Как Евросоюз может спастись от энергетической катастрофы

Министр экономики Германии Хабек не так давно оповестил, что немцы оставят работающими три АЭС до весны 2023 года – хотя они и будут «в резерве», на случай нехватки электричества. Шаг весьма знаковый, отключение трех АЭС в условиях жесткого энергокризиса уже успел назвать безумием даже Илон Маск. Но это краткосрочная мера: АЭС эти слишком малочисленны, чтобы закрыть вопрос «где брать энергию после разрыва с Россией». Вопросительный знак тут, и весьма жирный, добавил и недавний взрыв «Северных потоков». У Европы де-факто есть три выхода из сложившейся неприятной ситуации.

Ископаемое топливо наносит ответный удар?

Вопреки тезисам о ресурсно-бедной Европе, энергетические ресурсы там есть – и их немало.

Бурый уголь в Европе имеется (и мало тронут). Каменного осталось тоже немало – его разработка шла на убыль в основном потому, что европейцы из экологических соображений выступали против него. Ведь современная, экономически эффективная угледобыча требует карьерной разработки. Да еще и с применением сотен тысяч тонн взрывчатки – а это ведет к небольшим техногенным землетрясениям. На российском Кузбассе, например, их случается около полутысячи в год – что, впрочем, неудивительно для региона, тратящего на разработку угля полмиллиона тонн взрывчатки ежегодно.

Нельзя отрицать, что у угля есть и другие проблемы. Любой, кто бывал в районе его добычи, знает, что за запах там царит. Да и сгорание этого топлива ведет к росту частоты инфарктов и инсультов (за счет попадающих в кровь микрочастиц).

Но дело не только в этой проблеме. Главное, чем уголь не угодил Европе – это его роль в глобальном потеплении. На один киловатт-час уголь дает в пару раз больше углекислого газа, чем природный газ.

Поэтому небольшая часть европейских политиков, типа Лиз Трасс, выступают за обеспечение энергонезависимости фрекингом – гидроразрывом пласта, позволяющим добывать так называемый сланцевый газ. Такого газа, как и нефти, на порядок больше обычных. Это потому, что твердых пород, где заперты такие углеводороды, больше, чем хорошо проницаемых, где находятся «традиционные» нефть и газ. Такие ресурсы есть почти везде, где есть осадочные породы – и в Британии, и в ЕС. Опять же, микрочастиц и СО2 газ при сгорании дает меньше, чем уголь.

У этого плана одна проблема: он в Европе не нравится никому, кроме Лиз Трасс. И ее поддержка этого плана – одна из причин (пусть и второстепенная) того, что английская пресса уже сейчас называет ее политическим трупом, доживающим последние месяцы во власти. Тут ничего не поделать: газ в Европе есть, но добывать его она не будет. Зеленая идеология там победила – и обратного пути для европейцев больше нет. 

Биотопливо: просто, как найти деревья в лесу?

Еще один важный природный ресурс Европы – это ее климат. Благодаря длинному и теплому вегетационному периоду леса там растут быстрее, чем в европейской части России, и намного быстрее – чем в Сибири. Поэтому десятки процентов территории ЕС покрыты ими, и поэтому же выращивание древесины на биотопливо там вполне реально в очень больших масштабах. Собственно, газета ВЗГЛЯД уже писала об этом.

Проблемы биотопливного пути делятся на те, что на Западе пожелают увидеть, и на те, что не захотят. Второе – это высокая смертность на единицу получаемой энергии. Дрова при сгорании дают еще больше микрочастиц, чем уголь. На триллион киловатт-часов выработки ТЭС древесное биотопливо убивает 24 тысячи человек, а уголь – всего 10 тысяч человек. Разница очень значительна, но в западной прессе об этом не напишут, поэтому вряд ли этот фактор повлияет на европейскую энергетику.

На эту тему
• Европа переводит энергетику на «советское» управление
• Энергетический кризис разделил Европу на умных и не очень
• Германию тянут к рычагам управления миром

Но есть и проблемы, которые заметят и в ЕС. Если лес не перерабатывают на древесину, он постепенно погружается в землю, унося с собой большую часть поглощенного атмосферного СО2 и замедляя глобальное потепление. А вот если древесину вывозят и сжигают, углерод древесины снова возвращается в атмосферу в виде СО2. Это усиливает глобальное потепление, что есть, в глазах западного общества, непростительный грех.

