как это делается / ядерная физика
На Чукотке в порту Певека сооружается уникальная, пока единственная в мире плавучая атомная теплоэлектростанция "Академик Ломоносов". Такие станции решают проблему энергоснабжения отдаленных, не связанных с единой энергосистемой регионов, в том числе с экстремальными климатическими условиями.
За последний месяц из Архангельска в Певек отправлены три грузовых судна ("Александр Сибиряков", "Инженер Трубин" и "Иоганн Махмасталь"). Они доставили для обустройства уникальной плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС) почти 30 тыс. тонн груза, в том числе стройматериалы (песок, щебень, цемент), металлоконструкции, а также дополнительную технику для строительства гидротехнических сооружений и береговой инфраструктуры.
ПАТЭС предназначена для эксплуатации в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, в частности для обеспечения надежного энергоснабжения Чукотки. Эта станция поможет заместить выбывающие к 2019 году на Чукотке генерирующие мощности — Билибинскую АЭС и Чаунскую ТЭЦ, что важно для гарантированного устойчивого энергообеспечения региона.
Ранее в Мурманске началась загрузка ядерного топлива в реакторы на первом российском плавучем атомном энергоблоке "Академик Ломоносов", который предназначен для работы в составе ПАТЭС. Ввести энергоблок в эксплуатацию планируется в порту Певек в декабре 2019 года. ПАТЭС будет вырабатывать электрическую и тепловую энергию в режиме, достаточном для поддержания жизнедеятельности города с населением около 100 тыс. человек.
Проект реализует АО "Концерн "Росэнергоатом"", крупнейшая в мире электрогенерирующая компания.
Участниками проекта являются:
- ЗАО "Атомэнерго" — генеральный проектировщик ПАТЭС;
- ОАО "ЦКБ "Айсберг"" — проектировщик плавучего энергоблока;
- АО "Балтийский завод--Судостроение" — изготовление судна;
- АО "ОКБМ Африкантов" — комплектный поставщик реакторных установок;
- ПАТЭС — инновационный энергоисточник, созданный на базе российских технологий атомного судостроения и предназначенный для надежного круглогодичного энергоснабжения районов Арктики и Дальнего Востока России, а также других изолированных топливодефицитных районов в России и за рубежом.
Морской торговый порт Певек
ПАТЭС включает:
- плавучий энергоблок (ПЭБ) с двумя реакторными установками КЛТ-40С, являющийся источником генерации электрической и тепловой энергии мощностями 70 МВт и 50 Гкал/ч соответственно;
- объекты береговой инфраструктуры и гидротехнические сооружения в городе Певеке Чукотского АО, предназначенные для выдачи тепловой и электроэнергии от ПЭБ в энергосети.
Особенность ПАТЭС в том, что плавучий энергоблок целиком создается на судостроительном предприятии с использованием освоенной технологии строительства атомных судов. После комплексных испытаний и сдачи заказчику ПЭБ транспортируется к месту стоянки, где подключается к береговым сетям и начинает выдавать электроэнергию в сеть. Плавучее исполнение сводит к минимуму объемы и стоимость капитального строительства станции в районе размещения. Заказчик получает экологически чистую электрическую и тепловую энергию, в то время как вопросы хранения радиоактивных отходов, квалифицированного обслуживания и снятия с эксплуатации станции после выработки ресурса решаются эксплуатирующей организацией с использованием существующей технологической базы атомного флота.
ПЭБ "Академик Ломоносов" построен на АО "Балтийский завод--Судостроение" (Санкт-Петербург).
В феврале 2018 года завершены швартовные испытания "Академика Ломоносова". Специалисты успешно осуществили операцию по кренованию. Кренование — это важный этап пусконаладочных работ на головном плавучем энергоблоке, оно проводится для уточнения проектных данных о положении центра тяжести построенного судна. Поясняя суть проведенной операции, заместитель руководителя дирекции по сооружению и эксплуатации ПАТЭС Дмитрий Алексеенко отметил: "Опыту кренования подвергаются все головные суда строящихся серий. Поскольку при постройке судна возможно некоторое перераспределение масс, возникают расхождения между расчетными и действительными значениями аппликат центра тяжести и центра величины судна, определяется фактическая величина метацентрической высоты. В этой связи специалисты проводят уточнение проектных данных о положении центра тяжести построенного судна как раз путем проведения так называемого опыта кренования".
