Перспективы атомной энергетики

Как известно, нынешнее правительство Германии проводит решительный курс на отказ от атомной энергетики, который подразумевает запрет на строительство новых АЭС и постепенный вывод из эксплуатации ныне действующих. Поскольку в правящую коалицию входят зелёные, то есть партия, само рождение которой было в значительной мере обусловлено борьбой против атомной энергетики, такой курс вполне объясним. Впрочем, столь же объяснимо и недовольство этим курсом, выказываемое теми компаниями, которые так или иначе причастны к проектированию, строительству или эксплуатации АЭС и связанных с ними объектов инфраструктуры. Надо сказать, что большинство населения Германии относится к атомной энергетике скорее насторожённо. И дело тут не в одной только Чернобыльской катастрофе, хотя она, конечно, и послужила весьма устрашающей демонстрацией того, какими чудовищными последствиями чреваты аварии на АЭС. Недоверие к атомной энергетике объясняется ещё и рядом нерешённых технологических проблем, главная из которых – утилизация и захоронение радиоактивных отходов. И всё-таки большинство независимых экспертов, оценивая перспективы развития человеческой цивилизации, едины во мнении, что без атомной энергетики нам не обойтись – уже хотя бы потому, что запасы ископаемых энергоносителей конечны и в обозримом будущем иссякнут, а разработка технологий высокоэффективного использования так называемых альтернативных энергоресурсов находится пока в зачаточном состоянии. Это и позволяет немецким компаниям, работающим в области атомной энергетики, смотреть в будущее с осторожным оптимизмом. Тем более, что другие страны не спешат следовать примеру Германии и продолжают проектировать, строить и эксплуатировать атомные электростанции. В 2012-м году должен вступить в строй новый реактор в Финляндии; вопрос о строительстве новой АЭС поднят недавно в Швейцарии; Италия, не имеющая собственной атомной энергетики, намерена принять участие в возведении очередного реактора во Франции, где энергетические потребности на 80 процентов покрываются за счёт атомных электростанций. Однако самое главное – то, что продолжается разработка так называемого реактора 4-го поколения. Предполагается, что первые такие реакторы будут приняты в эксплуатацию в 2030-м году. В этом международном проекте, осуществляемом под эгидой министерства энергетики США, наряду с Японией с недавних пор участвует и Европейский союз, а значит – и фирмы Германии. Одна из крупнейших – совместная немецко-французская компания Framatome Advanced Nuclear Power со штаб-квартирой в Париже. Каким же будет реактор 4-го поколения? Маркус Ни (Markus Nie), сотрудник филиала фирмы в Эрлангене, рассказывает:

Речь идёт преимущественно о концепциях, в которых используются ноу-хау наших сегодняшних технологий – но, конечно, с поправками на их дальнейщее развитие и совершенствование. Однако мы разрабатываем и инновационные концепции реакторов с использованием других охлаждающих сред: здесь можно назвать реакторы с жидкометаллическим охлаждением, реакторы с гелиевым охлаждением, а также бридеры, то есть реакторы-размножители, реакторы с расширенным воспроизводством ядерного топлива.

Итак, в Эрлангене революции предпочитают эволюцию: делают ставку не столько на создание новых, сколько на совершенствование существующих технологий. При этом цель инженеров состоит в повышении эффективности реактора – коэффициент полезного действия должен быть доведён до 45-ти процентов. Для сравнения: у реактора, который фирма начнёт вскоре строить в Финляндии (EPR – European pressurized reactor), КПД составит 37 процентов. Конечно, чем выше эффективность, тем больше экономия ядерного топлива, однако каждый следующий процент даётся всё труднее и изрядно затягивает завершение проектных работ по реактору 4-го поколения.

Если говорить о сроках разработки, то мы ориентируемся лет на 30. Главная проблема – материалы. Мы пока не располагаем подходящими материалами, именно этим и продиктованы столь внушительные сроки проектирования, –

поясняет Маркус Ни. Всё дело в том, что и температура, и давление в активной зоне таких высокоэффективных реакторах 4-го поколения будут значительно выше, чем в нынешних реакторах. Однако используемые материалы – например, оболочки стержневых тепловыделяющих элементов – должны выдерживать эти экстремальные условия. Значит, сплавы, применяемые для этих целей и хорошо зарекомендовавшие себя сегодня, не годятся: вместо них предстоит разработать новые высоколегированные стали или сплавы на основе никеля. Впрочем, в ЕС, Японии и США не забывают и о других концепциях: например, совершенствуют получивший широкое распространение высокотемпературный реактор. Маркус Ни говорит:

Тут речь идёт о высокотемпературном реакторе, разработанном в основном ещё в 60-х и 70-х годах. Мы являемся мировыми лидерами в этой технологии.

