Малая энергетика для Арктики

Администрация США планирует разрешить разведку газовых и нефтяных месторождений на территории Национального арктического природного заповедника на Аляске. Учитывая, что на протяжении последних 30 лет такие работы в этом регионе были под запретом, решение США может означать своего рода глобальный старт арктической гонки.

Не сказать, что такая новость застала нас врасплох. На развитие арктических регионов России только в 2021-2025 годах из федерального бюджета предусматривается выделить 150 млрд рублей, а самим освоением будут заниматься специальные роботизированные комплексы, разработка которых в настоящее время ведётся российскими специалистами. Однако даже роботам для работы необходима энергия, не говоря уже о людях, которым и вовсе непросто выживать в условиях вечной мерзлоты.

Энергоснабжение арктических регионов представляет собой комплексную проблему. Во-первых, строительство энергетических объектов в этих регионах имеет свою специфику. ТЭС не всегда целесообразны, в т. ч. с точки зрения логистики энергоносителей (разве что разрабатывать шельф и отапливать добываемым тут же газом). К тому же существуют международные соглашения и нормы российского права, ограничивающие загрязнение арктической зоны (АЗ). Малая плотность населения, в свою очередь, выдвигает свои требования к величине таких объектов: слишком крупные оказываются  неэкономичными, потери на распределении будут большими, чем экономия на масштабе.

Освоение Арктики предполагает потребность в мобильности, в том числе и источников энергии. Всё это означает, что мы вот-вот станем свидетелями наступления эпохи АСММ — атомных станций малой мощности.

Строго говоря, она уже началась, поскольку силовые установки атомных ледоколов, атомных подводных лодок, спутников — это и есть АСММ, совмещённые с двигателем. Однако Арктике нужны станции иного типа, которые могли бы дать возможность автономной работы нефтяникам и газовикам на шельфе, армейским подразделениям на базах «Арктический трилистник» и «Северный клевер» и всем тем, кому в ближайшие годы предстоит открывать арктические кладовые.

Немного истории

Наша команда уже обращалась к теме малых реакторов, поэтому те, кому лень читать и кто не боится упустить некоторые подробности, могут посмотреть ролик.

Первым образцом стала ТЭС-3 (транспортируемая электростанция), идея которой выросла из атомного энергопоезда. К попытке его создания советских учёных, скорее всего, подтолкнул проект поезда X-12, представленный на Атомном промышленном форуме в 1954 году. Однако затем разработчик (Физико-энергетический институт в Обнинске) посчитал, что гусеничное шасси станет более универсальным решением. Так оно и оказалось. Проект Лайла Борста X-12 так и остался проектом, а советские конструкторы к концу 50-х имели рабочую модель.

В готовом виде станция выглядела так:

Источник: max-info.by

Всё верно: одна станция, состоящая из четырёх самоходов. Просто уровень развития технологий второй половины 50-х годов не позволил достичь большей компактности. В итоге в первом самоходе располагался двухконтурный водо-водяной реактор и биозащита, во втором — парогенераторы, компенсатор объёма, циркуляционные насосы для подпитки первого контура, в третьем — турбогенератор, преобразовывавший энергию пара в электрическую. Из четвертого всё это хозяйство управлялось. Мощность: 8,8 МВт (тепловая) 1,5 МВт (электрическая). Фактически первая в мире передвижная атомная ТЭЦ, поскольку станция могла работать и для производства горячей воды (для закачки в нефтяные скважины). Опытный образец был готов уже в 1960 году, успешно прошёл испытания, но применения ему так и не нашлось. Возможно, конструкторы действительно опередили время, но скорее всего, причиной стали недостатки конструкции. Реактор на рисунке вкопан в землю не для красоты: земляной вал защищает персонал от радиации, поскольку биозащита использовалась на этапе демонтажа ТЭС-3. Во время транспортировки реактор дополнительно охлаждался также воздушным радиатором. Что опять же не редкость в то время. Проекты атомных поездов и танков в 1950-х имели открытый воздушный контур как основной способ охлаждения, т. е. при эксплуатации (до которой, к счастью, не дошло) должны были бы фонить куда сильнее, чем ТЭС-3. Тот же X-12, вызвавший в своё время фурор и получивший от журналистов броское прозвище «Поезд Свободы», остался проектом и по этой причине.

Впрочем, ТЭС-3 не стал бесполезной забавой. Во-первых, на его основе велись работы над более совершенными образцами. Во-вторых, есть сведения, что один раз вне полигона ТЭС-3 поработать всё же успел — на исследовании камчатских гейзеров.

Следующей попыткой стал «Памир 630Д», и это уже разработка белорусских атомщиков. Вернее, научного коллектива под руководством Василия Нестеренко. Есть у «Памира» и дальняя связь с ТЭС-3: Объединённый институт энергетических и ядерных исследований «Сосны», где во времена СССР разрабатывалась эта ПАЭС, создал  Андрей Красин — академик АН БССР и экс-директор Физико-энергетического института, где разрабатывалась ТЭС-3.

Тепловая мощность «Памира» была выше, он выдавал до 10 МВт, но более чем вдвое уступал по электрической (630 кВт). Передвигалась станция уже на колёсной, а не на гусеничной базе. Использовались доработанные под требования атомщиков тягач и полуприцеп производства МАЗ — его грузоподъёмность составляла 65 тонн.

Источник: Популярная механика

Однако было ещё вспомогательное оборудование, перевозившееся на трёх КрАЗах.

Эта станция также была законсервирована на этапе испытаний, однако по более «благородной» причине — сказалась постчернобыльская нуклеофобия. Однако это не означает, что, не будь Чернобыля, «Памир» получил бы «добро» на массовое производство. Помимо того, что станция также «фонила» (блок управления рекомендовалось располагать не ближе чем на 150 м от реакторного блока), в качестве теплоносителя в ней использовался нитрин — смесь тетраоксида диазота и монооксида азота. Его утечка грозила крайне мучительной смертью всему персоналу (в лёгких газ превращался в азотную кислоту).

К тому же «Памир» делался под заказ военных, а те, в свою очередь, собирались запитывать от станции РЛС, пусковые установки и прочие энергоёмкие объекты в труднодоступных районах. Не случись Чернобыль, разработку могли бы остановить и по другим причинам — в связи с соглашениями о сокращении ядерных вооружений, к примеру.

С другой стороны, от РБМК (тип реактора на Чернобыльской АЭС) реактор «Памира» отличался в первую очередь большей безопасностью. Во-первых, его управление было автоматизировано, «Памир» управлялся работой двух ЭВМ. Во-вторых, сдвоенная система безопасности в случае нештатных ситуаций отводила от реактора тепло, не давая расплавить активную зону, а также глушила реактор гидридом циркония, прекращая цепную реакцию.

К 1986 году в БССР успели произвести две установки «Памир», одна из которых, по различным оценкам, успела выдержать от 2500 до 3500 часов испытаний. Обе станции были уничтожены.

Разумеется, это не все наработки в области АСММ. Отдельная большая тема — реакторы атомных подводных лодок, атомных ледоколов. Последних, к слову, сменилось уже три поколения, сейчас выпускают с четвёртым.

Источник: Атомэнергомаш

Не говоря уже о реакторах в космических спутниках. Однако нас в первую очередь интересуют энергетические установки: а) способные питать наземные/надводные/подводные стационарные объекты, б) которые либо сами могут перемещаться от объекта к объекту, либо могут быть транспортируемы.

Для чего Арктике атом?

А может, всё это действительно зря? Не такие уж большие мощности нужны Арктике. Построить ветряки, протянуть нефте- и газопроводы, если возить дорого. Да и ЛЭП, в конце концов. Если всё равно масштабное освоение предполагается, то почему нет?

Минусы ВИЭ (возобновляемых источников энергии) известны, в АЗ они те же самые, что и везде. И даже больше: серийные ветряки не рассчитаны на работу в условиях Арктики с перепадами температуры от -50 до +35.

Массовое использование углеводородов в АЗ также нежелательно, и не только чтобы не навредить тамошней экологии. Ледяной покров полюсов земли и без того сокращается, поднимая уровень мирового океана. Не следует дополнительно ускорять этот процесс. Что же до идеи запитать Крайний Север от общей энергосистемы, то на её реализацию не решились даже во времена СССР. Сложно, дорого, нецелесообразно. Даже в том случае, если речь о стационарных объектах — городах, посёлках.

Источник: arctic.ru

Как утверждают сотрудники Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения РАН, затраты на передачу и сбыт электроэнергии во всех локальных энергосистемах превышают затраты на генерацию (которая тоже не в две копейки обходится). Причина — потери в энергосетях таких регионов, доходящие до 20%. В итоге даже тарифы в размере 6 руб/кВт·ч не покрывают расходов генерации и распределения. А значит, даже априори более дорогая эксплуатация малых АЭС в условиях АЗ оказывается выгоднее.

