12 сентября 2023 мэр Эрландас Галагуз, вице-мэр Александра Григене, директор администрации Виргиниюс Андрюс Букаускас, завотделом стратегического планирования и управления инвестициями Виктория Абаравичене и ст. специалист этого отдела Инга Станкявичене встретились с директором Музея энергетики и техники Миколасом Бистришкисом.
Во время встречи обсуждались принципы сохранения наследия атомной энергетики с целью развития атомного туризма, а также объекты и пространства, расположенные на территории Висагинаса, которые потенциально привлекательны для того, чтобы представить историческую общность атомной станции и города. Также в ходе встречи обсуждалась возможность сотрудничества по созданию висагинского Музея энергетики.
Атомное культурное наследие является быстро развивающейся областью во многих европейских странах в связи с закрытием атомных электростанций, их влиянием на местные сообщества и проблемами, связанными с утилизацией ядерных отходов.
Международный исследовательский проект «Атомные пространства: сообщества, материальность и объекты атомного культурного наследия (NuSPACES)» поспособствовал сотрудничеству между Висагинским самоуправлением и Музеем энергетики и техники.
Кроме того, этот проект способствует поиску интересных решений для создания ядерно-физических и инженерных пространств в Висагинском самоуправлении, в которых рассказывалось бы об атомной энергетике.
Стоит напомнить, что в марте 2020 года в Висагинасе был представлен другой проект международного сотрудничества - «Атомное культурное наследие: от знаний к практике».
Доклад по нему тогда сделала координатор проекта, доцент Кингстонского университета в Лондоне Эгле Риндзявичюте.
Этот международный проект финансировался Научно-исследовательским советом по искусству и гуманитарным наукам Соединенного Королевства (AHRC) и Кингстонским университетом. Официальными партнерами проекта были Музей науки в Лондоне, Университетский колледж Лондона и Центр атомных исследований Dounreay в Великобритании.
В рамках представленного в 2020 году проекта проводились исследования о том, из чего состоит атомное культурное наследие, как документировать и демонстрировать историю ядерной промышленности в музеях, как историческая документация помогает обеспечивать безопасную организацию утилизации радиоактивных отходов и другое.
После марта 2020 года никакой информации о проекте «Атомное культурное наследие: от знаний к практике» у нас больше не было – возможно, этому помешала пандемия.
Теперь в Висагинасе вновь вернулись к теме атомного наследия и, возможно, стоит связаться с координатором проекта, представленного в 2020 году, чтобы качественно выполнить все планы по сохранению наследия атомной энергетики.
В статье использована информация Висагинского самоуправления
Основным трендом, упорно продвигаемым в глобальной экономике в последние десятилетия, было ее «озеленение» за счет последовательного отказа от использования ископаемого топлива и атомной генерации, которые были объявлены экологически вредными и опасными. Однако, если судить по общему количеству стартапов в этой сфере по всему миру, атомная энергетика, напротив, переживает свой ренессанс.
Молодо-«зелено»
Почему так происходит, догадаться нетрудно. «Зеленая» повестка и борьба за экологию – это, конечно, хорошо, но есть и объективные экономические реалии, которые просто нельзя игнорировать. Топливная составляющая в себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, больших и малых, находится в диапазоне от 3% до 5%. В газовой же энергогенерации стоимость топливной составляющей достигает уровня от 70% до 80%. Когда стоимость природного газа за год-полтора скакнула в разы, это сделало убыточным промышленное производство даже в развитой Германии, откуда теперь многие технологические компании засобирались в бизнес-эмиграцию. Если же стоимость урана для АЭС подскочит в несколько раз, для конечного потребителя электроэнергии изменение тарифов окажется не столь критическим.
Иначе говоря, именно атомная энергетика оказалась наиболее соответствующей новым экономическим реалиям. Она дает малый углеродный след, не зависит от капризов природы, как возобновляемые «зеленые» источники, ее стоимость адекватна и предсказуема, что и требуется. К ее минусам можно отнести достаточно высокий порог входа: АЭС строятся достаточно долго и стоят дорого. Неудивительно, что по всему миру в настоящее время активно разрабатываются проекты мини-АЭС, или атомных станций малой мощности (АСММ).
АСММ/SMR
По состоянию на 2020 год в мире насчитывалось свыше 70 проектов в области мини-АЭС (SMR - Small Modular Reactor, по западной классификации), причем 17 приходилось на Россию. Современный энергоблок АЭС имеет мощность в среднем на уровне в 1100-1600 МВт. Это огромные дорогостоящие сооружения, однако они позволяют генерировать самую дешевую и экологически чистую с точки зрения выбросов углерода электроэнергию. Но позволить себе заказать у какого-нибудь «Росатома» строительство такой АЭС могут не только лишь все. Именно поэтому чрезвычайно перспективным направлением считается малая атомная энергетика, к которой по классификации МАГАТЭ относятся станции электрической мощностью до 300 МВт. Кроме того, выделяются еще и так называемые микро-АЭС с мощностью до 10 МВт.
