Выбор языка

НОВОСТИ

 

Международной премией «Глобальная энергия» каждый год отмечают самые выдающиеся достижения в энергетической науке и практике. Авторы этих достижений помогают всему человечеству искать пути решения проблем обеспечения энергией — сегодня и в будущем.

Грядущий «Энергетический переход»

Нефть в кризисе? Мир не знает, что делать? А вот известный консультант по энергетическим системам из США Том Блис знает – создавать флотилии энергетических судов с жидкосолевыми реакторами. Подробности – в его статье.

Печально известная немецкая концепция Energiewende, или «Энергетический поворот», продемонстрировала, что массивные национальные инвестиции не смогли обеспечить экологических выгод, ради которых она, якобы, затевалась. Тем не менее, в глобальном масштабе намечается совершенно иной энергетический переход, который будет гораздо более эффективным и значительным в плане тех выгод, которые он принесет всем странам, особенно развивающимся странам, которые остро нуждаются в недорогой и надежной энергии.

В прошлом году Россия отбуксировала плавучую атомную электростанцию «Академик Ломоносов» в небольшой город Певек, расположенный на северо-востоке России, на побережье Северного Ледовитого океана. Хотя ядерная энергия и использовалась десятилетиями на военных кораблях и ледоколах, плавучие атомные электростанции такого типа редко развертывали в энергетических городах. Существуют, однако же, веские причины, по которым это не только возможно, но и неизбежно. Небольшая компания под названием «Thorcon» реализует данную концепцию не только для крошечных городов вроде Певека. Компания разрабатывает полномасштабные плавучие электростанции, способные питать города и целые страны так же, как это делают сегодня наземные электростанции.

Два брата, Джек и Дейв Деванни, основавшие «Thorcon», являются опытными промышленниками. После успешного проектирования множества больших судов, они спроектировали четыре крупнейших в мире, на тот момент, корабля, и курировали их строительство. Их корабли были построены на южнокорейских верфях, которые, как известно, находятся в авангарде высокотехнологичных технологий судостроения. Когда братья по собственному опыту поняли, насколько дешево и быстро можно строить корабли таким способом, у них возник вопрос – а нельзя ли использовать ту же технологию для серийного производства атомных электростанций? Собрав небольшую группу инженеров и физиков, они вскоре поняли, что для такого массового производства вполне подойдет технология жидкосолевого реактора.

Технология жидкосолевого реактора (ЖСР), которую они намереваются использовать, основана на конструкции реактора, построенной в Ок-Риджской национальной лаборатории в штате Теннесси, США, в шестидесятых годах прошлого столетия. Возможно, это самый простой и самый безопасный тип ядерного реактора из когда-либо созданных; прототип реактора успешно проработал четыре года, прежде чем проект был отменен. Отмена таких успешных национальных лабораторных проектов в США, к сожалению, не редкость. Они часто являются жертвами политического влияния или экономического удобства. Лишь в 2010 году люди вновь вспомнили о технологии ЖСР. Примерно в то же время начала набирать популярность идея строительства небольших модульных ядерных реакторов. Данная идея состояла в том, что небольшие ядерные реакторы можно было бы строить на заводах вместо того, чтобы задействовать масштабные строительные проекты, которые становились всё медлительнее и дороже.

Технология жидкосолевого реактора - это самый простой тип системы ядерных реакторов,  из когда-либо созданных. Говорят, что вам нужно только 3 компонента: труба, котел и насос. Котел представляет собой контейнер, заполненный графитовыми плитами, между которыми расположены каналы, по которым течет расплавленная соль.

Уран или другой материал растворяется в горячей соли (которая разжижается при температуре около 300 ° C), и когда он проходит через графит, атомы урана расщепляются и, таким образом, выделяют тепло. Горячая расплавленная соль выходит из верхней части емкости, где насос низкого давления (примерно того же давления, что и садовый шланг) перемещает горячую соль в теплообменник (трубу). Затем охлажденная расплавленная соль возвращается на дно котла. Как только тепло передано через теплообменник, процесс преобразования этого тепла в электричество становится таким же, как при работе любой электростанции.

