России принадлежит 21% всего шельфа Мирового океана. Около 70% его площади перспективны с точки зрения полезных ископаемых, в первую очередь нефти и газа. В апреле 2020 года Правительство Российской Федерации одобрило “Энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года” [1], в которой определено, что освоение углеводородного ресурсного потенциала континентального шельфа арктических морей и северных территорий представляет собой “важнейший геополитический и технологический вызов для нефтегазового комплекса России”.
В Арктике сконцентрировано большинство открытых в России уникальных месторождений углеводородов. По имеющимся оценкам суммарные извлекаемые запасы только арктического шельфа составляют не менее 7,3 млрд. тонн нефти и около 55 трлн. куб. метров – газа [2]. Согласно Стратегии [1] добыча углеводородов на российском шельфе будет играть важную роль в энергетическом балансе России, являясь необходимой для замещения падения добычи на действующих месторождениях за временным горизонтом 2035 года.
Вместе с тем, разработка и освоение шельфовых месторождений в Арктике требует нестандартных технических решений, обусловленных экстремальными климатическими условиями, отсутствием развитых логистических коммуникаций, большими экологическими рисками в условиях хрупкой с резко замедленным самовосстановлением природы Арктики и, главное, тяжёлой ледовой обстановкой. Наличие дрейфующего льда и айсбергов, удалённость месторождений от берега ограничивает возможности проведения буровых и иных морских работ. Решение этой задачи – высокотехнологичный процесс, который требует инновационного развития отраслей и видов деятельности, связанных с созданием средств разведки, поисков, добычи, транспортировки и переработки нефти и газа.
В этих условиях практически единственным решением является создание подводно-подлёдных автоматизированных систем обустройства месторождений, в состав которых должны входить системы разведки, добычные комплексы, установки подготовки продукта добычи к транспорту, компрессорные станции и т.д. Подводно-подлёдные системы обеспечивают решение технических задач освоения месторождений и минимизируют возможные экологические риски.
Базовым условием освоения ресурсного потенциала Арктического шельфа является создание высоконадёжной и безопасной системы энергообеспечения [3, 4]. Одной из важнейших составляющих этой системы должна стать воздухонезависимая автономная система энергообеспечения подводно-подлёдных комплексов обустройства месторождений. Такая система должна отвечать специфическим условиям эксплуатации и требованиям энергопотребителей.
Таковыми, прежде всего, являются:
-
Отсутствие инфраструктуры транспорта энергии.
-
Рассредоточенность добычных комплексов на больших пространствах.
-
Наличие протяжённых по времени (вплоть до круглогодичных) ледовых режимов в акватории Северного Ледовитого океана. Для обеспечения круглогодичного энергоснабжения добычного оборудования целесообразно использовать энергоисточники с подводным расположением.
-
Необходимость устойчивого энергообеспечения с длительностью генерации, равной времени работы потребителей – объектов обустройства месторождения, так как в подводных условиях ремонт и техническое обслуживание затруднены.
-
Необходимость наличия энергоисточников, независимых от подачи топлива и рабочих сред на протяжении длительного периода.
-
Необходимость обеспечения высокой автономности и манёвренности энергетических установок, гибко реагирующих на изменение нагрузки.
-
Крайняя ограниченность численности персонала для осуществления контроля, управления и технического обслуживания.
-
Необходимость наличия типоряда энергоисточников по генерируемой мощности и возможность мультиплицирования.
По возможности удовлетворения совокупности указанных условий автономные атомные энергоисточники являются весьма перспективными, а в некоторых случаях практически безальтернативными для энергообеспечения освоения Арктического шельфа [3, 4].
В регулярном справочнике МАГАТЭ по малым модульным реакторам [5] представлено около 50 проектов таких установок. Более четверти из них – российские.
В настоящее время Россия занимает передовые позиции в мире в области разработки и создания малых модульных ядерных реакторов в широком диапазоне мощностей – от 100 кВт до 50 МВт (электрических).
НИЦ “Курчатовский институт” является лидером этого направления в качестве научного руководителя. Под научным руководством НИЦ “Курчатовский институт” созданы ядерные энергетические установки для атомных кораблей и судов и первая плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов».
