Опыт и перспективы развития атомного опреснения в Казахстане

ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АТОМНОГО ОПРЕСНЕНИЯ В КАЗАХСТАНЕ
Е.Д.Муралев
ТОО «МАЭК-Казатомпром», Актау, Казахстан
По мнению международных экспертов, проблема дефицита пресной воды, станет
одной из самых острых к середине ХХI века. По данным ООН, уже сегодня дефицит воды,
включая сельскохозяйственные и промышленные нужды, оценивается в 230 млрд куб м в год
/1/. К 2025 г. 3,2 млрд жителей нашей планеты будут страдать от недостатка воды, дефицит
которой к этому времени увеличится до 1,3 – 2,0 трлн куб. м в год. А к 2050 году, согласно
данным ЮНЕСКО, уже 7 миллиардов человек в 60 странах (по пессимистическим прогнозам)
или 2 миллиарда человек в 48 странах (по оптимистическим прогнозам) столкнутся с
проблемой нехватки воды /2/.
Почти три четверти поверхности земли покрыты водой, предполагаемый объём
которой составляет1.3х1018 м3. Однако, 97.5 % этого количества составляют воды океанов,
имеющие высокое солесодержание и непригодные к употреблению человеком.
Из остающихся 2,5% всего объема воды приходится на пресные поверхностные воды
(реки, ручьи, озера, болота). Из примерно 32,5 х1015 м3. пресной воды большая часть – 24,4
х1015 м3 заперты в ледниках, льдах, вечной мерзлоте. 10,7 х1015 м3 скрыты под землей. Лишь
9х1012 м3 действительно доступны для использования и 3.5х1012 м3 находится в
водохранилищах и водоемах, что в сумме составляет менее 0,001% от общего количества
воды на земле.
Радикальным решением вопроса является обеспечение населения и промышленных
предприятий прибрежных территорий водой, полученной при опреснении морской, при
условии, что другие способы водоснабжения менее рентабельны.
На конец 2009 года по оценке международной ассоциации по опреснению (IDA)
приблизительно 68,5 миллионов м3/сут опресненной воды вырабатывалось на 14 754
опреснительных заводах, установленных в различных частях мира.
К настоящему времени разработано и реализовано большое количество процессов
опреснения солёных вод, основанных на различных принципах отделения пресной воды от
солей: химическом (ионный обмен), термической дистилляции, вымораживании, мембранном
и других.
Рис.1 Распределение установленных мощностей опреснения морской воды по
применяемой технологии опреснения
1
Основными процессами обессоливания морской воды являются:
– MSF (Multi Stage Flash - многоступенчатое мгновенное вскипание) – 25,7%
мирового рынка;
– RO (Reverse Osmosis - обратный осмос) -61,1%;
– MED (Multi Effect Distillation - многоступенчатая пленочная дистилляция) – 8,3%.
(см.рис.1)
Уровень современного развития опреснительной техники не позволяет назвать
наиболее экономичный процесс опреснения. Практически в каждом конкретном случае,
особенно при создании крупных опреснительных комплексов, требуется выполнять техникоэкономическое обоснование выбора наиболее приемлемого варианта.
1 Использование атомной энергии для опреснения воды
Производство пресной воды – энергоемкий процесс и требует надежного источника
или электрической энергии, например для обратного осмоса и установок с механической
компрессией пара, или источника электрической и тепловой энергии для термической
дистилляции.. В качестве первичных энергоресусов, в основном, используются природный
газ, уголь, сланцы, продукты нефтепереработки, но их интенсивное потребление создает
экологические проблемы. Применение возобновляемых ресурсов энергии для опреснения
морской воды привлекательно с экологической точки зрения, но делает стоимость
опресненной воды неприемлемой для населения.
Возможность широкомасштабного использования атомной энергии для опреснения
морской воды представляется весьма привлекательной, поскольку имеется возможность
использования низкопотенциального тепла паровых турбин и/или электроэнергия,
производимых на АЭС по их себестоимости.
В рамках своих программ по неэлектрическому использованию атомной энергии
МАГАТЭ с семидесятых годов объединяет усилия специалистов разных стран для изучения
технических, экономических и других аспектов опреснения с использованием энергии,
полученной на атомном реакторе. В ходе работы были подготовлены и опубликованы
многочисленные технические документы и руководства, материалы международных
симпозиумов и конференций.
