Мирный атом перед судом климата: насколько безопасна и чиста ядерная энергия

Может ли энергия, связанная в общественном сознании с Чернобылем и Фукусимой, быть ответом на изменения климата? На фоне декарбонизации (снижения выбросов парниковых газов) атомная энергетика всё чаще оказывается в центре внимания. Её сторонники говорят о низких выбросах, оппоненты — о радиоактивных отходах и экологической цене всего ядерного цикла. Ко Дню памяти жертв чернобыльской катастрофы мы поговорили с Владимиром Чупровым, исполнительным директором экологического проекта «Земля касается каждого» и экспертом, который более 20 лет посвятил вопросам энергетической безопасности России. Вместе мы оценили плюсы и минусы атомной энергетики на протяжении всего цикла — от добычи урана до утилизации отходов.

Невидимый след: углеродная чистота в цифрах

Бытует мнение, что «чистота» источника энергии определяется только тем, что выходит из трубы электростанции.

Однако более корректный подход требует оценки климатического следа того или иного источника энергии на протяжении всего жизненного цикла (LCA), которая включает добычу сырья, строительство, эксплуатацию и вывод из эксплуатации. Чтобы сравнить огромную АЭС и, например, небольшую солнечную панель, эксперты учитывают все выбросы каждого вида генерации электроэнергии и делят их на все количество электроэнергии, которое электростанция произведёт за свою жизнь. Так получается показатель CO2e/ГВтч — тонны эквивалента углекислого газа (парниковых газов) на каждый гигаватт-час полезной электроэнергии, то есть доставленной конечному потребителю. Более понятный показатель — граммы СО2-эквивалента на каждый киловатт-час электроэнергии. Чем ниже эта цифра, тем лучше для климата.

По некоторым оценкам, уголь и газ — аутсайдеры (от 499 до 1054 г СО2-эквивалента на каждый произведённый киловатт-час электроэнергии). Основная часть их огромных выбросов происходит именно на этапе производства электроэнергии — они постоянно сжигают топливо и выбрасывают в атмосферу парниковые газы.

Один из лидеров в низкоуглеродной выработке энергии — ветроэнергетика — выбрасывает в среднем 26 г CO2-эквивалента на каждый киловатт-час электроэнергии. Сама работа ветряков не производит парниковые газы. Основная часть небольших выбросов происходит на этапе производства и строительства — углеродный след формируется за счёт добычи сырья и энергоёмкой выплавки огромных объёмов стали и бетона для фундаментов и башен.

Ртуть, свинец и кадмий: вся правда о тяжёлых металлах в рыбе из Волги и Оби

Атомная энергетика ушла недалеко от ветроэнергетики, её углеродный след, по оценке самих атомщиков, составляет около 29 г СО2-эквивалента. Сама ядерная реакция не производит выбросы парниковых газов. Почти весь углеродный след АЭС формируется на этапе строительства. АЭС требуют огромного количества бетона и стали для создания сверхпрочных защитных барьеров и систем безопасности. Также много энергии уходит на добычу и обогащение урана.

© Нововоронежская АЭС: загрузка имитаторов тепловыделяющих сборок Роман Пышкин/НВАЭС

То есть весь топливный ядерный цикл плюс строительство огромной АЭС, по некоторым оценкам, сопоставимы со строительством и эксплуатацией ветряной станции. Как такое возможно?

Парадокс безопасности: статистика против восприятия

Страх перед радиацией и крупными авариями, такими как Чернобыль (1986) и Фукусима (2011), глубоко укоренился в общественном сознании. Однако статистика смертности на единицу произведённой энергии рисует иную картину.

Исследователи из Our World in Data проанализировали смертность от различных источников энергии, учитывая как несчастные случаи на производстве, так и долгосрочные последствия загрязнения воздуха. Оказалось, что основной убийца в сфере энергетики — не радиация, а загрязнение воздуха продуктами сгорания ископаемого топлива. Ежегодно около 8 млн человек умирают преждевременно из-за болезней, вызванных частицами и газами от сжигания угля и нефти.

Выходит, атомная энергия в 800 раз безопаснее угля и в 90 раз безопаснее газа по количеству смертей на единицу электричества.

Но дьявол, как всегда, кроется в деталях. Чтобы понять, насколько атомная энергетика экологична и безопасна на самом деле, нам необходимо препарировать три её самых сложных аспекта: реальные последствия добычи урана, экономику и радиотоксичность топливных ядерных циклов, включая так называемый «замкнутый» цикл, а также скрытую угрозу малых модульных реакторов.

Чёрный дождь и нефтяное пятно в море: что происходит в Туапсе и чем это опасно

Грязное начало: экологические последствия добычи урана

Несмотря на климатические и статистические преимущества на этапе генерации, «зелёный» статус атомной энергетики часто разбивается о реальность на самом первом этапе жизненного цикла — добыче уранового сырья. Именно здесь возникает множество экологических проблем и нарушений.

