На пути к атомно-водородной энергетике

На петербургском саммите «Большой восьмерки» стало известно, что Россия включена в число участников международного форума по разработке ядерных реакторов четвертого поколения («Поколение IV»). Комментируя эту новость, глава Росатома Сергей Кириенко выделил два инновационных направления, где российские ученые достигли наибольших успехов.

Первое – это реакторы на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом. Второе — высокотемпературный ядерный реактор для промышленного производства водорода. Над этим проектом давно и весьма успешно работают нижегородское ОКБМ и РНЦ «Курчатовский институт». Специалисты ОКБМ представляли свой «водородный» проект и на июньском Инновационном форуме Росатома в Москве.

Если заглянуть в завтра

Теперь уже мало у кого вызывает сомнение, что атомная энергетика, прочно утвердившаяся в сфере производства электроэнергии, будет наращивать свою долю в этом сегменте рынка на основе усовершенствованных реакторов с водой под давлением, быстрых реакторов с расширенным воспроизводством топлива и замкнутого топливного цикла.

Более напряженной на энергетическом рынке является сфера моторного топлива и сфера обеспечения энергией промышленных технологических процессов. Предшествующий российский опыт и нынешние мировые тенденции разработки инновационных ядерных реакторов дают основание утверждать, что решение этой проблемы лежит на пути создания высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР). Их применение в промышленности в качестве энергоисточника для крупномасштабного производства водорода и водородосодержащих энергоносителей позволит в значительной степени решить проблему дефицита углеводородного сырья. Доля этого сегмента рынка атомной энергетики не уступает по масштабу электроэнергетическому применению. По прогнозам специалистов, к 2050 году может потребоваться создание, по крайней мере, 50–100 четырех­блочных атомных энерготехнологических комплексов с общим объемом производства водорода 25–50 млн т в год для России и внешнего рынка.

И водород, и электроэнергия

Последние двадцать лет в мире ведутся исследования более эффективных, чем традиционный электролиз, технологий производства водорода с ядерным источником энергии. Одновременно идет поиск и отработка технологии усовершенствованных ВТГР, соответствующих требованиям, предъявляемым к энергоисточнику для производства водорода. Проведенные исследования показывают, что этим требованиям отвечает разрабатываемый в настоящее время ФГУП «ОКБМ» совместно с РНЦ «КИ» высокотемпературный ядерный реактор МГРТ.

Реакторная установка МГРТ – энергоисточник для комбинированного производства водорода и электроэнергии

Проект разрабатывается в нескольких модификациях, различающихся способом производства водорода в химико-технологической части. Для варианта реакторной установки с паровой конверсией метана (ПКМ) принята двухконтурная схема передачи тепла. Отвод высокопотенциального тепла, получаемого в реакторе (температура гелия на выходе из реактора 8500С) для нужд водородного производства, осуществляется непосредственно к парогазовой смеси в высокотемпературных теплообменниках (ВТО).

В реакторной установке с термохимическим циклом (ТХЦ) разложения воды передача теплоты от теплоносителя первого контура с температурой 9500C осуществляется в ВТО к гелию промежуточного контура и далее — к рабочей среде химико-технологической части станции. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется в блоке преобразования энергии в прямом газотурбинном цикле. Реакторный модуль МГРТ (рис. 1), в обоих вариантах, размещен в заглубленном реакторном здании. Он включает собственно ядерный реактор, блок преобразования энергии и ВТО, скомпонованные в единую конструкцию и размещенные в отдельных шахтах защитной оболочки. Основные технические характеристики РУ приведены в таблице:

Реактор МГРТ (рис. 2) имеет кольцевую активную зону, состоящую из графитовых тепловыделяющих блоков, охлаждаемых циркулирующим под давлением гелиевым теплоносителем. Выполнение активной зоны целиком из графита (включая органы управления цепной реакцией деления), исключает возможность ее плавления в любых авариях.


Рис. 1. Компоновка реакторного модуля МГРТ для варианта с паровой конверсией метана
Рис. 2. Реактор МГРТ

Преодолевая трудности

Технические трудности создания ВТГР для производства водорода связаны, прежде всего, с очень высоким уровнем рабочих температур всех компонентов и узлов реакторной установки. Это усложняет обоснование выбора, применение и разработку конструкционных материалов, особенно для конструкций, работающих под давлением гелиевого теплоносителя. Так, для некоторых несущих элементов конструкции активной зоны реактора предполагается использование углерод-углеродных композитных материалов. Такие материалы являются существенно более прочными, имеют более высокую жесткость и плотность, чем обычные графиты. Эффекты их повреждения под действием нейтронного облучения изучались применительно к проектам термоядерных реакторов типа Токамак. Программой НИОКР предусмотрена аттестация этих материалов для использования в данном реакторе. Потребуется и дальнейшая отработка конструкции и технологии изготовления топлива, чтобы гарантировать его высокое качество и эксплуатационную надежность в условиях более тяжелых, чем те, для которых получены результаты радиационных испытаний микротоплива в России и за рубежом. Основой блока преобразования тепловой энергии в электрическую является вертикальная турбомашина (рис. 3), объединяющая газовую турбину, электрогенератор и турбокомпрессор в единую одновальную конструкцию, вращающуюся в электромагнитных подшипниках. Создание такой уникальной машины сопряжено с решением ряда сложных задач, требующих проведения масштабных исследований и опытно-конструкторских работ. Такие работы проводятся в России с 1995 года в рамках международного проекта модульного высокотемпературного реактора с газотурбинным циклом ГТМГР. Еще одной новой и сложной научно-технической задачей в рамках данного проекта является создание высокотемпературного промежуточного теплообменника, который должен надежно работать в условиях сверхвысоких температур в течение длительного времени. Это потребует решения таких проблемных вопросов, как выбор конструкционных материалов и отработка технологии изготовления теплообменной поверхности из керамики.