Итак, кому и для чего на Крайнем Севере нужны АСММ?

Во-первых, потребность в них испытывают военные. Базы, РЛС, станции слежения, пусковые установки. Всё это не только требует энергии, но и желательно, чтобы эта энергия была своя собственная, т. е. не зависимая от гражданского сектора (вариант: дублирующая энергосистема).

Во-вторых, АСММ нужны нефтяникам и газовщикам. Добыча углеводородов. Разработчики даже специально ориентируются на потребности отрасли. Скажем, НИКИЭТ (Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники) предлагает реакторную установку «Шельф» мощностью 6,4 МВт, название которой говорит само за себя. Причём разработчик предлагает как наземный, так и подводный вариант монтажа, а при необходимости установку можно переместить на новое место работы. Как заявляется, стоимость киловатта составит порядка 10 руб. в ценах 2016 года.

ЦКБ «Рубин» и «ОКБМ Африкантов» предлагают похожее решение, но ещё мощнее и выносливее: «Айсберг» способен выдавать 24 МВт и работать до 8000 часов без ТО («Шельф» — только 5000 часов).

Источник: teknoblog.ru

К слову, «Айсберг» — ещё советская наработка, даже шифр оставили прежний. Но и прогресс с тех пор тоже есть, «Айсберг» стал энергетическим комплексом, сочетаемым с остальными — буровым, сейсморазведочным и прочими. Т. е. комплексное и автономное решение для закрепления на арктических рубежах.

Источник: журнал Объединённой судостроительной корпорации

В-третьих, без АСММ не могут обойтись транспорт и промышленность. Это могут быть завод по сжижению природного газа и морской терминал его погрузки, насосные станции на магистральных газо- и нефтепроводах.

В-четвёртых, АСММ нужны для разведочного бурения. Для этого пригодятся самые маленькие из передвижных АЭС — мощностью до 1 МВт. Но маломощный не означает ненужный, задач у такой установки тоже немало. Кроме электроснабжения непосредственно бурильного оборудования, от неё питаются связь, рабочие места, бытовые помещения, камеры наблюдения за периметром, дата-центр. Так, «Инжиниринговая компания инновационных проектов» (ИКИП) в настоящее время разрабатывает две АЭС сверхмалой мощности — на 100 кВт и 1 МВт. Образцы будут представлены в 2020 году.

И снова слово сотрудникам Института систем энергетики, оценившим потребности потребителей в АЗ в зависимости от типа АСММ:

Источник: Атомные станции малой мощности: новое направление развития энергетики: Т. 2 /под ред. акад. РАН А. А. Саркисова. — М.: Академ-Принт, 2015

Согласно их данным, себестоимость электроэнергии в случае использования АСММ составит 4-6 руб./кВт·ч для работы в энергосистеме и 13-17 руб./кВт·ч  как автономного источника электроэнергии. Что кратно меньше текущих затрат, доходящих, по некоторым данным, до 75 руб./кВт·ч.

Может возникнуть иной вопрос. Зачем лезть в льды, вечную мерзлоту, в месторождения, освоение которых явно сопряжено с необходимостью нестандартных инженерных и организационных решений? На него даёт ответ академик Евгений Велихов, экс-председатель компании «Росшельф» и сопредседатель оргкомитета форума RAO/CIS Offshore (добыча нефти и газа на шельфе АЗ):

«В области арктических технологий, малой атомной генерации и создания оборудования для энергетических проектов Россия может сказать своё слово. Здесь мы можем быть лидерами, конкурировать на мировом уровне. Арктика — это наш опыт, это наша судьба, это наши возможности…

Россия сможет поддерживать текущую нефтедобычу с имеющимися разведанными запасами до середины XXI века. Далее стране потребуются новые открытия на шельфе Арктики. В 2030-2040-х годах необходимо провести активную геологоразведку акваторий северных морей, а также разработать новые технологии арктической нефтегазодобычи. Советский Союз шёл к освоению Западной Сибири порядка 30 лет, но деньги, которые были вложены в разведку этих ресурсов, окупились за первые 5-6 лет их разработки». По оценкам экспертов, к середине XXI века как минимум каждый четвёртый баррель российской нефти будет добываться в арктических широтах.