Возрождение концепции ЖСР идет параллельно с разработкой реакторов, которые могут функционировать в течение 60-80 лет, таких как современные легководные реакторы, которые сейчас составляют подавляющее большинство атомных электростанций по всему миру. Разработкой таких реакторов занимается ряд небольших вновь созданных компаний. Однако же, с данной трансформацией связаны некоторые серьезные материальные проблемы. Во-первых, ЖСР работают при температуре около 700°C, тогда как легководные реакторы работают при температуре около 350°С. При этом горячая расплавленная соль может вызывать сильную коррозию, создавая еще большую проблему для и без того агрессивной среды, где происходит охрупчивание металлов, бомбардируемых нейтронами в работающем реакторе. К сожалению, разработчики этих концепций реакторов зачастую легкомысленно игнорировали новые сплавы, которые не были доступны в шестидесятые годы прошлого века, когда был построен первый ЖСР. Похоже, что их самонадеянность не прошла проверку. Имеются и другие существенные проблемы, которые предстоит преодолеть или обойти, но они понятны лишь специалистам, поэтому мы не будем их обсуждать в этой статье.

Компания «Thorcon» выделялась из ряда других энтузиастов технологии ЖСР отчасти благодаря своему многолетнему опыту в разработке и создании промышленных проектов. Им с самого начала было известно, что даже металлические сплавы, доступные полвека назад, могут сопротивляться проблемной среде в течение по крайней мере четырех лет, потому что столько времени проработал оригинальный реактор. Прежде чем проект был отменен, физики и инженеры из Ок-Риджа успели разработать еще один ЖСР, способный производить 300 мегаватт энергии. Команда «Thorcon» решила разработать модульный ЖСР мощностью 250 МВт, что является реалистичным масштабированием оригинала. Отличительной особенностью данного плана было осознание того, что даже если бы реакторы предназначались для эксплуатации в течение лишь четырех лет, их строительство все равно было бы экономически оправданным, поскольку оно обходилось крайне дешево. Фактически, они все равно будут дешевле, чем практически любые используемые в настоящее время источники энергии.

Первоначальный план предусматривал заводское изготовление цилиндрических автономных реакторных модулей. Затем они должны быть  загружены на «контейнеровоз» и доставлены на участки вдоль судоходных водных путей, где их снимут с судна и разместят в бункерах вблизи береговой линии. Бункеры, наряду с генераторами, электрораспределительными подстанциями, системами охлаждения и управления, будут располагаться на берегу. Транспортироваться будут только сами реакторные модули.

Любой подобный проект включает в себя ряд факторов риска. С одной стороны, любая страна, которая инвестирует в строительство электростанции, обычно настаивает на том, чтобы этот проект стал источником рабочих мест для населения. Это означает возникновение целого ряда вопросов контроля качества, которые могут быть особенно острыми в менее развитых странах, где технические знания зачастую минимальны. Вероятные простои, возможность взяточничества и коррупции, протесты со стороны экологических групп и другие подобные препятствия часто затрудняют осуществление ядерно-энергетических проектов во многих странах.

Размышляя над этими проблемами, команда «Thorcon» пришла к элегантному решению. «Thorcon» уже умела проектировать самые большие корабли в мире. Почему бы не построить всю электростанцию на верфи, автономную и готовую к подключению к электросети в любой стране? Это позволит обеспечить контроль качества (и, что важно, контроль затрат), а также проконтролировать время строительства. Размер корабля, необходимого для размещения полнофункциональной электростанции мощностью 500 или 1000 МВт, будет значительно меньше, чем размер кораблей, уже успешно построенных компанией. Такие энергетические корабли с несколькими реакторными модулями могут быть масштабированы до еще больших размеров для обеспечения энергией крупных городов.

Два энергетических корабля Thorcon мощностью 500 МВт каждый, полностью автономные электростанции

Такая система обладает многочисленными преимуществами, при том условии, что будет работать ее экономическая составляющая. Но будет ли? После того, как компания «Thorcon» спроектировала свой энергетический корабль, специалисты авторитетных компаний, поставляющих компоненты для атомных электростанций, подтвердили заявленную «Thorcon» смету расходов, изначально вызвавшую скептицизм многих наблюдателей. По реалистическим ожиданиям, такие энергетические корабли будут стоить около одного доллара за ватт. Эта цена была заветной мечтой проектировщиков солнечных панелей на протяжении десятилетий, но в отличие от солнечных панелей, энергетические корабли доступны на полной мощности круглосуточно. Поскольку стоимость топлива для таких реакторов незначительна, они обойдутся дешевле, чем любой другой источник коммерческой электроэнергии, при этом обеспечивая завидную стабильность функционирования.