Термин «Атомное опреснение» (Nuclear Desalination) трактуется МАГАТЭ, как
получение питьевой воды из морской в установке, использующей ядерный реактор в качестве
источника энергии (электрической и/или тепловой) для процесса опреснения. Установка
может быть предназначена исключительно для производства питьевой воды или для
одновременной выработки электроэнергии и производства пиъевой воды; в последнем случае
на производство воды затрачивается лишь часть энергии, вырабатываемой реактором. В
любом случае термин "атомный опреснитель " обозначает комплексную установку,
состоящую из ядерного реактора и опреснительной системы, размещающихся на общей
площадке, причем энергия для работы опреснительной системы производится
непосредственно в данной установке. Сюда относятся также общие или в различной степени
совместно используемые оборудование, персонал и сооружения
Все ядерные реакторы могут давать энергию, необходимую для процессов опреснения,
и использоваться для опреснения в зависимости от временных рамок приложения. Полезный
опыт был накоплен при использовании ядерных установок в районных системах отопления
Около десяти опреснительных установок были подключены к ядерным реакторам с
водой под давлением (PWR) в Японии, имеется опыт эксплуатации совместной эксплуатации
опреснительных установок и ядерных реакторов в Индии, но самым впечатляющим
подтверждением реализуемости данного направления является 25-летняя эксплуатация
ядерной энергетической установки с натриевым теплоносителем (БН-350) в Актау
(Казахстан) по производству электроэнергии и опреснению морской воды доказавшая
техническую целесообразность создания таких атомно-энергетических комплексов, их
надежность и соответствие требованиям безопасности.
2
2 Атомный опреснительный комплекс в г.Актау (Шевченко), Казахстан
Атомный энергетический комплекс расположен на полуострове Мангышлак
Восточного побережья Каспийского моря в засушливой зоне, с малым количеством осадков и
ограниченным запасом грунтовых вод с соленостью 3.5-5.8 г/л. Комплекс был построен на
площадке, расположенной в 12 км от города Актау, в промышленной зоне, где находятся
производственные предприятия, являющиеся в свою очередь потребителями,
вырабатываемой комплексом электроэнергии, тепла и дистиллята. Станция приготовления
питьевой воды была построена ближе к городу.
Место расположения комплекса было выбрано исходя из требований:
 Минимизировать потери при транспортировке пара и дистиллята промышленным
потребителям;
 Обеспечить необходимый уровень безопасности населения при возникновении
аварийной ситуации на ядерном реакторе;
 Обеспечить требования по экологической безопасности сбросов в Каспийское море,
являющееся рыбохозяйственным водоёмом.
Мангышлакский атомный энергетический комплекс состоял из: реактора БН-350 на
быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, тепловой блочной
электростанции и двух теплоэлектроцентралей, работающих на природном газе, десяти
многоступенчатых дистилляционных опреснительных установок производительностью от
8000 до 14500 м3/сут каждая, станции приготовления питьевой воды, цеха химической
водоочистки для подготовки питательной воды парогенераторов реактора и тепловых
электростанций.
2.1 Реактор БН-350
БН-350 – представляет собой трехконтурный реактор на быстрых нейтронах петлевой
компоновки. В первом и втором контурах в качестве теплоносителя используется жидкий
натрий, в третьем контуре – вода.
Пар для трех турбин с противодавлением и одной конденсационного типа
вырабатывался на пяти парогенераторах с естественной циркуляцией. Активная зона
окружена зоной воспроизводства из обедненного урана. Концентрат железной руды, графит,
сталь и бетон используются для биологической защиты. Управление реактором затруднений
не представляло. Низкое давление теплоносителя в контурах реактора и отсутствие
существенной коррозии оборудования и трубопроводов сводило вероятность возникновения
протечек натрия к минимуму.
Реактор был разработан на тепловую мощность 1000 МВТ, чтобы вырабатывать 250
МВТ электрической энергии и 120 000 дистиллята в сутки, но никогда не эксплуатировался
на полной мощности. Максимальная мощность в 750 MW была достигнута в 1984 году.
Основным препятствием выхода на номинальную мощность было ограничение теплового
потока в парогенераторах, поскольку в работе были, в основном пять петель третьего
контура, шестая находилась в резерве.
При проектном сроке службы в 20 лет реактор проработал 25 лет и, по заключениям
специалистов, срок его эксплуатации мог быть продлен до 2003 года, но в связи с
изменившимися требованиями по ядерной безопасности модернизация реактора требовала
больших капиталовложений, в результате чего в 1999 году было принято решение
правительства о выводе реактора из эксплуатации.
Кратко основные технические параметры реактора и эксплуатационные данные
показаны в таблице 1 и 2 .
