ПОДЗЕМНАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Владимир Юровицкий,
Небит-Даг

А.Д.Сахаров и ядерная энергетика

В наследии, оставленном нам великим гуманистом А.Д.Сахаровым, важнейшей частью, к сожалению, до сих пор неоцененной, является его борьба за безопасную ядерную энергетику, которую он мыслил только в виде подземной ядерной энергетики. Автор, как представляется, имел определенное отношение к становлению этих взглядов. В конце семидесятых годов в стране интенсивно обсуждалась программа развития ядерной энергетики. Именно в то время у автора появилось сомнение и беспокойство за судьбы человеческой цивилизации в условиях крупномасштабного развития ядерной энергетики существующего типа. В 1979 году он направляет во ВНИИГПЭ заявку на новый способ использования ядерной энергии, который он назвал "гравитационно-термодинамическим". В частности, в заявочных материалах, за семь лет до Чернобыля, автор писал: "Безопасной ядерной электростанции при существующей схеме получения электроэнергии создать принципиально невозможно, возможность аварии с катастрофическими последствиями есть органический и неустранимый порок самой этой схемы, и потому автор считает, что обеспокоенность населения развитием ядерной энергетики, несмотря на все уверения ученых, вполне обоснованна".

В начале 1980г. автор направил эти материалы А.Д.Сахарову на его адрес заключения в Горьком. Автору известно о том, что Андрей Дмитриевич дал автору ответ, но, увы, в ситуации того времени он был похищен не без участия известных органов. Летом 1980 г. автор предпринял попытку лично встретиться с "опальным узником", но был остановлен у порога квартиры А.Д.Сахарова и после длительного допроса выдворен из Горького. А через год был подвергнут тюремному и психиатрическому наказанию по сфабрикованному обвинению, причем сотрудники ГБ прямо связывали это с посещением Горького.

Сразу же после Чернобыля автор обратился в правительственные инстанции, охарактеризовав Чернобыль как "преступление" (официальной была формула "беды") и предложил немедленно приступить к разработке альтернативной программы развития ядерной энергетики, во главе которой должен быть поставлен А.Д.Сахаров. Интересно, что в это же самое время А.Д.Сахаров обращается с аналогичным предложением к Президенту АН СССР Г.И.Марчуку, причем, по свидетельству Б.Л.Альтшулера (личное письмо), в нем А.Д.Сахаров прямо ссылается на работу автора.

Но хотелось бы отметить и разницу в наших подходах к развитию подземной ядерной энергетики. Как можно судить, А.Д.Сахаров мыслил подземную ядерную энергетику в виде обычных АЭС, только размещенных на достаточной глубине под землей. Однако, в своем последнем выступлении по этому вопросу ("Искусство кино",8'89) он уже говорит о "подземных ядерных реакторах", что не совсем то же, что и "подземные атомные электростанции", и, видимо, свидетельствует об определенной эволюции его взглядов в сторону автора.

Впервые публично эта концепция в упрощенном виде была изложена автором на страницах журнала "Изобретатель и рационализатор" (№ 7 1988 г.), чему предшествовали длительные переговоры о предисловии к ней А.Д.Сахарова, которому в то время в массовые средства информации путь был закрыт. К сожалению, в конце концов он отказался от этого ввиду публикации своих взглядов по этому же вопросу в "Московских новостях".

В данной статье автор развивает и углубляет идеи подземной ядерной энергетики, причем в основном касается проблемы подземных ядерных реакторов.

Подземная гравитационно-термодинамическая ядерная энергетика

Достоинства подземного расположения ядерных реакторов очевидны — это недоступность для терроризма, невозможность поражения их с воздуха(ядерная война неядерными средствами), исключение МГА (максимальной гипотетической аварии) с катастрофическими последствиями (типа чернобыльской), освобождение поверхности земли и ее незагрязнение.

Однако, простое, механическое перенесение существующих АЭС под землю (что, впрочем, уже имеется), не даст большого эффекта. Во-первых, очень дорого, а, во-вторых, загрязнение подземного пространства может оказаться еще опаснее. Представим себе "подземный Чернобыль". Как бы его удалось заглушить? Это было бы еще катастрофичней. Вот почему вопрос должен стоять не просто о перенесении АЭС под землю, а о полном изменении самой схемы и конструкции ядерно-энергетических устройств, изменении самой инженерной идеологии ядерной энергетики.

