«Нами введена в действие первая в мире промышленная электростанция на атомной энергии. Это только начало. Впереди - широкое развитие атомной энергетики» (С) Курчатов, 1954 год.
Изучая материал для статьи, триггером для написания которой стала дорожная карта от DVN по внедрению атомных технологий в торговый флот, я понял, что «затолкать ядерную установку в коммерческое судно» - это голубая (как аккомпанемент свечению Черенкова - Вавилова) мечта всей мировой торговой индустрии. И технологии есть и практического применения опыт имеется (и не только военный), так почему-же не появляются в машинных отделениях торговых судов такие установки? Что не так? Попытаемся разобраться.
Предпосылки и день сегодняшний
40 лет атомного «молчания», отсчитанные с 1986-го, похоже, подходят к концу под натиском новых технологий, постоянно повышающихся экологических требований к судовым энергетическим установкам и уровня социального одобрения атомной энергии. Сегодня интерес к атомным силовым установкам повышенный, ведутся исследовательские работы, разрабатываются нормативные акты и появление коммерческих атомоходов - вопрос времени. Появления? Нет. Этот путь уже был пройден проектами «Саванна», «Отто Ганн» и «Мутсу».
Проект «Саванна» - функционировал с 1962-го по 1972-й годы как американский демонстрационный проект при президенте Эйзенхауэре. Возил генеральный груз и пассажиров, был оснащен реактором на 74 МегаВатта, работавшем на уране низкой степени обогащения (4-5 процентов). Реактор был надежен, но очень дорог в обслуживании. Власти международных портов не хотели пускать «что-то новое» в свои порты, ведь последствия облучения живых организмов уже были широко известны. Реакторный отсек и биологическая защита со всеми вспомогательными установками занимали много места и для груза его оставалось слишком мало. Экипаж был кратно больше штатного и требовал значительно более высокие оклады. Проект, в конечном итоге, оказался экономически невыгодным, не нашел инвесторов и был закрыт. Реактор был выгружен, а судно превращено в музей.
Проект «Отто Ганн» - запущенный в ФРГ, задуманный как рабочее исследовательское судно - рудовоз. Он был создан как пилотный экземпляр для выработки самой технологии гражданской атомной силовой установки. Имел один реактор на 38 МегаВатт, а степень обогащения урана 6 - 7 процентов. В период с1968-го по 1979-й реактор показал исключительную надежность, но был запредельно дорогим в эксплуатации, да и повышенные портовые сборы делали свое дело. Даже скачек цен на нефть в 1970-х не смог сделать этот реактор рентабельным. В 1979-м году реактор был заглушен, дезактивирован и выгружен, а его место заняла дизельная силовая установка.
Проект «Мутсу» - японское исследовательское судно, способное перевозить генеральный груз. Самый печальный из трех представитель. Неудачи начались с самого начала: в 1974-м году во время ходовых испытаний была обнаружена утечка теплоносителя, радиоактивного, разумеется. Это не было бы проблемой, если бы нормально функционировала биологическая защита, но утечка вышла за пределы БИО-защиты, что и стало причиной социальных волнений. Местные рыбаки, прекрасно помнившие последствия ядерных испытаний и двух атомных бомбардировок, заблокировали «Мутсу» в бухте, где оно простояло 4 года. После 4-х лет споров судно завершило ходовые испытания, но проект был полностью дискредитирован. В 1992-м году реактор был заглушен и заменен на дизельную силовую установку.
Итого: два западных проекта не смогли себя окупить, что важно для целиком и полностью капиталистического общества, а японский проект разбился о стену социального недовольства. Япония не является ядерной державой (по крайней мере официально), но пережила атомных катастроф столько, как будто являлась пионером атомной отрасли. Даже примерно не представляю когда Япония сможет принять мирный атом. А что в РФ?
А в РФ - ледоколы. В 1956-м году был заложен, в 1957- спущен на воду, в 1959-м - введен в эксплуатацию первый атомный ледокол «Ленин». Как с 1956-го начали строить, так по сей день с переменной интенсивностью и продолжают. В 1992-м году на воду спущен «Ямал», в 2007-м «50 лет победы», в 2020-м «Арктика», в 2021 - «Сибирь», в 2022-м - «Урал» и «Якутия», в 2024-м заложен ледокол «Чукотка». И все это - не однотипные проекты, а имеющие специализацию: например - для мелководья или для колки толстого арктического льда. В 2025-м году РФ - единственная страна в мире, обладающая гражданским атомным флотом - ледокольным. Список судов не полный, и, если интересно - тогда добро пожаловать на сайт РОСАТОМФЛОТ!
