Вечная энергия. Как российские атомщики спасают планету и меняют мир

Атомная промышленность появилась в нашей стране более 75 лет назад, моментально став одним из локомотивов ее развития. Сегодня «Росатом» генерирует около 20 процентов электрической энергии в России. Атомные станции дают свет в миллионы жилых домов, тысячи школ и сотни заводов. Но время не стоит на месте. В XXI веке атомная энергетика приобретает все большее значение на фоне глобального потепления и сокращения запасов природных ресурсов. Как российская атомная отрасль помогает решать вопросы экологии и сохранения климата? Будет ли создан неисчерпаемый источник энергии и какие технологии изменят атомную промышленность? Ответы на эти и другие вопросы — в первом тексте совместного проекта «Ленты.ру» и Homo Science.

Точкой отсчета истории российской атомной промышленности принято считать 1945 год. Именно тогда был создан специальный орган при Государственном комитете обороны СССР, отвечавший за работы по урану. Власти Союза быстро поняли: за атомной промышленностью будущее. В ее развитие тут же начали вкладывать огромные деньги и собирать лучших специалистов страны для работы на секретных проектах.

Результаты не заставили себя ждать — один за другим были реализованы сразу несколько прорывных проектов. В 1946 году впервые на Европейском континенте осуществлена самоподдерживающаяся цепная реакция деления урана — произошло это в реакторе Ф-1. Руководил проектом лично Игорь Курчатов. А всего через три года на Семипалатинском полигоне прошли успешные испытания первого советского ядерного заряда («Изделия 501»). Так СССР стал полноценной ядерной державой.

Впрочем, уже тогда было понятно: атомная промышленность нужна не только для военных, но и для гражданских целей. В 1949 году Советы запускают первый в Европе исследовательский тяжеловодный реактор ТВР. Благодаря этому произошло множество открытий в физике и технике ядерных реакторов. А в 1954 году в Обнинске заработала первая в мире промышленная гражданская атомная электростанция, получившая реактор с говорящим названием АМ-1 — «атом мирный».

Вызовы XXI века

В отличие от солнечных и ветряных станций, у АЭС есть весомое преимущество: при сопоставимой мощности они занимают намного меньше места, чем ветропарки или солнечные станции.

Российская атомная промышленность нашла решение экологических проблем в концепции «зеленого квадрата», когда основными источниками энергии становятся солнце, ветер, вода и атом.

Российские АЭС, используемые вместо угольных или газовых станций, по оценкам, спасают планету от выбросов более 100 миллионов тонн парниковых газов. Это около семи процентов всех выбросов в России. В то же время в мировом масштабе АЭС предотвращают попадание в атмосферу миллиардов тонн парниковых газов.

В 2021 году «Росатом» вошел в первую пятерку рейтинга самых экологичных российских компаний по версии журнала Forbes. По словам генерального директора госкорпорации Алексея Лихачева, это стало возможным благодаря производству чистой атомной электроэнергии и развитию новых направлений.

Одним из них является вторичное использование отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В настоящее время в мире за весь период работы всех АЭС накопилось около 290 тысяч тонн отработавшего ядерного топлива. Однако объемы накоплений отходов угольных ТЭЦ в разы больше — в России они оцениваются в 1,5 миллиарда тонн и занимают 28 тысяч гектаров территорий. Лишь малая часть этих отходов — менее десяти процентов — используется повторно.

В отличие от угля, урановое топливо не выгорает до конца и может применяться для изготовления нового. Реализация этой технологии позволяет организовать замкнутый цикл использования ядерного топлива. При такой технологии практически отсутствуют отходы, и атомная энергетика будет обеспечена топливом на столетия вперед. Фактически об атоме можно говорить как о возобновляемом источнике энергии.

Замкнутый ядерный топливный цикл позволяет задействовать более 99 процентов урана, тогда как сейчас используется меньше одного процента.

Реакторы на быстрых нейтронах относятся к четвертому поколению АЭС. Пока немногие страны способны освоить эти технологии. Среди преимуществ нового поколения реакторов — меньшее количество отходов и возможность воспроизводства топлива.

Специальный представитель «Росатома» по международным и научно-техническим проектам Вячеслав Першуков отметил, что в России уже идет переход к реакторам четвертого поколения:

Однако для внедрения реакторов на быстрых нейтронах требуется доказать их экономическую целесообразность. По словам Першукова, они должны выйти на показатели стоимости электроэнергии ниже, чем у водо-водяных реакторов.

