- МАЛАЯ АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
(использование атомной энергетики в районах Крайнего Севера)
Ядерное горючее — уникальное по своей колоссальной теплотворной способности топливо. Благодаря этому оно имеет большое преимущество перед органическим в отношении затрат на перевозку к местам потребления, причем с увеличением расстояния перевозок это преимущество увеличивается.
Поэтому при определении места строительства ядерных энергоисточников (ЯЭИ) внимание проектировщиков может быть целиком сосредоточено на достижении оптимальных показателей энергоснабжения с точки зрения надежности, условий водоснабжения, охраны окружающей среды и прочих факторов, не связывая или почти не связывая выбор месторасположения ЯЭИ с вопросами доставки топлива.
Указанные обстоятельства явились естественной причиной того, что уже в самом начале становления атомной энергетики появилась мысль об использовании ЯЭИ в таких районах, где трудно решаются вопросы доставки привозного и добычи местного топлива. В СССР к таким местам относятся в первую очередь обширные районы Севера и Северо-Востока, вытянутые широкой полосой вдоль берегов Северного Ледовитого и Тихого океанов, от Мурманска до Чукотки и Камчатки, общей протяженностью около 8 тыс. км и площадью около 11 млн. км2, что составляет почти половину территории Советского Союза. Эти суровые районы, бывшие еще сравнительно недавно необжитой, далекой окраиной нашей страны, где проживает немногим более 2% населения СССР, обладают огромными по размерам и уникальными по значению природными ресурсами и в настоящее время занимают важное место в общесоюзном производстве многих видов очень ценных полезных ископаемых.
Важнейшими этапами на пути хозяйственного и культурного развития Севера стали работы по созданию мощных горно- и лесопромышленных комплексов на Кольском полуострове, в Архангельской области и Коми АССР, строительство Норильского горно-металлургического комбината, развитие добычи золота в центральных районах Магаданской области.
В последние 10—20 лет освоение Советского Севера получило особенно большой размах. В это время была развернута добыча золота на Чукотке, создана алмазодобывающая промышленность в Западной Якутии. Особенно широкое освоение природных богатств Севере было предпринято, в соответствии с Директивами XXIV съезда КПСС, в 9-й пятилетке, которое было широко развернуто не имеющее себе равных по темпам и масштабам освоения нефтегазоносных северных районов Западной Сибири.
Сегодня на Севере сосредоточена почти вся добыча алмазов, большая часть добычи золота, олова, вольфрама, слюды, значительная часть производства никеля. Здесь производится 20 бумаги, добывается почти половина общесоюзной добычи пушнины и вылавливается боле 30% пресноводной рыбы.
В Северо-Западных районах Сибири и Северо-Востоке Европейской части страныps положено более 60% прогнозных запасов природного газа и нефти, сосредоточено около 80% запасов угля, до 65% апатита и нефелина и почти все запасы кианита, открыто одно крупнейших в мире месторождений слюды- флогопита, находятся более 30% лесных ресурсов и основные гидроэнергетические ресурсы нашей страны.
Еще более возрастает роль северных районов в соответствии с гигантскими планами ри вития народного хозяйства СССР на 10-ю и пятилетку и дальнейший перспективный (прогнозируемый) период, так как решение ряда важнейших проблем общесоюзного масштаб: предусмотренное «Основными направлены ми развития народного хозяйства СССР «1976—1980 годы», одобренными XXV съездом КПСС, не может быть обеспечено без широкого привлечения ресурсов Севера и Северо-Востока страны.
Гигантские запасы разнообразных природных богатств Севера СССР еще далеко не полностью разведаны, в частности, только начинаются работы по выявлению ресурсов шельфа северных морей. Но уже сегодня очевидна, например, огромная роль уникальных энергетических ресурсов Севера (природный уголь, гидроэнергия и др.), которые влияют на структуру топливно-энергетического балланса всего Советского Союза, а также значене районов Севера для снабжения промышленности страны такими полезными ископаемыми, как медь, никель, олово, алмазы, слюда и многие другие.
