Китай начал отапливать города от атомных реакторов. Будет ли так в России?

Именно поэтому Китай, этот промышленный локомотив планеты, уже начал «топить ураном». Но вроде бы считается, что АЭС «нельзя держать близ городов»? Ведь во времена  СССР отопительные реакторы уже начинали строить массово, но потом в России эти проекты были «зарезаны». Есть ли смысл нам — и всему миру — вернуться к ним вновь?

Атомная электростанция Циньшань находится прямо в городской черте — в городском округе Цзясин. Здесь живет 4,5 млн человек. Будь Цзясин в России, он был бы третьим по размеру ее городом, сразу после двух столиц. В зиму 2021/2022 года здесь начали отапливать плотную городскую застройку от АЭС.

Почему Naked Science решил обратить внимание на этот факт? Потому что по телевизору часто рассказывают про то, что скоро весь мир покроется ветряками и солнечными батареями, а топить будут водородом. Германия в следующем году закрывает все свои АЭС. Япония заглушила все свои реакторы еще к 2012 году. Правда, теперь в Японии почему-то строятся сразу 22 угольные ТЭС, но, быть может, у японцев просто помрачение ума? Ведь и Байден, и Грета Тунберг едины в том, что будущее за ВЭС и СЭС, а никак не за углем или атомом.

И тем не менее расширение отопления городских кварталов от атомных реакторов — возможно, одно из важнейших событий последнего времени в современной энергетике. Мы говорим «расширение», потому что это не первый шаг Китая в этом направлении, хотя и очень крупный. Чтобы понять, отчего Пекин придает атомному отоплению такое значение, нужно обратиться к цифрам.

Они таковы: 17% всех затрат первичной энергии человечеством приходится на электроэнергию. И около половины — на получение тепла. Только на отопление и нагрев горячей воды ее уходит куда больше, чем на обеспечение работы всех электростанций мира (а ведь есть еще тепло для промышленных процессов). Если мы получаем тепло из ископаемого топлива, оно стоит нам намного дешевле, чем если мы отапливаемся электричеством. Это потому, что КПД ТЭС в лучшем случае 60% (но бывает и ниже), да и турбина электростанции стоит дорого. А вот КПД газового котла — около 90%, и никакой дорогой и сложной турбины там нет — только горелка и теплообменник.

Иными словами, ветряки и солнечные батареи не позволят решить вопрос отопления для США и Канады. Конечно, их можно построить в нужном количестве (даже несмотря на то, что зимняя выработка солнечных батарей втрое ниже летней, а ветряки в безветренные морозные антициклоны могут вообще остановиться на пару недель), но вот цена такого отопления будет в несколько раз выше современной, а такого не выдержит ни одна экономика стран с умеренным климатом.

Атомные станции теплоснабжения vs политический хайп: в России — 0:1

В 1981 году советские атомщики совершенно корректно заключили: «Даже если все электростанции перевести на атомное горючее, эффект был бы не очень значительным: потребление природного топлива уменьшилось бы лишь на 20%». Сейчас ситуация не слишком изменилась: по-прежнему лишь ⅙ всех энергозатрат человечества приходится на электроэнергию, остальное уходит либо на получение тепла, либо на транспорт. Даже полный переход всей электроэнергетики на ВЭС и СЭС не сможет снизить потребление углеродного топлива больше чем на 1/6 — ровно так, как указали в СССР далекие сорок лет назад.

Все в том же 1981 году советские атомщики предложили и решение этой проблемы. Они имели в виду атомные станции теплоснабжения, АСТ-500, тепловой мощностью на 500 мегаватт. У тогдашних АЭС были санитарные зоны радиусом 25 километров, поэтому их было невозможно размещать рядом с жилыми кварталами. А прокачивать горячую воду на дистанцию более 20 километров невыгодно: затраты энергии на прокачку (и потери тепла при прокачке) становятся слишком большими, сравнимыми с тем теплом, которое эта вода может принести.

Идея АСТ-500 как раз и состояла в том, чтобы эту проблему решить. «Отопительный реактор» должен был иметь санитарно-защитную зону радиусом не более километра. Поэтому подобные станции разрешалось строить на удалении всего 2 километра от перспективной черты строительства города. Для этого требовалось добиться одного: практически нулевой вероятности выброса серьезного количества радионуклидов за пределы атомной станции.