К конструктивным особенностям SMR относится их модульность, которая позволяет не строить гигантскую АЭС прямо на месте, а производить большую часть оборудования серийно на заводе и в виде модулей доставлять на площадку. Сроки строительства мини-АЭС должны сократиться до 2-3 лет по сравнению с 5-10 годами у традиционных АЭС. Компактные размеры позволят даже размещать малые атомные электростанции под землей, что снизит риски радиационных аварий и утечек. Современная автоматика даст возможность эксплуатировать такую мини-АЭС с меньшим персоналом, что также приведет к сокращению расходов. Атомные электростанции малой мощности можно построить, используя различные технологии и в разных конфигурациях: водо-водяные реакторы наземного базирования, SMR морского базирования, быстрые реакторы, реакторы на расплавах солей и микрореакторы.
Более половины стартапов используют водо-водяные реакторы, которые применяются на 80% больших АЭС. Отличие состоит в меньших размерах и интегральной компоновке: большинство компонентов первого контура, включая парогенераторы, находятся прямо внутри корпуса реактора. По такому принципу реализован, в частности, проект NuScale от одноименной американской компании, которая разработала энергоблок мощностью от 60 МВт до 77 МВт. В общем бассейне мини-АЭС, обеспечивающем безопасность при расхолаживании и операциях перегрузки топлива, смогут разместиться, на выбор, 4, 6 или 12 модулей суммарной мощностью 308, 462 и 924 МВ, соответственно. Перегрузка 1/3 ядерного топлива должна осуществляться раз в два года. Компания-разработчик обещает стоимость электроэнергии на уровне $40-$65 за МВт*ч.
Интегральную компоновку также имеют китайский реактор ACP100 и аргентинский CAREM. В КНР два первых малых энергоблока мощностью в 125 МВт размещены на площадке действующей АЭС «Чанцзян» на острове Хайнань, под землей. На основе данной технологии предполагается создать целую линейку многофункциональных реакторов мощностью от 25 до 200 МВт, включая плавучие АЭС. В Аргентине работы в данном направлении начались еще 30 лет назад, а строительство первого энергоблока CAREM мощностью чуть более 30 МВт стартовало в 2014 году. На основе данной технологии предполагается создать серию аргентинских мини-реакторов мощностью в 100-200 МВт. В Канаде планируют к 2028 году построить кипящий реактор BWRX-300 и тяжеловодный CANDU SMR. В Чехии есть свой проект тяжеловодного реактора для мини-АЭС под названием TEPLATOR.
Заметим, что Россия является одной из немногих стран, которые имеют реально работающие мини-АЭС. Первыми водо-водяные реакторы малой мощности спроектировали США и СССР для нужд своего флота, подводного и надводного. С середины прошлого века в нашей стране малые ядерные реакторы устанавливались на атомных ледоколах, и к настоящему времени сменилось уже четыре поколения - ОК-150 (а/л «Ленин», 1957 г), ОК-900А (а/л «Арктика» проект 10520), КЛТ-40 (а/л «Таймыр» проект 10580) и РИТМ-200 (УАЛы проект 22220). На их основе и была создана российская плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС), которая направлена на Чукотку для замены старой Билибинской АЭС и угольной ТЭС. Плавучие АЭС следующего поколения строятся с реакторными установками РИТМ-200 мощностью по 55 МВт и сроком службы до 60 лет, перегрузка топлива в которых нужна будет всего раз в 10 лет.
По факту, российский РИТМ-200 на текущий момент самый массовый и освоенный реактор для малых АЭС. Свою морскую версию компактного ВВР ACPR50S электрической мощностью 50 МВт в настоящее время строят в Китае. Датская компания Seaborg совместно с южнокорейской судостроительной компанией Samsung Heavy Industry разрабатывает плавучую АЭС с жидко-солевым быстрым реактором мощностью от 200 до 800 МВт и сроком службы в 24 года.
Помимо водных реакторов, многие перспективные мини-АЭС используют быстрые реакторы с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ). Например, это реактор Natrium, совместная разработка компании TerraPower Билла Гейтса и GE Hitachi Nuclear Energy. Стартап представляет собой энергоблок с быстрым натриевым реактором электрической мощностью 345 МВт в комбинации с системой накопления тепла в виде емкостей с расплавами солей, которая позволит ему временно повышать мощность до 500 МВт и работать таким образом в маневренном режиме. В нашей стране давно существуют быстрые натриевые реакторы, работающие на энергоблоках БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС. В Димитровграде ведется строительство исследовательского натриевого реактора МБИР нового поколения.
