В последние недели много говорилось об остановке французских АЭС из-за жары. Европу действительно накрыла чуть ли не самая мощная волна жары за последние десятилетия, местами температура держится за +40С.
В этой статье я расскажу о том, насколько серьезно и масштабно это коснулось французских АЭС и почему в СМИ ситуация подается мягко говоря не так, как оно есть на самом деле.
Охлаждение АЭС. Как это работает
Начнем с основ. Да, атомным станциям требуется охлаждение. Как и любой тепловой станции, которая преобразует тепло от сжигания угля, газа или мазута в электричество. АЭС нужно преобразовывать тепло от распада ядер урана в термодинамическом цикле, а значит, в итоге нужно конденсировать пар после турбин и сбрасывать часть тепла в окружающую среду. Против физики не попрешь, вечных двигателей не бывает, КПД всегда ниже 100%.
Чаще всего тепло сбрасывают в водоем – море, реку, озеро или искусственный пруд-охладитель. Последний вариант типичен для российских АЭС. Это называется прямоточное охлаждение. Станция берет воду из реки выше по течению, или из одной части водоема, а потом сбрасывает ниже по течению реки или в другую часть водоема, нагретую на несколько градусов. Это по сути третий контур АЭС, вода при этом не касается реактора и нерадиоактивна.
Для нормальной работы АЭС температура охлаждающей воды может меняться в довольно широких пределах. Чем ниже – тем даже лучше, охлаждение будет более эффективным. Но и в жару технически АЭС может работать. Просто если вода будет выше некоторой величины, то станция будет работать менее эффективно.
Например, на графике ниже можно увидеть зависимость мощности 1-го блока Нововоронежской АЭС-2 от температуры воды, охлаждающей конденсатор [1]. Нормальный диапазон температуры охлаждающей воды должен быть ниже +31 градуса Цельсия. Когда температура выше – мощность блока снижается:
АЭС Франции и жара
Но вернемся к Франции и волнам жары. Дело там даже не в том, что АЭС хуже работают или не могут работать в аномальную жару. Они могут. Но существуют нормативные требования [2], чтобы температура сбрасываемой воды не превышала определенных величин, чтобы не наносить вред речной экосистеме. Это так называемое тепловое загрязнение.
И именно с ним связаны текущие ограничения. Поэтому в ситуации аномальной жары некоторые АЭС вынуждены сбавлять мощность или даже останавливать блоки, чтобы не перегревать реки. Т. е. основная причина – экологические нормативы и, как бы это пафосно не звучало, забота о природе, а не технические проблемы.
При этом, кстати, для некоторых французских АЭС сделаны исключения [3]. По согласованию с регулирующими органами, они должны работать на определенной минимальной мощности для поддержания частоты сети даже если превышают нормативы по температуре сбросов или забору охлаждающей воды.
И такие отступления от правил, на мой взгляд, самое слабое и нехорошее звено в всей этой истории, поскольку тут действительно может быть нанесен ущерб окружающей среде. Впрочем, реальное превышение теплового загрязнения еще нуждается в оценке. И это хорошая задачка для нормальных промышленных экологов и экологических НКО.
При этом ограничения в первую очередь касаются именно атомных станций, расположенных на реках. Из 18 французских АЭС четыре находятся на морском берегу (см. карту выше). Их эти нормативы и волны жары касаются в меньшей степени.
Еще 10 АЭС в континентальной части используют для охлаждения градирни или проще говоря охладительные башни. В них вода испаряется и охлаждается, т. е. тепло напрямую передается атмосфере, а не речной воде.
Градирня. Фото и принцип работы.
С испарением из градирни уносится всего порядка 1%, а остальное идет обратно в контур охлаждения, поэтому такая схема называется закрытой. Градирням нужна лишь небольшая подпитка воды. И это позволяет строить АЭС даже вдали от крупных рек и водоемов.
Например, как Белорусская АЭС – она практически стоит в чистом поле. Хотя на самом деле подпитка ее градирен идет от реки Вилия, которая в семи километрах от станции. Но объем этой воды нужен конечно гораздо меньше, чем было бы нужно для прямоточного охлаждения.
Белорусская АЭС и ее водозабор от реки Вилия в 7 км от станции
Или вот американская АЭС Пало-Верде с тремя мощными блоками PWR по 1300 МВт, которая вообще находится в пустыне на юге Аризоны, а для подпитки градирен использует в том числе воду со станции очистки сточных вод города Феникс.
АЭС Пало-Верде (США) в пустыне Аризоны.
