Ядерный реактор для дома

Как известно пользователям forumhouse.ru вопрос, чем отопить и осветить дом волнует каждого. Особенно на фоне постоянного роста цен на энергоносители. И если вы ещё не решили, откуда получать тепло и электричество, то исследователи из Америки предлагают избавить вас от этой головной боли на ближайшие 10 лет.

Десять лет тепла и света по цене в 10 центов за один киловат/час. Звучит заманчиво, не правда ли? По крайней мере, именно об этом говорится в пресс-релизе компании Hyperion Power Generation, продвигающей на рынокчастного домостроительствапортативную атомную установку под названием Hyperion.

Отличаясь необычайно малыми размерами – высота установки около трёх метров, и автономностью – срок работы реактора на одной заправке больше десяти лет, мини-станция мощностью в 25 мегаватт сможет стать незаменимым источником энергии для коттеджных поселений, фермерских хозяйств и небольших промышленных предприятий.

Как сделать очаг из обычной свечи читайте здесь.

И хотя цена в 25$ миллионов поначалу может показаться неоправданно высокой, представители компании говорят, что если Hyperion купят примерно 10 тысяч домовладельцев, то затраты каждого не превысят 2500$.

Несмотря на то, что в последние годы было несколько аварий, связанных с утечкой радиоактивных элементов – достаточно вспомнить катастрофу в Японии на АЭС Фукусима, разработчики Hyperion заявляют – их установка, работающая на низкообогащённом уране, может быть смонтирована даже в цокольном этаже частного дома.

Конечно, в реальной жизни так никто поступать не будет – ректор должен находиться глубоко под землёй в специальной бетонной рубашке. Но отсутствие сложной автоматики, саморегулирующуюся система охлаждения и конструкция реактора не позволяет ему выйти на сверхкритический режим работы, при котором было бы возможно расплавление ядра, что обеспечивает гораздо большую безопасность работы, чем обычная АЭС.

Систему не требуется обслуживать. Процесс перезагрузки топлива происходит на заводе изготовителе – для чего раз в 10 – 15 лет реактор потребуется извлечь и отвезти для перезаправки.

Hyperion Power Generation уже поставила несколько таких реакторов в Румынию, а благодаря повышенному интересу к разработке, уже ведутся переговоры по установке Hyperion в коттеджные поселения в Южной Америке. Всего же компания предполагает продать больше 4000 реакторов за ближайшие 10 лет.

Но если американцы только в начале пути, то японская компания Toshibaуже давно предложила жителям маленького города Галена, что расположен на Аляске, установить сверхминиатюрный ядерный реактор Toshiba 4S.

Причём поселенцам в количестве всего в 700 человек даже не придётся тратиться на покупку реактора размером с холодильник. Специалисты из компании Toshiba в рамках рекламной компании предложили им бесплатную установку и обслуживание мини-станции 4S мощностью всего в 10 мегаватт.

Жители удалённого городка, обогревающие свои дома дизельным отоплением , будут платить от 5 до 10 центов за киловатт-час. А срок службы установки до первой перезагрузки топлива составит 30 лет.

О том, как выбрать источник альтернативного отопления для дома рассказывается в этой статье.

Японцы предлагают использовать данный реактор в качестве элемента питания для опреснительной установки по производству чистой воды, которая может быть востребована в жарких странах расположенных на берегах океанов и морей.

Также представители компании заявляют о начале разработки ещё более компактной модели портативного ядерного реактора мощностью в 200 киловатт, предназначенной для системы электроснабжения, отопления и водоснабжения одного коттеджа на протяжении более 40 лет.

Подведя итог можно сказать, что если раньше владельцы частных домов стремились подключиться к централизованным энергоносителям, то сейчас, всё большую популярность приобретает движение за полностью энергонезависимое жилище.

О том, как построить полностью автономный дом пользователи forumhouse.ru могут в этой ветке нашего форума. Обсуждение чем топить большой дом при отсутствии газа ведётся здесь.

А в этом видеосюжете рассказывается о том, как увеличить электрическую мощность вашего дома с помощью инвертора.

