Что вы знаете об атомной энергетике? Строительство АЭС в Казахстане глазами физика-ядерщика

Казахстанский физик-ядерщик Асет Махамбетов провел семинар "Основы атомной энергетики", на котором рассказал о рисках и перспективах строительства АЭС в Казахстане, объяснил, как работают реакторы и чем они отличаются, а также ответил на вопросы участников мероприятия. Корреспондент BaigeNews.kz собрал выдержку из самых интересных фактов.

Как работает атомный реактор

В чем принцип работы атомной электростанции: она кардинально отличается от ТЭЦ только в том, что является источником той тепловой энергии, которую потом преобразуют в электрическую. На ТЭЦ это уголь, мазут или газ, который "закидывают" в большую печку, в АЭС — ядерная энергия, которая вырабатывается через три стадии: в реактор загружаются тепловыделяющие сборки, состоящие из множества маленьких трубок, называемых твэлами, внутри которых находятся топливные таблетки, где и происходит то самое ядерное деление урана-235.

Другими словами, внутри топливных таблеток проходит контролируемая цепная ядерная реакция, в которой нейтрон, попадая в ядро урана-235, делит его на два ядра поменьше и выделяет тепловую энергию.

Далее нагретая вода идет через парогенератор, а потом, как в ТЭЦ, на турбину, где за счёт ее раскручивания механическая энергия превращается в электрическую. Кроме того, на АЭС установлен реактор типа PWR (pressurized water reactor), или водо-водяной ядерный реактор с водой под давлением, причём вода из реактора не соприкасается с той, которая идет в виде пара на турбину, она течет по отдельным каналам в замкнутом цикле и не попадает во внешнюю среду.

В чём были причины аварий на Чернобыле и Фукусиме

Сразу хочу оговорится, что сейчас Казахстан рассматривает только современные реакторы с повышенной безопасностью поколения III и III+. В Фукусиме был другой тип реактора устаревшей конструкции. Помимо этого, там произошел целый каскад неудачных решений, который и привел к аварии.

Когда реактор останавливается, внутри него продолжает вырабатываться небольшой процент тепла. После землетрясения и отключения электроэнергии заработали пристанционные дизельные генераторы, используемые для охлаждения реактора водой, но когда станцию накрыло цунами, то дизельные генераторы залило водой и они вышли из строя. В наступившем хаосе сотрудники станции предприняли ряд технических решений, которые и привели ко взрыву, но это был не ядерный взрыв. Это был взрыв водорода, так как тепловыделяющие сборки были сделаны из сплава циркония, который при высокой температуре и взаимодействии с водой вырабатывает водород, который является взрывоопасным газом. И эта гремучая смесь накопилась в здании и взорвалась.

В Чернобыле был взрыв воды по принципу чайника, когда кипящая вода начинает поднимать его крышку, но в реакторе температура поднялась настолько быстро, что вода внутри него практически моментально вскипела, и пар вырвался наружу. Там использовался реактор типа РБМК (реактор большой мощности канальный), который не строится нигде в мире после этой трагедии.

Какие есть риски и перспективы у АЭС в Казахстане

Одна из главных проблем — это переработка радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива. Этот риск вероятен, но в принципе на стадии переговоров с потенциальным поставщиком технологий можно будет проработать эти моменты.

Также ключевую роль при принятии решения об АЭС, конечно, имеет общественная приемлемость, над которой необходимо работать и просвещать население.

Кроме того, необходимо понимать, что строительство АЭС — это высокие капитальные затраты и более длительные сроки строительства по сравнению с традиционными станциями.

Теперь про преимущества. АЭС не производит выбросов парникового газа, и реактор в 1000 мегаватт условно снижает эти выбросы на четыре миллиона тонн. Атомная электростанция создает дополнительные рабочие места: при строительстве ожидается привлечение до 10 тысяч человек, а при эксплуатации — до двух тысяч, но при этом один сотрудник-атомщик на станции создаёт ещё 10 рабочих мест в смежных отраслях. Третье — АЭС является градообразующим предприятием, то есть у нас появится свой город-атомщиков.

Отдельно можно отметить низкую себестоимость электрогенерации, то есть самого производства электроэнергии, но как это повлияет на конечный тариф для потребителей, будет просчитываться дополнительно при разработке проектной документации, в том числе технико-экономического обоснования. И обеспечение надежного электроснабжения, потому что современные реакторы спроектированы таким образом, что они могут безопасно эксплуатироваться в течение 60 лет. Сейчас даже для старого поколения реакторов, к примеру, в США продлевают период эксплуатации, а потенциально этот срок можно растянуть и до 100 лет.

