Большое будущее малых АЭС

21.01.08 13:08

Оставим за рамками этой статьи многочисленные двигатели на «атомной тяге»: от вполне успешных военно-морских и космических, широко применяемых и поныне,  до экспериментальных бронетанковых «монстров», так и не покинувших испытательные полигоны. Объектом нашего внимания станут малые наземные АЭС, интерес к которым сегодня возрождается вновь,  в том числе и в связи с реформой ЖКХ.

ЛЕГЕНДА НА ГУСЕНИЦАХ: «ТЭС-3»

Транспортабельная атомная электростанция «ТЭС-3» - один из первых проектов мобильных АЭС. А также один из очень немногих, доведённых до полномасштабных «полевых испытаний». В открытых источниках сведений о ней осталось немного, что даёт почву для различных легенд. Факт же состоит в том, что такая станция действительно была создана и отработала несколько лет.

ТЭС-3 представляла собой 4 гусеничных самоходных транспортёра, смонтированных на базе шасси тяжёлого танка Т-10. Правда, вес оборудования АЭС оказался таков, что это шасси пришлось удлинить (до 10 катков на каждый борт), а для уменьшения давления на грунт применить более широкие гусеницы.

На двух транспортёрах были смонтированы реактор и парогенератор, а на двух других размещались турбогенератор с электрической частью, системы управления и обеспечения работы станции. Транспортёр с реактором весил порядка 90 тонн.

Основа ТЭС-3 – водо-водяной реактор с габаритами активной зоны 60 см в высоту и 66 см в диаметре. Энергоблок выдавал вполне приличную электрическую мощность 1,5 МВт, что при малых размерах активной зоны реактора можно было реализовать  только на высокообогащённом уране («оружейного» уровня обогащения по критериям МАГАТЭ).

Ахиллесовой пятой ТЭС-3 (как, впрочем, и других мобильных АЭС на гусеничном или колёсном ходу) является защита от излучения реактора. Вес защиты, необходимой для обеспечения радиационной безопасности, слишком велик для того, чтобы перемещать его наземным транспортным средством. По этой причине, кстати, не нашли применения атомные танки: пришлось бы слишком часто менять экипажи боевой машины, набравшие допустимую норму облучения.

Для защиты от облучения ТЭС-3 два тягача с реакторной и парогенераторной установками укрывались земляным валом, сооружаемым на месте развёртывания станции. А для обратной транспортировки применялись навесные защитные элементы.

По имеющимся сведениям, опытно-демонстрационный экземпляр ТЭС-3 отработал в «полевых условиях» с 1961 по 1965 годы, после чего был выведен из эксплуатации.

«ПАМИР» НА КОЛЁСАХ

Параллельно с гусеничной ТЭС-3 возникла идея создать передвижную АЭС на колёсном ходу. Институт, призванный решить эту задачу, разместили в белорусском посёлке Сосны. Выбору места способствовала близость к Минскому автозаводу – создателю знаменитых колёсных тягачей МАЗ-537 «Ураган», способных нести вес межконтинентальной баллистической ракеты.

Мобильная АЭС «Памир» предназначалась для военных нужд - электроснабжения радаров ПВО в условиях, когда штатные системы питания будут уничтожены ракетным нападением. (Впрочем, как и большинство военной продукции, «Памир» имел второе – гражданское – назначение: использование в районах стихийных бедствий).

Поэтому при относительно небольшой мощности реактора (0,6 МВт (эл.)) предъявлялись высокие требования к его компактности и – особенно – к надёжной системе охлаждения. Ведь «Памир» предназначался для  работы в широком диапазоне наружных температур (от Заполярья до азиатских пустынь). А в этом случае подобрать надёжную систему охлаждения реактора очень сложно. Например, атомные ледоколы России не могут своим ходом добраться из Арктики в  Антарктиду именно по той причине, что система охлаждения судовых реакторов не справится с работой при прохождении через жаркий экваториальный пояс.

После многолетних изысканий конструкторы создали для «Памира» уникальный газоохлаждаемый реактор на основе четырёхокиси азота, работающий по одноконтурной схеме. На одной загрузке топлива он мог работать до пяти лет.

АЭС «Памир» размещалась на четырёх колёсных тягачах МАЗ-537 «Ураган»: два из них несли реакторный и турбогенераторный блоки, ещё два – систему управления и жилые помещения персонала. В рабочем положении реакторный и турбогенераторный блоки соединялись наружными газовыми шлангами высокого давления. «Ураган» с реактором весил порядка 60 тонн.

Станция успешно прошла заводские испытания, и к 1986 году было изготовлено уже две АЭС «Памир». Но они не успели отправиться к местам службы. После Чернобыльской аварии, на волне антиядерных настроений в Белоруссии, проект был закрыт, а все восемь готовых трейлеров с оборудованием пошли «под нож».

АТЭЦ НА РЕЛЬСАХ

Проект блочно-транспортабельной АТЭЦ с быстрым натриевым реактором и газотурбинной установкой БН-ГТ-300 был разработан Физико-энергетическим институтом. Он предназначен для одновременной выработки как электроэнергии, так и тепловой энергии промышленных параметров, а также может использоваться для теплофикации коммунальных потребителей.

Основу станции составляет реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим – натриевым – теплоносителем. Технология быстрых натриевых реакторов в России уже накопила большой опыт эксплуатации (например, энергоблок БН-600 на Белоярской АЭС). Применение эффективной газовой турбины призвано увеличить КПД турбогенератора.

Станция изготавливается в виде 7 железнодорожных вагонов. При разворачивании АТЭЦ на месте применения эти вагоны укрываются под легковозводимым капониром (строительные работы на площадке составляют лишь 5% от общего объёма работ, всё остальное выполняется на заводе-изготовителе). По мере выработки топлива блок-вагон с реактором заменяется новым блок-вагоном, а старый отправляется на завод для замены топлива.

Реализация проекта пока не осуществлена. «Вагонная» АТЭЦ проигрывает плавучей в том плане, что наиболее нуждающиеся в электроэнергии удалённые районы не имеют железнодорожного сообщения.

АТОМНАЯ КОТЕЛЬНАЯ «РУТА»

Один из наиболее подготовленных проектов Физико-энергетического института (Обнинск), имеющих хорошие перспективы внедрения – атомная станция теплоснабжения (АСТ) «РУТА» стационарного размещения. Она предназначена для муниципальных систем централизованного теплоснабжения и горячего водоснабжения, способна безопасно эксплуатироваться прямо на территории жилых кварталов. В зависимости от потребностей конкретного микрорайона предлагается линейка мощностей АСТ от 10 до 70 МВт (тепловых).

Основа «РУТЫ» - двухконтурный водо-водяной реактор бассейнового типа тепловой мощностью 70 МВт. Именно он определяет её безопасность, позволяющую размещать эту атомную котельную по соседству с жилыми домами.

Во-первых, в «РУТЕ» (в отличие от водо-водяных реакторов крупных АЭС) отсутствует высокое давление в теплоносителе: оно попросту не требуется. Вода, нагреваясь в активной зоне реактора в нижней части бассейна, поднимается вверх, отдаёт тепло теплообменникам и, охладившись, снова опускается вниз. При мощности реактора до 70% от номинальной эта циркуляция вообще происходит естественным путём, и только в диапазоне 70-100% мощности требуется работа насосов.

Во-вторых, «РУТА» работает с очень невысокой температурой теплоносителя (порядка 95-100 градусов): ей ведь не требуется вращать паровую энергетическую турбину, а для коммунальных систем отопления и водоснабжения такой температуры достаточно. С ростом температуры воды выше заданного уровня ухудшаются условия размножения нейтронов, что приводит к снижению мощности реактора.

В-третьих, небольшая активная зона погружена в значительную массу воды, поэтому запас теплоёмкости бассейна очень велик. А значит, перегрев реактора, который в случае прекращения прокачки теплоносителя на больших АЭС происходит за минуты, «РУТЕ» не грозит. Если даже из-за течи произойдёт обезвоживание бассейна, то мощность реактора самостоятельно падает до нуля, а для его охлаждения достаточно конвективных потоков воздуха.

Невысокая температура, отсутствие давления и кипения теплоносителя, его естественная циркуляция делают «РУТУ» пригодной для использования в жилых микрорайонах как хорошего конкурента газовым, мазутным и угольным котельным. Она способна снизить стоимость отопления и горячего водоснабжения, особенно в районах с «длинной» зимой (Урал, Сибирь, Север). Однако чтобы убедить заказчиков, нужно продемонстрировать им успешную работу «пилотного» энергоблока, который разработчик построил для себя. Как и в случае с плавучей АЭС, головной блок которой вступит в работу на «Севмаше» (Северодвинск), первую АСТ «РУТА» обнинцы намерены построить у себя. Высказываются предположения, что станция появится в Обнинске уже в 2010  году.

АТЭЦ «ЕЛЕНА»

Разработана Институтом атомной энергии им. И. Курчатова. Отличием этой станции от «РУТЫ» является то, что она вырабатывает не только тепловую, но и электрическую энергию, причём без турбин – термоэлектрическим способом. Но вода в её 1-м контуре всё же находится под давлением и с температурой порядка 300 градусов.

Вода циркулирует по трёхконтурной схеме (из третьего – уходит на теплофикацию потребителей). А электричество вырабатывается попутно на термоэлектрических батареях, «ножки» которых погружены в воду 1-го и 2-го контуров и используют разность их температур. Таким образом, электрическая мощность «Елены» достигает 0,1 МВт, тепловая – до 3 МВт.

На протяжении всего срока работы (25 лет) «Елена» не нуждается ни в обслуживании, ни в замене топлива. Её водо-водяной реактор (демонстрационный прототип которого – реактор «Гамма» - эксплуатируется уже полтора десятилетия) саморегулируется без вмешательства человека, а также полностью изолирован от внешней среды.

Самоуправляемость «Елене» обеспечивает конструкция активной зоны, подобранная так, что реактор имеет «нулевую» реактивность. Таким образом, ни затухания, ни нарастания ядерной реакции не происходит, а значит, не требуется и манипулировать стержнями-поглотителями, вводя или извлекая их из активной зоны. Выгорание топлива «Елене» компенсируют тепловые свойства воды: снижение её температуры повышает её плотность, что увеличивает замедление нейтронов, повышает реактивность и тепловыделение реактора. При перегреве воды идут обратные процессы, то есть в любом случае реактор сам поддерживает «нулевую» реактивность.

ДРУГИЕ ПРОЕКТЫ МАЛЫХ АЭС

Существует целый ряд других разработок малых АЭС, ещё далёких от промышленного внедрения.

Блочно-модульная АТЭЦ «Ангстрем» электрической мощностью 6 МВт оснащена быстрым реактором со свинцово-висмутовым теплоносителем. Она может перевозиться любым видом транспорта. Однако, по мнению критиков проекта, при захвате нейтронов висмутом в таком теплоносителе накапливается изотоп полония-210, имеющий высокую активность и проницаемость, что нежелательно с точки зрения радиационной безопасности.

Малая АЭС «УНИТЕРМ» (разработка НИКИЭТ) на основе водо-водяного реактора не требует обслуживания и работает на одной загрузке топлива весь срок службы (25 лет), а вдобавок ещё и самостоятельно меняет режимы работы в зависимости от нагрузки потребителей, вплоть до полного снятия и последующего восстановления нагрузки.

Существуют также другие проекты малых АЭС, АТЭЦ, АСТ: подземная реакторная установка «МАСТЕР», арктическая блочная установка АРБУС, станции с реакторами АБВ разных модификаций ("Север", "Волнолом", "Криптон") и с реактором ВК-300.

Изобилие проектов в этой области свидетельствует о том, что малые АЭС востребованы потребителем, и эта рыночная ниша сулит неплохие перспективы.

МИРОВОЙ ОПЫТ

За рубежом также ведутся разработки малых АЭС. В частности, журнал New Scientist сообщал о разработанном в США «одноразовом» реакторе малой мощности, который работает порядка 30 лет без обслуживания персонала на единственной загрузке топлива.

Но особенно активно на этом поприще проявляет себя Япония. Фирма Toshiba разработала малую АЭС с быстрым натриевым реактором, который назвали «4S»: Super Safe, Small and Simple (сверхбезопасный, маленький и простой). Реактор электрической мощностью 10 МВт запроектирован на работу в течение 30 лет на одной загрузке топлива и без обслуживания персоналом. Процент обогащения топлива соответствует экспортным ограничениям МАГАТЭ – менее 20%.

Пилотный экземпляр реактора 4S японцы предлагают разместить в городке Галена у реки Юкон  на Аляске. Городок на 700 жителей расположен в удалённой труднодоступной местности, и завоз органического топлива удорожает киловатт-час втрое выше средней стоимости электроэнергии в США.

Киловатт-час 4S будет в два раза дешевле, чем платят жители деревни сегодня. Причём почти половина его стоимости уйдёт на обеспечение охраны реактора. Поэтому мэр Галены лоббирует идею охранять реактор своими силами, чтобы ещё больше удешевить «атомное» электричество.

Toshiba готова построить реактор в Галене уже в 2010 году. Однако реальный срок будет зависеть от результатов переговоров японской компании с атомным ведомством США, которые ожидаются долгими. Камней преткновения – два.  Во-первых, Toshiba предлагает тип реактора, который принципиально отличается от используемых ныне в США. А во-вторых… да кто же захочет пускать зарубежных конкурентов на свой рынок? Тем более, на такой перспективный, как рынок АЭС малой мощности.

Читайте также: