Размещено на http://www.allbest.ru/

Атомная теплофикация с позиций потребителя

К.т.н. С.А. Козлов, г. Москва

Введение

В самых различных формах обсуждения мы видим широчайший диапазон предложений по решению проблем теплоснабжения потребителей: от вихревых теплогенераторов или квантовых структурных преобразователей в каждом доме - до теплоснабжения сразу городов-«мил- лионников» от АЭС на расстоянии свыше 70 км (в данном случае эти границы обозначены не как полярные: от лучшего к худшему или наоборот, а просто для наглядности).

Все предложения, что естественно, декларированы как самые лучшие... но для кого: для потребителя? Скорее, с позиций автора предложения. А что же нужно потребителю? Рассмотрим, как это было «в первоисточнике», когда потребителем являлось государство.

Что было сделано и предполагалось сделать

Можно сказать, что если государством была поставлена задача, то она решалась (атомная бомба, ракета, АПЛ). И предпосылкой для создания и развития атомной энергетики были другие государственные задачи, требующие в тот момент решения. На рис. 1 представлена выдержка из Постановления Совета Министров ССР от 9 сентября 1952 г., в котором поставлена задача по созданию первой АПЛ и сроки по ее строительству [2]. Стоит обратить на них внимание - технически в то время это было, несомненно, сложнее создания сегодня (спустя почти 60 лет!) первой российской плавучей АЭС. В последующем сменилось несколько поколений АПЛ и их ядерных энергетических установок. Три отечественные подводные лодки вошли в книгу рекордов Гиннесса: как самая большая в мире (ТК-208 проекта № 941, сдана в 1981 г.); самая глубоководная в мире (К-278 проекта № 685, сдана в 1983 г) и самая быстроходная в мире (К-162 проекта № 661, сдана в 1969 г).

Успехи мирной атомной энергетики во многом связаны с Физико-энергетическим институтом (ФЭИ) в г. Обнинск (ныне это Государственный научный центр Российской Федерации «Физико-энергетический институт им. Лейпун- ского»), где первая в мире АЭС была создана и безаварийно проработала почти 50 лет. С 1956 г под научным руководством ФЭИ проводились работы по созданию АЭС малой мощности для энергоснабжения удаленных и труднодоступных районов.

Малоизвестны работы по созданию других объектов малой атомной энергетики. Эскизный проект станции появился в 1957 г., а уже два года спустя было произведено специальное оборудование для постройки опытных образцов ТЭС-3 (транспортируемой электростанции). В 1961 г. в ФЭИ введена в эксплуатацию опытнодемонстрационная АЭС ТЭС-3 с водо-водяным корпусным реактором (рис. 2).

Вырабатываемое реактором тепло отбиралось водой под давлением 130 атм при температуре на входе в реактор 275 ^ОС и на выходе - 300 ^ОС. Через теплообменник тепловая энергия передавалась рабочему телу - воде. Образовавшийся пар приводил в движение турбину генератора. Электрическая мощность ТЭС-3 равна 1500 кВт, все основное оборудование размещено на четырех самоходных гусеничных транспортерах (на усиленной базе тяжелого танка Т-10 с дополнительными катками и более широкими гусеницами). Эта установка успешно отработала демонстрационный цикл, активная зона исчерпала проектный ресурс. В 1965 г. установка остановлена и затем выведена из эксплуатации.

Работы выполнялись по разным направлениям - так в середине 1980-х гг. в Белоруссии был реализован колесный вариант малой АЭС «Памир» (рис. 3), базирующийся на шасси МАЗ-537 «Ураган». Требования для создания такой мобильной АЭС были следующими: необходимо было сконструировать компактный и легкий энергетический реактор мощностью 630 кВт с автономной системой охлаждения и при этом способный работать в диапазоне температур от -50 до +50 ^ОС. В охлаждающем контуре в качестве теплоносителя впервые была применена че- тырехокись азота. Обычные реакторы охлаждаются водой или натрием, для чего необходима, как минимум, двухконтурная схема охлаждения, а в реакторной установке «Памир» использовался газожидкостный термодинамический цикл по одноконтурной схеме. Эти технические решения позволили АЭС работать в требуемом диапазоне наружной температуры. Заправки ядерным топливом хватало на 5 лет, по истечению этого срока малая АЭС «Памир» должна была направляться на плановое обслуживание в Минск. Всего было выпущено два комплекта «Памира», один из которых прошел все испытания (отработка в режиме испытаний составила более 3500 часов), а второй был абсолютно новым. После аварии на Чернобыльской АЭС эти уникальные образцы были утилизированы - разрезаны автогеном.

Так, для обеспечения потребителей электро- и теплоэнергией планировалась блочно-модульная АТЭЦ «Ангстрем» (электрической мощностью - 6 МВт, тепловой мощностью - 12 Гкал/ч), проект которой разработан ОКБ «Гидропресс» под научным руководством ФЭИ. АТЭЦ «Ангстрем» предназначена для использования в любых климатических условиях - от крайнего севера до засушливых безводных районов, монтируется на железнодорожных платформах.

В свое время ФЭИ руководил созданием государственной программы по масштабному внедрению атомных станций малой мощности (АСММ) в удаленных изолированных районах. Непосредственно вел эту работу ныне покойный Ю.А. Сергеев, заслуженный энергетик России, начавший свой путь в малой атомной энергетике с поста заместителя научного руководителя проекта ТЭС-3. Он инициировал аналитическую работу по изучению потребностей рынка атомных энергетических установок малой мощности, был организатором и участником ряда экспедиций в удаленные районы Севера и Северо-востока.

Была разработана программа, в которой рассматривалось около 100 точек для возможного размещения малых АЭС. Впоследствии, это количество было сокращено до 30, и в таком виде программа прошла в середине 1980-х гг согласование в Госплане СССР. В ней фигурировало несколько типов атомных станций с различными реакторными установками, в том числе типа АБВ (Атомная Блочная Водяная).

В результате этих работ выяснилось, что для масштабного внедрения АСММ необходимо продвигать установки небольшой мощности. Разработаны, обоснованы и практически реализованы такие важные технические решения как саморегулирование реактора и естественная циркуляция теплоносителя первого контура на всех уровнях мощности. Наиболее продвинутыми были проекты атомных станций с реакторными установками типа АБВ. Главной особенностью АБВ является интегральная конструкция: в корпусе реактора размещается не только активная зона, но и парогенератор. Это радикально уменьшает разветвленность радиоактивных контуров, а также дает возможность отказаться от циркуляционного насоса и обеспечить работу реактора на полной мощности при естественной циркуляции теплоносителя внутри корпуса реактора, что дает преимущества с точки зрения и экономики, и безопасности. В начале 70-х гг. прошлого века под научным руководством ФЭИ был разработан советско-венгерский проект АЭС «Север-2» с двумя реакторами АБВ-1,5, а в 1994 г. был завершен проект плавучей атомной электростанции «Волнолом- 3» с двумя реакторами АБВ-6. Главным конструктором реакторной установки было одно из сильнейших конструкторских предприятий отрасли - ОКБМ им. И.И. Африкантова (г. Нижний Новгород). Технический проект этой станции выполнила судостроительная организация «Балтсудопроект» (г. Санкт-Петербург). Балтийский завод в Санкт-Петербурге был готов принять заказ на изготовление, но заказчик прекратил финансирование, и строительство такой плавучей станции пришлось тогда отложить [3].

С возрастанием роли атомной энергетики в топливно-энергетическом балансе страны были связаны и надежды на ее участие в решении проблем теплоснабжения.

Большой практический эффект достигнут Би- либинской АТЭЦ с энергоблоками электрической мощностью 12 МВт и тепловой до 25 Гкал/ч. Четыре блока этой станции обеспечивают около 80% потребности региона в электроэнергии и надежно снабжают тепловой энергией г. Билибино Чукотского автономного округа, заменяя годовую потребность в органическом топливе в объеме свыше 200 тыс. т у.т. Эквивалентное для выработки такого же количества энергии ядерное топливо весит всего 50 т и доставляется авиатранспортом один раз в год. Станция отработала уже свыше 35 лет, и возможно обоснование продления ее дальнейшей эксплуатации. Билибинская АТЭЦ - также детище ФЭИ.

В 70-80-х гг. прошлого века было начато проектирование (и частично строительство) Минской и Одесской АТЭЦ, Горьковской и Воронежской атомных станций теплоснабжения. Вследствие чернобыльской катастрофы и последующих событий эти проекты не реализованы.

Что реализуется сегодня

По заказу Минатома России в период с 1991 по 1994 гг. был проведен конкурс на лучший проект АСММ, организованный АО «Малая энергетика» под эгидой Ядерного общества РФ. В результате конкурса первые места в соответствующих мощностных группах реакторных установок были присуждены проектам с реакторными установками типа «Елена», «Рута», АБВ-6, «Ангстрем», КЛТ-40С и АТЭЦ-80. Из этого перечня в настоящее время [4] со значительным отставанием (планировался ввод в действие в 2010 г.) создается плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) с двумя реакторными установками КЛТ-40С. 30 июня 2010 г. первый энергоблок ПАТЭС «Академик Ломоносов» (рис. 4) был спущен на воду в г. Санкт-Петербурге, однако реакторы и турбогенераторы еще не установлены, работы по их монтажу будут проходить на плавающем энергоблоке. Установленная электрическая мощность - 2x35 МВт, тепловая мощность -140 Гкал/ч. Срок эксплуатации станции составит минимум 36 лет: три цикла по 12 лет, между которыми необходимо будет осуществлять перегрузку активных зон реакторных установок. Первые две ПАТЭС «Академик Ломоносов» в ближайшем будущем планируется разместить в г. Певек Чукотского автономного округа и ЗАТО Вилючинск в Камчатском крае для повышения надежности энергоснабжения этих городов.

3 февраля 2010 г. Правительство РФ приняло Постановление № 50 «О федеральной целевой программе «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года». На втором этапе программы предполагается реализация проекта установки со свинцово-висмутовым теплоносителем СВБР-100 электрической мощностью 100 МВт в г. Обнинске.

Что в перспективе

Стоит отметить, что в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, атомная теплофикация не выделена самостоятельной позицией и только на третьем этапе предусмотрено использование малой атомной энергетики, включая плавучие атомные теплоэлектростанции, для районов Крайнего Севера и Дальнего Востока, а также модульных высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов с целью производства электроэнергии, коммунального тепла и высокотемпературного тепла для технологических целей, в том числе для производства водорода.

Поэтому представим задачу по-другому: в каких случаях и как успехи атомной промышленности превратятся в успехи экономики, а точнее - в экономичное и комфортное теплоснабжение потребителей, так необходимое в нашей стране? атомная энергетика реакторный теплофикация

Формулировка, вынесенная в заголовок публикации (именно теплофикация, а не только теплоснабжение) - не оговорка или сужение задачи, а принципиальная позиция. То есть речь идет не возможных «персональных обогревателях», а о реальном (и тиражируемом) решении для населенных пунктов. При этом мы не говорим о ранее упомянутых атомных станциях мощностью около 1 МВт для отдельно взятого потребителя, мы говорим о техническом решении для районов городов, когда целью является сокращение потребления (экономика) и объема (экология) сжигаемого в черте города органического топлива.

В условное «техническое задание» можно также вынести следующие моменты.

1. Уровень мощности. Предположительно тепловая мощность около 100-500 МВт. Границы диапазона условные, но обозначим, что нижняя граница - это экономичность по удельным капиталовложениям (меньшие мощности будут слишком дороги), а верхняя - по набору подготовленной нагрузки и, возможно, срокам строительства.

2. Не рассматриваем единичные проекты. ПАТЭС с КЛТ-40С пока относится к ним, это решение проблемы энергоснабжения одного объекта (пока нет оснований для тиражирования). Возможно, может стать предметом самостоятельной дискуссии хотя бы потому, что решается на основе ледокольных атомных установок полувековой давности, в то время как отечественная промышленность располагает более совершенными установками подводного флота. Ранее предлагавшиеся к реализации проекты «Волнолом-3» и «Ангстрем» предполагали большую серийность, а также варианты блочно-транспортабельного исполнения, в том числе на железнодорожных платформах.

