Китай начал отапливать города от атомных реакторов. Будет ли так в России?
Пока Германия закрывает свои последние реакторы, КНР планирует ввести 150 новых атомных энергоблоков в ближайшие 15 лет. Что еще важнее, часть из них будет вырабатывать совсем не электричество, а нечто, многократно более востребованное нашей цивилизацией: тепло. На отопление человечество тратит намного больше энергии, чем на электроэнергетику, а отапливаться от солнечных батарей и ветряков не выйдет наверняка. Несколько процентов от выработки электроэнергетики и сегодня уходят на отопление — но более 90% нужды в тепле покрывает не она, а обособленная от нее теплоэнергетика, в виде котельных в жилых кварталах и газовых котлов в отдельно стоящих домах. Заменить эти источники одной электроэнергией невозможно: от нее тепло будет выходить в несколько раз дороже.
Именно поэтому Китай, этот промышленный локомотив планеты, уже начал «топить ураном». Но вроде бы считается, что АЭС «нельзя держать близ городов»? Ведь во времена СССР отопительные реакторы уже начинали строить массово, но потом в России эти проекты были «зарезаны». Есть ли смысл нам — и всему миру — вернуться к ним вновь?
Атомная электростанция Циньшань находится прямо в городской черте — в городском округе Цзясин. Здесь живет 4,5 млн человек. То есть будь Цзясин в России, он был бы третьим по размеру ее городом, сразу после двух столиц. В зиму 2021/2022 года здесь начали отапливать плотную городскую застройку от АЭС.
Почему Naked Science решил обратить внимание на этот факт? Потому что по телевизору часто рассказывают про то, что скоро весь мир покроется ветряками и солнечными батареями, а топить будут водородом. Германия в следующем году закрывает все свои АЭС. Япония заглушила все свои реакторы еще к 2012 году. Правда, теперь в Японии почему-то строятся сразу 22 угольные ТЭС, но, быть может, у японцев просто помрачение ума? Ведь и Байден, и Грета Тунберг едины в том, что будущее за ВЭС и СЭС, а никак не за углем или атомом.
И тем не менее расширение отопления городских кварталов от атомных реакторов — возможно, одно из важнейших событий последнего времени в современной энергетике. Мы говорим «расширение», потому что это не первый шаг Китая в этом направлении, хотя и очень крупный. Чтобы понять, отчего Пекин придает атомному отоплению такое значение, нужно обратиться к цифрам.
Они таковы: 17% всех затрат первичной энергии человечеством приходится на электроэнергию. И около половины — на получение тепла. Только на отопление и нагрев горячей воды ее уходит куда больше, чем на обеспечение работы всех электростанций мира (а ведь есть еще тепло для промышленных процессов). Если мы получаем тепло из ископаемого топлива, оно стоит нам намного дешевле, чем если мы отапливаемся электричеством. Это потому, что КПД ТЭС в лучшем случае 60% (но бывает и ниже), да и турбина электростанции стоит дорого. А вот КПД газового котла — около 90%, и никакой дорогой и сложной турбины там нет — только горелка и теплообменник.
Иными словами, ветряки и солнечные батареи не позволят решить вопрос отопления для США и Канады. Конечно, их можно построить в нужном количестве (даже несмотря на то, что зимняя выработка солнечных батарей втрое ниже летней, а ветряки в безветренные морозные антициклоны могут вообще остановиться на пару недель), но вот цена такого отопления будет в несколько раз выше современной, а такого не выдержит ни одна экономика стран с умеренным климатом.
Атомные станции теплоснабжения и политический хайп: в России — 0:1
В 1981 году советские атомщики совершенно корректно заключили: «Даже если все электростанции перевести на атомное горючее, эффект был бы не очень значительным: потребление природного топлива уменьшилось бы лишь на 20%». Сейчас ситуация не слишком изменилась: по-прежнему лишь ⅙ всех энергозатрат человечества приходится на электроэнергию, остальное уходит либо на получение тепла, либо на транспорт. Даже полный переход всей электроэнергетики на ВЭС и СЭС не сможет снизить потребление углеродного топлива больше чем на 1/6 — ровно так, как указали в СССР далекие сорок лет назад.