Что такое атомное отопление

Давно известная, но ограниченная практика использования атомной энергии для отопления в очередной раз оказалась в фокусе внимания в ряде стран. Самое время вспомнить историю и оценить перспективы атомного теплоснабжения.

Текст: Ингард ШУЛЬГА
Фото: Росатом

В регионах мира с относительно холодным климатом на отопление расходуется существенно больше органического топлива, чем на выработку электричества. И это относится не только к северным государствам, таким как Россия, Канада или скандинавские страны, но и ко многим европейским странам, к северным и горным районам Китая, США и т. д.

Казалось бы, само собой напрашивается применение атомной энергии в этих странах и регионах для экономии топлива и сокращения огромных транспортных расходов на доставку миллионов тонн угля и нефтепродуктов, миллиардов кубометров газа. Прецеденты действительно есть, но они скорее исключение, чем общепринятая практика: для отопления используется менее 1% тепловой энергии ядерной генерации.

Атомное отопление объектов за пределами площадки до сих пор применялось (в большинстве случаев продолжает применяться) в России, Украине, Швеции, Швейцарии, Чехии, Словакии, Венгрии, Румынии, Болгарии, Германии, Литве. Планы внедрения, возобновления или расширения такой практики в нынешнем столетии стали рассматриваться в Китае, Финляндии, Польше, Франции, Болгарии, Чехии, России, Канаде и ряде других государств.

Если исключить экзотические проекты микрореакторов или ядерных батарей, сфера применения атомной энергии — исключительно централизованное отопление объектов и населенных пунктов, расположенных вблизи атомной станции. При этом ограничивающими факторами служат не только технические свойства самих энергоблоков, но и необходимость передачи тепла на значительные расстояния.

Эти расстояния, в свою очередь, продиктованы соображениями безопасности и водоснабжения атомных станций, из-за которых большинство АЭС располагается в отдалении от крупных населенных пунктов: во многих странах действуют требования о размещении таких ядерных объектов не ближе нескольких десятков километров от городов. Между тем транспортировка горячей воды для отопления экономически целесообразна при дальности до

50−80 км (в зависимости от схемы и конструкции трубопроводов), а пара — порядка 10 км. На практике приемлемое для инвесторов расстояние кратно меньше.

Другая проблема — работа атомных электростанций преимущественно в базовом режиме, затрудняющая следование графику потребления тепла, особенно если это потребление и, соответственно, его перепады достаточно велики. Поэтому для выравнивания нагрузки, покрытия пиковых потребностей крупных населенных пунктов атомные генераторы нередко должны дополняться иными источниками тепла, работающими на органическом топливе, или гигантскими тепловыми аккумуляторами, что сопряжено с дополнительными расходами.

С технической точки зрения различаются три основных направления атомной теплофикации:

1. использование для отопления небольшой части энергии действующих конденсационных энергоблоков обычных АЭС, производящих главным образом электричество;
2. создание атомных теплоэлектроцентралей, пригодных для одновременного производства в сопоставимых пропорциях двух видов товарной продукции: электрической и тепловой энергии;
3. строительство специализированных атомных котельных, предназначенных исключительно для поставки тепла.

В мировой практике имеются прецеденты внедрения каждой из этих концепций, хотя и в разных масштабах.

АЭС: побочное занятие
Наибольшее распространение получило использование обычных АЭС для отопления близлежащих населенных пунктов, промышленной и социальной инфраструктуры. Оно осуществляется, как правило, посредством так называемого нерегулируемого отбора пара от турбин, конструкция которых специально адаптирована для этой цели. Действующие энергоблоки электрической мощностью около 1 ГВт и более могут без особого ущерба для своего «основного профиля» направить на отопление до нескольких сотен мегаватт тепловой мощности (на некоторых блоках современной конструкции — около 1/10).