3. Решение должно адаптироваться к существующим системам теплоснабжения - просто потому, что доля нового строительства пока такова, что оно не заменяет существующее жилье. Вопрос выбора теплоисточника для новых масштабных строек - очень интересный, но это отдельный вопрос. Существующих городов и районов городов, требующих решения проблем теплоснабжения, на порядок больше, чем новостроек, требующих новых мощностей теплоисточников уровня 100 МВт.

4. С учетом сказанного выше - это модернизация существующих водяных систем теплоснабжения, что позволяет, не затрагивая внутриквартальных систем, исключить из города существующие котельные (с сохранением и переводом некоторых из них в пиково-резервный вариант использования). Интересен и выносится за рамки данной публикации вопрос использования в таких системах теплонасосных установок.

5. Безопасность и надежность. Важно обосновать, какие ограничения имеют перспективные проекты с учетом новых решений по компоновке и теплоносителю - что можно получить по размерам санитарно-защитной зоны и приемлемому расстоянию до жилой застройки с точки зрения экономичности и надежности дальнего транспорта тепловой энергии.

С учетом изложенного, перспективными являются проекты АТЭЦ с установками СВБР-100 (текущее десятилетие), а для промышленных комплексов - с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами.

Работы по установкам СВБР (Свинцово-Висмутовый Быстрый Реактор) были рассмотрены научно-техническим советом «Росатома» еще в 2006 г. и одобрены с учетом заключений независимой экспертизы. На основе рекомендации НТС работа по созданию опытно-промышленного энергоблока с реактором СВБР-100 была включена в ФЦП «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 20072010 годы и на перспективу до 2015 года».

Реактор обладает развитыми свойствами внутренней самозащищенности и пассивной безопасности, обусловленными:

¦ химической инертностью и высокой температурой кипения теплоносителя;

¦ интегральной компоновкой реакторной установки;

¦ системой пассивного отвода остаточного тепловыделения через корпус реактора.

Модуль СВБР-100 имеет электрическую мощность - 100 МВт, тепловую мощность (номинальную) - 280 МВт.

Установка СВБР-100 (рис. 5) предназначена для региональных АТЭЦ, реновации энергоблоков АЭС, реакторы которых исчерпали срок службы, создания ядерных опреснительных энергокомплексов, плавучих АЭС.

При рассмотрении вопроса о теплоснабжении от существующих АЭС на большие расстояния, прежде всего, возникают объективные трудности прокладки трубопроводов тепловых

сетей (вспомним проблемы со строительством дорог). Поэтому даже при минимальной (нулевой) стоимости отпускаемой от АЭС тепловой энергии, стоимость транспорта будет решающей. В то же время для станции отпуск тепла связан со значительными затратами - для АЭС на насыщенном паре теплофикационных турбин пока нет (для АТЭЦ предполагалось создание новых турбин ТК-450/500).

Заключение

1. Уровень развития отечественной промышленности позволял начать реализацию масштабной программы атомной теплофикации еще в конце 1980-х гг

2. Даже с учетом чернобыльской катастрофы можно было в 90-х гг. прошлого века реализовать первые проекты атомных станций на базе освоенных ядерных энергетических установок перспективного типа (АБВ - водо-водяные интегральной компоновки с естественной циркуляцией теплоносителя первого контура и/или с жидкометаллическим теплоносителем). Такие станции к настоящему времени могли бы уже работать на десятках объектов. Вместо этого со значительными трудностями и затратами реализуется единичный проект плавучей АЭС с энергетической установкой предыдущего поколения.

3. В среде теплоэнергетиков информация о перспективных установках крайне недостаточна. В результате возможности атомной теплофикации в планах развития попросту не рассматриваются.

Литература

1. П.Л. Капица. Максимы. «Природа», № 4, 1994 г.

2. С. Лесков. Сверхсекретные конструкторы ядерных реакторов для АПЛ выходят из режима секретности // сайт «Известия Науки», выпуск от 20.01.2009 г.

3. Юрий Баранаев: будущее все-таки есть (интервью) // сайт AtomInfo.Ru, выпуск от 15.04.2008 г.

4. Замысел выдается за факт, план - за результат, слово - за дело (интервью с Б.И. Нигматулиным от 22.11.2010 г.) // сайт PRoAtom.ru.

Размещено на Allbest.ru