Уран, будучи тяжёлым металлом, токсичен не только радиационно, но и химически (сопоставим со свинцом). Исторически уран добывался карьерным или шахтным способом. При этом извлекались миллионы тонн горной породы, содержащей продукты распада урана (радий, радон, торий). После извлечения уранового концентрата (закись-окись урана, U3O8) остаются так называемые «хвосты» — фонящие мелкодисперсные пески и шламы.

Эти токсичные отходы, брошенные под открытым небом во времена холодной войны, стали причиной экологических катастроф. В США на землях индейцев навахо с 1944 по 1986 год было добыто почти 4 млн т урановой руды. После завершения работ было брошено более 500 шахт, что привело к массовому радиоактивному загрязнению грунтовых вод и резкому росту заболеваемости раком лёгких среди местного населения. В 2005 году народ навахо законодательно запретил любую добычу и переработку урана на своей территории до полной рекультивации исторических загрязнений. Радон — радиоактивный газ, выделяющийся при распаде радия, — является второй по значимости причиной рака лёгких в мире, и его накопление на старых рудниках представляет прямую угрозу.

В последние десятилетия индустрия перешла к методу подземного скважинного выщелачивания (In-Situ Leach, ISL). При этом методе в водоносный горизонт закачивается химический раствор (кислота или щелочь), который растворяет уран прямо в недрах, после чего обогащённый раствор выкачивается на поверхность. Индустрия позиционирует этот метод как экологичный, так как он не требует выемки миллионов тонн грунта.

Однако экологические организации, такие как Совет по охране природных ресурсов США (NRDC), бьют тревогу. Выщелачивание кардинально меняет геохимию подземных вод, растворяя вместе с ураном тяжёлые металлы: селен, мышьяк, ванадий. Растворённый селен способен накапливаться в пищевой цепи, нанося тяжёлый урон водоплавающим птицам и рыбам. Анализ NRDC показал, что 62 из 100 действующих и планируемых участков ISL-добычи в США находятся в регионах, которые к середине века столкнутся с острым дефицитом пресной воды. Практика показывает, что полностью восстановить водоносный горизонт до первоначального природного состояния после завершения добычи методом ISL практически невозможно. Случаются частые разливы и подземные утечки (экскурсии) токсичных растворов за пределы проектной зоны.

Большая Клоака, свалки и эпидемии: история мусора от древности до наших дней

Скрытая угроза: тепловое загрязнение водоёмов

Климатические дебаты часто оставляют в тени проблему, характерную для всех термоэлектрических станций, но особенно острую для АЭС, — термическое загрязнение водных экосистем.

Атомные электростанции требуют гигантских объёмов воды. Только в США на долю тепловых электростанций (включая атомные) приходится 41% всего забора пресной воды. АЭС обладают более низким тепловым КПД (около 33%), чем современные газовые или угольные станции (от 40% до 48%), поскольку они работают при более низких температурах и давлениях из соображений радиационной безопасности реактора. Из-за этого около двух третей произведённой энергии выбрасывается в окружающую среду в виде сбросного тепла.

Вода, забираемая из озёр, рек или океанов для охлаждения конденсаторов, возвращается в водоём с температурой выше на 7–10 °C. В свою очередь это приводит к:

• Гипоксии у обитателей водоёмов. Тёплая вода удерживает меньше растворённого кислорода. Это приводит к ускоренному разложению органики, цветению водорослей и созданию «мёртвых зон», в которых рыбы и другие водные животные задыхаются.
• Температурному шоку и нарушению миграции водных организмов. Резкие изменения температуры губительны. Например, на реке Колумбия тепловые шлейфы нарушали миграцию лосося, чей температурный порог выживания не превышает 25 °C.
• Разрушению биоразнообразия. Исследование MDPI, изучавшее устриц Crassostrea ariakensis у побережья Южного Китая, выявило, что длительное воздействие температур выше 30 °C в летние месяцы из-за сбросов АЭС угнетает их пищеварение и метаболизм, несмотря на то, что верхний порог их термического дискомфорта составляет 48-58 °C. Сбросы в океан также являются причиной обесцвечивания и гибели коралловых рифов вблизи станций.

Жизнь длиною в вечность: радиоактивные отходы и вызов экономике замкнутого цикла

Чтобы осознать масштабы проблемы радиоактивных отходов, нужно отвлечься от привычного человеческого восприятия времени. Радиоактивные отходы (РАО) содержат изотопы, чья опасность переживёт не только наши государства, но и, возможно, саму человеческую цивилизацию.