И такое изменение можно осуществить, отказавшись от одного из инженерных фетишей в энергетике - конструирование максимально компактных устройств и систем. И революционным шагом в этом направлении должно стать разделение АЭС по вертикали. Реакторы – под землей. Им на поверхности земли нет места. Турбоэлектрическое хозяйство — на поверхности, под землей ему нечего делать.

Но перенеся реактор под землю, мы включаем в "игру" новую физическую силу — гравитационную силу, которой мы и должны "распорядиться" с максимальной эффективностью.

Для того, чтобы исключить даже самое маловероятное появление радиоактивности на поверхности, схема энергетического использования ядерной энергии должна быть, как минимум, трехконтурной. Только в этом случае можно полностью гарантировать, что разрыв любого контура не приведет к выносу радиации на поверхность земли.

Второе условие — это исключение "внутренних" насосов, точнее, любых устройств с движущимися частями, как недостаточно надежных, необходимо, чтобы для функционирования жизненной части этой системы вообще не было бы необходимости в электроэнергии.

Третье условие — использование во всех контурах наиболее дешевого и экологически чистого теплоносителя — воды. На рис.1 изображена простейшая схема получения технологического пара с помощью подземно-расположенного ядерного реактора (ПРЯР). Легко видеть, что давление во всех контурах поддерживается весом столба жидкости с использованием поршневых разделителей для разделения контуров циркуляции. В этой схеме перепад высот между объектами циркуляции как раз и определяет термодинамику в верхних теплообменниках контура. Одновременно этот же перепад высот определяет и динамику движения теплоносителя, ибо этот же самый перепад является "движущей силой" в контуре циркуляции, определяемой разностью веса в водяной и паровой ветвях. И такая жесткая связь механо- и термодинамических параметров с геометрическими характеристиками может представить определенные неудобства. Глубина расположения рабочего парогенератора задает параметры рабочего пара на поверхности. Если использовать этот пар в схеме городского теплоснабжения, то глубина этой отметки может быть около 2ОО метров, получаемый при этом пар с давлением примерно 18 кгс/кв.см вполне удовлетворяет требованиям городского теплоснабжения. При этом давлении пар поступает в домовые или квартальные бойлерные, в которых нагревает воду, поступающую непосредственно в дома и квартиры, а конденсат из бойлерных самотеком вновь поступает в систему парогенерации. Таким образом, здесь вообще нет ни одного устройства с подвижными частями, что определяет высочайшую надежность такой схемы. В дома и квартиры поступает горячая вода уже из четвертого(!) контура циркуляции, что дает абсолютные гарантии, что радиоактивность ни при каких условиях не окажется внутри вашего дома. Такого рода система теплоснабжения может вполне размещаться прямо под центром города для снижения тепловых потерь в теплосети при полнейшей безопасности. Конечно, об одной только мысли, чтобы прямо под Красной Площадью расположить ядерный реактор, москвича мороз по коже продерет, и, тем ни менее, это очень здравая мысль, которая способна резко улучшить экологическую обстановку в городе и нормализовать теплоснабжение. Но до этого, естественно, надо дорасти.

На Камчатке, в Исландии используется электро- и теплостанции на подземном тепле, гейзерные станции тепло и электроснабжения. Фактически, предлагается обычная подземная гейзерная электро- и теплостания, но подземный источник тепла делается искусственно посредством ядерного реактора.

На рис.2 изображена схема ядерной электростанции с ПРЯР. Здесь уже давление рабочего пара должно быть существенно выше — примерно 25О кгс/кв.см. Размещение парогенератора на соответствующей глубине — две с половиной тысячи метров — может составить проблему, точнее, может оказаться чрезмерно дорогостоящим. Поэтому в этой схеме давление в рабочем контуре парогенератора поддерживается насосом конденсата, расположенным на поверхности, а в остальные контура передается через связанную по давлению систему. При этом разделение контуров осуществляется с помощью поршневых мультипликаторов давления. В результате мы получаем "развязку" между механодинамическими и термодинамическими параметрами циркуляции. Механика движения жидкости в контуре определяется разностью высот в отметках контура, а термодинамика — мультипликатором давления.

Отметим, что значительное улучшение экономических характеристик станции можно получить на основе комплексирования ядерной и химической энергии, для чего на поверхности можно дополнительно поместить пароперегреватель на химическом топливе, например, газовом.

Таким образом, ядерная энергия будет использоваться для наиболее энергоемкой части — превращения воды в пар, а химическая энергия используется для "корректировки" термодинамического состояния рабочего пара перед подачей его на турбины. Ясно, что для наземных АЭС такое решение неприемлемо, ибо представляло бы слишком большое усложнение конструкции станции. Для электростанций с ПРЯР это уже вполне допустимо и оправданно, тем более, что это позволяет использовать и более дешевые турбины перегретого пара.