«Перед нами поставлена цель: выйти на 25-процентную долю атомной энергетики в энергобалансе страны. Но пока неясно, будет это обеспечено за счет новой (дополнительной) мощности, или атомные станции будут замещать углеродную генерацию — например, угольные блоки. Это зависит от темпов роста энергопотребления. К 2100 году мы ожидаем, что реакторы на быстрых нейтронах будут достаточно развиты, чтобы составлять основной парк атомной генерации», — объясняет Першуков.

Малый атом

Кроме строительства крупных АЭС, «Росатом» занимается еще одним важным направлением — атомными станциями малой мощности (АСММ). Подобно крупным АЭС, они не производят вредных выбросов в атмосферу и способны работать на земле и даже на воде. Их предназначение — генерация электроэнергии, выработка тепла и опреснение воды для удаленных населенных пунктов и промышленных объектов.

Россия имеет богатый опыт эксплуатации атомных станций малой мощности — Билибинская атомная теплоэлектроцентраль, действующая с 1974 года, обеспечивала электричеством около 80 процентов изолированной Чаун-Билибинской энергосистемы на Чукотке. В 2020 году ее начали выводить из эксплуатации, а в регионе заработала первая в мире плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов».

Судно имеет две реакторные установки, способные вырабатывать до 76 мегаватт, — этого достаточно для обеспечения энергией города с населением до 100 тысяч человек.

В планах «Росатома» — строительство четырех модернизированных плавучих энергоблоков (МПЭБ) установленной мощностью не менее 106 мегаватт каждый, которые обеспечат электроэнергией Баимский горно-обогатительный комбинат, создаваемый для освоения крупнейшего по оцененным запасам месторождения меди и золота на постсоветском пространстве.

Реализация еще одного проекта по строительству станции малой мощности, но уже в наземном варианте, должна вскоре начаться в Якутии.

В настоящее время над технологиями АСММ работают не только в России. Аналогичные разработки ведут в США, Канаде и странах Европы, с которыми Россия вступает в конкуренцию за потенциальных заказчиков малых АЭС, имея преимущество в виде уже работающей плавучей АЭС.

Премьер-министр Чехии Андрей Бабиш назвал именно малые АЭС оптимальным решением для строительства атомных мощностей в стране. Власти и бизнес в АСММ по сравнению с крупными АЭС привлекают меньший объем капитальных затрат, более высокая скорость строительства, снижение рисков при строительно-монтажных работах, возможности модульной компоновки и тестирования новых технологий.

У России, уже имеющей готовые решения малых АЭС, в том числе ПАТЭС — уникальный в своем роде проект, есть все шансы завоевать значительную долю мирового рынка АСММ.

Деньги из ветра

В «Росатоме» работают и над ветряными электростанциями. Так, общая установленная мощность всех введенных на сегодняшний день ветропарков компании «НоваВинд», подразделения «Росатома», составляет 660 мегаватт электроэнергии. Всего же с ввода в эксплуатацию в марте 2020 года первого ветропарка — Адыгейской ВЭС — ветропарки «НоваВинд» поставили в единую сеть России один миллион мегаватт-часов. Ключевые компоненты для них производятся в России: предприятие в Волгодонске Ростовской области выпускает генераторы, гондолы, ступицы и основания ветряных башен. В своем классе российская гондола для ВЭС оказалась самой легкой и компактной в мире.

Ветряные электростанции можно строить в самых отдаленных уголках страны, без развитой инфраструктуры, что является их неоспоримым преимуществом. Ветроустановки способны работать до 20 лет, практически не требуя обслуживания, — все параметры ВЭС могут контролироваться дистанционно.

Большой интерес к чистой электроэнергии проявляют предприятия, импортирующие свою продукцию в Евросоюз, где ожидается введение углеродного налога, и филиалы западных компаний в России. Среди них — фабрика «Нестле Пурина ПетКер», с 2020 года получающая электроэнергию с Адыгейской ВЭС.

До 2027 года «Росатом» планирует ввести ветростанций общей мощностью 1,7 гигаватта. Госкорпорация будет предлагать зарубежным заказчикам сотрудничество по разработке проектов в области ветроэнергетики. По словам гендиректора «НоваВинда» Александра Корчагина, одной из первых стран, где возможно строительство ВЭС по российскому проекту, может стать Вьетнам.

Зеленый носитель

Переход к зеленым источникам энергии сделал чрезвычайно важной и разработку накопителей, которые могли бы хранить энергию и отдавать ее в случае необходимости. Например, солнечные панели вырабатывают энергию лишь в дневное время, а пик ее потребления наступает после захода солнца. Ветряные станции тоже зависят от внешних условий, поэтому им требуется накопитель.