Это, а также тот факт, что облесенная местность сильнее нагревается солнцем (что тоже усиливает глобальное потепление), уже давно осознан на Западе. Поэтому хотя биотопливо в ЕС и может заместить российский газ, шансы на подобное развитие событий очень низки. 

Атом: реальный путь? 

Все чаще и США и Европа ищут выход из ловушки зеленого перехода на «атомном маршруте». Как ни наращивая ветровую и солнечную генерацию, зимние антициклоны никогда не удастся покрыть из выработки СЭС и ВЭС, потому что зимой она кратно меньше летней, а в антициклоны ветра может не быть вовсе над огромными площадями. Не то что с атомными реакторами: они вырабатывают электричество вне зависимости от погоды.

Однако есть две проблемы. Первая решаемая, но не быстрее, чем лет за 10 – западный мир импортирует обогащенный уран из России, а своих мощностей по обогащению там нет. Экономически эффективно обогатить уран в газовой центрифуге непросто: российские газовые центрифуги последнего поколения для этого делают полторы тысячи оборотов в секунду (нет, это не опечатка, и нет, не в минуту, а именно в секунду). Попытки США в прошлом десятилетии создать аналогичное обогатительное производство провалились: уж больно технология сложная. Миллионы оборотов в час без выхода из строя не каждому по зубам. Несомненно, Штаты смогут ее осилить, если продолжат вкладываться, но это не случится раньше 2030-х годов.

Вторая проблема еще важнее. Ведь в стоимости атомного киловатт-часа на топливо приходится всего 5%, а вот на «отбивку» стоимости АЭС – 60%. Текущие атомные реакторы – на тепловых нейтронах и легкой воде – на Западе делают примерно вдвое дороже, чем у нас.

Поэтому атомный реактор французской постройки на финской АЭС «Олкилуото», например, стоит 11 млрд евро – а это дороже, чем Большой адронный коллайдер. Понятно, что Росатом строит АЭС в два-три раза дешевле – но понятно и то, что, кроме Венгрии, ни у одной из стран ЕС нет достаточного объема суверенитета, чтобы заказать реактор у Росатома. Поэтому придется решать вопрос как-то иначе. Но как?

Теоретически можно поступить как Британия. Только в этом сентябре она выделила очередной пакет средств на разработку газоохлаждаемых ядерных реакторов. Почему именно газоохлаждаемых, когда Россия, например, планирует дополнить свои водо-водяные реакторы новыми АЭС на жидкометаллическом охлаждении? Ведь, казалось бы, металл намного более эффективный теплоноситель, чем газ и даже вода. Поэтому активная зона российского БН-800 намного меньше, чем у обычных реакторов. Зачем же выбирать газ?

Дело в том, что 80% реакторного энергоблока – это не «ядерный остров», но, напротив, обслуживающие его системы. Те, что получают из нагретого теплоносителя электричество. Что в водо-водяных, что в «жидкометаллических» реакторах эти 80% – в основном паровая турбина длиной в десятки метров и диаметром до метров, плюс крупные и недешевые парогенераторы, где тепло от реактора создает пар для этой турбины.

Но того же КПД, что у современной АЭС (обычно 34%), можно добиться вообще без парогенератора и паровой турбины. Для этого достаточно поднять температуру теплоносителя в активной зоне ядерного реактора выше +850 – так, чтобы хватило тепла для эффективного использования газовой турбины.

Газовая турбина вращается намного быстрее паровой, и за счет этого существенно меньше в размерах. Меньшие размеры не только снижают стоимость турбины, но и делают меньше размеры собственно реакторного здания – мощного сооружения с железобетонными стенами до метра и более.

Да, газоохлаждаемый реактор требует большей активной зоны: иначе газу будет трудно унести столько же тепла, сколько и воде, через маленький реактор его много не прокачаешь. Зато у газоохлаждаемого реактора может быть только один контур. Газовый – покинув его, газ пройдет через газовую турбину и тут же вернется обратно. Нет второго контура – меньше «ядерный остров». Вкупе с вчетверо меньшей материалоемкостью у газовых турбин и меньшим реакторным блоком, такие АЭС могут иметь стоимость капитального строительства заметно меньшую, чем у нынешних. Настолько меньшую, что даже в условиях западных атомостроительных компаний, серьезно потерявших навыки строительства, подобные АЭС будут строить разумные деньги.

