Отечественные передвижные АЭС

Корни этой истории уходят, разумеется, в эпоху атомной романтики – в середину 1950-х. В 1955 году Ефим Павлович Славский – один из корифеев атомной промышленности СССР, будущий глава Минсредмаша, прослуживший на этом посту от Никиты Сергеевича до Михаила Сергеевича, – посетил ленинградский Кировский завод. Именно в беседе с директором ЛКЗ И.М. Синевым впервые прозвучало предложение о разработке мобильной атомной электростанции, которая могла бы питать электроэнергией гражданские и военные объекты, расположенные в отдаленных районах Крайнего Севера и Сибири.

Предложение Славского стало руководством к действию, и уже вскоре ЛКЗ в кооперации с Ярославским паровозостроительным заводом подготовил проекты атомного энергопоезда – передвижной АЭС (ПАЭС) небольшой мощности для транспортировки по железной дороге. Предусматривались два варианта – одноконтурная схема c газотурбинной установкой и схема с использованием паротурбинной уста-новки самого локомотива. 

Вслед за этим к разработке идеи подключились и другие предприятия. По итогам обсуждения зеленый свет был дан проекту Ю.А. Сергеева и Д.Л. Бродера из обнинского Физико-энергетического института (ныне ФГУП «ГНЦ РФ – ФЭИ»). Видимо посчитав, что рельсовый вариант ограничит ареал действия ПАЭС лишь территориями, охваченными железнодорожной сетью, ученые предложили поставить свою электростанцию на гусеницы, сделав ее практически вездеходной.

Эскизный проект станции появился в 1957 году, а уже два года спустя было произведено специальное оборудование для постройки опытных образцов ТЭС-3 (транспортируемой электростанции).

В те времена практически все в атомной индустрии приходилось делать «с нуля», однако опыт создания ядерных реакторов для транс-порт-ных нужд (например, для ледокола «Ленин») уже существовал, и на него можно было бы опереться.

ТЭС-3 — транспортабельная атомная электростанция, перевозимая на четырёх самоходных гусеничных шасси, созданных на базе тяжёлого танка Т-10. ТЭС-3 вступила в опытную эксплуатацию в 1961 году. Впоследствии программа была свёрнута. В 80-х годах дальнейшее развитие идея транспортабельных крупноблочных атомных электростанций небольшой мощности получила в виде ТЭС-7 и ТЭС-8.

Одним из главных факторов, которые приходилось учитывать авторам проекта при выборе тех или иных инженерных решений, была, разумеется, безопасность. С этой точки зрения оптимальной была признана схема малогабаритного двухконтурного водо-водяного реактора. Вырабатываемое реактором тепло отбиралось водой под давлением 130 атм при температуре на входе в реактор 275°С и на выходе – 300°С. Через теплообменник тепло передавалось рабочему телу, в качестве которого также выступала вода. Образовавшийся пар приводил в движение турбину генератора.

Активная зона реактора была спроектирована в виде цилиндра высотой 600 и диаметром 660 мм. Внутри помещались 74 тепловыделяющие сборки. В качестве топливной композиции решили применить интерметаллид (химическое соединение металлов) UAl3, залитый силумином (SiAl). Сборки представляли собой два коаксиальных кольца с этой топливной композицией. Подобная схема была разработана специально для ТЭС-3.

В 1960 году созданное энергетическое оборудование смонтировали на гусеничном шасси, позаимствованном у последнего советского тяжелого танка Т-10, который производился с середины 1950-х до середины 1960-х годов. Правда, для ПАЭС базу пришлось удлинить, так что энергосамоход (так стали называть вездеходы, перевозящие атомную электростанцию) имел десять катков против семи у танка.

Но даже при такой модернизации разместить всю энергоустановку на одной машине было невозможно. ТЭС-3 представляла собой комплекс из четырех энергосамоходов.

