Эксперимент длительностью пятьдесят лет

Какой автомобиль лучше — КамАЗ или КрАЗ? Что предпочтительнее развивать — электрические или газовые плиты? Какой тип солнечной электростанции выгоднее? Чтобы ответить на подобные вопросы, можно сравнить паспортные характеристики машин или провести экономический расчет. А еще лучше определить эксплуатационные характеристики и надежность с помощью эксперимента.

Но никакой эксперимент не решит, какая энергетика лучше — газовая или угольная, атомная или солнечная?

Тут эксперимент не поставишь — он должен длиться десятки лет. А ответ нужен сейчас. Ведь энергетика страны развивается на основе пятилетних планов, путеводным маяком для которых и служит Энергетическая программа, определяющая основные направления энергетической политики на более длительный срок — на 15–20 лет.

В свою очередь, Энергетическая программа основывается на долгосрочном прогнозе развития энергетики с упреждением примерно в полстолетие.

Освоение новых первичных энергоресурсов, создание надежных технических средств для их транспортировки, преобразования и использования продолжается десятки лет. Поэтому в энергетике трудно обойтись без долгосрочных прогнозов и программ. Высокая капиталоемкость, широкая взаимозаменяемость энергоресурсов и видов энергии делают особенно важным заблаговременную разработку оптимальной структуры энергохозяйства страны.

Однако в энергетических прогнозах в мире царит разнобой. Одни говорят, что энергетика пойдет вперед чуть ли не семимильными шагами, другие предрекают чуть ли не нулевой ее рост. Большая неопределенность долгосрочных энергетических прогнозов зависит от недостоверности исходной информации, неполноты наших знаний.

Но основная причина прогнозного разнобоя — принципиально разные взгляды на развитие- больших систем энергетики.

Фаталисты, экзистенциалисты полагают, что в основе природы и общества лежит неопределенность и случайность, а потому огромные многокомпонентные энергетические комплексы — неуправляемые, чисто вероятностные системы. Человек не может активно воздействовать на них в нужном направлении.

Детерминисты же впадают в другую крайность и уверяют, что мир держится на однозначно определенных связях, благодаря чему можно безошибочно рассчитывать даже отдаленное будущее промышленности и энергетики.

Наши специалисты в своих прогнозах и планировании руководствуются объективными законами развития производительных сил, в том числе энергетического комплекса. Долгосрочные экономические и энергетические прогнозы соотносятся с генеральной целью развития нашего общества, с важнейшими социально-экономическими задачами, решаемыми во имя этой цели. Это способствует устойчивости, детерминированности прогнозов. В то же время нельзя не учитывать случайные, неопределенные факторы, способные ускорять или замедлять прогрессивные тенденции, влиять на судьбы энергетики.

Именно поэтому перед каждым очередным пятилетием Энергетическая программа должна корректироваться и точнее определять развитие отраслей топливно-энергетического комплекса на последующие 20 лет. Программе следует чутко реагировать на новые тенденции технического прогресса, новые оценки запасов энергетических ресурсов, новые способы преобразования этих ресурсов в необходимые виды энергии. И хотя энергетика — одна из наиболее древних отраслей экономики, совершенствование ее в последние десятилетия идет очень быстро.

 

Экономная энергетика

Чем меньше расходуется топлива на производство 1 киловатт-часа электроэнергии, тем лучше. 1 киловаттчас — это 860 килокалорий. На заре промышленной электроэнергетики для получения этого киловатт-часа нужно было сжечь 1300 граммов условного топлива, то есть затратить 9000 килокалорий. Значит, коэффициент полезного действия составлял всего 10 процентов. А сейчас на современных конденсационных электростанциях за счет прежде всего повышения температуры пара на получение одного киловатт-часа электроэнергии тратится всего около 330 граммов условного топлива.

На паротурбинных установках при давлении пара 240 атмосфер и температуре 540–565 °C был достигнут КПД 37–39 процентов. Когда же на опытных установках подняли температуру до 620–650 °C и давление до 300–350 атмосфер, КПД повысился до 40–41 процента!

Однако при таких параметрах очень сложно обеспечить надежную и длительную работу энергетического оборудования, поэтому за такими опытными установками серийные установки не последовали.

Как видели, каждый процент прироста КПД дается с огромным трудом. Но резервы есть. Так, можно повысить эффективность сжигания топлива в котлах, улучшить КПД турбины, использовать тепло газов, выходящих из котла, для подогрева питательной воды, уменьшить затраты энергии на собственные нужды станции и так далее. Открываются и новые возможности.

На очереди — комбинированные установки, их КПД может достигать 45–48 процентов. В них паровая турбина работает совместно с газовой. В камеру сгорания подается сжатый воздух после компрессора и топливо через форсунки. Горячие газы с температурой 900-1200 °C направляются в газовую турбину и совершают работу, вращая электрогенератор и компрессор почти со стопроцентным КПД. Выходящий с последних ступеней еще очень горячий газ, имеющий температуру около 500–600 °C, подается в парогенератор паровой турбины. Если температура газа, выходящего из газовой турбины, недостаточна для получения пара высоких параметров, то в парогенераторе сжигается дополнительное количество топлива.

Сейчас в нашей стране работают по несколько различным схемам две парогазовые установки: мощностью 200 мегаватт на Невинномысской ГРЭС в Ставропольском крае и 250 мегаватт на Молдавской ГРЭС. Но все же экономия топлива на этих ГРЭС невелика. Слишком низка температура газа на входе в газовые турбины — всего 750 °C. Более высокой температуры не выдерживают лопатки турбины, их надо научиться охлаждать. Тогда можно разогреть газ до 900-1200 °C и тем самым существенно повысить КПД.

Еще один путь — использование термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) тепловой энергии в электрическую. ТЭП — это электровакуумный прибор. В нем с разогретого до температуры 1300 °C электрода-эмиттера (катода) испускаются электроны и движутся к электродуколлектору (аноду), температура которого 500 °C. В цепи, замкнутой внешней нагрузкой, протекает электрический ток.

ТЭП помещается в топку таким образом, чтобы эмиттер разогревался факелом горящего топлива. Коллектор, отделенный от эмиттера вакуумным зазором, через специальную прокладку отдает тепло трубам, в которых генерируется пар. Он используется в стандартной паротурбинной установке. КПД такой системы может достигать 45–47 процентов. Однако технико-экономические трудности остаются непреодолимыми. Пока не создано даже опытно-промышленной станции. Очень мала в ТЭПах плотность съема электроэнергии — не больше 5 киловатт с квадратного метра. Другими словами, для мощности 200 мегаватт потребовалось бы 40 тысяч квадратных метров площади эмиттеров! Кроме того, мало напряжение, создаваемое на одном модуле ТЭП, и их нужно соединять последовательно в длинные цепочки. Усложняются и инверторы — устройства для преобразования постоянного тока в переменный.

Хорошо бы научиться интенсифицировать горение угля в топках угольных станций. Например, в Ленинградском Центральном котлотурбинном институте (ЦКТИ) и в Ленинградском политехническом институте разработаны вихревые топки и топки с кипящим слоем. Благодаря более эффективному горению снижается расход топлива и выбросы вредных веществ. Если применить вихревую топку на Березовской ГРЭС, потребляющей канско-ачинские угли, то высоту главного корпуса удалось бы снизить со 130 метров до 80 и резко сократить расход металла на котлы, весящие сейчас по 30 тысяч тонн. Применяя же котлы с кипящим слоем, можно добиться экономии металла на 30–50 процентов, а объем уменьшить в 2–3 раза.

Как же работают столь привлекательные котлы с кипящим слоем? Оказывается, при продувании с большой скоростью воздуха между твердыми частицами они начинают вести себя словно кипящая жидкость («псевдосжиженный слой»). Если же повысить давление, то «кипящий» слой займет меньший объем; в него будет подаваться больше воздуха, а с ним кислорода. Энерговыделение в единице объема резко возрастает, соответственно уменьшаются размеры котла. Тепло от частиц передается трубкам парогенератора, пронизывающим кипящий слой.