Разработчики АСТ подошли к вопросу очень основательно. Их реактор был водо-водяным, но, в отличие от водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), где водяной пар нагревали до 300 градусов с небольшим при 160 атмосферах, здесь водяной пар нагревали всего до 200 градусов, и давление в его контурах нигде не было выше 16 атмосфер. Десятикратное снижение давления означало резко сниженную вероятность прорыва корпуса. 

Все три контура охлаждения реактора разместили в его корпусе, а это исключило наличие труб, из которых при прорыве может уйти пар и вода. Тот же фактор означал, что в новом реакторе не нужны насосы принудительной циркуляции охлаждающей воды: при таких параметрах более чем хватало естественной циркуляции. Низкая температура работы позволяла использовать в качестве топлива отработавшее топливо реакторов ВВЭР, производящих электричество.

Что получилось в итоге? Классический водо-водяной реактор может дать радиоактивное загрязнение в двух сценариях. При первом по какой-либо причине прекращается подача охлаждающей воды в активную зону, где стоят урановые топливные сборки. Вода перегревается до многих сотен градусов, взаимодействует с циркониевыми топливными сборками (пароциркониевая реакция) и образует смесь водорода и кислорода. Та может дать взрыв, способный разрушить корпус реактора — примерно как в Чернобыле. Но пароциркониевая реакция начинается при 861 °C, и в АСТ таких условий не бывает. И даже при переразгоне такой разогрев не получится: содержание урана-235 в топливе этого реактора всего на 1,8% ниже, чем у ВВЭР,

Второй сценарий проблем водо-водяного реактора — фукусимский. Пропало электричество, питающее охлаждающие насосы, активная зона реактора перегрелась и топливные сборки частично расплавились (плюс пароциркониевая реакция). Опять-таки, в АСТ это не выйдет: охлаждающих насосов просто нет, перегрев из-за их остановки невозможен.

В самом худшем возможном случае корпус АСТ может быть пробит сверхмощным внешним взрывом, после чего вода из него частично выкипит в атмосферу. Но при этом нейтроны перестанут замедляться (ведь их замедляла та самая вода, что в таком сценарии выкипит), и реактор начнет тормозиться. Остаточное тепловыделение могло расплавить активную зону лишь после длительного цикла выкипания вообще всей воды (впрочем, и тогда взрыва с выбросом радионуклидов не произошло бы). Радиус санитарно-защитной зоны реактора составил всего километр.

Советские атомщики делали из этого однозначный вывод: «Следовательно, появляется возможность приблизить атомный источник теплоснабжения непосредственно к населенному пункту».

В 1982–1983 годах близ Горького (ныне Нижний Новгород) и Воронежа начали строить две такие станции, каждая — с парой АСТ-500. Два первых тепловых атомных гигаватта должны были начать работать в 1991 году, заменив много сотен малоэффективных котельных на твердом топливе и мазуте. Как мы знаем сегодня, такие котельные интенсивно убивают людей микрочастицами, вызывающими инфаркты и инсульты.

Однако в 1990 году обе тепловые атомные станции закрыли, причем Горьковская была завершена на 85%. Это никого не волновало: политики регионального уровня спешно зарабатывали очки, и им было неинтересно, что сценарий аварии с радиоактивным загрязнением в случае АСТ-500 исключен по чисто конструктивным причинам. Точно так же им было неинтересно и то, что отказ от тепловой атомной генерации заметно увеличил число смертей населения их регионов: ведь микрочастицы от котельных никуда не делись.

Как китайцы используют шанс, упущенный в СССР и ФРГ

Китай на данный момент делает упор сразу на два подхода к атомному отоплению жилых кварталов. В одном подходе часть пара забирается у обычных водо-водяных атомных реакторов — и пускается не на вращение турбины, а на нагрев (через герметичный теплообменник) воды, отапливающей дома. Как отмечает глава одной из китайских местных генерирующих атомных компаний У Фан (Wu Fang), при этом слегка снижается выработка электроэнергии реактором, но общий «тепловой» КПД даже растет на 3,25%. Это и логично: при нагреве воды нет потерь в 60%, типичных для вырабатывающей ток турбины.