В мире порядка полусотни реакторов конденсационных АЭС осуществляют централизованное отопление объектов за пределами площадки — как правило, близлежащих городов или поселков. Опыт подобного использования атомной энергии — порядка 700 реакторо-лет. Наибольшего размаха эта практика достигла в России (свыше 500 реакторо-лет), а также в некоторых других странах, использовавших для этих целей реакторы ВВЭР (Украина, Венгрия, Словакия, Германия, Болгария), РБМК (Литва, Украина) или иные (Швейцария, Румыния). Планы существенного нерегулируемого отбора пара от конденсационных блоков АЭС с поставкой тепла на значительные (до 80 км) расстояния в нынешнем веке рассматриваются, в частности, в Финляндии, Чехии, Польше, Франции, Болгарии, России.

Пионером нерегулируемого отбора пара конденсационных атомных энергоблоков был Советский Союз. Впервые такая схема была внедрена в конце 1960-х годов на ныне снятых с эксплуатации канальных реакторах АМБ Белоярской АЭС, которая поставляла около 90 гигаджоулей (ГДж) тепла в час не только для собственной площадки, но и для отопления близлежащего поселка Заречный. (В отличие от большинства предшествующих и последующих ядерных энергоблоков в мире, это были реакторные установки с ядерным перегревом пара, что в некоторой степени приближало техническую эффективность их тепловой схемы к блокам на органическом топливе.)

С внедрением в Советском Союзе (с начала 1970-х годов) канальных реакторов другой конструкции и значительно большей мощности — РБМК — подобная практика распространилась в увеличенном масштабе и на них: нерегулируемый отбор (в данном случае насыщенного пара) стал использоваться на Ленинградской, Курской, Чернобыльской, Смоленской, Игналинской станциях.

Та же практика была распространена на энергоблоки с ВВЭР‑440 и ВВЭР‑1000, которые, в отличие от АМБ и РБМК, строились и за пределами СССР. Блоки ВВЭР‑440 со стандартными турбинами К‑220−44/3000 могли обеспечить за счет нерегулируемых отборов

210 ГДж/ч (210×109 Дж/ч) тепла для отопления; блоки ВВЭР‑1000 с приспособленными для этого тихоходными турбинами К‑1000−60/1500 —

840 ГДж/ч. К концу существования Советского Союза суммарная мощность, направляемая на отопление по всему парку реакторов российской конструкции в стране и за рубежом, превышала 3 ГВт. Нигде прежде в мире атомное отопление не достигало таких масштабов. К нынешнему десятилетию такая практика стала обычной для реакторов советской конструкции, в частности, в России практически все мощности ВВЭР и РБМК были задействованы в централизованном отоплении.

Современные проекты энергоблоков с реакторами ВВЭР‑1000 и ВВЭР‑1200 и модернизированными турбинами, которые строятся в текущем столетии в России и за ее пределами, предусматривают возможность еще большего отбора энергии на теплофикацию. Так, блоки АЭС‑2006 могут направлять на эти цели свыше 9% тепловой мощности реактора, поставляя более 1 ТДж/ч (1012 Дж/ч) тепла на отопление (достаточно для города с населением несколько сотен тысяч человек).

С вводом в строй блоков новых проектов с легководными реакторами масштаб атомной теплофикации в России может кратно возрасти и составить несколько десятков ПДж (1015 Дж) в год. Однако при этом вклад АЭС все еще останется незначительным (в пределах

0,5%) по сравнению с общим потреблением тепла централизованного отопления в Российской Федерации (свыше 5 ЭДж в год — [>5×1018 Дж]). Иными словами, без реализации принципиально новых проектов в сфере атомной теплофикации в обозримой перспективе свыше 99% центрального отопления в нашей стране будет по-прежнему обеспечиваться сжиганием органического топлива.

Помимо России, атомное теплоснабжение с помощью конденсационных энергоблоков ВВЭР осуществлялось еще в нескольких странах. На Украине, в Болгарии и Венгрии в него были вовлечены все действующие АЭС; в других государствах дело обстояло несколько иначе.

Так, в бывшей Чехословакии в начале 1980-х годов предполагалось, что после ввода в строй всех запланированных ядерных энергоблоков к началу XXI века масштаб атомного центрального отопления превысит 40 ПДж/г. (приблизительно втрое больше, чем в современной России). Это требовало практически полного использования технически возможного нерегулируемого отбора пара на теплофикацию от всех блоков четырех АЭС в Чехии и Словакии и сверх того предполагало строительство специализированных атомных ТЭЦ и котельных.