Первый энергосамоход нес на себе ядерный реактор с транспортируемой биозащитой и специальный воздушный радиатор для снятия остаточного охлаждения. На второй машине монтировались парогенераторы, компенсатор объема, а также циркуляционные насосы для подпитки первого контура. Собственно выработка электроэнергии была функцией третьего энергосамохода, где размещался турбогенератор с оборудованием конденсатно-питательного тракта. Четвертая машина играла роль пункта управления ПАЭС, а также имела резервное энергетическое оборудование. Здесь находились пульт и главный щит со средствами пуска, пусковой дизель-генератор и блок аккумуляторных батарей.

В дизайне энергосамоходов первую скрипку играли лапидарность и прагматизм. Поскольку ТЭС-3 предполагалось эксплуатировать преимущественно в районах Крайнего Севера, оборудование помещалось внутрь утепленных кузовов так называемого вагонного типа. В поперечном сечении они представляли собой шестиугольник неправильной формы, который можно описать как трапецию, поставленную на прямоугольник, что невольно вызывает ассоциацию с гробом.

ПАЭС предназначалась для функционирования только в стационарном режиме, работать «на ходу» она не могла. Чтобы запустить станцию, требовалось расставить энергосамоходы в нужном порядке и соединить их трубопроводами для теплоносителя и рабочего тела, а также электрическими кабелями. И именно на стационарный режим работы была спроектирована биозащита ПАЭС.

Система биозащиты состояла из двух частей: транспортируемой и стационарной. Транспортируемая биозащита перевозилась вместе с реактором. Активная зона реактора помещалась в своего рода свинцовый «стакан», который находился внутри бака. Когда ТЭС-3 работала, бак заливался водой. Слой воды резко снижал активацию нейтронами стенок бака биозащиты, кузова, рамы и прочих металлических частей энергосамохода. После окончания кампании (периода работы электростанции на одной заправке) воду сливали и транспортировка осуществлялась при пустом баке.

Под стационарной биозащитой понимались своего рода боксы из земли или бетона, которые перед пуском ПАЭС требовалось возводить вокруг энергосамоходов, несущих на себе реактор и парогенераторы.

В августе 1960 года собранную ПАЭС доставили в Обнинск, на испытательную площадку Физико-энергетического института. Меньше чем через год, 7 июня 1961 года, реактор достиг критичности, а 13 октября состоялся энергетический пуск станции. Испытания продолжались до 1965 года, когда реактор отработал свою первую кампанию. Однако на этом история советской мобильной АЭС фактически закончилась. Дело в том, что параллельно знаменитый обнинский институт разрабатывал еще один проект в области малой атомной энергетики. Им стала плавучая АЭС «Север» с аналогичным реактором. Как и ТЭС-3, «Север» проектировался преимущественно для нужд энергообеспечения военных объектов. И вот в начале 1967 года Министерство обороны СССР решило отказаться от плавучей атомной станции. Заодно были остановлены работы и по наземной мобильной энергоустановке: ПАЭС была переведена в стояночный режим. В конце 1960-х появилась надежда на то, что детищу обнинских ученых все-таки найдется практическое применение. Предполагалось, что атомная станция могла бы использоваться в нефтедобыче в тех случаях, когда в нефтеносные слои требуется закачать большое количество горячей воды, чтобы поднять ископаемое сырье ближе к поверхности. Рассматривали, к примеру, возможность такого использования ПАЭС на скважинах в районе города Грозного. Но даже послужить кипятильником для нужд чеченских нефтяников станции не удалось. Хозяйственная эксплуатация ТЭС-3 была признана нецелесообразной, и в 1969 году энергоустановку полностью законсервировали. Навсегда.

Как это ни удивительно, но с кончиной обнинской ПАЭС история советских мобильных атомных электростанций не прекратилась. Другой проект, о котором несомненно стоит рассказать, представляет собой весьма курьезный пример советского энергетического долгостроя. Начало ему было положено еще в начале 1960-х, но некий осязаемый результат он принес лишь в горбачевскую эпоху и вскоре был «убит» резко усилившейся после чернобыльской катастрофы радиофобией. Речь идет о белорусском проекте «Памир 630Д».

