Содружество чистых энерготехнологий

Взгляд на то, какими путями может идти комплексное развитие атомной энергетики и ВИЭ

Заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» Уральского энергетического института Уральского федерального университета Сергей Щеклеин рассказывает «Вестнику атомпрома», какие источники энергии смогут обеспечить стабильное энергоснабжение в условиях растущего спроса, возможен ли новый атомный ренессанс и что для его приближения может предложить Россия.

— Сергей Евгеньевич, какие основные изменения вы могли бы отметить в мировой энергетике за последнее десятилетие?

— Население нашей планеты перевалило за 8 млрд, при этом стандарты энергопотребления растут во всех странах, даже в самых отдаленных уголках мира. Человечество потребляет все больше энергии, а энергоресурсы распределены в мире неравномерно. Тенденции роста энергопотребления приводят к тому, что происходит своего рода состязание: с одной стороны, потребителей и государств, владеющих энергоресурсами, а с другой стороны, направлений энергетики между собой.

Сейчас очень бурно развиваются два направления: первое — связанное с использованием водорода, водородная энергетика, второе — с использованием возобновляемых источников. Темпы развития атомной энергетики несколько снизились, можно даже сказать, что в ряде стран Запада развитие остановилось. На то есть объективные причины: уровень энергопроизводства в этих странах уже очень высокий, он обеспечивает энергопотребление на том уровне, который для большинства других стран еще не достижим. А вот те регионы, в которых рост энергопотребления очень большой, — Азия, Латинская Америка, Африка — сейчас предпринимают гигантские усилия по наращиванию энергопроизводства. И самым быстрым способом достичь большой мощности является все-таки атомная энергетика. Поэтому такие страны, как, например, Бангладеш, где и солнца много, и гидроресурсы есть, все равно решают строить АЭС, потому что в течение короткого времени ввести большие энергетические мощности сейчас можно только на таких концентрированных и таких проверенных, надежных источниках, какими являются атомные станции с реакторами с водой под давлением. С учетом тех экологических изменений, о которых сейчас много говорят, атомная энергетика также является одним из самых благоприятных источников энергии, с которым мало какие другие могут сравниться.

— Если говорить об экологической повестке, считаете ли вы, что переход на чистые источники энергии действительно решит климатические проблемы?

— Я выскажу свое личное мнение. Я не считаю, что только энергетика, точнее использование ископаемого топлива, отвечает за происходящие климатические процессы. Нынешнее изменение климата — не первое глобальное потепление или похолодание на нашей планете, они происходили и в те периоды, когда никакой энергетики еще не было, кроме печного отопления. В природе уже накоплен гигантский объем диоксида углерода (СО₂) — в биосфере, атмосфере, литосфере, в водах океана, и это несоизмеримо с тем, что сейчас производит человечество. По самым консервативным оценкам, в природе накоплено более 40 000 гигатонн, при этом электроэнергетика за год выбрасывает примерно 10 гигатонн, а весь энергетический сектор — около 40 гигатонн. Разницу в масштабах чувствуете? Человеческая деятельность ответственна за доли процента. Но сложившаяся природная система, очевидно, имеет некую неустойчивость, которую мы еще недостаточно изучили. Мы не знаем, что может послужить спусковым крючком для того, чтобы природные запасы диоксида углерода начали выходить в атмосферу. Например, чуть-чуть нагревается, буквально на сотые доли градуса, вода мировых океанов, и растворенный в ней газ начинает выходить, это процесс термической деаэрации. Диоксида углерода там огромное количество, поэтому температура еще повышается из-за того, что вышедший газ дал дополнительный парниковый эффект. Если не предвидеть этого, мы можем раскачать экосистему.

Еще нужно сказать о том, что энергетика выбрасывает основной парниковый газ — диоксид углерода,его принимают за единицу по парниковому эффекту. Но, например, метан имеет коэффициент 21. Представьте себе вечную мерзлоту, как только она начинает чуть-чуть подогреваться, то разлагаются газогидраты и аккумулированные в них запасы метана начинают выходить, а это создает парниковый эффект в 21 раз больше, чем СО₂.

