Мобильный атом: от Чукотки до тропических островов?

Большинство из нас, попадая в экзотические места как туристы, редко задумываются над тем, как там живут местные жители. Между тем, чем экзотичнее место, тем сложнее обеспечить в нем приемлемую энергетику — фундамент современного технологического общества.

Причина в том, что большинство решений в энергетике оптимизированы для крупных сетей, которые возможны только на большой земле. Обычная газовая ТЭС подсоединена к газопроводу, а сетевой газ дешев. Но что, если мы на острове, а газопровода там нет? Придется везти сжиженный газ на танкере-газовозе — а это уже поднимет цену топлива от полутора раз и более. Плюс потребуется строить хранилище для запасов. А если это Певек на Чукотке, куда значительную часть года не ходят корабли? Каким должен быть размер хранилища?

Данную статью можно прослушать.

Есть решения попроще: дизель-генераторы. Но надо понимать, что электричество от них выходит много дороже (только по топливу, без учета цены самого генератора, — от 17 рублей за киловатт-час). Другой вариант — угольная мини-ТЭС, где топливо дешевле. Однако жители того же Певека на опыте Чаунской ТЭЦ прекрасно знают, что в итоге снег в округе приобретает серый цвет. Любой может догадаться, что легкие местных жителей от этого чище не становятся. За такую «дешевизну» приходится платить весомыми больничными счетами, а то и жизнями: микрочастиц от сгорания твердого топлива много больше, чем при сжигании солярки и тем более — природного газа.

Впрочем, забудем на минуту о Чукотке. Возьмем Гавайи — вроде бы крупную островную энергосистему, где живут 1,4 миллиона человек. Средняя стоимость электричества там — 37 центов за киловатт-час, порядка 25 рублей, а типичный месячный счет за электричество — 206 долларов, в три-четыре раза выше, чем на континенте. Причина? Местные ТЭС по американским меркам небольшие и работают на мазуте. «Эффект острова» сказывается, таким образом, даже там, где этот остров весьма велик и густонаселен.

Тот же эффект виновен в том, что проблемы малых энергосетей нельзя решить за счет обычной атомной электростанции. Сегодня мощность даже одного современного реактора АЭС — до 1-1,2 гигаватта. Ранее строили и меньшие по размеру реакторы: например, ВВЭР-440 (последний запуск нового — в 2000 году).

Однако из-за перехода на более мощные реакторы ВВЭР сегодня ВВЭР-440 или их зарубежные аналоги (в плане мощности) уже не строят. За год четырехблочная станция с энергоблоками-«тысячниками» может выработать до нескольких десятков миллиардов киловатт-часов, потому что экономичнее всего для АЭС работать в режиме 24 часов в сутки на полной мощности: ведь ядра атомов в «таблетках» с топливом внутри тепловыделяющих элементов делятся непрерывно, их нельзя «выключить», пока в сети нет спроса. Десять миллиардов киловатт-часов в год — это один процент потребления электричества в такой стране, как Россия. Очевидно, в «островных» или северных малых энергосистемах столько энергии будет некуда девать.

Наконец, на обычных АЭС отработанное ядерное топливо сначала надо долго выдерживать в бассейне охлаждения, пока его температура не упадет достаточно, чтобы топливо можно было вывозить на дальнейшую переработку. Такая инфраструктура требует места, обученного персонала, обеспечения требований безопасности, поэтому тоже не слишком подходит для изолированных и удаленных территорий.

Атом на гусеницах и колесах

В начале 1960-х в СССР была создана так называемая ТЭС-3. Вопреки названию, это не тепловая, а транспортабельная электростанция —полноценная АЭС тепловой мощностью на 8,8 мегаватта. Ее разместили на шасси четырех тяжелых танков Т-10 — только лишенных брони и удлиненных, чтобы вместить все необходимое. Реактор сделали в виде компактного цилиндра диаметром в две трети метра, помещенного в свинцовый стакан.

На ходу мини-АЭС не работала: после прибытия на место и соединения всех четырех машин трубопроводами поверх свинцовой защиты заливали воду, тем самым создавая внешний контур, который не только обеспечивал отвод тепла, но и резко снижал «вылет» нейтронов за пределы реактора. К тому же во время работы все четыре машины АЭС должны были находиться в бетонных или земляных защитных капонирах. Система оказалась довольно дорогой на фоне дизель-генераторов, поэтому от нее отказались.

.

Однако оставалось еще одно окно для атомных реакторов — в обеспечении электричеством небольших геологических партий на Крайнем Севере и иных удаленных местах. Для этого в 1980-х в СССР создали «Памир-630Д»: цифра в названии означала электрическую мощность, равную 630 киловаттам.