Дальнейшее освоение и вовлечение в народнохозяйственный оборот природных ресурсов Севера требуют комплексного развития народного хозяйства, повышения производительности труда, всестороннего улучшения культурно-бытовых условий жизни населения в этих районах.
В решении этих задач очень большая, часто решающая роль принадлежит энергетике. Важность задач энергетического строительства в районах Севера ясна из того факта, что уже сегодня около половины всех промышленно- производственных фондов в этих районах составляет стоимость объектов энергетики (включая топливоснабжение).
За последние десятилетия в энергетике Севера осуществлены серьезные сдвиги. Уже к 1970 г. в целом на Севере в расчете на душу населения было произведено электроэнергии примерно в 1,5 раза больше среднего по стране уровня.
Советскими энергетиками сделано очень много по созданию энергосистем и энергоузлов в районах Севера, по внедрению централизованного теплоснабжения и по развитию местных топливных баз. В крупных промышленных масштабах реализованы оригинальные и прогрессивные научно-технические предложения, такие, как строительство гидроэлектростанций в зоне вечной мерзлоты (Вилюйская, Хантайская, строящаяся Колымская ГЭС), сооружение Кислогубской приливной ГЭС на Кольском полуострове, строительство серии плавучих газотурбинных электростанций типа «Северное сияние», работающих на дизельном топливе, строительство Якутской ГРЭС, оснащенной газовыми турбинами, работающими на природном газе Вилюйского месторождения, внедрение электрического отопления в жилищно-коммунальное хозяйство г. Мирный Якутской АССР. Строительством Кольской АЭС и Билибинской атомной ТЭЦ на Чукотке начато внедрение в энергетику Севера ядерных энергоисточников.
Однако достигнутое на сегодня состояние энергетики районов Севера, особенно районов Азиатского Севера, требует дальнейшего развития в свете задач по дальнейшему росту производительных сил и улучшению условий работы и быта людей в суровых условиях Севера, так как во многих районах Севера именно энергетика сдерживает освоение природных ресурсов, внедрение и развитие прогрессивных, но энергоемких технологических процессов, создание благоустроенных поселений.
До последнего времени основным источником энергоснабжения во многих районах Севера остаются мелкие дизельные электростанции и котельные, работающие на угле местной добычи, отличающиеся высокой себестоимостью электроэнергии (до 20 коп/(квт-ч)) и тепла (до 50 руб/Гкал) и повышенными трудовыми затратами на их производство.
Подавляющее большинство населенных пунктов и жилого фонда районов Севера еще не оборудованы центральным отоплением, горячим водоснабжением, водопроводом, канализацией и другими элементами благоустройства. В то же время обеспечение эффективного промышленного производства и нормальной жизни населения в суровых природно-климатических условиях Севера требует повышенных удельных затрат электроэнергии и тепла, особого внимания к созданию комфортных бытовых условий жизни.
Одной из острых проблем энергетики Севера является обеспечение надежности энергоснабжения. Перебои в подаче электроэнергии и тепла не только влекут за собой в экстремальных условиях Севера большие народнохозяйственные потери, но могут иметь и катастрофические последствия. Особенно это касается теплоснабжения.
Задачи дальнейшего освоения и развития Советского Севера требуют ускоренного, опережающего развития энергетики этих районов, увеличения надежности энергоснабжения, существенного улучшения благоустройства поселков, в особенности централизованного теплоснабжения.
Отдаленность, труднодоступность и суровые климатические условия, огромные, слабо обжитые человеком пространства обусловили своеобразный, как принято говорить, «ресурсный» характер освоения Севера. При этом решаются в первую очередь задачи хозяйственного освоения районов, обладающих большими запасами полезных ископаемых, необходимых для решения крупных народнохозяйственных проблем. Соответственно этому размещение производства в районах Севера происходит в виде «очагов», т. е. путем создания промышленно-хозяйственных комплексов, узлов или отдельных народнохозяйственных объектов, территориально тесно привязанных к выявленным и намеченным к разработке месторождениям полезных ископаемых.
