11 марта 2014

Взлет атомного дракона

Достаточно поздно приступив к созданию своих АЭС, сегодня Китай успешно реализует крупнейшую в мире программу развития ядерной энергетики: 31 атомный энергоблок уже строится, и еще 54 запланированы.

Истории строки

Китайский правитель Мао Цзедун в 1954 г. обратился к советскому лидеру Никите Хрущеву с просьбой о содействии в создании ядерного оружия. Поводами послужили Корейская война и конфликт с США. Более 600 советских ученых работали в этом направлении, более 1000 китайских атомщиков прошли обучение в СССР. Кроме того, Китаю были переданы самые совершенные советские технологии в сфере ядерных вооружений. Вскоре между странами произошел разрыв отношений, но полученные разработки Китай использовал весьма эффективно: в 1964 г. была испытана первая атомная бомба, в 1967 г. — первая термоядерная (водородная) бомба.

Однако с мирным использованием ядерной энергии дело не шло. Первый государственный план по созданию атомных электростанций был принят в Китае 8 февраля 1970 г., и для его реализации создан «728-й институт» (ныне Шанхайский инженерно-конструкторский институт ядерных исследований). Но процесс создания первой китайской АЭС затянулся: энергопуск блока №1 мощностью 310 МВт АЭС Циньшань-1 состоялся лишь в 1991 г., его выход на номинальную мощность — в 1992-м, сдача в промышленную эксплуатацию — в 1994-м. Пришлось преодолеть немалые трудности: нехватку специалистов, недостаток опыта, проблемы с возможностями машиностроителей (практически все оборудование энергоблока было импортным). Но спроектировать и построить первую китайскую АЭС с отечественным реактором CNP-300 (который, в принципе, опирался на французские технологии) должны были непременно китайские специалисты на китайские деньги — таково было политическое решение руководства страны.

Однако понимая, что только своими силами не обойтись, китайцы отдали строительство двух энергоблоков второй АЭС Гуандунь (раннее название Даявань или Даябей) французам. Энергоблоки мощностью по 944 МВт с французскими реакторами М310 вступили в строй в 1993–1997 гг.

Энергия жизни

Чтобы понять причины, по которым Китай в двухтысячных годах сделал ставку на прорывные темпы развития атомной энергетики (и не отказался от нее даже после фукусимских событий), рассмотрим структуру «энергетической корзины» страны.

Более 70% электроэнергии вырабатывают тепловые электростанции (как правило, на угольном топливе). Порядка 17% — гидроэлектростанции. На долю атомных приходится порядка 2%–2,3%. Остальное составляют другие источники энергии, в том числе возобновляемые.

Благодаря огромному количеству угольных станций, Китай соперничает с США за первое место по объему выбросов парниковых газов в атмосферу. Кроме того, китайские экологи образно подсчитали, что каждый их житель «съедает за год три кирпича»: таков размер выбросов золы угольных электростанций в атмосферу на одного человека. А гибель рабочих на угольных шахтах колеблется на уровне 3000 человек ежегодно (по сообщениям китайских источников, если при взрыве метана в шахте погибли менее 10 человек — об этом даже не сообщают в СМИ, слишком незначителен информповод).

Тепловые электростанции создают еще одну проблему, связанную с перевозками топлива. Основные месторождения угля находятся на севере страны, потребители электроэнергии на юге. В результате железные дороги (кстати, вторые в мире по протяженности) почти наполовину заняты транспортировкой угля. Энергосистемы страны регионального и провинциального уровня разобщены, хотя процесс их стыковки в единую энергосистему сейчас идет и должен завершиться к 2020 г. Но и в этом случае транспортировка электроэнергии с севера на юг повлечет существенные потери, даже если будут созданы линии постоянного тока сверхвысоких напряжений.

К тому же своих запасов органического топлива уже не хватает. Китай в крупных масштабах импортирует уголь, а зависимость от импорта нефти перешагнула 50%-й рубеж еще в 2008 г.

Что касается гидроэнергетических ресурсов, резерв их роста, как и в России, уже практически исчерпан, в том числе и по географическим причинам: большинство крупных рек Китая расположены в сейсмоопасных районах, где создание мощных ГЭС с сооружением больших плотин и водохранилищ является угрожающим фактором.

По освоению возобновляемых источников энергии (солнце, ветер) Китай идет широкими шагами, по объемам инвестиций опережая даже «зеленеющую Германию», однако китайские специалисты вынесли однозначный вердикт: полностью покрыть растущие потребности страны в электроэнергии это направление не сможет.

