Мирний атом в кожен дім: атомна ТЕЦ
Ідея Марка Вотні, продемонстрована у книзі та фільмі “Марсіанин”, що видається божевільною на перший погляд, насправді доволі розумна.
Майже будь-який радіоактивний розпад супроводжується виділенням тепла, і погрітися об радіоізотопний термоелектричний генератор цілком можливо. Якщо РІТЕГ американський, то це ще й безпечно, бо НАСА заряджає свої космічні генератори плутонієм-238 (приємний ізотоп, що витримує переважно альфа-розпад - а альфа-частинки легко стримає не те що свинцевий корпус генератора, а й шар паперу).
З совдепівськими радіоізотопними генераторами такий фокус не пройде, бо совіти заряджали свої РІТЕГи стронцієм-90 - бякою, що масово утворюється в реакторах і готова світити гамма-випромінюванням на кілометри навколо. Совітські атомники планували обігріти жителів СРСР ядерним теплом в дещо інакший спосіб...
Всі ви приблизно уявляєте, що крім капітальних “стрижневих” електростанцій в енергомережі країни використовуються ще й міські електростанції - точки набагато меншої генерації (хоча коли як, київські ТЕЦ не поступаються за потужністю повнорозмірним електростанціям). У разі, коли ці електростанції теплові, їхнє розташування поруч з містом (а то й всередині міста) може допомогти використати їх теплову енергію не лише для виробітку струму, а й для обігріву міста - віват, теплоелектроцентраль =)
Відбір тепла від котлів ТЕЦ на обігрів міста не знижує її ККД, як можна було б подумати - хоч станція і виробляє окріп і пару для обертання турбін генераторів, після проходження турбін це добро треба охолоджувати, щоб котел нагрівав воду так, як треба турбіні на наступному циклі. Для цього біля великих теплових електростанцій будують спеціальні водойми-охолоджувачі, але ТЕЦ в місті може постачати це тепло містянам у вигляді гарячої води і опалення. Суть:
Все просто, але в 1940-х вченим прийшла в голову ідея замінити вугільну топку ТЕС (що їсть сотні вагонів вугілля на добу) атомною (якщо 60 кілограм урану знесли місто, чи зможуть вони його обігріти?). Замінили, атомною електростанцією у 2020 році нікого не здивуєш. Але з тих пір енергетиків не залишала ідея піти далі і використати атомний реактор не лише для генерації електроенергії, а й для теплопостачання...
Ця ідея почала втілюватися у тій самій країні, в якій було запущено першу в світі атомну електростанцію - в СРСР. Після плеяди запусків АЕС у 1960-70-х роках атомна енергія почала сприйматися як дещо буденне, і наприкінці 1970-х з’явилися проекти її використання у якості теплоелектроцентралей різних міст. Щоб з’ясувати, наскільки реально гріти вашу квартиру теплом реактора, розгляньмо схему звичного для України реактора ВВЕР.
Реактор з усім обладнанням (номери вказівок 1-5) постачає перегрітою парою теплопередавач (6). У ньому теплоносій першого контуру через стінки трубок (не вступаючи в безпосередній контакт, це важливо) гріє до майже тієї ж температури в сотні градусів пару у другому контурі (деталі за номерами 7, 14, 15 та 19). Пара потрапляє в турбіни, що обертають вал генератора (8-11), але не охолоджується достатньо для залучення в наступний технологічний цикл - для цього її проганяють через конденсатор (12), де пару у другому контурі охолоджують водою зі ставка-охолоджувача.
Саме тому ставки біля АЕС не радіоактивні, абсолютно безпечні для господарства або для “хочу скупатися в січні, не пробиваючи дупою ополонку”.
Вода з них не те, щоб не потрапляє в реактор - вона не змішується з водою, що не змішується з водою, що все-таки побувала в реакторі. Глядіть не збийтеся з ліку, а я продовжу.
