От торфа к замкнутому топливному циклу

К 105- летию со дня утверждения плана ГОЭРЛО.

Рождение первого в  мире социалистического государства породило обоснованную панику политических элит крупнейших капиталистических держав. Опасаясь возможной экспансии идей  социализма и желая любой ценой сохранить жесткие формы эксплуатации трудящихся, человеконенавистнические ястребы мирового империализма силились любыми средствами задушить молодую Советскую Россию.

Первое в мире социалистическое государство было аграрным: доля городского населения в нем составляла всего 10%, в то время, как в крупнейших капиталистических державах значение данного показателя достигало 50%.

Таким образом, обеспечение обороноспособности и, стало быть,  выживания нашей Родины было немыслимо без, позволившей повысить производительность труда и освободить рабочую силу, коллективизации сельского хозяйства,  создания современной, прежде всего, оборонной промышленности. Базой для данных преобразований могла стать  электрофикация производств,  железнодорожного и городского транспорта.

Электрофикация существенно упрощала процесс проектирования  и создания новых производственных мощностей, позволяла внедрить, основанные на использовании электричества, технологии электро –, контактной   и искровой сварки, гальваническое нанесение покрытий, электроосаждение краски.

Переход на электрическое освещение коренным  образом менял образ жизни. Лучшая,  – доступная отнюдь не всем, потреблявшая 0.1 литра в час, керосиновая лампа «Молния» выдавала световой поток в 100 люмен, что соизмеримо с аналогичным показателем лампочки для холодильника и не обеспечивала условий для комфортной жизнедеятельности в темное время суток.

Электрофикация приносила  с собой возможность слушать радио, тем самым,  приобщаясь к актуальной новостной повестке и мировой культуре. Внедрение электрического освещения позволяло эффективно использовать вечернее время, в том числе, для, поставляемого в число приоритетных задач Советской власти, саморазвития наших соотечественников.

Перевод железнодорожного транспорта на электрическую тягу  позволил в полтора-два раза увеличить его скорость и, тем самым, обеспечить столь  необходимую для индустриализации, социальную мобильность населения.

В начале 1920 года по инициативе Владимира Ильича Ленина была сформирована, состоявшая более, чем из 100 экспертов, комиссия, задачей которой являлась разработка комплексного плана  электрофикации нашей  страны.

Разработанная программа включала не только и столько создание новых генерирующих мощностей (на эти цели выделялось не более 8% запланированных затрат), но и строительство крупных промышленных предприятий – основных потребителей электроэнергии,  поселков, городов, транспортной инфраструктуры. По сути, будучи первым нацпроектом Советской власти,  данная программа, закладывала фундамент построения нового промышленного и бытового уклада - прорыва в будущее.

Несмотря на свои  невообразимые масштабы, уместившись всего на 600 страницах, план электрофикации нашей страны оказался удивительно компактным. В течение 10 лет предусматривалось строительство 20 тепловых и 10 гидро – электростанций, общей мощностью 1 500 МВт, что в два раза превосходило объем  генерирующих мощностей  дореволюционной России и составляет около 0.5% сегодняшнего показателя.

План электрофикации был рассмотрен и утвержден, проходившим 22 – 29  декабря 1920  года в Москве, VIII Всероссийским Съездом Советов.

4 июня 1922 года вступила в строй первая из предусмотренных программой электрофикации, Каширская тепловая электростанция на торфе, мощностью 12 Мвт., а 19 декабря  1926 года на плановую мощность – 58 МВт, была выведена первая, построенная в СССР,  - Волховская ГЭС.

В марте 1927 года начался один из ключевых этапов реализации плана ГОЭРЛО – недалеко от Запорожья была заложена легендарная Днепрогэс, с расходом воды до 23 тыс. м;/сек. и мощностью 560 МВт.
 
Данный объект энергетической инфраструктуры выделялся своими масштабами: длина плотины составила 760 метров, высота – 64 метра. Строительство гидроэлектростанции потребовало укладки около 520 тыс. м; бетона,  что в 30 раз больше, чем понадобилось для возведения Останкинской телебашни.

Более того, возведение, занимающей сегодня третье место по мощности, Днепрогэс позволило советским инженерам и строителям обрести опыт, необходимый для создания будущих гигантов отечественной индустрии.

Во время реализации плана ГОЭРЛО объем генерирующих мощностей стране достиг                30 тВт, что обеспечило необходимую базу для последующей индустриализации, роста обороноспособности и победы над фашизмом.

В ходе  Великой Отечественной Войны народному хозяйству, в частности, энергетике был нанесен существенный ущерб: в тяжелейшем и переломном– 1942 году производство электроэнергии составило 63% от показателя 1940 года. К 1945 году, поистине беспримерные усилия нашего народа позволили вывести объем генерирующих мощностей к довоенным значениям.