Кренование ПАТЭС осуществлялось с помощью специальных грузов, которые краном перемещали с борта на борт, фиксируя изменения осадки и угла крена. Таким образом, специалисты завода практически определили координаты центра тяжести судна, необходимые для расчетов весовой нагрузки, остойчивости и непотопляемости.
Руководитель дирекции по сооружению и эксплуатации ПАТЭС Виталий Трутнев рассказал "Науке": "Для выполнения опыта кренования на АО "Балтийский завод" имеется штат квалифицированных специалистов с многолетним опытом работы. Они имеют в своем распоряжении современную измерительную аппаратуру и используют методики, разработанные Морским регистром с привлечением научных организаций". Виталий Трутнев также подчеркнул, что операция по кренованию прошла успешно, без замечаний.
Буксировка ПЭБ в Певек (Чукотский АО) осуществляется в два этапа: из Санкт-Петербурга в Мурманск, а затем из Мурманска в Певек. На первом этапе ПЭБ без ядерного топлива на борту отбуксирован с территории Балтийского завода к причалу ФГУП "Атомфлот" в Мурманске. Далее — ориентировочно летом 2019 года — он с уже загруженным ядерным топливом и экипажем на борту будет доставлен из Мурманска в морской порт Певека. По договору с "Росэнергоатомом" весь комплекс буксировочных и маневровых услуг, связанных с перегоном плавучего энергоблока по маршруту Санкт-Петербург--Мурманск--Певек, окажет ФБУ "Морская спасательная служба Росморречфлота". По расчетам специалистов, средняя скорость следования буксирного каравана по запланированному маршруту при благоприятных гидрометеоусловиях, а также при отсутствии каких-либо причин задержек каравана составит 3,5-4,5 узла.
По состоянию на сентябрь 2018 года на площадке строительства береговой инфраструктуры и гидротехнических сооружений ПАТЭС в Певеке продолжаются работы основного периода строительства, в том числе:
- завершены строительно-монтажные работы по сооружению подходного участка мола-причала;
- начаты работы по сооружению мола-причала;
- начаты работы по строительству объектов береговой инфраструктуры.
КЛТ-40С представляет собой реакторную установку с водо-водяным ядерным реактором корпусного типа.
В первом контуре принята газовая компенсация давления. Реактор и парогенераторы первого контура объединены в парогенерирующий блок силовыми патрубками. Блок размещен в кессонах бака металловодной защиты.
Реактор состоит из корпуса, крышки, выемного блока и активной зоны. На крышке реактора установлены пять приводов органов компенсации избыточной реактивности — компенсирующие группы и четыре исполнительных механизма аварийной защиты. Исполнительный механизм аварийной защиты состоит из реечного механизма с пружиной, сервопривода и асинхронного электродвигателя. Привод компенсирующей группы включает винтовой механизм, редуктор и шаговый электродвигатель.
Активная зона состоит из комплекта тепловыделяющих сборок, что обеспечивает возможность перегрузки отработанного топлива отдельными сборками. В состав сборок входят тепловыделяющие элементы стержневого типа.
Парогенератор представляет собой прямоточный вертикальный цилиндрический трубный аппарат, трубная система которого набрана из цилиндрических спиральных змеевиков, изготовленных из коррозионно-стойкого материала.
Циркуляционный электронасос — центробежный, одноступенчатый, бессальниковый, с герметичным двухскоростным электродвигателем.
Все источники ионизирующих излучений окружены биологической защитой. В качестве основных материалов защиты использованы сталь, бетон, вода. Конструктивно биологическая защита выполнена в виде бака с водой, съемных блоков сухой защиты и периферийной защитной оболочки.
Ядерную паропроизводящую установку предполагается оснастить комплексом аппаратуры радиационного контроля и контроля радиоактивного загрязнения в контурах и помещениях, включающих радиохимическую и радиометрическую лаборатории.
