МАЛАЯ АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ РОССИИ.

Кандидат технических наук Е.П.КАПЛАР.

Утверждения, что Россия является уникальной страной, можно встретить в последнее время по многочисленным и часто весьма спорным поводам. Но есть среди них, по крайней мере, один, который не вызывает никаких сомнений: более 66% территории нынешней России относится к северным районам. Это зона преимущественно децентрализованного энергоснабжения, зона использования так называемой малой энергетики. И хотя на этих территориях проживают всего около 8% населения, энергообеспечения северных районов может сыграть существенную роль в создании облика страны в третьем тысячелетии. Раздающиеся подчас предложения вывезти из этих районов население в центральную часть вряд ли можно считать имеющими здравый смысл. Во-первых, значительную часть населения этих районов составляют коренные народы Севера, для которых бессмыслен вопрос об альтернативном месте проживания. Во-вторых, эти огромные территории таят богатейшие природные ресурсы. И наконец, в этих районах достаточно пространства для того, чтобы создавать новое, не разрушая старое. Последнее, как показывает наш отечественный опыт, неизбежно приводит к социальному и политическому напряжению.

Создание новой малой энергетики, несмотря :а свою "малость", может оказаться, по мнению ряда специалистов, тем паровозом, который потихоньку сдвинет и потащит за собой многочислённые региональные проблемы, поскольку энергетика не только одна из отраслей экономики, но и один из решающих факторов е успешного развития. ведь не случайно в качестве универсальной "мировой валюты" предполагалось ввести киловатт-час. Не обсуждая экономические и финансовые аспекты, возможности и реальности (а скорее всего нереальности) такого эквивалента, отметим все же, что чисто нормально любые стоимости, расходы и доходы можно пересчитать в единицы энергии, что является отражением качественного значения энергетики.

Куда развиваться энергетике?

В последнее время Дискуссия о том, как развиваться нашей энергетике, стала на страницах печати весьма оживленной. И это неудивительно, так как, помимо технико-экономических аспектов, особое значение приобрели проблемы экологические. В этой достаточно азартной и запальчивой полемике зачастую можно встретить суждения, носящие не совсем корректный характер. Нередко под броским заголовком Можно прочитать, что некое, чаще всего оборонное, предприятие уже давно разработало уникальную энергоустановку (например, ветродвигатель), способную экологически чисто решить все наши энергетические проблемы, и лишь финансовые затруднения и государственные чиновники препятствуют этому. Или известный депутат, имеющий к тому же звание академика, разносит в пух и прах атомную энергетику и предлагает в качестве альтернативы использовать газотурбинные установки.

Серьезный изъян (а точнее сказать - вред) подобных публикаций состоит в том, что на основе правильных и охотно принимаемых общественностью исходных посылок - большого потенциала оборонных технологий, нерадивости чиновников, полезности ветровой энергетики, невымышленных опасностей ядерных реакторов и перспективности газотурбинных установок - в целом картина получается искаженной. Потому, что всех потребностей в энергии ветроустановками не покроешь, потому, что в истории человечества нет прецедентов, чтобы созданную и реально существующую технологию оказалось возможным запретить и забыть, потому, что газовые турбины - только преобразователи энергии, для которых нужно топливо, в том числе иногда и ядерное.

Причин подобного смещения акцентов великое множество. Это и некомпетентность, и недобросовестность, и увлеченность, и искреннее заблуждение, и тактические ходы в политической и корпоративной борьбе. Но все эти составляющие общественной жизни и морали имеют мало общего с разумным решением реально существующей задачи обеспечить людей конкретного региона светом и теплом. Поэтому представляется полезным повторить, казалось бы, общеизвестные сведения.

Все имеющиеся на Земле энергоресурсы своим происхождением обязаны двум видам энергии - солнечной и ядерной. При этом, строго говоря, солнечная энергия тоже является результатом ядерных реакций, происходящих на Солнце. В этой связи бытующее, к сожалению, представление о том, что "ученые выдумали атом и от этого все беды", - слишком сильный и незаслуженный комплимент ученым. В результате процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере и биосфере, солнечная энергия трансформируется в энергию ветра, гидроэнергию и энергию фотосинтеза. Эти источники называются возобновляемыми.