Где планируют построить АЭС и сколько это будет стоить

В 2013 году были созданы межведомственная комиссия и рабочая группа, которые после изучения нескольких потенциальных мест размещения АЭС рекомендовали два района: город Курчатов рядом с рекой Иртыш (ВКО) и поселок Улькен вблизи озера Балхаш. В обоих районах с привлечением профильных специалистов проведены предварительные исследования, изучены исторические и научные документы, которые подтвердили пригодность обеих площадок для строительства АЭС.

Сейчас проводятся дополнительные изыскания природно-климатических факторов, в том числе оценка сейсмической опасности, наличие водных ресурсов, рельеф местности, геологические явления и наводнения. Также проводится анализ электросетевой инфраструктуры районов.

С учетом того, что основной дефицит электроэнергии прогнозируется в южной энергозоне, а также наличием у поселка Улькен ряда инфраструктурных преимуществ, мы рассматриваем его как наиболее предпочтительный вариант. Так, в районе поселка на побережье озера имеется площадка нереализованного проекта Балхашской ТЭС, которая имеет определенную степень готовности для строительства крупного энергообъекта.

Стоимость строительства АЭС в разных странах зависит от применяемых технологий, законодательства и так далее, но в целом, если говорить о тех станциях (от 2000 до 2700 мегаватт), которые рассматриваются Казахстаном, то их цена варьируется от шести до 12 миллиардов долларов.

Почему АЭС не построят на базе бывшего МАЭК

К сожалению, не многие помнят, что в Казахстане безопасно эксплуатировался реактор БН-350 в городе Актау, на базе которого и был создан Мангистауский атомный энергетический комбинат (МАЭК). Этот реактор был остановлен в 1999 году и с того времени выводится из эксплуатации согласно плану, который рассчитан на 50 лет.

Но если возвращаться к вопросу, то АЭС — это в первую очередь энергетическая установка, производящая электроэнергию. В западной зоне как минимум до 2028 года не ожидается дефицита электроэнергии.

Основной дефицит базовой мощности в Казахстане располагается в Южной энергетической зоне. Сейчас он покрывается за счет перетоков из северной зоны. Соответственно для покрытия дальнейшего дефицита необходимо предусмотреть источник электроэнергии, в нашем случае мы предлагаем размещение АЭС.

Справка: В независимом Казахстане вопрос строительства АЭС рассматривался дважды — в 1997 году было разработано ТЭО строительства Балхашской АЭС с реактором российского дизайна ВВЭР-640. Далее, в 2008 году было разработано ТЭО строительства АЭС в Мангистауской области с реакторными установками ВБЭР-300 (Россия). В обоих случаях окончательное решение о строительстве не было принято.

Как АЭС будет влиять на экологию и водоемы

Отсутствие вредного воздействия АЭС на окружающую среду — один и основных приоритетов и принципов атомной энергетики. Эта тема активно исследуется многими международными институтами, включая МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии).

Предварительные оценки показывают отсутствие рисков для экосистемы озера Балхаш или реки Иртыш. По данным министерства экологии, геологии и природных ресурсов РК на сентябрь 2021 года водные ресурсы бассейна реки Иртыш оцениваются в 30,4 миллиарда кубометров. Потери за счёт испарения воды в ходе технологического цикла АЭС составят около 63 миллионов кубометров в год (для АЭС мощностью 2400 мегаватт). Это несоизмеримо меньше общего водного ресурса. В связи с этим потребление воды АЭС не должно оказать существенного влияния на состояние бассейна реки.

Объём водных ресурсов Балхаш-Алакольского бассейна оцениваются в 25,2 миллиарда кубометра, что также значительно больше необходимого объема для охлаждения АЭС, то есть атомная электростанция влиять на водоносность данного бассейна не будет. Таким образом, оба района размещения АЭС соответствуют основным требованиям, предъявленным к районам строительства атомной станции с точки зрения обеспечения водными ресурсами и балансу их потребления.

Однако при разработке ТЭО необходимо дополнительно изучить потенциально негативно влияющие факторы на водный режим озера Балхаш и реки Иртыш, гидрологическую надежность бассейнов, а также источники их формирования и режим подземных вод.

Тем не менее уже сейчас можно сказать, что практика строительства АЭС на берегу естественных водоемов распространена повсеместно, и ни одна страна в мире, эксплуатирующая АЭС, еще не сталкивалась с какими-либо конкретными фактами негативного влияния станций на водоем.

Напротив, как показывает практика, экосистема в окружении АЭС получает определенное развитие. Так, в прудах-охладителях станции разводится десятки видов рыб, и даже устраиваются международные чемпионаты по рыбной ловле.

О чём говорит мировой опыт в строительстве АЭС

Больше всех АЭС в мире на данный момент эксплуатирует французская компания EDF и российский "Росатом", две китайские — CNNC и CGN, и корейская — KHNP. Также есть еще японцы, но после аварии на Фукусиме в 2011 году они приостановили экспорт собственных технологий и сейчас строят в альянсе с кем-то, и американцы, которые строили свои реакторы, но, к примеру, из-за финансовых проблем в 2017 году их компания Westinghouse подала на банкротство. Возможно, в ближайшем будущем мы вновь увидим их реакторы на рынке, но у них были определенные трудности.

