На вечном топливе

Может ли атомная энергия помочь в достижении заявленных IMO целей, и что мешает строить коммерческие и прогулочные атомные суда?

Судостроение, как и вся мировая промышленность, стоит на пороге тектонических преобразований, вызванных глобальным курсом на декарбонизацию. Предчувствуя грядущую четвертую революцию пропульсивных систем, верфи и судовладельцы пристально изучают альтернативные виды топлива, чтобы понять, на что делать ставки. Хотя вклад судоходства в общий углеродный след невелик, и те и другие понимают, что, когда политики расставят «флажки» и «око» регулирующих органов воззрится на бизнес, дергаться будет поздно, а посему нужно действовать на упреждение. 

Ближайшие 30 лет объявлены переходным периодом, но решение о том, на что переходить, индустрия должна принять гораздо раньше. В череде непрекращающихся дискуссий о достоинствах и недостатках электричества, природного газа, аммиака и водорода тема атомной энергии звучит довольно редко, по крайней мере в Европе. А ведь благодаря современным технологиям атомный флот может стать гораздо разнообразнее и выйти из своих жестких военно-ледокольных рамок. Вместе с экспертами по этому вопросу, выступившими на конференции Electric & Hybrid Marine 2021, мы решили разобраться в том, какие перспективы есть у атомной энергетики в гражданском судоходстве и что мешает с ее помощью ответить на требования Международной морской организации (IMO) по декарбонизации.

Эдмунд Хьюз, консультант, директор Green Marine Associates, в прошлом руководитель отдела загрязнения атмосферы и энергетической эффективности в IMO:

Океанские суда — одни из  самых крупных машин на планете, и, чтобы обеспечить им требуемую мощность и дальность плавания, необходимы источники энергии с высокой эквивалентной плотностью. Атомная энергетика объединяет зрелые технологии, у которых отсутствуют вредные выбросы, а рисками можно эффективно управлять. Так, современные ядерные реакторы с жидким топливом, по сути, безотказны. Но вот международная нормативно-правовая база для атомных гражданских судов существует уже полвека (например, VIII глава SOLAS и Нормы безопасности для торговых судов с атомным двигателем), и ее давно пора пересматривать и обновлять.

В будущем роль судоходства будет только возрастать, ведь от него зависит почти вся мировая торговля, и судам будет требоваться все больше и больше энергии. Но откуда брать эти гигантские объемы нового безуглеродного топлива, будь то аммиак или водород? А ведь у нас есть готовая технология, которая правда может взорвать рынок, поскольку у судов больше не будет ограничения по скорости из-за выбросов плюс они сами смогут вырабатывать электроэнергию. Это реальная возможность, и она вселяет энтузиазм.

На одной чаше весов лежат явные недостатки предлагаемых альтернативных видов топлива: высокая токсичность аммиака, взрывоопасность водорода, утечка метана в двигателях. К ним добавляется неопределенность с инфраструктурой производства и доставки, а также огромные расходы ($ 1–1,4 трлн, по оценкам Global Maritime Forum) на ее обустройство и модернизацию флота, причем только для достижения промежуточных целей 2050 года. На другой чаше — вопросы безопасности, защиты, надежности, стоимости ядерных реакторов, и на многие из них уже есть ответы.

 

Микал Боу, генеральный директор и основатель Core Power Ltd (Великобритания): 

Вместе с партнерами из американской компании TerraPower мы разработали морской жидкосолевой реактор (m-­MSR), работающий, по сути, как атомная батарея. Это долгоживущий источник энергии, который не нуждается в частом пополнении топливом. В основе m-­MSR лежит хлоридный реактор (MSFR), в корне отличающийся от существующих легководных реакторов. Во-первых, его можно использовать в условиях качки, когда окружающие конструкции вибрируют. Во-вторых, плотность энергии его топлива в 2 млн раз выше дизельного.