Еще один интересный момент. Возможный режим работы теплообменников — режим работы без кипения. А кипение, парообразование и сепарация пара происходит в вертикальных каналах, имеющих большую протяженность. Ввиду этого парогенератор рабочего пара может быть выполнен по схеме выпарного аппарата, работающего на минерализованной воде. В результате АЭС с ПРЯР может стать не только источником электроэнергии, но и источником пресной воды. В этом случае нам даже нет особой нужды стремиться к высоким энергетическим показателям АЭС, ибо их ухудшение будет одновременно означать увеличение производства пресной воды, которая может быть не менее ценным выходным продуктом, чем электроэнергия. Такая конструкция АЭС может быть особенно важна для водонедостаточных регионов, например, для Средней Азии. АЭС с установленной мощностью 1 ГВт может дать О,О1 кубокилометра пресной воды в год, что позволит при рациональной системе орошения (а наличие одновременно и большого количества электроэнергии позволяет это легко сделать) оросить более 1ОО тысяч гектаров земли. Не окажется ли именно ядерная энергетика "спасителем" Арала?

Рассмотрим вопросы физической безопасности реактора. В случае резкого падения давления в контуре реактора срабатывает обратный клапан между контурами реактора и радиационной развязки, и вода из вышележащего контура самотеком начнет поступать в реактор, причем для предотвращения теплового удара будет поступать именно нагретая вода. Падение давления в промежуточном контуре приведет в свою очередь к срабатыванию второго обратного клапана и вода из контура рабочего теплоносителя также начнет поступать в промежуточный контур. Наконец, при падении давления в рабочем контуре сработает следующий обратный клапан, и в этот контур начнет поступать вода с поверхностного аварийного резервуара. В случае же резкого повышения давления в реакторе произойдет срабатывание взрывного клапана, пар начнет поступать из реактора в нижерасположенный барботер, в результате конденсации пара давление в реакторе упадет, и вновь сработает цепочка подачи воды с поверхности через промежуточные теплообменники, предохраняющая от термических перенапряжений твэлов и других конструктивных узлов реактора.

Таким образом, подземное расположение ядерных реакторов позволяет эффективно решить проблему их "физической" безопасности. Но даже если, тем ни менее, произойдет полное разрушение ядерного реактора, расплавление активной зоны, неконтролируемая цепная реакция, то и в этом случае катастрофа легко предотвращается тампонажем реактора и реакторной камеры с земли специальными составами с добавкой нейтроннопоглощающих материалов. В таком замоноличенном состоянии реактор может храниться сотни лет, не представляя никакой реальной опасности для подземной среды.

Меняется в корне весь подход в ядерно-энергетическом аппаратостроении. Вместо устройств с толстенными стальными стенками аппараты подземной ядерной энергетики должны быть шахтами и скважинами в земной породе, с забетонированными стенками и изнутри офутерованными специальными материалами. Именно земная порода должна принимать на себя внутреннее давление этих аппаратов. Строителями атомных электростанций должны стать прежде всего метро- и шахтостроители и буровики. Аналогично и основные трубопроводы должны быть выполнены по схеме подземных нефтяных скважин. Видимо, потребуется для их выполнения использовать две обсадные колонны. Пространство между ними заполнять высокоплотным и непроницаемым для воды и пара тампонажным раствором, а пространство между породой и внешней обсадной трубой заполнять низкотеплопроводным тампонажным материалом.

И должна быть изменена сама идеология строительства АЭС. Вместо нынешнего проектного срока эксплуатации в 25—3О лет (а что потом делать с отработавшими АЭС?), подземные АЭС должны строиться с расчетом на эксплуатацию их в течение сотен лет, на века, аналогично тому, какие рассчитывает же, что метро прослужит несколько десятков лет, а затем будет "списано и демонтировано". В этой схеме затраты по строительству мало связаны с мощностью АЭС, потому выгодно делать их с чрезвычайно большими единичными мощностями. При этом вовсе нет нужды создавать реакторы-мастодонты на гигаватты тепловой мощности. Вполне можно использовать отдельные модули умеренной мощности, работающие на единую "трубу", к которой на поверхности может быть подключено несколько турбогенераторов. Разрыв жесткой связи между реактором и турбогенератором также является чрезвычайно полезным свойством этой схемы.

Путешествие по подземной ядерной электростанции

Думается, что даже специалисту, хорошо разбирающемуся в схемах и технических чертежах, было бы полезным попытаться наглядно представить такую АЭС.

