Реакторы несбывшихся надежд: как развивалась атомная энергетика

Незаконченная АЭС «Сатсоп», штат Вашингтон. Фото: Jakob Madsen, unsplash.com

В текущем виде атомный киловатт-час слишком дорог для любой страны, кроме России и Китая. Почему так вышло и можно ли что-то с этим сделать? Разбирался «ММ».

Вся история развития человечества движется от менее концентрированных источников энергии к более концентрированным. Так было банально удобнее. Килограмм сухих дров (а такие в природе еще поискать) при сгорании дает тепловую энергию, эквивалентную 5 киловатт-часам. Килограмм угля – уже 7–8 киловатт-часов, и, если учесть разницу в содержании воды, он примерно вдвое «концентрированнее» дров. Неудивительно, что переход на уголь радикально улучшил дальность паровозов и пароходов – а заодно сделал реальной и электрификацию.

Бензин и солярка были еще одной революцией на этом пути: 12,9 киловатт-часа на килограмм, отсутствие необходимости чистить камеры сгорания от золы, что неизбежно для менее «концентрированного» топлива. Еще чуть выше энергоплотность у природного газа, но тут уже сложности – как и всякий газ, он объемен, поэтому в личный транспорт пробивается со скрипом.

Важный момент: с каждым повышением «плотности» источника энергии таковой становился дешевле. Уголь давал больше тепла на единицу стоимости, чем дрова, природный газ (до 2022 года, конечно) – больше, чем уголь.

Казалось, что с атомным топливом будет точно так же. Уран-235 при распаде ядра атома дает 22,4 миллиона «тепловых» киловатт-часа на килограмм – как пара тысяч тонн (!) бензина, а плутоний (его уже использует российский реактор БН-800) – еще больше. В середине прошлого века можно было услышать, что электричество от «атома» будет слишком дешевым, чтобы стоило ставить счетчики. Все будут жить по абонентской плате. Увы, реальность оказалась сложнее.

Дешевое топливо – дорогая станция

В современных АЭС только 5 % цены вырабатываемого электричества приходится на топливо. Кажется, что это великолепно: у ТЭС две трети стоимости киловатт-часа – это топливо. Учитывая, что электричество от АЭС в России, например, имеет примерно ту же себестоимость, что и угольной ТЭС, и лишь незначительно выше, чем у газовой, – получается, топливо для «атомного киловатта» очень дешево. Так и есть: в российских реакторах новой постройки менее 30 копеек на киловатт-час относится на топливо, а у газовых ТЭС – до полутора рублей и выше. Но проблема в том, каким путем это топливо используется.

Облик АЭС в основном сложился в 1950–1960-х. Поэтому за пределами активной зоны реактора они похожи на угольные ТЭС тех лет. Тут есть и крупный парогенератор – а попросту говоря, котел, где горячая вода из контура охлаждения реактора греет воду следующего контура до состояния пара. И паровая турбина – крупное сооружение, диаметром в метры, вращающееся со скоростью 50 оборотов в секунду. Все, как на угольной станции, только и «паровой котел», и паровая турбина намного, намного больше. Ну, и вместо угольной топки – атомный реактор.

Истребитель «Фантом» массой около полутора десятков тонн специальной установкой разогнали до 800 км/ч — и ударили им в бетонную стену, с толщиной и прочностью, как у герметической оболочки атомного реактора.Несмотря на яркий взрыв, метровая в толщину стена из предварительно напряженного железобетона сохранила целостность и не дала трещин. Фото: What You Haven't Seen, youtube.com

Но есть проблема: то, что на угольной станции нужно разве что прикрыть стенами обычной толщины от дождя и ветра, в случае атомного реактора прикрывают толстенными стенами герметической оболочки (контайнмента). Толщина ее доходит до полутора метров, а делают контайнмент из предварительно напряженного (грубо говоря: с предварительно натянутой арматурой) особо качественного железобетона. В результате здание типичного атомного реактора в прямом смысле может вынести прямое попадание самолета (и такой эксперимент проводился).