В тундре чистую пресную воду зачастую взять негде, поэтому для охлаждения нового реактора — теперь уже на автомобильном многоосном шасси — выбрали совершенно фантастическую жидкость на основе тетраоксида азота (ракетный окислитель высокой токсичности). В итоге один сотрудник погиб еще на этапе испытаний нового мобильного атомного реактора. В конечном счете от уже испытанной конструкции отказались.

Несамоходное плавание

С технико-экономической точки зрения у всех этих проектов были большие проблемы. Дело в том, что атомный киловатт-час от слишком малых станций выходит очень уж дорогим. При уменьшении линейных размеров реактора вдвое площадь его стенок снижается вчетверо, а объем — в восемь раз. Значит, удельная материалоемкость резко повышается — а с ней растет цена вырабатываемой электроэнергии.

Мощность «Памира» или ТЭС-3 была столь мала, что там сработал именно такой эффект: удельная материалоемкость и цена зашкаливали. Дизельные мобильные генераторы не нуждались в толстой свинцовой защите или экзотическом (и небезопасном) ракетном окислителе, отчего выигрывали не только в простоте конструкции, но и в цене.

Поэтому, подойдя к проблеме на новом технологическом уровне, в 2006 году конструкторы «Росатома» решили воспользоваться другим путем. Во-первых, не создавать принципиально новую конструкцию реактора: они взяли за основу пару ледокольных реакторов — для начала КЛТ-40.

Это надежная конструкция, которая работает в Арктике не один десяток лет: такие стояли и стоят на ледоколах и атомном лихтеровозе «Севморпуть». Его электрическая мощность — 35 мегаватт, в десятки раз больше «Памира» или ТЭС-3, что позволило серьезно улучшить экономику проекта. Решение использовать ледокольный реактор, кроме прочего, позволило заметно сэкономить на НИОКР.

Во-вторых, разработчики разместили новую мобильную атомную электростанцию на несамоходном судне — по сути, огромной барже. В случае первой плавучей атомной теплоэлектростанции, ПАТЭС: ее плавучий энергоблок «Академик Ломоносов» длиной в 144 метра, шириной — в 30 метров и водоизмещением — в 21 тысячу тонн. На нем размещено два реактора КЛТ-40С общей чистой электрической мощностью до 70 мегаватт.

Несамоходность позволила сэкономить место для систем АЭС, да и в любом случае отправлять в море судно придется не чаще раза в 10-12 лет — именно столько назначено между циклами ремонтов оборудования судна. Сама частичная замена ядерного топлива там будет происходить раз в три-четыре года, но ее проведут прямо на борту плавучего энергоблока «Академик Ломоносов», что позволит минимизировать время, когда ПАТЭС не сможет снабжать жителей ближайших населенных пунктов теплом и электричеством.

Кстати, ремонт проведут так же, как у ледоколов, на судоремонтных заводах. Весь персонал станции предполагается размещать на борту того же несамоходного судна, в жилой зоне на корме. Дело в том, что его большие размеры и масса позволяют использовать полноценную радиационную защиту — такую же, как на ледоколах, при которой опасности избыточного облучения экипажа не существует. А размещение на судне, где предусмотрены спортивный зал, бассейн, сауна, баня и даже магазин с прачечной, способно существенно повысить комфорт работы энергетиков.

Дно и борта «Академика Ломоносова» — двойные, что повышает его устойчивость к любым возможным повреждениям или терактам. К тому же на месте постоянной эксплуатации его защищает специальный мол-причал. В случае Певека, где работает плавучий энергоблок «Академик Ломоносов», защита будет работать против льдов. На тропических изолированных островах она дополнительно защитит от тайфунов и цунами.

Что важно, «Росатом» не планирует останавливаться на достигнутом. Там уже создали новый реактор для ледоколов — РИТМ-200 — и работают над еще более мощным РИТМ-400. Все они могут быть установлены на следующих ПАТЭС.

РИТМ-200М («М» — модификация для плавучих АЭС) сильно отличается от КЛТ-40С: в нем парогенераторы установлены прямо в корпусе реактора, что позволило сделать реактор намного компактнее. Если КЛТ-40С имеет размеры 12×17,2×12 метров при массе в 3800 тонн, то РИТМ-200М — лишь 6×13,2×15,5 метра при массе в 2200 тонн. Сокращение материалоемкости означает и снижение (при серийном выпуске) стоимости изделия.

Первый заместитель гендиректора АО «ОКБМ имени И. И. Африкантова», где проектируют ледокольные реакторы, Виталий Петрунин особо подчеркивает: «Если заменить реактор КЛТ-40С, который установлен на первой ПАТЭС, реактором РИТМ-200М и оптимизировать плавучий энергоблок, то водоизмещение уменьшится почти в два раза — с 21 до 12 тысяч тонн». Естественно, такая ПАТЭС будет заметно дешевле плавэнергоблока «Академик Ломоносов».

При этом РИТМ-200М мощнее предшественника: электрическая мощность одного такого реактора достигает 50 мегаватт. То есть одна ПАТЭС с двумя подобными реакторами сможет дать до 100 мегаватт мощности вместо 70 у «Академика Ломоносова». Следовательно, стоимость выработки киловатт-часа может ощутимо упасть.

В ту же сторону снижения цены эксплуатации играет то, что у РИТМ-200М перерывы между ремонтами увеличены по сравнению с КЛТ-40С.

Что это означает на практике? Дело в том, что во многих изолированных энергосистемах максимальная мощность АЭС значительную часть суток не востребована. Это на большой земле ночью электричество можно перебросить в другой регион, где на ночь остановили ТЭС: на острове или в Певеке такой «сетевой маневр» не сработает, а потребителей ночью здесь очень мало. Изначально ледокольный принцип работы реактора дает возможность маневров с его выработкой: и если их использовать, то срок работы РИТМ-200М до ремонта может быть увеличен до 20 лет вместо прежних 10-12 лет.

Но и это не все. Ряду островов нужно куда больше, чем даже 100 мегаватт мощности от одной ПАТЭС с двумя реакторами РИТМ-200М. Конечно, можно заказать сразу два плавучих энергоблока — но это повышает стоимость.

В связи с созданием крупнейшего в мире ледокола «Лидер» в России разрабатывают реактор РИТМ-400 — и его электрическая мощность составит не 50, а около 110 мегаватт: то есть одна ПАТЭС с парой таких реакторов даст до 220 мегаватт мощности. Габариты нового реактора —8,2×9×17 метров против 6×13,2×15,5 метра у РИТМ-200М, а масса — 4000 тонн против 2200 тонн у предшественника. Значит, по массе конструкций на единицу мощности РИТМ-400 на 20% эффективнее (примерно 33 тонны на мегаватт мощности против 40 тонн массы на мегаватт у РИТМ-200М). Соответственно, и цена его киловатт-часа будет заметно ниже.

Стоит отметить, что, помимо электричества, ПАТЭС производит много тепла. В случае Певека «Академик Ломоносов» будет обеспечивать отопление городу, отдавая в его теплосети то низкопотенциальное тепло, которое нельзя экономически эффективно использовать для электрогенерации и которое обычно рассеивается АЭС в атмосферу. Поскольку вода для этого берется из второго контура, никакой радиационной опасности попутно не возникает — как и в случае теплоснабжения от атомных станций, десятилетиями работающего в российских городках атомщиков.

Что это даст

Возникает закономерный вопрос: каковы рыночные перспективы ПАТЭС? Да, для Крайнего Севера России решение кажется более чем оправданным. Уголь ведет к преждевременной гибели примерно одного человека на 100 миллионов киловатт-часов генерации — и это в случае развитых стран, а для развивающихся отраслевые специалисты говорят об одной смерти на 10 миллионов киловатт-часов выработки.

Как уже писал Naked Science, из 52 тысяч американцев, преждевременно умирающих из-за работы тепловых электростанций ежегодно, подавляющее большинство становятся жертвами именно угольных ТЭС. То есть потенциально даже первая ПАТЭС «Академик Ломоносов« спасает не менее трех жизней в год, а ПАТЭС на РИТМ-200М — не менее пяти за тот же срок. Еще десятки избегут легочных и сердечных заболеваний, вызываемых микрочастицами угля.

Но что с зарубежными заказчиками? Пригодится ли большая тепловая мощность ПАТЭС в тропическом климате, на далеких островах? Окажется ли проект конкурентоспособным в теплых регионах планеты?

Оценочная стоимость первой ПАТЭС «Академик Ломоносов» — до пяти раз выше, чем у угольной ТЭС, и даже несколько выше, чем у крупных дизельных электростанций. Но при этом в киловатт-часе тепловой станции основную долю занимает топливо, а у АЭС лишь малая часть цены электричества приходится на него. Поэтому лобовое сравнение такого рода не вполне корректно.

К тому же, как мы отмечали выше, с использованием новых реакторов РИТМ-200М водоизмещение судна, где базируется энергетический остров, может сократиться в полтора раза вместе с ее стоимостью, а мощность при этом в полтора раза вырастет. Из этого видно, что потенциально стоимость энергии ПАТЭС никак не сможет быть такой же высокой, как у дизельных генераторов, и она вполне конкурентоспособна на фоне гавайских ТЭС с их 37 центами за киловатт-час. Еще вернее это в том случае, если ПАТЭС начнут делать на базе РИТМ-400, с меньшей удельной материалоемкостью.