В свою очередь, очаговое размещение промышленности в совокупности с такими особенностями районов Севера, как удаленность от промышленно развитых районов страны и магистральных путей сообщения, суровый климат и другие, определили ряд специфических факторов, диктующих условия строительства и эксплуатации объектов энергетики в этих районах. К их числу в первую очередь относится большая отдаленность отдельных очагов потребления энергии друг от друга (часто на сотни километров) при относительно небольших потребностях в энергии. В основном это предприятия и поселки на 2—10 тысяч человек. Следствием такой разбросанности является отсутствие на Севере объединенных энергосистем, большая протяженность ЛЭП и, отсюда, пониженная надежность электроснабжения. Хотя северные районы СССР и располагают огромными запасами природных энергоресурсов (уголь, газ, гидроэнергия и др.), их распределение далеко не всегда совпадает с местами залегания требуемых народному хозяйству ценных полезных ископаемых и, следовательно, с местоположением промышленных и энергетических узлов. Поэтому использование традиционных энергоисточников (дизельных электростанций, угольных котельных, гидростанций) требует больших расходов на доставку органического топлива к местам его потребления или на строительство и эксплуатацию ЛЭП.
В подобных случаях особенно ярко могут проявиться преимущества атомных источников энергоснабжения (электростанций, ТЭЦ, котельных), связанные с высокой теплотворной способностью ядерного топлива и, следовательно, с малыми затратами на его перевозку. Очень важно и то, что снабжение ядерных энергоисточников топливом практически не зависит от сезонных условий доставки массовых грузов в районы Севера, таких, как навигационный период на водных путях, состояние автодорог в зимнее время и др. Это увеличивает надежность снабжения энергией потребителей и позволяет обходиться без больших резервных (страховых) запасов ядерного топлива, так как оно может быть доставлено на АЭС или АТЭЦ любым видом транспорта, в том числе воздушным путем.
Эти преимущества ядерного топлива являются в конечном счете очень важными, можно сказать, решающими предпосылками эффективного использования ядерных источников электроэнергии и тепла на Севере и в первую очередь в наиболее отдаленных и труднодоступных районах. Но в то же время географо-климатические факторы и условия хозяйственной деятельности в районах Севера приводят к серьезным трудностям при внедрении и использовании достаточно сложной, требующей квалифицированного обслуживания техники, какой являются ядерно-энергетические установки. Так, в связи с этим, наряду с общими требованиями, предъявляемыми к АЭС, например, в отношении безопасности, при создании ЯЭИ для районов Севера должны также быть учтены следующие требования, обусловленные трудными условиями строительства и эксплуатации энергоисточников в районах Севера, где ЯЭИ будут работать как автономные или основные энергоисточники местных энергоузлов и энергосистем: обеспечение доставки оборудования и строительных конструкций по возможности любым видом транспорта, включая воздушный; упрощение и сокращение объема монтажных и строительных работ, удобство и простота обслуживания, т. е. эксплуатации и ремонта.
Во второй половине 50-х — начале 60-х годов, т. е. в период, последовавший за пуском Первой в мире АЭС, показавшей практическую возможность использования ядерного топлива в энергетике, был осуществлен широкий поиск с целью выбора наилучших типов ядерных энергетических реакторов и накопления опыта их расчетов, проектирования и строительства. Не были исключением и работы в области малой атомной энергетики. В эти годы в СССР было выполнено большое количество поисковых работ, в том числе было разработано около 20 проектов малых АЭС с реакторами различного типа. В итоге были выбраны направления для более детальных исследований и разработок, завершившихся строительством опытных и демонстрационных АЭС малой мощности, создание которых имело целью их практическую проверку и отработку для подтверждения пригодности таких АЭС к строительству непосредственно в районах Севера.