Кстати, в России уже более 15 лет новый Водный кодекс запрещает новым АЭС и ТЭЦ использовать прямоточное охлаждение. Поэтому все новые блоки АЭС, построенные за это время, строятся с градирнями. Даже Ленинградская АЭС-2, расположенная на берегу Финского залива. Первая Ленинградская АЭС с 4 РБМК-1000 более 45 лет работала с прямоточным охлаждением.
Ленинградская АЭС-2 с двумя ВВЭР-1200. Две градирни для первого блока и одна побольше (слева) для второго.
Кстати, про особенности охлаждения российских АЭС, как и в целом про особенности и историю всех отечественных АЭС, я рассказывал в отдельном большом обзоре у себя на канале в Youtube. Посмотрите, если еще не видели.
Но вернемся во Францию. Лишь четыре АЭС там не находятся на берегу моря и не используют градирни для всех своих энергоблоков. Но не для всех из них ситуация такова, что они оказывают серьезное влияние на эти реки. Чаще всего ограничения касаются трех станций: АЭС Bugey, Saint-Alban и Chooz.
АЭС Франции, чаще всего подверженные ограничениям в работе из-за жары. Источник.
АЭС Bugey (4 PWR по 900 МВт) стоит на берегу реки Рон. Да, у нее есть 4 градирни, но они работаю лишь на два энергоблока из четырех. Первые два блока используют прямоточное охлаждение из реки.
АЭС Bugey
Вторая АЭС – Saint-Alban (2 PWR по 1300 МВт). Она находится ниже по течению на той же реке Рон, т. е. поток воды в реке уже больше, как и тепловая емкость. Но оба мощных блока не имеют градирен.
АЭС Saint-Alban
И третья – АЭС Chooz (2 PWR по 1500 МВт). На реке Мез. У обоих ее энергоблоков есть градирни, но АЭС стоит на пяточке Франции, окруженном территорией Бельгии, куда и течет река. Поэтому у этой АЭС особое регулирование и требования к забору воды в случае ее обмеления в жару.
АЭС Chooz
Других АЭС ограничения обычно касаются реже. Например, АЭС Tricastin (4 PWR по 900 МВт) похожа на АЭС Bugey – два блока с градирнями, два без. Но она располагается в более полноводной части реки Рон. Тем не менее, в эту особо сильную волну жары и она сбавляла мощность.
Кстати, интересный факт – эта АЭС обеспечивает энергией соседний заводик Georges Besse II по обогащению урана. Так что суммарный углеродный след этого обогащенного урана очень низкий. Раньше на этом заводе использовали прожорливую диффузионную технологию обогащения, но затем заменили на центрифужную, как в России. Подробнее про технологии обогащения урана можно почитать в моей отдельной статье [4]).
АЭС Tricastin (слева вверху) и маленький заводик по обогащению урана и еще несколько важных французских ядерных производств.
Суммарно же в текущую аномальную жару было отключено около 2 ГВт мощностей АЭС или около 8% их текущей мощности. Это немало в моменте, но длительность таких ограничений небольшая. Для отдельных станций снижение мощности проводилось в течении дней, а иногда и часов [5].
В среднем с 2000 года сокращения годовой выработки французских АЭС, связанное с летней жарой, составляют около 0,3% от годовой выработки [5]. Хотя в отдельные годы с особенно сильными волнами жары, они могут быть выше. Скорее всего в этом году показатель тоже будет выше среднего.
Тем не менее у компании-оператора французских АЭС EDF есть план по климатической адаптации своей инфраструктуры. Ну а новые АЭС будут строить с запасом на охлаждение, т. е. либо у моря, как нынешняя строящаяся АЭС Flamanville, либо с градирнями. Либо это будут малые АЭС, для которых вопрос охлаждения и теплового загрязнения уже не так актуален. О малых АЭС была моя прошлая большая статья [6], там подробнее о всех их плюсах и минусах.
АЭС Flamanville на берегу Ла-Манша. Единственная АЭС, где сейчас ведется строительство нового энергоблока во Франции – третьего блока с реактором EPR-1600 аж с 2007 года.
Атомная энергетика во Франции в целом
В настоящий момент около половины всех АЭС Франции не вырабатывают электроэнергию. Но это, во-первых, во-многом норма, и я сейчас поясню, что имею в виду. А во-вторых, это не имеет отношения к волнам жары. Что, впрочем, не мешает СМИ связывать все отключения именно с жарой.
Поясню почему это почти норма. Каждая АЭС в среднем раз в год на несколько недель останавливается для ремонта и перегрузки топлива. Поскольку летом во Франции потребление энергии меньше, чем зимой, именно летом АЭС в основном и обслуживают. Так что каждый третий блок АЭС летом в ремонте, а это до 15-20 блоков – это вполне нормально для Франции.
