Новые вызовы для ядерной энергетики

С.В.Коровкин, начальник отдела технологии реконструкции и ремонта ОИАЭ ОАО "НИКИМТ-Атомстрой"

Вот уже несколько десятилетий в ядерной энергетике не создаются новые «прорывные» технологии.  Мы достраиваем спроектированные 30 лет тому назад и замороженные   в конце восьмидесятых годов прошлого века блоки АЭС. Новые строящиеся АЭС с реактором ВВЭР мало того, что принципиально  ничем не отличаются от АЭС тридцатилетней давности, но заранее обречены на проблемы с топливом, так как своего урана в России явно недостаточно.


Из стана специалистов по быстрым реакторам, так и не сумевших за 50 лет создать хотя бы демонстрационный комплекс с замкнутым топливным циклом, продолжают звучать все те же бодрые заявления о перспективах использования в качестве ядерного топлива неисчерпаемых запасов урана-238 и необходимости строительства очередных БН-XX.

Что-то по инерции продолжают делать термоядерщики, сами уже не верящие в успех своего безнадежного предприятия, и развлекающие  публику  байками о транспортировке гелия-3 с Луны.

Застой в ядерной энергетике во многом объясняется твердой уверенностью подавляющего большинства атомщиков в том, что «альтернативы ядерной энергетике нет». Между тем в нескольких европейских странах уже сказали – спасибо, господа атомщики, в ваших услугах мы больше не нуждаемся.

Дело в том, что энергетические технологии не стоят на месте. За последние несколько лет мы стали свидетелями  бурного распространения экономичных источников света, позволяющих в пять раз сократить расход электроэнергии на освещение. Несложный расчет показывает, что для России полный переход на энергоэффективные источники света означает уменьшение потребности в электрогенерирующей мощности примерно на  20 миллионов киловатт, то есть на величину, сопоставимую с той, которую должны дать 26 запланированных новых атомных блоков.

На очереди массовое освоение другой энергетической технологии  - отопление с помощью тепловых насосов. Поскольку из общего количества энергии, потребляемого Россией в течение года, более четверти тратится на отопление, внедрение новых энергоэффективных технологий здесь приведет к значительному сокращению потребления энергетических ресурсов.

Тепловые насосы уже есть в квартире у каждого - это обычные холодильники.   Принцип работы холодильника состоит в том, что тепловая машина, основным элементом которой является компрессор, передает тепло из внутреннего объема холодильника наружному воздуху.

Другой пример теплового насоса – кондиционер. Здесь тепло отбирается из воздуха в помещении и передается уличному воздуху.

Максимальный теоретический коэффициент полезного действия для тепловой машины 

                                     η = ΔT/Tнагр,

где ΔT – температурный перепад, срабатывающий в тепловой машине
Tнагр – температура нагрева рабочего тела в градусах Кельвина

Для обратимой тепловой машины, коей является тепловой насос, основной характеристикой является коэффициент конверсии – величина, обратная коэффициенту полезного тепловой машины.

Максимальный теоретический коэффициент конверсии

                                             β = Tнагр /ΔT
Если принять температурный перепад между уличным воздухом и воздухом в помещении ΔT = 30º, а температуру в помещении t = 25ºC (T = 298 K), то максимальный теоретический коэффициент конверсии составит
                                             β = 298/30 = 9.9

Это означает, что затратив 1 кВт электроэнергии на привод теплового насоса, получим почти 10 кВт тепловой энергии для отопления. Для людей, далеких от термодинамики, это кажется чудом, однако чуда никакого нет – тепловая энергия не возникает заново, а передается от холодного источника теплому источнику.

Конечно, максимальный теоретический коэффициент конверсии недостижим. В современных тепловых насосах значение коэффициента конверсии достигает β =5, а в самых совершенных аппаратах β =7.

В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов, около 30% административных и жилых зданий оборудованы тепловыми насосами. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

В Швеции 70% потребности в тепловой энергии обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими в качестве источника тепла Балтийское море. Швеция первой среди развитых стран Запада хочет пойти на кардинальные меры в энергетической сфере, а именно - попытаться в течение 15 лет полностью отказаться от нефти, при этом не строя новых атомных электростанций.

В России тепловые насосы пока экзотика. Причиной тому является не только и не столько наша технологическая отсталость, но и климатические условия на большей части территории страны. Дело в том, что тепловые насосы хорошо работают только при температуре холодного источника до -5ºС. При сильных морозах эффективность работы  теплового насоса резко падает, а теплообменные поверхности покрываются коркой льда.

В США и Западной Европе тепловые насосы в качестве источника тепла используют, в основном, тепло воды близлежащего водоема или тепло прилегающего к зданию грунта.

В России, опять же из-за продолжительных зимних морозов,   использование воды близлежащих водоемов проблематично, а грунт промерзает на глубину до полутора метров и больше. Эти факторы, конечно, не исключают применение тепловых насосов для отопления, но значительно удорожают их применение.