Перспективным направлением в области малых АЭС считаются газоохлаждаемые реакторы, использующие в качестве теплоносителя гелий, который может разогреваться до 700-900 градусов. В КНР первый такой энергоблок начал работать в 2021 году на АЭС SHIDAO BAY. В США существует его аналог под названием Xe-100 от компании X-Enegry, а вот в России такие проекты пока есть только на бумаге. Также к SMR относятся жидкосолевые реакторы, или реакторы на расплавах солей, которые разрабатываются в рамках нескольких стартапов. Это жидкосолевой реактор KP-FHR электрической мощностью 140 МВт и КПД 45% от американской компании Kairos Power, а также жидкосолевой реактор SSR-W от канадо-британской компании Moltex Energy. Отечественный ЖСР предполагается построить на Горно-химическом комбинате в Железногорске.
Одно из самых интересных направлений в атомной энергетике – это перспективные микро-АЭС с мощностью до 10 МВт. В Соединенных Штатах компанией BWXT для нужд американской армии разрабатывается газоохлаждаемый реактор Pele с TRISO-топливом мощностью до 5 МВт. В России есть свои аналогичные по сути проекты «Шельф-М» и «Елена АМ». «Шельф-М» — это водо-водяной реактор интегральной компоновки тепловой мощностью около 30 МВт и электрической до 10 МВт, где топливо обогащением 19,7% рассчитано на 8 лет работы без перегрузки. Первая микро-АЭС с реактором данного типа может появиться в Якутии к 2030 году. «Елена АМ» — это водо-водяной реактор тепловой мощностью 3 МВт с прямым термоэлектрическим преобразователем для выдачи до 400 кВт электроэнергии, в котором топливо с 15% обогащением рассчитано на 25 лет работы установки.
Таким образом, несмотря на все попытки «зеленых» ее похоронить, атомная энергетика живее всех живых и имеет прекрасные рыночные перспективы. Современные экономические условия требуют надежного источника недорогой и экологически чистой электроэнергии, и дать ее может именно мирный атом. Будущее мировой энергетики – это сочетание АЭС, больших, малых и микро, с иными источниками генерации, которое будет для каждого заказчика оптимальным.
В потоке входящей информации совершенно затерялось событие, которое по значимости для человечества гораздо важнее, чем, скажем, высадка на Луне или Марсе. Я бы сравнил это с изобретением электричества, паровой машины или реактивного двигателя. Эта технология способна решить энергетическую проблему всего человечества, причем на 1000 лет вперед. Замкнутый ядерный цикл – достижение российских учёных Ядерная физика – сложная наука. Поэтому тут я постараюсь объяснить реально на пальцах, чтобы поняли вообще все. К мелочам просьба не докапываться, опишу лишь саму модель. Итак, все знают, что в атомных электростанциях в качестве топлива используется уран. Один грамм урана в атомной реакторе способен выдать столько же энергии, сколько 2,5 тонны угля. Достаточно всего 1 кг урана, чтобы огромная АЭС работала в течение суток и снабжала энергией миллионный город. Однако, в данном процессе имеется загвоздка. Давайте проведем аналогию с обычными дровами, чтобы было понятнее. Вот мы взяли охапку дров и бросили в печь. Дрова горят, горят, отдают всю свою энергию и в конце получается зола. Эта зола уже не может гореть, в ней, грубо говоря, нет энергии. Это отход, который выбрасывают. Ну, или используют по другому назначению. При этом, зола составляет, условно, только 1% от начального веса дров. То есть 99% от массы дров приносят нам пользу в виде тепла и света. И лишь 1% уходит на отходы. В случае с ядерным топливом всё ровным счетом наоборот. Я не помню точных цифр, но примерно можно сказать, что атомный реактор способен использовать около 5% от "потенциала" ядерного топлива. Остальное буквально "выбрасывается" на отходы. Те самые ядерные отходы, которые копятся на АЭС всего мира и никто не знает, куда их девать. Их просто закапывают в землю (в бетонных резервуарах) и все. На этом технология исчерпывается. Если сравнивать с дровами, то представьте, что мы кидаем дрова в печку, они только-только разгораются и тут мы их вынимаем, тушим и убираем на склад на вечные времена. Малоэффективно, правда? Так вот. В России наконец-то довели до ума технологию замкнутого ядерного цикла. Не вдаваясь в подробности можно сказать, что создан и успешно испытан такой реактор, который работает на ядерных отходах. То, что раньше выбрасывалось (несгоревшие дрова), теперь будет дожигаться. Насколько я помню, дожигаться тоже не до конца, но все равно, новый реактор способен извлечь из урана в десятки раз больше энергии, чем это делали традиционные реакторы. Таким образом, то что раньше считалось ядерным отходом, теперь превратится в ядерное топливо. С фантастическими перспективами. Средний атомный реактор (старого типа) вырабатывает 25 тонн ядерных отходов в год. Этих реакторов по миру – сотни. И работают они уже десятки лет. Короче говоря, в мире накопились тысячи тонн ядерных отходов. И в этих отходах в десятки и сотни раз больше энергии, чем уже было извлечено на АЭС старого типа. То есть, если продолжить развивать технологию замкнутого ядерного цикла (думаю, теперь вы понимаете, почему она так называется), то даже не обязательно будет добывать новый уран. Можно будет просто сжигать уже накопившиеся "отходы" со всех станций мира. 1000 лет – это я так, навскидку сказал. Думаю, энергии там хватит на десятки тысяч лет. Учитывая, что еще и в недрах Земли урана огромное количество. Говорят, урана на планете в 1000 раз больше, чем золота. Очень странно, что новость об успешных испытаниях нового реактора (работающего на отходах) осталась практически незамеченной. Это же реальное спасение для человечества. К тому же, оно не только даст нам энергию, но и избавит от накопившихся ядерных отходов. Планета станет чище и безопаснее.
