«Росатом» обещает Африке атомную революцию — но готова ли к ней Африка?

Современная атомная индустрия в последние десятки лет напоминает известную детскую дразнилку про «купи слона». Все говорят, что СЭС и ВЭС принципиально не могут полностью заменить тепловую энергетику. Все говорят, что при этом тепловая энергетика убивает людей сотнями тысяч в год. Кажется, АЭС в такой ситуации — очевидный выбор: вот он слон, купи его. За всю их историю от происшествий, связанных с АЭС, погибло меньше людей, чем ТЭС убивают каждую неделю.

Но мало кто в развитом мире покупает себе атомные реакторы. Хотя, как Naked Science уже отмечал, те вполне могут полностью заместить тепловую генерацию и в плане смертности несопоставимо безопаснее ТЭС даже с учетом Чернобыля.

Почему никто не хочет покупать атомного слона на Западе — понять можно. Лучшие результаты в строительстве новых реакторов с нуля в XXI веке в ЕС и США — у Франции. Именно ее компании смогли построить с нуля и первыми довести до физического пуска хотя бы один реактор. Но и ее успехи не слишком впечатляют.

В декабре 2007 года во Франции начали строить реактор «Фламанвиль-3» — за 3,3 миллиарда евро, со сроком сдачи в 2012 году. Десять лет спустя реактор все еще не сдан, но его постройку уже оценивают в 19 миллиардов евро. Похожая ситуация с французским реактором-долгостроем в Финляндии (впрочем, там был хотя бы физический пуск), где в итоге местная пресса прогнозирует отключения света зимой (раньше не отключали, поскольку 10% электричества покупали в России). 

О причинах утраты конкурентоспособности западными атомщиками мы уже писали. Какие-то реакторы западного проекта в этом веке удалось построить только в Китае — и то лишь потому, что и корпус, и остальные важнейшие компоненты делали там же, на Азиатском континенте, а не в США.

В третьем мире ситуация получше: эти страны могут заказывать реакторы России и Китаю, которые строят куда быстрее и как минимум вдвое дешевле западных компаний. Но и здесь действительно крупных проектов не так много. 

Египетский пример — АЭС «Эль-Дабаа» — на этом фоне приятное исключение. Российский подрядчик в июле этого года начал строить станцию с четырьмя реакторами ВВЭР-1200, строительство будет завершено в нынешнем десятилетии. Причем первый реактор — уже через пять лет.

Отдельно отметим: этот тип реакторов настолько продвинутый, что за пределами России и союзного государства пока еще нигде не построены. Знаковый момент: возводить его будут в месте, которое подходит для солнечной энергетики куда больше, чем Евросоюз или Соединенные Штаты, где на солнечную энергию делают большую ставку.

И это не от того, что египтяне не умеют считать деньги: причины, как мы писали, обратные. Любая страна, тщательно считающая деньги, вынуждена отказаться от солнечных электростанций как от ключевого источника энергии. А тех, кто поступит иначе, ждут нерешаемые проблемы.

Строительство станции «Эль-Дабаа» плюс обучение персонала, поставки топлива оценивают в 30 миллиардов долларов — примерно шесть тысяч долларов за киловатт мощности. Цифра неплохая: с ней конечное электричество должно быть не сильно дороже, чем от ТЭС.

Это первая АЭС, которую построят в Африке XXI века. На континенте, где большие проблемы со стабильным электроснабжением по доступной цене. Тот же Египет постоянно страдает от блэкаутов. И, кажется, это очень хороший пример для «Росатома». Глядя на четыре новейших реактора, возводимых не за 15 лет и не по 20 миллиардов евро за штуку, как на Западе, к нему потянутся и другие покупатели. Или не потянутся?

Самый совершенный в мире?

Реактор ВВЭР-1200 — плод длительной эволюции линейки реакторов еще советских времен (первый ВВЭР-210 запустили в 1964 году). «Водо-водяной энергетический реактор», как он расшифровывается, на первый взгляд, должен быть самым обычным. Ведь большинство реакторов сегодня в мире — водо-водяные. Само это странное словосочетание означает простую вещь: вода в нем используется и как замедлитель нейтронов (без замедлителя реакторы на тепловых нейтронах не работают), и как теплоноситель — то, что уносит тепло от активной зоны.