Кількість тепла, яку АЕС викидає у ставок-охолоджувач, колосальна. Той самий реактор ВВЕР зазвичай (крім двох блоків РАЕС половинної потужності) має встановлену потужність генерації електроенергії у 1000 МВт, хоча теплова потужність реактора при цьому - 3000 МВт. Два гігавати тепла втрачаються на нагрів обладнання, розсіюються і просто вилітають в трубу і сусіднє озеро. Приробити їм корисніші ноги атомники намагаються давно, обігріваючи водою другого контуру не лише ставок.
Наприклад, у місті Вараш - “супутникові” тої самої Рівненської АЕС - дуже рідко бувають проблеми з гарячим водопостачанням або опаленням.
Справа в тому, що станція сама по собі є найбільшим постачальником тепла і окропу для міста; замість просто гріти Стир, станція ще й підключена до тепломереж міста (так само з двома проміжними водяними контурами, воду з реактора в батареї варашців ніхто б не пустив, звісно). Судячи з наступної статті, дана схема теплопостачання дійсно запроваджена у поліському місті атомників, а, крім того - і в трьох інших містах-супутниках АЕС (без Славутича, звісно).
Схоже живлення сусіднього міста теплом було зреалізоване у якості “народногосподарської ініціативи” у містах Желєзногорськ та Сєвєрськ, в Сибіру, біля комбінатів з виробництва збройного плутонію.
Атом-солдат, “відправлений на картоплю”, грів холодні східні міста сибірськими зимами - і там користі з нього було більше, ніж у виробництві атомних бомб.
Містам-супутникам атомних станцій пощастило з цим, бо, за покликом своєї “професії”, вони розташовуються поруч з АЕС і протягти тепломережу від станції до міста неважко - та й саме місто на 20-30 тисяч душ не є великим споживачем тепла. Привести атомне тепло справді великому споживачеві - місту-мільйоннику, наприклад - складніше. Але в СРСР задумували й таке...
Одеса за СРСР традиційно мала клопоти із теплопостачанням, будівництво нових ТЕЦ місто “вивойовувало” “нагорі”. Наприкінці 1970-х питання тепло- (а заразом і енерго-) постачання міста вигадали вирішити кардинально.
Збудувавши в 30 кілометрах на захід від міста атомну теплолектроцентраль.
Для цього було створене (засноване 1983 року) місто Теплодар. Поруч, запрудивши сусідній потічок, було утворене Барабойське водосховище - ставок-охолоджувач станції (теплова енергія станції все ж не була б використана повністю).
Фото звідси.
Станція (Одеська Атомна Теплоелектроцентраль, ОАТЕЦ) мала б складатися з двох енергоблоків ВВЕР-1000.
Схожий проект було запропоновано за пару років відносно нового вузла теплопостачання столиці Білорусі, Мінська - біля села Свіслоч було споруджене нове містечко Дружний і почав розбудовуватися майданчик на 2-4 енергоблоки ВВЕР-1000 (згодом добудована як звичайна ТЕЦ на викопному паливі).
Нарешті, 1986 року було зініційовано будівництво аналогічної АТЕЦ поблизу Харкова, в селі Бірки.
Починаючись так само, з 2 блоків, станція теоретично мала перспективу розростися до 4 блоків, але...
Що там в нас сталося у світі атомної енергетики 1986 року? А, так. Чорнобиль, точно.
Добудувати ХАТЕЦ не встигли навіть на рівні фундаменту. Ще фото АЕС, що не сталася - тут.
Як ви могли спостерегти з приведених мною матеріалів, всі АТЕЦ мали б розташовуватися порівняно близько до великих міст, відносно розташування звичайних атомних електростанцій. Воно й зрозуміло: навіть якщо докласти надзвичайних інженерних зусиль в ізоляції тепломагістралей зі станції до міста, значна частина тепла в трубі втратиться по дорозі (в теорії трубу можна було б підігрівати електрикою цієї ж станції, але це складно й дорого).
З іншого боку, страшна весна 1986-го продемонструвала, що леткі радіоізотопи у разі якоїсь аварії (необов’язково чорнобильського масштабу, просто “shit happens”(с)) легко сягнуть міста - як сягли Києва, віддаленого від ЧАЕС не на 30, а на 110 кілометрів.