В таком виде вынимаем и отправляем на вечное хранение
До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?
Сперва констатируем факт: на планете есть серьезный энергетический кризис. Углеродного топлива на ней достаточно, это правда. Но даже самое безопасное из них, природный газ, убивает по 4000 человек на каждый триллион выработанных киловатт-часов. Уголь, не говоря уже о биотопливе, убивает много больше — ведь при сгорании он дает больше микрометровых частиц (PM2,5). А именно они, проникая через легкие в кровь, убивают людей, вызывая тромбозы, инфаркты и инсульты, которые все мы принимаем за обычные «болезни, вызванные стрессом». В США от тепловой энергетики умирают десятки тысяч людей в год, а в мире речь идет как минимум о сотнях тысяч погибших ежегодно. Эта проблема давно и серьезно беспокоит ученых, советские академики еще в 1980-х считали отказ от тепловой энергетики неизбежным будущим — именно из этих, экологических соображений.
Современной публике эта ситуация известна мало, и вы не услышите о ней от политиков. Однако и публике, и политикам известны другие соображения, требующие отказа от углеродной энергетики – «потепленческие». По ним, глобальное потепление — катастрофа, и чтобы ее избежать, от углеродных топлив надо отказаться.
Мы уже не раз писали, что в действительности глобальное потепление снижает смертность. Например, в последнем исследовании по этой теме — на 15 тысяч человек в год только за последние 20 лет. Писали мы и о том, что антропогенные выбросы углерода привели к рекордному расцвету земной растительности и значительному росту урожаев. Но все это вовсе не означает, что с углеродным топливом не надо бороться. Тезисы советских академиков ничуть не устарели и сегодня: углеродное топливо убивает огромное количество людей каждый год, и в России — в том числе.
Так что же современная наука и технологии могут предложить, чтобы, наконец, покончить с этой невидимой войной, дающей сотни тысяч убитых ежегодно? Когда уже термоядерная энергетика выключит последнюю ТЭС? Увы, никогда.
Плюсы термояда неоспоримы…
Термоядерная энергетика с 1960-х — полвека! — обещает нам невиданные перспективы. Килограмм плутония при распаде дает 23,2 миллиона киловатт-часов (в пересчете на тепло), а килограмм дейтерия и трития в термоядерных реакторах — 93,7 миллиона киловатт-часов на килограмм. Разница – в четыре раза, что много. К тому же, воды на планете больше, чем ядерного топлива, а 1/6500 всей воды – суть дейтерий, термоядерное топливо.
Второе преимущество термоядерного реактора: при слиянии ядер атомов его топлива получается гелий и нейтрон. Нейтрон так или иначе из реактора далеко не улетит, а гелий безвреден. Какое-то количество радиоактивного трития в процессе утекает из зоны слияния ядер, но из реактора не выходит, да и радиоактивность от него, если честно, ничтожная. Полураспад трития — 12,3 года, заметно меньше, чем у типичных опасных изотопов, остающихся от распада атомов урана и плутония (это, например, нестабильные изотопы цезия). Если с отработавшим топливом АЭС ничего не делать, оно останется небезопасным тысячи лет. Отработавшее топливо термоядерного реактора будет безопасно уже через 150 лет.