А пионер - ледокол «Ленин», отработав 30 лет был выведен из эксплуатации и превращен в музей, что навсегда прикован к причалу в Мурманске. Три его реактора претерпели несколько модернизаций (три реактора ОК-150 были заменены на два ОК-900 в рамках одной из модернизаций), что подчеркивает его значение для всей отрасли - он был первым и останется первым.
Почему в России, что периодически переживает очень трудные времена, атомный ледокольный флот есть, а у других стран, обладающих нужной компетенцией - нет. Нет по причинам дороговизны? В РФ содержание атомного флота не так дорого, как в США? Или есть еще причины?
Цена. Объективные данные найти у меня не получилось. Дело в том, что все проекты РОСАТОМа имеют комплексное финансирование, но то, что они окупаются - сомнений нет. РОСАТОМ строит компактные реакторы малой мощности на экспорт, что говорит о наличии прибыли.
А еще, совершенно точно нужно учитывать уровень локализации технологии, ведь, если одна корпорация способна на 100 процентов обеспечить весь цикл работы с атомной энергетической установкой, то разовые издержки могут быть растянуты путем закладывания их части на последующее обслуживание, например - на работу с топливом.
Что касается стоимости строительства самой установки, то уровень рентабельности, определенный как раз западными заинтересованными компаниями колеблется на уроне 18 000 долларов США за 1 построенный МегаВатт к 2050-му году, когда, гипотетически, как запланировано, будет достигнут момент углеродной нейтральности судовой энергетики. При чем тут это? Если ты читал мои прошлые статьи - то должен понимать, что весь «зеленый переход» происходит из-под палки, поскольку дорог. Таким образом, любой другой не атомный МегаВатт будет стоить примерно столько-же, если «зеленый переход» завершится. Если строительство каждого атомного МегаВатта будет стоить 8000 долларов США, то такая установка будет рентабельна уже сегодня. Немного проясним: если сегодня реактор на 100 тепловых МегаВатт будет стоить не более 800 000 долларов - то он будет рентабелен и сможет конкурировать с установками других типов. Если знаешь сколько стоит реактор РИТМ-200 (смотри Рисунок 6) - посчитай, рентабельно с западной точки зрения или нет.
Топливо
В качестве топлива в имеющихся реакторах может быть использован элемент, способный поддерживать реакцию деления своих ядер. Таких элемента три: Уран 233, Уран 235 и Плутоний 239.
Уран 233 - искусственный, в природе практически не встречается. Нарабатывается из Тория 232 в специальных реакторах. Уран 233 уникален, ведь обладает самым высоким коэффициентом размножения нейтронов ~2,3. Это позволяет при работе с ним получать больше Урана 233, чем было загружено в реактор. Сложен в работе с ним. Содержит изотоп Уран 232, очень радиоактивный, требует наличие тяжелой биологической защиты на всех этапах.
Уран 235 - встречается в природе. В урановой руде составляет менее одного процента. Поддерживает реакцию деления. Подавляющее большинство реакторов на планете работает именно на нем. Для работы требуется повышение концентрации 235-го изотопа (обогащение).
Плутоний 239 - искусственный, хоть и встречается в природе в ничтожных количествах. Используется для производства МОКС топлива.
Из этих трех только 235-й изотоп Урана используется в энергетических реакторах и далее речь пойдет именно про этот изотоп. Все остальное - часть производственного или замкнутого ядерного цикла. Что касается уровня обогащения (содержание 235-го изотопа в конечном продукте), то существует международно признанный барьер в 20 процентов. Все, что ниже - считается «энергетическим Ураном», все что выше - потенциальным оружием, хоть для производства зарядов уровень обогащения превышает 90 процентов. Но, 235-й изотоп Урана оказался очень удобным, предсказуемым и управляемым, поэтому на американских подводных лодках используются реакторы, работающие на сборках с уровнем обогащения до 90 процентов! Но это вояки, им можно. Почему это не взрывается все при таком уровне обогащения? Критическая масса Урана 235 - 52 килограмма (без использования отражателя при соблюдении формы отливки). Видимо, соблюден тонкий баланс и произведен качественный расчет, раз все это работает; или взорвать даже имеющийся материал сложнее, чем кажется.