Косвенный, хотя и далеко не лишний аргумент в пользу Арктики — позиция «Гринпис России»: «Единственный вариант избежать дальнейшего накопления отходов в Арктической зоне — отказаться от новых проектов по промышленному освоению Арктики». Эта организация уже неоднократно была замечена в том, что её взгляды и действия — своего рода зеркальное отражение интересов США в плане контролируемого замедления промышленного развития других стран. В нашем же  случае — промышленного и научного развития, поскольку закрепление в Арктике сначала должно быть подкреплено научными разработками, которые, как и отметил Евгений Велихов, обеспечат нам лидерство в этой сфере.

Какие малые АЭС нужно строить?

Тот факт, что ни ТЭС-3, ни «Памир» фактически никак не пригодились, конечно, печалит. С другой стороны, с их помощью разработчики нащупали дальнейший путь разработки таких станций.

Какой должна быть их линейка? Делать много маломощных станций или несколько крупных (крупных с учётом, что речь о передвижных АЭС, разумеется)? Может, тогда уж разрабатывать средние по мощности? Или модульные с возможностью увеличения производства электроэнергии? Тоже весьма непраздные вопросы, ведь отклонение от верного пути будет стоить уйму денег.

Насколько можно судить, постепенно формируется следующее видение:

1. Крупные мобильные станции изначально проектируются как плавучие или подводные. Для их доставки к месту работы можно использовать Северный морской путь. Им же при необходимости можно доставлять ТВС. В пользу такого решения говорит то обстоятельство, что одна из сфер применения ПАЭС — энергообеспечение буровых платформ, работающих на шельфе. Т. е. остаётся только протянуть к ним от ПАЭС подводные кабели. С помощью кабелей можно обеспечить энергоснабжение островных военных баз («Арктический трилистник» расположен на острове Земля Александры) и перевести действующие энергоустановки в разряд резервных.

Справка: ПАТЭС «Академик Ломоносов»

Подводные решения для буровых установок на шельфе предлагают несколько разработчиков. А вот плавучий энергоблок пока один. В том числе благодаря этому он довольно неплохо известен широкой публике. По сути, это несамоходная баржа с двумя водо-водяными реакторами типа КЛТ-40С — похожи на те, что установлены на ледоколах проекта 10580 («Таймыр», «Вайгач»), однако немного модернизированы. Разработчик реактора — «ОКБМ Африкантов», изготовитель — Нижегородский машзавод.

Благодаря спаренной энергетической установке «Академик Ломоносов» генерирует до 300 МВт тепловой и 70 МВт электрической мощности. При этом судно может стоять у причала города или посёлка и одновременно питать буровые, находящиеся на расстоянии до 200 км. В настоящее время строительство «Ломоносова» уже на завершающей стадии. В следующем году его ждут испытания, после чего судно перебазируют к городу Певек на Чукотке, где в 2019 году плавучий энергоблок заменит собой Билибинскую АТЭЦ, срок эксплуатации которой уже истекает.

«Академик Ломоносов» — лишь первый в своей серии, при его закладке «Росэнергоатом» и объединение «Севмаш» договорились построить ещё 6 аналогичных «арктических батареек». К тому же разработчики обещают, что следующие плавучие АЭС этого типа будут на 100% состоять из отечественных комплектующих.

Подробнее о плавучей станции в ролике:

Одновременно мощности такой ПАЭС хватит для работы в качестве опреснителя (вода в Арктике тоже нередко привозная, что, кстати, стало одной из причин использования нитрина в качестве теплоносителя в станции «Памир»), а лишнее тепло можно использовать для бытовых потребностей посёлка, скажем, для отопления домов, теплиц и т. п. Кстати, таким образом ПАЭС может компенсировать относительно недешёвую себестоимость производства электроэнергии по сравнению со стационарными станциями. Просто считать нужно в комплексе, учитывая экономию на доставке воды, овощей.

2. Вместе с тем ведётся разработка малых реакторов, которые могут быть смонтированы на колёсную или гусеничную базу либо же перемещаемы с использованием обычной техники. Скажем, сверхмалые АЭС мощностью 10 и 100 кВт разрабатывает не только ИКИП, но и «ОКБМ Африкантов», авторы «Арктики». Конструкторы обещают, что их АСММ-100 (100 кВт) будет поставляться в максимально готовом виде, а погрузить её можно будет на прицеп с грузоподъёмностью всего 20 тонн.

Всего же в настоящее время в разработке у российских специалистов находятся около двадцати АСММ различных типов и мощности.