Жидкосолевой реактор гораздо эффективнее по сравнению с обычным легководным реактором плюс его отходы минимальны. Поскольку это микрореактор (габариты 2,5 × 6,5 м), мы можем получать 15–25 МВт электрической энергии на протяжении длительного времени и использовать модульную конфигурацию, когда число реакторов определяется потребностями и необходимостью дублирования. Важно и то, что нагрузка в m-­MSR легко и почти моментально регулируется от нулевой до полной мощности. В нем почти нет движущихся частей, и его работа не требует каких бы то ни было действий со стороны экипажа. Реактор просто производит тепло, которое передается на турбины, а те вырабатывают электричество, питающее гибридную пропульсивную систему.

Так будут выглядеть модульные морские жидкосолевые атомные реакторы m-MSR, которые разрабатывает компания Core Power

Для сравнения приведу такой пример. Стандартный кейпсайз-сухогруз, доставляющий 180 000 т железной руды из Бразилии в Японию в круговом рейсе, потратит приблизительно 3,7 млн л нефтяного топлива и выбросит в атмосферу 11 250 т парниковых газов. Если это судно пойдет на «зеленом» аммиаке, то потратит 8,8 млн л топлива и выбросит 9 т парниковых газов в пересчете на CO2 . С легководным реактором, как на атомных подлодках и ледоколах, ему потребуется 10,3 кг топлива, при этом будет использован лишь 1% заключенной в нем энергии. Наконец, в случае с m-MSR такому судну потребуется всего 88 г топлива, поскольку его энергия утилизируется на 95%. Примечательно, что масса отходов будет такой же, ибо никаких выбросов, кроме остающегося в реакторе отработанного топлива, у m-MSR нет. Задумайтесь: чтобы переместить руду на другую сторону планеты, нужна всего одна столовая ложка топлива!

Ежегодно судоходство выбрасывает в атмосферу более гигатонны парниковых газов (в эквиваленте СО₂), и 40–45% этих выбросов приходится на 3000 самых крупных судов. Если перевести 70% из них на жидкосолевые реакторы и еще 10% судов поменьше (< 190 м ) на аммиак, полученный с использованием энергии m-­MSR, то мы достигнем поставленной IMO цели 2050 года и сократим выбросы вдвое. Эти самые крупные в мире суда заходят в 50 главных портов мира, где во время погрузо-­разгрузочных работ они могут выступать плавучими электростанциями, поставляя энергию для береговых нужд и тем самым уменьшая общее загрязнение окружающей среды в районе порта. Кроме того, производство водорода и аммиака для малых судов требует чрезвычайно много энергии, и плавучие атомные станции на m-­MSR могли бы ее обеспечить, пока наземные атомные станции заняты производством энергии для электрораспределительных сетей.

Объем выбросов парниковых газов и показатели смертности для разных источников энергии (данные на 2019 год). для атомной энергетики учтены погибшие в чернобыльской и фукусимской катастрофах, а также в процессе добычи и измельчения руды. Источник: Our World in Data (Ханна Ритчи и Макс Розер)

m-­MSR — целиком закрытая система со встроенной защитой от аварий. Жидкое топливо не может расплавить реактор плюс в m-­MSR нет высокого внутреннего давления, а значит, нет сценария, при котором радиоактивный материал может выбросить из реактора, разве что судно ­каким-то образом развалится на множество мелких частей. Но даже если целостность реактора нарушится, жидкое топливо моментально остынет и уже при +400 °C превратится в слиток, по­этому массового заражения окружающей среды не произойдет.

Если ­кто-то решит захватить судно с m-­MSR в на-дежде заполучить «атомное оружие», ничего не выйдет. Поскольку система закрытая, добраться до топлива нельзя, а если все же попытаться это сделать, то оно сольется в ловушку с поглотителями нейтронов. То есть это самовыключающаяся система, которая может прекратить работу как по сигналу оператора, так и сама при достижении критических условий. Из затвердевшего топлива нельзя сделать ни оружие, ни яд, отравляющий окружающую среду. Можно создать слои защитных систем, которые затруднят доступ к реактору и вывод его из строя.