Разумеется, это не значит, что ПАТЭС будут строить на Гавайях: США довольно жестко регламентируют, кто и с чем может войти на их рынок. И очевидно, что допускать туда такого игрока, как «Росатом», они не намерены по чисто политическим причинам. Но вот многие государства Океании, Латинской Америки и Африки своих игроков атомной отрасли не имеют, а западные компании просто не предлагают такого мобильного продукта с мощностью атомной станции в 100-220 мегаватт. Даже наземные серийные АЭС подобной мощности вне России существуют лишь на бумаге, в виде эскизных проектов.

Перед такими странами будет стоять довольно простой выбор: либо более дорогие малые ТЭС на углеводородах, либо такие же по цене киловатт-часа, но куда более «грязные» угольные ТЭС. А ведь если речь идет о зонах с развитым туризмом, «угольный шлейф» способен серьезно навредить местной экономике. Туристы редко любят грязный воздух, да и климатическая озабоченность населения западных стран (где особенно распространен зарубежный туризм) постоянно растет. В таких условиях у ПАТЭС есть заметные шансы на успех.

Как ни странно, может пригодиться даже их низкопотенциальное тепло, которое на Крайнем Севере пускают на подогрев воды и отопление домов. Многие тропические зоны не имеют устойчивых источников пресной воды — особенно в сухой сезон. В зависимости от температуры забираемой воды и некоторых других факторов тепло от ПАТЭС на базе плавучего энергоблока «Академик Ломоносов», по расчетам, позволяет опреснить от 40 до 240 тысяч кубометров морской воды в сутки. При использовании РИТМов этот объем может быть куда больше.

Принцип такого опреснения прост: перегретая вода второго контура испаряет морскую воду через теплообменник. Водяной пар конденсируют на выходе опреснительной установки, а недоиспарившийся рассол сливают обратно в море, благо его объемы там будут в прямом смысле лишь каплей.

Почему зеленые атакуют ПАТЭС

Еще в 2017 году российское отделение Гринписа пыталось помешать работам на строящемся «Академике Ломоносове», заявляя: «Аварии на любых АЭС могут иметь очень серьезные последствия, а в случае с плавучей АЭС к списку угроз добавляется особая уязвимость к стихии и террористическим атакам. Операция по загрузке топлива и запуску реакторов фактически в центре города подвергает горожан неоправданному риску, город не готов к возможным экстренным ситуациям такого рода».

На первый взгляд, ситуация выглядит странно. В мире известна только одна авария на АЭС, которая привела к неоспоримым человеческим жертвам, — Чернобыльская, о которой Naked Science подробно писал ранее.

Напомним: по углю число преждевременных смертей начинается от одной на 100 миллионов киловатт-часов выработанного на нем электричества. В то же время сегодняшние АЭС, где технологические усовершенствования радикально подняли уровень безопасности, вообще не вызывают преждевременных смертей — ни одной в год.

Почему же Гринпис против ПАТЭС, если единственная альтернатива этому во многих местах, типа того же Крайнего Севера и далеких островов, — все тот же уголь? Или же дрова и биотопливо для ТЭС, дающие еще больше микрочастиц и еще более высокую смертность, чем уголь. Отчего гринписовцев беспокоит стандартная процедура погрузки топлива в центре города, но не сжигание угля, до сих пор стабильно идущее в центре огромного числа городов?

Да что уголь. В центре Санкт-Петербурга есть работающий исследовательский атомный реактор и вокруг него стоят жилые дома. Почему Гринпис не беспокоят они? Почему он не протестовал против прежних загрузок ядерного топлива на суда с ледокольными реакторами на том же Балтийском заводе?

Наиболее вероятный ответ на этот вопрос таков: Гринпис, к сожалению, плохо знаком с данными по опасности разных видов электрогенерации и вообще слабо представляет себе технические основы устройства атомной отрасли. Это легко видеть из его опасений по загрузке атомного топлива: за всю историю атомной индустрии на таких операциях не погиб ни один человек. Гринписовцы правы, когда говорят про загрузку топлива на ПАТЭС, что «город не готов к возможным экстренным ситуациям такого рода». Правы по той простой причине, что при погрузке топлива в истории еще не было случаев, создающих угрозу здоровью или жизни людей. Никакой город не может быть готов к угрозе, которой не существует.

Благодарим Госкорпорацию “Росатом” за помощь в создании материала.