Второй подход к атомному отоплению у Китая на первый взгляд напоминает советский АСТ-500. Речь о проекте реактора DHR-400 (расшифровывается как реактор районного отопления на 400 тепловых мегаватт). Но есть и отличия: в DHR-400 вода в принципе не кипит, вода там греется лишь до 90 градусов, после чего через теплообменники отдает тепло воде, уходящей на отопление домов.

Иными словами, здесь в области минимизации рисков пошли еще дальше, чем с АСТ-500: вместо 200 градусов и кипящей под давлением 16 атмосфер воды — 1 атмосфера и температура ниже точки кипения. Активная зона реактора погружена в бассейн диаметром 10 метров и глубиной 20 метров. Даже если внешнее электроснабжение в результате стихийного бедствия пропадет, вода из этого реактора будет выкипать месяц. Само собой, за этот срок где-то рядом или починят водопровод, или подвезут дополнительную воду. И зальют ее в бассейн куда раньше, чем активная зона реактора начнет расплавляться от остаточного тепловыделения.

Экономически DHR-400 выгоден: он топит лишь немногим дороже, чем угольные котельные. Поскольку, в отличие от угольных котельных, он не убивает людей микрочастицами, в условиях КНР (то есть дорогого газа) это решение явно лучше аналогов на ископаемом топливе. У него только один недостаток в сравнении с АСТ-500: температура воды на выходе из него всего +90, а не +150, как у советского проекта. Поэтому переброска воды из него рациональна лишь на несколько километров, а не на расстояние до 20 километров, как у отечественного АСТ.

Кроме отопления жилых домов, в Поднебесной думают и о тепле для промышленности. Его в мире требуется примерно столько же, сколько уходит на обогрев жилья и нагрев горячей воды. Но у промышленного тепла совсем другая оптимальная температура, на порядок больше: в районе 800 градусов. Производство цемента, химпром — все это требует температур примерно такого порядка. Понятно, что реактор в этом случае должен быть рядом с производством: подать теплоноситель с такими температурами на 5–10 километров будет слишком дорого.

Для 800 градусов водо-водяные реакторы не годятся: так сильно греть воду технически нереально. Поэтому китайцы заимствовали уже работавшую в Германии в 1960–1980 годах схему газово-графитового реактора. В Поднебесной его называют HTR-PM (тепловая мощность — 250 мегаватт, примерно половина АСТ-500). И 20 декабря 2021 года первый из них в этой стране был подключен к электрической сети. 

Присмотримся к тому, как он работает. Газ — гелий под давлением в сотни атмосфер — там уносит тепло от топливных гранул и крутит турбину или, если реактор не электроэнергетический, греет промышленные теплообменники. Графит в HTR-PM нужен потому, что в нем нет воды, а реакторы на тепловых нейтронах нуждаются в замедлителе этих самых нейтронов. Графит нейтроны замедляет весьма прилично, и именно им покрыты топливные гранулы с урансодержащим топливом.

У такого типа реакторов, впрочем, есть и недостатки. В Германии после его остановки выяснилось, что часть гранул «прогорела»: графитовое покрытие, в теории теплостойкое, на деле пропускало продукты распада. Конечно, за пределы реакторного здания лишняя радиация не распространялась, но вот стабильной работе реактора остановки из-за ненужных инцидентов никак не помогали. А ведь промышленные источники тепла должны, в отличие от реакторов для отопления жилья, работать на полной мощности круглый год.

В чем проблема китайского пути к атомному теплу?

Главная проблема любого атомного отопления заключается в том, что с точки зрения экономики реактору хорошо бы работать 24 часа в сутки, 12 месяцев в году на полной мощности. Так выше отдача от капиталовложений на него. Если он будет работать на полной мощности только 3–4 зимних месяца, а в остальное время «еле коптить», подогревая горячую воду для домов, то капиталовложения он будет отбивать медленно, отчего его тепло будет несколько дороже угольного в Китае (DHR-400) или газового в СССР (АСТ-500).

