Экологические проблемы ядерной энергетики
Слесаренко О.
Филимонова А.
Бушанова О.
Иванова Е.
Историческая ответственность за ложное развитие в области ядерной энергии. Первую атомную бомбу создали Соединенные Штаты Америки и несут историческую ответственность за военное использование атомной энергии, за Хиросиму, за испытательные взрывы, за расползание ядерного оружие по всему миру. СССР создал первую атомную электростанцию, направив этим самым развитие мирной атомной энергетики по ложному и опасному пути, результатом которого стал Чернобыль. На СССР и его правопреемнике России лежит историческая ответственность за этот ложный и опасный путь мирного использования ядерной энергии. И эта ответственность может быть снята, если именно Россия направит ядерную энергетику по безопасному пути.
История развития идей подземной атомной энергетики. Идеи подземной атомной энергетики имеют длительную историю. Самые первые ядерные реакторы в СССР размещались и до сих пор работают под землей (в Красноярске и возможно в других атомных центрах). В некоторых странах, например, в Норвегии, были построены подземные атомные электростанции. Горячим приверженцем подземной ядерной энергетики был академик Андрей Дмитриевич Сахаров. При создании советских ядерных реакторов для подводных лодок специалисты уже тогда высказывали предложения о размещении этих реакторов под землей для целей энергетики. Однако, эти идеи до сих пор не нашли своего развития ввиду дороговизны подземных атомных станций. Автор впервые высказал идею подземной атомной энергетики в 1979 году, и тогда же им была направлена заявка на изобретение. В ней и была сформулирована концепция подземно-наземной ядерной энергетики. По этому вопросу в начале восьмидесятых годов автор имел научные контакты с Андреем Дмитриевичем Сахаровым, и в своем обращении к Президенту АН СССР Г.И. Марчуку после чернобыльской катастрофы с предложением развивать подземную атомную энергетику А.Д. Сахаров ссылался на мои работы. Отметим, что в первых своих работах А.Д. Сахаров говорил о подземных атомных электростанциях, но в последней своей работе по атомной энергетике, опубликованной незадолго до смерти в журнале “Искусство кино”, он перенес акцент на подземные ядерные реакторы. В 1987 году автором была опубликована на тему ядерной энергетики статья в журнале “Изобретатель и рационализатор”. Но делопроизводство по заявке автором было прекращено в связи с некоторыми жизненными обстоятельствами. После Чернобыля автор обращался с предложениями в Минатом и ГКНТ, но проявленный в первое время после Чернобыля интерес быстро угас.
Атомное тепло России. Россия -- северная, холодная страна. Нигде в мире не живет в таких северных условиях такое количество людей, нигде нет большей части страны в таких северных и холодных условиях. И тепло есть главная проблема России, самый ценный для нее продукт. В свое время существовала даже партия “Субтропическая Россия”, которая ставила своей целью создать в России субтропики. Конечно, это была “прикольная партия”. Но сама мечта об обеспечении России теплом вовсе не шуточна. И именно атомное тепло сможет решить ту задачу, которую ставила себе “Субтропическая Россия”. Ведь обеспечение северных городов России дешевым атомным теплом меняет все. Создает комфортные условия жизни даже в самых суровых условиях, дает возможность круглогодично обеспечить овощами и тропическими фруктами население северов, дает возможность общаться с цветущей флорой в самые трескучие морозы путем создания оранжерей и теплиц. Так, как это имеет место в суровой и безлесной Исландии, которая в изобилии обеспечена дешевым теплом подземных недр. Программа “Атомное тепло России” -- это программа создания сотен атомных станций тепло и электроснабжения. Это очень дешевые станции, стоимость строительства которых при полной разработке технологии будут составлять буквально несколько миллионов долларов, а эксплуатационные расходы вообще будет стоить не более чем обслуживание гидроэлектростанций. И они могут работать десятки и сотни лет. Не загрязняя ни поверхность земли, ни атмосферу, и лишь в малой степени воздействуя на подземную среду, в которой, впрочем, человек ведь и не обитает. Эти станции изменят само лицо страны, позволят, наконец, создать даже в северных регионах конкурентную индустрию, ибо именно большие затраты на тепло и являются главным фактором слабой конкурентоспособности российской индустрии. Наконец, это также и создание станций электроводоснабжения в степных и пустынных районах Волгоградской, Астраханской, Ставропольской областей, Калмыкии и Дагестана, а это обеспечение страны сельскохозяйственной продукции. “Атомное тепло России” -- программа для России двадцать первого века.