Першотравневий парад в Києві 1986 року. Фон в місті сягав мілірентгена (за природньої норми 12-15 мікрорентген), в повітрі висіли радіоактивні ізотопи йоду і ксенону, однак замість сидіти вдома за прикриттям бетонних стін народ погнали радіти соціалізму. В примусовому порядку.
Тим не менш, є приклади АЕС, розташованих й ближче до великих міст, і абсолютно не в екс-СРСР (наприклад, у Західній Європі або вздовж східного узбережжя США - ласкаво прошу до карти). 40-50 кілометрів у західній практиці вважається прийнятною відстанню від мегаполісу до АЕС.
Чи змогли б совіти переплюнути це? Насправді, змогли б.
Відмотаймо час з 1986 років на 10 назад і розгляньмо плани міст РСФСР на атомну енергію для теплопостачання міст.
Розглядаючи перспективи запроваждення “атомного” теплопостачання, науковці Совєтського Союзу підійшли до питання з належною увагою. Їх бентежило те, що використовувати “електрогенеруючий” реактор ВВЕР-1000 на постачання тепла не зовсім раціонально; натомість, міста, що потребували саме тепла, а не струму, були.
Тому ОКБ ім. Африкантова (м. Горький, нині - Нижній Новгород), за підтримки Курчатовського інституту, розробив проект чисто теплогенеруючого реактору - АСТ-500. Цей реактор, який міг отримати неофіційну назву “атомна котельня”, був на диво добре пропрацьованим; усвідомлення потреби розмістити таку Атомну Станцію Теплопостачання поближче до мегаполісу - щоб не втрачати тепло дорогою - змусило радянських атомників ще в дочорнобильську епоху продумати конструкцію та принцип роботи реактора до дрібниць, в т.ч. з розрахунку на безаварійність станції.
Реактор з потужністю 500 мегават теплових був би вшестеро менш потужним за електрогенеруючий ВВЕР-1000. Робочий тиск в активній зоні всередині корпусу замість звичних для вищезгаданого ВВЕР 150-160 атмосфер мав обмежитися 12-15 атмосферами. В цілому, робочий режим реактора був розрахований на “спокійний” режим роботи, далекий від можливих лімітуючих параметрів його "заліза" та "ядерних" показників роботи.
Іншою безпековою рисою реактора стала оптимізація його системи охолодження. Внаслідок малої потужності і продуманої структури реактор АСТ-500 не потребував примусового охолодження - вода в першому контурі реактора рухалася внаслідок власного розігріву, як в побутовому котлі приватного будинку. Отже, приємний бонус - знеструмлення “атомної котельної” не змусило б активну зону реактора розтанути, як морозиво (десь позаду плачуть Фукусіма та Трі-Майл-Айленд), ви тільки тепло у загальну мережу видавайте, і все буде добре.
І наостанок. Реактор, на мій особистий подив, був, по суті, трикорпусним - корпус активної зони (№5 на схемі), основний інтегральний корпус реактора (1) - в якому ще й повністю розміщувався перший контур теплоносія (той, який теоретично “з бякою”) і теплообмінники другого контуру; і, наостанок, третій страхувальний корпус навколо усієї реакторної установки (7). Перші два - зі сталюки в кілька пальців завтовшки, третій - з бетону “по-бункерному”.
Тому порівнювати реактор АСТ-500 із чорнобильським РБМК-1000 (безкорпусним) було б дещо непрофесійно.
Перша така атомна котельня мала б розташуватися безпосередньо в місті, де її проектували - в Нижньому Новгороді (тоді Горькому).
Горьковська АСТ, з двох блоків АСТ-500 розташувалася б в 13 кілометрах від центру міста.
Це вже еквівалент відстані від Майдану до ТЕЦ-6 в Києві.
Спорудження станції розпочалося приблизно одночасно з Одеською, на початку 1980-х.
Наступна така станція мала розташуватися в Воронежі, за 11,5 кілометрів від центру міста.