В общем виде водо-водяной реактор — здоровенный вертикальный бак, в котором много трубок, с заложенными в них таблетками ядерного топлива. Чтобы реактор заработал, в него надо подать воду. Нейтроны, вылетающие из топливных таблеток, в воде замедляются в достаточной мере, чтобы не успевать покидать реактор до того, как расщепят атом урана в другой таблетке. В результате водяного замедления начинается самоподдерживающаяся цепная реакция, дающая много тепла. От тепла вода, поданная в реактор, нагревается до 330 градусов, причем под давлением в ~162 атмосферы (все цифры — для ВВЭР-1200).

Но то, что принцип работы у водо-водяных реакторов одинаковый, совсем не значит, что у них одинаковы и остальные параметры. Проведем отдаленную аналогию: почти все современные танки ездят на дизеле, и принцип его работы — одинаковый. Но некоторые из них тратят 260 литров на 100 километров, как российский Т-90, а некоторые — 300 литров на 100 километров, как немецкий «Леопард-2». Какие-то стоят три миллиона долларов (Т-90), а другие — десять («Леопард-2»). Правда, для танка цена и расход топлива — показатели не всегда самые важные: там есть иные, более значимые параметры.

А вот в мире АЭС ключевые параметры сводятся к главному — по какой цене они могут эффективно вырабатывать электричество. И вот здесь ВВЭР-1200 — самый серьезный кандидат в лидеры.

Все как раз потому, что он — продукт эволюции, а не революций. Его строительство довольно хорошо отработано и стоит не так много. Это же позволяет иметь расчетный срок службы 60 лет — и, как нам известно из опыта эксплуатации водо-водяных реакторов, его вполне можно продлить еще на 20 лет.

Стоит подчеркнуть: в отличие от ТЭС, АЭС за срок своей службы не меняет турбины, парогенераторы и реактор, то есть основную (по стоимости) часть оборудования. Причин много, одна из них — в более низкой рабочей температуре основных компонентов АЭС.

Если сравнить ВВЭР-1200 по живучести с ветряком, разница тоже будет кратной: те меняют через 25, а не 60 лет службы. В итоге за свою жизнь АЭС «Эль-Дабаа» выработает примерно 2,4 триллиона киловатт-часов. Легко посчитать, что из-за такого срока службы и постоянного режима работы затраты на строительство электростанции более чем окупятся.

Та же самая «эволюционность» позволяет ему пропускать через активную зону 85 600 кубометров воды в час, или 23,77 тонны в секунду — такую массу непросто представить себе в повседневной жизни. Именно масса теплоносителя, проходящая через активную зону, определяет мощность реактора на единицу объема. То есть в итоге соотношение выработки энергии к ее стоимости.

Хотя идея «поднять пропускную способность активной зоны по воде» звучит просто, реализовать ее на практике сложно. Например, реакторы французской постройки неоптимально решили этот вопрос, и там часть трубок с топливом под напором быстро текущей воды деформировались. С неприятными последствиями для работы реактора. 

Важная деталь: ВВЭР-1200 может менять мощность со скоростью 5% в минуту. Это намного больше, чем типовой атомный водо-водяной реактор. В России, с ее единой энергосистемой больших размеров, это не слишком актуально (разве что в случае ядерной войны). Однако в странах с меньшими энергосистемами все иначе.

Ночью в Египте потребление электричества резко сокращается, и тут часто может быть смысл в снижении выработки. Не будь ВВЭР-1200 таким маневренным, это создало бы заметные неудобства местным энергетикам.

Кроме чисто экономических параметров, у реактора есть еще параметр «безопасность». Причем он даже важнее, чем экономическая эффективность. Нет никакого смысла в дешевой энергии, если ваш реактор взорвался. И тут ВВЭР-1200 в неспешном эволюционном развитии тоже приобрел много таких преимуществ, которых лишены другие реакторы.

Если вдруг по каким-то причинам вода перестает в нужных количествах поступать в реактор или отводить от него тепло — сценарий Фукусимы, — то она нагревается до 800 градусов и начинает реагировать с циркониевыми стенками трубок для топлива, которые омывает. При этом выделяется водород и кислород — готовый рецепт гремучего газа, способного взорваться (опять же, Фукусима). И пусть она не привела к гибели ни единого человека, для идеального реактора сама вероятность такого события — излишняя.