Рис. 1.22. ТЭС-3 — передвижная АЭС
Первой была разработана, построена и в 1961 г. пущена в эксплуатацию в ФЭИ (г. Обнинск) АЭС мощностью 1500 квт, получившая название ТЭС-3 (транспортируемая электростанция, 3-й проектный вариант). Эта станция характерна тем, что все ее оборудование, включая реактор с необходимой биологической защитой, размещено на четырех гусеничных самоходных платформах, снабженных утепленными кузовами вагонного типа (рис. 1.22). Тем самым была сделана попытка предельно сократить монтажно-строительные работы на месте эксплуатации АЭС.
После завершения работы на одном месте ТЭС-3 может быть перемещена как по железной дороге, так и собственным ходом на новую рабочую площадку. ТЭС-3 является двухконтурной АЭС с водо-водяным реактором. Такие АЭС относятся сегодня к числу наиболее распространенных и хорошо отработанных ядерно-энергетических установок. Нововоронежская, Кольская, Армянская АЭС, силовые установки атомных ледоколов «Ленин», «Арктика», «Сибирь», АЭС, строящиеся с помощью СССР в социалистических странах и в Финляндии, многие АЭС в США, ФРГ и других странах являются установками такого типа, главными особенностями которых, определяющими перспективность их использования в районах Севера, являются компактность водо-водяных реакторов и надежное предохранение турбогенераторной установки от радиоактивного загрязнения с помощью промежуточных теплообменников-парогенераторов. Все эти особенности дают возможность сделать оборудование транспортабельным, а также удобным и достаточно простым в эксплуатации, что и было продемонстрировано на примере ТЭС-3. Кроме того, на ТЭС-3 была показана возможность надежной работы таких АЭС в режиме саморегулирования мощности реактора за счет отрицательного температурного коэффициента реактивности, т. е. без системы автоматического регулирования. Это позволяет заметно упростить систему управления реактором.
Рис. 1.33. Реактор АБВ-1,5 с интегральном компоновкой оборудования
На основе опыта создания и эксплуатации ТЭС-3 и других АЭС с водо-водяными реакторами разработан и подготовлен к внедрению типовой проект двухконтурной блочно-транспортабельной атомной ТЭЦ «Север-2», состоящей из двух водо-водяных реакторов АБВ-1,5 (рис. 1.23) и двух теплофикационных турбин, каждая из которых имеет максимальную мощность 3000 квт и тепловой отбор до 9 Гкал/ч. При обеспечении блочно-комплектной поставки оборудования и строительных деталей и четкой организации всего цикла работ на строительной площадке АТЭЦ типа «Север-2» можно сооружать в течении 12—14 месяцев с затратой 6000—7000 человеко-дней на строительные и 8000—9000 человеко-дней — на монтажные работы.
Использование саморегулирования мощности реактора, редкая перегрузка топлива в реакторах (через 4—5 лет) и ряд других конструктивных и проектных решений также способствуют упрощению эксплуатации таких установок. Все оборудование АТЭЦ «Север-2» размещено в одном здании, собираемом в алюминиевых утепленных панелей (см. рис 1.24). Проект АТЭЦ «Сееер-2» разработан совместно со специалистами Венгерской Народной Республики и является одним из примеров плодотворного и взаимополезного сотрудничества социалистических стран в области атомной энергетики. На АТЭЦ «Север-2» предусмотрено использование турбин завода «ЛАНГ» (г. Будапешт).
Рис. 1.24.
Размещение оборудования в здании АТЭЦ «Север-2»
Активная зона реактора состоит из рабочих и компенсирующих кассет шестигранной формы. Последние предназначены для компенсации запаса избыточной реактивности. В кассете размещены 162 твэла диаметром 9,1 мм; топливо в виде таблеток из двуокиси урана с этой же стали выполнены внутрикорпусные устройства. Начаты работы по проектированию плавучих АЭС типа «Север». Размещение оборудования АЭС на барже или иных плавсредствах позволяет доставлять такие АЭС к месту эксплуатации с максимальной степенью заводской готовности, что сводит к минимуму подготовительные работы по вводу таких АЭС в действие. Такие АЭС в целом ряде районов Севера будут успешно конкурировать как с АЭС, размещаемыми на суше, так и с плавучими электростанциями типа «Северное сияние», для работы которых требуется доставка и хранение больших запасов дизельного топлива.
