Мирный атом: как происходит современная энергетическая революция07.08.2022 23:33

Наш журнал не раз обращался к теме водородной энергетики: мы писали о российских разработках топливных элементов на водороде. Можно сказать, что это настоящее чудо: в батарее встречаются водород и атмосферный кислород, в итоге холодного сжигания водорода батарея производит ток, а выхлопом становится простая вода. Но топливные батареи — это современный хай-тек. На самом деле водородом в качестве перспективного топлива человечество интересуется уже десятилетиями. Если говорить об отечественном опыте, достаточно вспомнить, что первый советский автомобильный двигатель на водороде был запущен в 1942 году в блокадном Ленинграде. К началу 1980-х созданы и испытаны опытные образцы ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, автопогрузчики и прочие виды техники, работающие на водороде и бензоводородных смесях. В 1987–1988 годах производились запуски носителя сверхтяжелого класса «Энергия» (проект «Энергия-Буран»), двигатели второй ступени которого работали на водороде. В 1988-м поднялся в небо экспериментальный Ту-155. Его силовые установки были настроены на сжигание криогенного топлива — жидкого водорода и СПГ.

Использование водорода в качестве топлива или добавки к топливу рассматривается сегодня как один из инструментов для значительного снижения выбросов в атмосферу CO2, создающего парниковый эффект. Эксперты из Международного энергетического агентства IEA подсчитали, что добавление всего 20% водорода в европейскую газораспределительную сеть (для использования газоводородной смеси в промышленных целях) приведет к сокращению выбросов CO2 на 60 млн т в год.

Еще полтора десятилетия назад японская компания East Japan Railway Company объявила о разработках поезда на водородных топливных элементах. Первый в мире водородный поезд прошел тест-драйв в 2017 году в Нижней Саксонии. В следующем году в рамках предсерийного теста на линии вышли два состава Coradia iLint — эта программа благополучно завершилась в феврале 2020 года. За полтора года поезда, работая на маршруте протяженностью около 100 км, преодолели общее расстояние 180 тыс. км. Теперь правительство федеральной немецкой земли с административным центром в Ганновере рассчитывает получить к следующему году еще 14 поездов на водородной тяге. Водород в них хранится в закрепленных на крыше емкостях под высоким давлением.

Все говорит в пользу водорода, идеального топлива будущего. Но вернемся все же к другому концу энергетической цепочки. Как получать водород? Беда в том, что в чистом виде он в природе не встречается: нет возможности открыть месторождение и качать H2 подобно нефти и природному газу. Базовая на сегодня технология получения водорода — это паровая конверсия метана, в ходе которой водород извлекают из углеводородного соединения в трубчатых печах (химических паровых реформерах) в присутствии пара. Технология энергозатратна, но главное — в процессе производства выделяется углекислый газ, ответственный за создание парникового эффекта. Есть и другой вариант — электролиз, диссоциация молекулы воды на кислород и водород под воздействием электричества. Но здесь мы возвращаемся к теме всеобщей электрификации. Откуда ток в розетке?

Благодаря разработкам ученых разных стран и не в последнюю очередь советских и российских специалистов на этот вопрос можно дать оптимистический ответ. Одним из решений для производства «зеленого» водорода наряду с использованием возобновляемых источников энергии (вода, солнце, ветер) может стать экологически чистая атомная энергия.

Пока мы не перешли к теме ядерного хай-тека, заметим, что производство водорода может быть прекрасным подспорьем для ветряной и солнечной энергетики. Известно, что из-за климатических факторов — солнечной или пасмурной погоды, наличия ветра или безветрия — ветряки и солнечные батареи производят электроэнергию весьма нестабильно: есть пики и провалы. Отправляя на производство водорода излишки полученной энергии, можно отдать ее через водородную энергетику обратно в сеть, компенсируя тем самым всплески и падения.

На самом деле на российских АЭС работают электролизеры, которые производят водород для собственных нужд — он используется в технологических процессах, однако лучшим вариантом для масштабного производства водорода можно считать высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы (ВТГР) нового поколения. «Газоохлаждаемый» означает, что для снятия тепла с твэлов используется инертный газ — гелий, который нагревается до температуры 950 °C. Это тепло может быть направлено для получения водяного пара, который раскрутит турбину электрогенератора. Также производимое ВТГР тепло может быть непосредственно задействовано для получения из природного газа метановодородной смеси и чистого водорода термохимическими методами.

Работы над созданием ВТГР ведутся в нашей стране с 1970-х годов. Еще в 1960-е экспериментальные образцы реакторов создавали в США, Великобритании и Западной Германии. Важной отличительной чертой ВТГР является экологическая чистота и высокий уровень безопасности. Прежде всего, это связано с особенностями «упаковки» расщепляющихся материалов. Дело в том, что ВТГР рассчитан на использование топлива на основе сферических микрочастиц с многослойными термо- и радиационностойкими покрытиями из углерода и карбида кремния, которые надежно удерживают продукты деления во всех режимах работы, включая аварийные. Активная зона реактора формируется на основе призматических тепловыделяющих сборок (с остановками на перегрузку) или шаровых тепловыделяющих элементов (которые можно перегружать без снижения мощности реактора).

Многослойное покрытие топливных микрочастиц отличается высокой прочностью и способно выдерживать, не разрушаясь, сильное физическое воздействие — тепловое расширение или газовое давление при температуре до 1600 градусов. Таким образом, при аварии ядерное топливо останется упакованным и безопасным. Даже в случае полного отказа систем теплоотвода тепловыделяющие элементы на основе TRISO-микротвэлов не плавятся и не разрушаются, а медленно остывают, сохраняя форму. Немаловажен также и выбор теплоносителя: гелий, благодаря своим физическим свойствам, при протекании через активную зону реактора практически не становится радиоактивным, так что его аварийный выброс не будет представлять опасности.

Все это говорит о том, что использование ВТГР позволяет отказаться от многих ограничений, которые установлены для традиционных АЭС. Такие реакторы смогут работать вблизи населенных пунктов и не привязываться к крупным водоемам, как это необходимо для станций с водоохлаждаемыми реакторами. И одним из применений ВТГР станет создание экологически чистой производственно-энергетической базы для водородной экономики, широкого использования водорода в качестве топлива и реагента в топливных элементах.

На сегодня в России разработаны проекты ВТГР для производства электроэнергии для энерготехнологического применения, атомных станций средней и малой мощности. Экспериментально отработаны ключевые технологии реактора, керамического топлива, системы преобразования энергии, оборудования и конструкционных материалов. Значительную роль в реализации этих достижений сыграло знаменитое атомное конструкторское бюро — ОКБМ «Африкантов». С участием концерна «Росэнергоатом» разработаны проекты модульных реакторов, обладающих исключительными свойствами безопасности для энерготехнологического применения: МГР-Т для производства водорода и электричества (тепловая мощность блока — 600 МВт) и МГР-МВС для производства метановодородной смеси (тепловая мощность блока — 250 МВт).

В настоящее время в мире производится и потребляется порядка 80 млн т водорода. По оценкам международной организации Hydrogen Council через 30 лет эта цифра вырастет до 550 млн т. Госкорпорация «Росатом» имеет все возможности, чтобы производить миллионы и десятки миллионов тонн водорода (в виде чистого водорода и метановодородных смесей), а в перспективе способна занять до 10% мирового рынка, что сделает Россию одним из значимых участников новой энергетической революции.

Еще больше об атомной промышленности на www.atom75.ru