Чтобы ее избежать, ВВЭР-1200 оснащена специальным каталитическим рекомбинатором, способным окислять водород и кислород без пламени, не давая им накапливаться в верхней части реактора, даже если тот перегреется. В отличие от аварийных стержней, включение рекомбинатора не требуется даже от автоматики: как только концентрация водорода достигает 0,5 %, он начинает рекомбинировать сам — просто в силу неизбежных химических реакций.

Помимо этого, и само перегревание, порождающее водород в реакторе типа ВВЭР-1200, вряд ли произойдет. Конструкторы неплохо поработали над тем, чтобы оно не случилось. При снижении подвода воды в контуры охлаждения водяной пар от парогенераторов реактора отводится в специальную конструкцию — СПОТ. Там пар отдает свое тепло металлу СПОТ, а тот, в свою очередь, отдает его в атмосферу (так сделано на Нововоронежской АЭС).

Пар же, скондесировавшись в воду, в этом виде снова может охлаждать контур охлаждения реактора. Раскаленные внешние части системы СПОТ пассивно — без каких-либо насосов и воды — отдадут в атмосферу столько тепла, что за 800 градусов уйти так и не получится.

К тому же реактор имеет типичную и для других систем систему охлаждения водными разбрызгивателями (на случай разрыва первого контура). Такое охлаждение позволит всему пару, который при подобном разрыве образуется, остаться внутри герметичного контайнмента, не выходя наружу.

Наконец, если все это по каким-то неизвестным причинам не сработает (например, на Земле пропадет атмосфера или металлы внезапно перестанут проводить тепло), под реактором есть ловушка расплава — туда стечет расплавленная активная зона. Ее разбавят находящиеся в ловушке оксиды железа, алюминия и магния, при этом плотность делящихся веществ в ловушке станет слишком низкой, чтобы расплав мог проплавить бетон.

Суперлинкорный путь в мире атомной энергетики

Как бы ни был хорош эволюционный путь развития ВВЭР-1200, у него есть серьезные ограничения. Главное из них вот какое: на основе реакторов этого типа бывает сложно выстроить типичную энергосистему. Основных причин — две: размеры и, как ни странно, снова размеры.

Четыре ВВЭР-1200 при мощности 4,8 гигаватта смогут производить до 40 миллиардов киловатт-часов в год. А ведь в прошлом году общее потребление Египта составило всего 188 миллиардов киловатт-часов. Получается, одна российская АЭС закроет больше 21% потребления большой стомиллионной страны. Безъядерная родина фараонов в считаные годы станет страной с долей атомного электричества на уровне России и США.

Однако стран с населением свыше 100 миллионов человек немного. Часть из них — западные, то есть такие, которые, сколько бы не стоила им энергия, никогда не выберут российские АЭС. Где найти много таких клиентов, как Египет? 

Слишком большие размеры ВВЭР-1200 означают, что экономический смысл в них есть только там, где существует высокая нагрузка. Причем круглые сутки. Дело в том, что АЭС при простое продолжает требовать практически столько же денег в единицу времени, сколько и при работе — что радикально отличает ее от ТЭС, 2/3 цены электричества которых приходится на топливо. Топливо на ТЭС при простое не горит — значит, ТЭС экономически втрое устойчивее к «безработице», чем АЭС.

Вот и выходит, что даже плотно населенный Египет может позволить себе только одну российскую АЭС. Потому что, если он построит две, то девать ее электричество ночью ему будет уже некуда. Придется «маневрировать мощностью» — снижать ее ночью. Но поскольку затраты АЭС при работе те же, что при простое, снижение рабочей мощности означает автоматический рост цены киловатт-часа.

По сути, ВВЭР-1200 — это суперлинкор в мире атомной энергетики и энергетики вообще. Едва ли не конечное звено в эволюции очень больших водо-водяных систем. Совершенное, безопасное… но слишком большое, чтобы удовлетворять целям, которые стоят перед энергетикой в большинстве стран мира. В том числе — и в Африке, где наблюдается серьезный дефицит ночных промышленных потребителей.