Для перевода АЭС в конденсационно-теплофикационный режим предусматривалось адаптировать проекты всех 12 энергоблоков ВВЭР‑440, которые строились с начала 1970-х годов на трех площадках (турбины первых проектов производства «Шкоды» изначально не были на это рассчитаны). В итоге АЭС «Богунице» в Словакии должна была обеспечивать теплом город Тырнаву, АЭС «Моховце» — город Левице, а станция «Дукованы» в Чехии — один из крупнейших городов и промышленных центров страны Брно. Также предполагалось, что заложенная в середине 1980-х годов в Чехии АЭС «Темелин» с реакторами ВВЭР‑1000 будет снабжать теплом город Ческе-Будеёвице.

Некоторые из этих проектов предусматривали передачу отопительной воды на редкие в мировой практике расстояния. Например, транзитный трубопровод для теплоснабжения Брно имел протяженность более 40 км, и по нему (по трубам метрового диаметра) должно было поступать порядка 0,5 ГВт тепловой мощности в виде воды с температурой до 170 °C. В ряде случаев намечалась поставка пара для отопления.

На деле, однако, эти планы были воплощены лишь отчасти на станциях «Богунице» и «Темелин». Тем не менее спустя три десятилетия уже в современной правительственной энергостратегии до 2030 года, принятой в 2015 году, Чехия вернулась к планам развития атомного центрального отопления. В частности, вновь рассматривается проект дальней передачи тепла в Брно.

В Восточной Германии (бывшей Германской Демократической Республике) рассматривались планы широкомасштабного использования атомной теплофикации для экономии органического топлива, ведь незадолго до воссоединения двух немецких государств ГДР расходовала на отопление порядка 80 млн тонн угля. Из этих планов был реализован лишь нерегулируемый отбор пара от АЭС им. Бруно Лойшнера. После адаптации проекта от нее, начиная с середины 1980-х годов, поставлялась на расстояние около 22 км отопительная вода для города Грейфсвальд, под названием которого сегодня известна эта станция.

На эти цели направлялось около 0,25 ГВт мощности от четырех действовавших энергоблоков ВВЭР‑440 (краткосрочное функционирование 5-го блока этой АЭС не в счет). Аналогичный проект планировался на строившейся в 1980-х годах АЭС «Штендаль» с четырьмя энергоблоками ВВЭР‑1000, однако с поглощением страны Федеративной Республикой Германия сооружение станции прекратилось. Теперь, учитывая планы отказа ФРГ от ядерной генерации к 2023 году, на развитии атомного центрального отопления поставлен крест.

Иная ситуация сложилась в Венгрии. В стране резко выделяется лишь одна крупная городская агломерация — Будапештская; остальные города относительно невелики, и в них существенную роль играет индивидуальное отопление. В этих условиях развитие специализированных источников атомной теплофикации было признано нецелесообразным. В то же время практикуется отбор пара от блоков действующей АЭС «Пакш»: ныне в среднем около 20 МВт тепловой мощности станции направляется на отопление городка Пакш с населением менее 20 тыс. человек, расположенного на расстоянии около 5 км от станции. Благодаря этому стоимость центрального отопления в этом городе в

2−4 раза ниже, чем в других населенных пунктах данного региона.

В то же время рассматриваются проекты строительства трубопровода протяженностью около 30 км от «Пакша» к областному центру Сексард, что позволит в разы нарастить тепловую нагрузку. Впрочем, при нынешних экономических условиях, в частности низкой стоимости парниковых выбросов, технический потенциал выдачи тепла от АЭС «Пакш» в любом случае будет превосходить возможности его рыночной реализации, тем более с учетом планируемого строительства второй очереди станции с более мощными и потенциально лучше приспособленными для теплофикации блоками.