У Китая, кстати, очень интересный опыт. Вначале они строили у себя реакторы других стран — начали с французов, которые построили у них первую АЭС в 1991 году, потом канадцы — два реактора, следом четыре — россияне, и американцы — два реактора, и далее большинство своих реакторов (30 из 54 ректоров) они за 30 лет построили сами, используя собственные наработки и технологии.

Казахстан сможет повторить китайский опыт

Надо понимать, что Китай уже к 1991 году имел развитую инфраструктуру, научный и технический потенциал для создания своих реакторов. В целом у них уже была соответствующая промышленная база и имелись как людские, так и финансовые ресурсы.

Кроме того, Китай имел доступ к технологиям двойного назначения. Реакторы по своим технологиям Поднебесная начала строить на рубеже 2000-2010 годов, то есть они потратили почти 20 лет на изучение и проектирование своих наработок.

Насколько я знаю, перед нашей страной такая задача пока не стоит. На данном этапе нам необходимо сконцентрироваться на вопросе безопасного строительства и эксплуатации первой атомной электростанции на базе зарубежных технологий.

Справка: Развитием науки в атомной отрасли занимаются подведомственные министерству энергетики предприятия — Национальный ядерный центр и Институт ядерной физики. Общее количество занятых в атомной отрасли Казахстана составляет 20 635 человек, в том числе 15 381 — основного и производственного персонала.

С 2010 года в вузах Казахстана подготовлены 2 193 бакалавра, 909 магистрантов и 135 докторов наук. В рамках программы "Болашак" с 2010 года по специальности "Атомная промышленность", "Физика атомного ядра и частиц", "Техническая физика (атомные электростанции и установки)" и "Ядерная инженерия" были подготовлены 21 бакалавр, 12 магистров и один специалист.

Чем отличаются технологии разных стран

Принципиально современные реакторы технически очень похожи друг на друга. Есть, конечно, небольшие различия. К примеру, один реактор использует тепловыделяющие сборки квадратной геометрии, другой — шестиугольные или гексагональные. У одних парогенератор располагается вертикально, у других горизонтально. Кроме того, есть небольшие различия по используемым активным и пассивным системам безопасности.

К примеру, активные системы безопасности требуют надежный источник электроэнергии, а пассивные не нуждаются в электроэнергии, работают без постороннего вмешательства и под влиянием исключительно природных факторов.

В целом во время проектирования реактора инженерам и учёным необходимо доказать надежную работу всех систем через проведение расчётов, компьютерных симуляций и локальных экспериментов. Другими словами, сочетание систем безопасности современных реакторов проверяется и перепроверяется на этапе проектирования и для каждого реактора оно может быть немного другим в техническом плане.

Какую технологию и поставщика реактора выберет Казахстан

В 2019 году были запрошены технико-коммерческие предложения от ключевых мировых владельцев атомных технологий. В результате были получены предложения от шести известных компаний из пяти стран — Кореи, Китая, Россия, США и Франции, которые предоставили на рассмотрение 13 различных вариантов реакторов с разной мощностью, компоновкой и так далее.

В ходе рассмотрения и изучения предложений по 20 критериям были отобраны наиболее перспективные варианты и предварительно составлен так называемый шорт-лист, в который вошли четыре проекта из Кореи, Китая, России и Франции. Но работа со всеми шестью вендорами продолжается и при этом не исключается, что шорт-лист будет корректироваться в зависимости от различных факторов, включая финансово-экономическую привлекательность того или иного проекта.

На сегодня всем вендорам направлены дополнительные запросы на актуализацию технико-коммерческих предложений и предварительной стоимости предлагаемых проектов по состоянию на 2022 год.

* * *

Ранее о развитии энергетики в Казахстане рассказали специалисты и представители профильных министерств, в числе прочего поведав о планах по строительству АЭС. Также своим видением безопасности атомных реакторов поделился генеральный директор "Национального ядерного центра РК" Эрлан Батырбеков. Не так давно, 14 февраля 2022 года, в AUES University были даны ответы на вопросы о том, есть ли в Казахстане под атомную станцию готовые топливные сборки и почему мы должны добиваться полного, как можно большего включения в имеющийся атомный цикл. В свою очередь, вице-министр энергетики Жандос Нурмаганбетов сообщил о том, что вопрос по строительству в Казахстане атомной электростанции решится в 2022 году. А ещё ранее генеральный директор ТОО "Казахстанские атомные электростанции" Тимур Жантикин поделился своим видением развития отечественной атомной энергетики и строительстве АЭС в Казахстане, отметив, что "это не прихоть, а насущная необходимость".