Поэтому давайте вместе совершим "экскурсию" на подземную АЭС.

Электростанция расположена на 5 уровнях. Нулевой уровень —это поверхность земли. Здесь специалист вряд ли найдет для себя что-то новое. Обычный турбинный зал, конденсатное хозяйство с конденсатным насосом и электроподстанция.

На лифте спускаемся на первый уровень, располагающийся на отметке -1ОО метров. Заходим в подземный зал рабочего парогенератора. В центре зала железная плита, которая и закрывает шахту парогенератора. Внутри этой шахты расположен теплообменник. Трубопроводы проходят также внутри земли и наружу выходят только в месте расположения запорной арматуры. Спускаемся на второй уровень. Этот уровень расположен на отметке -2ОО метров. Никаких различий с первым уровнем практически нет. Внешне зал выглядит точно также как и зал предыдущего уровня. Единственное различие состоит в размещении в углу зала высокого цилиндра механического мультипликатора давления. Здесь расположен промежуточный теплообменник. Но на третьем уровне, на отметке — 3ОО метров, нас встречают знаки радиационной опасности, встречают толстые стальные двери. Открываем дверь и попадаем в длинный зал, вдоль которого с одной стороны идут новые стальные двери реакторных отсеков, а по другую сторону приборы и механизмы, необходимые для обслуживания ядерных реакторов. Открываем еще одну стальную дверь и попадаем в отсек ядерного реактора, идущий с поворотом, вдоль которого размещено оборудование для обслуживания именно данного реактора и вновь упираемся в стальную дверь. Открыв ее, попадаем непосредственно в камеру реактора. И опять мы видим только массивную стальную плиту в полу, на которой размещены устройства привода управляющих механизмов реактора. И только под этой стальной плитой уже расположено само "сердце реактора" — реакторная зона с твэлами, поглотителями и т.п.

Наконец, на четвертом уровне расположен аварийный барботер, а также штольни хранения радиоактивных отходов.

Вся станция по величине подземного объема вряд ли превышает объем одной станции метро. И вовсе не поражает какими-то размерами. Но одно действительно поражает нас. На всей подземной территории станции, а она находилась в режиме нормальной работы, мы не встретили ни одного человека. Станция работала, но все ее подземное пространство находилось "под замком".

Рядом со станцией и являясь ее естественным продолжением, в подземном пространстве располагается научно-производственный центр радиационной технологии, который занимается утилизацией радиоактивных отходов и использованием их в научных и производственных целях – для получения и облагораживания материалов, для стерилизации, для воздействия на семенной материал, для биологических и медицинских целей, центр ведет научно-исследовательские работы в области радиационной физики, химии, биологии, медицины. Этим решается сразу две задачи - превращение "радиоактивных отходов" в "радиационное золото" и предотвращение распространения и засорения радиоактивными материалами поверхности Земли.

Итак, мы попытались показать, что подземная ядерная энергетика - это вовсе не какая-то фантастика. Она вполне реальна и сулит безопасность, экологичность, дешевизну. В чисто научном плане здесь разрабатывать нечего. Ее надо просто проектировать.

И тем ни менее, перед наукой создание подземной ядерной энергетики ставит новые задачи в плане разработки теории движения многофазных конвергируемых сплошных термодинамических сред в гравитационном поле.

Советская ядерно-энергетическая программа получила от Чернобыля такой удар, который, видимо, окажется смертельным. Народ не допустит строительства хотя бы еще одного потенциального чернобыля. Изменение самой идеологии в ядерно-энергетическом вопросе позволит оживить ядерную энергетику в СССР. К сожалению, видимо прав Андрей Дмитриевич Сахаров, голос которого в этом вопросе до сих пор не услышан специалистами по ядерной энергетике, когда говорил, что вопрос о строительстве подземных АЭС может быть решен только на уровне политическом и социальном. Специализированные ведомства его в принципе не могут решить. (См. "Природа", 8'90, с. 80).

Андрей Дмитриевич Сахаров оставил нам, в качестве одного из важнейших моментов своего завещания, задачу — изгнать ядерную энергию "с лица Земли". Первый шаг к этому — запрет испытаний ядерного оружия в "трех средах", в достижении чего его вклад весьма велик. Теперь нужно сделать следующий шаг. И широкое общественное движение в поддержку этого "завета" сможет заставить прислушаться к голосу разума и стону оскверненной и оскверняемой природы технических специалистов, администраторов и политиков.
октябрь 1990г. http://yur.ru/technics/AtomStation.htm