Многоцелевое судно "Иоганн Махмасталь" в порту Певека
К системам безопасности КЛТ-40С относятся:
- система управления и защиты реактора;
- система отвода остаточных тепловыделений;
- система аварийного охлаждения (проливки) активной зоны;
- система снижения аварийного давления в полости защитной оболочки;
- система защиты первого контура от переопрессовки;
- система сравнения с забортным давлением;
- система ввода жидкого поглотителя в реактор и др.
Аварийный останов реактора осуществляется введением в активную зону компенсирующих стержней. При обесточивании их приводов опускание поглотителей происходит под действием гравитационных сил. Для повышения надежности воздействия на реактивность в запроектных авариях предусмотрена страховочная система ввода в реактор жидкого поглотителя, состоящая из бака с раствором азотнокислого кадмия и трубопровода (со съемным участком) к системе подпитки первого контура.
Комплекс систем управления и автоматизации технических средств построен таким образом, что управление и контроль за наиболее важными параметрами установки, влияющими на ядерную безопасность, осуществляются по трехканальной схеме, а сигналы аварийной защиты и экстренного снижения мощности реактора вырабатываются по мажоритарному принципу. Дистанционное управление установкой и контроль за ее работой осуществляются с поста управления.
Система аварийного охлаждения (проливки) активной зоны реактора включает три высоконапорных электронасоса и цистерну с запасом воды. После снижения давления в реакторе проливка продолжается резервным питательным насосом.
Для дорасхолаживания активной зоны предусмотрена возможность рециркуляции воды из барботажной цистерны насосами системы дренажа.
Система отвода остаточных тепловыделений выполнена в виде двух независимых каналов расхолаживания: водой второго контура через парогенераторы или водой третьего контура через теплообменник.
Одним из элементов систем локализации аварий является защитная оболочка. Она представляет собой прочноплотную выгородку и рассчитана на внутреннее давление, реализующееся при так называемой максимальной проектной аварии — разрыве полным сечением трубопровода первого контура. Система снижения аварийного давления в защитной оболочке включает барботажную цистерну с пресной водой, каналы для подвода паровоздушной смеси в цистерну пресной воды, предохранительные заглушки.
Сейчас в мире нет действующих аналогов строящейся ПАТЭС. Единственной плавучей атомной станцией была американская MH-1A "Стерджис", построенная для армии США в 1968 году. В 1977 году она была деактивирована.
Власти Чукотского автономного округа возлагают особые надежды на экономический эффект: ПАТЭС позволит модернизировать энергосистему округа и снизить тариф на электроэнергию в 2,5 раза — с 16 до 6 руб. за 1 кВт ч. Это, в свою очередь, даст возможность начать разработку нескольких месторождений, в частности медно-порфирового в Баимской рудной зоне — одного из самых крупных в мире. Другие "бонусы" снижения тарифа — уменьшение нагрузки на малый и средний бизнес, повышение качества жизни населения. Кроме того, ПАТЭС должна стать частью энергомоста Чукотка--Магадан, который соединит изолированные энергосистемы регионов.
Проекты подводных АЭС
США
Концепция, разработанная учеными Массачусетского технологического института (MIT), сочетает две хорошо наработанные технологии: атомный реактор и глубоководную нефтяную платформу. В рабочем состоянии плавучие АЭС (ПАТЭС) могут быть расположены в относительно глубоких водах вдали от прибрежных районов, с которыми они будут связаны лишь подводной линией электропередачи. Морская вода защитит расположенную на заданной глубине атомную электростанцию от землетрясений и цунами, а в случае аварии может служить для охлаждения, причем в этом случае не понадобятся насосы.
По проекту инженеров MIT, плавучая АЭС состоит из главной конструкции диаметром около 45 метров, на которой разместится реактор мощностью 300 МВт. Альтернативный проект АЭС мощностью 1100 МВт предусматривает главную конструкцию диаметром 75 метров. В обоих случаях главная конструкция включает жилые помещения и вертолетные площадки для транспортировки персонала, по аналогии с морскими буровыми платформами.