Но в итоге оказывается, что, даже несмотря на огромную концентрацию энергии в ядерном топливе, для постройки АЭС на 1 гигаватт требуется примерно вдвое больше бетона и металлов, чем для постройки угольной ТЭС на 1 гигаватт. Это, в принципе, кажется небольшой проблемой: типичная АЭС работает более 8 тысяч часов в году, что и логично, ведь расход топлива на один киловатт-час у нее так низок, что если уж станцию построили, то ее надо использовать. Угольная ТЭС работает, в норме, около четырех тысяч часов в году, потому что уголь стоит денег, да и дым из трубы оставляет след, полный опасных для здоровья микрочастиц.

Так что в итоге на один киловатт-час выработки за весь жизненный цикл АЭС расходует 928 граммов бетона и металлов, а угольная ТЭС – 1174 грамма бетона и металлов. Цифры эти слегка разнятся между конкретными проектами станций, но общий порядок – именно такой. То есть в целом, при серийной постройке станций, атомная энергия выходит не дороже угольной. В 1960-х это всех устраивало: газовые ТЭС были еще экзотикой.

«Легковесный» конкурент

А вот когда они стали нормой, все изменилось. Газовая электростанция имеет очень простую и легкую «топку» (фактически, газовую горелку). Поскольку газ горит с температурой за 1200 градусов, его продукты сгорания достаточно горячи, чтобы не греть ими воду, получая пар для паровой турбины, а напрямую крутить этими самыми продуктами сгорания газовую турбину. Та может вращаться уже не на 50 оборотах в секунду, а на 150–200 (!). Естественно, это значит, что при одинаковой мощности газовая турбина примерно вчетверо меньше паровой – да и большой парогенератор ей не нужен, пара же нет.

У газовой турбины только один недостаток: КПД, в норме, не выше 40 %. Поскольку газ – топливо не такое дешевое, как уран, его экономят. И на современных газовых ТЭС продукты сгорания метана после газовой турбины направляют в небольшой, «вторичный» парогенератор. Там они, за счет остаточного тепла, испаряют воду, полученный пар крутит паровую турбину. Только она уже втрое меньше той, что была бы на угольной ТЭС или АЭС: ведь две трети энергии у сгоревшего топлива уже забрала газовая турбина, стоящая перед паровым контуром. Электростанции с подобным циклом называют комбинированными, и их суммарный КПД – уже 60%, что заметно выше, чем у обычных угольных, где турбина только паровая.

Так вот: от АЭС газовые ТЭС отличаются намного меньшей материалоемкостью. На один киловатт-час выработки такой тепловой станции нужно всего 571 грамм бетона и металлов, в полтора с лишним раза меньше, чем «атому». Куда большая компактность газовой турбины (даже вместе с «дорабатывающей» паровой) дает о себе знать. В итоге и электричество от нее получается дешевле.

И еще один важнейший момент. Топку угольной ТЭС быстро не разогреть, поэтому ее невыгодно быстро включать и выключать. Атомный реактор слишком дорог, чтобы простаивать, поэтому его тоже стараются выключать пореже. А вот газовая турбина раскручивается быстро – буквально за 20 минут на полную мощность выйдет почти любая такая ТЭС. Стоят они сильно дешевле и атомных, и угольных, поэтому даже если будут простаивать половину часов в году (обычно именно так они и работают), то себестоимость у них будет все еще вполне нормальной.

Это очень важная черта: большинство потребителей ночью не работают. Способность без проблем отключать станцию на ночь снимает у энергетиков вопрос: куда девать электричество ночью? Попытки всех стран мира закрыть проблему льготными ночными тарифами годами ничего не дают: днем спрос все равно на много десятков процентов выше.

Другой плюс высокой гибкости газовых ТЭС: они могут работать на неполной мощности летом, но на полной – зимой. А это очень важно: например, в 2022 году в России в январе потребление электричества на 30,5 % превысило июль. Причины очевидны: зимой короче световой день, а у кого-то еще и работает электроотопление.