Її проект дещо відрізнявся, навколо реакторного приміщення ще й мав би бути створений четвертий корпус - зовнішня гермооболонка-контайнмент (його “купол” ви бачите на фото).
Проектувалася також Івановська та Архангельська АСТ, але реалізацію всіх цих планів спинив Чорнобиль і загальний економічний стан країни. Перспективний напрямок атомної енергетики, що продемонстрував неабиякий політ фантазії радянських вчених, на жаль, був підбитий на зльоті. Атомофоби на тлі цього, звісно, відкриють шампанське (проект Горьковської АСТ, готової на 90%, не в останню чергу був загноблений молодим політиком Борисом Нємцовим - так, так, тим самим - і його позицію щодо цього не можна було описати інакше, як рафінований популізм), але слід зауважити, що радянські вчені не були божевільними.
Якщо вони збиралися розташувати реактор за десять кілометрів від центру мегаполісу - то цей реактор реально можна розташувати за десять кілометрів від центру мегаполісу, і, гадаю, я зрозуміло пояснив, чому це дійсно так. Проекти АТЕЦ в Україні та Білорусі хоч і теж сміливі, однак в атомній станції за 40-50 кілометрів від великого міста не бачать крамоли й сучасні санітарні норми.
Нововоронезька АЕС, 44 кілометри до центру Воронежа. Щастить тому містові на ядерні об’єкти...
Тому радіаційної небезпеки ці атомні котельні й ТЕЦ, як такі, не несли б.
Їхній мінус полягав в самій пагубності ідеї мегацентралізованого теплопостачання.
Для прикладу, та сама Горьковська АСТ. Із уведенням в дію двох теплоблоків по 500 МВт совєти планували демонтувати більшість старих котелень Нагірної частини Нижнього Новгороду (сталінських та хрущовських часів, застарілі за технічним обладнанням і показником ККД). Лишилися б тільки відносно нові котельні, для резервування АСТ - але чи підтримувалися б вони у належному стані за умов советської господарки, чесно кажучи, фіг його знає. І уявіть ситуацію.
Зима. Оскільки це Росія, то, нехай, -20*С, для певності. Один блок, наприклад, спинений для техобслуговування. На другому випадково стається якась дрібна аварія (“shit happens, and happens very often”), і він теж стає. З чим лишається половина мільйонного мегаполісу?
З десятком мазутних котелень, половина з яких "як піть дать" не запуститься, бо Пітровичі собі з них металу на пиво напиляли? Це катастрофа, причому катастрофа капітального масштабу - хоч в навколишнє середовище не викинуто ані бекереля радіоактивного бруду. Мережі теплопостачання замерзають і (оскільки вода, падла, розширюється при замерзанні) рвуться, масово - в половині міста, яке лишається в полоні генерала Мороза. Таку вже пережило на практиці інше місто, хоч і не настільки велике, але забудоване за найкращими порадами совєтів.
Алчевськ, 2006-го року - а тоді і в нас, в Україні, як назло, вшпарило -30*С.
Місто замерзло, і його систему тепло- та водопостачання потім відновлювали всією Україною (схоже, дарма, бо менш ніж за 10 років її, напевне, непогано попиляли на метал орки). Але все це підштовхує до очевидного висновку.
Для безпеки і стійкості системи теплопостачання міста вона має бути децентралізованою. Котельні на двір/квартал, незалежні одна від одної, але поєднані інженерними мережами, що дозволяють підігрівати мережу одна одній у разі якоїсь несправності. Замість централізованої системи - гармонія анархії.
Чи потрібна такій системі теплопостачання централізована підтримка теплопостачання в масштабі всього міста? Не знаю.
Чи може стати такою підтримкою атомна котельня на околиці міста або й просто теплопровід від АЕС неподалік? Запросто.
Не виноситиму сьогодні вироків і не стверджуватиму нічого більш по темі, однак. Сьогодні ви дізналися про сміливий проект минулого. І самі стали трошки сміливішими, з чим вас і вітаю. Па-па.