А потребности весьма значительные. По прогнозам, население Китая к 2050 г. вырастет до 1,43 млрд. человек. Дополнительные трудности создает рост прослойки «среднего класса» и переселение крестьян в города. Между тем, именно население соперничает с промышленностью по росту объемов энергопотребления. Например, за первый квартал 2013 г. объем энергопотребления в Китае по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года вырос на 4,3%. В том числе, промышленность потребила больше на 3,8%, а бытовой расход электричества возрос на 3,1%.

В этих условиях китайские власти заявили, что не могут взять на себя международные обязательства по сокращению выброса парниковых газов: они обещают лишь ограничить темпы роста этих выбросов. Например, за период с 2006 г. были выведены из эксплуатации устаревшие и наиболее «грязные» энергоблоки угольных электростанций суммарной мощностью 71 ГВт. Но при этом массово вводились в строй новые угольные электростанции: более эффективные, но также не лишенные проблемы эмиссии парниковых газов.

Очевидно, что ставка на атомную генерацию — географически приближенную к потребителям, не создающую логистических проблем с перевозкой топлива и ограничивающую парниковую эмиссию — была неизбежна.

От поглощения — к автономности

На сегодня в Китае действует 18 энергоблоков в составе восьми АЭС (Гуандуньская, Линьао, Ниндэ, Тяньваньская, Хунъяньхэ, Циньшань-1, Циньшань-2, Циньшань-3) и Китайского института атомной энергии (CIAE). Подавляющее большинство из них имеют реакторы на тепловых нейтронах с водой под давлением (PWR), в том числе: французские М310 — 4 шт., российские ВВЭР-1000 — 2 шт., канадские CANDU-6 — 2 шт. и китайские (по сути, являющиеся репликами французских технологий) CNP-300 — 1 шт., CNP-600 — 4 шт., CPR-1000 — 4 шт. Восемнадцатый — реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем CEFR (именно он и находится в CIAE): хотя он считается лишь демонстрационным энергоблоком, в базу данных МАГАТЭ внесен как АЭС мощностью 20 МВт. Таким образом, суммарная мощность атомной энергетики Китая составляет на сегодня 14543 МВт.

Стратегия развития атомной энергетики Китая предусматривает три этапа. На первом — массовое сооружение реакторов на тепловых нейтронах с водой под давлением (PWR), в том числе с внедрением французских, американских, российских технологий. На втором — переход к реакторам на быстрых нейтронах (их массовое внедрение запланировано в Китае на вторую половину XXI в.). Третий этап, самый отдаленный — внедрение термоядерной энергетики. На первом этапе до 2020 г. Китай планирует повысить объем атомной генерации с нынешних 2% до 5%, то есть (по масштабам этой страны с самым большим населением) ввести в строй порядка 60 «тысячных» энергоблоков новых атомных мощностей.

При этом, если на первоначальной стадии стратегия Китая строилась на двух принципах: аккумулирование и поглощение атомных технологий ведущих мировых держав, то сейчас его атомная политика переходит в качественно новую стадию — автономность.
В принципе, эта политика прослеживается уже на действующих проектах. Недаром к наименованиям некоторых реакторных установок добавляется буква С (China). Для примера: американский AP-1000 и китайский CAP-1000. В ходе «клонирования технологий» Китай постепенно увеличивает в энергоблоке долю собственной «начинки» с 50% до 85%, а в перспективе и до 100%.

В принципе, международные атомные корпорации пытаются бороться с этим синдромом. Например, компания Areva ограничила права своей интеллектуальной собственности: «клоны» ее реакторов, получившие название CPR-1000, могут сооружаться на территории Китая, но не за рубежом.

Сегодня существует другая проблема: большинство из ныне строящихся в Китае энергоблоков предусматривают реакторы CPR-1000. Это реакторы второго поколения, рассчитанные на период эксплуатации 50–60 лет. К моменту исчерпания срока эксплуатации в 2060–2080 гг. они будут очень сильно отличаться от современных требований к безопасности. Поэтому сейчас государственные рекомендации ориентированы на строительство энергоблоков третьего поколения (AP-1000, EPR-1600 и их китайских клонов).

С другой стороны, в Китае существует определенная конкуренция между двумя корпорациями. Первая — State Nuclear Power Technology Corporation Ltd (SNPTC), которая совместно с Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute (SNERDI) сосредоточила в своих руках внедрение и клонирование проекта AP-1000. Это так называемое «малое министерство», поскольку в его руках находятся также конверсия и обогащение урана, производство ядерного топлива и существенная доля исследовательских центров. Второе — China Guangdong Nuclear Power Group (CGNPC). Первая продвигает проект реакторов AP-1000 и его китайского клона CAP-1000, вторая — действующий проект второго поколения CPR-1000 (наиболее массовый из ныне строящихся энергоблоков в Китае) и перспективный ACPR-1000+.