У таких котлов есть еще несколько интересных особенностей. Псевдосжиженный слой на 90 процентов состоит из песка; в этот слой, разогретый пламенем газовой горелки, и подается угольная пыль. Частицы угля горят и передают свое тепло песчинкам. Каждая крупинка топлива достаточно долго находится во взвешенном слое и успевает сгореть полностью. Кстати, в топках с кипящим слоем можно сжигать не только уголь, но также торф, дерево, резину, битумные сланцы, опилки и городские отбросы.

Правда, при продувании воздухом уносится некоторая доля частиц. Беспокоит также быстрая эрозия трубок парогенератора. Чтобы трубки служили дольше, их делают ребристыми. Впрочем, достоинства перевешивают недостатки. Так, благодаря хорошей теплоотдаче поддерживается невысокая температура слоя — 800–850 °C. Образуется гораздо меньше окислов азота. Если же в топку добавлять пылевидные частицы доломита или известняка, то они вступят в реакцию с окислами серы и образуют сульфат кальция, удаляемый с золой. Это очень эффективный способ уменьшения выбросов серы.

 

Атака на серу

Дальнейшее масштабное наращивание мощностей электростанций и котельных на угле невозможно без решения экологических проблем, связанных с использованием угля. О восстановлении ландшафта уже говорилось. Эта цель достижима. А вот удастся ли очистить дымовые газы — пока еще не до конца ясно. Так, на конденсационных электростанциях, удаленных от городов (так как они не производят тепла), при сжигании за один час 1000 тонн низкосортного донецкого угля выбрасывается:

34 тонны шлака;

200 тонн золы;

230 тонн двуокиси углерода;

10 тонн окислов азота;

25 тонн двуокиси серы;

2 тонны золы летучей, не пойманной фильтрами.

Особенности углей различных месторождений создают дополнительные трудности. Например, зольность экибастузского угля достигает 50 процентов, причем зола плохо улавливается электрофильтрами. Пришлось создавать двухступенчатую систему очистки. На первой ступени газ увлажняется в особой камере (скруббере), снижается его температура, частично улавливается зола. Меняются также и электрофизические свойства остающейся золы, и электрофильтры второй ступени начинают работать эффективнее. В создаваемых установках тщательность очистки ожидается на уровне 99 процентов.

Очень сложно и дорого улавливать окислы азота. Как сделать, чтобы их образовывалось поменьше? Для этого предлагается снижать температуру в топке, используя в топочной камере рециркулирующие дымовые газы, воду или пар, практикуя двухступенчатое сжигание топлива или ограничивая доступ воздуха в зону горения.

Но под особым прицелом специалистов находится двуокись серы.

Видимо, недаром в различных поверьях «серный дух» связан с нечистой и коварной силой. Если не удастся предотвратить выбросы окислов серы, то под вопросом окажется сама возможность крупномасштабного развития угольной энергетики.

Существующие установки по удалению серы дороги, громоздки и несовершенны. Работают они так: через большую емкость снизу вверх подаются дымовые газы, выходящие из электрофильтра. Навстречу им сверху из форсунок разбрызгивается известковый раствор карбоната кальция. Двуокись серы взаимодействует с известью и образует твердый шлам — сульфиты и сульфаты кальция.

Недостаток этого способа — очень медленное течение процесса. Ведь для эффективного удаления двуокиси серы нужно, чтобы ее контакт с известковым раствором был как можно длительнее. Поэтому для электрических станций мощностью всего в 150 мегаватт приходится строить скрубберы в 10 метров диаметром и 20 метров высотой.

Размеры очистных установок и затраты на их эксплуатацию пропорциональны содержанию серы в углях.

К счастью, в нашей стране преобладают малосернистые угли, в то время как угольные месторождения США содержат серы в два-три раза больше. Из-за этого энергетики США издавна вынуждены были заниматься сероулавливающими установками, накопили большой опыт, который нельзя назвать удовлетворительным. Сооружения очень дорогие. Их стоимость достигает половины стоимости всей станции, где сжигаются высокосернистые угли!

Уже в 1980 году на станциях США ежегодно скапливалось 200 миллионов тонн шламов — сульфатов кальция. А ведь их нужно куда-то девать, тратить средства на закапывание и рекультивацию. На других ГРЭС и ТЭЦ пытаются применять такие поглотители двуокиси серы, как озонированная жидкость, аммиак, известь, магнезит.

В нашей стране стоимость сероулавливающих установок достигает 25–35 процентов от стоимости станции, и для каждой ТЭС мощностью в миллион киловатт абсолютные затраты на сероочистку составляют 80-120 миллионов рублей! Чтобы снизить такие огромные расходы, надо искать принципиально новые решения.

Делаются попытки удалить серу из угля еще на углеобогатительных фабриках. Опробовано несколько способов, но эффективность их низка. Правда, в одной из недавних статей американские исследователи сообщают, что при использовании ультразвука эффективность отделения от угля серосодержащих частиц, в том числе серного колчедана, в двадцать раз больше.

Некоторые бактерии способны питаться серой, содержащейся в каменном угле. Предположим, измельченный уголь обрабатывается водой, насыщенной этими микроорганизмами. Тогда есть надежда удалить большую часть серы при транспортировке угольной суспензии в углепроводах (в это время микробы будут делать свое дело).

Канадская фирма «Конкорд Сайентифик» разработала процесс одновременной очистки дымовых газов как от окислов серы, так и от окислов азота. При этом применяется ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого окислы превращаются в сульфаты и нитраты — готовые удобрения. По уверениям фирмы, очистные установки обходятся якобы почти в четыре (!) раза дешевле обычных, а эксплуатационные расходы меньше на 80 процентов. Впрочем, не выдается ли здесь желаемое за достигнутое?

Сероочистка удешевится, если бы удалось выделить серу в чистом товарном виде и тем самым частично окупить затраты. Подобный способ испытывается на одной из молдавских ТЭС. Проблема удаления и выделения серы важна также для нефти и газа. Если сквозь нефть пропускать водород, он соединяется с серой и образует сероводород, который сжигают, теряя при этом как водород, окисляющийся до воды, так и серу, выбрасываемую в виде двуокиси. Между тем сера — ценный продукт для производства серной кислоты, сульфита целлюлозы и других продуктов, и мы закупаем его на мировом рынке.

Новый принцип, который апробируется ныне на Дрогобычском нефтеперерабатывающем заводе, был предложен учеными Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, исследовавшими свойства низкотемпературной плазмы — смеси свободных электронов и ионизированных атомов. Одно из направлений исследований, получившее название «плазмохимия», возглавил в институте академик В. А. Легасов. Почему бы, задумались плазмохимики, не утилизировать сероводород, образующийся при гидроочистке нефти? Ведь если удастся «дешево», то есть затрачивая мало энергии, в высокопроизводительной установке «развалить» сероводород на водород и серу, то проблема очистки «черного золота» решается очень красиво: водород вновь используется для очистки следующей порции углеводородного сырья, а сера отгружается для производства серной кислоты.

Как и всякое вещество, сероводород можно «развалить» на составляющие простым нагреванием. Потребуется довести температуру до 1500 °C. Тогда разорвутся электронные связи атомов водорода и серы. Затем смесь нужно охладить, но ни в коем случае не медленно, ибо иначе по мере понижения температуры водород и сера опять начнут соединяться, образуя сероводород. Выход есть — так резко охладить смесь, чтобы атомы водорода и серы просто не успели соединиться. В специальных установках температура снижается на тысячи градусов за доли секунды, но это требует много энергии.

Но когда сотрудники Института атомной энергии использовали сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, картина существенно изменилась. Через трубу из кварцевого стекла, пропускающего СВЧ-излучение, проходит поток сероводорода. Электромагнитное излучение, пронизывающее этот поток, отдает энергию не на разогрев молекул газа, а на «раскачивание» атомов водорода и серы относительно друг друга вплоть до разрыва связи между ними. В результате удается убить сразу двух зайцев: во-первых, температура газа остается низкой и после выхода из зоны излучения не происходит рекомбинаций — образования снова сероводорода; а во-вторых, затраты энергии на «развал» молекулы минимальны.