АЭС экономически бессмысленно держать в резерве летом, чтобы включить зимой. В их киловатт-часе две трети стоимости – это капиталовложения на станцию и ее персонал. И его нельзя уволить на лето: зимой не соберешь обратно. Капиталовложения тоже сами себя не отобьют.

Получается, АЭС можно покрыть только «базовую» нагрузку: ту ее часть, что есть в летнюю ночь. А все, что сверху, – придется запитать от более гибкой газовой ТЭС. Для покрытия переменной нагрузки атом, с его небыстро раскручивающейся паровой турбиной и большой стоимостью станции, просто недостаточно гибок – и технически, и экономически.

Но при покрытии только постоянной, «базовой» нагрузки атомным станциям остаются «объедки с барского стола». Летняя ночь дает не так много нагрузки. Поэтому максимально достижимая в реальности доля АЭС в общей генерации, скажем, России – 25–30 %: если она будет выше, атомным реакторам придется простаивать в летние ночи, а это резко ухудшит их отдачу на вложенный капитал и повысит цены на электричество.

Та же Франция имеет 70 % атомной доли в электрогенерации только потому, что она – крупнейший в ЕС экспортер электричества. Соседние страны покупают у нее энергию ночью, за счет чего не жгут газ в это время суток. Правда, если бы соседи французов тоже были «глубоко атомными», то этот трюк бы у Парижа не вышел.

Информационный шум

Кажется, что 25–30 % – не так уж и мало. Например, Россия вполне достигла 20 % и планирует как раз те самые 25 %. Выходит, с атомом все замечательно? Только у нас и в Китае. Остальной мир пал жертвой некачественного научпопа, а если быть совсем честными, то Голливуда и не очень образованных СМИ. Дело в том, что «фабрика грез» с 1940-х годов снимает обо всем «атомном», идя от образа атомной бомбы. Атомный реактор еще в первом фильме о Джеймсе Бонде (1962 год) красочно взрывается – с характерным ядерным грибом.

Напомним: на тот момент ни один реактор не взорвался как атомная бомба, и, более того, ни один реактор в принципе не может дать такой взрыв. Это технически недостижимо без очень непростого механизма мгновенного превышения критической массы высокообогащенного (оружейного) урана и плутония. Топливо в реакторе не бывает таким же обогащенным, поэтому, даже если сделать из него атомную бомбу, взрыв будет от силы в несколько тонн тротилового эквивалента – слабее любой ядерной бомбы.

Но об этом-то Голливуд никому не рассказал: слова больно сложные. А гриб от взрыва и выглядит красиво, и просмотров в кинотеатрах соберет больше. Поэтому о реакторах судят как о бомбе, со всеми вытекающими отсюда психологическими последствиями.

Казалось бы, какая связь между Голливудом и успехами атомной отрасли? Самая прямая. В мире было три серьезных атомных аварии, одна из которых – Чернобыль – привела к человеческим жертвам. Но что среднестатистический человек знает о них? Про Три-Майл-Айленд его современники судили по голливудскому фильму «Китайский синдром». О Чернобыле – по сериалу НВО. О Фукусиме – по одноименной японской драме 2020 года с отличным актером Ватанабэ.

Беда в том, что у сценаристов этих фильмов все было плохо с физикой в школе. Поэтому описания катастрофы у них вышли совершенно нереальными. Никто из их зрителей так никогда и не узнал, что при реакторных авариях на Три-Майл-Айленде или в Фукусиме – а равно и от их самых долгосрочных последствий – не погиб ни один человек. Никто из зрителей «Чернобыля» так и не в курсе, что общее число заболевших лучевой болезнью после чернобыльской катастрофы – порядка 150 человек, из которых 80 % не только выжили, но и имели нормальную среднюю продолжительность жизни.

Формально зритель «Чернобыля» даже узнает, сколько было жертв катастрофы, – согласно его создателям, «от четырех до 93 тысяч». Но есть нюанс: первая из этих цифр – результат тщательного анализа ВОЗ, а вторая – «Гринпис», никогда никем не обоснованная. Разумеется, она ни разу не была «расписана» ни в одном рецензируемом научном журнале: активистам «Гринпис» вообще редко есть дело до научных статей.