Core Power возглавляет работы по маринизации и индустриализации производства m-­MSR. Прототип реактора будет готов в 2024 году. Тогда же мы завершим разработку цифрового двой­ника интегрированной пропульсивной системы, чтобы продемонстрировать все возможные сценарии ее работы, доказать надежность, безопасность и экономическую выгоду этой технологии для определенного типа судов и получить принципиальное одобрение двух классификационных обществ, с которыми мы сотрудничаем. С этого момента мы начнем принимать первые заказы и плотно работать с регуляторами (IMO, ООН и МАгАтЭ), чтобы ориентировочно с 2027 года m-­MSR разрешили использовать на судах.

При условии массового производства реакторы получаются сравнительно недорогими, а эксплуатационные расходы судна с m-­MSR ниже, чем у аналогичного судна на низкосернистом нефтяном топливе или природном газе. Жизненный цикл топлива m-­MSR составляет 20–30 лет, что соответствует или превосходит срок жизни крупных судов. Причем мы искусственно ограничили его, ибо потенциально топливо может работать до 150 лет.

Заправлять реактор можно на весь срок службы судна при его строительстве, правда, при этом придется заплатить вперед за всю энергию. За счет высокой эффективности топлива его остаточная ценность высока, что хорошо для лизинга реакторов, когда высокая цена топлива размазывается на длительный период, и стоимость аренды получается очень конкурентной.

 

Винс Дженкинс, руководитель группы по управлению рисками в регистре Ллойда, прежде участвовал в ядерной программе британских ВМС:

В 1982 году, когда составлялась VIII глава SOLAS, основной технологией были водо-водяные ядерные реакторы, поэтому все описанное там относится исключительно к ним, причем с упором на безопасность. Сегодня требования изменились, так как появились новые технологии, например реакторы на расплавах солей. Кроме того, все современные нормы в этой сфере подразумевают определенные требования не только к безопасности самих технологий, но и к способам их защиты.

Еще один ключевой документ — Конвенция ООН по морскому праву (UNCLOS), которая, помимо прочего, регулирует свободное перемещение судов между странами. Сейчас немыслимо представить себе, что атомным судам одного государства позволят заходить в порты и вообще передвигаться по территориальным водам другого государства. Это, пожалуй, главный барьер на пути развития судов на атомной энергии. На суше объекты с ядерными реакторами проходят согласование на национальном уровне, и когда их перемещают или возводят в другой стране, процедура там повторяется с нуля без исключений. Я очень сомневаюсь, что UNCLOS окажется эффективной применительно к атомным судам, поскольку регуляторные органы каждой страны захотят убедиться в том, что прибывающее в их воды атомное судно достаточно безопасно. Это большая проблема, для решения которой потребуется колоссальная работа.

Если говорить о прямом сообщении между двумя точками, то двум отдельно взятым странам проще договориться о стандартах безопасности, и этот подход может облегчить начальные этапы развития атомного судоходства. Ряд компаний, которые занимаются доставкой полезных ископаемых по одному и тому же маршруту, уже задумываются об использовании атомных судов в обход IMO и других общемировых регуляторов. Такое может произойти, если две страны договорятся и установят взаимоприемлемый режим, ведь этот механизм давно работает для военных флотов.

Регистр Ллойда начал разрабатывать временный регламент для атомных судов еще в начале 1960‑х годов, однако в 1976 году эту деятельность свернули, так как стандарты не утвердили, а поддерживать их разработку достаточно дорого. В 2010 году мы издали новый проект временного регламента с общими критериями проектирования для рассмотрения в техническом комитете. Его следует расценивать как 20‑страничное «соломенное чучело», на котором индустрия может потренироваться в критике и подумать, в каком направлении двигаться.