Почему существует такой разброс по уровню обогащения? Потому что от него зависит объем активной зоны и период работы между перегрузками топлива и чем выше уровень обогащения - тем меньший объем активной зоны нужен и тем больше периоды между перегрузками топлива. Например, при таком уровне обогащения, как для реактора американской лодки, с одного кубического метра активной зоны можно снимать до 200 МегаВатт энергии! Для подводной лодки - самое то, для гражданского судна - слишком мощно и слишком опасно с точки зрения опасности распространения делящегося материала.
Реакторы
Если взглянуть на все то, что люди производили в качестве атомных котлов - реакторов, то практически все они представляют одну и ту-же конструкцию, лишь незначительно отличающуюся от модификации к модификации. Я говорю об основном качестве такого устройства как реактор - методе отведения тепла от активной зоны. Западные серийные реакторы относятся к типу PWR (Pressurised Water Reactor) - водяной реактор под давлением. Отечественные реакторы используют такой-же метод передачи тепла от активной зоны - с помощью воды и называются водяными или (соврменные двухконтурные) водо-водяными. В таких реакторах первичный контур воды, омывающий активную зону, не контактирует со вторичным контуром и пар, идущий на турбину и сама турбина - являются «чистыми» зонами.
Эта конструкция на сегодняшний день оптимальна, хоть уже есть и БН-600 и БН-800 с металлическим теплоносителем, были и эксперименты с расплавом солей. Есть теоретическое обосновние (на практике я не нашел таких упоминаний) работы на "жиком ядре" с постоянным контролем качества циркулирующего расплава. В этом случае возможности по регулированию ограничены только фантазией и обеспечена бесшовная работа и замена топлива не потребуется.
Каков при всем этом срок службы современных реакторов? По информации на сайте РОСАТОМ проектный срок службы современных реакторов - 40 лет с возможностью продления. Продления? Да, срок службы корпуса реактора можно продлить. Дело в том, что корпус реактора подвергается длительному воздействию сильного нейтронного потока и температуры 250-290 градусов. Из-за этого снижается стойкость металла к хрупкому разрушению, особенно остро такая проблема стоит для сварочных швов. Реактор можно продолжить эксплуатировать и далее, но без гарантии безопасности. Накопленные напряжения можно снять, воздействуя на напряженные участки температурой гарантированно выше той, при которой накопились напряжения. В ЭТОМ патенте все расписано более подробно. РОСАТОМ разработал технологию, применимую к своим реакторам - специальное приспособление для отжига корпуса реактора. После такой процедуры срок службы может быть продлен еще на 20 лет. Такую процедуру уже пережили энергоблоки на Армянской АЭС.
Что нужно торговому флоту?
Флоту нужно много, дешево и желательно вчера. Основная проблема упрется как всегда в кадры. Держать на борту персонал обученный и тренированный до уровня операторов АЭС - дорого, а доверять такое оборудование неубоченному персоналу подешевле - опасно. Поэтому при конструировании все решения будут рассматриваться еще и через призму персонала. Есть хорошее предложение о модульной конструкции реактора.
Микро и модульные реакторы
Что если атомный парогенератор разбить на сегменты, а мощность добирать их количеством? Конструкция таких генераторов должна быть полностью независимой и выполнена по технологии "plug and play". В этом случае экипаж вообще не будет контактировать с атомной технологией, а всю сервисную нагрузку на себя возьмет береговая служба.
На Рисунке 12 представлен проект "Шельф-М" от РОСАТОМ с тепловой мощностью 35 МВт и электрической 10МВт, длиной - 11 метров и диаметром 8. Обещают разместить первый такой уже в 2027-м году. Для контейнеровоза на 15 000 TEU - то, что нужно. В общем, с точки зрения эксплуатации, либо у инженерного состава коммерческого судна вообще не будет допуска к реактору, либо это будет ограниченный допуск только к приборам телеметрии, либо нужно иметь на борту хоть одного "атомщика".
Безопасность
Существующие технические меры обеспечения безопасности, учитывающие множество аварий и даже катастров (Три Майл Айленд, ЧАЭС, авария в бухте Чажма, Фукусима, реактор SL-2 и прочие, касающиеся только лишь реакторов случаи) считаются исчерпывающими. Действия, способные привести современные реакторы с их системами защиты к катастрофе, должны быть спланированными и детально просчитанными. Но борьба с этим - компетенция других людей.