Современная ядерная энергетика. Современная ядерная энергетика пошла по пути механического использования пароводяного цикла и конструкции тепловой (угольной) электростанции, в которой угольная топка лишь заменена ядерной. Образно говоря, газифицировали сельские дома, вставив газовую горелку в русскую печь. Это величайшая инженерная ошибка. Ведь ни одно из преимуществ ядерного топлива не использовано, ни один недостаток не нейтрализован. Любую АЭС можно легко заменить на ТЭЦ и наоборот. Единственное, пожалуй, исключение -- это атомные подводные лодки, в которых ядерный реактор дал принципиально новое качество. К тому же и сама АЭС получилась низкокачественной, с низким КПД, так как характеристики ядерного топлива и ядерного реактора, в отличие от угля и угольной топки, плохо сопрягаются с пароводяным термодинамическим циклом.
Подземный ядерный реактор. Подземный ядерный реактор -- устройство гораздо более простое и дешевое, чем наземный.
Рис. 1. Гидравлическая схема подземно-наземной атомной станции
В земле делается полость, которая футеруется слоем бетона. В сравнительно рыхлых породах толщина его может составлять, к примеру, метр, в скальных -- порядка двадцати сантиметров. Внутри эта полость облицовывается металлом, который несет не силовую, а лишь изоляционную нагрузку. Толщина его может составлять 5-10 миллиметров, а не десятки сантиметров, как в наземных. Сверху эта полость закрывается крышкой, к которой прикреплены тепловыделяющие элементы и стержни управления. Размеры ядерного реактора и его конфигурация могут быть любыми.
Гидравлическая система подземно-наземной атомной станции. Гидравлическая система двухконтурной подземно-наземной атомной станции показана на рисунке 1.
С целью радиационной развязки используется промежуточный теплообменник. Именно его глубина размещения и определяет параметры пара на выходе. Вода поступает с поверхности самотеком, преобразуется в рабочее вещество и по вертикальному каналу выходит на поверхность для полезного использования. Использованная вода в замкнутом контуре водоснабжения вновь поступает самотеком в теплообменник. Однако может использоваться и разомкнутый контур водоснабжения. Тогда конденсат, представляющий собой пресную воду, используется на цели водоснабжения, например, на жилищно-коммунальные нужды, для орошения или на технические цели. А вода, как правило, минерализованная, поступает из внешних источников -- моря или из подземных источников. Теплообменник в этом случае конструируется как опреснитель, а атомная станция становится источником пресной воды. В первом контуре может циркулировать вода или иной теплоноситель. Поддержание давления в этом контуре также осуществляется столбом жидкости через мультипликатор давления. В принципе, рабочее вещество в первом контуре может быть любым. Высота первого контура может составлять несколько десятков метров. Мы видим, что в гидравлической системе нет ни одного механического устройства, так что система обладает высшей степенью надежности. В ней просто нечему ломаться. Но на случай катастрофы имеется специальная труба аварийного тампонажа, через которую можно осуществить заливку аварийного ядерного реактора специальными смесями, в каковом состоянии ядерный реактор может находиться в течение сотен и может тысяч лет без опасности для окружающей среды. В любом случае, выброс радиоактивных веществ на поверхность исключается.
Атомная станция теплоснабжения (АСТ). Наиболее простой вариант использования ядерной энергии есть использование ее для целей теплоснабжения в виде атомной станции теплоснабжения (АСТ). Для этих целей вполне достаточен пар давлением 10-20 атмосфер. Это соответствует глубине размещения порядка 100-200 метров, т.е. на так называемых “метростроевских” глубинах, работа на которых хорошо освоена. Сам реактор может размещаться в центре города, что резко сокращает теплосеть и уменьшает теплопотери. Для этой цели вполне могут использоваться ядерные реакторы атомных подводных лодок. С помощью такого реактора можно обогреть город с числом жителей 100-200 тысяч жителей. Реакторы хорошо разработаны и надежны, что показала авария на АПЛ “Курск”. Использование АСТ позволит решить проблему тепла в северных, сибирских и иных городах России кардинально, раз и навсегда. Для северных территорий России это сыграло бы просто неоценимую роль. Дешевое тепло позволило бы, фактически, решить проблему комфортной жизни на северах, создать, например, целые парки под крышей. А пока мы видим, как трудно решается проблема тепла на Севере. Потребность в таких установках можно оценить только для России в несколько сотен единиц. Должна быть принята государственная программа “Атомное тепло России” на двадцать лет с целью обеспечить все российские города, в первую очередь северные, атомным теплом. Для тех, кого пугает возможность размещения ядерного реактора под центром города, заметим, что в самой Москве, в самых густонаселенных районах работают ядерные реакторы (в ИАЭ им. Курчатова на Соколе, в МИФИ на Каширке и др.). Так почему мы должны бояться размещения ядерного реактора на глубине двести или тысячу метров под Москвой? Москва должна быть со временем переведена на атомное тепло. Возможно, потребуется построить около десятка МАСТ (Московских атомных станций теплоснабжения), размещаемых на глубинах ниже метро и связанных им друг с другом.