Реализация советского атомного проекта потребовала ввода новых  генерирующих мощностей и строительства дополнительных  линий электропередач. Основными потребителями электроэнергии были: Уральский радиохимический комбинат, Сибирский химический комбинат и комбинат «Маяк». 

Сегодня, сталкиваясь с серьезнейшими внешнеполитическими вызовами, наша страна остро  нуждается в модернизации экономики, повышении конкурентноспособности производств, что, в свою очередь, требует радикального увеличения объемов выработки электроэнергии.

Повсеместное внедрение информационных технологий приводит  к тому, что всевозможные датацентры потребляют все больше электроэнергии. В 2004 году на них приходилось 4% энергопотребления в США (что вдвое больше, чем в нашей стране), сейчас этот показатель вырос до 9%.

Хорошо известно, что сегодня  одной из энергоемких информационных технологий является, по сути, представляющий собой работу с большими простыми числами, майниг криптовалюты. Так, при 50-процентном КПД электрогенерации, майнинг одного биткоина требует сжигания 1 тыс. тонн угля, или использования 10 кг. ядерного топлива.

12 апреля этого года Правительством РФ была утверждена «Энергетическая стратегия России до 2050 года». За этот период планируется 42-процентный прирост объема отечественных генерирующих мощностей.

Одним  из основных трендов современной тепловой энергетики является широкое внедрение энергоэффективных газотурбинных электростанций (ГТЭС).

Сегодня на АЭС приходится около 20% отечественных генерирующих мощностей. За ближайшую четверть века данный показатель может  достигнуть  одной трети.

Стратегия развития госкорпорации  РОСАТОМ предполагает формирование ядерной энергетики с использованием реакторов на тепловых и на быстрых нейтронах, а также замыкание ядерного топливного цикла.

Наряду с этим, прорабатывается возможность поэтапного отказа от ядерных реакторов на тепловых нейтронах. Возможность реализации данного сценария, главным образом, будет зависеть от экономических характеристик энергоблоков с ядерными реакторами на быстрых нейтронах.

Сегодня ведутся научно - исследовательские и опытно-конструкторские работы по ядерным реакторам на быстрых нейтронах: БН – 1200М и БРЕСТ-ОД-300,  с натриевым и свинцовым теплоносителями, соответственно. Оснащенный первым реактором, пятый энергоблок Белоярской АЭС должен вступить в строй в 2034 году. Пятью годами ранее, в 2029 году, в Северске должен состоятся физический пуск  ядерного ректора                БРЕСТ- ОД-300.

В эти дни осуществляется вывод из эксплуатации Билибинской АЭС. Важность этого события определяется тем, что в ближайшие четверть века предстоит вывести из эксплуатации минимум 16 атомных  энергоблоков и три атомных ледокола.

Одной из острейших  проблем атомной энергетики является наличие в отработанном ядерном топливе высокорадиоактивных долгоживущих трансурановых элементов (минорных актинидов).

Ввиду того, что периоды полураспада для данных элементов измеряются сотнями тысяч и и миллионами лет, хранение «зараженных» ими отходов ядерной энергетики требует создания сверхнадежных складов, в качестве которых могут выступать лишь геологические образования, при наличии достоверного и долгосрочного  прогноза их динамики.

На Большом физическом стенде (БФС) в ГНЦ РФ ФЭИ была смоделирована активная зона ядерного реактора БРЕСТ-ОД-300. В числе прочего, была показана возможность размещения ядерных отходов в активной зоне данного реактора с целью достижения трансмутации минорных актинидов в менее долгоживущие элементы.
В 2007 году  государственная корпорация РОСАТОМ начала постройку  первой отечественной   плавучей атомной электростанции (ПАЭС), электрической мощностью 35 МВт.

Данный объект энергетической инфраструктуры представляет собой буксируемую  баржу  длинной - 140, шириной - 30 метров и водоизмещением в 21 тыс. тонн.
Первая российская  ПАЭС оснащена вместительными  складами нового и отработанного ядерного топлива, что обеспечивает возможность  ее непрерывной эксплуатации на одном месте  в течении 10-12 лет.

С 22 мая 2020 года первая российская ПАЭС «Академик Ломоносов» эксплуатируется для энергоснабжения чукотского порта Певек. В планах госкорпорации  РОСАТОМ постройка еще нескольких ПАЭС для энергоснабжения отдаленных районов   Приморья, а также  для сдачи в лизинг зарубежным партнерам.