Другой важный плюс газоохлаждаемых реакторов. Часть из них – на быстрых нейтронах, что для реакторов водо-водяных в принципе недостижимо, поскольку вода тормозит нейтроны. «Быстрый» спектр важен тем, что быстрые нейтроны превращают атомы урана-238 в плутоний. Уран-238 сам по себе практически не делится, поэтому как ядерное топливо бесполезен, и в реакторе играет роль «балласта». Однако после обстрела быстрыми нейтронами он становится энергетическим плутонием, то есть топливом.

Страна, которая наладит строительство реакторов на быстрых нейтронах, сможет решить вопрос о том, как заместить русское обогащение урана. Сегодня ближе всего к этому опять Россия (реактор БН-800 уже работает на плутониевом топливе). Понятно, что Запад хочет наверстать отставание и в этой, топливной области – а не только в плане умения строить АЭС дешево.

Важен и другой момент. Электричеством топить очень дорого, а получать водород электролизом (взяв электричество от ВЭС и СЭС) – по чисто техническим причинам еще дороже. Если газоохлаждаемый реактор поднимет рабочую температуру до тысячи градусов, то сможет получать водород разложением водяного пара без электролиза (термохимически). Тогда «углеродонейтральный» водород будет получаться по цене намного ниже, чем водород от СЭС и ВЭС. То есть у европейцев появятся шансы еще и закрыть потребность в зимнем отоплении без импорта природного газа. 

Непростая дорога 

Несмотря на желание Великобритании добиться успеха с быстрыми газоохлаждаемыми реакторами, почти наверняка с этим тоже будут проблемы. Скорее всего, решить их Лондону в обозримом будущем так и не удастся.

Проблемы эти можно свести к трем группам. Во-первых, самый эффективный газоохлаждаемый реактор требует температуру охлаждающего газа в тысячу градусов. Это значит, что упаковку для ядерного топлива надо делать из чего-то очень жаропрочного – обычные металлические трубки (ТВЭЛы) не подойдут. Без поиска новых материалов не обойтись.

Вторая группа проблем – гелий. Это очень текучий газ, тем более, что в таком реакторе он должен быть под давлением в десятки атмосфер. Газовая турбина под него нуждается в адаптации: обычная, пригодная для работы с воздухом и продуктами сгорания метана, не подойдет. Эту проблему решить проще: если заменить гелий азотом-15, газовая турбина будет работать с тем же газом, который составляет и основу воздуха. К тому же азот не так легко утекает и лучше гелия переносит тепло.

Третья проблема заключается в том, что газоохлаждаемые реакторы – это, по сути, революционный проект. А в норме большинство компаний-разработчиков в сложных отраслях всеми средствами избегают революций. Их менеджеры хотят поменьше рисковать, а с радикально новыми решениями это принципиально невозможно. Именно поэтому все создаваемые сегодня реакторы по своей концепции так похожи на реакторы, задуманные еще в 50-е – и водо-водяные, и жидкометаллические.

Что в итоге? С высокой вероятностью западные страны попытаются идти комбинацией этих трех путей. Европейцы не захотят добывать у себя уголь или сланцевый газ, но будут импортировать и то, и то – скорее всего, из США, потому что из России больше не получится. Нужные терминалы СПГ построят к 2024 году, и примерно в те же сроки цены на энергию в ЕС начнут постепенно снижаться – пусть и не вернутся к минимумам 2020 года. Биотопливо тоже будут жечь, но в умеренных количествах – по причине все той же борьбы с потеплением.

В атомные реакторы наверняка вложат значительные деньги, но, скорее всего, никакого газоохлаждаемого реактора, способного крутить газовую турбину, в Европе так и не создадут. А строить будут обычные, водо-водяные реакторы, для которых со временем осилят и обогащение урана. Но цена таких АЭС по-прежнему будет на уровне Большого адронного коллайдера. Поэтому возврата к дешевой электроэнергии в Европе не будет еще долго. Возможно – долгие десятилетия.