Комплекс передвижной АЭС «Памир-630Д» базировался на четырех грузовых автомобилях, представлявших собой связку «прицеп–тягач»

В определенном смысле можно сказать, что ТЭС-3 и «Памир» соединяют родственные связи. Ведь одним из основателей белорусской ядерной энергетики стал А.К. Красин – бывший директор ФЭИ, принимавший непо-средственное участие в проектировании первой в мире АЭС в Обнинске, Белоярской АЭС и ТЭС-3. В 1960 году его пригласили в Минск, где ученый вскоре был избран академиком АН БССР и назначен директором отделения атомной энергетики Энергетического института белорусской Академии наук. В 1965 году отделение было преобразовано в Институт ядерной энергетики (ныне Объединенный институт энергетических и ядерных исследований «Сосны» НАН).

В одну из поездок в Москву Красин узнал о существовании государственного заказа на проектирование передвижной атомной электростанции мощностью 500–800 кВт. Наибольший интерес к такого рода энергоустановке проявляли военные: им требовался компактный и автономный источник электричества для объектов, находящихся в отдаленных и отличающихся суровым климатом районах страны – там, где нет ни железных дорог, ни ЛЭП и куда довольно сложно доставить большое количество обычного топлива. Речь могла идти об электропитании радиолокаторных станций или пусковых установок ракет.

С учетом предстоящего использования в экстремальных климатических условиях к проекту предъявлялись особые требования. Станция должна была работать при большом разбросе температур (от –50 до +35°С), а также при высокой влажности. Заказчик требовал, чтобы управление энергоустановкой было максимально автоматизировано. При этом станция должна была вписываться в железнодорожные габариты О-2Т и в габариты грузовых кабин самолетов и вертолетов с размерами 30х4,4х4,4 м. Продолжительность кампании АЭС определялась в не менее чем 10 000 часов при времени непрерывной работы не более 2000 часов. Время развертывания станции должно было составлять не более шести часов, а демонтаж необходимо было уложить в 30 часов.

Кроме того, проектировщикам следовало придумать, как снизить расходование воды, которая в условиях тундры ненамного доступнее солярки. Именно это последнее требование, практически исключавшее применение водяного реактора, во многом определило судьбу «Памира-630Д».Кроме того, проектировщикам следовало придумать, как снизить расходование воды, которая в условиях тундры ненамного доступнее солярки. Именно это последнее требование, практически исключавшее применение водяного реактора, во многом определило судьбу «Памира-630Д».



Оранжевый дым

Генеральным конструктором и главным идейным вдохновителем проекта стал В.Б. Нестеренко, ныне член-корреспондент белорусской Национальной академии наук. Именно ему принадлежит идея использовать в реакторе для «Памира» не воду или расплавленный натрий, а жидкую тетраокись азота (N2O4) – причем одновременно в качестве теплоносителя и рабочего тела, так как реактор мыслился одноконтурным, без теплообменника.

Тетраоксись азота была выбрана, естественно, не случайно, так как это соединение обладает весьма интересными термодинамическими свойствами, такими как высокая теплопроводность и теплоемкость, а также низкая температура испарения. Его переход из жидкого в газообразное состояние сопровождается химической реакцией диссоциации, когда молекула тетраокиси азота распадается сначала на две молекулы диокиси азота (2NO2), а затем на две молекулы окиси азота и одну молекулу кислорода (2NO+O2). При увеличении количества молекул объем газа или его давление резко возрастают.



В реакторе, таким образом, стало возможным реализовать замкнутый газожидкостный цикл, который давал реактору преимущества в эффективности и компактности.

Осенью 1963 года белорусские ученые представили свой проект мобильной атомной станции на рассмотрение научно-технического совета Государственного комитета по использованию атомной энергии СССР. Тогда же на суд членов НТС были вынесены аналогичные проекты ФЭИ, ИАЭ им. Курчатова и ОКБМ (Горький). Предпочтение отдали белорусскому проекту, однако лишь десять лет спустя, в 1973 году, в ИЯЭ АН БССР было создано специальное конструкторское бюро с опытным производством, которое приступило к конструированию и стендовым испытаниям узлов будущего реактора.

