Атомная энергия для Арктики

Арктическая зона России… редкие и немногочисленные поселения, скудная растительность, удалённость от крупных объектов электроэнергетики… Полярная ночь… Северный завоз…

Суровые природно-климатические условия являются главным вызовом человеку, живущему в этих краях, и энергообеспечение жизнедеятельности выходит на первое место. Относительно энергообеспеченными являются районы Арктики западнее Енисея, где сосредоточены месторождения нефти, газа и частично угля. Восточнее же Енисея начинается обширная зона «северного завоза» - неизбывной «грустной песни» в организационном, финансовом и коррупционном исполнении. Ежегодно по дорогам, рельсам, морям, рекам и автозимникам туда завозятся тысячи тонн топлива. В некоторые труднодоступные районы в течение года топливо доставить не удаётся, его путь занимает до полутора лет, и за это время, например, некоторые виды авиационного топлива теряют свои свойства.

Главной проблемой наших северных и дальневосточных областей и краёв в последнее время стало выживание. Русский Север, Дальний Восток, Камчатка и Приморье часто вынуждены обходиться без света, тепла, топочного мазута и солярки. Зачастую спасение приходит с вертолётами МЧС.

Довольно типичная картина на трассах «северного завоза» - топливо не всегда вовремя доходит до потребителя. 

Летом ещё хуже (Якутия). 

Красные грузовики на первой фотографии – это «Вольво», на которых по трассам Северного завоза перевозит свои грузы компания «Алроса». Часто в быту мы с гордостью повторяем: «Мы не такие богатые люди, чтобы покупать дешёвые вещи!», приобретая японскую электронику или немецкий автомобиль. Так вот и на корпоративном уровне эта «магическая» формула тоже работает: в «Алросе» подсчитали, что «Вольво» берёт груза на несколько тонн больше бедолаги «Камаза» и служит дольше. И только когда мы переходим на государственный уровень, то становимся настолько «богатыми», что готовы платить золотом за бочку солярки («Полцарства за коня!» - это вполне по-нашему), но вложиться в надёжную систему энергообеспечения Северов на основе малых атомных энергоисточников, как всегда, не хватает средств. Действительно: нужны единовременные немалые вложения, но избавляющие от энергетических проблем на десятилетия вперёд. И так ли уж дороги АС малой мощности?

Специфика и проблемы Северного завоза начинаются летом с обмелением рек и продолжаются на автозимниках по всем правилам «жанра экстрим». Тем самым сдерживается даже просто нормальное экономическое функционирование таких регионов и существующих там производств, не говоря уже о развитии. 

(Данные: А.П. Шадрин, Институт физтехпроблем Севера, г. Якутск)

Приведём также таблицу протяжённости многозвенной транспортной схемы доставки жидкого топлива в район Чокурдаха из НПЗ г. Ангарск (км): 

И не только на Северах энергетика сейчас ассоциируется с решением экологических, экономических и социальных проблем. В современном мире энергетика стала уже не столько технической системой, сколько социальной подсистемой, учитывая, что на неё завязаны как функционирование связи, промышленного, транспортного и коммунально-бытового секторов, так и связанные с ними «социальная безопасность» и экологическое благополучие (в наибольшей степени – для крупных городов).

А арктическая зона страны потому и испытывает трудности с энергообеспечением, что работает естественная, природная положительная обратная связь: суровые природно-климатические условия требуют повышенного удельного энергопотребления, но они же и препятствуют этому адекватному энергообеспечению как средствами возобновляемых природных энергоресурсов (ВИЭ), так и средствами традиционной органической энергетики (включая, в первую очередь, трудности доставки энергоносителей).

На сегодняшний день в этой зоне в качестве энергоисточников реальны возобновляемые природные энергоресурсы (ВИЭ) и малые атомные станции блочного типа (АСММ).

Попытки решения всех проблем энергетики Севера за счёт строительства электростанций на возобновляемых источниках энергии (ветровые, геотермальные, приливные и т. п.) в настоящее время неэффективны и малореальны (гидро: малые реки промерзают до дна; гелио: полярная ночь местами длится по полгода; геотермия: далеко не повсеместна и наряду с солнечной энергетикой требует специальных конструкционных материалов; ветроэнергетика: также не везде имеет приемлемые параметры и условия размещения). С помощью ВИЭ можно обеспечить лишь бытовое энергоснабжение и некую ремесленническую деятельность, но сколь-нибудь значимое производство требует более основательного и стабильного энергообеспечения.

Традиционная малая энергетика Северов – это «бочки солярки», прошлый век; с таким багажом в инновационную экономику постиндустриального общества идти не только не возможно, но и стыдно.

Поэтому более пристального рассмотрения требует вопрос широкомасштабного внедрения АЭС малой мощности в удалённых и труднодоступных регионах и иных зонах с суровыми природно-климатическими условиями – т.е. с децентрализованным энергоснабжением, иначе эти богатейшие природными ресурсами края попадут сначала под экономическое влияние более успешных в финансовом и менеджерском отношении «соседей», что может закончиться и их физической потерей.

После взрывного явления миру ядерная энерготехнология параллельно пошла по пути мирного и  военно-энергетического применения, в первую очередь на субмаринах и военных кораблях. В нашей большой по протяженности и сравнительно холодной стране энергетика может быть разделена на большую, региональную (среднюю) и локальную (в т.ч. автономная). По классификации в настоящее время принято следующее ранжирование проектов реакторов малой и средней мощности (РМСМ):

·                    до 100 МВт(э) – реакторы малой мощности;

·                    300 - 700 МВт(э) – реакторы средней мощности.

·                    900 МВт(э) и выше – реакторы большой мощности.

Атомные станции малой мощности менее 10 МВт (тепловых) предназначены для покрытия преимущественно бытовой нагрузки в населённых пунктах городского типа с численностью 2-3 тыс. жителей;

АСММ мощностью от 10 до 50 МВт (тепловых) предназначены для энергоснабжения районных центров и крупных посёлков городского типа с населением до 10-15 тыс. чел.

АСММ мощностью более 50 МВт (тепловых) предназначены для энергоснабжения достаточно крупных населённых пунктов с развитой промышленностью и социальной инфраструктурой. Как правило, такие АС должны включаться в местную энергосистему.

Ядерные энергоисточники хороши тем, что могут работать автономно как вдали от крупных энергосетей, так и в их составе. Современные разработки имеют период автономности (т.е. не нуждаются в дозагрузке топлива) от 10 до 50-60 лет. При этом уровень мощности энергоустановки может быть выбран практически любой в интервале от 1 до 50 МВт (электрического эквивалента). 

Накопленный в России богатейший и порой уникальный технический и технологический потенциал малого реакторостроения для транспортных установок, наличие конструкторских кадров позволяют осуществить «конструктивный прорыв» в данной отрасли ядерной энергетики. Это означает выйти на создание реакторов малой мощности сразу пятого поколения (по аналогии с муссируемой сейчас идеей Generation IV больших мощностей), минуя промежуточные стадии, за счёт применения методов «конструирования безопасности» на основе использования принципиальных преимуществ малых реакторов – малых линейных размеров и малой запасённой энергии, а также используя весь арсенал накопленных знаний, опыта и современных компьютерных средств проектирования. 

О безопасности малых АС

Существующий банк проектов и возможности быстрого эскизного проектирования позволят путём просмотра большого количества вариантов на стадии эскизного проекта отсеять для подробной проработки наиболее удачные модели, обеспечивающие детерминированный уровень безопасности. Данный «класс безопасности» означает исключение возможности возникновения аварий с тяжёлыми последствиями не за счёт действия предохранительных или локализующих систем – а исключение их возникновения как таковых на основе рационального использования действия природных законов, в том числе и существующих в физике реакторов обратных связей.

Другим преимуществом малых реакторов является возможность использования иных подходов и конструктивных решений основных систем, неприемлемых для реакторов большой мощности. Как следствие, реакторные установки такого уровня внутренней самозащищённости не нуждаются в нагромождении инженерных систем безопасности и тем самым опровергают расхожее мнение об относительной (по сравнению с большими блоками) дороговизне малых АЭС.

Всё познаётся в сравнении, и в отношении безопасности малых АС можно сказать, что известные всем масштабные аварии типа Чернобыля или Фукусимы на них в принципе невозможны: с одной стороны, такого типа реакторы для удалённых районов не будут применяться; а с другой стороны, современные способы обеспечения безопасности и накопленный огромный бесценный опыт военных и гражданских реакторов исключает подобный ход событий для перспективных малых АС; и в-третьих, работает «эффект масштаба» - это самый главный козырь. 

Живой пример малой АС до сих пор трудится на Чукотке – единственная в мире АЭС за полярным кругом в п. Билибино. В её составе четыре энергоблока мощностью по 12 МВт (эл), тип реакторов схож с Чернобыльским, и за более чем сорок лет эксплуатации не было никаких опасных инцидентов.

Ещё одно ключевое преимущество АСММ – также и меньший риск финансовых вложений (ввиду относительной малости абсолютных затрат и сравнительно короткого времени их создания по отношению к блокам большой мощности). Реакторы такого класса уже являются патентоспособными на международном уровне. И те предприниматели, которые в ближайшее время осмелятся вложиться в их проектирование, станут и патентовладельцами, что обещает в недалёком будущем определённые дивиденды. Этот тезис имеет под собой вполне реальную почву, т.к. во всём мире постепенно растёт не только интерес к малым АС, но и существует насущная необходимость в их создании, поскольку других источников энергии с таким уровнем автономности, надёжности, маневренности, безопасности, эффективности не существует. 

Выгодны ли малые АЭС?

Считается, что АСММ экономически не выгодны. Но это если к ним подходить с традиционными мерками, без учёта их качественных характеристик и особого потребительского предназначения. Бытует расхожее мнение (и оно формально верно) о высоких удельных затратах АСММ относительно больших мощностей (АС мощностью порядка 1000 МВт), и такое сравнение почему-то считается правомерным. Но в то же время ни у кого не возникает соблазна сравнивать аналогичным образом удельную стоимость киловатт-часов, расходуемых в обычных часовых батарейках и не менее обычных утюгах. Явления несравнимого порядка – но в первом случае таковым почему-то считается вполне допустимо пользоваться даже в среде специалистов!

Этот контрастный пример взят специально, дабы оттенить тот факт, что 

Наиболее ярким примером адекватного (т.е. совершенно «к месту», в полном соответствии и с максимальным использованием всех качеств высокоэнергонасыщенного топлива) применения малых реакторов являются атомные подводные лодки (АПЛ). В этих объектах все характерные преимущества ядерной энергии проявляются в полной мере: и компактное топливо с высокой удельной энерговооружённостью, и длительный запас ресурса энергоустановки, и нетребовательность расходных материалов. Достаточная мощность энергоустановки даёт на длительное время судну полную автономность с учётом необходимого жизнеобеспечения и даже относительного комфорта для всех систем. Именно благодаря ядерному энергоисточнику на борту, АПЛ стали из прибрежно-ныряющих настоящими властителями океанов.

Аналогичную нишу на суше в недалёком будущем предстоит  занять и атомным энергопроизводящим комплексам на основе АС малых мощностей. И где ещё, как не в России, существует один из крупнейших в мире технических заделов в области «малотоннажного» реакторостроения? К тому же ни одно из государств в мире не имеет такой настоятельной необходимости в сети малых автономных АС, как Россия - в силу своей большой протяжённости вдоль Полярного круга.

Поэтому в данном контексте рассмотрения малой атомной энергетики не следует разделять категорично энергетику, безопасность, экономическое развитие, экологическое и социальное благополучие Арктических регионов, так как это звенья единой цепи. Наоборот, экономическое и социальное благополучие в этой зоне, а тем более стабильное развитие следует выводить из состояния энергетики. Будет энергообеспечение – будет повод говорить об экологии, будет основа для выполнения социальных программ, будет транспорт и связь, будет сохранено единое экономическое пространство северных регионов.

Иначе может оказаться, что увлечение исключительно экономическими вопросами даст возможность России получить «постиндустриальную оболочку», но она останется страной с индустриальным сознанием, страной, способной пользоваться импортируемой новой реальностью, но не создавать её. России тогда грозит стать страной, обречённой на существование во «втором эшелоне».

Осознавая это, мы хотим обратить внимание на энергетический аспект «нового общества», на наши возможности и пути их реализации.

Автор: Татьяна Дмитриевна Щепетина, к.т.н., начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский институт».