Любые электростанции в своей работе привязаны к спросу: производство и потребление происходят в моменте. Развитие технологий хранения энергии позволит эту проблему решить. Сейчас «Росатом» планирует построить в Калининградской области завод по производству накопителей энергии. Речь о литий-ионных аккумуляторах, которые могут применяться в электротранспорте.

Кроме того, что он не наносит вреда окружающей среде и хорош для нужд энергетики тем, что его можно производить при избытке энергии и сжигать при недостатке. Поэтому популярность водорода как зеленого носителя сегодня растет.

Например, в Евросоюзе планируют увеличить производство водорода до 1 миллиона тонн в 2024 году и до 10 миллионов тонн — в 2030-м. На развитие чистого железнодорожного транспорта Евросоюз выделил около 2 миллиардов евро и более 20 миллиардов — на развитие чистого городского.

Россия имеет все возможности стать одним из ведущих мировых производителей, потребителей и экспортеров водорода в качестве носителя энергии. Уже сейчас водород производится российскими АЭС в небольших количествах для охлаждения оборудования станций. «Росатом» изучает возможность наладить промышленное производство водорода и выпуск электролизеров для его производства и транспортировки.

В России начали разрабатывать методы использования водорода на транспорте. Первые российские поезда на водородных топливных элементах могут появиться на Сахалине. Для опытной партии из семи поездов на острове создадут малотоннажное производство водорода и сеть топливозаправочных комплексов. Партнерами российской стороны в проекте выступят французские компании EDF и Air Liquide.

Вечный атом

Чистый и безграничный источник энергии человечество может получить в том случае, если удастся освоить термоядерный синтез. Международный проект ИТЭР — еще один шаг в этом направлении.

ИТЭР (International Thermonuclear Experimental Reactor, экспериментальный термоядерный реактор) считается одним из самых сложных научно-технических проектов современности. Идею создания подобной установки предложил еще в 1985 году академик Евгений Велихов. Инициативу СССР поддержали во Франции и США.

Сейчас в проекте участвуют 35 стран, в том числе Россия, Китай, Индия, Япония, Южная Корея, США и государства Евросоюза. ИТЭР строится с 2010 года в 60 километрах от Марселя во Франции, затраты на него уже в 2017 году превысили 22 миллиарда долларов. Получение первой плазмы на реакторе запланировано на середину 2020-х годов.

Цель проекта ИТЭР — продемонстрировать возможность использования термоядерной реакции в промышленных масштабах и отработать технические решения, которые в будущем позволят создать энергетический термоядерный реактор. Такой реактор в перспективе может дать человечеству практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии.

В качестве топлива для термоядерного реактора используются изотопы водорода дейтерий и тритий. Дейтерий широко распространен в природе — его содержит каждая шеститысячная молекула воды в Мировом океане. Тритий нарабатывается непосредственно в реакторе. Таким образом, для обеспечения топливом будущей промышленной термоядерной электростанции достаточно иметь доступ к морской воде.

Появление и строительство ИТЭР было бы невозможным без России, которая поставляет 25 ключевых высокотехнологичных систем. Созданные Россией для международного термоядерного реактора сверхпроводники и СВЧ-генераторы большой мощности по многим параметрам считаются лучшими в мире.

В число ключевых входит производство девяти систем измерения параметров плазмы, коннекторы, компоненты дивертора и так далее. Россия также работает над материалами и сварными соединениями, которые должны выдерживать мощные тепловые потоки.

В «Росатоме» особо подчеркивают: пандемия хоть и добавила сложностей в реализации проекта, но на сроки запуска пока не повлияла. По словам Першукова, «выход на первую плазму в 2025 году пока никто не отменял». «В 2035 году намечен физический пуск с учетом реакций дейтерия/трития», — отметил специалист.

Исследования в области термоядерной энергетики в России не ограничиваются участием в международном проекте. В 2021 году правительство России утвердило национальный проект по развитию атомной науки и технологий, в который входит первая за 30 лет целостная программа по управляемому термоядерному синтезу.

В этом году была также запущена первая за последние 20 лет новая российская термоядерная установка — токамак Т-15 МД. К 2030 году в Троицке на базе уже существующего токамака с сильным полем планируют запустить национальный токамак реакторных технологий. Это вместе с Т-15МД создаст мощную экспериментальную базу и обеспечит нашей стране статус одного из мировых лидеров в области управляемого термоядерного синтеза.

При этом технологии термоядерной энергетики обещают найти применение не только на Земле — разрабатываемый в Троицке плазменный ракетный двигатель на базе магнитно-плазменных ускорителей может открыть новые возможности не только на околоземной орбите, но и в освоении дальнего космоса.