Какие бы страны или компании ни строили такие энергетические корабли, они могли бы сохранять их в собственности, а не продавать. Можно построить флотилии энергетических судов, затем отправляя их почти в любую страну на земле. Да, такие модули также могут быть отправлены и в страны, не имеющие выхода к морю, но подавляющее большинство стран будет доступно либо вдоль побережья, либо через крупные реки. Развивающимся странам, не располагающим или почти не располагающим средствами на осуществление крупных капиталоемких проектов, таких как электростанции, не пришлось бы инвестировать во что-либо помимо затрат на развитие своей собственной энергосистемы. Владельцы судов будут продавать электроэнергию так же, как коммунальные компании продают ее своим клиентам по всему миру. Если продавать электроэнергию примерно вполовину дешевле, чем она стоит сегодня в Европе, энергетический корабль окупится меньше, чем за полтора года. После этого он начинает приносить прибыль владельцам, при этом обеспечивая потребителя чистой, экономичной электроэнергией.

Противники развертывания ядерной энергетики во всем мире часто говорят о том, что она приводит к риску распространения ядерного оружия. С данной системой этот риск будет сведен практически к нулю. Владельцы энергетических судов будут операторами. Страна-заказчик вообще не получает никакие ядерные технологии. В случае крайней политической нестабильности корабль можно даже отогнать обратно. Впрочем, даже если такой энергетический корабль окажется во власти враждебных сил, стремящихся создать ядерное оружие, технология ЖСР по самой своей природе не подходит для военных целей, а значит, безопасна в данном аспекте.

Безопасность, безусловно, является главной проблемой ядерной энергетики, и здесь ЖСР нет равных. В отличие от легководных реакторов, которые работают при высоком давлении, ЖСР работают при атмосферном давлении. Вообще-то, конечно, в ней имеется насос, перекачивающий расплавленную соль под давлением воды в садовом шланге, но с точки зрения безопасности он не считается угрозой. При ядерных авариях, подобных тем, которые произошли в Чернобыле и Фукусиме, проблемные радиоактивные элементы, такие как цезий-137, йод-131 и стронций-90, выбрасываются в воздух и могут загрязнять прилегающие районы. В ЖСР эти и другие потенциально опасные элементы химически связаны с топливной солью.

Вероятно, наихудшим сценарием для такого энергетического корабля была бы террористическая атака с применением большого обычного взрывного устройства, взрывающего один или несколько модулей. Нетрудно создать системы безопасности, которые были бы почти неуязвимы для такой ситуации, но все же давайте представим, что беда случилась. Внезапно происходит сильный взрыв, и радиоактивная расплавленная соль выбрасывается в воздух. К чему это приведет?

Для ЖСР можно использовать ряд различных комбинаций солей, но в целом все они плавятся при температуре около 300°С. Предположим, что реактор был взорван в ходе эксплуатации при 700°С. Расплавленная соль почти немедленно затвердела, поскольку она быстро остынет до температуры ниже 300°С, и упала на землю вместе с составляющими ее радиоактивными элементами. Радиоактивная соль, которая упала на землю, создала бы загрязнение, которое придется устранять, но людям, живущим поблизости, бояться нечего. Любая соль, которая попадет в воду, будет немедленно разбавлена до уровня, который не представляет существенной опасности. Следует отметить, что мы говорим об этом с научно обоснованной, а не с паникерской позиции. Есть люди (в том числе несколько научно грамотных людей, подкованных в данном вопросе), которые настолько смехотворно паникуют из-за Фукусимы, что предупреждают людей, что из-за радиации от Фукусимы на Гавайях нельзя купаться. Это совершенно абсурдно. Океан содержит огромное количество естественного радиоактивного материала. На самом-то деле, если систему охлаждения электростанции, находящейся на берегу океана, оборудовать фильтром для извлечения урана из морской воды (да, эта технология уже существует), то полученного таким образом урана было бы более чем достаточно для заправки этой электростанции.

Оценки того, сколько таких энергетических кораблей можно построить, немного различаются, но наиболее вероятным, скорее всего, является прогноз экологической организации в Бостоне, штат Массачусетс, которая провела обследование существующих проектов по всему миру. Они пришли к выводу, что, эксплуатируя одни лишь неиспользуемые в настоящее время мощности верфей, в год можно производить энергетические суда совокупной мощностью до 400 гигаватт (то есть 400 000 мегаватт). Это эквивалентно мощности всех существующих в мире атомных электростанций. Вы искали источник энергии, позволяющий эффективно бороться с климатическими изменениями? Вы его нашли!