Третье преимущество термоядерного реактора: в отличие от ядерного, в нем невозможна самоподдерживающаяся реакция. Без огромных усилий по поддержанию высокого давления и температуры реакция сразу остановится. Окружающее вещество реактора реакцию подпитать никак не может: там ядра атомов тяжелее дейтерия и трития. Их слияние просто не даст выделения энергии, которое могло бы расплавить активную зону (как на Фукусиме) или перегреть теплоноситель (как в Чернобыле). Явный плюс по безопасности. По крайней мере, так кажется на первый взгляд.
Увы, все эти преимущества, о которых нам рассказывали десятилетия, мягко говоря, не совсем точно описывают ситуацию. Не более, чем рассказы о грядущем переходе на «сплошную солнечную и ветровую энергетику».
…Или нет
Начнем с повышенной отдачи на единицу топлива. Бесспорно, дейтерий и тритий дают вчетверо больше энергии на килограмм топлива, но есть нюанс. Он в том, что никакого дефицита топлива нет и в ядерной энергетике — даже близко. Напомним: в России уже работает реактор, использующий плутоний. Это реактор-размножитель: в нем плутоний можно нарабатывать из обычного урана-238, получая на выходе больше делящегося топлива (плутония), чем на входе.
У одной только России уже добытого урана-238 более 700 тысяч тонн. Даже при скромном КПД в 34% из этого можно получить более 5,5 квадриллионов киловатт-часов. Это потребление всей планеты за более чем 200 лет. Надо понимать, что уже добытого урана-238 в других странах тоже довольно много. То есть, используя быстрые реакторы и не добывая никакой урановой руды вовсе, человечество сможет покрывать свои энергетические потребности многие столетия. Если же оно еще и руду будет добывать, то в ближайшие десятки тысяч лет о проблеме «нехватки топлива» следует сразу забыть. И это мы даже не затронули тот факт, что урана в морской воде много больше, чем в урановых рудах на суше.
Второе преимущество термояда — малый срок опасности его радиоактивных отходов — имеет похожую степень актуальности. Дело в том, что уже существующие быстрые реакторы типа БН-800 позволяют вовлечь в работу 95% всего отработавшего топлива. Планируемый к постройке в Сибири реактор на расплаве солей способен вовлечь в энергетический цикл еще 4%. Остается один-единственный процент — но он состоит из изотопов, которые уже через 500 лет будут иметь радиоактивность на уровне природной урановой руды.
У термояда этот срок равен 150 годам, что кажется преимуществом. Но дело в том, что для обеспечения энергией всей планеты на 500 лет вперед нужно порядка 10 миллионов тонн ядерного топлива. Один процент от этого числа — сто тысяч тонн. В силу высокой плотности ядерного топлива, это всего несколько тысяч кубометров. Если все их собрать в одном месте, то получится куб со стороной менее 20 метров. Речь идет о крайне малом объеме, который легко можно хранить прямо на открытых площадках работающих АЭС, как это, собственно, и делается с радиоактивными отходами сегодня, в прочных контейнерах.
А вот отходы термоядерной энергетики, хотя и меньшие по массе, но радикально менее плотные. Поэтому, несмотря на срок хранения в 150 лет, места на открытых площадках они займут примерно столько же, сколько и отходы ядерных реакторов.
Хорошо, но что с безопасностью? Кажется, здесь-то преимущество термояда неоспоримо: у него неконтролируемого разгона реактора быть не может?
И опять утверждение по существу верное… но опять есть нюанс. Он в том, что в современных атомных реакторах тоже не может быть никакого серьезного неконтролируемого разгона — просто в силу законов физики. Если в существующей АЭС начнется разгон реакции деления ядер, и само топливо, и теплоноситель рядом с ним нагреются. В обычном серийном реакторе тепло отводит вода — и при перегреве она закипит, резко потеряв в плотности. Но та же вода замедляет тепловые нейтроны, и если она становится менее плотной — замедление падает. Быстрые нейтроны захватываются ураном-235 намного хуже, чем медленные, — и реакция деления автоматически резко затормозится.
В быстром реакторе типа БН-800 ситуация иная. Замедлителя там нет, небольшую часть нейтронов захватывает натриевый теплоноситель. Но и он при нагреве резко теряет плотность и меняет тем самым нейтронные свойства внутри реактора. Тот опять-таки тормозится. Сам, просто в силу законов физики.
То есть, да, термоядерный реактор не может неконтролируемо разгоняться… но это не дает ему никаких преимуществ над современными АЭС, потому что они тоже не могут этого сделать.
А как же Чернобыль — почему там был неконтролируемый разгон и гибель людей? Все дело в том, что там был реактор совсем другого типа — немодернизированный РБМК. Строго говоря, сам по себе он тоже не мог неконтролируемо разогнаться. Но при проектировании допустили просчет, из-за которого замедление нейтронов в активной зоне при вводе аварийных стержней торможения росло, а не падало. Этот недостаток был известен проектировщикам, и они уведомили о нем АЭС с такими реакторами — но сделали это непонятным для обычных людей языком, отчего и случился Чернобыль.