Методика их была проста: они взяли смертность в СССР до 1986 года и после. Естественно, «Гринпис» и не подумал упомянуть, что после 1991 года в бывшем СССР произошел слом системы здравоохранения и многого другого, отчего продолжительность жизни упала ниже 64 лет уже к 1994 году. Для понимания глубины провала стоит напомнить: такая же продолжительность жизни в Папуа – Новой Гвинее. И даже сегодня, после эпидемии ковида, средняя продолжительность жизни в стране – 73 года.

Не рассказали экоактивисты и о том, что смертность после 1986 года выросла одинаково как в Киеве, так и во Владивостоке, – поскольку СССР обрушился и там, и там. Само собой, влияние ЧАЭС на смертность Владивостока было исчезающе малым – поэтому вместо «сигнала» цифры гринписовцев зарегистрировали «информационный шум» от проблем общества в целом.

Но и это полбеды. Основная суть в том, что никто не сравнивает практическую смертность от различных видов энергетики: «Гринпис» как бы делает вид, что от ТЭС и прочих ветряков никто не погибает. На этом фоне даже 4000 погибших за десятки лет после Чернобыля по данным ВОЗ выглядят страшно.

Реальность, однако, намного страшнее. Да, 4000 от Чернобыля погибли (а вот попытки объявить о жертвах Фукусимы – всего лишь хайп), но американские ученые утверждают, что от тепловой энергетики в США умирает более четырех тысяч человек – только уже не за десятки лет, как в Чернобыле, а каждый месяц (50 тысяч в год). Вы прочитали правильно: полсотни тысяч американцев в год умирает от «безаварийной» работы ТЭС.

Причины просты: та самая плотность топлива, о которой мы писали в начале текста. Огромная плотность энерговыделения урана означает, что его легко удержать в изолированных стальных трубках внутри реактора. А потом можно сколько угодно хранить в герметичных контейнерах – благо все использованное за всю историю ядерное топливо планеты помещается в куб с ребром в 30 метров, настолько его мало.

С углем и газом так не получится. Угля жгут 15 миллиардов тонн в год – по паре тонн на каждого землянина. Газа меньше, но не сильно. Такой объем «отработавшего топлива» нельзя сдержать в трубках и контейнерах. Микрочастицы от угля и метана легко путешествуют по воздуху, забираются в легкие людей, оттуда – в кровь, где становятся центрами образования тромбов. А потом кто-то падает с инфарктом в 40 или инсультом в 35, и кругом все удивляются: как же так, он же еще довольно молод, «вот что значит стресс».

Ученые по всему миру знают, что тепловые станции убивают много сотен тысяч землян в год – больше, чем войны и голод вместе взятые. Но вы не узнаете об этом от «Гринписа» – а вот не поддерживаемую ни одним специалистом цифру в 93 тысячи жертв Чернобыля услышите.

Не стоит думать, что и солнечная или ветровая энергетика убивает меньше атомной. С учетом всех жертв Чернобыля – включая будущих – атомная энергетика принесла сильно менее 90 смертей на триллион выработанных киловатт-часов (для сравнения: столько Россия потребляет в год). Солнечные батареи на крышах домов собирают очень слабоконцентрированную энергию, отчего их надо много. Смертность (разбившиеся насмерть при установке рабочие) для них – 440 человек на триллион киловатт-часов. У ветряков таких же разбившихся насмерть – 150 человек на тот же триллион. То есть АЭС убивают много меньше, чем те источники энергии, которые «Гринпис» столь активно продвигает.

Информационный шум – это не просто далекие от реальности сериалы. В западных обществах это еще и непрерывные потоки судебных обращений граждан против строительства АЭС. Из-за них в Штатах и Европе новые АЭС стали редкостью. Однако, как и все крупные системы, они требуют серийного производства: в противном случае трудно сохранить квалификацию персонала и разумную удельную стоимость одной станции.