Рис. 3. Блок преобразования энергии

Вода вместо углеводородного сырья

В настоящее время крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов осуществляется в мире в основном путем паровой конверсии природного газа – метана. В этом случае около половины исходного газа расходуется на проведение эндотермического процесса паровой конверсии. С целью экономии природного газа и снижения нагрузки на окружающую среду была разработана технологическая схема паровой конверсии метана с подводом тепла от ВТГР. В таком процессе около половины производимого водорода получают в процессе расщепления воды. По-видимому, в ближайшем будущем технологии на базе ВТГР для получения водорода с использованием природного газа будут основными. В долгосрочной перспективе наибольший интерес будут представлять процессы получения водорода из воды с использованием тепловой и электрической энергии ядерных реакторов. Это, прежде всего, высокотемпературный электролиз, который позволит иметь суммарный КПД процесса производства водорода до 50%.

Что говорят экономисты

Выполненные предварительные технико-экономические оценки по производству водорода в перспективных процессах с использованием тепловой и электрической энергии ВТГР показывают, что метод паровой конверсии метана конкурентоспособен с обычными технологиями при сегодняшних мировых ценах природного газа и без учета потенциального налога на выбросы CО2. При более высоких ценах природного газа (рост более чем в 2–3 раза) в будущем наиболее экономичным может стать процесс термохимического разложения воды. Оба процесса конкурентоспособны с обычным электролизом. Экономичность еще одного метода – высокотемпературного электролиза пара – в конечном счете будет зависеть от величины капитальных затрат на создание энергоисточника для производства электричества.

Указанные оценки выполнялись при умеренных температурах используемого тепла в процессах, которые могут быть реализованы при температуре гелия на выходе из реактора не более 8500С. Увеличение температуры теплоносителя в реакторе до 9500С позволит повысить эффективность процессов производства водорода, однако при этом увеличивается стоимость создания безопасной реакторной установки.

Реализация возможна

Проведенные к настоящему времени исследования дают основания для уверенности в том, что высокотемпературный реактор с гелиевым теплоносителем – это единственная ядерная технология, которая может реально обеспечить высокотемпературным теплом промышленное производство водорода и другие энергоемкие технологические процессы. Поэтому данное направление должно стать составной частью новой технологической платформы отечественной атомной энергетики. Реальный срок сооружения демонстрационного блока типа ГТМГР, по нашим оценкам, — 2017 год, а к 2020 году может быть сооружен головной энерготехнологический комплекс с реакторами МГРТ для комбинированного производства электроэнергии и водорода*. Можно надеяться, что широкое международное сотрудничество в рамках форума «Поколение IV» позволит минимизировать финансовый и технический риски осуществления этих важных инновационных проектов.

*Более подробно о проектах ГТМГР и МГРТ смотри:
1. Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», № 3 (11), 2004, стр. 5–10.
2. Митенков Ф.М., Кодочигов Н.Г., Васяев А.В., Головко В.Ф., Пономарев-Степной Н.Н., Кухаркин Н.Е., Столяревский А.Я. Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор – энергоисточник для промышленного производства водорода //Атомная энергия, т. 97, вып. 6, декабрь 2004, стр. 432–446.

Журнал «Атомная стратегия» № 24, август 2006 г.

назад

Материалы из архива

10.2006 Искать точки соприкосновения

Мухтар Джакишев, президент Национальной атомной компании «Казатомпром» Дефицит уранового сырья заставляет ведущие мировые ядерные державы все чаще поглядывать в сторону Казахстана. Бывшая республика Советского Союза занимает второе место в мире по запасам урана, третье – по добыче. Выиграв судебный процесс по антидемпинговому разбирательству с американской компанией USEC, Казахстан, в отличие от России, продает уран в США по свободным мировым ценам.

5.2007 Атомная тройня

Дмитрий Кудряшов "РБК daily"Росатом выведет клонов «Атомстройэкспорта»Хотя структура «Атомэнергопрома» (АЭП) еще не определена, у чиновников уже появилось понимание, что в новый холдинг должно входить сразу несколько компаний, способных заниматься возведением новых АЭС под ключ. Такие структуры могут возникнуть на базе проектных НИИ в Москве, Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде, после акционирования они могут быть усилены инжиниринговыми, монтажными и строительными активами.

4.2008 SCHRITTE UBER GRENZEN

"куда в пятницу на Страстной 1300 г. шагнул Данте" (А.Франс)

Д.А.Тайц, к.ф.-м.н. Разуму дана единственная граница (горизонт) – бытие-небытие, жизнь-смерть, живое-неживое, единственная настоящая в том мире, в который мы погружены, который мы знаем. Знание – состояние, самый недвусмысленный синоним понятию "жизнь". Корни дерева знают, на какой почве и куда развиваться, дерево – как реагировать на условия климата. Микроорганизмы или насекомые знают, что за среда подходит колонии. Моряк знает, как управлять парусами.