Какую-бы страну или отдельно взятое предприятие мы не рассматривали, уровень охраны таких объектов впечатляет и для его физического преодоления вам понадобится армия и желательно бы вам успеть все сделать до того, как подойдет подкрепление. Коротко - это неосуществимо.
Вот на Рисунке 14 информационный плакат для какого-то атомного объекта США. И ограждения и визуальный контроль и другие устройства телеметрии и вышки и вооруженная охрана с широкими полномочиями. И, что касается США, то там оружие выдают для того, чтобы им пользоваться, а не аккуратно воздействовать на цель прикладом. Там принять стрелять, а потом задавать вопросы.
За охрану АЭС в РФ отвечает как внутренняя служба РОСАТОМ, так и РОСГВАРДИЯ. Присутствие хорошо вооруженных и тренированных на ведение городского боя людей есть. За прикрытие неба отвечает взвод ПВО.
К чему это я так далеко отошел от торгового флота? К тому, что все это для торгового судна просто недоступно. Невозможно держать на борту на постоянной основе отряд бойцов (это дорого), невозможно прикрыть небо над судном, а хорошую охрану можно обеспечить только в порту; при этом открытым будет вопрос о спонсировании пребывания боевых единиц на территории порта. Если в госсударстве с призывном принципом формирования армии к порту можно приписать военную часть, то в противном случае все затраты отразятся на портовых сборах и, в конечном итоге - в стоимости перевозимых товаров. А вооруженные силы просто обязательно нужны, потому как "плохие люди" не остановятся нормативными актами. И единственный способ обеспечить нераспространение радиоактивных материалов - сделать их непривликательными для потенциальных рейдеров. Либо изготавливать топливо химически трудно обрабатываемым для переделки его во что-то не мирное, либо позаботиться о контейнере, обнуляющем усилия по его краже.
Нормативные акты
А они уже есть. Конвенция СОЛАС уже учитывает атомные технологии на флоте. Глава 8-я этой конвенции посвещена именно атому.
Вот на Рисунке 16 краткая выдача по содержанию этой главы.
Но, пожалуй, основным ограном, регулирующим атомные технологии, остается и останется МАГАТЭ. Именно МАГАТЭ ответсвенна за нераспространение и исключительно мирное использование атомной энергии.
Есть еще и Кодекс Безопасности для атомных торговых судов (Code of Safety for Nuclear Merchant Ships - CSNMS), основанный в 1981-м году, регулирующий уже конструкции установок и, разумеется, требования к ним и к персоналу.
Но, даже учитывая то, что все эти организации существуют, для объединения их усилий и для развития стандартов, практически применимых сегодня, была создана организация NEMO (Nuclear Energy Maritime Organisation) - Морская Организация Атомной Энергетики. Она, в какой-то степени, является дочерней организацией МАГАТЭ, но не снимает нагрузку с последней, а дополняет ее. Именно через NEMO МАГАТЭ будет осуществлять регулирование оборота делящегося материала.
PS
Как ни странно, но все "палки в атомных колесах" исключительно финансовые, ведь все остальное технически осуществимо. Возможность внедрения мирного атома в морскую торговую индустрию была отработана более 50 лет назад, а вопрос серийного внедрения до сих пор не решен именно из-за суммарной стоимости технологии. Странно это потому, что береговая атомная генерация как раз дешевле углеводородной. В оригинальной брошюре DNV есть абзац, выставляющий фактическую монополию коммерческого обогащения урана РФ как недостаток западной атомной модели. Но фактически недостаток - это неумение договариваться с теми, кто выполняет свои обязательства при любых обстоятельствах. Что если все расчеты DNV выполнены на базе "сеточной технологии" обогащения, коммерчески невыгодной изначально? Что если в эту модель поставить технологию центробежного обогащения, на поток поставленной в РФ? Не станет ли атомномный парогенератор "внезапно" рентабельным уже сегодня?
Все!
Если тема интересна - ставь пальчик вверх и пиши комментарий, потому как материал о фактической стоимости и дорожной карте практического внедрения еще имеется.
Оригинал брошюры DNV в моей Телеграм библиотеке.
Спасибо.