Атомная энергетика не хуже и не опаснее других способов получения энергии

Дело в том, что этот регламент должны согласовать не только морские, но и наземные регуляторы, чтобы на судах можно было использовать одобренные типы реакторов. В этом случае регламент регистра будет рассматривать только безопасную интеграцию реактора в конструкцию судна. Пока проблема в том, что ядерное регулирование на суше значительно отличается от того, что требуется в морской отрасли. Мы ввели ряд новых сущностей, включая Уполномоченного проектировщика и Ответственное лицо. Первый представляет собой группу людей из различных организаций, на которых возложена общая ответственность за безопасное проектирование, строительство и эксплуатацию атомного судна и которых признают регуляторы атомной промышленности и регистр Ллойда. То есть это не только верфь, но вообще все, кто имеет отношение к вопросу. Ответственное лицо несет юридическую ответственность за эксплуатацию атомного судна, а также за его списание и утилизацию, принимая на себя ответственность Уполномоченного проектировщика в момент приемки судна.

Все очень просто: какую бы технологию мы ни выбрали: водород, аммиак или атомную энергию, — у каждой из них будут свои неотъемлемые риски, которыми необходимо ­как-то управлять. Не сомневайтесь, бункеровка аммиака и водорода не останется без внимания наземных надзорных органов — те будут пристально наблюдать за любой технологией, которую выводят в море. Операторы флотов будут действовать через национальные регистры, а в таких случаях морские регуляторы обычно говорят, что им нужно посоветоваться с наземными надзорными органами. Любое новое топливо потребует изменения подхода, причем неправительственные организации тут бессильны — продвигать идею атомных судов в МАгАтЭ и IMO должны государства.

Меня часто спрашивают про риски, связанные с пиратством. Любое судно сегодня может стать целью пиратов, и, как однажды мне заметил ­кто-то из Rolls-­Royce, «вам понадобится достаточно большой гаечный ключ, чтобы расковырять ядерный реактор». Таким образом, человеческое восприятие и факты сильно различаются, а вот использовать во вред любое судно с водородом или аммиаком гораздо проще.

Движение вперед

Регистр DNV GL также упоминает атомную энергетику в своем отчете Energy Transition Outlook 2021: Technology Progress Report, опубликованном накануне выхода этой статьи в свет. «Хотя атомные технологии нового поколения не появятся в коммерческом судоходстве в ближайшем будущем, сейчас ведутся важные разработки в направлении ядерного деления и термоядерного синтеза, и за ними стоит наблюдать как за одной из возможностей в долгосрочной перспективе сделать мировой флот углеродно-нейтральным», — говорится в документе. Эксперты DNV GL отмечают, что не имеющие вредных выбросов атомные суда смогут ходить значительно быстрее, со скоростью 30–35 узлов, а значит, объем грузовых и пассажирских перевозок вырастет, что позволит разгрузить наземный транспорт и тем самым уменьшить его негативное влияние на окружающую среду. По данным регистра, в МАгАтЭ зарегистрировано порядка 70 проектов малых модульных ядерных реакторов (SMR), находящихся на разных стадиях разработки, причем шесть из них изначально предназначены для использования в море. Мощность SMR варьируется от 5 до 450 МВт, все они рассчитаны на серийное производство и транспортировку. Жидкосолевые реакторы закрытого цикла называются в отчете наиболее подходящими для океанских судов из-за минимальных рисков, поскольку, в отличие от легководных реакторов, где цепную реакцию необходимо активно замедлять, реакцию в MSR нужно, наоборот, постоянно поддерживать, и если что-то пошло не так, реактор просто останавливается. Два из трех фундаментальных требований к безопасности атомных реакторов (контроль, охлаждение, контейнмент) изначально заложены в конструкцию реактора и не требуют активных действий извне. Что касается отходов, то, например, один из производителей, компания Transatomic Power, заявляет, что от топлива на основе низкообогащенного урана (менее 20#5U) остается менее половины долгоживущих изотопов, в отличие от топлива для традиционных легководных реакторов. Ториевые MRS производят еще меньше отходов, и период полураспада их изотопов существенно короче (требуется хранение около 300 лет).