Привлекательность концепции в том, что хорошо освоенные технологии объединяются с надежными цепочками поставок. Есть верфи, которые строят большие цилиндрические платформы нужного типа. Есть компании, которые строят атомные реакторы нужного размера. Однако пока идея ПАТЭС в США находится лишь на бумаге в виде инженерной идеи (concept design).
Франция
Компания DCNS разрабатывает идею подводного атомного реактора Flexblue номинальной мощностью 160 МВт. Согласно концепции, реактор будет заключен в корпус диаметром 14 метров и длиной 145 метров, его планируется расположить горизонтально или на океанском дне, или не доходя до него, на глубине 30-100 метров. Приоритетами разработки стали безопасность и компактный дизайн. Минимальная продолжительность ядерного топливного цикла должна составить пять лет. Концепция разрабатывается с прицелом на "физическое" строительство в 2030-2040 годах. Французские разработчики сочли подходящими для плавучих АЭС реакторы следующих типов: 1) кипящие, 2) под давлением, 3) с перегретой водой, 4) быстрые свинцово-висмутовые и 5) с органическим охлаждением.
Пока идея ПАТЭС во Франции находится тоже на стадии инженерной идеи (concept design).
Около 1,5 млн лет до н. э.
Фото: Design Pics Historical / Ken Welsh / DIOMEDIA Человек впервые разводит костер.
IV тысячелетие до н. э.
Водяное колесо начинает использоваться для получения энергии на территории современных Индии, Китая, Египта и других стран.
Конец III тысячелетия до н. э.
Фото: Andrey Nekrasov / Alamy/ DIOMEDIA
Финикийцы используют энергию ветра для морских путешествий на парусных кораблях.
1 тыс. лет до н. э.
Фото: Artokoloro Quint Lox Limited / Alamy / DIOMEDIA Ветряная мельница используется на территории Египта, Ближнего Востока и современного Ирана.
VI в. до н. э.
Фото: Юрий Мартьянов, Коммерсантъ Древнегреческий философ Фалес Милетский замечает, что янтарь после взаимодействия с шерстью притягивает легковесные предметы — бумагу, пушинки. От древнегреческого названия янтаря — "электрон" — впоследствии образуется термин "электризация".
XIV в. н. э.
Фото: Historic Images / Alamy / DIOMEDIA Упоминания об использовании угля в качестве топлива в Китае, Англии и Германии, закладываются первые угольные шахты в Европе.
1600
Фото: The Granger Collection / ТАСС Английский придворный врач Уильям Гилберт публикует свой трактат "О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле", в котором описывает опыты с наэлектризованными телами, а также объясняет принцип действия магнитного компаса.
1680
Фото: Leemage/AFP Французский ученый Дени Папен создает прообраз парового двигателя.
1681
Фото: Science Museum London / DIOMEDIA Немецкий химик Иоганн Бехер получает патент на новый метод изготовления кокса и смолы из торфа и каменного угля. В дальнейшем благодаря открытиям Бехера каменный уголь станет основным источником топлива в производстве и будет оставаться таковым до XX века.
1720-е гг.
В России начинается промышленное применение каменного угля.
1767
Фото: Whiteimages / Leemage / AFP Швейцарский ученый Гораций де Соссюр создает первый в мире солнечный коллектор (аналог солнечной батареи, однако коллектор, в отличие от батареи, не преобразует энергию Солнца в электричество, а только накапливает тепло).
1769
Фото: The Granger Collection, New York / ТАСС Английский изобретатель Джеймс Уатт создает первую паровую машину. Изобретение Уатта оказало огромное влияние на мировую промышленность, а использование паровой машины обозначило переход к машинному производству.
1789
Фото: Depositphotos / PhotoXPress.ru Немецкий химик Мартин Клапрот открывает новый химический элемент — уран.
1799
Фото: Ann Ronan Picture Library / Photo12 / AFP Итальянский исследователь Алессандро Вольта создает первый в мире химический источник постоянного электрического тока, получивший название "Вольтов столб". Сам Вольта назвал свое изобретение "гальванический элемент" в честь Луиджи Гальвани, проводившего опыты с электричеством.