«Современные ядерные реакторы безопасны — вопреки тому, что думают люди».
Илон Маск
Но у сегодняшних реакторов такая ситуация невозможна по чисто физическим причинам: они исходно спроектированы так, что нажатие педали «ядерного тормоза» не ведет к их разгону, как это было с РБМК.
Подведем итоги. Все три теоретических преимущества термоядерных реакторов — избыток топлива, решение проблемы радиоактивных отходов и безопасность — уже решены для атомных реакторов. Более того, как мы покажем ниже, это далеко не все.
Почему ядерные реакторы будут лучше термоядерных и через полвека?
Ключевая проблема термояда заключается в том, что он экономически не сможет конкурировать с АЭС — скорее всего, никогда.
Все дело в том, что для слияния ядер атомов им нужно преодолеть кулоновский барьер. В центре Солнца это делать просто: кругом десятки миллионов градусов и огромное давление. В термоядерном реакторе такого давления нет и нужно компенсировать это дополнительным нагревом — минимум до ста миллионов градусов. Жарче, чем в центре Солнца, и в тысячи раз жарче, чем на его поверхности.
Термоядерный реактор нагревает плазму с дейтерием и тритием до таких температур за счет ее удержания сильнейшим магнитным полем. Сильнейшее оно потому, что если такую плазму не удержать в центре вакуумной камеры, то она повредит любой мыслимый материал — просто прожжет его.
Так вот: магнитная ловушка такого типа требует больших, сверхмощных магнитов, сделанных из сверхпроводящих материалов — и охлаждаемых жидким гелием. Установка такого удержания фантастически сложная и очень трудоемкая. В том числе и за счет нее экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР стоит 25 миллиардов евро. Это цена шести гигаваттных реакторов Росатома — с годовой выработкой в полсотни миллиардов киловатт-часов. Что, напомним, равно одной двадцатой энергопотребления такой страны, как Россия.
А вот у ИТЭР мощность совсем не полдюжины гигаватт, а лишь 500 «тепловых» мегаватт. Причем реактор экспериментальный — он не может выдать ее постоянно, только во время коротких импульсов. Да и его энергозатраты в режиме нагрева могут превышать 700 мегаватт, что больше, чем возможная энергетическая отдача.
Представим себе на секунду, что все проблемы термоядерных реакторов решены, они держат плазму постоянно и не затрачивают на ее разогрев вообще нисколько энергии. Может быть, термояд станет конкурентоспособным хотя бы тогда?
Увы, нет. При существующих и перспективных типах реакторов это просто невозможно. Возьмем тот же ИТЭР: реактор там высотой 30 метров и диаметром 30 метров, мощность, напомним, всего 500 тепловых мегаватт в импульсе. Обычный атомный реактор БН-800 имеет высоту активной зоны меньше метра, а диаметр порядка 2,5 метра. При этом его постоянная (а не импульсная) тепловая мощность — более 2000 мегаватт. Кстати, будущие термоядерные реакторы будут еще крупнее ИТЭР. Ясно, что здание вокруг ИТЭР (и его преемников) нужно радикально крупнее и дороже, чем вокруг БН-800 (и это так и есть на практике).
Кроме этого в стоимость термоядерного реактора надо включить большую вакуумную камеру (в которой атомный реактор не нуждается). И огромный набор сверхпроводящих магнитов с охлажденным жидким гелием. Легко понять, что при их учете экономически сравнивать термоядерные и ядерные электростанции довольно сложно.
Отдельно оговоримся: все это остается верным при любых изменениях в ценах на дейтерий, тритий, уран или плутоний. Дело в том, что даже у АЭС доля цены топлива в итоговом киловатт-часе — всего 5%. Мыслимые изменения этой цены, таким образом, на стоимость электричества почти не влияют. Больше всего влияют капиталовложения при строительстве — и они у термоядерных реакторов намного выше. И останутся выше во всем обозримом будущем.
Причина — все в той же физике. Чтобы запустить атомный реактор, достаточно просто поднести друг к другу стержни с плутонием-239 или ураном-235. Нейтроны, которые их атомы испускают спонтанно, сами запустят цепную реакцию деления ядер. Чтобы запустить термоядерный — нужна многометровая вакуумная камера с сотней миллионов градусов в ее центре. Нет никаких путей развития, которые позволили бы такому сооружению иметь ту же цену, что небольшая (2х1 метр) емкость с натрием — безо всякого вакуума, и с температурами заведомо ниже одной тысячи градусов.
Основная часть стоимости и АЭС, и термоядерных электростанций — это капиталовложения. И у последних они всегда будут много выше, чем у АЭС. А это заведомо перекрывает любую экономию из-за меньшей массы потребляемого топлива.
Следует отдельно пояснить: несмотря на все сказанное, ИТЭР — замечательный научный проект, что-то типа Большого адронного коллайдера. Да, он дорог, но позволяет больше узнать о контроле над высокотемпературной плазмой, что рано или поздно может пригодиться и в совсем иных областях. Просто не стоит ждать от него будущего энергетического изобилия: за термоядерными реакторами нет такого греха, как низкие цены.
Что же получается — из энергетического тупика нет выхода?
Тот же Илон Маск считает, что нужды в термоядерном реакторе нет еще и потому, что в небе уже горит один такой. Достаточно собирать его энергию, полагает предприниматель, нет смысла пытаться построить новый. Однако, к сожалению, главным источником мировой генерации не может стать и солнечная энергетика. И это, если уж на то пошло, одна из причин, по которым все тот же Маск ратует за строительство реакторов атомных.
Мы не раз в деталях описывали, почему ветровая и солнечная энергетика не смогут закрыть энергетику углеродную. Для развитых стран это невозможно чисто технически, даже если вы оснастите их огромным количеством накопителей электроэнергии. Ведь и США, и ЕС, и почти все развитые страны мира находятся в тех частях земного шара, где зимняя выработка солнечных электростанций в разы ниже, чем летняя. Запасти энергию на полгода вперед нельзя: нужный объем аккумуляторов для США будет стоить столько же, сколько их годовой ВВП. Ветряки не смогут справиться с той же задачей из-за долгих морозных антициклонов, когда их выработка может упасть вообще до нуля.
Отдельно мы рассматривали и вопрос о том, почему водородная энергетика не в состоянии решить этот вопрос накоплением водорода, выработанного летом (и в период сильного ветра), и расходом этого водорода зимой. Если коротко: такой «зеленый водород» выходит настолько дорогим, что попытка его массового использования торпедирует даже самую сильную экономику.
Выше мы разобрали то, почему термоядерная энергетика никогда не сможет стать перспективнее ядерной. Получается, что никакого выхода нет вообще?
На самом деле, ситуация чуть более сложная. Выход, в теории, есть уже сорок лет — но на практике можно гарантировать, что им никто не воспользуется.
Взглянем на ситуацию трезво: сегодняшний мир не просто основан на углеродной энергетике, но и делает все, чтобы остаться основанным на ней в будущем. Каждый политик и каждый эколог, который выступает за полное замещение ТЭС ветряками и солнечными батареями, на деле выступает за вечную зависимость от ТЭС. Все дело в том, что мы очертили выше: ветряки и солнечные электростанции имеют нестабильную выработку, которая меньше всего в безветренные зимние морозные дни.
Чем больше вы введете в строй ВЭС и СЭС — тем больше вы будете зависеть от электричества ТЭС зимой. Например, в основном ядерная Франция зимой зависит от ТЭС слабо: ее электростанции работают 24 часа в сутки, вне зависимости от погоды. Дания зимой зависит от ТЭС (в том числе ТЭС соседей) куда сильнее: в морозный антициклон ее ветряки стоят.
У этого подхода есть четко сформулированная еще при СССР безуглеродная альтернатива: атом. Атомные электростанции производят энергию по цене незначительно выше тепловых даже в России, где цены на газ намного ниже, чем в Азии, и несколько ниже средних для Европы. Еще в СССР было начато строительство АЭС, обеспечивающих не электричеством, а теплом — при том, что именно на тепло приходится основная часть энергетических трат нашей цивилизации. Более того: из исторического опыта известно (смотри график ниже), что скорость ввода АЭС может быть огромной, в разы выше скорости ввода солнечных электростанций и ветряков.
На графике выше легко видеть: Франция и Швеция без малейшего перенапряжения экономики в 1980-х вводили в строй так много АЭС, что каждый год добавляли по 440-630 киловатт-часов «атомного» электричества на душу своего населения. Современные развитые страны потребляют примерно по 9 тысяч киловатт-часов на душу (в России, конечно, меньше — только 7 тысяч на душу). Значит, чтобы заместить углеродную энергетику современной развитой страны атомом, нужно 15-20 лет (за 15 справилась бы Швеция, за 20 — Франция). По историческим меркам — это почти мгновенное замещение.
Точно ясно, что солнечная и ветровая генерации таких темпов обеспечить не могут. И мы сейчас не только о Дании на графике выше — так же обстоят дела во всем мире. В 2020 году ввели 113 гигаватт ВЭС и 178 гигаватт СЭС. Их общая выработка в год — примерно 480 миллиардов киловатт-часов. Это значит, что СЭС и ВЭС за прошлый год добавили по 60 киловатт-часов выработки на душу населения на нашей планете.