Несмотря на то что сегодня почти нереально привлечь инвестиции для финансирования ядерных проектов, датский стартап Seaborg Technologies сумел не только отыскать средства на разработку своего компактного жидкосолевого реактора CMSR, но и прошел первую фазу лицензирования. Нужно понимать, что в мире лицензировано довольно много разных реакторов для разных целей, но ни один для коммерческого применения. Год назад CMSR получил одобрение на потенциальное применение от American Bureau of Shipping, и теперь компания планирует начать в 2023 году серийное производство, еще через два года запустить первый реактор, а в 2026 году утвердить типовой образец. Любопытно, что Seaborg Technologies решила не использовать графит для замедления ядерных реакций в CMSR, поскольку это не позволило бы осуществить промышленное внедрение реакторов. Вместо этого датчане нашли, проверили и запатентовали другой замедлитель, существенно отстроившись таким образом от конкурентов. CMSR помещается в типовой 20-футовый контейнер,  вырабатывает 100 МВт энергии, не требуя обслуживания и работая на одной загрузке топлива 12 лет. Помимо электроэнергии, такой реактор может обеспечить обогрев, горячую воду, опреснение на борту. Seaborg Technologies нацелена построить почти 9000 реакторов до 2040 года и тесно сотрудничает с Южной Кореей по вопросу строительства плавучих АЭС, которые смогли бы обеспечить энергией миллиардное население Юго-Восточной Азии, где не хватает возобновляемых источников энергии и в массе строятся угольные ТЭЦ.

Принципиальная схема жидкосолевого реактора с закрытым циклом

«Пока на атомной энергетике сидит государство, она не получит распространения, — сказал Трольс Шонфельд, один из основателей и генеральный директор Seaborg Technologies, в своем выступлении на конференции SWITCH (Сингапурская неделя инноваций и технологий). —  Нужно дать компаниям возможность строить на частные средства и выводить свои продукты на рынок. Это будет переворот на энергетическом рынке, и если он состоится, то атомная энергия будет дешевле, чем угольная сегодня. Энергетическая индустрия медленная и неповоротливая, и я думаю, что для менее инерционной морской отрасли сейчас самое время вписаться в это и использовать свою инфраструктуру, чтобы войти на энергетический рынок со стороны моря».

Наука против общественного мнения

На вопрос о перспективах появления атомных суперяхт, который задали Питеру Люрсену, владельцу Lürssen Yachts, на очередной онлайн-сессии Lürssen Live!, тот ответил вполне однозначно. «Я судостроитель, а не ученый-­ядерщик, и думаю, что в обозримом будущем мы, возможно, раньше увидим на яхтах топливные ячейки, чем атомные реакторы, поскольку у последних много тревожных звоночков, — сказал он. — Я знаю, что идут исследования, но ядерные составляющие до сих пор остаются критичными».

Другого ответа от представителя немецкой верфи вряд ли стоило ожидать, ведь еще с начала 1970‑х годов в Германии выражены антиядерные настроения, а десять лет назад правительство Ангелы Меркель пообещало к 2022 году закрыть все атомные станции в стране. Без государственной поддержки у Lürssen Yachts, как и у других немецких верфей, нет шансов продвинуться в этом направлении.

Италия тоже состоит в этом лагере, поэтому надеяться можно было бы только на голландские верфи, которые, пожалуй, взялись бы за строительство атомных яхт, будь на то разрешение. В отличие от предыдущего руководства Нидерландов, нынешнее правительство страны приветствует атомную энергетику, и опрос общественного мнения 2019 года показал, что больше половины респондентов поддерживают строительство новых АЭС. Однако без зеленого света из Брюсселя Нидерланды вряд ли начнут ­что-либо делать в этом направлении.