Чтобы разобраться с этой проблемой, советские планировщики АСТ-500 решили, что их реактор будет нести только «базовую» часть тепловой нагрузки. То есть примерно половину — ту, что летом уходит на нагрев горячей воды для жилых домов. Зимой же на помощь АСТ-500 приходят газовые котельные. Экономически это отличный ход: реактор работает весь год, и поэтому тепло от него стоит дешево.

DHR-400 почти наверняка будут использовать так же. Именно на это указывают цифры из китайской прессы, согласно которым он сможет отапливать «до 20 млн квадратных метров жилья», или сотни тысяч квартир. 20 ватт тепловой мощности на квадратный метр жилья не могут справиться в пиковые для северного Китая зимние морозы. А вот если им помогают пиковые же котельные на ископаемом топливе — вполне.

Но экономически прекрасное решение выходит не очень однозначным в плане сбережения жизней. Зимой воздух сух, и именно в этот период микрочастицы от ископаемого топлива остаются в нем дольше всего и наносят максимальный ущерб здоровью людей. Ведь в сухом воздухе их не «ловят» капельки влаги. Да и полностью безуглеродного будущего, обещаемого даже китайскими или российскими политиками, так не добиться.

Налицо технологическая необходимость создания такого атомного отопления, которое могло бы гибко менять свою тепловую мощность без ущерба для экономики. А еще и давать высокотемпературное тепло для промышленности без пауз и остановок. Вот только возможно ли это?

Свинцово-висмутовый коктейль: смешать и обязательно взболтать

Во времена холодной войны в СССР были созданы подлодки со свинцово-висмутовым реактором на быстрых нейтронах. Теплоноситель на них — смесь тяжелых металлов свинца и висмута, с температурой плавления всего +123,5 градуса, ниже, чем у свинца или висмута по отдельности. Они не замедляют нейтроны, поэтому такой реактор может работать на быстрых нейтронах. Значит, он не нуждается и в замедлителях, типа графита, как у китайского газово-графитового реактора. В чем же он тогда нуждается?

Как и аналогичные ему реакторы, ему нужен корпус, внутри которого находятся стальные трубки с «таблетками» ядерного топлива. Трубки эти погружены в смесь расплавленных металлов, нагретую до нескольких сот градусов. На текущих проектах СВБР (свинцово-висмутовых реакторов на быстрых нейтронах) рабочая температура металлической смеси — 480 градусов. Однако в случае использования жаропрочных сплавов (некоторые стали или титановые сплавы) она может подниматься и до 800 градусов (аналог газово-графитового реактора для выработки промышленного тепла).

Дальше тепло от свинца-висмута первого контура передается теплоносителю второго контура. Это либо вода (как на советских АПЛ), либо инертный газ (если речь идет о перспективных промышленных тепловых реакторах).

Как такие свинцово-висмутовые решения выглядят на фоне АСТ-500 или китайского DHR-400? Начнем с безопасности: здесь свинец-висмут лучше АСТ. Он работает при таком давлении, которое исключает все виды аварий со взрывной саморазгерметизацией корпуса или первого контура. Избыточное давление (в АСТ до 16 атмосфер) не может разорвать СВБР потому, что в СВБР такого давления нет.

Если сравнить его по безопасности с DHR-400, то они практически равны. Свинцово-висмутовая смесь кипит при +1670, и остаточное тепловыделение СВБР просто недостаточно велико, чтобы вызвать закипание на таких температурах. Если по каким-то причинам кругом СВБР прекратится разумная жизнь, и все люди исчезнут, то реактор при перегреве постепенно затормозится, после чего будет отдавать энергию остаточного тепловыделения топливных сборок просто через поверхность своего корпуса (тот нагреется до сотен градусов, но не разрушится). Кажется, эта ситуация даже чуть лучше, чем у АСТ-500 или DHR-400. Там, если подвода новой воды не будет, старая может рано или поздно выкипеть, а свинец-висмут не сможет. На практике, повторимся, безопасность примерно одинаковая: за тот месяц, что вода будет выкипать в DHR-400, к китайскому реактору явно приедут спасатели и подольют в него воды.