Одной из самых главных инженерных задач, которую предстояло решать создателям «Памира-630Д», стала отработка устойчивого термодинамического цикла с участием теплоносителя и рабочего тела нетрадиционного типа. Для этого применялся, например, стенд «Вихрь-2», представлявший собой фактически турбогенераторный блок будущей станции. В нем нагрев тетраоксида азота производился с помощью турбореактивного авиадвигателя ВК-1 с форсажной камерой.



Отдельную проблему представляла собой высокая коррозионная агрессивность тетраоксида азота, особенно в местах фазовых переходов – кипения и конденсации. Если же в контур турбогенератора попала бы вода, N2O4, прореагировав с ней, немедленно дала бы азотную кислоту со всеми ее известными свойствами. Противники проекта так и говорили порой, что, дескать, белорусские ядерщики намерены растворить в кислоте активную зону реактора. Частично проблема высокой агрессивности тетраоксида азота была решена добавлением в теплоноситель 10% обычной моноокиси азота. Этот раствор получил название «нитрин».

Тем не менее применение тетраоксида азота увеличивало опасность использования всего ядерного реактора, особенно если вспомнить, что речь идет о мобильном варианте АЭС. Подтверждением тому стала гибель одного из сотрудников КБ. Во время опыта из разорвавшегося трубопровода вырвалось оранжевое облачко. Находившийся поблизости человек ненамеренно вдохнул ядовитый газ, который, прореагировав с водой в легких, превратился в азотную кислоту. Спасти несчастного не удалось.

Зачем снимать колеса?

Впрочем, проектировщики «Памира-630Д» внедрили в свой проект ряд конструктивных решений, которые были призваны повысить безопасность всей системы. Во-первых, все процессы внутри установки, начиная от пуска реактора, управлялись и контролировались с помощью бортовых ЭВМ. Два компьютера работали параллельно, а третий находился в «горячем» резерве. Во-вторых, была реализована система аварийного охлаждения реактора за счет пассивного перетекания пара через реактор из части высокого давления в часть конденсатора. Наличие большого количества жидкого теплоносителя в технологическом контуре позволяло в случае, например, обесточивания эффективно отводить тепло от реактора. В-третьих, важным «страховочным» элементом конструкции стал материал замедлителя, в качестве которого был выбран гидрид циркония. При аварийном повышении температуры гидрид циркония разлагается, и выделяемый водород переводит реактор в глубоко подкритичное состояние. Реакция деления прекращается.

За экспериментами и испытаниями шли годы, и те, кто задумывал «Памир» в начале 1960-х годов, смогли увидеть свое детище в металле лишь в первой половине 1980-х. Как и в случае с ТЭС-3, белорусским конструкторам понадобилось несколько машин для размещения на них своей ПАЭС. Реакторный блок монтировался на трехосном полуприцепе МАЗ-9994 грузоподъемностью 65 т, в роли тягача для которого выступал МАЗ-796. Кроме реактора с биозащитой в этом блоке размещались система аварийного расхолаживания, шкаф распределительного устройства собственных нужд и два автономных дизель-генератора по 16 кВт. Такая же связка МАЗ-767 – МАЗ-994 везла на себе и турбогенераторный блок с оборудованием электростанции.

Дополнительно в кузовах КРАЗов передвигались элементы системы автоматизированного управления защиты и контроля. Еще один такой грузовик перевозил вспомогательный энергоблок с двумя стокиловаттными дизель-генераторами. Итого пять машин.

«Памир-630Д», как и ТЭС-3, был рассчитан на стационарную работу. По прибытии на место дислокации монтажные бригады устанавливали рядом реакторный и турбогенераторный блоки и соединяли их трубопроводами с герметичными сочленениями. Блоки управления и резервная энергоустановка ставились не ближе 150 м от реактора, чтобы обеспечить радиационную безопасность персонала. С реакторного и турбогенераторного блока снимали колеса (прицепы устанавливались на домкратах) и отвозили их в безопасную зону. Все это, конечно, в проекте, ибо реальность оказалась иной.

Макет первой белорусской и одновременно единственной в мире передвижной АЭС «Памир», которая была сделана в Минске

Электрический пуск первого реактора состоялся 24 ноября 1985 года, а спустя пять месяцев случился Чернобыль. Нет, проект не был немедленно закрыт, и в общей сложности экспериментальный образец ПАЭС отработал на разных режимах нагрузки 2975 часов. Однако, когда на волне охватившей страну и мир радиофобии вдруг стало известно, что в 6 км от Минска стоит ядерный реактор экспериментальной конструкции, случился масштабный скандал. Совмин СССР тут же создал комиссию, которой предстояло изучить вопрос о целесообразности дальнейших работ по «Памиру-630Д». В том же 1986 году Горбачевым был отправлен в отставку легендарный глава Средмаша 88-летний Е.П. Славский, покровительствовавший проектам мобильных АЭС. И нет ничего удивительного в том, что в феврале 1988 года согласно решению Совмина СССР и АН БССР проект «Памир-630Д» прекратил свое существование. Одним из главных мотивов, как значилось в документе, стала «недостаточная научная обоснованность выбора теплоносителя».

А вот какое развитие эта тема получает сейчас.

ОАО «Атомэнергопром» рассчитывает предложить мировому рынку промышленный образец передвижной АЭС малой мощности порядка 2,5 МВт.

Российский «Атомэнергопром» представил в в2009 году на международной выставке «Атомэкспо-Беларусь» в Минске проект блочной транспортабельной ядерной установки малой мощности, разработчиком которого является НИКИЭТ им. Доллежаля.

Как сообщил главный конструктор института Владимир Сметанников, блок мощностью 2,4-2,6 МВт способен работать 25 лет без перезагрузки топлива. Предполагается, что его можно будет в готовом виде поставить на площадку, произвести запуск в течение двух суток. Он требует в обслуживании не более 10 человек. Стоимость одного блока оценивается в сумму около 755 млн рублей, но оптимальное размещение — по два блока. Промышленный образец может быть создан через 5 лет, однако на проведение НИОКР потребуется еще около 2,5 млрд рублей

В 2009 году в Санкт-Петербурге была заложена первая мире плавучая атомная электростанция. Росатом на этот проект возлагает большие надежды: в случае его успешной реализации он ожидает массовых зарубежных заказов.

В Росатоме планируют активно экспортировать плавучие АЭС. По словам главы госкорпорации Сергея Кириенко, потенциальные иностранные заказчики уже есть, но они хотят увидеть, как будет реализован пилотный проект.

На руку строителям передвижных АЭС и экономический кризис, он только повышает спрос на их продукцию, — считает аналитик Unicredit Securities Дмитрий Коновалов. «Спрос будет именно потому, что электроэнергия этих станций является одной из наиболее дешевых. Атомные электростанции ближе к гидростанциям по цене за киловатт-час. И поэтому спрос будет как в индустриальных районах, так и в развивающихся регионах. А возможность мобильности и передвижения этих станций делает их еще более ценными, потому что потребности на электроэнергию в разных регионах тоже разные».

Россия первой решила строить плавучие АЭС, хотя в других странах такая идея тоже активно обсуждалась, но от ее реализации решили отказаться. Один из разработчиков Центрального конструкторского бюро «Айсберг» Анатолий Макеев рассказал BFM.ru следующее: «В свое время была идея использования таких станций. По-моему, американская компания ее предложила — она хотела построить 8 плавучих атомных электростанций, но это все провалилось из-за «зеленых». Есть вопросы и к экономической целесообразности. Плавучие электростанции дороже стационарных, да и мощность у них маленькая».

На Балтийском заводе началась сборка первой в мире плавучей атомной электростанции.

Плавучий энергоблок, построенный в Петербурге по заказу ОАО «Концерн Энергоатом», станет мощным источником электричества, тепла и пресной воды для удаленных регионов страны, постоянно испытывающих дефицит энергии.