3
Таблица 1. Основные технические параметры реактора
Тепловая мощность реактора, МВт
750
Температура натриевого теплоносителя на входе/выходе из первого 288/437
контура, °C
Температура натриевого теплоносителя на входе/выходе из второго 260/420
контура, °C
405
Температура пара на выходе из парогенератора, °C
Давление пара на выходе из парогенератора, МПа
4,5
Количество парогенераторов
5
Таблица 2. Данные по эксплуатации реактора
Период эксплуатации, час
Средняя тепловая мощность, MW
Коэффициент использования установленной мощности
Количество перегрузок
Число незапланированных снижений мощности
Выгорание топлива, %
159 921
592
0.85
56
62
11,8
2.2 Особенности тепловой схемы
На рис.2 показана принципиальная схема атомного энергетического комплекса,
включающего тепловую электроцентраль (ТЭЦ-2) , реакторную установку (РУ БН-350)
дистилляционные опреснительные установки (ДОУ), станцию приготовления питьевой воды
(СППВ) и цех химводоочистки (ХВО).
Рис.2 Схема Атомного Энергетического Комплекса ТОО «МАЭК-Казатомпром»
Основными преимуществами данной схемы являются:
- возможность замещения тепловой мощности реактора при перегрузке или плановом
ремонте парогенераторами ТЭЦ, работающими на газе;
- возможность обеспечивать независимо друг от друга нагрузки по эдектроэнергии,
теплу и дистилляту;
- сокращение затрат на подготовку питательной воды для парогенераторов в связи с
высокой степенью очистки исходной воды (до 2 мг/л);
- надежность работы комплекса в условиях локальной энергосистемы;
4
- снижение себестоимости получения продукции за счет эксплуатации реакторной
установки в базовом режиме, используя для покрытия пиковых нагрузок мощности ТЭЦ.
2.3 Влияние на окружающую среду
Большое преимущество БН-350 - минимальное радиологическое воздействие на
окружающую среду. Средняя эмиссия радиоактивных газов, включая аргон, ксенон и криптон
составляло 0-15 Кu/сут (что в десятки раз ниже допустимого уровня 500 Кu/сут). Эти
газообразные выбросы имеют короткий период полураспада и не вредны для населения.
Эксплуатационный опыт и анализ проектных и запроектных аварий показали, что
радиологические последствия при нормальных эксплуатационных режимах и отклонениях от
них не влияют на качество производимой воды и пара.
Концентрация химических веществ в упаренной и охлаждающей морской воде,
сбрасываемой в море находятся в допустимых пределах. Полная эмиссия радиоактивных
веществ к морю не превышает 1 Ки ежегодно, что меньше 3% от допустимого уровня. Уже
десятилетия, искусственное мелкое озеро, являющееся по своей сути технологическим
отстойником для биологической очистки воды, служит местом для зимовки и гнездовья птиц,
нереста рыб и объявлено государственным заказником.
3 Международное сотрудничество в области атомного опреснения
Для содействия разработкам в области атомного опреснения, Международное
Агентство по Атомной Энергии (МАГАТЭ) проводило сбор соответствующей информации и
ее распространение на различных технических совещаниях, в которых принимали участие
специалисты из государств-членов МАГАТЭ, занятые в эксплуатации, проектировании и
планировании объектов атомного опреснения или заинтересовавшиеся этой проблемой.
В дополнение к опыту Японии и Казахстана в нескольких странах предполагается
демонстрация новых установок атомного опреснения. Например, Республика Корея добилась
определенных успехов в проектировании теплоэнергетической атомной опреснительной
установки на основе реактора SMART мощностью 330 МВт (тепл.). Российская Федерация
активно ведет работы по проекту атомного опреснения на основе серии смонтированных на
барже установок с ядерными реакторами КЛТ-40С. Индия вышла в первые ряды по
демонстрации ядерного опреснения, присоединив новую опреснительную установку к
существующему реактору мощностью 170 МВт (эл.) с тяжелой водой под давлением (PHWR)
в Калпаккаме к югу от Ченнаи. Китай планирует увеличить к 2020 году долю атомной
энергетики до 40 ГВт. В настоящее время в Китае находится в эксплуатации 11 блоков
реакторов мощностью более 9,1 ГВт и в различных стадиях строительства еще 22 блока
общей мощностью 22,1 ГВт. Большая часть проектов имеет в своем составе опреснительные
установки. Так на АЭС Liaoning Hongyanhe строится первая очередь опреснительных
установок производительностью 17000 т/сут с дальнейшим расширением до 100000 т/сут.
С 1999 г. МАГАТЭ реализует проект межрегионального технического сотрудничества
"Проект интегрированной атомно-энергетической и опреснительной системы", призванного
способствовать сотрудничеству между держателями технологий и потенциальными
конечными потребителями. Проект направлен на создание форума поставщиков технологий и
перспективных пользователей для совместной разработки концепций интегрированного
атомного опреснения, а также на демонстрацию жизнеспособности идеи атомного опреснения
на конкретных площадках.
