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

6.2007 ПЛАВУЧИЕ АЭС: «ХРОМАЯ УТКА» РОСАТОМА

Надежда Попова, «Аргументы неделi»В недрах атомного ведомства страны разгорается скандал. После бодрых рапортов о том, что в России в ближайшее время будет построена флотилия из 7 плавучих атомных станций (по другим данным, из 15, а академик Евгений Велихов и вовсе озвучил цифру 150), стали раздаваться робкие вопросы: а потянем ли? а не опасны ли эти плавучие АЭС? как охранять будем? Некоторые опасения по вопросу безопасности атомных поплавков выражают и ученые Института ядерных реакторов РНЦ «Курчатовский институт». Свои мысли вслух о дороговизне проекта озвучил министр Герман Греф.

2.2009 Энергетика послекризисного мира

С.В.Коровкин, главный инженер проекта ОАО «Атомстрой», НИКИМТВсе согласны с тем, что индустриальный мир после кризиса будет другим. Другими будут не только экономические, но и технологические системы индустриального общества. Уже сейчас проясняется будущая энергетическая система послекризисного индустриального мира. Основным источником энергии в  XXI веке в развитых странах будет  не нефть, не газ, не уран, не дрова и не солома.

1.2009 Тридцатипроцентное правительство

Андрей Колесников, заместитель главного редактора журнала The New Times: - Вместе с остановкой административной реформы, одним из результатов которой могло бы стать улучшение качества бюрократического человеческого материала, начался отрицательный противоестественный отбор: интеллектуальный и морально-нравственный уровень российской бюрократии стал падать, а процентное соотношение либеральных технократов и нелиберальных силовиков стало резко меняться в пользу последних.