У этой конструкции есть одно весьма важное преимущество: поскольку в таком реакторе водяной пар под давлением нагревается до 800 или даже 900 градусов, эти АЭС могут быть использованы не только для производства электроэнергии:

Мы можем там термическим путём получать водород. Учитывая, что запасы нефти истощаются, это может оказаться весьма интересной альтернативой на будущее – использовать атомную энергию для производства водорода.

Такой реактор может быть напрямую связан с цехом по производству водорода – но связан, конечно, лишь технологически, а не территориально: этого требуют соображения безопасности. Впрочем, к водороду как энергоносителю будущего и к проблеме его получения в необходимом количестве мы вернёмся чуть позже, а пока продолжим наш обзор концепций перспективных ядерных реакторов.

В США значительное внимание уделяют разработке небольших реакторов с жидкометаллическим – свинцовым или свинцово-висмутовым – охлаждением. Эта технология, в своё время нашедшая применение в некоторых типах советских подводных лодок, позволит строить реакторы для снабжения электроэнергией отдельных удалённых регионов. Такие мини-АЭС были бы весьма неприхотливы и просты в эксплуатации: раз в 12-15 лет они нуждались бы лишь в замене кассеты с отработавшими тепловыделяющими элементами на новую – вот и всё.

И, наконец, немало надежд специалисты связывают с бридерами – реакторами-размножителями на быстрых нейтронах. Маркус Ни говорит:

Реакторы-размножители также могут оказаться весьма привлекательной перспективой. Ведь запасы урана ограничены. С точки зрения эффективности использования ядерного топлива такие реакторы-размножители имеют ряд преимуществ и могут существенно замедлить темпы отработки урановых месторождений

Дело в том, что в отличие от реакторов на тепловых, или медленных нейтронах, где в качестве топлива используется лишь дефицитный уран-235, в реакторах на быстрых нейтронах топливом могут служить и уран-238, и плутоний. Правда, интерес к ним после целого ряда аварий в США, Франции и Японии несколько снизился. Однако в этом направлении продолжает активно работать Россия. На Белоярской АЭС близ Екатеринбурга уже начато строительство энергоблока БН-800 – реактора на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением мощностью 800 мегаватт.

А теперь расстанемся с атомной энергетикой и обратимся к водородной. Именно с ней многие эксперты связывают энергетическое будущее человечества. Одна беда: водород в газообразной форме в земной атмосфере отсутствует. В отличие от ветра, солнечного излучения, морского прибоя и прочих так называемых альтернативных, то есть возобновляемых источников энергии, водород в чистом, готовом к употреблению виде природа человечеству не предоставила. Его нужно получать искусственно промышленным способом – иными словами, превращать первичные энергоносители во вторичный.

Это дополнительная технологическая операция. А значит, вам понадобятся дополнительные капиталовложения, у вас возникнут дополнительные потери. И всё это вам нужно сопоставить с дополнительной выгодой, –

говорит доктор Йоахим Нитш (Joachim Nitsch), глава отдела системного анализа и оценки технологических решений Института технической термодинамики при Немецком центре аэрокосмических исследований в Штутгарте. И всё же, какими бы ни оказались результаты этого сопоставления, в конечном счёте без водорода человечеству не обойтись, – считает эксперт:

Со временем, когда мы, скажем так, отважимся, наконец, приступить к полной замене ископаемых энергоресурсов альтернативными источниками энергии, нам обязательно понадобится удобный, то есть легко поддающийся накоплению и хранению химический энергоноситель. А на эту роль, если судить по имеющимся у нас на сегодняшний день сведениям, годится только водород.

Однако промышленное получение водорода сопряжено со значительными усилиями и затратами. Тем удивительнее кажется утверждение Райнхольда Вурстера (Reinhold Wurster), члена правления Германского объединения водородных технологий и топливных элементов:

В нашем распоряжении уже сегодня имеется сколько угодно водорода. В Германии это количество составляет примерно 1 миллиард кубометров.