Индонезия, Тунис, Пакистан, Куба, Южная Африка, Кувейт, Саудовская Аравия и
Иран обратились с конкретными запросами о технической помощи в рамках этого проекта
для организации или планирования технико-экономических обоснований для конкретных
местных условий. Некоторые другие развивающиеся страны, которые предвидят обострение
проблем с обеспечением водой и энергией, также проявили серьезную заинтересованность в
проекте.
5
В число стран, которые могут являться поставщиками технологий, по определению
МАГАТЭ, и участвуют в международном сотрудничестве, входят Республика Корея,
Российская Федерация, Аргентина, Канада, Франция и Китай.
Параллельно с этой деятельностью, проводимой МАГАТЭ, в нескольких странах
также планируются и оцениваются демонстрационные проекты. Цель этих проектов состоит в
том, чтобы показать целесообразность использования атомной энергии для опреснения воды
в конкретных условиях.
В 2008 году на 52 сессии Генеральной Конференции МАГАТЭ принят «План
рентабельного производства питьевой воды с использованием атомных реакторов средней и
малой мощности», предусматривающий широкое развитие сотрудничества исследовательских
институтов, производственных компаний, финансовых и государственных организаций странчленов МАГАТЭ.
4 Перспективы Казахстана
Несмотря на громадный интерес в мире к этому направлению, развивается оно
достаточно медленно Сказывается инерция мышления, радиофобия населения, отсутствие
необходимого опыта. И хотя, фактически, атомное опреснение закончилось в Казахстане с
остановом атомного реактора БН-350, до сих пор, по масштабам использования атомной
энергии для производства питьевой воды, еще никто Казахстан не опередил. Накоплен
большой опыт, знания и идеи как нужно строить атомные опреснительные комплексы,
имеются специалисты и необходимая документация.
Планы по строительству реактора ВБЭР-300 в Актау дают шанс опять выйти на
передовые позиции в этом направлении. Важно не упустить время по реализации этой идеи,
поскольку наибольший синергетический эффект может быть достигнут только при
проектировании атомного энергетического комплекса, как единого целого. Парогенераторы,
турбины, промежуточные теплообменники и опреснительные модули должны работать в
одной схеме, в одном цикле с увязыванием всех параметров теплоносителей. Это в свою
очередь повлечет конструктивные изменения самого оборудования.
Проведенные ранее исследования показали, например, что наибольшие потери энергии
происходят при передаче тепла от турбины к опреснительной установке. Чем ближе
расположен опреснительный модуль к турбине, тем ниже энергозатраты на производство
дистиллята. Кроме того, в суровых условиях зимы в Западном Казахстане приходится ставить
усиленную теплоизоляцию на трубопроводы и оборудование опреснительной установки,
монтировать электронагрев. При размещении опреснительного оборудования в турбинном
отделении АЭС появляется возможность значительно сократить капитальные и
эксплуатационные затраты на сооружение атомно-энергетического комплекса. При этом
максимальная эффективность может быть достигнута только при соответствующей адаптации
конструкций турбины и опреснительной установки, изменении традиционного проекта
турбинного отделения блока АЭС. Опреснительное оборудование должно рассматриваться
как часть технологической схемы АЭС и, соответственно, управляться одной
автоматизированной системой управления технологическим процессом, контролироваться
операторами АЭС.
Успешная реализация такого проекта даст мощный толчок развитию атомного
опреснения и позволит участвовать в международном сотрудничестве уже не как стране,
эксплуатирующей современный атомно-энергетический комплекс а как разработчику и
поставщику технологий, которые могут быть реализованы не только на побережье
Каспийского моря, но и в других регионах мира, страдающих от нехватки пресной воды.
Список литературы
1. Всемирный день воды. http://www.cawater-info.net/all_about_water/?p=1332;
2. T.Konishi, B.M.Misra. Fresh water from the Seas. Nuclear desalinations projects are moving
ahead. , IAEA Bulletin, 43/2/2001;
6
3. Introduction of Nuclear Desalination. A Guidebook, Technical Reports Series No.400, IAEA,
Vienna, 2000.
4. E.D.Muralev, P.I.Nazarenko, V.M.Poplavsij, I.A.Kuznetsov, “Experience Gained in the
Operation and Maintenance of the Nuclear Desalination Plant in Aktau, Kazakhstan, Proc.
Int.Symp.on Desalination of sea Water with Nuclear Energy in Taejon, 26-30 May, 1997, IAEA,
Vienna, 1997.
5. E.D.Muralev, Experience in the Application of Nuclear Energy for Desalination and Industrial
Use in Kazakhstan, IAEA-TECDOC-1056 Nuclear Heat Applications: Design Aspects and
Operating Experience, IAEA, Vienna, 1997.
6. Укрепление деятельности Агентства, связанной с ядерной наукой, технологиями и
применениями, GC(52)/RES/12, Oct.2008, IAEA. Vienna, 2008.
7