«Безуглеродный мировой баланс не представляется мне как исключительно водородный, — сказал Алексей Лихачев, генеральный директор Государственной корпорации по атомной энергии “Росатом” на ПМЭФ‑2021 в рамках заседания “Тренд на декарбонизацию: как будет меняться мир?”. — Думаю, что не только мы, но наши дети и внуки будут использовать разные источники энергии. <…> Особую роль я отвожу атомной энергетике, и [с ней] ситуация в мире непростая. Москва, Вашингтон, Лондон и Париж считают атомную энергетику абсолютно чистой, безуглеродной и поддерживают ее развитие. При этом в Брюсселе вопрос о признании “зеленой” и устойчивой атомной энергетики не решен. Почему — вопрос сложный. Думаю, что он пахнет не экологией и не экономикой. Он пахнет, очевидно, политикой».

В начале года научный центр Еврокомиссии выпустил отчет об экологических аспектах атомной энергетики, чтобы депутаты Европарламента могли принимать информированные и взвешенные решения, обсуждая, насколько целесообразно поддерживать атомные технологии как один из альтернативных источников энергии при отказе от ископаемого топлива. Из этого отчета следует однозначный вывод: атомная энергетика не хуже и не опаснее других способов получения энергии, а суммарные выбросы парниковых газов при производстве электроэнергии с помощью атомных технологий на протяжении всего жизненного цикла сравнимы с таковыми для ветро- и гидрогенерации энергии. Таким образом, нет причин исключать атом из европейского «Зеленого пакта» и регламента EU Taxonomy, в котором собраны рекомендации для инвесторов. В ближайшее время в Таксономию внесут поправки, и если туда все же добавят современные атомные технологии, то это станет важным шагом для их развития. «Гринпис» ожидаемо раскритиковала отчет, заявив, что «он опасно оптимистичен и его составляли заинтересованные лица с целью поглотить жизненно необходимое финансирование для поддержки умирающей технологии». Вместе с тем Франция, шесть стран Восточной Европы и почти полсотни европейских НКО призвали президента Еврокомиссии поддержать атомную энергетику.

Концепт атомной исследовательской яхты Earth 300

Программы по разработке жидкосолевых реакторов есть в Китае, в России и в Евросоюзе, однако больше всего ресурсов в них вкладывают американцы, что в первую очередь связано с плавучими АЭС. За компанией TerraPower стоит лично Билл Гейтс — человек с колоссальными ресурсами, рациональным материалистическим подходом и желанием решать глобальные проблемы. Однако на общественное мнение сильно влияет неоправданный страх перед гражданскими ядерными технологиями. Люди боятся радиации, считая, что все ее формы губительны, но при этом не отдают себе отчет в том, что она ежедневно воздействует на всех нас.

«Пришло время открыть этот ящик Пандоры и критически взглянуть на факты, которыми нас потчуют СМИ, — говорит Микал Боу. — “Зеленые” повсеместно выступают с заявлениями о насущных экологических проблемах, изменении климата и загрязнении океана, но при этом критикуют реальную возможность интегрировать в жизнь зрелую технологию с нулевыми выбросами. Общество верит им, ведь корни людского страха перед атомной энергией уходят в годы холодной вой­ны, когда сформировалась врожденная связь между атомной энергией и ядерным оружием.

Это очень неудачное следствие, ведь такой связи больше нет, особенно для новых технологий. Молодое поколение начинает понимать это, и общественное мнение постепенно меняется. Чем больше мы говорим об этом, тем быстрее передовые атомные технологии придут в нашу жизнь. Не думаю, что будущие поколения простят нам, если мы сейчас будем канителиться с разными источниками энергии, а в итоге так и не шагнем вперед и не изменим сложившийся подход. Сейчас мы стоим на развилке и можем, конечно, пойти путем подстраивания под многочисленные существующие и грядущие правила и стандарты, а можем сказать себе, что теперь самое подходящее время серьезно посмотреть на инновации и совершить качественный скачок, как это было с переходом от парусных к паровым судам».