Станция должна быть сдана заказчику в 2012 году. После этого завод планирует заключить еще контракты на строительство еще 7-ми таких же станций. Кроме того, проектом плавучей атомной станции уже заинтересовались зарубежные заказчики.

Плавучая атомная станция состоит из гладкопалубного несамоходного судна с двумя реакторными установками. Она может использоваться для получения электрической и тепловой энергии, а также для опреснения морской воды. В сутки она может выдать от 100 до 400 тысяч тонн пресной воды.

Срок эксплуатации станции составит минимум 36 лет: три цикла по 12 лет, между которыми необходимо осуществлять перегрузку реакторных установок.

Согласно проекту, постройка и эксплуатация такой атомной станции намного выгоднее постройки и эксплуатации наземных атомных электростанций.

Экологическая безопасность АТЭС присуща и последней стадии ее жизненного цикла — снятия с эксплуатации. Концепция снятия с эксплуатации предполагает транспортировку станции, отработавшей срок службы к месту проведения ее разделки для утилизации и захоронения, что полностью исключает радиационное воздействие на акваторию региона, где эксплуатируется АТЭС.

Несмотря на столь высокие требования к безопасности, экологи все равно усматривают угрозу в ПАТЭС. Их главным аргументом является статистка аварий и происшествий, произошедших с судами, на которых используются атомные установки. Но все-таки большинство аварий произошло до 90-х годов прошлого века, конкретней, в 60-х годах, то есть еще во время становления атомной энергетики как таковой. Как ни крути, технологии, в том числе безопасности, шагнули далеко вперед. Во-вторых, хоть ПАТЭС и будут строиться на базе технологий, использованных для строительства судов и субмарин, но уровень безопасности их, по заверениям «Росэнергоатома», будет превосходить даже наземные АЭС. И, наконец, эксперты приводят примеры тех же аварий, но при этом отмечают, что даже при крушении судна реактор остается в безопасности. Фото: img.lenta.ru»Учитывая то, что этот проект основан на огромном опыте плавающих объектов – ледоколов, подводных лодок, проект вполне безопасный. Пример, затонувшая подводная лодка «Курск». У нее было огромный взрыв в носу, лодка погибла, а установка ядерная осталась целая. Когда лодку подняли и в док поставили, оказалось, что можно установку запускать», — комментирует Андрей Гагаринский. «Проект плавучей атомной станции прошел все необходимые государственные экспертизы, в том числе, экологическую. Установки такого типа наработали около 7 тыс. реакторо-лет и на сегодняшний день являются, по мнению специалистов, самыми надежными в мире», — считает Михаил Залиханов.

Кстати: Эксплуатация ПАТЭС будет производиться вахтовым методом с проживанием обслуживающего персонала на станции. Продолжительность вахты четыре месяца, после чего происходит смена вахты-экипажа. Общая численность основного эксплуатирующего производственного персонала ПАТЭС, включая сменный и резервный составы, составит около 140 человек.

Для создания бытовых условий, соответствующих принятым стандартам, на станции предусмотрены столовая, бассейн, сауна, спортзал, салон отдыха, библиотека, телевидение и т.п. Для размещения персонала на станции имеется 64 одноместных и 10 двухместных кают. Жилой блок максимально удален от реакторных установок и от помещений энергетической установки. Численность привлекаемого постоянного непроизводственного персонала административно-хозяйственной службы, на который не распространяется вахтовый метод обслуживания, составит около 20 человек.

По словам главы «Росатома» Сергея Кириенко, если не развивать атомную энергетику России, то лет через двадцать она вообще может исчезнуть. Согласно поставленной Президентом России задаче, к 2030 году доля атомной энергетики должна увеличиться до 25%. Похоже, ПАТЭС призваны не дать сбыться печальным предположениям первого и решить задачи, поставленные вторым хотя бы отчасти.

Плавучие станции могут стать вообще уникальным российским проектом: в случае изготовления ПАТЭС для других государств, это будет тот же экспорт энергии из России, но уже не углеводородный.



Источники:
http://ezolife.info/?p=6192

http://bloggmaster.livejournal.com/1036854.html