МИФИ (технический университет), г. Москва

Для начала давайте рассмотрим вопрос, что такое тепловые выбросы и откуда они берутся.

Из курса физики мы помним, что любая тепловая машина характеризуется такой величиной как КПД, показывающей отношение полезной работы к затраченной энергии. На современных АЭС КПД составляет примерно 30-35%. Это означает, что большая часть тепловой энергии (65-70 %) выбрасывается в окружающую среду.

Пути попадания этого тепла в окружающую среду для ТЭС и АЭС — различны. На ТЭС большая часть тепла выбрасывается вместе с продуктами сгорания в атмосферу. Продукты сгорания, в свою очередь, способствуют возникновению парникового эффекта, т.е. происходит вторичное тепловое загрязнение. Другая часть тепла ТЭС попадает в окружающую среду через конденсаторы турбин.

На АЭС же всё тепло попадает в окружающую среду через конденсаторы турбин и направляется либо в водоем-охладитель, либо в атмосферу через градирни.

Рассмотрим теперь поподробнее ситуацию с тепловым загрязнением АЭС.

Многие современные российские и зарубежные АЭС используют для охлаждения градирни и водоемы-охладители. При этом расход воды, охлаждающей конденсаторы турбин, составляет примерно 50 м³/с на 1000 МВт электрической мощности, а её температура при этом не должна повышаться более чем на 10є. Для отвода такого количества тепла необходимо иметь площадь зеркала водоема-охладителя 10-12 км² на 1000 МВт, при этом количество воды, идущей на испарение, достигает 30·10⁶ м³/год.

Помимо чисто экономических потерь, связанных с отсутствием утилизации значительной части вырабатываемой энергии, сброс тепла через существующие системы охлаждения приводит к экономическому ущербу в регионе. Так, тепловое загрязнение водоема-охладителя меняет естественный статус его экосистемы. В качестве водоемов-охладителей АЭС в России используются в основном природные водные системы. Поэтому на них должны распространяться все экологические требования по охране природных вод от загрязнения, в том числе и теплового.

Испарение большого количества воды измененяет климат в регионе, что приводит к разнообразным последствиям, в том числе усилению коррозии проводов и аппаратуры, обледенению и туманам, ухудшению здоровья населения и т.д.

Теперь, если мы захотим увеличить мощность АЭС или построить новый блок, то должны будем учитывать уже сложившуюся экосистему в районе АЭС. И соответственно увеличение тепловой мощности потребует принятия дополнительных мер по отводу тепла от станции:

• Увеличить площадь водоема охладителя (найти новый, построить дамбу).
• Построить новые градирни.
• Перейти на комбинированную систему охлаждения (Градирни + водоем-охладитель).
• Найти потребителей тепла АЭС (например, рыбоводческое или сельское хозяйство).

Рассмотрим решения этой проблемы на примере одной из российских АЭС.

На Калининской АЭС в связи с предстоящим пуском 3-го энергоблока экологические проблемы обостряются, т.к. существующая площадь озер Песьво и Удомля имеет предельное значение для охлаждения 2000 МВт установленной мощности. Увеличение площади озер при пуске 2-го энергоблока привело к подтоплению подвалов близлежащего города Удомля. Дальнейшее увеличение площади водоемов-охладителей невозможно, т.к. приведет к поднятию уровня грунтовых вод и заболачиванию территории. Следовательно, необходимы другие способы рассеивания и утилизации сбросного тепла, которые позволят уменьшить экологический ущерб и повысят эффективность использования вырабатываемой энергии.

Мировая политика в области энергетики нацелена в настоящее время не на увеличение производства, а на сбережение энергетических ресурсов, повышение эффективности их использования и снижение энергоемкости производств. Актуальность проблемы будет расти по мере исчерпания источников энергии и удорожания топлива.

Для России с ее холодным климатом (70% территории относятся к регионам Севера и приравненных к ним районам) перспектива использования низкопотенциального сбросного тепла объектов энергетически является очень актуальной. Существующий опыт создания рыбных хозяйств на термальных водах электростанций показывает их экономическую эффективность. При этом в отличие от сбросных вод ТЭС, которые имеют большой комплекс химических загрязнений, термальные воды АЭС практически чистые, что расширяет возможности их использования для производства чистых пищевых продуктов.