Опытная установка на Дрогобычском комбинате работает. Дело — за широким промышленным внедрением принципиально нового метода.

 

Сбудутся ли предсказания Рамзая?

Более двадцати лет назад в одном из домов на Красноказарменной улице, неподалеку от Московского энергетического института, вокруг светящейся гирляндами огней новогодней елки собралась группа восторженных сотрудников лаборатории высоких температур Академии наук СССР. Они ликовали, потому что ток для гирлянд давала первая в стране лабораторная магнитогидродинамическая установка.

Сейчас лаборатория стала крупнейшим институтом Академии наук СССР. Он переехал ближе к Московской окружной автодороге. Там, на Коровинском шоссе, рядом с ТЭЦ построена опытно-промышленная установка У-25, мощность которой достаточна для освещения сотен тысяч новогодних елок, энергоснабжения небольшого города. А неподалеку от Рязани строится первая промышленная магнитогидродинамическая электростанция (МГДЭС) мощностью 250 тысяч киловатт.

На электростанциях преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется в паровой или газовой турбине. Повышается температура пара или газа — растет ее КПД. При температуре 2000 °C можно было бы достичь КПД около 70 процентов, но никакая турбина не выдержит такого перегрева. Сегодняшняя техника в состоянии создать газовые турбины для температур 1000–1300 °C, но у них будет ограниченный ресурс работы и мощности. А вот при бестурбинном прямом способе преобразования мы имеем дело с температурами до 2200–3000 °C.

Такой нагрев приводит к ионизации продуктов сгорания. Газовый поток превращается фактически в проводник, носитель электрического тока. Если поместить его в канал с электродами и создать магнитное поле, то между электродами возникает электродвижущая сила. Достаточно теперь замкнуть внешнюю цепь между электродами, подключить нагрузку, и электрогенератор заработал.

При этом создается электромагнитная сила, направленная против движения газа. Поток низкотемпературной плазмы, разогнанный в сопле до скорости около 1000 метров в секунду, тормозится и охлаждается до температуры 1500–1700 °C. Другими словами, кинетическая энергия ионизированного газа преобразуется в энергию электрического тока. Газовая струя, выходящая из камеры, еще сохраняет более половины первоначальной энергии.

Она далее используется как в обычной теплоэлектростанции. Так, на Рязанской МГДЭС сам МГД-генератор сочленен с обычной ТЭС. В таком комплексе можно добиться повышения КПД до 50–55 процентов.

Каждый процент прироста такой КПД дается недешево. Нужны инверторы для преобразования постоянного тока в переменный, сверхпроводящие магнитные системы. В камере сгорания — высокая температура, которую не выдерживают даже электроды из тугоплавких металлов. К тому же агрессивная плазма разъедает их.

Следовательно, нужны керамические электроды, обладающие при высокой температуре достаточной проводимостью. Кроме того, из-за ряда электрофизических эффектов на камере сгорания наводится электропотенциал до нескольких тысяч вольт, так что приходится применять высоковольтные электроизоляционные вставки на всех ведущих к ней трубопроводах и в точках ее соприкосновения с фундаментом. На опытно-промышленной Рязанской МГДЭС как раз и предстоит проверить методы преодоления подобных сложностей.

Интенсивная разработка МГД-генератора велась в те годы, когда уже обозначилось подорожание газожидкостного топлива, необходимость его экономии. Сейчас ясно, что на МГДЭС будет использоваться не нефть, а только, возможно, в небольшой степени, газ, в основном же уголь. Однако в местах добычи твердого топлива вряд ли целесообразно пристраивать к ТЭС дорогостоящие МГД-установки, чтобы экономить дешевый уголь. Но на МГДЭС, считают исследователи Института высоких температур АН СССР (ИВТАН), можно организовать эффективную систему очистки дымовых газов от двуокиси серы.

Предположим, в плазму добавляют ионизирующиеся соединения щелочных металлов — например карбонат калия. Тогда, во-первых, повышается ее удельная проводимость, а во-вторых, в интервале температур от 1600 °C до 1200–1300 °C образуется соединение калия и серы — сульфат калия. Получившийся сульфат калия конденсируется по мере охлаждения газового потока, а при температуре 1100 °C он затвердевает.

Сульфат калия улавливается электрофильтрами, а затем в специальной шахтной печи восстанавливается водородом или метаном до сероводорода. Товарная сера получается из сероводорода при окислении, хотя выгоднее использовать и знакомый нам плазмохимический процесс. Согласно экспериментальным данным из дымовых газов удаляется в результате до 99,8 процента серы.

Можно ли применить столь эффективный метод очистки на обычной ТЭС? Здесь важно, как и на МГДЭС, уменьшение потери калия, иначе очистка окажется дорогой. Ученые ИВТАНа продолжают исследования.

В Петрограде в самый разгар гражданской войны была издана книга английского химика У. Рамзая «Элементы и энергия». Наша страна испытывала тогда топливный голод, и мысли ученого о новых источниках энергии и об ее экономии звучали весьма своевременно.

Автор убедительно показывал важность энергии в жизни общества. Когда человек ею обеспечен, он может посвятить свое время искусству, развлечениям, образованию. «Каким путем, например, Афинская республика достигла таких успехов литературы и философской мысли?» — спрашивает У. Рамзай. Ответ гласит: «У каждого свободного грека было в среднем по крайней мере пять рабов, исполнявших его приказания, разрабатывавших рудники, возделывавших его поля и вообще избавлявших его от физического труда».

Учитывая конечность запасов ископаемого топлива, английский ученый указывал также на необходимость бережно относиться к расходованию энергоносителей «Мы должны, — говорил он, — рассчитывать главным образом на наши запасы угля как на источник энергии и на средство к обеспечению существования нашего населения; и мы должны стремиться к возможно более экономному расходованию угля… Хотя действительная потеря тепловой энергии в форме дыма невелика — не более полупроцента всего потребленного топлива, однако дым является видимым знаком напрасной растраты топлива и небрежного отопления… Мы совершенно избавимся от дыма введением штрафа в 6 пенсов за каждое нарушение соответствующего постановления».

И далее У. Рамзай предсказывал, что «изобретение, которое позволило бы нам превращать энергию угля непосредственно в электрическую энергию, произвело бы переворот во всех наших понятиях и методах, а такое изобретение теперь уже не представляется немыслимым».

Основания для подобных надежд породило открытие английского электрохимика Уильяма Грова. Когда он в 1839 году погрузил в банку с серной кислотой два платиновых электрода и один из них стал обдувать водородом, а другой — кислородом, то между электродами, как показала отклонившаяся стрелка гальванометра, стал течь электрический ток. Значит, в этом топливном элементе, а теперь электрохимическом генераторе (ЭХГ) при соединении водорода и кислорода энергия связи атомов превращается непосредственно в электрическую энергию.

Открытие не оценили тогда по достоинству, потому что примерно такие же электрохимические батареи, какие мы используем и сейчас, существовали и в те времена и в них тоже получали электрический ток. Источником энергии в батареях является окисление ценных металлов: никеля, свинца, цинка. Но для производства этих чистых металлов тратится энергии гораздо больше, чем затем удается высвободить в виде электроэнергии. С энергетической точки зрения процесс оказывается невыгодным.

Над проблемой экономии энергии тогда особенно не задумывались. Да и величина мощности топливного элемента была ничтожной. В итоге опыт У. Грова не произвел впечатления.

Однако к концу XIX века отношение к топливным элементам изменилось. По словам ученого Вильгельма Освальда, «если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию прямо из угля и кислорода воздуха, то это будет техническим переворотом, превосходящим по своему значению изобретение паровой машины».

Действительно, в таком элементе энергия электронов, выделяющаяся при связывании атома топлива (водорода, угля) с кислородом, выделится не в виде тепла, а даст электрический ток. Поскольку отсутствует тепловая стадия, то коэффициент преобразования энергии может быть очень высоким, равным почти 100 процентам.

Первые топливные элементы, появившиеся в конце XIX века, представляли собой угольный и железный электроды, которые погружались в расплавленную щелочь. При температуре 400–500 °C элемент вырабатывал электроэнергию.

Однако создать надежный и экономичный топливный элемент на угле не удается до сих пор. Возникает много технических проблем: коррозия электродов, большие потери энергии на подогрев электролита и т. д. Пока нет топливных элементов с использованием природного газа.

Вперед вышли водородные топливные элементы, которые и были открыты У. Гровом.

Электрохимические генераторы на водороде работают ныне в космосе. Там они очень удобны, потому что в результате соединения водорода и кислорода образуется не только электрический ток, но и необходимая космонавтам вода. Во Всесоюзном институте источников тока испытываются ЭХГ и как источники энергии на электромобилях, в которых в качестве топлива применяется водород.

Заманчивее всего использовать в энергетике ЭХГ на природном газе. Для этого нужно сначала природный газ конвертировать в водород, который и сжигать затем как топливо. КПД существующих установок мощностью в десятки киловатт еще не очень высок, но если обогревать жилища выделяющимся теплом, то эффективность генератора может возрасти.

По мнению многих специалистов, ЭХГ особенно эффективны как пиковые электростанции. Уже созданы опытные системы мощностью в несколько мегаватт. Что же представляет собой электрохимическая энергетика?

Откуда взять водород? Об этом пойдет речь дальше.

 

Водородная энергетика

На наших глазах набирает силу новая отрасль промышленности — водородная энергетика и технология.

Потребность экономики в водороде идет по нарастающей.

Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем, в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд.

Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель — тот же водород.

Водород — идеальный экофильный вид топлива.

Очень высока и его калорийность — 33 тысячи килокалорий на килограмм, что в три раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1,5 метра с ним передается 20 тысяч мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500 километров почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухнях для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий. Чтобы продемонстрировать его возможности, американские энтузиасты построили «водородный дом», в котором даже для освещения используется водород.

Передавать водород в жидком виде — удовольствие очень дорогое, потому что для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция трубопровода, гак как температура жидкого водорода очень низка.

Но предположим, мы решили качать по трубам жидкий водород. Один из путей снижения затрат — одновременно передавать электроэнергию по водородному сверхпроводнику. Чтобы поддерживать неизменной очень низкую температуру — минус 250 °C, придется создавать дорогостоящую теплоизоляцию. Но вот удивительно простое решение. Через определенное расстояние предлагается производить отбор из трубопровода образующегося газообразного водорода для потребителей, расположенных вдоль трассы, а часть жидкости испарять, отнимая тепло, и тем самым поддерживать необходимую температуру водородопровода.

Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода.

Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта.

Водородная энергетика сулит ряд выгод. Поэтому за последние десять лет появилось много энтузиастов водородной энергетики, возникли их ассоциации, в том числе международная. В Советском Союзе работы по данной тематике координирует Комиссия по водородной энергетике АН СССР.

Десятки молодых ученых и специалистов собираются каждые два года в организованной ЦК ВЛКСМ школе «Атомно-водородная энергетика и технология». Школы проводились в Северо-Донецке, Ионаве в Литве, Туле и Баку, где обсуждались вопросы использования водорода в промышленности и быту. В работе школ участвуют ведущие специалисты, которые рассказывают об основных методах получения водорода, его хранения и транспортировки, а молодые ученые обмениваются опытом работы в этой интересной и перспективной области науки и техники. Так готовятся кадры для будущего. Работы специалистов публикуются в журналах и сборниках под названием «Атомно-водородная энергетика и технология».

Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20–30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода — природный газ — на более дешевое и доступное сырье — на воду. Здесь возможны два пути.

Первый путь — традиционный, с помощью электрохимического разложения воды. В последние годы электролизеры существенно усовершенствованы. Созданы установки с КПД до 70–80 процентов. Однако они пока еще дороги. Хотя не все ресурсы на этом пути исчерпаны, здесь неустраним принципиальный недостаток — низкий общий КПД производства водорода. Если КПД производства электроэнергии равен 35 процентам, а электролизера — 70 процентам, то полный КПД составит около 23 процентов.

Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000–3500 °C, то водные молекулы развалятся сами собой. Однако смущает слишком высокая температура, неприемлемая для промышленного производства. Попробуем провести реакцию разложения воды не в один этап, а в несколько. Например, при невысокой температуре проведем реакцию взаимодействия кадмия с водой. В результате получим свободный водород и окись кадмия. Затем нагреем окись кадмия до 1200–1300 °C (а не до 3000–3500 °C, как это нужно было для прямого разложения воды) и при ее разложении получим кислород и кадмий, который снова можно использовать для реакции с водой. Таким образом, вода разложилась на водород и кислород в ходе двухступенчатой химической реакции.

Придумано очень много подобных термохимических циклов разложения воды, когда не нужно использовать электроэнергию, а только тепло — например энергию атомных реакторов. Применяя цепочки в три или четыре реакции, максимальную температуру можно понизить еще больше при КПД около 50 процентов.

Увы, реальные технологические цепочки еще очень сложны. Природа расставила немало преград. Так, необходимы громоздкие и дорогие теплообменные устройства. Не так просто разделить вещества, участвующие в реакции. Довольно велики потери материалов. Существуют и другие трудности. Ныне ведется отработка различных предложенных схем и поиск новых.

Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.

О реальном соотношении стоимостей производства водорода различными способами сообщается в монографии «Введение в водородную энергетику», изданной под редакцией академика В. Легасова. Оказывается, если пересчитать затраты на тонну условного топлива, то производство тонны водорода из природного газа обойдется в 80-150 рублей, при электролизе воды — в 90-200, в термохимических циклах — в 200–300; из воды с помощью энергии угля — в 100 рублей.

Обращает на себя внимание большой разброс в цифрах. Он отражает и неопределенность в технологиях, которые еще нужно осваивать, и разницу в цене на сырье (газ, уголь) или электроэнергию.

Не во всех случаях водород способен удачно заменить современные виды топлива, особенно жидкое. В последние годы у энергетиков широкое развитие получили работы по созданию синтетического жидкого топлива (СЖТ). Его можно получать из газа, угля, сланцев. Весьма заманчиво делать искусственное жидкое топливо из угля, запасы которого велики. Придумано несколько способов превращения угля в жидкую массу. В Швеции уже работает опытный завод по производству «флюидкарбона», который состоит из 65–80 процентов угля, 20–35 — воды и небольшого количества различных химических добавок — органических полимеров, полисахаридов.

Институт КАТЭКНИИуголь совместно с Институтом химии и химических технологий Сибирского отделения АН СССР предлагает растворять угли низшими алифатическими спиртами. Кстати, в этих процессах угольная масса существенно очищается от примесей серы.

К сожалению, жидкий уголь и жидкое углеводородное топливо — не одно и то же. В двигателях автомобилей и самолетов нужно топливо, подобное тому, которое получают из нефти, в нем на один атом углерода приходится около двух атомов водорода. Чем меньше атомов водорода приходится на один атом углерода, тем, как правило, при более высоких температурах углеводороды становятся жидкими.

В углях водорода меньше. В антраците его совсем мало, а в бурых углях типа канско-ачинских на атом углерода приходится всего лишь один атом водорода. Чтобы повысить содержание водорода в угольной массе, уголь измельчают и смешивают со специальной углеводородной жидкостью, которую выделяют из конечного жидкого продукта, а затем в эту пасту подают водород. При высокой температуре и давлении разрываются угольные кольцеобразные структуры, и к ним присоединяются дополнительные атомы водорода.

Такие процессы были изобретены давно. Еще в 20- 30-е годы в Германии, Англии, СССР работали опытные установки. А во время второй мировой войны в Германии уже производилось несколько миллионов тонн синтетического бензина из угля; для этого требовалась очень дорогостоящая аппаратура. Особенно много проблем доставляло высокое (около 700 атмосфер) давление, при котором идет этот синтез.

В Институте горючих ископаемых благодаря использованию нового эффективного катализатора удалось снизить давление до 100 атмосфер. КПД такого процесса — около 50 процентов, а это значит, что из шести тонн канско-ачинского угля можно получить тонну СЖТ. Построены первые опытные установки. Однако нерешенные проблемы остаются. Например, неясно, удастся ли избежать больших потерь дорогого молибденового катализатора. Производительность установок еще мала. А ведь на их изготовление уходит большое количество высококачественных сталей. Пока неутешительны и оценки ожидаемой стоимости такого СЖТ.

