16 апреля президент России Владимир Путин подписал указ о необходимости разработки и утверждения комплексной программы исследований в сфере использования атомной энергии. В соответствии с документом, в трехмесячный срок программа должна быть утверждена правительством РФ. Государственным заказчиком-координатором программы определена госкорпорация “Росатом”.
На прошлой неделе Росатом подготовил и направил на согласование в федеральные органы исполнительной власти проект программы, предусматривающий работы по пяти проектам: создание системы двухкомпонентной атомной энергетики с замыканием ядерного топливного цикла, совершенствование экспериментально-стендовой базы, развитие технологий управляемого термоядерного синтеза, инновационных плазменных технологий, разработка новых материалов и технологий для перспективных энергосистем, проектирование и строительство референтных энергоблоков АЭС, в том числе АЭС малой мощности.
Николай Пономарев-Степной, академик РАН, научный консультант генерального директора концерна “Росэнергоатом”, доктор технических наук, профессор:
В апреле этого года произошло важное событие для технологического развития нашей страны – подписан указ о комплексной программе решения задач ускоренного развития техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии. Выполнение этой комплексной программы нацелено на создание продукции, конкурентоспособной на внешнем и внутреннем рынках, и ее использование для повышения эффективности и безопасности ведущих отраслей экономики страны.
Я участвовал в подготовке этой программы в части технологий атомно-водородной энергетики. Это актуальное направление, в котором Россия имеет возможность занять лидирующие позиции в мире. Дело в том, что исследования по атомно-водородной энергетике были начаты еще в 1970-е годы в Курчатовском институте в сотрудничестве со многими исследовательскими, конструкторскими и технологическими предприятиями Минсредмаша, ряда министерств, Академии наук и вузов. Были получены значимые результаты, созданы уникальные установки, накоплена база знаний, но в силу исторических обстоятельств мы потеряли время и сейчас вынуждены наверстывать упущенное. Возобновленные пять лет назад в “Росатоме” работы по атомно-водородной энергетике имеют хорошие перспективы, но необходимо работать быстро, чтобы опережать страны, работающие по этой тематике.
Рост энергопотребления в мире и тренд на декарбонизацию стимулируют становление нового технологического уклада – водородной энергетики. Водородная энергетика – это масштабное производство и потребление водорода в качестве энергоносителя для транспортных и стационарных энергоустановок, накопителя энергии и компонента промышленных технологий. Водород и его переделы – востребованный товар. Масштаб мировой потребности в водороде в середине 21 века оценивается в 0,5 млрд. тонн в год.
Развитие водородной энергетики – часто используют термин “водородной экономики” – принесет выгоды мировой энергетической системе, окружающей среде и глобальной экономике. Водородная энергетика обеспечит замещение около одной пятой энергии, потребляемой в середине века. Это позволит сократить выбросы СО2 и обеспечит примерно 20%-ый вклад в реализацию согласованного в Париже в 2015 году сценария снижения темпов глобального потепления.
Ключевая проблема перехода к водородной энергетике – экологически чистое и экономически приемлемое производство водорода такого масштаба. Несомненным преимуществом водорода является неограниченные сырьевые ресурсы водорода. Водород – наиболее распространенный элемент, однако, в природе он находится в связанном состоянии с другими элементами, например, с кислородом в воде, углеродом в метане и других углеводородах. Для получения водорода необходимо затратить энергию, разорвав химические связи в углеводородах и воде и выделив водород из реакционной смеси.
Но как производить водород, не загрязняя окружающую среду? Во многих странах идет поиск технологий, которые позволят экологически чистым способом производить большие объемы водорода. Использование энергии атомных реакторов в технологиях получения водорода из воды и углеводородов нацелено на решение этой проблемы.
Для локального малотоннажного производства водорода из воды наиболее подготовлена технология электролиза. Основной недостаток – высокая стоимость электролизного водорода, в несколько раз выше стоимости водорода, производимого традиционными промышленными методами. В мире и у нас в стране проводятся исследования и разрабатываются технологии, нацеленные на повышение энергетической эффективности и снижение удельной стоимости электролизеров. И, что существенно, мы ищем также пути снижения цены потребляемой ими электроэнергии. Необходимая для электролиза электроэнергия можем быть получена на атомных электростанциях. Для АЭС наличие такой присоединенной нагрузки как электролизное производство водорода представляет интерес, так как обеспечивается возможность работы АЭС на постоянном уровне мощности, что важно при усиливающихся диспетчерских требованиях работы АЭС в маневренных режимах. Один из примеров. Кольская АЭС длительное время недоиспользует свои мощности. В настоящее время прорабатывается предложение о создании на Кольской атомной станции опытного электролизного производства водорода для коммерческих поставок, а также и для присоединенного энерготехнического производства, например, для прямого восстановления железа. Этот проект необходимо начинать уже сегодня, не откладывая в долгий ящик. Реализация проекта на Кольской АЭС позволит уже в ближайшие годы повысить эффективность использования установленной мощности АЭС, диверсифицировать продуктовую линейку, отрабатывать водородные технологии на базе мегаваттного производства водорода, его хранения, транспортировки, использования. Важно отметить и социальную значимость такого проекта. Развитие высоких технологий даст возможность включить в эти работы высокообразованных специалистов атомных городов.