Поэтому я не стал бы преувеличивать роль энергетики в климатических процессах, но тем не менее считаю, что следует руководствоваться консервативным подходом: если у нас есть технологии, которые позволяют производить энергию без выбросов СО₂, то нужно их использовать, чтобы избегать любых лишних нагрузок на окружающую среду и не нарушать природный баланс.

— Солнечная и ветровая энергетика показывают в последние годы бурный рост, предполагается, что такие темпы будут сохраняться и дальше. Разделяете ли вы опасения по поводу того, что эти источники не смогут обеспечивать устойчивое энергоснабжение, так как не являются надежными?

— Я бы не назвал их ненадежными, это очень обильные, по сути, неисчерпаемые источники, к их развитию я отношусь положительно. Люди используют эту энергию веками, и сейчас ее можно и нужно использовать на новом технологическом уровне. Но есть объективные обстоятельства, их нельзя назвать недостатками, их просто надо учитывать. Энергия потребляется и в вечерние, и в ночные часы, когда солнца нет. Чем ближе к полюсам, тем продолжительнее зима с коротким световым днем. То есть существует объективное ограничение для такого, я бы сказал, патетического отношения к возобновляемым источникам энергии. Это очень хорошие источники, экологически чистые, но в силу естественных причин самостоятельно обеспечить требуемый объем энергопроизводства ни в одной стране мира они не могут, это иллюзия.

Задача состоит в том, чтобы развивать все виды энергетики в балансе. Росатом в этом отношении занимает правильную позицию. Он является одним из лидеров по развитию ВИЭ в стране, активно строит ветропарки, но именно в параллели с атомной энергетикой и с другими источниками энергии. К развитию энергетики нужен трезвый подход, поэтому необходимо наличие гарантирующих источников. Такими сейчас являются атомные станции на тепловых нейтронах, станции на органическом топливе. Никуда от этого не деться, особенно в России с ее бесспорно суровым климатом и других странах с подобными условиями. Но разные источники можно комбинировать, комплексно используя их преимущества.

— Как именно это можно делать?

— Эта концепция очень простая. Суть ее заключается в следующем: мы потребляем энергию в суточном цикле неравномерно, днем возникает пик энергопотребления, ночью — спад. Поэтому и вводится двухтарифный учет, днем энергия дороже, ночью дешевле — как раз для того, чтобы стимулировать ночное потребление, чтобы этот пик выровнять. Солнечная энергетика может компенсировать дневной пик энергопотребления, и это не будет требовать от тепловых электростанций маневрирования, то есть повышения и понижения мощности в том масштабе, в котором это происходит сейчас. А маневрирование означает работу в переходных режимах, что может негативно сказываться на надежности оборудования. Поэтому требуются дополнительные усилия инженеров, чтобы компенсировать лишние нагрузки на оборудование.

В маневрировании нет необходимости, если правильно спроектировать традиционную электростанцию с учетом использования возможностей природы. Такой пример в России есть: Орская (Сакмарская) солнечная электростанция установленной мощностью 40 МВт в Оренбургской области успешно работает совместно с ТЭЦ. Солнечная станция управляется из одного пункта с тепловой, они работают как единый организм. Когда солнца нет — генерация тепловая. Днем добавляется солнечная часть энергии и помогает покрывать дневной пик энергопотребления. Система эффективно работает около 10 лет, данные публикуются на официальных сайтах, ТЭЦ экономит 20% топлива в год, оборудование действует надежно. Я думаю, в атомной энергетике в нашей стране аналогичный этап тоже предстоит. То есть уже сейчас нужно думать о совместном, гибридном, комбинированном использовании всех возможных источников возобновляемой энергии в комплексе с атомными станциями.

— Считаете ли вы перспективным направлением биоэнергетику?

— Да, по моему мнению, биоэнергетика — это очень эффективный метод получения энергии из аккумулированной энергии солнца. Ведь что такое биомасса? Это та энергия солнечных фотонов, которая в результате фотосинтеза накоплена в растениях. Почему использование биомассы в качестве топлива считается экологически чистым? Потому что выделяется столько же СО₂, сколько поглощается при росте растений. Я считаю, что у биоэнергетики очень большое будущее. Если биомассу перерабатывать с помощью современных технологий, то можно получать хороший энергетический эффект. Например, в процессе низкотемпературного пиролиза биомасса разлагается, и в результате получается жидкость, газ и твердый коксовый остаток. Биогаз используется как обычное газовое топливо, пиролизную жидкость можно довести до уровня моторного топлива, причем все эти виды вторично произведенных топливных ресурсов по сути являются экологически чистыми, так как они произведены из природных биомасс. Разработкой таких технологий, в том числе пиролиза, очень активно занимается Объединенный институт высоких температур РАН.