Может быть, выгоднее окажутся способы непрямого сжижения угля? Например, сначала уголь газифицируется, а затем полученный газ в виде смеси СО, CH4 и Ш превращается либо в метанол (его уже можно использовать вместо бензина), либо в жидкие углеводороды.

Из метанола дегидрированием можно получить и высокооктановый бензин. Сколько же это будет стоить?

Пока ответ очень приблизителен — от 60 до 300 рублей за тонну жидкого топлива. Нужно точнее? Для этого и продолжаются исследования, создаются новые и новые установки.

Предлагаются и полуфантастические способы получения водорода — например закачивать воду через скважины в магму. При взаимодействии воды с железом (если магма богата им) выделится водород. Но мало, очень мало. Даже по расчетам энтузиастов (как правило, завышенным), при закачке 70 тонн воды получим всего 230 килограммов водорода из 8 тонн, содержащихся в воде.

Японские и американские специалисты выдвинули менее сложный, но столь же впечатляющий проект. Представим в океане платформу площадью 10 квадратных километров, которая заполнена солнечными панелями, конденсаторами солнечной энергии, паровыми котлами, турбогенераторами и электролизерами. Производительность такого завода — 600 тонн водорода в сутки. Разложение морской воды не простая задача. Очень мешает растворенный хлор, соли, для выделения которых из воды предстоит еще разработать технологию.

Почему платформы размещаются в море? Там не нужно искать охлаждающую воду для турбин. Это уже выигрыш. Кроме того, там гораздо меньше пыли и грязи, между тем как солнечные панели, установленные на суше, требуют чуть ли не ежедневной очистки, иначе КПД их падает.

Водородная энергетика бурно развивается, но недаром все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем «ядерный реактор — водородный генератор» претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике XXI века.

 

Флагман энергетики

Передо мною страница служебного документа более чем тридцатилетней давности — «Оперативные записи начальника смены». Читаем:

Смена с 8.00 до 24.00; 26.04.54; принял Б. Батуров.

N тепл. = 15,8 МВт; N электрическая = 1,5 МВт; КПД — 10 %.

Так в апреле 1954 года впервые в истории человечества был получен в атомной электростанции ток от энергии атома.

Электрическая мощность первой АЭС была невелика — всего 5000 киловатт. Новых турбин такой малой мощности в то время уже не выпускали. Как быть?

Монтажникам повезло: подходящую турбину нашли на одной из московских электростанций, но у ней оказался погнутым вал. Президент Академии наук СССР Анатолий Петрович Александров вспоминает, что нашелся тогда умелец, который выправил вал. Как показал первый же пуск, ремонт удался на славу турбина исправно закрутилась.

Спустя несколько недель мощность электростанции подняли до проектной, и в газете «Правда» 1 июля 1954 года на первой полосе появилось сообщение:

«В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт».

Успешное создание и работа этой АЭС стали важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер предубеждение людей против атомной энергии вообще. Пуск АЭС имел и политическое значение. Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов: не на создание все более совершенных видов ядерного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь пуск ознаменовал новый рывок научно-технического прогресса — первая атомная электростанция открыла путь десяткам других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.

Сейчас, по истечении более трех десятков лет, атомная энергетика технически повзрослела, стала надежнее, а общая ее мощность в нашей стране достигла почти 30 миллионов киловатт. Предусматривается убыстрение темпов ее дальнейшего развития. Уже к 1990 году энерговыработка атомных электростанций должна вырасти до 390 миллиардов киловатт-часов. К 2000 году атомные электростанции должны вырабатывать энергии в 5–7 раз больше. Согласно Энергетической программе «ускоренное развитие в европейской части страны ядерной энергетики позволит на рубеже XX и XXI веков в основном остановить рост трансконтинентальных потоков органического топлива с востока на запад».

Удастся ли достичь таких темпов, то есть вводить уже в двенадцатой пятилетке каждые два месяца в строй атомный блок мощностью миллион киловатт? А через десять лет темпы ускорятся — будет вводиться один такой блок ежемесячно. Без прочной развитой машиностроительной и электротехнической базы этого не сделаешь.

И программа предусматривает необходимые меры.

К сожалению, атомные станции строятся еще очень долго. Так, в США возведение некоторых станций продолжалось 12 лет. В Японии же одна из АЭС была создана за рекордно короткий срок — всего за четыре года.

Наши АЭС сооружались по-разному — есть и хорошие, и плохие примеры.

Длительные сроки строительства — это не только замороженные ресурсы, нужные народному хозяйству. Согласно расчетам приросту выработки электроэнергии в один киловатт-час соответствует прирост национального дохода в 40 копеек. Поэтому иногда говорят, что запоздание с вводом блока мощностью 1 миллион киловатт на один год может привести к недополучению 2 миллиардов рублей национального дохода. Конечно, такая оценка не совсем корректна, однако очевидны громадные потери в народном хозяйстве, связанные с недовыработкой электроэнергии. Развитие поточных методов строительства позволяет резко сократить сроки ввода блоков. Так, второй и третий блоки Запорожской АЭС вошли в строй всего за четыре года.

В настоящее время вырабатывают электроэнергию множество реакторов, существенно различных по конструкции. А лет двадцать назад для использования в энергетике предполагалось еще больше типов ядерных реакторов, и должны были пройти долгие годы, прежде чем исследователи, эксплуатационники смогли досконально изучить их и выбрать наилучшие.

У многих людей, судя по разговорам, отношение к атомным энергетическим установкам довольно настороженное. Поэтому имеет смысл рассказать, как работают АЭС, в чем их достоинства и недостатки.

Атомная электростанция в основном состоит из тех же элементов, что и обычная тепловая. Главное отличие — в генераторе энергии. На атомной станции вместо котла установлен ядерный реактор, вырабатывающий тепловую энергию, однако его принцип действия и источник энергии в нем другие.

В обычном котле используется химическая энергия органического топлива, то есть энергия связи атомов углерода и кислорода, выделяющаяся при окислении — горении того же угля.

В ядерном же котле-реакторе выделяется энергия связи нейтронов и протонов, освобождающаяся при делении ядра урана на части под воздействием нейтронов.

При делении ядер выделяется гораздо больше энергии, чем при соединении атомов: 20 миллионов килокалорий на один грамм разделившегося топлива. Сгорание же одного грамма угля высвобождает только 7 килокалорий — в три миллиона раз меньше. Чтобы получить миллион киловатт электрической мощности, в топку угольной электростанции нужно ежегодно загружать около трех миллионов тонн угля, а для АЭС будет достаточно и тридцати тонн. Правда, если химическая реакция горения начинается и при очень малых количествах топлива, то ядерная цепная реакция не начнется, если в реактор не загрузить достаточной массы расщепляющегося материала. Для типового реактора АЭС эта начальная критическая загрузка составляет около ста тонн урана.

Итак, АЭС расходует гораздо меньше топлива, чем ТЭС. Ее можно разместить в любой точке страны, потому что доставка ядерного горючего не представляет транспортных сложностей. Особый характер протекания ядерной цепной реакции требует и другого принципа управления ядерным реактором.

Сравнительно просто управлять двигателем автомобиля или форсунками, питающими топки котлов. Шофер увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер нажимает на нее. Но увеличение мощности двигателя не будет беспредельным — в конце концов она достигнет максимума. Если шофер вернет педаль газа в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.

В ядерном реакторе все происходит совсем не так.

Если вывести из реактора стержень управления (аналог педали газа), то цепная ядерная реакция ускорится и мощность начнет расти практически беспредельно. Чтобы остановить рост мощности, нужно вернуть стержень управления в прежнее положение. Но при этом мощность реактора не вернется к прежней, а останется новой. Хотя принципиальная возможность беспредельного роста мощности существует. Практически в имеющихся типах реакторов безудержное деление ядер блокируется. Существуют механизмы так называемой «обратной связи», благодаря которым при возрастании мощности ухудшаются условия протекания ядерной цепной реакции и мощность падает. «Реактор останавливается», — говорят физики.