Концепция ПАЭС подвергается существенной и вполне обоснованной критике. Наличие на подобных объектах больших запасов отработанного и, стало быть, высокорадиоактивного ядерного топлива делает их  привлекательной мишенью террористов, а также создает существенные риски, в случае стихийных бедствий,  или нештатных ситуаций, при буксировке.

Сегодня, наряду с плавучими, в нашей стране разрабатываются и другие концепции транспортабельных АЭС. Для них  корпорация РОСАТОМ создает водо-водяные ядерные реакторы проектов: «Елена», «Шельф-М» и «Ритм-200».
Еще одну концепцию транспортабельных АЭС предлагает ГНЦ РФ ФЭИ.

Суть проекта состоит в использовании реактора на быстрых нейтронах с                естественной (безнасосной)  циркуляцией  свинцово - висмутова теплоносителя.
Ввиду того, что коэффициент температурного расширения подобного теплоносителя крайне мал, многократные пуски и остановки реактора не приводят к физическому разрушению его активной зоны.
Отсутствие воды в первом контуре позволяет безопасно эксплуатировать установку в условиях Крайнего Севера.

Установка, по сути, является одноразовой, возможность перезагрузки топлива после окончания двадцатилетней кампании не предусмотрена.
 Эксплуатация подобного ядерного объекта  не требует присутствия на нем обслуживающего персонала, из-за чего в перспективе может понадобиться коррекция существующей регламентной  базы.

В 1971 году в Ленинграде по инициативе отечественного геофизика                М. И. Будыго (1920-2011) проходил первый международный симпозиум по климатологии. Это научное мероприятие положило начало изучению, обуславливаемых выбросами углекислого газа, причин изменения климата, что, в свою очередь, породило запрос на постепенный переход к безуглеродной (декарбонизованной) экономике. Подкреплением  данного тренда стал нефтяной кризис 1970-х годов, когда стоимость барреля черного золота выросла с 2.7 до 11$ .

В подобных обстоятельствах ядерная энергетика виделась очень  перспективной. При этом, ее основным недостатком виделась невозможность энергообеспечения мобильных потребителей, прежде всего, транспорта.

Ввиду того, что удельная емкость существовавших в те годы аккумуляторов была относительно низка, одним из перспективных способов куперации энергии виделось получение, хранение и последующие использование,   представляющего собой наиболее энергоэффективное топливо,  водорода.

15 апреля 1988 года состоялся полет, созданного на базе Ту – 154, Ту – 155 – первого в мире самолета, один из  трех реактивных двигателей которого работал на водороде.

Крайне низкие температура кипения (-252;С) и плотность (0.09кг/м;), а также взрывоопасность  первого элемента таблицы Менделеева обуславливают технические трудности его длительного хранения.

Ученым из НИЦ «Курчатовский институт», отчасти, удалось решить проблему безопасности, разработав технологии хранения газообразного водорода в пористых средах.

Относительная кратковременность работы ракетных двигателей во многом упрощает использование водорода в качестве топлива.

Но, на вышеупомянутом самолете Ту-155 было необходимо установить двадцатитонные криогенные баки, вмещавшие менее двух тонн водорода. Это позволяло совершать двухчасовые полеты. В то время, как, использующий в качестве топлива авиационный  керосин, ТУ-154 мог на одной заправке находиться в воздухе до шести часов.

В этом году французская  компания Beyond Aero анонсировала десятиместный водородный  пассажирский самолет BAY -1. Технологической особенностью машины станет использование уникальных топливных элементов, позволяющих напрямую преобразовывать, выделяющуюся при окислении водорода, тепловую энергию в электричество.


Проблема использования ядерной энергии для получения водорода во многом открыта.

Преобразование атомной энергии в электрическую, и использование последней для получения водорода электролизом воды – достаточно затратно: 65 кВтч/кг.

Снижение энергозатрат на электролиз воды может быть достигнуто использованием протонных мембран. В 2023 году данная технология была апробирована для наработки водорода на собственные нужды Кольской АЭС.

В нижегородском ОКБМ им. И. И. Африкантова ученые РОСАТОМа работают над применением высокотемпературных газоохлаждаемых ядерных реакторов для получения водорода термическим разложением (плазменным пиролизом) природного газа. По энергоэффективности данная технология в 4.5 – 6 раз превосходит вышеупомянутый  электролиз воды.

Подводя итоги, можно отметить, что, принятый 105 лет назад, план электрофикации страны, по сути, явившись первым крупным проектом Советской власти, консолидировал существенную часть общества, быстро изменил образ жизни большей части населения, создал предпосылки для выживания и всестороннего развития советского государства, преумножения качества его человеческого капитала. Отечественная энергетика, при этом, прошла нелегкий, но, вместе с тем, славный путь: от использования  торфа – к замкнутому топливному циклу.