Еще одно очень интересное направление — возможность получения метанола при помощи ядерных реакторов. Метанол — это спирт, технологии его получения хорошо известны, но параметры, которые позволяет обеспечить современный ядерный реактор, во всяком случае реактор на быстрых нейтронах, уже дают возможность получать метанол в результате переработки биомассы (и других ее производных, например каменного угля, который тоже является производной от биомасс прошлых эпох). Метанол достаточно просто можно преобразовать в водород, так же как и аммиак. А водород — это уже направление электрохимической энергетики, использование топливных элементов. Тоже достаточно перспективное направление, у нас в Екатеринбурге над этим работают в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН, уже достигнуты определенные успехи.

То есть атомная энергия и здесь может быть крайне полезной. С одной стороны, на высокотемпературных реакторах можно будет осуществлять процессы пиролиза, получение пиролизной жидкости. С другой стороны, атомные станции сбрасывают в окружающее пространство огромное количество низкопотенциальной тепловой энергии через конденсаторы паровых турбин. Этого тепла достаточно для получения биогаза — процесс анаэробного сбраживания биомассы происходит как раз при температуре от 30 до 40 °C (не больше, иначе бактерии погибнут). Вода примерно такой температуры выходит после конденсаторов паровых турбин АЭС, и этот потенциал тоже можно использовать. Я думаю, что время для этого придет.

— Как вы думаете, возможен ли новый атомный ренессанс в ближайшие годы?

— Я думаю, что он будет набирать обороты именно в тех странах, о которых я говорил выше, — Китае, Индии, других государствах БРИКС. И я думаю, что атомный ренессанс будет связан с новыми ядерными технологиями, новыми типами ядерных реакторов, такими как реакторы на быстрых нейтронах, реакторы малой мощности, реакторы, которые могут работать на ториевом топливе. Запасы урана в мире ограничены — не более 5 млн тонн разведанных запасов по всему миру. Тория примерно в три раза больше, поэтому ториевое направление сейчас в мире разрабатывается, в том же Китае сейчас запускают экспериментальный жидкосолевой реактор.

Россия остается лидером по многим направлениям атомной энергетики, такое уникальное направление, как реакторы на быстрых нейтронах, в СССР, а теперь в России успешно освоено, есть уже и первый реактор, работающий на уранплутониевой загрузке, — БН-800 на Белоярской АЭС, который демонстрирует хорошие показатели. Это путь к замыканию ядерного топливного цикла, главная цель которого — расширение ресурсной базы атомной энергетики, вовлечение в топливную цепочку урана-238, неделящегося изотопа. Реакция бридинга, которую можно осуществлять на реакторах на быстрых нейтронах, это сделать позволяет.

По этому направлению Россия занимает в мире не просто лидирующие, а я бы даже сказал, менторские позиции. Например, китайскими коллегами тоже сооружен реактор на быстрых нейтронах, но топливо для него поставила Россия, а использованные проектные решения основаны на российском опыте.

Новый проект, который предполагается к реализации у нас на Урале, на Белоярской площадке, реактор БН-1200, — это уже шаг к полномасштабному замыканию топливной цепочки: создание коммерческой структуры двухкомпонентной ядерной энергетики, где будут действовать реакторы на тепловых нейтронах, технологии которых уже отработаны, можно сказать, идеально (например, ВВЭР-ТОИ — это один из лучших в мире проектов), и плюс будет идти наработка топлива с использованием реакторов на быстрых нейтронах. Пока на реакторах БН, потом будем наблюдать, что получится по БРЕСТу — свинцовому реактору, который сейчас строится в Северске. Я думаю, что направление быстрых реакторов заслуживает особого внимания. Его надо обязательно развивать, продвигать, это самый короткий путь повышения устойчивости атомной энергетики в целом.