Требования к системам управления и аварийной защиты ядерных реакторов значительно выше, чем к соответствующим системам котлов на органическом топливе.

Остановимся еще на двух особенностях ядерных реакторов, от которых зависит развитие атомной энергетики.

Атомный реактор невозможно «выключить» совсем и прекратить выделение в нем энергии. Если прервать цепную реакцию, то мощность ядерного котла падает до 6 процентов от той мощности, на которой он работал до остановки. Через час она будет составлять всего 2 процента, а позже еще меньше. Источник выделяющейся энергии — не деление ядер, а радиоактивное излучение осколков деления.

Это очень неприятная особенность. Чтобы после остановки не произошел перегрев конструкций реактора и их разрушение, нужно обеспечить «абсолютно» надежный отвод этого остановочного тепловыделения. Такие надежные системы теплоотвода обходятся достаточно дорого.

Соответственно капиталовложения на сооружение АЭС в полтора-два раза выше, чем на строительство тепловой электростанции эквивалентной мощности.

Создают ряд проблем и радиоактивные излучения, испускаемые ядерным топливом во время работы реактора и после его остановки.

Какие же атомные котлы популярны ныне среди энергетиков?

В мире получили распространение примерно десять типов ядерных реакторов. Отличаются они видом теплоносителя — рабочего вещества, выбранного для отвода тепла из реактора. Это может быть вода, газ, органическая жидкость, расплав соли, жидкий металл. Тип реактора определяется и веществом-катализатором цепной реакции. Задача этого вещества — уменьшить энергию нейтронов, вылетающих при делении ядер. Такими веществами — замедлителями нейтронов обычно служат легкие элементы — водород воды, углерод, бериллий, тяжелая вода.

Комбинации различных теплоносителей и замедлителей создают многообразие реакторов. В нашей стране наибольшее развитие до конца века получат реакторы типа ВВЭР — водо-водяные энергетические реакторы.

Что они собой представляют?

Прежде всего в глаза бросается двадцатиметровый металлический цилиндр с диаметром около четырех метров. В нем под давлением 170 атмосфер циркулирует вода, отводящая тепло от активной зоны реактора. Затем это тепло через теплообменник передается воде второго контура, которая превращается в пар и направляется в турбину.

Активная зона — сердце реактора. Здесь происходит цепная реакция деления. В зоне — несколько десятков тысяч герметичных трубочек из циркония, омываемых водой. В трубочках сантиметрового диаметра находится ядерное топливо — двуокись урана. Тепло, выделяющееся в уране, через стенки трубок передается протекающей вдоль них воде.

Реакторы ВВЭР вырабатывают миллион киловатт электрической мощности. Они установлены на Воронежской, Запорожской, Балаковской и многих других АЭС.

В СССР разработаны и сооружены еще более мощные реакторы. Устроены они несколько по-другому. Трубочки с топливом, в реакторной технике они называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами), размещены в отдельных каналах — циркониевых трубах. Каналы проложены в графитовых блоках. Из этих блоков можно собрать реактор очень большой мощности и размеров.

Ведь для него не нужно массивного металлического корпуса, несущего давления. Такой реактор типа РБМК (реактор большой мощности, канальный) установлен на Игналинской АЭС в Литве. Его мощность 1,5 миллиона киловатт.

В конце концов атомные станции будут работать не только в режиме постоянной, но и переменной нагрузки, отдавая разную мощность в течение суток и недели. Ночью останавливается работа части заводов и фабрик, засыпают города, и потребность в электроэнергии падает.

Нужно уменьшить мощность электростанций, а некоторые, использующие такое органическое топливо, как мазут или газ, даже остановить. Энергетические нужды пусть обеспечивают атомные станции, которые должны в ночное или воскресное время продолжать работать с максимально возможной нагрузкой. Сейчас общая мощность АЭС составляет от полной мощности всех электростанций всего около 10 процентов. Вроде бы пока нет потребности снижать нагрузку АЭС по ночам. Однако па деле все происходит не совсем так, как хотелось бы. Уже сейчас диспетчеры центральной и региональных электроэнергетических систем вынуждены давать команду на снижение мощности ядерных реакторов в ночные часы, а также по субботам и воскресеньям. В чем же дело?

К сожалению, не в «пустяке». Часть электростанций, сжигающих органическое топливо, нельзя останавливать.

Нецелесообразно даже менять их мощность. Они практически исчерпали свой ресурс, и их изношенное оборудование лучше эксплуатировать в режиме спокойной, постоянной работы. В противном случае оно может выйти из строя. В Энергетической программе предусмотрена реконструкция старых станций, мощность которых на сегодняшний день составляет несколько десятков миллионов киловатт.

Важную роль в электроэнергетике продолжают играть теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). В них наряду с выработкой электроэнергии получают почти «даром» и тепло отработанного пара, вращавшего ротор турбины. Многие ТЭЦ расположены вблизи городов и потому используют, как правило, не дешевый уголь, а дорогостоящие газ или мазут. Казалось бы, выгодно уменьшить ночью мощность этих станций, экономить углеводородное топливо, а нужный минимум энергии пусть обеспечивается АЭС!

Увы, при снижении электрической мощности ТЭЦ одновременно снизится и количество отбираемого пара, теплом которого отапливаются дома, фабрики, заводы.

Правда, положение тут не безвыходное. Уменьшая мощность, пар для отопления можно отбирать не от турбин, а прямо от паровых котлов. Для этого на ТЭЦ нужно установить бойлеры — теплообменники, в которых тепло пара передается воде, поступающей в системы отопления.

Как будто бы все ясно и понятно. Нужно в срочном порядке реконструировать ТЭЦ. Дооборудование — дело несложное, а благодаря снижению мощности ТЭЦ удается сэкономить миллионы тонн органического топлива. Но посмотрим на реконструкцию с точки зрения эксплуатационников. Из-за бойлеров ухудшится такой важный нормативный показатель, как удельный расход топлива на выработку единицы энергии. По нему оценивается работа энергетиков. Чем ниже удельный расход, тем выше премия. Значит, мощность им снижать невыгодно? Как же быть? Энергетической программой предусматривается устранение подобных организационных неувязок.

Уже сейчас, а тем более в будущем атомной энергетике надо научиться работать в маневренных режимах.

Придется поэкспериментировать, создать и отработать некоторое новое оборудование. В первую очередь предстоит усовершенствовать тепловыделяющие элементы, в которых заключено ядерное топливо.

У атомной энергетики еще младенческий возраст:

чуть более тридцати лет. Говорить, что ей уже неведомы проблемы, столь же неверно, как утверждать: «Ребенок родился — стало быть, трудности позади». Но родители знают: с рождения ребенка проблемы только начинаются.

Атомной энергетике предстоит научиться производить тепло не только для турбин электрогенераторов, но и для отопления жилищ, для различных технологических процессов. Иначе в предстоящие 15–20 лет придется отправлять с Востока на Запад минимум вдвое-втрое больше железнодорожных составов с углем.

Чтобы избежать столь нерадостной перспективы, уже началось сооружение атомных теплоэлектроцентралей (АТЭЦ) вблизи Одессы и Минска. Затем последуют Волгоградская и Харьковская АТЭЦ и десятки других вблизи крупных городов европейской части СССР.

Исключительно одно лишь тепло производят специальные атомные станции теплоснабжения (ACT), подобные котельным на органическом топливе. Для отопления и горячего водоснабжения городов нужна вода вдвое «холоднее», чем в АЭС, — с температурой не больше 150 градусов. Уменьшить нагрев вдвое — значит вдесятеро снизить давление в корпусе реактора ACT. Корпус же ответственнейший элемент реактора. Его диаметр — 6 метров, а длина — 15. В состав ACT входят два таких реактора. Мощность каждого — 500 тысяч киловатт. Оба они способны обогреть город численностью около 300 тысяч человек.