Если вам кажется, что 60 киловатт-часов на душу в год — это в десять раз меньше, чем в Швеции 80-х, или в семь раз меньше, чем во Франции 80-х, — то не торопитесь с выводами. На самом деле все еще хуже, чем вам кажется.
Дело в том, что АЭС работает полвека на одинаковой мощности. Фактически, их мощность часто наращивают после пуска за счет теплотехнической оптимизации, но мы даже опустим этот момент. Итак, полвека на одинаковой мощности — а вот ветряк через 25 лет службы надо менять. Солнечная батарея за счет деградации теряет 0,5% мощности в год — то есть через полвека ее выработка упадет на четверть. Потом ее поменяют, потому что смысла терпеть снижения выработки уже не будет.
Если бы вместо этих солнечных и ветровых электростанций в 2020 году ввели АЭС с выработкой в 480 миллиардов киловатт-часов (60 киловатт-часов на душу населения планеты), то за свою жизнь эти АЭС выработали бы 480х50=24 триллиона киловатт-часов. Введенные же в реальности СЭС и ВЭС за жизни выработают — с учетом их меньшего срока службы — менее 15 триллионов киловатт-часов.
Это значит, что ввод безуглеродной генерации во Франции 1980-х был не в семь раз выше, чем ввод безуглеродной генерации в сегодняшнем мире. Нет, он был в двенадцать раз выше. Современный безуглеродный переход в двенадцать раз медленнее, чем он был в 1980-е годы.
Если мы будем строить СЭС и ВЭС в темпе 2020 года, то закроем все потребности мира в электроэнергии через (в теории) 50 лет. Именно такая цифра получается, если разделить потребление электричества в мире (24 триллиона киловатт-часов в год) на введенную в прошлом году солнечно-ветровую генерацию (480 миллиардов киловатт-часов).
На практике мы не сделаем это вообще никогда. Потому что через 25 лет введенные сегодня ветряки надо будет менять. А генерация солнечных батарей, введенных сегодня, через 25 лет уменьшится на 1/8. При сегодняшних темпах «обезуглероживания» мы будем как Алиса в Зазеркалье — все время бежать изо всех сил, просто чтобы оставаться на месте.
Почему современные западные экологи и политики умалчивают об этих фактах? Отчего они не сообщают своим сторонникам, что современный безуглеродный переход на СЭС и ВЭС в дюжину раз медленнее, чем безуглеродный переход во Франции 1980-х? Почему не информируют, что при сегодняшних темпах «перехода» он не закончится вообще никогда, — потому что ветряки и солнечные батареи придется заменить раньше, чем удастся заместить углеродную генерацию?
Ответ на этот вопрос очень прост: они и сами не имеют об этом ни малейшего понятия. Ситуации такого рода случаются постоянно. Один ученый, столкнувшийся с подобным, описал ее так: «Люди часто думают, что политические решения основаны на неких научных открытиях или экспертных знаниях. Но в реальности, те, кто формируют политические решения, часто принимают их только потому, что те кажутся им «приятными на слух». А затем ученые с большим трудом пытаются понять, как бы это можно было реализовать».
На практике, западные политики и экологи захотели перейти к солнечной и ветровой энергии потому, что она «приятна на слух». У них в прямом смысле очень удачные названия — они отсылают к природным явлениям, вроде солнца и ветра. Атом — название неудачное, оно отсылает к атомной бомбе. Поэтому, как мы уже писали, антиатомное движение заблокировало развитие АЭС в США еще до Чернобыля (и даже до Три-Майл Айленда).
Поэтому совершенно не важно, что Чернобыль за десятки лет убил меньше людей, чем ТЭС в США убивают каждый месяц. Неважно и то, что ни один другой ядерный инцидент на АЭС не убил ни одного человека. Несмотря на все это, шансы АЭС на замещение углеродной энергетики близки к нулю: они «не приятны на слух», ни политикам, ни экологам.
Из этого легко спрогнозировать будущее мировой энергетики и наше с вами. Политики и экологи Запада будут триумфально рассказывать нам об успехах зеленой генерации еще не один десяток лет. Все это время основная часть энергии на планете будет получаться так же, как и сегодня: сжиганием углеродного топлива. Каждое следующее поколение политиков и экологов будет говорить, что их предшественники были недостаточно решительны, — и обещать «углубить, расширить, и перестроить». Каждое из этих поколений не сможет этого сделать, потому что оно никогда не пробовало само посчитать, почему на самом деле их предшественники так и не смогли добиться «зеленого перехода».
А мы и дальше будем вдыхать продукты сгорания ископаемого топлива — и умирать от этого сотнями тысяч в год.