Таблица 1. Запасы энергоресурсов
Возобновляемые источники энергии	Ежегодное поступление энергии, 10²¹Дж	Доля в мировом производстве	Невозобновляемые источники энергии		Запас энергии с учетом стоимости добычи, 10²¹Дж	Доля в мировом производстве
Солнце	3000	0,06	Химическое топливо	Газ	200	0,19
Температурные градиенты морей¹	200			Нефть	10	0,38
				Уголь	6	0,32

Гидроэнергия	0,2		Ядерное топливо (не дороже 250 долл/кг)	Уран²	5∙10⁶	0,05
Фотосинтез	0,1			Торий²	6∙10⁶
Геотермальная	0,02			Дейтерий²	1∙10⁹
Приливы	0,002			Литий³	5∙10⁶
Ветер	0,0002
Примечание	^{1- в тропический морях и океанах температура поверхности 26-28°С, а на глубине 500 м – 8-10°С; ^{2- при использовании реакторов-размножителей; ^{3- как источник трития.}}}

Химическая энергия полезных ископаемых (уголь, нефть, газ) - это запасенная, накопленная солнечная энергия. Поэтому эти источники имеют ограниченные запасы и называются не возобновляемыми. К невозобновляемым источникам относится и ядерная энергия, высвобождаемая в результате радиоактивного распада нестабильных изотопов, деления и синтеза ядер. Только эти (первозданные) виды энергии в результате естественных процессов либо с помощью технических устройств могут быть преобразованы в другие виды энергии тепловую, энергию плазмы, механическую и электрическую, являющуюся для нас наиболее универсальным и приемлемым видом энергии и результатом многочисленных цепочек преобразований Примерные запасы энергии на Земле приведены в табл. 1 (цифры иллюстративные).

За всю историю своего существования человечество израсходовало около 10·10²¹ Дж энергии, причем за последние 100 лет 4∙10²¹ Дж. В настоящее время годовое потребление энергии составляет около 0,4·10²¹ Дж. С учетом роста народонаселения предполагается, что потребление энергии в мире к середине XXI века стабилизируется на уровне 8-10∙10²¹ Дж в год. Доли энергоисточников в мировом производстве электроэнергии: нефть – 10%, газ – 12%, ядерная энергия – 17%, гидроэнергия – 19% , уголь – 42%. Исходя из примерных значений запасов энергии оценок уровня потребления в ближайшем будущем, можно сделать вывод, что традиционное органическое топливо может и, по всей видимости, будет играть главную роль ещё 50-100 лет.

Энергетические запасы ядерного топлива превышают запасы органического топлива в десятки тысяч раз, и, очевидно, пренебречь такими запасами энергии человечество в будущем не сможет.

Что касается возобновляемых источников энергии, то самый освоенный из них к настоящему времени - гидроэнергия - может обеспечить теоретически только 50% уровня современного потребления (реально доля гидроэлектростанций в мировом производстве электроэнергии, как уже указывалось, составляет 19%) и с учетом роста потребления будет снижаться Геотермальная, приливная и ветровая энергия, имеющие существенно более низкие, по сравнению с гидроэнергией, годовые поступления, заметной роли в общем энергетическом балансе также. Играть не могут, что, впрочем, не означает их бесперспективность как локальных источников

Энергетические запасы температурных градиентов морей и океанов и непосредственно поступающей солнечной энергии значительно превышают не только существующее потребление, но и ожидаемый его рост, однако имеют регионально-сезонные ограничения и неравномерности и требуют принципиально нового технологического

Таблица 2. Методы преобразования энергии различных источников

Источник энергии

Преобразователи энергии источника

в тепловую

энергию

в электрическую энергию

ТУ

ЯР

СП

УТ

ГТ

ПТ

ДГ

ВУ

МГ

ФЭ

ТЭГ

Невозобновляемые:

Газ

Нефть

Уголь

Ядерное топливо

Возобновляемые:

Гидроэнергия

Ветер

Солнце

Примечание: ТУ - топочные устройства; ЯР - ядерные реакторы; СП - солнечные панели; УТ - утилизаторы тепла; ГТ - газовые турбины; ПТ - паровые турбины; ДГ -дизельгенераторы, ВУ - ветроустановки; МГ - миниГЭС; ФЭ - фотоэлементы; ТЭГ –термоэлектрогенератор.

развития и освоения Таково в общих чертах состояние энергетики и основные тенденции ее развития в глобальном масштабе Но вернемся к перспективам малой энергетики России.

Малые децентрализованные энергоисточники.