ACT обычно располагается в непосредственной близости от города. Конструкторы позаботились о гарантиях ее надежной работы, об отводе остаточного тепловыделения после какой-либо вынужденной остановки реактора. Например, основной корпус окружен вторым корпусом «страховочным». Если реактор остановился, то тепло — благодаря естественной циркуляции воды за счет разности температур — отводится даже в случае выхода из строя основных циркуляционных насосов. А при работе на мощности тепло передается потребителю через специальный промежуточный контур. Другими словами, вода из реактора никак не сможет попасть в теплосеть.

Пожалуй, не случайно первые ACT появились в СССР.

Ведь большинство из нас проживает в довольно холодных северных широтах. Посмотрите на географическую карту — вся территория США лежит южнее широты Киева. Поэтому нам приходится очень много энергии тратить на отопление жилищ и производственных помещений. Вот почему мы и через годы будем с такой же признательностью, как и первую АЭС, вспоминать атомные станции теплоснабжения под Горьким и Воронежем.

Еще не набрали силу атомные станции, вырабатывающие тепло, а в конструкторских бюро уже спроектированы станции для обеспечения теплом промышленности. «На их основе, — говорится в Энергетической программе, будут созданы ядерно-технологические комплексы».

Невозможно было «эволюционным» путем создать реакторы для выработки высокотемпературного тепла.

Здесь нужно было не модернизировать существующие типы ядерных котлов, а найти принципиально новое решение. И оно было найдено. В активной зоне реактора решили использовать температуростойкий конструкционный материал графит. Он не плавится, а только возгоняется при очень высокой температуре — 3700 градусов. Из графита выполнены как опорные конструкции, так и стенки активной зоны. Необычны и тепловыделяющие элементы, в которых спрятано ядерное топливо: они имеют форму сферы размером в бильярдный шар. Внутри каждого шара несколько тысяч комочков двуокиси урана в «скорлупах» из пирографита и карбида кремния.

В активной зоне реактора шары насыпаны беспорядочно, как горох в банке. Через пустоты между шарами продувается инертный благородный газ — гелий. Проходя через засыпку, гелий нагревается до 900-1000 градусов и потом отдает тепло потоку тех или иных технологических газов. С помощью этого тепла при 800–900 градусов из природного газа выделяют водород, осуществляют «паровую конверсию метана». При соединении метана и паров воды в присутствии катализатора образуется смесь водорода и окиси углерода, или восстановительный газ, который можно использовать в металлургии для извлечения железа из руд, в химической промышленности для производства аммиака и затем азотсодержащих удобрений. При глубокой переработке нефти тоже незаменим водород, который позволяет увеличить «выход» жидкого топлива для автотранспорта, самолетов, дизельных тепловозов. Высокотемпературные реакторы способны наполовину сократить расход природного газа при получении водорода.

Соединение энергии ядерного котла с процессом паровой конверсии метана помогает также решить проблему обеспечения горячей водой и паром рассредоточенных потребителей. Ведь по территории нашей страны разбросаны десятки тысяч поселков и небольших городов, многие удаленные от крупных населенных пунктов промышленные и сельскохозяйственные предприятия.

Паровая конверсия метана предоставляет возможность дальней «хемотермической» передачи энергии от крупного ядерного центра к этим разбросанным объектам. Для этого смесь водорода и окиси углерода охлаждается, отдавая свое тепло поступающим на реакцию метану и воде, и с помощью компрессора передается по газопроводу к месту потребления. Там в присутствии специального катализатора при температуре 400–600 °C проводится обратная реакция — соединение окиси углерода и водорода. При этой реакции выделяется энергия и восстанавливаются исходные вещества метан и вода. Метан по отдельному газопроводу возвращается на атомную станцию, чтобы снова принять участие в химической реакции, — цикл повторяется. Как видим, тепло от реактора может быть в химически связанном виде передано на любое практически необходимое расстояние.

Колоссальными возможностями обладает ядерная энергетика, но и она не избавлена от недостатков. На Востоке говорят: «Даже роза дает тень». Одна из сложных проблем — где взять топливо для реакторов.

Топливная проблема в ядерной энергетике ставится по-другому, чем в энергетике нефти или газа. Если атомная станция вырабатывает электрическую мощность в один миллион киловатт, то за проектный срок службы она израсходует около 5 тысяч тонн урана. Казалось бы, не так много по сравнению с общими запасами этого радиоактивного элемента. Беда в том, что он содержится в земных недрах не столько в рудных залежах, сколько в рассеянном виде, и его концентрация в породах очень низкая. Добыча ядерного топлива обходится весьма дорого.

Не дешевле ли извлекать уран из морской воды — там его около 3 миллиардов тонн? Хватит для снабжения топливом в течение трехсот лет почти ста тысяч АЭС!

Увы, это обойдется в 10–20 раз дороже разработки рудных месторождений. Они-то и служат в настоящее время основным источником ядерного горючего.

По данным Международного агентства по атомной энергии, в сравнительно доступных для разработки рудных залежах сосредоточено во всем мире около 8- 10 миллионов тонн урана. На таких запасах ядерная энергетика сможет просуществовать лишь несколько десятков лет. Ситуация такая же, как с нефтью и газом: дешевого сырья значительно меньше дорогого. Действительно, нефти тоже под землей много, нужно только поглубже бурить и тратить больше средств на добычу.

Но у ядерной энергетики есть одна коренная отличительная особенность. На ядерных энергетических станциях можно в принципе, кроме электроэнергии, производить также искусственное ядерное горючее. Оно, правда, обходится дороже, чем природный уран из рудных жил, однако по мере истощения дешевых месторождений придется разрабатывать все более труднодоступные и малорентабельные залежи или заниматься рудами с малой концентрацией радиоактивного сырья. Когда же стоимость добываемого природного урана сравняется со стоимостью искусственного ядерного топлива, атомная энергетика станет производить ядерное горючее на специальных промышленных атомных фабриках. При этом его стоимость возрастет в 3–4 раза и далее останется стабильной на сотни лет.

В 1973 году такая необычная атомная станция заработала в пустынной местности полуострова Мангышлак на берегу Каспийского моря в крае, богатом минеральными ресурсами, но бедном электроэнергией и пресной водой. Для жителей города Шевченко она стала давать электроэнергию и пресную воду, а для атомной энергетики — искусственное топливо — плутоний. Новая станция получила название БН-350. Это значит, что она работает на быстрых нейтронах и в качестве теплоносителя использует в реакторе натрий в жидком расплавленном виде, а 350 — электрическая мощность, которую можно было бы получить, если бы все полученное тепло превратилось в электроэнергию. На самом деле установка дает только 150 мегаватт электроэнергии, а остальное тепло расходуется на производство 120 тысяч тонн пресной воды в сутки.

Во всех отношениях ввод в действие первого промышленного реактора на быстрых нейтронах стал большим достижением советской атомной энергетики и вызвал значительный интерес за рубежом. Успех пришел не случайно. Быстрые реакторы давно привлекали внимание советских ученых. Ранее в Физико-энергетическом институте в городе Обнинске была создана и исследована целая серия подобных установок малой мощности. В Научно-исследовательском институте атомных реакторов в Дмитровграде вскоре вступил в строй опытный реактор БОР-60 мощностью 60 тысяч киловатт. В 1973 году пришла очередь БН-350, и затем последовали БН-600 и БН-800.

Каким же образом создается искусственное топливо?

Дело в том, что когда в реакторе на быстрых нейтронах сжигается ядерное горючее, то одновременно создается новое в количестве, превышающем сгоревшее. Топливо размножается? Да! Поэтому установку БН-350 и подобные ей стали называть реакторами-размножителями на быстрых нейтронах.

Новое топливо — делящееся ядро плутония-239 — образуется при поглощении нейтрона «сырьевым» ядром урана-238. Этот изотоп почти не делится, но в природном уране его в 140 раз больше, чем делящегося изотопа урана-235. Вот почему его очень выгодно превращать с помощью нейтронов в делящийся изотоп — плутоний-239.