В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) скрывается коктейль из сотен радионуклидов:

• Плутоний-239 (PU239) образуется в реакторе при захвате нейтрона ураном-238. Его период полураспада составляет 24 100 лет. Этот и другие изотопы плутония являются альфа-излучателем. Альфа-частицы не могут пробить даже лист бумаги, но, если крошечная пылинка с соединениями плутония попадет в лёгкие с вдохом или в желудок с водой, она будет непрерывно бомбардировать клетки альфа-частицами, вызывая рак. Радиотоксичность плутония сохраняется на протяжении 240 000 лет (считается, что для почти полного распада необходимо 10 периодов полураспада). Только один реактор мощностью 1,6 ГВт за 60 лет работы производит порядка 19 т плутония.
• Йод-129 (I129) — бета-излучатель с периодом полураспада 15,7 миллиона лет. Главная опасность йода-129 заключается в его невероятной мобильности в водной среде. В отличие от плутония, йод легко растворяется в грунтовых водах и может вырваться за пределы геологических хранилищ, интегрируясь в пищевые цепочки и накапливаясь в щитовидной железе человека.
• Технеций-99 (Тс99) с периодом полураспада в 213 000 лет. Как и йод, он крайне растворим в воде и представляет одну из главных долгосрочных проблем для хранилищ.
• Цезий-137 (Cs137) и стронций-90 (Sr90) — главные дозообразующие источники излучения и тепловыделения в отработавшем ядерном топливе АЭС. Их период полураспада около 30 лет. Цезий-137 испускает жёсткое гамма-излучение, способное проникать через металл и бетон, что требует мощнейшей радиационной защиты при транспортировке ОЯТ. Стронций-90 является химическим аналогом кальция; попадая в организм, он навсегда встраивается в костную ткань и костный мозг, вызывая лейкемию.

Сколько парниковых газов выбрасывают вулканы при извержении и правда ли они угрожают климату

Как человечество планирует удерживать в изоляции этих и других «демонов» в течение сотен и тысяч лет

Безопасность глубоких хранилищ строится на принципе так называемой многобарьерной системы или, проще говоря, матрёшки. Если по какой-то невероятной причине один барьер не выдержит, его подстрахует следующий.

© Бочки с радиоактивными отходами в хранилище радиоактивных отходов Морслебен, Германия Ronny Hartmann/Getty Images

Барьер первый: сами отходы. Если это жидкие отходы, то их не заливают в бочки в виде булькающей токсичной жижи. Такие отходы предварительно остекловывают или превращают в прочную керамику в специальных печах. В таком виде они становятся твёрдыми, химически инертными и практически нерастворимыми в воде.

Барьер второй: сверхпрочная капсула. Подготовленные отходы помещают в массивные контейнеры. Например, в самом передовом на сегодняшний день финском проекте «Онкало» используются пятиметровые чугунные капсулы, заключённые в толстую наружную оболочку из чистой меди. Медь практически не подвержена коррозии в бескислородной подземной среде.

Барьер третий: глиняный замок (буфер). Медные капсулы опускают в скважины, пробуренные в полу туннелей, и со всех сторон плотно изолируют инертным материалом, например засыпают бентонитовой глиной. Бентонит — уникальный природный материал. При малейшем контакте с влагой эта глина многократно разбухает, герметично запечатывая капсулу. Она работает как абсолютная гидроизоляция и одновременно как мягкая «подушка», защищающая металл от любых микросдвигов породы.

Барьер четвертый: геология. Главный и самый надёжный сейф — это горная порода. Для хранилищ выбирают самые стабильные участки земной коры (гранит, древние соляные купола или глубокие пласты плотной глины), которые не подвергались тектоническим разломам миллионы лет. В таких пластах вода либо отсутствует на протяжении долгих периодов (присутствие соли в твёрдом состоянии — один из признаков отсутствия воды), либо движется со скоростью несколько миллиметров в тысячелетие.

Когда подземные галереи полностью заполняются капсулами, туннели бетонируют и запечатывают. Интересно, что создание таких хранилищ породило новую научную дисциплину — ядерную семиотику. Учёные, лингвисты и социологи разрабатывают системы предупреждающих знаков, которые смогут отпугнуть наших далёких потомков (через 10 000 лет), даже если современные языки будут полностью забыты.

Планета на пределе: в ООН рассказали, что произошло с климатом в 2025 году

Однако оставлять потомкам столь токсичное наследие многие эксперты считают нарушением межпоколенческой этики. Экологическая коалиция ECOS заявляет, что атомная энергетика прямо противоречит принципам экономики замкнутого цикла. В традиционном (открытом) ядерном топливном цикле используется всего от 4% до 10% энергетического потенциала урана. Это всё равно что купить бутылку молока, выпить стакан и выбросить остальное. То же самое происходит с ядерным топливом. Ответом атомщиков является закрытый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ).