В Болгарии действующие блоки ВВЭР‑1000 АЭС «Козлодуй» также давно осуществляют централизованное отопление не только объектов площадки, но и города Козлодуй с населением около 15 тыс. человек, расположенного примерно в 5 км от станции. При планировании в 1980-х годах второй в стране АЭС — станции «Белене» с блоками ВВЭР‑1000 — изначально предполагалось превратить ее в крупный узел централизованного отопления для близлежащего города Белене, а также более отдаленных населенных пунктов Свиштова и Плевны.

К последнему планировалось подвести от АЭС трубопровод протяженностью около 60 км. На отопление этого района намечалось направить порядка 700 МВт тепловой мощности. Однако после смены политической системы в стране строительство второй АЭС прекратилось. В конце 2000-х годов проект был возобновлен, но в 2012 году снова закрыт. Сегодня правительство намерено его реанимировать, но не факт, что в него будет включена отопительная составляющая в ранее запланированном масштабе.

Из других стран нерегулируемый отбор пара конденсационных ядерных энергоблоков для центрального отопления осуществлялся прежде всего в Румынии (от тяжеловодных блоков CANDU‑6 на АЭС «Чернавода») и Швейцарии (от трех энергоблоков PWR атомных станций «Бецнау» и «Гёсген»). Подобные проекты в последние годы рассматриваются и в некоторых других государствах, например в Польше и Франции.

Так, во Франции имеется ряд крупных городов, находящихся на относительно небольшом удалении от АЭС. Среди них, например, Лион, расположенный в

35 км от станции «Сен-Альбан» и в

25 км от АЭС «Буже». Учитывая необходимость работы ряда французских АЭС в необычном для других стран маневренном режиме, дополнительное использование тепловой энергии реакторов могло бы благоприятно отразиться на их экономике. Однако осуществлению таких проектов препятствуют значительные инвестиции в передачу тепла на большие расстояния и относительно мягкий климат, из-за которого потребности в отоплении сравнительно невелики.

АТЭЦ: двойной профиль
Как видно из ряда приведенных примеров, крупные конденсационные атомные станции обычно обеспечивают теплом мелкие городки-спутники, чье тепловое потребление незначительно. Для полной реализации их отопительных возможностей необходимы более крупные населенные пункты, но они обычно удалены от АЭС в лучшем случае на десятки километров. Стоимость транспортировки тепла на подобные расстояния иногда исчисляется миллиардами долларов. В итоге «овчинка» (относительно небольшая мощность, которую конденсационные блоки могут направить на отопление) не стоит «выделки».

Более целесообразный путь — строительство атомных теплоэлектроцентралей, работающих в режиме когенерации электроэнергии и тепла и способных направить на отопление значительно большую долю энергии. В этом случае легче окупить затраты на передачу тепла, то есть решить одну из главных проблем атомной теплофикации. К достоинствам подобного «двойного профиля» можно отнести более широкие возможности маневрирования, чем те, что доступны большинству действующих конденсационных атомных блоков.

Для такого режима работы могут использоваться стандартные реакторы, однако требуется специальная адаптация неядерной части, прежде всего турбины, с целью значительно большего, чем на конденсационных блоках, отбора пара в регулируемом режиме. Кроме того, для размещения АТЭЦ поближе к потребителям в их конструкцию должны включаться усиленные или дополнительные барьеры безопасности.

Первой в мире настоящей АТЭЦ, специализированной исключительно на энергоснабжении «обычных» (не имеющих отношения к обороне и атомной индустрии) населенных пунктов, стала станция в шведской Огесте, в районе Стокгольма, пущенная в 1963 году. На ней работал созданный в Шведском королевстве (опять-таки впервые в мировой практике) корпусной двухконтурный тяжеловодный реактор тепловой мощностью около

65 МВт, впоследствии увеличенной до

80 МВт. Станция обеспечивала теплом и электричеством окраину шведской столицы.

Проект получился чрезвычайно дорогим (первоначальная смета была превышена в пять раз) и себя не оправдал, так что АТЭЦ была закрыта в 1974 году, проработав чуть больше десяти лет. Параллельно шведы создавали более сложный и производительный (тепловой мощностью до

600 МВт) тяжеловодный корпусной реактор — на этот раз одноконтурный кипящий с ядерным перегревом пара, что сулило бóльшую эффективность, в том числе теплофикации. Станция с таким реактором начала строиться в Морвикене, но в 1970 году ее сооружение прекратилось, и впоследствии объект был переделан в обыкновенную ТЭЦ на органическом топливе.

