источников постоянно меняется. Кроме того, и ветряки, и солнечные панели дают постоянный ток, а вся энергетика работает на переменном. Чтобы передать энергию потребителям, низковольтный постоянный ток нужно преобразовать в высоковольтный, обычно переменный (причём синхронизированный с электросетью), но иногда и постоянный. Таким образом, ВЭС и СЭС нужны мощные преобразователи электроэнергии[2].

В настоящее время все эффективные преобразователи электроэнергии используют мощные высоковольтные полупроводниковые приборы – биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с изолированным затвором (IGCT)[2][4][6]. Мощность таких приборов достигает сотни мегаватт, коммутируемое напряжение – более 6 киловольт. И тут непосвящённых ожидает сюрприз: полупроводники для мощных высоковольтных транзисторов и тиристоров изготавливают методом нейтронно-трансмутационного легирования (англ.: Neutron Transmutation Doping) в ядерных реакторах[4][21]. Наименование этих материалов говорят сами за себя: «ядерно-легированный кремний» (или «радиационно- легированный кремний»), «ядерно-легированный арсенид галлия» (используется реже) и так далее[15]. Химические технологии легирования не способны обеспечить необходимую для мощных силовых приборов чистоту и равномерность легирования полупроводника. Из-за неоднородностей химического легирования возникают области локального перегрева, и прибор выходит из строя[6], а когда силовое высоковольтное оборудование выходит из строя, это сопровождается зрелищными «спецэффектами» с разлетающимися искрами и дуговыми разрядами вплоть до пожара.

Мощные тиристоры из ядерно-легированного кремния используются в ЛЭП постоянного тока с конца 1960-х, к примеру, они работают в канадской ЛЭП Nelson River II[5]. В настоящее время ядерное легирование полупроводников не имеет альтернатив, поскольку только эта технология способна обеспечить характеристики материала, требуемые для мощных полупроводниковых приборов. Более того, технологию ядерного легирования пришлось оттачивать для соблюдения требуемой равномерности распределения легирующих атомов в полупроводнике, что было сделано в 1980-е[8], и нынешнее производство ядерно-легированного кремния – обычный технологический процесс. В западных странах такое производство размещено на исследовательских реакторах[6], в России – и на исследовательских, и на энергетических. В частности, ещё в 1982 году в СССР была разработана технология производства ЯЛ-кремния на реакторах РБМК[21].

Исходя из нынешней ситуации в области производства силового оборудования, вся «зелёная» энергетика фатально зависит от существования ядерных реакторов, и от этой зависимости никуда не деться. Альтернативой будет отказ от единой системы электроснабжения, замена «большой энергетики» на малые электростанции локального электроснабжения и неизбежные блэкауты.

Получается, что «зелёные» активисты, настаивающие на закрытии как АЭС[14], так и исследовательских реакторов[13], действуют довольно недальновидно. Мало того, что негативное влияние «атома» на экологическую обстановку сопоставимо со влиянием альтернативных источников энергии, да и сам вопрос о том, что приносит больший вред остается открытым, так еще ядерные реакторы просто необходимы для самой возможности постройки «зелёных» электростанций.

Статья написана в рамках первого выпуска журнала «Стройка Века»: «Атом: делимый и неделимый».
Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую pdf-версию можно по ссылке.

Читайте также об атомном провале США из этого же выпуска.

Над статьей работали:
Автор: Стас Ворчун (творческий псевдоним)
Редактор: Леонид Рогов
Эксперт: Федотов А.А.