CPR-1000 до настоящего времени находятся в приоритете, благодаря их существенной дешевизне, а также из-за того, что многие АЭС Китая уже спроектированы и строятся под данный тип реактора. Однако поскольку к моменту истечения срока эксплуатации реакторы CPR-1000 будут существенно отличаться от современных требований к безопасности, обеим корпорациям поставлена правительственная задача: объединить свои перспективные проекты под маркой реактора третьего поколения, ориентированного на AP-1000, и в некоторой степени на EPR-1600. В числе разрабатываемых китайских проектов такого типа находится, например, CAP-1400.

Русский размах

Тяньваньская АЭС стала крупнейшим проектом России в экономике Китая. Межправительственное соглашение о ее строительстве было подписано в 1992 г. Как и в случаях с иранской АЭС «Бушер» и с индийской АЭС «Куданкулам», правительство Бориса Ельцина даже в экономически трудные для России годы оказывало политическую поддержку продвижению отечественных высоких технологий на мировые рынки.

В 2006–2007 гг. два первых энергоблока были сданы в эксплуатацию, а в 2010 г. подписан контракт на строительство еще двух блоков, которые планируется ввести в строй в 2018 г. Всего же предусматривается сооружение восьми энергоблоков Тяньваньской АЭС. Для России это — проектирование, поставки оборудования и топлива, монтажно-наладочные работы, обучение китайского персонала.
На уже действующих энергоблоках установлены реакторы ВВЭР-1000 проекта «АЭС-91», однако он доработан до уровня реакторов третьего поколения, благодаря чему Тяньваньская АЭС получила титул одной из самых безопасных в мире. В частности, здесь впервые была применена новая технология дополнительной безопасности — подреакторная ловушка для расплава топлива, которая в случае запроектной аварии удержит и охладит расплавленную активную зону.

Третий и четвертый энергоблоки планируются с модифицированной версией таких же «тысячников», а далее рассматривается новый проект ВВЭР-1200.

Китайская интервенция

Едва начав строительство собственных АЭС в формате реплик иностранных технологий, Китай моментально начал экспансию на зарубежные атомные рынки. Например, им построены два энергоблока с реакторами CNP-300 на пакистанской АЭС «Чашма», и еще два находятся в стадии строительства. Более того, есть перспективы строительства на той же АЭС двух китайских клонов энергоблоков-«тысячников». На претензии мирового сообщества по поводу того, что Пакистан (не обладающий официальным членством в «ядерном клубе»), в нарушение международных соглашений владеет ядерными вооружениями, ответ китайцев прост: договор о строительстве пакистанской АЭС был заключен еще до вступления КНР в Группу ядерных поставщиков (ГЯП), а ее запреты обратной силы не имеют.

Китайскую экспансию вынуждены принять все развитые страны. Например, британские власти заключили сделку с компаниями из Франции и Китая по строительству АЭС на мысе Хинкли Поинт на берегу Бристольского залива. Наряду с мировыми «тяжеловесами» EDF и Areva, порядка 30–40% подрядных работ получат китайские компании China General Nuclear Power Group (CGN) и China National Nuclear Corp (CNNC).

Еще более удивительно, что США, стабильно имевшие в своей «энергетической корзине» 20% атомной энергии и после многолетней паузы возобновившие-таки строительство АЭС, также не обойдутся без китайской помощи. Ренессанс начинается с АЭС «Вогл» с реакторами AP-1000. Однако за время 30-летней паузы американцы потеряли целое поколение разработчиков и строителей. И теперь вынуждены идти на поклон к китайским специалистам.

Кроме того, EDF и Areva в 2012 г. подписали с китайцами соглашение о совместной разработке реактора третьего поколения мощностью 1000–1100 МВт.

В свое время группа Areva на правах интеллектуальной собственности ограничивала продажи китайских реакторов CPR-1000 за рубежом, а Westinghouse на тех же условиях накладывал ограничения на клоны своих AP-1000. Однако в американском случае китайцы обходят барьер, повышая мощность своих «клонов» до уровня CAP-1400. По поводу CPR-1000 также имеются варианты. Другое дело, что реакторы второго поколения ныне теряют свою востребованность, хотя для стран «третьего мира» они по-прежнему актуальны благодаря своей дешевизне.

Словом, Китай активно внедряется в мировой атомный рынок, что не может радовать международные корпорации. Тем более, что речь идет и о ядерном топливе.