Сделать это непросто. Например, для расширенного воспроизводства искусственного ядерного топлива не годятся реакторы на тепловых нейтронах, в которых используется уран-235. В них просто не хватает нейтронов, вызывающих деления ядер, в момент расщепления вылетает всего в среднем 2,5 свободного нейтрона. А в реакторе-размножителе типа БН-350 — их уже 3.

Казалось бы, разница столь незначительна, что вряд ли она играет какую-нибудь роль, тем более что половинок нейтрона вообще нет в природе. Это — статистическая величина: в одном случае при делении вылетит всего два нейтрона, в другом — три, а в среднем — 2,5.

В реакторе на быстрых нейтронах расщепляющееся ядро плутония испускает и два и четыре, но в среднем будет 3.

Предположим, при распаде ядра рождаются три нейтрона. Одни из них вызовет деление другого делящегося ядра, и цепная реакция не затухает. Если один из двух оставшихся нейтронов поглотится ядром урана-238, то будет образовано ядро плутония-239 и тем самым осуществится воспроизводство ядерного горючего, так как на каждое «сгоревшее» ядро будет произведено одно новое делящееся. В результате реактор может работать бесконечно долго, потребляя только уран-238.

Но простое воспроизводство нас не удовлетворит, надо добиться воспроизводства расширенного, а для этого создать дополнительно еще одно ядро плутония-239. С помощью последнего — третьего — нейтрона из урана-238 и можно получить дополнительный плутоний.

К сожалению, от 30 до 60 процентов столь нужных «третьих» нейтронов либо улетает из реактора, либо поглощается в различных конструкционных материалах.

Зато оставшиеся 40–70 процентов поглощаются ураном-238, производя плутоний-239. Другими словами, каждое сгоревшее в реакторе ядро плутония-239 оборачивается 1,4–1,7 нового делящегося ядра. Так выглядит расширенное воспроизводство ядерного горючего.

Как эффективнее осуществить его?

Оказалось, выгодно активную зону реактора охлаждать натрием, отличающимся сравнительно большим атомным весом — 23. Если же отводить тепло с помощью воды, то ее легкие ядра водорода замедлят быстрые нейтроны до тепловой энергии, и тогда существенно увеличится их вредное поглощение, ухудшится воспроизводство плутония-239.

Создание эффективных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах обеспечивает практически безграничные ресурсы ядерного топлива. Благодаря этому атомная энергетика сможет сыграть важную роль в решении энергетических проблем будущего.

Как почти любой вид промышленной деятельности, работа атомных станций оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду и человека. Особенно настороженно люди относятся к радиоактивному излучению, которое наиболее специфично для атомной энергетики. Безусловно, одна из важных причин необоснованной тревоги — неосведомленность. У многих в памяти ужасы Хиросимы и Нагасаки. И атомная энергетика невольно отождествляется с атомной бомбой.

Между тем защите обслуживающего персонала и населения от вредного влияния излучений уделяется не просто большое, а по сравнению с другими производствами громадное внимание. Но здесь очень важен психологический фактор. Излучения не видно. Оно не пахнет. Его не почувствуешь. В такой ситуации человеку кажется, что он беззащитный.

На самом деле радиация — явление для человека не повое. Всегда люди жили, не зная об этом, в потоках разнообразных лучей. Излучение ядер было открыто на рубеже веков, и долгое время о нем знали только ученые. Но теперь большинство людей, по крайней мере у нас в стране, знают, что излучение электронов, нейтронов, гамма-квантов окружает нас со всех сторон. Достаточно вспомнить рентгеновские установки в больницах, часы со светящимся циферблатом, космические лучи, телевизор, гранитные породы и строительные материалы.

Для надежной защиты от излучений следует установить допустимые нормы и обеспечить, чтобы они не превышались.

Излучение природных, естественных источников сопровождало всю предыдущую эволюцию человека как биологического вида. В процессе эволюционного развития и естественного отбора человек «привыкал» к тем уровням излучений, которые существуют в природе. В последнее столетие к естественному излучению прибавилось искусственное, или техногенное, обусловленное деятельностью человека. Каково же соотношение между естественным и техногенным излучением?

В атмосфере, воде, растениях и человеческом организме имеются радиоактивные элементы типа калия-40 и углерода-14. Они образуются под влиянием космического излучения и разными путями попадают в наш организм.

Ежеминутно в человеческом теле распадается около полумиллиона радиоактивных ядер. При этих распадах органики облучается гамма-квантами и электронами. Если люди находятся рядом, то один облучает другого.

Сравним его с уровнем техногенного облучения. Один из английских атомников привел такое образное сравнение: «Человек, проживающий вблизи атомной станции, подвергается примерно такому же облучению, которое получит за восьмичасовой рабочий день от сидящего рядом сослуживца». А вот более точные данные по облучению населения ФРГ. В этой стране большие мощности атомной энергетики сочетаются с высокой плотностью населения. В среднем каждый западный немец ежегодно получает за счет естественного облучения дозу 115 миллибэр, а доза техногенного облучения за счет рентгено- и радиоизотопной диагностики, радиоактивности строительных материалов и других источников уже сейчас почти вдвое больше — 225 миллибэр. Если даже мощность германских АЭС достигнет 20 миллионов киловатт, каждый житель ФРГ получит от них дозу облучения всего в 0,25 миллибэра, то есть не более одной десятой процента от общей дозы. Даже авиапутешествие на десятикилометровой высоте чревато большей радиационной опасностью…

Отсюда видно, что радиоактивное излучение работающей АЭС практически безвредно и составляет лишь малую долю того, что человек получает от других источников излучения.

Конечно, это справедливо лишь при работе в нормальном режиме. В случае аварии высвобождение радиоактивности увеличивается многократно и величина облучения может существенно возрасти.

Авария любой сложной и достаточно крупной промышленной системы или отдельного оборудования может приводить к гибели людей, будь то падение пассажирского авиалайнера или взрыв на угольной шахте. Памятна многим авария на химическом заводе в Бхопале, сразу унесшая около двух с половиной тысяч жителей близлежащего города, а сейчас пострадавших уже около 30 тысяч. Это событие будет иметь и генетические последствия.

Авария на Чернобыльской атомной станции также привела к гибели людей, но только из числа тех, кто непосредственно участвовал в ликвидации аварии. Велик и материальный ущерб от этой аварии. Ведь в него входят не только стоимость блока АЭС или потери от недовыработки энергии. Большие затраты будут связаны с захоронением аварийного блока, дезактивацией и отчуждением части территории из пользования, эвакуацией населения.

Конечно, при создании атомной станции должны учитываться возможные поломки оборудования, отказы различных систем, ошибки персонала, и этот учет является обязательным при ее проектировании и проведении конструкторских и научно-исследовательских работ. Рассматриваются различные «потенциальные» аварии и необходимые технические меры по их локализации и предотвращению развития. С этой целью ядерный реактор оборудуется различными аварийными системами: энергопитания, расхолаживания, герметизации. Правила при таком проектировании достаточно строги.

Так в соответствии с этими правилами в качестве первопричины аварии должен рассматриваться не только отказ любой одной системы, но и совпадение этой поломки с еще одной не обнаруженной до аварии поломкой другой системы.

И все же приведшая к взрыву авария на Чернобыльской АЭС показала, что нужно еще более тщательно и строго рассматривать возможные виды «потенциальных» аварий и меры по их локализации.

Работа по повышению безопасности АЭС интенсивно ведется у нас и в других странах мира. Почти в полтора раза возросла за последние десятилетия стоимость АЭС за счет совершенствования и введения дополнительных систем и оборудования, обеспечивающих безопасность.

Наиболее ответственное звено в ядерном топливном цикле — его завершающий этап, захоронение радиоактивных отходов. Для их надежного изолирования разработаны такие способы, как цементирование, битумирование и стеклование.

Эти способы проверены в реальных условиях, в том числе в различных непредвиденных обстоятельствах — например, когда в хранилища проникают грунтовые воды.

По сей день изыскиваются самые надежные и дешевые методы предотвращения какого-либо радиоактивного загрязнения окружающей среды. Такое серьезное отношение к захоронению отходов — залог того, что атомная энергетика есть и будет одним из самых чистых источников энергии:.