Поскольку атомные электростанции идеально подходят для круглосуточной работы на полной мощности, идеальной конфигурацией для энергетических кораблей в конечном итоге будет создание гибридов, позволяющих производить электроэнергию по мере необходимости, при этом отводя избыточное тепло либо на установки опреснения, либо на любое другое вспомогательное оборудование, например, установки производства водорода. Советский Союз продемонстрировал эту концепцию на установке BN-350, проработавшей на побережье Каспийского моря в течение двух десятилетий, с 1973 по 1994 год. Все технологии, необходимые для реализации таких гибридных электростанций, уже хорошо известны. Нетрудно представить себе, насколько это выгодно для засушливых и полузасушливых стран, которые получат не только дешевую, чистую электроэнергию, но и огромное количество пресной воды, которая сможет обеспечить существенное развитие сельского хозяйства.

Преимущества поставок энергии с использованием такой системы настолько убедительны, что ее развертывание в ближайшем будущем кажется неизбежным. Южная Корея, являясь пионером высокотехнологичного судостроения, не единственная страна, которая в настоящее время обладает такими возможностями. Аналогичные верфи недавно построили у себя Россия и Саудовская Аравия; даже относительно устаревшие верфи можно использовать для строительства хороших кораблей, на которых затем будут размещены реакторные модули, построенные на новых верфях или других производственных объектах.

По мере того, как электромобили и грузовики будут получать более широкое распространение, спрос на нефть обязательно упадет. Многие страны, чья экономика чрезмерно зависит от нефти и газа, в ближайшем будущем могут пострадать от экономических потрясений, вызванных электрификацией транспорта. Наилучшим способом смягчить последствия таких изменений могло бы стать создание в этих странах флотов энергетических кораблей и дальнейшее обеспечение мира не ископаемым топливом, а чистой, обильной, дешевой электроэнергией. Это обязательно произойдет. Вопрос только в том, какая страна первой осознает, что ситуация в корне изменилась, и решит стать мировым поставщиком коммунальных услуг?

P.S. Статью прокомментировал по просьбе «Глобальной энергии» Тони Роулстон, лектор по атомной энергии (Кембриджский университет), директор Bracchium Ltd и, директор по корпоративной трансформации Rolls-Royce plc.

По его словам, Thorcon предлагает систему с использованием высокообогащенного урана и тория, при этом доля расщепляющегося топлива будет высокой - около 20% и более, что может вызвать проблемы с распространением делящихся металлов. «Рассматриваемый топливный цикл является новым. Хотя существуют теоретические аргументы в пользу того, что проблемы продуктов деления и отходов реактора могут быть решены, экспериментальных доказательств в поддержку таких аргументов на данный момент практически не существует», - сказал Роулстон. 

Он считает, что, прежде чем технология может быть коммерциализирована, необходимо создать прототип, который будет работать в течение нескольких лет, чтобы получить опыт и уверенность в его конструкции. Кроме этого, технология должна быть сначала испытана на суше, а затем использована на воде. Эти необходимые этапы развития делают возможным создание плавучего жидкосолевого реактора не ранее 2040 года или, возможно, 2050 года.

Что касается коммерческих плавучих электростанций, то, как заметил ученый, создание судов, достаточно больших для размещения электростанции, возможно, но не имеет явных экономических преимуществ, за исключением строительства серии таких реакторов на одной верфи, где производительность может быть выше, а снижение затрат получено за счет накопленного технического опыта.  «Это может стать грандиозным мероприятием по строительству крупнейших судов в мире, на которых установлены самые большие реакторы. Концепция может оказаться экономически выгодной, но доказательств этому практически нет», - подчеркнул Роулстон.

Также он обратил внимание на вопросы безопасности и государственного регулирования в части работы таких судов. «В отношении прибрежных вод практически не существует законодательства, регулирующего деятельность коммерческих предприятий… Если они (суда) будут расположены за пределами территориальных вод, это усугубит юридические сложности», - сказал Роулстон.

Проблемы физической безопасности, связанные с возможными террористическими атаками, не являются непреодолимыми, но добавляют сложностей и дополнительных затрат, подчеркнул он.

Developed by Brickwall