Откуда «дровишки»?

Как и в международном тренде, политика Китая ориентирована на формирование замкнутого ядерно-топливного цикла. «Атомный дракон» должен быть обеспечен достаточным количеством ресурсов, в то время как собственных месторождений урана в Китае всего семь, расположенных в пяти провинциях. С учетом ядерных амбиций Китай сейчас активно внедряется в источники мировых запасов ядерного топлива: где возможно — скупает, где не получается — заключает договоры о сотрудничестве. Китайская экспансия замечена на ядерных рудниках Нигера, Намибии, Казахстана, Узбекистана, Монголии, Австралии, Канады и т.д. (Впрочем, тем же занимается и Россия: в условиях международной ядерно-энергетической экспансии идет активизация борьбы за сырьевые источники.)

В дальнейшем же Китай делает ставку на замкнутый ядерно-топливный цикл и уже сегодня имеет неплохие наработки по созданию уран-плутониевого мокс-топлива. Чтобы активизировать эти работы, Китай пытался наладить закупки оборудования в Бельгии — именно эта страна еще в 1963 г. создала и загрузила в реактор первую кассету с мокс-топливом. Однако поставка технологических линий была отменена, и не исключено, что на это решение повлияла Франция. Группа Areva сегодня является, по сути, мировым монополистом по производству и поставкам мокс-топлива для легководных реакторов, и может опасаться, что овладев подобным промышленным производством, Китай потеснит ее на мировом топливном рынке.

Быстрые «китайцы»

Замкнуть ядерно-топливный цикл Китай планирует с помощью реакторов на быстрых нейтронах. И, как и практически все страны, разрабатывающие быстрые реакторы, делает ставку на жидкометаллический натриевый теплоноситель.
Над этим вопросом Китай задумался еще со времен создания им первой атомной бомбы. Нейтронная физика, термодинамика, топливные составляющие быстрых реакторов рассматривались на уровне научных исследований, но к середине 1990-х гг. обрели практическую весомость. И стало ясно: без содействия «северного соседа» не обойтись.

В 2011 г. в Китае был включен в энергосистему созданный при помощи России энергоблок мощностью 20 МВт с экспериментальным реактором на быстрых нейтронах CEFR (Chinese Experimental Fast Reactor). Пока он работает на традиционном оксиде урана, а в перспективе будет переведен на уран-плутониевое мокс-топливо. CEFR дал старт второму этапу китайской атомной стратегии: внедрению быстрых реакторов.

Кстати, на этом реакторе уже проведен важный эксперимент: на малой мощности путем извлечения стержней системы управления и защиты создали искусственную положительную реактивность (по сути, смоделировали ядерную аварию). После этого мощность реактора начала расти, затем остановилась и вернулась обратно. Тем самым вновь были продемонстрированы мощные обратные связи, благодаря которым быстрые реакторы являются весьма безопасными. Подобный эксперимент в прошлом веке на своем экспериментальном быстром реакторе проводили американцы, и результат был аналогичным.

По поводу американцев: с пуском CEFR между Китаем и США начался интенсивный обмен информацией по «быстрой» тематике, поэтому некоторые российские эксперты опасаются утечки за океан наших технологий и эксплуатационных наработок в этой сфере (Россия является мировым лидером по быстрым реакторам и обладает эксклюзивными материалами интеллектуальной собственности).
Развивая технологию быстрых реакторов с натриевым теплоносителем, Китай занимается разработкой вариантов демонстрационного реактора CFR-600 и CDFR-1000. Однако ввод в эксплуатацию такого реактора возможен не ранее 2022–2023 гг. В то же время китайцев очень напрягает, что их ближайший сосед и конкурент по региону — Индия — уже завершает постройку своего быстрого реактора PFBR-500 на АЭС «Калпаккам». Чтобы не отстать от соперника, Китай решился на обходной маневр: в 2009 г. заключено соглашение с Россией о закупке двух энергоблоков мощностью 880 МВт с реакторами БН-800, референтный прототип которого в эти дни проходит пусковой этап на Белоярской АЭС. Впрочем, дальше «заверений о намерениях» дело пока не двинулось: стороны не сошлись в финансовых обязательствах.

В то же время, альянс General Electric и Hitachi предлагает китайцам свой проект быстрого натриевого реактора PRISM. Они давно ищут желающего воплотить свой первый энергоблок, и китайский рынок их вполне устраивает. Это модульный (то есть с варьируемым уровнем установленной мощности) и в то же время с интегральной компоновкой (вся радиационная часть внутри корпуса) реактор. Возможно, хороший. Проблема лишь в том, что ни одного референтного энергоблока такого типа до сих пор не существует. И даже возможность заменить этим реактором «грязные» угольные электростанции без изменения их энергетической инфраструктуры китайцев не вдохновляет.