Пора снова работать вместе

Если подходить к вопросу организационно, то, когда Советский Союз состоялся, его руководство каждое десятилетие решало новые сверхзадачи. Задачи эти хорошо известны: электрификация, индустриализация, коллективизация, война с нацистской Германией и её союзниками, восстановление народного хозяйства, атомная и космическая программы и т. д. Поэтому было бы странно ожидать, что Союзное государство России и Беларуси может состояться каким-то иным способом.

Освоение Арктики — задача вполне подходящая по масштабу и длительности. Она тащит за собой науку, формирует направления подготовки специалистов, производственные цепочки в промышленности.

Пример. Спуск на воду ледокола «Арктика» состоялся на 2 года позже запланированного, поскольку турбины для атомохода должны были проходить тестирование на Харьковском турбинном заводе. Однако президент Украины Пётр Порошенко запретил Харьковскому турбинному заводу, как и многим другим предприятиям Украины, сотрудничать с российскими заказчиками в области военных технологий и технологий двойного назначения. Из-за чего России пришлось строить собственный испытательный стенд для турбин. Это единичный пример, но он показывает общую практику. Чем ближе мы будем подходить к сибирским кладовым, тем больше работ придётся выполнять самостоятельно, не полагаясь на покупку, аутсорсинг и т. п.

Одними из немногих, на кого мы сможем полагаться в такой ситуации, будут белорусские предприятия и специалисты. Поэтому имеет смысл поразмыслить, какие работы в создании линейки АСММ можно было бы перепоручить им.

Сотрудничество возможно сразу по нескольким направлениям.

Во-первых, российские специалисты не спешат сбрасывать со счетов наработки учёных БССР — есть мнение, что проект «Памир» необходимо восстановить, но уже на современной компонентной базе, то есть увеличить срок службы между перегрузками ядерного топлива, повысить автономность и безопасность. Так, Игорь Конюшко соглашается с перспективностью газоохлаждаемой энергетической установки для условий АЗ. А раз так, то проще всего идти по уже однажды проторённой дороге.

Идея воскресить «Памир» возникла ещё в 2009 году, однако с тех пор НИКИЭТ и Объединённый институт энергетических и ядерных исследований «Сосны» (Беларусь) не смогли получить на него финансирование. Поэтому, возможно, наследием белорусских специалистов придётся пользоваться по частям.

Во-вторых, даже если «Памир» так и останется в прошлом, есть смысл использовать продукцию МАЗа в качестве транспортной базы малых АЭС. Как оно и было предусмотрено для «Памира». Модифицировать тягач и полуприцеп для энергетической установки должно быть более простой задачей, чем воспроизведение всех технологий и ноу-хау «Памира».

Часть научной работы для того же НИКИЭТ могут выполнять специалисты института «Сосны», которые ещё со времён БССР специализируются в том числе на вопросах безопасности ядерных реакторов (требования по безопасности к ПАЭС будут даже более строгими, чем к стационарным станциям). В «Соснах» работают над тем же темами, которые применяют в разрабатываемых АСММ российские специалисты, скажем, с физикой и кинетикой подкритических систем (реактор, в котором невозможна самоподдерживающаяся ядерная реакция). В России аналогичные исследования ведутся в Крыловском государственном научном центре, где недавно заявили о возможности создания реакторной установки с электрической мощностью 25 МВт, которая в принципе не сможет работать неконтролируемо. Кстати, реактор газоохлаждаемый, т. е. то, что нужно для Арктики.

Ещё одно перспективное направление исследований (и тут придётся в основном начинать с чистого листа, поскольку в СССР такая проблема стояла не слишком остро) — разработка систем физической защиты энергетической установки в условиях минимума или полного отсутствия персонала. Иными словами, установка должна быть спроектирована так, чтобы, даже имея доступ к площадке, где находится ПАЭС, злоумышленник не смог понять, как получить доступ к радиоактивным материалам без использования специального оборудования. Плюс (обучаемая) система обнаружения нарушителей и подачи тревоги.

Чтобы быть постсоветской республикой или федерацией, всё это совершенно не нужно. Примеры Украины и Прибалтики показывают, что можно даже отказаться от большей части обрабатывающей и машиностроительной промышленности и считаться «суверенным государством». Поодиночке люди, в принципе, живут без цели и будущего, это нормально. А вот собираются вместе — в Союз — всегда с какой-то целью. И чем эта цель невероятнее, тем больше шансов на успех.