— Но пока реакторы на быстрых нейтронах менее выгодны с экономической точки зрения?

— Вы знаете, это вопрос дискуссионный, это зависит от того, как оценивать экономичность. Если оценивать по уровню начальных капитальных вложений в сооружение, то да, это более дорогие установки, чем реакторы на тепловых нейтронах. Но можно ведь и по-другому оценивать, допустим, по коэффициенту полезного действия. КПД у современных ВВЭР на уровне 35%, а у реакторов типа БН — более 40%.

Объем активной зоны, количество топлива на реакторах БН меньше в 10 раз, чем у ВВЭР, что это значит? Меньше проблем с хранением отработавшего топлива, причем в его составе после реакторов типа БН меньше долгоживущих изотопов. На БН в год образуется максимум 20 кубометров всех видов отходов — и твердых, и жидких. Меньше радиационная нагрузка на персонал, на окружающую среду, то есть это более чистая реакторная установка. Это же не учитывается в стоимости, то есть современная методология не предусматривает учета этих факторов, а они очень важны. Да, это пока дороже, да, натрий — это металл, который взаимодействует с водой и даже с воздухом, поэтому нужны специальные технологии, барьеры безопасности, и все они используются. Ведь у нас БН-600 больше 40 лет работает, и работает надежно, устойчиво, с высоким коэффициентом использования установленной мощности — свыше 80% времени в год этот блок выдает свою мощность. БН-800 начал работать примерно с такими же показателями.

А проект БН-1200 по расчетным характеристикам уже соответствует проекту современных реакторов ВВЭР, величина удельных капитальных затрат в этом проекте уже вплотную приблизилась к уровню сопоставимого по мощности блока с реактором с водой под давлением. Многие из дополнительных систем безопасности, без которых на ВВЭР не обойтись, на БН просто не требуются: давление в первом контуре практически атмосферное, нет там и потенциала энергии, которая может привести к нарушению герметичности. Так что это очень интересная и важная технология, которая будет востребована в будущем.

И у нас есть еще одно незаслуженно, на мой взгляд, забытое направление. Это свинцово-висмутовые быстрые реакторы (СВБР), которые позволяют температуру плавления теплоносителя сделать существенно более низкой по сравнению со свинцом. При этом сохраняются как все достоинства свинцового теплоносителя — отсутствие взаимодействия с водой, с парами воды, с кислородом, так и достоинства натриевого теплоносителя — высокая теплоотдача, высокая теплоемкость, высокие температуры кипения металла. Направление СВБР тоже надо бережно сохранять для будущего и развивать.

— Каков ваш прогноз по развитию термоядерной энергетики?

— В исследовательском центре в Швейцарии, в Лозанне, я своими глазами видел, в каком темпе, с каким энтузиазмом проводятся исследования по созданию технологии управляемого термоядерного синтеза. Деньги вкладываются очень большие, результаты получаются хорошие, люди работают с надеждой на успех. В мире ведутся разные исследования — это и разогрев плазмы пучками ионов, и целый ряд других способов повышения температуры плазмы, плотности плазмы для получения управляемой реакции. Есть сообщения, что американцы уже зафиксировали акты синтеза в лазерном термояде. В нашей стране отрабатываются очень интересные альтернативные решения, например в Новосибирске — с применением ловушек будкеровского типа, еще целый ряд исследований ведется в России и других странах. Мне кажется, что я еще успею при своей жизни увидеть экспериментальный действующий термоядерный реактор. А если он появится, то до энергетического уже рукой подать.

Будущую роль термоядерных реакторов я могу сравнить с ролью возобновляемой энергетики: не надо требовать от термояда того, что он не сможет быстро дать. Может быть осуществлена гибридная схема, то есть наработка плутония-239 из урана-238, которого пока еще много. А плутоний — это пища для реакторов на быстрых нейтронах и реакторов на тепловых нейтронах для производства электрической энергии, тепловой энергии. То есть термоядерный реактор, если он будет создан, естественным образом впишется в структуру современной атомной энергетики. Появится просто дополнительный элемент, который позволит получать топливо, причем в очень значительных масштабах. Вот так оптимистично я к этому отношусь. Сложная, серьезная задача, но уже близка к решению.