В 1965 г. в НИИАР (г. Димитровград) была пущена в эксплуатацию опытная АЭС электрической мощностью 50 000 квт с корпусным кипящим реактором ВК-50 (водяной кипящий). На этой станции проведен большой комплекс работ по исследованию и практической отработке режимов АЭС с такими реакторами как с прямой выработкой пара в реакторе, так и с производством его по двухконтурной схеме в парогенераторах. На основе опыта его эксплуатации разработан унифицированный ряд усовершенствованных корпусных кипящих реакторов мощностью 12, 25, 50 и 100 Мвт (табл. 1.7). Реактор такого типа (рис 1.25) представляет собой цилиндрический корпус с плоской или сферической крышкой из малоуглеродистой хромо-молибдено-ванадиевой стали. Внутренняя поверхность корпуса и крышки покрыта наплавкой из коррозионностойкой стали. Из обогащения 2—3% находится в оболочках из сплава циркония и ниобия. Компенсирующие кассеты снабжены в верхней части поглощающей надставкой из бористой стали.
Для дальнейшего повышения мощности реакторов такого типа исследуется возможность использования корпусов из предварительно-напряженного железобетона. Использование таких корпусов позволяет перейти к интегральной компоновке оборудования I контура, что в связи с невозможностью хрупкого разрушения корпуса повышает безопасность и эксплуатационную надежность АЭС. Подобные установки допускают размещение их в непосредственной близости от крупных населенных пунктов.
В 1968 г. в г. Димитровграде была пущена двухконтурная паротурбинная блочно-транспортабельная АЭС мощностью 750 квт, получившая наименование АРБУС (арктическая реакторная блочная установка). Эта АЭС построена для накопления опыта эксплуатации и отработки конструкции реакторов, в которых в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя служит органическая жидкость.
Таблица 1.7. Основные характеристики кипящих корпусных реакторов
Сначала АЭС АРБУС работала с использованием гидростабилизированного газойля. Была отработана регенерация газойля, позволяющая исключить его потери вследствие образования высококипящих продуктов радиолиза, и технология очистки твэлов от образующихся в процессе работы нерастворимых отложений (фаулинга). В результате был выработан комплекс требований к конструкции и характеристикам реакторов такого типа, позволяющих свести явление фаулинга к минимуму. Кроме того, был проведен большой комплекс других работ, в частности была показана возможность работы АЭС такого типа в режиме саморегулирования, после чего установка АРБУС была переведена на работу с более стойкой к радиационно-термическому воздействию органической жидкостью — гидротерфенилом. В результате появилась достаточная уверенность в работоспособности и были подтверждены определенные преимущества таких АЭС (отсутствие активации теплоносителя, возможность использования в I контуре углеродистых сталей и т. д.). Это стимулировало работы по созданию промышленных образцов небольших ЯЭИ с реакторами такого типа.
Дальнейшим развитием работ в этом направлении является разработка атомной котельной для отопления северных поселков — установки АТУ-15 (рис. 1.26) теплопроизводительностью 26 Гкал/ч. В качестве теплоносителя в этой установке выбрана освоенная отечественной промышленностью высококипящая органическая жидкость — дитолилметан, для которой предусмотрена более простая дистилляционная очистка вместо системы очистки теплоносителя регенерацией. В установке применено в основном стандартное нефтяное оборудование.
Установка АТУ-15 трехконтурная: I контур (давление 3 ат) предназначен для отвода тепла от активной зоны реактора и нагрева теплоносителя II контура; II контур (5 ат) - промежуточный, предназначен для исключения возможности попадания теплоносителя контура в III контур и наоборот; III контур (4 ат) служит для снабжения теплом потребите» ля. Теплоноситель I и II контуров — дитолилметан, a III контура — вода.