Однако энергетические технологии не стоят на месте. Запатентованный в 2009 году способ использования теплового насоса позволяет резко удешевить как установку теплового насоса, так и повысить эффективность его работы для российского климата. В качестве источника тепла для отопления  предлагается использовать тепло, выделяющееся при замерзании воды. При фазовом переходе вода-лед на один килограмм замерзшей воды выделяется 334 кДж или 0.093 кВт×час тепловой энергии.
Для средней полосы России при применении современных утеплителей и стеклопакетов годовой расход тепла на отопление составляет около 60 кВт×час/м2.

Для дома площадью 100 м2 на отопление необходимо 6000 кВт×час тепловой энергии в год. Если использовать в качестве источника фазовый переход вода-лед, то необходимо 65 000 кг или 65 куб. м воды. Система отопления выглядит следующим образом:

1- бассейн, 2 – нижний слой воды, 3 – верхний слой воды, 4 – тепловой насос, 5 – водяной насос, 6 – вентилятор, 7 – вытяжная труба, 8 – приточное отверстие, 9 - лед

В подвале дома расположен бассейн с водой. При работе теплового насоса прилегающий к слою воды воздух с температурой  -2º ÷ 0ºС засасывается в тепловой насос, нагревает воздух в помещении и охлажденный до температуры -10º ÷ -5ºС  возвращается в бассейн. При контакте с охлажденного воздуха с водой вода замерзает, а воздух нагревается. Водяной насос подает воду из-под слоя льда на поверхность льда, обеспечивая тем самым постоянный контакт воздуха с водой.

При положительной температуре наружного воздуха включается вентилятор и происходит приток теплого воздуха в бассейн и таяние льда. При мощности вентилятора 200 Вт и температуре наружного воздуха +15ºС лед в бассейне растает за 15 дней. Электрическая мощность, необходимая для работы теплового насоса при отоплении дома, даже в сильные морозы не превысит 1 кВт.

Годовой расход электроэнергии на отопление при коэффициенте конверсии    β =5 составит 1200 кВт×час. Устройство в подвале дома бассейна практически не приводит к удорожанию конструкции здания, требуется только  гидроизоляция дна бассейна. Подобная система отопления легко реализуема и в многоэтажных домах. Разрабатываются проекты перевода уже существующих зданий на «ледяное» отопление.

Конечно, как и везде в технологических системах, максимальный эффект достигается при комплексном подходе к энергоэффективности. Так при замене ламп накаливания на  экономичные источники света высвобождаются резервы электрической мощности как раз достаточные для новых систем теплоснабжения, а это значит, что нет необходимости в подключении новых электрических мощностей и прокладке новых сетей. Если в России, как и в Швеции до 70% всего отопления обеспечат тепловые насосы, то общая потребность страны в энергии сократиться на 10÷15%.

В заключение, несколько фактов, лично у меня, как у атомщика,  пробуждающие чувство зависти:

1. Коэффициент полезного действия лучших образцов парогазовых электростанций достиг 55%. Реконструкция российских ТЭС, работающих на газе, даст прирост 30 миллионов киловатт электрической мощности при том же расходе топлива  

2. В 2009 году компания General Motors обнародовала информацию о том, что новый гибридный автомобиль Chevrolet Volt будет расходовать максимум 1 литр горючего на 100 км пути

3. Президент США объявил о планах к 2025 году  обеспечить производство 25 процентов энергии за счет возобновляемых  источников

Альтернативы ядерной энергетике нет?

назад

Материалы из архива

6.2008 От ''Севмаша'' отчаливает атомная станция

Александра Грицкова, газета «Коммерсантъ»"Росэнергоатом" рассматривает возможность расторжения контракта с ОАО "Севмашпредприятие" по строительству головной плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС). На заводе утверждают, что причиной задержки строительства является недоработка проекта. Эксперты говорят об очередном примере неконкурентоспособности российского гражданского судостроения, но сомневаются, что контракт будет разорван.

3.2006 Приглашение на казнь

Елена Терехина, журналист Новейшая история России едва ли знает подобные примеры. В феврале этого года руководитель крупнейшего атомного предприятия – железногорского ГХК - был отправлен в отставку. Его действия глава Росатома Сергей Кириенко назвал «освоением средств», а экономику предприятия – «экономикой абсурда». Кроме того, стало известно, что на ГХК выявлены серьезные нарушения ядерной, радиационной и экологической безопасности.

12.2007 РЕТРО энергичного АТОМА - «сказка - быль, да в ней намек»

По случаю 87-й годовщины плана ГОЭЛРО, 41-го по счету празднования дня Энергетика и в честь тридцатилетия атомной энергетики Украины. Может быть, нам все-таки, следует научиться обращать внимание на кажущиеся мелочами обстоятельства. Во-первых, говорят, что мелочей не бывает вовсе. Во-вторых, на практике убедились, что любое хорошее с виду начинание губится именно мелочами.