1802
Фото: The History Collection / Alamy/ DIOMEDIA Российский физик-экспериментатор Василий Петров создает электрическую батарею размером 12 метров, чтобы дополнить результаты опытов Вольты. В результате исследований Петров пришел к выводу, что проводимость тока зависит от уровня сопротивления проводника — впоследствии он вводит в употребление термин "сопротивление"
1802
Фото: DeAgostini / De Agostini Picture Library / DIOMEDIA Итальянский ученый Джованни Романьози обнаруживает, что электрический ток в проводнике воздействует на движение магнитной стрелки.
1831
Фото: The Granger Collection / ТАСС Исследования английского ученого Майкла Фарадея приводят к открытию электромагнитной индукции, что затем ведет к появлению электрогенератора.
1839
Фото: leemage / AFP Французский физик Антуан-Сезар Беккерель создает солнечную батарею, поглощающую солнечную энергию.
1876
Фото: DIOMEDIA Российский изобретатель Павел Яблочков создает первую электрическую свечу.
1878
Фото: Costa / Leemage / AFP Французский ученый Огюст Мишо на Всемирной выставке в Париже демонстрирует паровую машину, работавшую на энергии Солнца.
1879
Фото: Роман Асечкин / ТАСС Американский изобретатель Томас Эдисон создает первую в мире электрическую лампочку накаливания.
1879
В России появляется блок-станция — небольшая электростанция, обеспечивающая электричеством ограниченное количество потребителей.
1882
В США начинает работу первая гидроэлектростанция (ГЭС).
1890
Фото: Mark Markau / Alamy / DIOMEDIA В Дании строят первую промышленную электростанцию, на которой электричество вырабатывается с помощью ветряной энергии.
1892
Фото: Collection Roger-Viollet / Roger-Viollet / AFP В США появляется первая в мире геотермальная станция — электростанция, на которой вырабатывается электричество за счет энергии подземных источников (например, гейзеров).
1920
Фото: ТАСС В РСФСР утверждают план ГОЭЛРО — план по масштабной электрификации России.
1939
Открыт процесс деления ядер. Начинается развитие ядерной энергетики.
1945
Фото: The Granger Collection / ТАСС Первые испытания ядерной бомбы в США. Атомная бомбардировка японских городов Хиросимы и Нагасаки.
1949
Фото: Яровицын Роман / ТАСС Испытания первой атомной бомбы в СССР.
1954
Фото: Валентин Кунов / ТАСС В Обнинске начинает работать первая в мире АЭС.
1954
Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер создали первую в мире солнечную кремниевую ячейку, основу для солнечной батареи. Коэффициент ее полезного действия был 4%.
1970-е
Фото: Владимир Смирнов / ТАСС В США разрабатывается новый вид биотоплива — топливные гранулы (пеллеты), создающиеся из торфа и древесных отходов.
1980
Фото: AFP В Германии появляется Партия зеленых. Это скажется на количестве угольных шахт в Германии, а затем станет одной из причин отказа страны от атомной энергетики.
1986
Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ Катастрофа на Чернобыльской АЭС. Крупнейшая катастрофа в истории атомной энергетики.
1990
Фото: Виктор Куликов, Коммерсантъ В Германии принята 1000-Dacher-Programm — "Программа тысячи крыш", направленная на поддержку солнечной энергетики; в 1999 году она сменилась на 100 000-Dacher-Programm.
1997
Фото: РИА Новости Принятие Киотского протокола, который обязывает развитые страны уменьшить количество выбросов парниковых газов в атмосферу.
2011
Фото: Tokyo Electric Power Co. via Kyodo News, AP Авария на атомной электростанции "Фукусима". В том же году в Германии была установлена миллионная солнечная батарея.
2016
Фото: Anadolu Agency / AFP Подписано Парижское соглашение, этап исполнения Рамочной конвенции ООН об изменении климата, установившее новые ориентиры для снижения выбросов углекислого газа до 2020 года.