Конечно, можно сказать, что даже при этом ВВЭР-1200 выглядит неплохим решением для крупных стран. Египет, Алжир и тем более менее солнечные государства нашей планеты не могут основывать свою энергетику на солнечной генерации, да и на ветровой тоже. Газовая генерация, доминирующая у египтян сегодня, при сегодняшних ценах на газ выглядит настоящей роскошью.

Это означает, что ВВЭР (и ВВЭР-1200) будут строить на экспорт. То в Египте, то где-то в Азии — например, в Индии. Но вот основными производителями электричества, как стали АЭС во Франции 1980-х, такие реакторы не станут. Даже перспективные цели, поставленные перед российской энергосистемой — доведение атомной генерации до 50% от общей, — выполнить с ними будет очень сложно. Потому что не особенно понятно, куда девать их энергию по ночам. Или на что покупать ее днем, если ночью такие реакторы будут простаивать, отчего поднимут удельную цену своей выработки.

Меньше миллиона тонн на реактор

Если задуматься, то у атомной энергии есть и альтернативные пути развития. Увы, они требуют не столько эволюции, сколько революционных изменений. Решиться на такое всегда заметно сложнее, чем на эволюцию.

Ключевая проблема АЭС сегодня — «суперлинкорность», нужда в очень больших размерах, без которых выработка не получится достаточно дешевой, поскольку не сработает известный «эффект масштаба». Чтобы решить ее, нужно найти конструкцию реактора, который требовал бы меньше материалов на единицу мощности, то есть меньше капиталовложений. 

В цене атомного электричества капиталовложения в саму станцию стабильно занимают более 60%, вполовину меньше — издержки на ее эксплуатацию, лишь 5% — стоимость топлива. Ясно, что чем меньше удельная материалоемкость подобных станций, тем лучше их перспективы. 

Скажем, четыре блока в «Эль-Адабаа» стоят 30 миллиардов долларов не просто так: они потребуют примерно пять миллионов тонн бетона и полмиллиона тонн арматуры и оборудования. Это немногим более одной тонны на киловатт электрической мощности (или 0,4 тонны на киловатт тепловой мощности). Если попытаться заменить крупные водо-водяные реакторы на мелкие, как хочет от «Росатома» Иордания, окажется, что удельный расход материалов на единицу мощности там будет еще выше (ибо меньше эффект масштаба). Есть ли конструкции, которые могли бы предложить столь же большой срок работы при меньшей материалоемкости?

В принципе, такие реакторы существуют, причем уже десятки лет. Несмотря на засекреченность деталей советских проектов АПЛ, известно, что лодки типа «Лира» имели надводное водоизмещение 2300 тонн — меньше дизельных «Варшавянок» советского же производства. Реактор их со всеми подсистемами весил всего несколько сот тонн. При этом его тепловая мощность — 155 мегаватт. А это в 20 раз меньше, чем у ВВЭР-1200. Который, напомним, в варианте АЭС требует более 1,3 миллиона тонн бетона, арматуры и оборудования.

Получается, при мощности в 20 раз меньше ВВЭР энергетическая система «Лиры» обходился массой… в пару тысяч раз меньше. 

Конечно, АЭС нужны генераторы и турбины с другими скоростями и возможностями, чем у лодочных. Кроме того, у энергетических реакторов делают железобетонную герметическую оболочку, масса которой уходит за 30 тысяч тонн. Пусть у свинцово-висмутового реактора на быстрых нейтронах (СВБР) такой оболочке и не нужна огромная толщина, как у водо-водяных реакторов (благо нет высокого давления в реакторе), материалоемкость — в сравнении с лодкой — все равно вырастет.

И тем не менее, несмотря на все это, как легко видеть из сравнения с ТЭС ниже, основная часть материалоемкости АЭС продиктована именно ее «атомной» частью. Следовательно, выбор вместо водо-водяного реактора свинцово-висмутового, как на «Лирах», может снизить материалоемкость атомной электростанции в разы.

Никакого чуда нет: материалов реактору тут нужно меньше потому, что теплоемкость свинцово-висмутовой смеси несопоставима  с теплоемкостью воды. Значит, меньше может сделать активную зону и первый контур охлаждения реактора. Да и греть свинец-висмут можно до полутысячи градусов (и даже больше — просто при температуре выше полутысячи не очень хорошо парогенераторам), что намного выше, чем 330 градусов ВВЭР.

Жидкометаллический теплоноситель убирает и потребность в высоком давлении. У ВВЭР-1200 оно в 162 раза выше атмосферного (иначе вода бы закипела задолго до рабочих 330 градусов). Неудивительно, что толщина стенок реактора там — 20 сантиметров отличной стали. При меньшей толщине корпус мог бы не выдержать. В СВБР давление немногим выше атмосферного — никаких 20 сантиметров не нужно. Это тоже снижает материалоемкость, причем значительно.

Снижение материалоемкости означает, что нет необходимости в «суперлинкорных» размерах. СВБР-100 — реакторы на свинцово-висмутовом теплоносителе, работающие на быстрых нейтронах — вполне могут быть экономически оправданными при их электрической мощности всего в 100 мегаватт (и есть даже проект СВБР-10 на 10 мегаватт). 

Стомегаваттные реакторы могут иметь экономический смысл и для стран с населением в десять раз меньше Египта — от десятка миллионов человек. Отдельная особенность свинцово-висмутовых систем – возможность маневрирования в режиме от 100% (день) до 50% (ночь). В теории их маневрирование может быть даже более резким (на лодочных свинцово-висмутовых реакторах разгон с 3 до 100% мощности занимал минуту). Но на практике в энергетике такие резкие маневры вряд ли нужны.

И еще один важный момент: в плане безопасности свинец-висмут лучше, чем вода. При разгоне жидкометаллического реактора выше нужного значения он сам начинает терять мощность, а малое давление означает исключительно низкую вероятность утечки теплоносителя из первого контура.

Возникновение водорода от пароциркониевой реакции в таком реакторе и его взрыв — как на Фукусиме или в Чернобыле — невозможны по той простой причине, что трубки для топлива у него не из циркония. Ведь тот требуется только для реакторов на медленных, тепловых нейтронах, ибо сталь их поглощает, а цирконий нет. Но СВБР работает на быстрых нейтронах, и для него вполне годятся трубки из стали (их она поглощает очень слабо). 

Из-за отсутствия возможности взрывной разгерметизации реактора (и тяжести теплоносителя) реакторы на жидких металлах имеют санитарную зону всего в километр. Дальше этого расстояния от реактора ничего не улетит, даже если его бомбить. А значит, и располагать их можно очень близко к городам. У ВВЭР же санзона — в районе 25 километров, то есть ряд вопросов им просто не закрыть. 

Например, формально у ВВЭР-1200 — 300 мегаватт теплофикационной мощности, что немало. Такой может обеспечить горячей водой (и отоплением, если это не Египет) немаленький город. На самом деле, из этого ничего не получится: при санзоне в 25 километров энергозатраты на перекачку воды до ближайшего мегаполиса будут слишком высоки.

СВБР, которые можно строить всего километре от города, вполне справятся с поставкой горячей воды и тепла в дома, при этом не создавая лишних вопросов в плане безопасности.

А как же альтернативы?

Можно возразить, что менее материалоемких (не водо-водяных) реакторов  в мире потенциально куда больше. Ведь теплоноситель,  более теплоемкий, чем вода, — это не только свинец-висмут, но и, например, натрий, как в российских реакторах БН-600 и БН-800 (или натрий-калий). Либо расплав жидких солей, о котором мы писали здесь. Вот и американский стартап, финансируемый Биллом Гейтсом, тоже нацелился на натриевую конструкцию — кстати, во многом похожую на уже построенные российские БН-аналоги.

Но здесь важно хорошо помнить школьную химию. Натрий и натрий-калий при контакте с воздухом горят ярчайшим — и негасимым водой — пламенем. Кстати, при контакте с бетоном горение натрия может случиться даже в бескислородной атмосфере. Так за рубежом загубили не один натриевый реактор. И пусть в России такого не было — мелкие утечки натрия происходят и у нас. 

А действительно полный переход на атомную энергетику потребует — это надо четко понимать — постройки сотни гигаваттных либо тысячи стомегаваттных атомных реакторов только для России. И многих тысяч — для всего мира. Рисковать утечками натрия в такой обстановке — не лучшая идея. 

Совсем не то со свинцово-висмутовыми реакторами. Эти металлы не горят, их смесь кипит аж при 1670 градусах, что вдвое выше, чем точка кипения натрия. При работе в них накапливается небольшое количество полония-210, но, вопреки популярным мифам, это не признак их опасности.

Напомним: Александра Литвиненко в 2006 году отравили этим самым полонием, но тот, кто сыпал его в стакан, не пострадал. Все потому, что полоний-210 — альфа-излучатель, а альфа-частицы останавливаются даже кожей (кстати, как и умеренным слоем воздуха). 

Так что, даже если в один из СВБР попадет серьезная ракета — а глядя на Запорожскую АЭС, недавно атакованную с воздуха, такие варианты исключить нельзя, — ничего сверхстрашного не произойдет. Такие тяжелые металлы не удастся ни испарить, ни разбросать дальше, чем на сотни метров от реактора. Там они застынут и будут лежать, пока не распадется полоний-210, но не причинят вреда жителям близких городов: к ним просто не будут подходить на нужную для этого дистанцию (=вплотную). 

В чем-то похожая картина — с другой альтернативой, жидкосолевыми реакторами. Да, они тоже могут быть компактными. Но для этих конструкций, в силу все той же школьной химии, нужны сплавы, стойкие к коррозии. Свинец-висмут при наличии примесей кислорода тоже опасен в плане коррозии — однако разработчики таких реакторов давно решили вопрос контроля содержания кислорода в них. То, что для жидкосолевых реакторов пока еще дело будущего — создание гарантированно коррозионностойких конструкций, — у СВБР уже продемонстрированное прошлое.

Все это не означает, что стоит ожидать успешного развития подобных реакторов в ближайшем будущем. Дело в том, что успехи тех или иных конструкций в реальной жизни не всегда определяются их объективными преимуществами. Зачастую все решают преимущества субъективные.

И тут на стороне ВВЭР огромный перевес. Это отработанная конструкция, прекрасно понятная не только атомщикам, но и, главное, администраторам ядерной отрасли и публике. Совсем не то с СВБР: это реакторы на быстрых нейтронах, нарабатывающие больше топлива, чем они расходуют. Так получается потому, что плотный поток быстрых нейтронов превращает заметную часть урана-238 (не делящегося «балласта» топливных таблеток) в делящиеся изотопы плутония.

Они совсем не похожи на своих циклопических водо-водяных предшественников. В мирной атомной энергетике их еще не использовали. А когда нет налаженного производства, то и стоимость первого реактора высока (у СВБР она оценивается в 38 миллиардов рублей). Ясно, что при серии она будет ниже. Но вот о серии-то как раз речь пока и не идет.

Самый важный момент тут такой: у СВБР нет и не было сторонников, умеющих выгодно подать своей проект. Это резко отличается от чисто свинцового реактора БРЕСТ, который во много раз более материалоемкий, чем СВБР. Зато его сумели правильно подать, поэтому теперь БРЕСТ строят, а СВБР-100 пока даже не планируют.

Реактор на чистом свинце (его температура плавления на пару сотен градусов выше, чем у свинца-висмута), который только прогревать перед пуском нужно более полугода, в силу огромной металлоемкости, вряд ли сможет дополнить ВВЭР-1200 на экспортных рынках — по чисто технико-экономическим причинам. Одного лишь металлического теплоносителя ему нужно в десяток с лишним раз больше, чем СВБР той же мощности.

А значит, суперлинкорная эра в мировой атомной энергетике продолжается. И может делать это неограниченно долго — пока в этой индустрии не появится кто-то, кто захочет изменить ее коренным образом. Однако подобные Илоны Маски — большая редкость. Это заметно хотя бы по затянувшемуся «безреакторью» в западной атомной отрасли.

Скорее всего, строительство атомных реакторов так и продолжит стагнировать, сохраняя свою нынешнюю долю в мировой энергетике. А экспортные реакторы «Росатома» не станут строить сильно чаще, чем в последний десяток лет