Но электролиз не способен обеспечить экономически приемлемое производство водорода в требуемых масштабах. Ныне крупнотоннажное производство водорода в мире осуществляется из природного газа и нефтепродуктов, в основном, путем паровой конверсии природного газа – метана. При реализации паровой конверсии метана сжигается около половины исходного газа, а продукты сжигания сбрасываются в атмосферу.
Для экономии природного газа и исключения выбросов продуктов сжигания в окружающую среду разрабатываются технологии паровой конверсии метана (ПКМ) с подводом тепла от высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР).
ВТГР имеют ряд особенностей, которые стимулируют их применение в атомной энергетике. Так, высокие температуры повышают эффективность генерации электричества (~50%) и открывают возможность использования ВТГР для технологических процессов, включая производство водорода, в химической, нефтехимической, металлургической промышленности и в коммунальном секторе. Модульная конструкция реактора, пассивная система расхолаживания, керамическое топливо, отрицательные обратные связи по температуре и мощности обеспечивают наивысший уровень безопасности и невозможность расплавления активной зоны при тяжелых авариях. Использование топлива в виде микрочастиц с многослойными керамическими покрытиями обеспечивает сверхвысокое выгорание (~десятки процентов) и сжигание минорных актинидов. Модульная компоновка эффективна для атомных станций малой и средней мощности с высоким уровнем внутренней безопасности и маневренностью, что важно при сооружении в странах и регионах с энергетикой небольшого масштаба, а также при использовании реакторов для технологических процессов.
Все это при использовании ВТГР позволяет расширить сферы и масштабы использования атомной энергии и развивать экологически чистую энергетику, без характерных для углеродных топлив вредных выбросов в атмосферу и без ресурсных ограничений.
Отечественные разработки ВТГР велись с начала 1960-х годов. Разработаны проекты ВТГР для производства электроэнергии, для энерготехнологического применения, для атомных станций средней и малой мощности. Создана экспериментальная база, разработаны и экспериментально отработаны ключевые технологии реактора, керамического топлива, системы преобразования энергии, оборудования и конструкционных материалов.
Перед нами стоит задача создание тандема “ВТГР и ПКМ”. Проработки показывают, что на основе нашего и мирового опыта создания высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов в сочетании с существующими промышленными, но модернизируемыми технологиями паровой конверсии метана может быть разработана атомная энерготехнологическая станция (АЭТС), которая открывает путь крупномасштабного экологически чистого и экономически приемлемого производства водорода.
Атомная энерготехнологическая станция включает в себя “реакторный остров” с модулем ВТГР и химико-технологическую часть, получающую высокотемпературное тепло от реакторного острова для производства водородсодержащих смесей и последующим выделением водорода.
Модуль ВТГР с тепловой мощностью 200 МВт обеспечивает производство около 0,1 млн. тонн водорода в год. При тепловой мощности набора модулей ВТГР, сравнимой с мощностью гигаваттного энергоблока действующих АЭС, может быть получено около миллиона тонн водорода в год. Предполагая, что Россия в мировом производстве водорода должна иметь долю не менее 10% по аналогии с долей природного газа на мировом рынке, мы должны ориентироваться на сооружение АЭТС суммарной мощностью, сравнимой с ныне действующими АЭС.
Это грандиозная задача. Ее детализация по сути организации работ представлена в комплексной программе РТТНИ.
Россия, располагая уникальными запасами сырьевых ресурсов – природный газ, ядерное топливо, высококвалифицированными кадрами и базой знаний, накопленных в процессе исследований и разработок технологий атомно-водородной энергетики, способна занять лидирующие позиции в глобальном производстве водорода и поставок на рынок этого высокотехнологичного продукта с высокой добавочной стоимостью.
Производство и применение водорода и продуктов его передела является перспективным направлением диверсификации и повышения эффективности использования природного газа.
Разработка и коммерциализация технологий безопасной, ресурсообеспеченной, экологически чистой атомно-водородной энергетики – это задача, важная для стабильности будущей энергосистемы России. (Центр энергетической экспертизы/Энергетика Украины и мира)