А вот что необычно и действительно неприятно – это остановка еще нескольких блоков для проверки технических проблем с коррозией, выявленных еще в прошлом году. У 3 блоков проблему нашли и устраняют, у трех в ходе проверок проблем не выявили, еще на 6 блоках проверка совмещена с плановым ремонтом.
План ближайших остановов французских энергоблоков. Источник.
Все это в сумме дает действительно небывалое снижение выработки АЭС. Ожидается, что по итогу 2022 года выработка АЭС Франции сократится до около 300 ТВт*ч против 360 ТВт*ч в 2021 [7].
Добавлю, что жара оказывает влияние на всю энергетическую инфраструктуру. Лесные пожары приводят к обрывам линий электропередач. Обычные станции на угле и газе тоже сбрасывают тепло в горячие реки. Снижение уровня воды в реках сказывается на их пропускной способности и судоходстве, что ограничивает поставки угля и росту цен этих поставок, как сейчас происходит в Германии. Снижение уровня воды в водохранилищах приводит к снижению выработки на гидроэнлектростанциях.
И солнечные панели тоже не любят жару, кстати, хотя любят солнце. Не в качестве критики, но для объективной картины добавлю, что эффективность панелей в аномальную жару может падать на десятки процентов [8].
А еще в жару горят масляные трансформаторы, которые есть на всех электростанциях и сетях. Но ЧП на обычных электростанциях не так беспокоят публику, поэтому о них не будут писать в СМИ. Ведь трансформатор на АЭС и на любой другой станции – это два разных трансформатора, в глазах СМИ и обывателей (что лишь отчасти справедливо). Поэтому о любом ЧП на АЭС обязательно напишут в СМИ, причем и в заграничных тоже. И об отключениях блоков по любым причинам, в том числе из-за жары – тоже обязательно будут писать.
Выводы
1. Да, жара оказывает влияние на французские АЭС. В большей степени оно связано с экологическими требованиями, а не техническими сложностями. При этом это касается небольшого числа АЭС, а общее годовое снижение выработки из-за жары в пределах 1%.
2. Да, АЭС оказывают влияние на реки и являются источником теплового загрязнения. Но эта ситуация регулируется. Проблема в том, что иногда от этих норм могут отступать в угоду безопасности энергосистемы. И за этими случаями надо следить особенно, и думать, что с ними делать.
3. Крупные АЭС могут работать в жаркую погоду и без опасности для рек, с замкнутым охлаждением и градирнями. Так что говорить, что АЭС уязвимы перед климатическим кризисом не совсем некорректно. Проблема и решения понятны. Малые АЭС, кстати, и децентрализация атомной энергетики – это тоже может быть одним из вариантов решения проблемы.
4. В настоящий момент у французской атомной отрасли есть проблемы и посерьезней волн жары. Технические сложности в виде коррозии, проблемы регулирования и финансов, в связи с чем EDF сейчас даже решили полностью национализировать. Так что жара – это их меньшая проблема.
5. Ну и самое главное. Волны жары, которые все чаще будут в Европе из-за глобального изменения климата, оказывают влияние на всю инфраструктуру и все виды энергетики. Так что для надежной энергосистемы нужны разные виды низкоуглеродной энергии, а не поиск чего-то идеального. Идеального ничего не бывает. И чудес тоже не бывает.
Благодарности и видеоверсия
Если вам понравилась статья, не забудьте поставить ей плюс и поделиться в соцсетях. Вы также можете почитать другие мои статьи на Хабре на атомную тематику, их уже почти 40 штук.
Чтобы мои статьи выходили чаще, вы также можете поддержать меня через Patreon или Boosty.
Кроме того, я сделал видеоверсию этой статьи для своего Youtube-канала, в ней больше наглядного материала. Смотрите и подписывайтесь на канал:
Ссылки:
1. Опыт эксплуатации и пути повышения эффективности работы системы технического водоснабжения энергоблоков № 1, 2 Нововоронежской АЭС-2
2. Will nuclear power plants withstand climate change?
3. ASN об исключениях на сбросы для нескольких французских АЭС
4. Приключения немецкого обедненного гексафторида урана в России. Часть 1. История и технологии обогащения.
5. EDF lowers the power of a nuclear reactor. Energynews.pro
6. Малые АЭС и зачем они нужны.
7. EDF confirms reactor corrosion. Nuclear Engineering Magazine.
8. There’s such a thing as too much sun for solar panels, and Europe’s solar industry is starting to buckle. Fortune.