Все в том же 1981 году советские атомщики предложили и решение этой проблемы. Они имели в виду атомные станции теплоснабжения, АСТ-500, тепловой мощностью на 500 мегаватт. У тогдашних АЭС были санитарные зоны радиусом 25 километров, поэтому их было невозможно размещать рядом с жилыми кварталами. А прокачивать горячую воду на дистанцию более 20 километров невыгодно: затраты энергии на прокачку (и потери тепла при прокачке) становятся слишком большими, сравнимыми с тем теплом, которое эта вода может принести.
Идея АСТ-500 как раз и состояла в том, чтобы эту проблему решить. «Отопительный реактор» должен был иметь санитарно-защитную зону радиусом не более километра. Поэтому подобные станции разрешалось строить на удалении всего 2 километра от перспективной черты строительства города. Для этого требовалось добиться одного: практически нулевой вероятности выброса серьезного количества радионуклидов за пределы атомной станции.
Разработчики АСТ подошли к вопросу очень основательно. Их реактор был водо-водяным, но, в отличие от водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), где водяной пар нагревали до 300 градусов с небольшим при 160 атмосферах, здесь водяной пар нагревали всего до 200 градусов, и давление в его контурах нигде не было выше 16 атмосфер. Десятикратное снижение давление означало резко сниженную вероятность прорыва корпуса.
Все три контура охлаждения реактора разместили в его корпусе, а это исключило наличие труб, из которых при прорыве может уйти пар и вода. Тот же фактор означал, что в новом реакторе не нужны насосы принудительной циркуляции охлаждающей воды: при таких параметрах более чем хватало естественной циркуляции. Низкая температура работы позволяла использовать в качестве топлива отработавшее топливо реакторов ВВЭР, производящих электричество.
Что получилось в итоге? Классический водо-водяной реактор может дать радиоактивное загрязнение в двух сценариях. При первом по какой-либо причине прекращается подача охлаждающей воды в активную зону, где стоят урановые топливные сборки. Вода перегревается до многих сотен градусов, взаимодействует с циркониевыми топливными сборками (пароциркониевая реакция) и образует смесь водорода и кислорода. Та может дать взрыв, способный разрушить корпус реактора — примерно как в Чернобыле. Но пароциркониевая реакция начинается при 861 °C, и в АСТ таких условий не бывает. И даже при переразгоне такой разогрев не получится: содержание урана-235 в топливе этого реактора всего на 1,8% ниже, чем у ВВЭР,
Второй сценарий проблем водо-водяного реактора — фукусимский. Пропало электричество, питающее охлаждающие насосы, активная зона реактора перегрелась и топливные сборки частично расплавились (плюс пароциркониевая реакция). Опять-таки, в АСТ это не выйдет: охлаждающих насосов просто нет, перегрев из-за их остановки невозможен.
В самом худшем возможном случае корпус АСТ может быть пробит сверхмощным внешним взрывом, после чего вода из него частично выкипит в атмосферу. Но при этом нейтроны перестанут замедляться (ведь их замедляла та самая вода, что в таком сценарии выкипит), и реактор начнет тормозиться. Остаточное тепловыделение могло расплавить активную зону лишь после длительного цикла выкипания вообще всей воды (впрочем, и тогда взрыва с выбросом радионуклидов не произошло бы). Радиус санитарно-защитной зоны реактора составил всего километр.
Советские атомщики делали из этого однозначный вывод: «Следовательно, появляется возможность приблизить атомный источник теплоснабжения непосредственно к населенному пункту».
В 1982–1983 годах близ Горького (ныне Нижний Новгород) и Воронежа начали строить две такие станции, каждая — с парой АСТ-500. Два первых тепловых атомных гигаватта должны были начать работать в 1991 году, заменив много сотен малоэффективных котельных на твердом топливе и мазуте. Как мы знаем сегодня, такие котельные интенсивно убивают людей микрочастицами, вызывающими инфаркты и инсульты.