Список литературы:
[1] Fukushima disaster: Japan acknowledges first radiation death from nuclear plant hit by tsunami : [англ.] – ABC News : [сайт] – 2018, 6 September
[2] Baliga B. J. The IGBT Device: Physics, Design and Applications of the Insulated Gate Bipolar Transistor. // B. Jayant Baliga. – William Andrew, 2015 – 732 p. – ISBN 978-1-4557-3153-4
[3] roughton, E. The Bhopal disaster and its aftermath: a review: [англ.] // Edward Broughton. – Environmental Health. – 2005 – Vol. 4 – Art. 6 – DOI: 10.1186/1476-069X-4-6
[4] Chu C. K. NTD Silicon on High Power Devices. / C. K. Chu, J. E. Johnson// Neutron Transmutation Doping in Semiconductors. – Meese J. M. (ed.) – Boston, MA: Springer, 1979 – Pp. 53–63 – ISBN 978-1-4684-8249-2 – ISBN 978-1-4684-8251-5
[5] Haas W. E., Schnöller M. S. Silicon doping by nuclear transmutation – Journal of Electronic Materials – 1976 – Vol. 5. – P. 57–68. – DOI: 10.1007/BF02652886
[6] Larrabee R. D. Neutron Transmutation Doping of Semiconductor Materials. // Robert D. Larrabee. – Springer US, 1984 – ISBN 978-1-4613-2695-3 – ISBN 978-1-4612-9675-1 – DOI: 10.1007/978-1-4613-2695-3
[7] Li Y. Climate model shows large-scale wind and solar farms in the Sahara increase rain and vegetation // Yan Li, Eugenia Kalnay, Safa Motesharrei, Jorge Rivas†, Fred Kucharski, Daniel Kirk-Davidoff, Eviatar Bach, Ning Zeng – Climate model shows large-scale wind and solar farms in the Sahara increase rain and vegetation : report – Science – 2018 – Vol. 361 – Issue 6406 – Pp.1019–1022 – XIV, 338 p. – 100 b/w ill. – DOI: 10.1126/science.aar5629
[8] Myers D. R. Technical impediments to a more effective utilization of neutron transmutation doped silicon for high-power device fabrication. // David R. Myers. – U. S. Dept. of Commerce, National Bureau of Standards, 1980, May – 29 p. – (Semiconductor Measurement Technology)
[9] Miller L. M. Climatic Impacts of Wind Power // Lee M. Miller, David W. Keith. – Joile – 2018 – Vol. 2 – Iss. 12 – Pp. 2618–2632 — DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.009 [10] Smallwood K. S. Comparing bird and bat fatality rate estimates among North American wind energy projects. // K. Shawn Smallwood. – Wildlife Society Bulletin – 2013 – 26 March – Vol. 37. – Iss. 1. – P. 19–33 – DOI: 10.1002/wsb.260
[11] Чернобыль: истинные масштабы аварии : Совместный пресс- релиз ВОЗ/МАГАТЭ/ПРООН. – ВОЗ – 2005 – 5 сентября
[12] Горбачев В. Н. Негативное влияние крупных водохранилищ на окружающую среду. // Владимир Николаевич Горбачев, Роза Михайловна Бабинцева, Людмила Васильевна Карпенко, Валерий Дмитриевич Карпенко – Ульяновский медико-биологический журнал – 2012 – №2 – С. 7–16 – УДК 631.4
[13] Диггес Ч. Экологи ликуют: Норвегия останавливает свой последний исследовательский ядерный реактор. // Чарлз Диггес. / Пер.: Анна Киреева – Bellona : [электр. ресурс] – 2019 – 30 апреля
[14] Добрынин В. Полураспаднические настроения: Макрон приговорил мирный атом // Владимир Добрынин. – Известия – 2018, 16 декабря.
[15] Радиационно-легированный кремний – АО НИВХИ им. Л. Я. Карпова – 2016 – 20 января
[16] Никонова Р. А. Защита окружающей среды при эксплуатации ТЭС. // Рада Андреевна Никонова, Дарья Романовна Дрягина. – Современные инновации : журн. – 2018 – №3 (25) – С. 12–15.
[17] ЧП на российских АЭС в 2011-2019 годах – РИА Новости : [сайт] – 2019, 18 июля
[18] Сидорова Г. П. Проблемы радиационной опасности в угольной энергетике. // Г. П. Сидорова, Д. А. Крылов. – Горный информационно- аналитический бюллетень. – 2017 – №11 – С. 200–209. – DOI: 10.25018/0236-1493-2017-11-0-200-209 – УДК 622.332.621.039.7
[19] Суходолов А.П. Мировые запасы урана: перспективы сырьевого обеспечения атомной энергетики. – Известия Байкальского государственного университета : журн. – 2010 – №4 (72) – С. 166–169 – УДК 339.9:553 ББК 65.5
[20] Вредны ли солнечные батареи? – tchip.ru : [сайт] – Компания «ЧИП» – 2018, 10 июня
[21] Шлимак И. С. Нейтронное трансмутационное легирование полупроводников: наука и приложения // И. С. Шлимак – Физика твёрдого тела : журн. – 1999 – Т. 41. – Вып. 5
[22] Юрченко Н. Мир стоит на пороге

 неизбежного сокращения добычи нефти // Никита Юрченко – Новые известия : [сайт] – 2019, 9 декабря.

Дополнительная литература:
[23] Lutz Josef, Schlangenotto Heinrich, Scheuermann Uwe, De Doncker Rik. Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability. – Springer Science Business Media, 2011 – 536 p. – ISBN 9783642111259

Источники изображений:
[24] Фото автора Frans Van Heerden: Pexels
[25] Фото автора Johannes Havn: Pexels
[26] РИА Новости, фото № 811080 / Павел Лысизин / CC-BY-SA 3.0
Изображения взяты из открытых источников и используются в образовательных целях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *