Комментариев: 003.04.2005

Э.Л.Петров, главный конструктор ПАТЭС, к.т.н.

   В мае 2004 года Высший Экологический Совет ГД обсудил проблемы ядерной и экологической безопасности установок малой атомной энергетики для теплоэлектроснабжения жилых и промышленных объектов регионов России. Совет рекомендовал рассмотреть эту тему в Комитете ГД по энергетике, транспорту и связи с целью выработки своего отношения к такой проблеме и, в случае положительного отношения, обратиться в Правительство РФ с предложением изыскать финансирование для строительства головных установок.

Энергетика всегда была и остается опорой для развития территорий. Огромные масштабы страны, ее географические особенности и специфика происходящих демографических процессов многократно усиливают внимание к проблемам энергетической и экологической безопасности регионов.

Почему «Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века», одобренная Правительством РФ (Протокол № 17 от 25.05.2000г.) не предусматривает сооружения объектов малой атомной энергетики? В качестве заказчиков атомных станций малой мощности готовы выступать те регионы, где испытывается дефицит собственных энергоресурсов, и доставка традиционного углеводородного топлива превращается в ежегодную болезненную проблему, где приоритет отдают сохранению экологических качеств природной среды. Таких регионов в стране от Калининградской области до Камчатки и Приморского края великое множество. Создать повсеместно для населения устойчивые, достойные и безопасные условия проживания – это та роль, которую обязаны сыграть атомные станции малой мощности. Страна располагает технологической базой судового атомного машиностроения и приборостроения, то есть именно тех секторов промышленности, которые способны серийно тиражировать энергетические блоки для комплектации атомных станций малой мощности. Тем более, что прототипы оборудования таких энергоблоков эксплуатируются на кораблях и имеют тысячи реакторо-лет наработки.

Высокие коммерческая конкурентоспособность и потребительские качества таких станций, создаваемых по судостроительным технологиям, особенно впечатляют, когда удается энергоблоки разместить в подземном пространстве с кровлей около 50 метров (подземная атомная теплоэлектростанция – ПАТЭС). Заметим, что именно эти фортификационные качества ПАТЭС приобретают решающий вес, когда атомный блок оказывается в прицеле ракеты современных террористов или на пути атакующего самолета.

Первое, что находится у самой поверхности решения проблемы атомных станций малой мощности, так это применение ледокольной атомной энергетической установки. Это не самая мощная судовая установка, созданная в стране. Но в ней реализована концепция электростанции, а будучи таковой, привлекательно именно ее поместить во чрево несамоходного понтона. Все это будет детище судостроительного завода, а значит, много технологичнее, нежели современный процесс возведения атомных блоков, у которых бетонное строительство непрерывно перемежается с монтажными операциями. Такой понтон может быть отбуксирован водным путем практически в любой район, а далее он становится у причальной стенки. Вот тут-то и посыпались, как из рога изобилия, требования Морского Регистра: обеспечьте льдоустойчивый корпус понтона, предусмотрите балластные цистерны, креновые и дифферентные системы, якорные лебедки, шпили и брашпили, продсклады и камбузы, каюты и кубрики, спасательное и навигационное оборудование и еще массу элементов корабельной номенклатуры, которые многократно увеличивают весовую нагрузку и стоимость проекта. Плавающий понтон не является безопасным решением для хранения выгруженных из реакторов станции активных зон. К тому же, каждые 10 лет понтон обязан проходить заводской доковый ремонт. Значит, на этот период у потребителя либо возникнет дефицит энергии, либо должно быть обеспечено эквивалентное замещение утраченной мощности, что еще в большей мере ведет к удорожанию проекта. Очевидно, что с целью исключения навигационных аварий, навалов льда и торосов для понтона потребуется сооружение в акватории защитных сооружений, что представляется также дорогостоящим объектом. Эти обстоятельства выводят капитальные затраты станции на понтоне к уровню в 3000 долл. за кВт. Обслуживающий понтонную станцию персонал работает в режиме сменной вахты по аналогии с кораблем, что опять-таки удорожает эксплуатацию, как и всякий вахтовый способ. Все эти «судовые атрибуты» понтонной станции полностью исключаются в проекте ПАТЭС.

С другой стороны, среди атомщиков сложилось мнение, что, увеличивая единичную мощность блока, можно рассчитывать на автоматическое снижение удельных капитальных и эксплуатационных затрат. Это суждение опирается на эволюционное развитие концепции одного и того же проекта, например, с блоками ВВЭР-640, ВВЭР-1000, ВВЭР-1500. Поэтому обратная тенденция в сторону использования блоков малой мощности с ВВЭР-100 или ВВЭР-75 судового класса ассоциируется с неизбежным чрезмерным ухудшением экономических показателей атомной станции. Потребовался поиск принципиально нового нетрадиционного проектного решения, чтобы появились конкурентоспособные аргументы в пользу малой атомной энергетики. Это оказался именно тот случай, когда уместно говорить об инновационной технологии, прорывной характер которой должен обеспечиваться наличием производственной базы для ее реализации.

Исторический опыт атомной энергетики свидетельствует, что мысль о размещении реакторных установок в подземном пространстве зародилась задолго до аварии на Чернобыльской АЭС и выступления по этому поводу академика А.Д. Сахарова. Конструктивный вклад в развитие этого направления внесли многие ученые нашей страны, в том числе члены специализированного Совета, возглавляемого академиком А.П. Александровым, Н.Н. Мельников, Е.А. Котенко и другие. Однако в тот период не стоял вопрос о конверсии судовой атомной энергетики. Теоретически не возникало сомнений, что реакторная установка будет работать в подземном пространстве, даже если оно будет полностью герметизировано. Ведь для работы реактор не нуждается в атмосферном кислороде, а отвод теплоты от активной зоны решается последовательными контурами, что по смыслу эквивалентно многобарьерной защите биосферы. Об этом свидетельствовала и успешная эксплуатация подземных атомных станций, построенных на начальном этапе развития энергетики во Франции, Швеции, Норвегии, США, Швейцарии и России.

Вместе с тем, многочисленными проектными проработками, относящимися, в основном, к периоду после Чернобыльской аварии, было установлено, что капитальные затраты на подземное размещение блоков большой единичной мощности повышаются на 30–40% в сравнении с наземным. Правда, с учетом стоимости снятия блока с эксплуатации, его разборки и захоронения, а также полной реабилитации площадки проигрыш сокращается до нуля. И все-таки под защиту земного укрытия современные блоки АЭС не стали размещать, предпочитая возводить толстостенные (от 0,6 до 3,0 метров и более) защитные железобетонные ограждения. По-видимому, искушение состоит в том, что отложенные на 50–60 лет затраты на снятие с эксплуатации не являются сегодняшними вложениями в разработку огромной индивидуальной внутриземной полости диаметром и высотой свыше 50 метров для размещения блока.

Совсем другое дело, когда в подземное пространство помещают установку судового класса, с поперечником около 10 метров и высотой около 16 метров. Для нее пригодно помещение типовой односводчатой станции метрополитена, проходка которого выполняется высокомеханизированными методами, а укрепление обеспечивается элементами (тюбингами) стандартного заводского производства. Поэтому такие помещения изготовляются быстро, а стоимость мала и составляет около 50 долл. за кубометр объема.

 Если такие одноуровневые штольни сооружаются вблизи береговой линии океана, моря или реки, то водным путем к ним могут быть доставлены готовые, подчеркнем еще раз – готовые, изготовленные «под ключ» в условиях судостроительного предприятия энергомодули.

 Каждый энергомодуль – это реактор судового типа, турбоэлектрогенератор, водонагревательная установка и вспомогательное оборудование, помещенные в защитную оболочку. Оболочка предназначена для локализации последствий внутренних аварий, которые могут случиться на оборудовании энергомодуля. Образно говоря, энергомодуль – это минимум того, что необходимо для производства электроэнергии и товарного тепла. Если в качестве ядерного реактора применен наиболее мощный судовой аппарат и соответствующее ему оборудование, то вес энергомодуля составит около 5000 тонн, что позволяет его буксировать или транспортировать с помощью плавдока, либо понтона. Каждый энергомодуль вкатывается в свою штольню, подключается к внешним сетям и трассам, его реактор загружают активной зоной, после чего блок готов к эксплуатации в течение 40 лет. Такая технология в некоторой степени напоминает приобретение бытового холодильника, когда в готовое помещение доставляют и размещают сам агрегат, его подключают к сети, загружают продуктами и напитками, и это называют вводом в эксплуатацию. Конечно, владелец только открывает и закрывает дверцы, а техническое обслуживание ведет специализированная фирма, что практично во всех отношениях.

Разорвав порочный цикл последовательного выполнения строительных и монтажно-сборочных работ, свойственных сооружению блоков большой единичной мощности, удалось сократить время готовности ПАТЭС от начала строительства вдвое, то есть до 3–3,5 лет, вместо 6–9 лет, отводимых на блок – миллионник. Экономический профит состоит в том, что это ускоряет сроки возврата заемных средств, а следовательно, приведет к снижению суммы, направляемой на обслуживание кредитов.

Подземная компоновка блоков ПАТЭС надежно решает проблему радиационной безопасности населения в течение всего жизненного цикла станции при любых мыслимых внешних природных, техногенных и антропогенных воздействиях. Такие свойства позволяют разместить площадку ПАТЭС внутри обслуживаемого города, либо у его окраины.

Пример размещения подземной станции внутри городской территории известен из японских разработок. Такое решение сулит проекту весомые коммерческие преимущества.

• Благодаря подземному размещению блоков ПАТЭС во много раз уменьшается необходимая дневная территория землеотвода внутри или вблизи города, резко сокращается протяженность линий электропередач и теплотрасс. Кроме того, отпадает необходимость вообще в сооружении специального городка для проживания эксплуатационного персонала, наподобие г. Сосновый Бор при ЛАЭС, г. Полярные Зори при Кольской АЭС, г. Курчатов при Курской АЭС и т.п., а для персонала строятся 1–2 дома в существующей инфраструктуре. По оценке, только эти моменты позволяют снизить сметную стоимость ПАТЭС на 50% в сопоставлении с затратами у традиционной АЭС.

• Поскольку ремонтное обслуживание всех ПАТЭС планируется обеспечивать существующими судоремонтными заводами, нет необходимости, как практикуется сейчас, на каждой станции возводить свои ремонтные цеха. Это не только приводит к сокращению требуемой территории, но и позволяет резко сократить численность персонала на станции. К снижению численности эксплуатационников ПАТЭС ведет и широкая автоматизация, применяемая в судовой атомной энергетике. Оценки показывают, что удельные нормативы для ПАТЭС могут приблизиться к величине менее 0,5 чел. на МВт электрической мощности, что соответствует лучшим мировым проектам АЭС с блоками ВВЭР-1500.

• Компактность и транспортабельность энергомодулей ПАТЭС открывает перспективы для существенного снижения стоимости работ по замещению выработавших свой срок службы. Каждая реакторная установка энергомодуля, по аналогии с судовой, имеет собственную усиленную во всех направлениях биологическую защиту, которая обеспечивает безопасность извлечения его из штольни и транспортировки к месту ремонта или утилизации. Для процедуры замещения нет необходимости разрушать какие-либо строительные сооружения. В этом ПАТЭС принципиально отличается от современных блоков большой мощности. Подземные штольни ПАТЭС служат столетия, а энергомодули являются сменными через 40 лет. Таким образом, замещение станции, традиционно требующее десятилетий, в проекте ПАТЭС обеспечивается судостроительными технологиями в течение 3–5 месяцев.

• Особые коммерческие преимущества подземных АЭС, как отмечают многие специалисты, проявляются в процедуре снятия с эксплуатации. Образно говоря, блок предстоит омонолитить. И не имеет значения, в каком он пребывает состоянии, лишь бы цель омоноличивания, а именно гарантии ядерной и радиационной безопасности на весь период хранения, были соблюдены. Применительно к ПАТЭС технология может предусматривать, после выгрузки активной зоны, предварительное отделение от энергомодуля реакторного отсека (для этого предусмотрен коффердам). Нерадиоактивное оборудование при этом может быть извлечено из штольни для утилизации, а реакторный отсек на месте заполнен магнезиально-минерально-солевым составом, который обеспечит его вечное хранение в подземном укрытии.

Проектные разработки ПАТЭС «УТРО» для Приморского края и ПАТЭС «НЕРПА» для Мурманской области показали, что Россия располагает конкурентоспособной технологией, выход которой на внутренний или внешний рынок целиком определяется только позицией руководства страны.