Атомная станция электроснабжения (АСЭ). Для получения электроэнергии пар направляется на паровую турбину. Для экономичности АСЭ желательно иметь уже большие глубины размещения ядерного реактора, порядка 1-4 тысячи метров. Это уже шахтные глубины. На таких глубинах добывают уголь, алмазы и другие полезные ископаемые. Отметим, что в АСЭ условия для работы паровых турбин резко улучшаются. Дело в том, что в настоящее время в атомной энергетике используются менее эффективные турбины влажного пара. В вертикальном канале АСЭ будет происходить осушение пара за счет проскальзывания частичек воды, и на выходе будем иметь сухой, а при определенных конфигурационных воздействиях даже перегретый пар. Таким образом, экономичность подземно-наземной АСЭ может быть даже выше наземных АЭС. Для размещения АСЭ, по-видимому, можно будет использовать шахтные выработки с почти готовой подземной инфраструктурой.
Атомная станция водоснабжения (АСВ). В подземно-наземной энергетике используются не сложные паровые котлы перегретого пара, а установки насыщенного пара (попросту, кипятильники), что позволяет легко использовать минерализованные воды во втором контуре, превращая установку в атомную станцию водоснабжения (АСВ). Для АСВ можно использовать совсем малые глубины -- порядка десятков метров. Естественно, что должна осуществляться утилизация энергии пара, например, путем выработки электроэнергии на турбинах низкого давления. Причем для целей АСВ, чем ниже энергетическое КПД станции, тем лучше. Использование АСВ позволит решать проблемы орошения земель. Более того, в будущем именно использование атомного водоснабжения станет главным средством решения проблемы водоснабжения в засушливых странах, а для Средней Азии позволит решить проблему Аральского моря.
Атомная станция нейтронов (АСН). АСН есть атомная станция, в которой главным продуктом являются нейтронные потоки. Это может быть исследовательская атомная станция, либо станция для использования нейтронных потоков (или вторичных излучений) с производственными целями. Ее схема остается той же самой, глубина расположения выбирается из условий безопасности. Преимущество подземного размещения ядерного реактора, кроме безопасности, состоит в том, что он строится прямо по месту и может иметь любую желаемую конфигурацию -- прямоугольную, шарообразную, вертикальную цилиндрическую, плоскую, коническую, треугольную и любую иную в зависимости от требуемого нейтронного поля. Ведь проблема прочности решается совсем по-иному. Он одинаково доступен с трех сторон для вывода нейтронных потоков. Думается, что роль АСН будет в будущем возрастать, так как нейтронные (или иные радиационные) воздействия будут все больше использоваться в промышленности и науке. Сейчас использование нейтронных воздействий сдерживается их труднодоступностью. Ведь исследовательские реакторы зачастую маломощны и нацелены на научные исследования, а к крупным реакторам электростанций широкий допуск невозможен ввиду их высокой опасности и по соображениям антитеррористической защиты. А подземная нейтронная станция откроет широкий доступ к мощным нейтронным потокам всех потребителей, которые в них нуждаются. А для слабых радиационных воздействий можно использовать радиоактивные отходы атомных станций.
Комплексные атомные станции. Естественно, что кроме специализированных возможны и комплексные установки -- АСТЭ, АСВЭ, АСТВ и АСТВЭ. Можно их все комплексировать также с АСН. И здесь глубина размещения выбирается из компромисса требований. В комплексных установках возможно наиболее эффективное использование ядерной энергии, и даже низкий энергетический КПД таких установок становится вовсе не пороком, а в некоторых случаях даже достоинством.