Необходимо сказать несколько слов о самом понятии "малая энергетика" С одной стороны, эмоционально это понятие - вроде бы совершенно ясное, с другой - граница раздела между "большой" и "малой" энергетиками часто вызывает в среде специалистов споры, недоразумения и трудности при решении конкретных практических задач Очевидный, на первый взгляд, критерий - мощность энергоустановки -носит формальный характер, так как требует, прежде всего, простой договоренности считать энергоустановки до такой-то мощности малыми, а свыше - большими и не затрагивает при этом сущности самого деления. Более отвечающим качественной стороне вопроса является, на наш взгляд, деление на централизованное и децентрализованное энергоснабжение Работа энергоисточника на единую сеть или на автономного потребителя существенно влияет на его технический облик и экономические аспекты его использования В то же время в большинстве практических случаев автономные энергоисточники имеют и относительно небольшие мощности. Поэтому в дальнейшем, в рамках этой статьи, слова "малый", "децентрализованный" и "автономный" применительно к энергоисточникам будут использоваться как синонимы В табл.2 приведены основные источники энергии и преобразователи их энергии, сочетания которых к настоящему времени применяются или готовы к применению для выработки тепловой и электрической энергии для потребителей малой энергетики

Прежде всего необходимо отметить тот факт, что около 2/3 используемого в северных районах топлива расходуется на отопление Обеспеченность теплом в этих районах играет большую роль, чем электроснабжение. Помимо климатических особенностей этому способствуют также экономическая и социальная структуры. Крупные города и промышленные предприятия здесь редки и являются скорее исключением, чем правилом. Населенные пункты этих мест можно условно разделить на четыре группы Первая группа, “самая малочисленная, - это города, рабочие поселки с предприятиями, районные центры с численностью населения 5000-10000 человек Вторая - рабочие поселки добывающих отраслей, центральные усадьбы совхозов, центры сельскохозяйственных районов с численностью, в основном 2000-3000 человек. Третья группа, достаточно многочисленная, с населением до 1000 человек - это отделения совхозов, леспромхозов, мелкие прииски поселки рыбаков И наконец, самая многочисленная группа- это животноводческие фермы промежуточные базы охотничьих и оленеводческих бригад, сезонные поселки рыболовецких бригад. Численность населения в таких поселках - 50, максимум 100 человек.

С учетом этих особенностей и рассмотрим преимущества, недостатки и перспективы использования источников энергии и энергетических преобразователей, приведенных в табл.2 для централизованного обеспечения теплом электричеством.

Несомненным преимуществом всех видов органического топлива является его традиционность и, следовательно, отлаженная технологи:

производства, поставок использования и методов преобразования. Однако для подавляющей большинства указанных поселков используется дальнепривозное органическое топливо. Поэтому обеспечение топливом отдаленных районов испытывавшее и в прошлые годы транспортные и организационные трудности, определяемые на хозяйственном жаргоне не очень благозвучным, но емким термином "завоз на севера", в нынешних условиях нарушения старых хозяйственные связей и нестабильных цен выросло в проблему катастрофических масштабов Помимо этих временных (по крайней мере теоретических) трудностей серьезным недостатком принципиального характера являются вредные воздействия использования органического топлива на окружающую среду. В табл.3 приведены основные характеристики воздействия на окружаю

Первое, что следует отметить, глядя на табл. 3, это огромное количество топлива, которое необходимо завезти в отдаленные районы. Если обеспечивать в этих районах средний по России показатель энерговооруженности (0,5 кВт/чел), то для 12 млн. человек необходимо иметь установленную мощность 6000 МВт и, соответственно, ежегодно завозить 25 млн. т. угля или 13 млн. т. мазута. Это сотни тысяч вагонов и цистерн, а с учетом потребностей отопления - в три раза больше. И везти все это надо по бездорожью за тысячи километров, чтобы сжечь, потребляя при этом почти полтора раза больше кислорода и получая помимо энергии почти в 2,5 раза больше по весу вредных (в табл.3)

Воздействие тепловых электростанций на окружающую среду (на 1 МВт эл. мощности).

Характеристика	Вид топлива
Характеристика	Уголь¹	Мазут²	Газ³
Потребление
топлива, т/год	3900	2200	2,6 10⁶, м³/год
атмосферного кислорода, м³/год	5,5 10⁶	3,4 10⁶	4,4 10⁶
Газовые выбросы, т/год:
углекислый газ	10000	6000	2000
окислы серы	124	84	-
окислы азота	34	22	24
Выбросы не уловленных фильтрами золы и сажи, т/год: 7,3 1,3
Канцерогенные вещества, кг/год:
бенз(а)пирен	0,012	0,013	-
пятиокись ванадия	37	550
Твердые отходы, т/год	830	-	-
Примечание: 1 - Серы - 1,9%, золы - 23%, теплота сгорания - 22,5 МДж/кг. ^{2 - Серы - 2,0, золы - 0,07%, теплота сгорания - 39,8 МДж/кг ^{3 - Теплота сгорания - 22,5 МДж/кг}}

том числе и канцерогенных) выбросов в атмосферу.

Газовое топливо является с точки зрения вредных выбросов наиболее чистым, в частности. Этим и объясняется его широкое применение, как в настоящее время, так и в перспективных планах. Но проблемы транспортировки больших его объемов в отдаленные районы сохраняются и для этого вида топлива. Более того, как раз при транспортировке газа могут возникать наиболее серьезные проблемы безопасности и экологии. Что такое авария на газопроводе, к несчастью, в нашей стране тоже знают не понаслышке.

Все виды органического топлива могут использоваться как для отопления, так и для выработки электроэнергии. Спектрпреобразователей энергии для органического топлива достаточно широк и хорошо известен. Это различные топочные устройства и утилизаторы тепла, непосредственно использующие для отопления энергию сгорания топлива и сбросное тепло, например, дизельгенераторов. Это и преобразующие тепловую энергию паровые и тазовые турбины, дизельгенераторы. Все эти энергоустановки по своим мощностным характеристикам в принципе могут обеспечивать теплом и электроэнергией все группы автономных потребителей при решении перечисленных выше проблем.

Возобновляемые .источники энергий имеют репутацию экологически чистых, однако перспективы их применения для малой энергетики Севера России весьма ограниченны по нескольким причинам. Во-первых, по климатическим условиям. Очевидно, что Для районов с продолжительной

Макет атомной станции теплоснабжения малой мощности "Елена"

Примечание: Полезная тепловая мощность - 3 МВт.

Срок службы без перегрузки топлива - 25 лет.

полярной ночью и глубоко отрицательной среднегодовой температурой воздуха, использование солнечной и гидроэнергии, мягко говоря, затруднительно. Районов с приемлемыми ветровыми нагрузками также не очень много, в основном вдоль побережья Ледовитого океана. Слово "приемлемый" в предыдущем предложении очень важно, так как пятидесятиградусный мороз понижает прочность и надежность конструкций и механизмов, хорошо зарекомендовавших себя в нормальных условиях.

Во-вторых, эти источники не решают важную для северных районов проблему отопления. И, наконец, специфические для северных условий вопросы экологии, по-видимому, изучены не до конца. Во всяком случае, автору приходилось сталкиваться с мнением, что неизбежная гибель на лопастях ветроагрегатов мошкары может приводить к нарушениям в трофических цепочках и сказываться на благополучии северного оленя. Не имея возможности комментировать подобные утверждения, хотелось бы отметить тот очевидный факт, что необычайная ранимость северной природы может преподносить удивительные сюрпризы и требует особой осторожности. Сказанное, однако, вовсе не означает отрицания возможности использования возобновляемых источников энергии в малой энергетике. При благоприятных условиях и с учетом существующих на сегодня мощностных ограничений такие источники могут оказаться наилучшими для конкретных потребителей четвертой группы, особенно если речь идет о десятке человек.

Ядерные энергоисточники.

Очевидными преимуществами использования ядерного топлива являются его малые потребные количества и принципиальное отсутствие необходимости потребления атмосферного кислорода. Для выработки одинакового количества энергии ядерного топлива требуется примерно в 20000 раз меньше, чем органического, и для покрытия нужд малой энергетики это уже не сотни тысяч вагонов, а лишь несколько десятков. Что касается вредных выбросов в атмосферу, то по сравнению с органическими видами топлива (включая газовое), от ядерного топлива при нормальной работе их практически нет. Крупным недостатком ядерного топлива является образование радиоактивных отходов, высокая токсичность и длительная радиоактивность которых делает задачу их захоронения одной из наиболее серьезных экологических проблем нашего времени. Однако в случае малой энергетики малое количество отходов (не сотни тонн, а десятки килограммов) не только не усугубляет эту проблему, но и позволяет считать достаточно надежными уже существующие методы ее решения.