У Канальные графито-водные реакторы являются в СССР, наряду с ВВЭР, основой развития ядерной энергетики до 1990—2000 гг. Кроме Первой АЭС, надежно работающей в г. Обнинске уже более 23 лет, построена и успешно эксплуатируется в Свердловской области Белоярская АЭС с реакторами такого типа. Дальнейшее развитие таких реакторов нашло воплощение в мощных АЭС: Ленинградской, Курской, Смоленской и др., о чем достаточно подробно рассказано в соответствующих разделах этой книги.
Рис. 1.25. Корпусный реактор ВК-50
В результате успешного опыта работы Первой АЭС, а также опыта создания Белоярской АЭС уже в середине 60-х годов появилась уверенность в возможности создания надежной АЭС такого типа для снабжения электроэнергией и теплом районов Севера. После рассмотрения ряда площадок выбор был остановлен на поселке Билибино в Чукотском национальном округе Магаданской области, где и было осуществлено строительство первой в СССР атомной ТЭЦ с четырьмя реакторами, каждый из которых обеспечивает паром работающую с ним в блоке теплофикационную турбину электрической мощностью 12 тыс. квт с отбором тепла до 25 Гкал/ч.
В итоге 20-летней работы по созданию ЯЭИ для нужд северных районов нашей страны было выполнено большое количество исследований, проектно-конструкторских разработок и технико-экономических расчетов, созданы опытно-демонстрационные установки ТЭС-3, АРБУС и ВК-50 и, наконец, построена и эксплуатируется первая атомная ТЭЦ на Крайнем Севере — Билибинская АТЭЦ (БилАТЭЦ).
Главным результатом этой работы, который, естественно, обусловлен и общим огромным прогрессом атомной энергетики за эти годы, является достигнутая уверенность в том, что требования, предъявляемые к энергоисточникам, призванным обеспечивать электро- и теплоснабжение в районах Севера, вполне выполнимы при создании ЯЭИ. Из этого следует вывод о возможности перехода к планомерному промышленному строительству АЭС, ТЭЦ и котельных в тех районах Крайнего Севера, где их использование экономически выгодно. Поэтому одной из ближайших задач развития и совершенствования топливно-энергетического хозяйства районов Севера является разработка и реализация научно обоснованного плана, предусматривающего оптимальное сочетание традиционных и ядерных источников энергоснабжения.
Использование в районах Севера ЯЭИ должно привести к существенному улучшению условий хозяйственной деятельности и проживания человека в этих районах. Это обусловлено следующими факторами:
— увеличением энерговооруженности промышленных и горнодобывающих предприятий и, как следствие этого, повышением производительности труда, созданием лучших условий жизни людей, уменьшением текучести кадров и т. д.;
— совершенствованием технологии ряда горных работ на базе дешевого тепла, которое можно использовать для оттаивания вечномерзлых грунтов, нагрева воздуха и других мероприятий, позволяющих продлить сезон горных работ, перейти к более эффективным методам добычи ряда полезных ископаемых и т. д.;
— возможностью использования дешевого тепла, производимого ядерными энергоисточниками, для развития сельского хозяйства в закрытом грунте (производство овощей в теплицах и т. д.), для очистки промышленных и коммунально-бытовых сточных вод.
Рис. 1.26. Реактор АТУ-15:
1 — активная зона; 2 — корпус; 3 — теплообменник; 4 — ионизационная камера; 5 — привод регулирующего стержня; 6 — канал регулирующего стержня
Массовое использование ЯЭИ в районах Севера должно оказать некоторое влияние и снижение напряженности баланса трудовых ресурсов зоны Севера вследствие высвобождения значительного числа людей от перевоза топлива.
Достигнутый уровень разработок и опыт, накопленный в области малой атомной энергетики, позволяют считать, что ближайшие 10- 15 лет могут стать периодом перехода к массовому использованию ЯЭИ в северных районах нашей страны, что будет способствовал развитию этих районов и решению важных народнохозяйственных и социальных задач союзного масштаба.