Идея звучит блестяще: мы берём отработавшее ядерное топливо, отправляем его на радиохимический завод, растворяем в кислоте или щёлочи, отделяем невыгоревший уран (в реакторе «горит» изотоп урана — уран-235, его и добывают в ходе переработки ОЯТ) и накопившийся плутоний. Последний можно добавлять в обычное урановое топливо и получать так называемое MOX-топливо (Mixed-Oxide fuel).

Однако у этой концепции есть три фундаментальных изъяна:

• Колоссальная стоимость. Исследования Массачусетского технологического института (MIT) и Агентства по ядерной энергии (NEA) показывают, что переработка ОЯТ экономически невыгодна. Стоимость свежего уранового топлива относительно низка. Чтобы переработка (закрытый ЯТЦ) стала экономически оправданной по сравнению с прямым захоронением (открытый ЯТЦ), стоимость добычи природного урана должна вырасти в несколько раз (так называемая точка безубыточности).
• Ухудшение качества отходов. При создании MOX-топлива мы избавляемся от части плутония, но получаем новое отработавшее уже MOX-топливо. Оно значительно сложнее из-за повышенного содержания изотопов плутония-238 и кюрия-242. Отработавшее MOX-топливо требует почти в семь раз больше места в геологическом хранилище на килограмм тяжёлого металла по сравнению со стандартным урановым топливом из-за колоссального тепловыделения. Более того, в нём накапливаются «чётные» изотопы плутония (Pu238, Pu240, Pu242), которые являются сильными поглотителями нейтронов. Поэтому MOX-топливо можно переработать лишь один-два раза.
• Угроза ядерного терроризма. Переработка ОЯТ позволяет выделять чистый диоксид плутония. Это создает беспрецедентные риски. Даже из так называемого «реакторного плутония» — плутония, выделяемого из ОЯТ атомных станций, — можно создать ядерный заряд мощностью в одну килотонну (треть от бомбы, сброшенной на Хиросиму). Распространение технологий переработки ОЯТ по всему миру — это ночной кошмар для глобальной безопасности.

Учёные выяснили, каким регионам России сложнее всего адаптироваться к климатическим изменениям

Малые модульные реакторы: надежда или генератор отходов

Пытаясь найти варианты снизить огромную стоимость и сроки строительства (10–19 лет) АЭС большой мощности (сотни мегаватт и выше), индустрия делает ставку на так называемые малые модульные реакторы (SMR). Создатели обещают гибкость, меньшие капитальные затраты и высокую пассивную безопасность.

Однако исследование учёных выявило, что из-за особенностей физики компактных активных зон (увеличенной утечки нейтронов) SMR будут производить значительно больше радиоактивных отходов на единицу произведенной энергии, чем традиционные реакторы большой мощности. В частности, объём нейтронно-активированной стали (которая становится радиоактивной из-за бомбардировки нейтронами) может оказаться до девяти раз больше. Отработавшее топливо SMR также более сложно устроено с точки зрения химии и потребует более дорогостоящей подготовки к геологическому захоронению.

Реальность атома многогранна

Так безопасна ли и чиста ли атомная энергетика? Ответ едва ли может быть чёрно-белым.

В контексте климатического кризиса и выбросов парниковых газов атомная энергетика безусловно является низкоуглеродным источником энергии. Отказ от атомной энергии в пользу твёрдого ископаемого топлива, как показал пример закрытия АЭС в некоторых странах, неизбежно приводит к всплеску выбросов и смертности от загрязнения воздуха. Атом — мощнейший инструмент декарбонизации.

В контексте воздействия на локальные экосистемы и будущие поколения статус атома более неоднозначный. Разрушенные экосистемы вокруг старых урановых рудников, отравленные химикатами водоносные горизонты, тепловое загрязнение рек и, наконец, накопление сотен тысяч тонн высокоактивных радиоактивных отходов — всё это плата за «чистое» электричество, предъявляемая будущим поколениям.

Кстати о плате: атомная энергетика становится всё дороже. Безопасность требует денег. И требования к безопасности, а значит и к капитальным вложениям в новые АЭС, растут от аварии к аварии. В это же время возобновляемая энергетика на основе солнца и ветра только дешевеет. Сегодня ветровая и солнечная энергия дешевле атомной на многих национальных рынках. Вопрос выбора атомной или ветровой энергии — это вопрос в том числе к частным инвесторам.

Мирный атом — это не безобидная магия, но и не апокалиптическое зло. Это технологически сложный инструмент, требующий огромной этической ответственности.

Самое простое, что может сделать каждый из нас, — экономить электричество. Как это делать, читайте в нашем чек-листе.

Подпишитесь на «Рамблер» в Max! Будем на связи вопреки блокировкам и сбоям.