Особое место занимает проблема последствий аварий на энергоустановках. Если рассматривать социальные последствия таких аварий, то выстраивается любопытный ряд, являющийся, на наш взгляд, ярким проявлением диалектики природы. Наиболее безопасной энергоустановкой в таком ряду является печь, последствия аварии на которой могут быть угар или пожар, затрагивающие интересы одной семьи. При аварии на угольной (мазутной) котельной или электростанции число страдающих от нее людей увеличивается, но масштаб последствий остается незначительным. Однако миллионы печей и десятки тысяч котельных и электростанций при своей нормальной безаварийной работе ежечасно отравляют окружающую среду Дающее (при нормальной работе) существенно меньше вредных выбросов газовое топливо может привести к аварии, последствия которой уже не ограничиваются районными или областными рамками. И, наконец, атомная электростанция, практически экологически чистая при нормальной работе, при аварии способна вызвать катастрофу. Вырисовывается ясная дилемма или незначительные последствия в случае аварии, но существенные воздействия на природу при нормальной работе, или незначительные воздействия при нормальной работе, но существенные последствия в случае аварии. Что же выбрать?

На первый взгляд, при такой постановке вопроса может показаться, что второе предпочтительнее. Надо только сосредоточить усилия на том, чтобы сделать аварии невозможными или очень редкими. Но это уже будет другая крайность от тотального шельмования - к безудержному восхвалению атомной энергетики. Выбор надо делать в каждом конкретном случае, для каждого отдельного села, для каждого автономного потребителя. Критерии выбора хорошо известны специалистам: сравнение технико-экономических показателей, обязательно учитывающих вредные воздействия на окружающую среду, и возможные последствия аварий для конкретных географических, геологических и социальных условий. Что же касается намерений уменьшить вероятность аварий, то это - постоянная задача, не зависящая от вида топлива или энергоустановки.

Завершая рассмотрение различных источников энергии, можно сделать вывод, что каждый из них обладает определенными достоинствами и недостатками и в общем плане не имеет решающего преимущества перед другими. И выбор должен делаться с учетом конкретных условий и особенностей. Вывод банальный, но, как уже указывалось в начале статьи, удивительно забываемый и требующий напоминания

Сухой остаток.

Приведенные рассуждения были сформулированы автором еще в 1995 г. для доклада на конференции Ядерного Общества по атомным станциям малой мощности (АСММ). Излагались, в частности, основные результаты практических работ по размещению АСММ "Елена" в некоторых поселках Якутии, Приморья и Хабаровского края. И вот спустя пять лет можно с сожалением констатировать, что все проблемы в постановочном плане сохранились. А вот практически дело не только перестало быть актуальным, но и стало нереальным.

Основные трудности на пути внедрения малой атомной энергетики в прошлые годы - относительно высокие первоначальные затраты и, соответственно, длительные сроки окупаемости - по-прежнему остаются в силе, однако не являются первостепенными. На первые места выдвигаются совершенно другие причины, которые раньше были неоспоримыми преимуществами атомной энергетики Речь идет о качестве проектирования, изготовления и обслуживания энергоустановок, то есть об основных составляющих обеспечения надежности и безопасности.

Перспективы малой атомной энергетики при развитии конверсионных программ базировались на огромном научно-техническом потенциале оборонных отраслей. Общеизвестные процессы последних лет привели к тому, что коллективы, обладавшие в прошлом уникальными технологиями, в настоящее время значительно утратили свой потенциал вследствие естественного старения ведущих специалистов, оттока в коммерческие структуры квалифицированных специалистов среднего звена и практически полного отсутствия притока молодых специалистов. И если огромными усилиями удается поддерживать на минимальном уровне то, что можно назвать серийной продукцией, начинать развитие нового направления в этих условиях достаточно легкомысленно.

Помимо этой, технической, стороны вопроса очень важным является и нарушение централизованной структуры управления, то, что принято сейчас называть отсутствием вертикалей. В нынешних условиях борьбы за региональную самостоятельность на всех уровнях, неизбежно приводящей к нестабильности и безответственности, размещение пусть малых и безопасных, но все же ядерных энергоустановок в отдаленных районах является авантюрой. Признать это не просто (особенно сознавая принципиальные достоинства малой атомной энергетики и посвятив ей многие годы), но объективно необходимо. Во избежание недоразумений хотелось бы сделать еще ряд важных замечаний. Вывод ни в коей мере не касается большой атомной энергетики, у которой имеются свои проблемы, поражения и успехи, находящиеся за пределами нашего обсуждения. В то же время этот вывод относится к крупномасштабным планам малой атомной энергетики. Попытки же единичного внедрения можно только приветствовать, так как, с одной стороны, сконцентрировав усилия и ресурсы на узкой проблеме, можно обеспечить требуемое качество, а с другой стороны, эти работы (и даже только попытки) - единственное средство сохранить уникальную технологию, которая в будущем, несомненно, будет востребована