Итак, суммируя все сказанное выше, можно предложить иной путь решения проблемы тепловых выбросов, превратить тепловые выбросы из врага в союзника позволит создание энерго-биологического комплекса (ЭБК). Обратимся к нашему рисунку.

Итак, тепло со станции направляется на:

• подогрев открытого грунта,
• подогрев тепличного хозяйства,
• подогрев водоема в рыбоводческом хозяйстве,
• обеспечение нужд микро-биологического комплекса.

Первые три блока, используя тепло станции, производят пищевую продукцию, четвертый блок в основном служит для переработки отходов первых трех блоков и обеспечения их удобрениями.

Рассмотрим чуть подробнее, как работает каждый блок, и как он связан с остальными.

Подогрев открытого грунта, происходящий при помощи полиэтиленовых труб, проложенных в грунте, позволяет продлить сроки вегетации растений и снимать по два урожая за год. Кроме того, часть урожая может быть использована на производстве кормов для рыбхоза. Отходы в виде неиспользуемой биомассы направляются в микробиологическое производство.

Рыбоводческое хозяйство использует тепло АЭС для разведения “пищевых” сортов рыб в садковом хозяйстве и в естественном водоеме. Также при помощи тепла АЭС происходит выращивание некоторых сортов водорослей, которые могут быть использованы в микробиологическом производстве, в тепличных хозяйствах и в качестве корма для рыб.

Тепличные хозяйства получают тепло от АЭС круглый год и используются для выращивания овощей и цветов. Во многом связь теплиц с другими объектами ЭБК напоминает связи открытого грунта.

Микробиологический комплекс является поистине самым важным и интересным объектом ЭБК. Основная его задача сводится к переработке отходов остальных объектов ЭБК, производстве удобрений и кормовых добавок на основе синтеза белка. Этот объект фактически замыкает связи ЭБК в закрытый цикл и превращает ЭБК АЭС в безотходное экологически чистое производство.

Как показывает опыт создания ЭБК на Курской АЭС, значительный экономический эффект может быть получен при комплексном использовании сбросного тепла (рыбное хозяйство, теплицы, подогрев открытого грунта, микробиологический синтез). За счет обогрева почвы появляется возможность получить 2 урожая в год с/х продукции, уменьшить технологический расход воды за счет снижения потерь на испарение и решить указанные выше экологические проблемы.

Подобное производство является высоко технологичным, что дает возможность автоматизировать большинство стадий. Комплексный, многоотраслевой характер производства позволяет осуществить замкнутый малоотходный цикл. Создание подобного комплекса на Калининской АЭС позволит не только решить продовольственную проблему данного региона, но и производить ряд продуктов для поставки в близлежащие регионы (в т.ч. Москву и С.-Петербург), например, круглогодичные поставки свежей зелени овощей, цветов, грибов и т.д.

Срок окупаемости ЭБК (по оценкам Атомэнергопроекта) составляет 6-7 лет, затраты 35-40% стоимости продукции.

Такой комплекс решил бы проблему занятости высококвалифицированных специалистов из разных областей науки и техники и создал наукоемкий полигон для отработки самых перспективных технологий производства биологической продукции для XI века.

МИФИ как технический университет располагает квалифицированными кадрами в самых различных областях технологии ядерной энергетики и мог бы взять на себя решение столь актуальной народно-хозяйственной задачи, как создание ЭБК на Калининской АЭС на основе самых современных технологий, в т.ч. систем управления на основе компьютерной техники.

Кафедра биофизики, радиационной физики и экологии МИФИ имеет большой опыт работы на АЭС бывшего СССР, в т.ч. Калининской АЭС. В течение примерно 15 лет нами проводились работы по созданию систем мониторинга и оценки влияния теплового сброса на экосистемы водоемов-охладителей Игналинской, Курской, Чернобыльской и Калининской АЭС.

Кафедра выпускает специалистов широкого профиля, имеющих подготовку не только в области радиационной физики, но и биофизики, экологии, биохимии, генной инженерии, микробиологического синтеза. В последние годы студенты и выпускники кафедры активно подключились к работам в области создания трансгенных растений с заданными свойствами. Это направление позволяет существенно сократить сроки селекции.