О потребительских приоритетах ПАТЭС

ПАТЭС комплексно решают проблемы энергетической безопасности регионов, и в этом заключается их главное назначение. Как правило, традиционные АЭС вырабатывают лишь электроэнергию, их КПД не превышает 30–33%, остальная тепловая энергия сбрасывается в окружающую природную среду, например, ЛАЭС – в Балтийское море. Непрактичность такой схемы очевидна, поскольку Санкт-Петербург вынужден для нужд теплофикации и горячего водоснабжения эксплуатировать тысячи котельных и в основном на природном газе. «Огневая» энергетика – это проблемы доставки энергоресурсов за тысячи километров, это вредные вещества и парниковые газы в атмосфере мегаполиса. ПАТЭС, вырабатывая одновременно электроэнергию и товарное тепло, позволяет полностью вытеснить «огневую» энергетику с ее проблемами. География размещения ПАТЭС не зависит от наличия или отсутствия линий электропередач, однако при модернизации энергосистем ПАТЭС легко встраивается в любую стандартную сеть.

Отметим важнейшие потребительские приоритеты ПАТЭС

• В отличие от любых современных проектов наземных АЭС или АС с плавучими блоками, радиационная безопасность населения, гарантируемая ПАТЭС, соответствует 4 уровню международной шкалы INES, то есть ни при каких отказах, либо авариях на такой станции не потребуется эвакуация живущего по соседству населения с целью предотвращения его переоблучения.

• Используемое для комплектации ПАТЭС оборудование энергомодулей обладает высокой ударостойкостью, поскольку за ним стоят корабельные прототипы. Это позволяет размещать станции практически в любых сейсмоопасных районах, где расчетное землетрясение оценивается в 9 баллов по шкале MSK-64. Например, многие районы Дальнего Востока, в том числе полуострова и острова Тихоокеанского бассейна, других станций просто не могут принять.

• Общеизвестно, что регионы, пользующиеся «огневой» энергетикой, решают проблемы экономии топлива за счет отслеживания энергоисточником графика электрической и тепловой нагрузки сети потребителей. Как правило, традиционные АЭС работают в базовом режиме, что является существенным их ограничением. ПАТЭС же способна к широкомасштабному маневрированию мощностью, как и судовая установка, что позволяет ей полностью адаптироваться к графику нагрузки. Такое уникальное свойство ПАТЭС незаменимо для случаев ее децентрализованного применения.

• По-видимому, размещая ПАТЭС в том или ином регионе России, было бы существенным упущением пренебречь возможностью глубокой утилизации низкопотенциального тепла (вода с температурой до 300С) в системах защищенного грунта и на фермах марикультуры. Это позволит круглогодично производить широкий ассортимент пользующихся спросом грибов, томатов, салатов, огурцов, рыбы, морепродуктов, лечебных и декоративных растений и т.п. Как показывает опыт Курской АЭС и ряда АЭС Японии, в этом секторе хозяйства могут быть созданы сотни рабочих мест.

• Реализация проектов ПАТЭС связана с вовлечением в новые технологии коренного населения и вышедших в запас военнослужащих, что само по себе обеспечивает рост культурного уровня населения. Помимо основного производства, на базе ПАТЭС могут быть развиты специфические технологии радиационных услуг, к которым, в частности, относятся гамма-стерилизация семян, земли, медицинской тары, инструмента и т.д., а также нейтронная модификация при производстве источников для медицинской диагностики, ювелирных и поделочных камней, производстве материалов светопреобразователей и т.п.

Потребительские качества ПАТЭС растут по мере повышения числа ее блоков. Мировой опыт рекомендует в качестве базовой сооружение 4-х блочной станции. Характеристики такой ПАТЭС, основанной на судостроительных технологиях, приведены ниже.

Тепловая мощность: 4 х 300 МВт

Электрическая мощность: 4 х 75 МВт

Товарное теплопроизводство: 4 х 50 Гкал/час

Годовая наработка: 8000 час

Срок службы штолен: более 100 лет

энергомодулей: 40 лет

Площадь застройки: 1 кв. км

Численность эксплуатационного персонала: 150 чел.

Сейсмостойкость: 9 баллов

Капитальные затраты: ок. 1000 долл./кВт

Себестоимость электроэнергии: ок. 1,7 цент./кВт-час

Себестоимость тепловой энергии: ок. 6,0 долл./Гкал

Производство серийных станций типа ПАТЭС обеспечит в России рабочими местами свыше 100 тысяч человек. Электроэнергия ПАТЭС позволит развернуть в местах их размещения технологии извлечения полезных элементов из морской воды, обеспечит производство пресной воды для населения и поливного земледелия, а также создать условия для производства синтетического топлива и получения водорода с целью решения проблемы экологизации автотранспорта.

Журнал «Атомная стратегия» № 16, апрель 2005 г.