Но у СВБР есть ключевой плюс, которого нет у его водо-водяных аналогов. А именно: он может быть двойного назначения. Весь год он способен вырабатывать в основном электричество. Пока это так, пар из парогенератора вращает турбину. И лишь после нее, когда он уже слишком холодный, чтобы снова вырабатывать электричество, такой пар подогревает воду, идущую в жилые дома. Летом ее меньше (только на горячее водоснабжение), зимой больше — еще и на отопление.

При этом предельная тепловая мощность реактора СВБР-100, которую можно пустить на отопление,— больше 100 тепловых мегаватт. Этого хватит, чтобы отопить миллион квадратных метров жилья даже в самые суровые морозы. Причем безо всякой подстраховки со стороны котельных на газе или угле.

Да, тепловые возможности такого реактора в остальную часть года будут использоваться не на сто процентов. Но это не ударит по его экономике: ведь он «зарабатывает» на производстве электричества, а теплогенерация для него просто приработок. Он не тратит на нее специально практически ничего: просто то тепло, которое реактор летом выбрасывает в атмосферу, зимой будет уходить на отопление домов.

При этом СВБР — реактор намного более компактный и поэтому намного менее материалоемкий, чем водо-водяные реакторы сопоставимых возможностей. Размеры его — 4,53 × 7,55 метра, масса без теплоносителя — 270 тонн. На единицу объема и массы он дает намного больше электрической мощности, чем водо-водяные реакторы.

Наконец, последнее преимущество: это реактор на быстрых нейтронах, поэтому через 7–8 лет его работы извлекаемое из него топливо содержит чуть больше ядерного топлива (плутония и урана-235), чем в нем было на момент начала работы. Этот избыток появляется за счет того, что быстрые нейтроны превращают часть урана-238 — самого по себе в реакторе бесполезного — в плутоний, а тот — вполне топливо. Это значит, что даже при массовом строительства таких реакторов вопрос, где брать топливо, не встанет.

Зато сам собой возникает другой вопрос. Если у свинцово-висмутовых реакторов все так хорошо, то почему Китай строит копии морально устаревших советских и немецких образцов? Наконец, почему Россия строит не СВБР (хотя и планировала), а все те же ВВЭР, которые никогда не решат проблемы ядерного отопления?

Главная проблема внедрения любой технологии: фактор личности в истории

Только в исторических книгах (причем не лучших) выбор правильного технического решения всегда выглядит как простой и очевидный процесс. На самом деле он очень сложен, в первую очередь из-за очень высокой степени специализации ученых, инженеров и политиков в нашу эпоху. Поясним на примере.

В нашей стране с советского времени сложилось несколько «реакторных школ», каждая из которых состоит из ученых, убежденных в том, что та или иная конструкция — самая лучшая, а все остальные ей уступают. Сторонники водо-водяных реакторов (ВВЭР) категоричны: у нас огромный опыт эксплуатации, и ни одной жертвы, у нас все безопасно. Санитарно-защитная зона 25 километров (на случай аварии с разрывом нашего корпуса, внутри которого 160 атмосфер) не дает приблизить реактор к городу, и не дает его отапливать? Ну не знаем. Может, лучше топить газом?

Политики и администраторы в этот момент напрягаются: они слышали, что на отопление уходит больше топлива, чем на выработку электричества. А еще слышали, что мир станет безуглеродным, а те страны, что не станут, превратятся в изгоев. Поэтому они идут в следующую реакторную школу: к сторонникам реактора БРЕСТ, где теплоноситель — чистый свинец. Там говорят: наш реактор имеет ноль атмосфер избыточного давления, ему не нужна санитарно-защитная зона, ибо у нас в реакторе нечему взрываться. А на свинцово-висмутовые реакторы даже не смотрите: из висмута при работе образуется тот самый полоний, которым отравили Литвиненко. Представляете, что будет при его выбросе?

Политик-администратор напуган: он не хочет полоний. Вместо этого он хочет «кружевные» реакторы, у которых все красиво и безуглеродный статус, «как в западном мире».

Тут могли бы встать сторонники еще одной школы, СВБР, и сказать: полоний — это альфа-излучатель. А альфа-частицы (в отличие от фотонов гамма-излучения) надежно тормозятся фольгой, не то что корпусом реактора. Полоний убил Литвиненко, но тех, кто не ест его ложками, он не убивает. Есть реакторный полоний ложками никто не будет: свинец-висмут остается внутри СВБР при любом сценарии аварии. А потом полоний быстро распадается, и свинец-висмут можно извлечь из отработавшего 60 лет старого реактора и использовать в новом.

Наконец, сторонники чисто свинцового реактора как бы забыли рассказать вам, политики и администраторы, что БРЕСТ требует 29 тонн свинца на мегаватт электрической мощности, а СВБР всего две тонны смеси свинца и висмута на тот же мегаватт. А это означает радикально меньший размер «свинцово-висмутового» реактора, и намного меньшую его удельную стоимость. В итоге и электричество от СБВР будет много дешевле, чем от БРЕСТа.

Но сторонники СВБР не могут рассказать это политикам. Как честно отмечает один из их создателей Георгий Тошинский:

Без такого лидера убедить публику (и политиков) нельзя, а без этого нельзя начать строить даже демонстрационный реактор нового типа.

Описанная выше ситуация типична и для России, где в 2017 году отложили строительство СВБР-100, и во многом для Китая. Почему КНР выбрала отопление квартир в своих городах от водо-водяных реакторов? Потому что они уже были построены, и тут не надо вникать в технические вопросы: реакторы такие работают, не взрываются, с ними все ясно. По той же причине был выбран клон немецкого газо-графитового реактора: тот тоже работал и не взрывался. 

Все это наводит на мысль, что самые перспективные игроки мировой атомной отрасли не перейдут к строительству свинцово-висмутовых реакторов как минимум долгие годы, а скорее всего и десятилетия. Западные страны не выйдут на них еще дольше. Германия активно закрывает свои последние атомные реакторы, туда же движется Япония. Как Naked Science уже писал, заместить их генерацию только ветром и солнцем не выйдет, отчего западным странам придется строить новые газовые ТЭС, и Япония уже начала строить даже новые угольные станции. Финляндия, Франция и США пытаются строить обычные АЭС, но попытки хотя бы заговорить об атомном отоплении там разбиваются о тотальное нежелание местных политиков даже слышать о нем.

Может ли произойти разворот в сторону атомных станций тогда, когда на Западе осознают, что ветер и солнце зимой генерируют мало? Сомнительно. В СССР осознали, что колхозы плохо справляются с обеспечением страны продовольствием еще в начале 1930-х. Однако вплоть до коллапса Советского Союза колхозы никуда не делись: идеология не давала распустить их и вернуться к частным хозяйствам.

Отказ европейских стран и Японии от атома носит идеологический характер — отдельно мы писали об этом здесь. Идеология, согласно которой любые антропогенные процессы зло, и чем их меньше, тем зла меньше, автоматически означают, что атомная энергетика всегда будет казаться менее «естественной», чем ветряки или солнечные батареи. А значит, какие-то шансы у атомной энергетики есть только за пределами зоны доминирования этой идеологии.

Не может стать центром атомного возрождения и Россия. Ее экономика фактически стагнирует уже дюжину лет, и по идеологическим причинам не может перейти к сколько-нибудь быстрому невосстановительному росту в обозримом будущем. Точно так же, как СССР не мог отказаться от колхозов, или как современная Германия не может отказаться от антиатомных настроений. А без роста экономики массовое строительство новых электростанций и котельных невозможно: уже имеющиеся нужды намного дешевле обеспечить уже построенными станциями и котельными.

Из всего это получается, что единственный реалистичный претендент на атомную революцию в первой половине XXI века — это Китай. У него нет ни антиатомной, ни антимонетаристcкой идеологии, поэтому он может и выбрать «ядерный» путь, и строить много атомных реакторов. Следовательно, пока атомное тепло будет приходить только в дома китайцев — и на основе устаревших водо-водяных концепций прошлого. Быть может, через несколько десятилетий в Поднебесной все же дойдут и до копирования проекта СВБР — и тогда у человечества впервые появится надежда на настоящий, полный безуглеродный переход.

Для всех остальных стран надежда тоже есть, но, увы, большинство наших соотечественников до ее реализации почти наверняка не доживут.