Райнхольд Вурстер имеет в виду то обстоятельство, что современная химическая промышленность уже не первый год производит водород в весьма значительных количествах, но только не как основной, а как побочный продукт. Он образуется при множестве самых разных химических производств, но главным источником такого водорода является так называемый хлорный электролиз. Это давно и хорошо известная технология, широко применяемая, в первую очередь, для электрохимического производства хлора и щёлочи. А поскольку индустрия потребляет много хлора – этот газ необходим для дальнейшего синтеза очень многих химических соединений, – то и производится он чуть ли не повсеместно и в значительных количествах. А значит, там же в избытке образуется и водород.

И в тех местах, где этот водород реально имеется в наличии – например, во Франкфурте, в Кёльне, в Рурской области, в Штаде близ Гамбурга, в Лейне и так далее, то есть везде, где химическая промышленность использует хлорный электролиз или другие сходные с ним технологии, – мы могли бы уже сегодня обеспечить заправку – в зависимости от пробега – от 300 тысяч до 600 тысяч автомобилей.

Тут имеются в виду автомобили с электроприводом, питающимся от топливных элементов – вроде конструкций, прототипы которых разработаны и испытываются концернами «ДаймлерКрайслер», «Форд» и «Тойота». А также машины с двигателями внутреннего сгорания, но рассчитанными не на бензин, а на водород – такую конструкцию создали инженеры концерна «БМВ». Однако Вурстер, конечно, прекрасно знает, что говорить сегодня о сотнях тысяч таких автомобилей не приходится: в общей сложности их наберётся, пожалуй, не больше нескольких десятков. Но его цель – указать на те возможности, которые облегчили бы предстоящий переход от нынешней нефтегазовой энергетики к водородной. Грех не воспользоваться теми ресурсами, которые уже сегодня предоставляет химическая промышленность, – считает эксперт. Пока же почти весь побочный водород подмешивается к природному газу и просто сжигается в топках теплоэлектростанций. Правда, коэффициент полезного действия таких теплоэлектроцентралей значительно выше, чем КПД автомобильного двигателя, однако использование водорода в качестве автомобильного топлива означало бы выход новой технологии из той узкой ниши, которую она занимает сегодня, и начало её широкого наступления по всему фронту. Поэтому Райнхольд Вурстер недоволен нынешним положением дел. Правда, он всё же высказывается весьма взвешенно и дипломатично:

Я вовсе не говорю о бездумном расточительстве, но если у меня действительно имеются потребители, готовые непосредственно использовать водород в его исходном виде – будь то для заправки автомобилей или, скажем, для питания топливных элементов в качестве электрогенераторов, что также имеет смысл, поскольку такие инновационные электростанции обладают высоким КПД, – то, я полагаю, было бы вполне разумно отказаться от нынешней практики сжигания водорода с природным газом и использовать его более целесообразно и эффективно.

Райнхольд Вурстер не одинок в своём мнении. Потенциальное значение этих невостребованных пока энергетических ресурсов осознали уже и в Брюсселе. Европейская комиссия приняла недавно решение о финансировании проекта, который предусматривает создание в Германии, в Рейнской области, системы альтернативного использования водорода, образующегося как побочный продукт химической промышленности. Предполагается прокладка своего рода сети водородного снабжения региона, включая и заправочную станцию для автомобилей с топливными элементами. Впрочем, она будет не первой в Германии. Уже две такие станции функционируют в Берлине. Они предлагают потребителям как газообразный, так и жидкий водород. Первый предназначен для машин, сконструированных концернами «ДаймлерКрайслер и «Форд»; он производится непосредственно на месте методом электролиза воды и сжимается до давления в 350 бар. Второй, рассчитанный на автомобили марок «ВМВ» и «Опель», доставляется на заправочную станцию охлаждённым до –253-х градусов Цельсия в специальных цистернах. Правда, не следует забывать, что пока весь берлинский автопарк, работающий на водороде, насчитывает ни много ни мало ровно 16 экспериментальных автомобилей. Но лиха беда начало. Ведь тем временем уже и в Вашингтоне открылась первая водородная автозаправка. По оценке Джереми Бентема (Jeremy Bentham), руководителя водородного отдела компании «Шелл», к 2015-му году эта технология завоюет массовый рынок, в 2020-м году количество водородных автомобилей составит от 5-ти до 10-ти миллионов, а к 2030-му году достигнет 50-ти миллионов штук. Бентем проводит аналогию с развитием мобильной телефонной связи: всего лишь 20 лет назад сотовые сети и вся связанная с ними инфраструктура находились в зачаточном состоянии, сами телефоны были тяжёлыми и громоздкими. Стоит ли говорить о том, сколь разительно изменилась с тех пор ситуация!