Из-за непрерывной антиатомной кампании в западных странах такая квалификация, по сути, уже утеряна. В XXI веке западные компании-исполнители пока не ввели в коммерческую эксплуатацию ни одного атомного реактора. Многострадальный Олкилуото (исполнители – французы) в Финляндии строят с 2005 года, но он все еще не работает нормально. Естественно, что если возводить то, что планировалось сделать за пять лет, в течение 17 лет, то вы превысите бюджет. Финны рассчитывали получить реакторный блок за три миллиарда евро, а заплатят как минимум 11. 60 % в цене атомной энергии – это отбивка капиталовложений, то есть в итоге заказчик на Западе получает электричество втрое дороже планировавшегося.

Но финнам повезло: при всех недостатках французов они хотя бы построили злосчастный реактор и почти наверняка когда-нибудь его запустят. В США попытка строительства нового реактора силами местных исполнителей в Южной Каролине закончилась «Нюкагейтом»: 9 млрд долларов закопали в землю, а реактор так и не вышел, на чем строительство и закончилось.

Антиатомная кампания, по сути, уже сделала такую энергетику на Западе маргинальной. Реакторы, которые строятся по 15 лет и за 11 млрд евро, неконкурентоспособны. Да, в России или Китае их строят за 2,5–3 млрд и за несколько лет. Но ЕС или США от этого не легче.

Путь в будущее

Итак, в развивающемся мире у АЭС две проблемы. Во-первых, их мало кто строит (недорого – только Россия и КНР, отчего возникают завышенные экспортные цены и очереди). Во-вторых, и Москве, и Пекину, несмотря на сохранившиеся атомные отрасли, больше 25–30 % в энергобалансе реакторы не дадут – уж очень «инертны», негибки пока такие системы. В развитом мире все еще хуже. Есть ли путь мимо этих Сцилл и Харибд?

В теории – вполне. Российские разработчики проектов реакторов БН-ГТ (натриевый газотурбинный) и СВГТ-1 (свинцово-висмутовый газотурбинный) не первый год выступают за строительство АЭС совсем другого облика. Не с паровой турбиной и паровым котлом («парогенератором»), а с газовой. Похожими не на угольные, а на газовые ТЭС.

Свежесрезанный натрий. Фото: Dnn87, wikimedia.org

Чтобы тепло от ядерного топлива крутило газовую турбину, второй тепловой контур такого реактора будет отводить тепло от него не водой, как в нынешних российских ВВЭР, а газом – атмосферным воздухом. Воздух во втором контуре (как и вода в ВВЭР) не касается самих трубок с ядерным топливом. Это делает жидкий металл-теплоноситель первого контура, поэтому опасности радиационного загрязнения собственно воздуха нет.

Достичь температуры, при которой работает газовая турбина, в таком реакторе получается как раз за счет жидкого металла в первом контуре: он, в отличие от воды, может нагреваться до многих сотен градусов без закипания. Для БН-ГТ такой металл – это натрий, для СВГТ-1 – свинец-висмут. Натрий формально менее безопасен, потому что при контакте с воздухом горит. Правда, в нашей стране есть опыт безаварийной эксплуатации уже трех натриевых реакторов (БН-350, БН-600 и БН-800), но все же выбор натрия – не самый очевидный. Свинец-висмут в этом смысле значительно логичнее: он не горит ни в чем и даже при разрушении реактора каким-то внешним взрывом вреда никому не нанесет.

Газовые турбины в этих реакторах – не просто возможность резко удешевить будущие АЭС. Хотя это и важно: 80 % стоимости атомной электростанции приходится на системы вне самого реактора. Заменив парогенератор и паровую турбину на вчетверо более компактную газовую, можно сделать вокругреакторное герметичное здание (контайнмент) намного меньше и поэтому дешевле. В теории и атомное электричество получится на десятки процентов менее дорогим, чем раньше – на уровне газового в России, и заметно ниже, чем энергия от газовых ТЭС за рубежом.

Фрагмент типичной паровой турбины современных реакторов наглядно показывает: речь о крайне массивной и дорогой системе. ge.com