«Ахиллесовой пятой» китайцев в разработке собственного энергоблока с быстрым реактором является неспособность китайских компаний спроектировать и изготовить надежный парогенератор «натрий-вода» (теплообменник между вторым и третьим контурами). В то время как в России с этим справились весьма успешно, что позволило одному из атомных топ-менеджеров в неформальной обстановке высказаться в художественном стиле: «Мы смогли соединить лед и пламя».

Тем не менее, упорство и настойчивость китайцев (а более того — их таланты в аккумулировании и поглощении чужих технологий) наверняка принесут полезные плоды.

Горизонты науки

Китай не ограничивается «классикой» и разрабатывает весьма широкий спектр атомных технологий.

Например, большинство ныне действующих АЭС Китая расположены на побережье и охлаждаются морской водой. К слову, в этом же южном регионе находятся и основные потребители электроэнергии. Строительство АЭС в континентальной части Китая предполагалось, и в разработку трех площадок уже было вложено $1,5 млрд. Но после Фукусимы все изменилось.

Жители Китая обычно узнают о строительстве в их регионе АЭС уже после того, как принято решение «партии и правительства». Однако с учетом резонанса Фукусимы власти задумались об общественной приемлемости. И здесь выяснилось, что больше всего общественность боится возможного, в случае аварии, загрязнения рек — источников пресной воды (для континентального Китая это немаловажно). Поэтому на сегодня стратегия такова: строительство АЭС должно вестись вне прибрежной морской полосы (во избежание цунами), но и не в глубине континента. В этом плане интересную вариацию могут представлять высокотемпературные газовые реакторы, которые весьма ограниченно связаны с источниками технической воды, то есть могут продвигаться именно в континентальные районы. Экспериментальный ВТГР типа HTR-10 в Китае уже действует. Демонстрационный HTR-PM на АЭС Шаньдунь сейчас строится.

Впрочем, без проблем не обойтись и здесь. Китайцы законно (оплатив лицензию) позаимствовали технологию ВТГР из германского проекта AVR. Однако на этом типе реактора при подогреве до проектной температуры гелиевого теплоносителя температура топлива существенно превышает проектное значение. Среди других возможных проблем — внешние воздействия, приводящие к контакту воздуха и графита активной зоны, вероятность положительного эффекта реактивности при попадании воды в реакторный контур, дефектные проблемы шаровых твэлов и т.д.

Среди других атомных вариаций Китая — малые АЭС. Экономически обоснованное направление: в странах Индокитая, с учетом пропускной способности и режимной устойчивости их энергосистем, будут наиболее востребованы именно малые источники генерации, до 300 МВт. Индия уже предлагает на этом рынке свои PHWR-220. Китай разрабатывает свои версии CAP-150, ACP-100 и другие, ориентированные на тепло- и электроснабжение отдаленных регионов. Они имеют увеличенный интервал между перегрузками топлива, длительную живучесть без вмешательства оператора в случае тяжелых аварий, повышенную сейсмостойкость и защиту от наводнений (последний фактор актуален, например, для Таиланда и Индонезии).

Кроме того, Китай ведет разработку плавучей атомной станции малой мощности (подобный референтный энергоблок уже длительное время сооружают в России). И даже предлагает России сотрудничество в этом направлении, справедливо полагая, что в Азиатско-Тихоокеанском регионе будет востребована не только электрогенерирующая, но и опреснительная функция таких плавучих АЭС.

Еще одним направлением являются подкритичные реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем (свинец-висмут) и сблокированным ускорителем (проект CLEAR).

Среди других лабораторных изысканий можно отметить проект реактора на быстрых нейтронах с «бегущей волной», который предлагают китайцам американская компания Terra Power в сотрудничестве с компаньонами Билла Гейтса (с недавних пор активно внедряющимися в атомную энергетику). Китайцы на основе этого предложения уже разрабатывают проект реактора SWFR-600, однако для его реализации необходимо полное освоение технологии металлического топлива, которое пока также находится в проектно-изыскательской стадии.

Впрочем, «взлет атомного дракона» Китая опирается прежде всего на проверенные временем и другими странами референтные ядерные технологии, как широко распространенные, так и перспективные. Хотя размах научных исследований косвенно подтверждает, что за атомную тематику китайцы взялись всерьез и надолго. А с их национальной ментальностью, ориентированной на упорство и настойчивость, у них все получится.