Таким образом, шведы отказались от развития своей «эндемичной», но экономически неконкурентоспособной (в сложившихся тогда условиях; см. подробно АЭ № 2, 2015) технологической линии тяжеловодных корпусных реакторов, переключившись на создание и внедрение легководных конструкций. Однако в проектах конденсационных АЭС с блоками BWR и PWR, которые были построены в Швеции с начала 1970-х годов, не нашлось места специализированной атомной теплофикации. В стране разрабатывались конструкции, предназначенные для этого (например, легководный реактор SECURE с оригинальной системой управления и безопасности), но они так и не были реализованы.

Вообще в 1960-х годах ядерная когенерация получила импульс развития от военной сферы, и упомянутые шведские реакторы не исключение: Стокгольм проектировал их с «задней мыслью», имея в виду возможность наработки плутония, когда и если такое решение будет принято политическим руководством страны. Еще более яркий пример — эволюция этой идеи в СССР. Первые советские реакторы — наработчики оружейного материала были проточными и загрязняли окружающую среду стоками: охлаждающая вода температурой около 100 °C сбрасывалась в близлежащие водоемы.

Для подъема мощности и производительности оружейного материала, рационализации производства и снижения экологического ущерба возникла необходимость внедрения реакторных установок с замкнутым контуром. Но при этом понадобилось обеспечить интенсивный теплосъем, особенно учитывая многократное увеличение мощности реакторов-наработчиков. Именно для утилизации возросшей энергии при переходе к замкнутому контуру возникла необходимость создания двухцелевых РУ, производящих помимо оружейного материала еще и полезную работу в виде электричества и тепла для технологических процессов и отопления.

Такая эволюция хорошо прослеживается на примере последовательных конструкций промышленных уран-графитовых реакторов (ПУГР). При создании Сибирского химического комбината (СХК) в Томской области и Горно-химического комбината (ГХК) в Красноярском крае их первые реакторы проектировались проточными (И-1 на СХК; АД на ГХК), подобно первым установкам «Маяка» и реакторам-наработчикам в некоторых других странах.

Более совершенные реакторы стали производить электроэнергию (например, ЭИ‑2 и АДЭ‑3 на СХК) или электричество совместно с теплом (АДЭ‑2 на ГХК; АДЭ‑4 и АДЭ‑5 на СХК). АДЭ‑2, пущенный в 1964 году, обеспечивал электрической и тепловой энергией город Железногорск, АДЭ‑4 и АДЭ‑5 (вступившие в строй в 1964—1965 годах) — Северск и частично Томск. Причем реактор АДЭ‑2, прослуживший до 2010 года, можно считать мировым рекордсменом ядерной когенерации: по продолжительности работы (без малого полвека) он близок к самым «долгоживущим» энергетическим реакторам планеты.

Следующий примечательный пример развития когенерации — Билибинская АЭС на Чукотке — фактически АТЭЦ, чьи четыре энергоблока были последовательно пущены в 1974—1977 годах. Каждый блок базируется на канальном реакторе ЭГП‑6 с графитовым замедлителем (к слову, о военных корнях: он конструктивно тоже близкородственен ПУГРам) и может выдавать до 12 МВт электрической мощности и примерно 70 ГДж/ч тепла в виде насыщенного пара. Станция, снабжающая теплом город Билибино и электричеством — всю местную изолированную энергосистему, примечательна, среди прочего, длительным сроком работы (продолжит функционировать до начала 2020-х годов) и интенсивным режимом эксплуатации в суровых условиях: это одна из двух в мире атомных станций и единственная АТЭЦ, расположенная за полярным кругом. Ни один другой стационарный атомный энергоисточник на планете, включая Кольскую АЭС, не осуществляет теплоснабжение в районе с настолько холодным климатом (нередки морозы до -50−60 °C).