Именно атомный флот, включая ледоколы с атомными энергетическими установками, позволил сделать качественно новый шаг в освоении Арктики, создав развитую инфраструктуру и решив проблему короткой северной навигации. Развитие атомного ледокольного проекта стало прямым продолжением работ по созданию первой атомной подводной лодки. Научный руководитель работ – академик А.П. Александров фактически был идеологом, разработчиком, ключевой фигурой создания как советского атомного подводного, так и ледокольного флота. Создание первого в мире надводного атомного судна – атомного ледокола «Ленин» – положило начало развитию новой высокотехнологичной отрасли – атомного судостроения [3, 4].
Сегодня опыт отечественного атомного флота превышает 6 000 реакторо-лет, что составляет более половины опыта мировой атомной энергетики и является надёжной референтной базой для решения задачи эффективного и безопасного атомного энергообеспечения энергоёмких береговых, надводных и подводных нефтегазовых технологий в арктическом регионе.
При этом 50-летнее активное присутствие атомного флота в Северном Ледовитом океане не оказало заметного влияния на окружающую среду даже с учётом аварийных событий в начальный период атомной истории Арктики. Именно это определяет наличие и постоянное наращивание мощностей единственного в мире отечественного гражданского атомного флота.
Судовые ядерные энергетические установки блочного типа являются наиболее освоенными и обеспечивают высокие уровни надёжности и безопасности, подтверждённые многолетней эксплуатацией атомных кораблей и судов. В результате именно в российском атомном флоте отработаны конструкторские и проектные решения, обоснована надёжность элементной базы, созданы и функционируют развитые производственные и инфраструктурные мощности, сформировано необходимое нормативное и правовое обеспечение, которые было бы целесообразно использовать при проектировании и развёртывании автономных атомных энергоисточников.
Одним из важнейших преимуществ энергоисточников данного типа является то, что они могут быть доставлены в виде отдельных модулей на место использования, где собраны и введены в эксплуатацию без применения высокотехнологичного оборудования. Их демонтаж после завершения эксплуатации тоже не представит каких-либо проблем.
Кроме того, рассматриваемые автономные атомные энергоисточники обладают рядом достоинств, имеющих решающее значение в условиях Арктики. Это, прежде всего, повышенные простота и надёжность проектно-конструкторских решений, блочно-модульное исполнение, транспортабельность, манёвренность, высокая степень автоматизации и минимизация обслуживания, загрузка на длительные кампании, отработанные технические решения, промышленное серийное производство, наличие системы и инфраструктуры технического обслуживания и утилизации, наличие научно-технической базы, системы подготовки кадров.
Такие энергоисточники способны гарантировать безопасность для окружающей среды, во-первых, благодаря переносу наиболее ядерно и радиационно опасных операций, связанных с плановыми ремонтами, перегрузкой топлива, выводом из эксплуатации, с площадки размещения в специализированные заводские цеха, и, во-вторых, вследствие использования апробированных организационно-технических решений на всех этапах жизненного цикла от проектирования до утилизации.
Энергопотребление при шельфовой разработке будет зависеть от принятого плана разработки месторождения: очерёдности ввода скважин, сетки их размещения, порядка, темпа их эксплуатации, способов регулирования баланса и эксплуатации пластовой энергии, стадии разработки месторождения. Это, в свою очередь, определяет требования, вид исполнения и характеристики энергоисточников
Одной из важных особенностей разработки морских месторождений с подводным расположением устьев скважин является возможность ввода месторождения в эксплуатацию очередями. Такая особенность становится преимуществом по сравнению с традиционными способами надводного оборудования устьев, так как на практике ведёт к ускоренному получению первой продукции с дальнейшим наращиванием по мере ввода скважин. По сути, очерёдность ввода в эксплуатацию скважин и рост потребности в электроснабжении для промысловых объектов определяют поэтапность ввода генерирующих мощностей.
Важным обстоятельством для реализации поэтапного ввода энергомощностей также является взаимный учёт жизненного цикла разработки месторождения и жизненного цикла энергоисточника. В частности, если проектный срок службы атомных энергоисточников может составлять от 20 до 60 лет, то для срока освоения месторождения от 40 до 80 лет может потребоваться использование энергомодулей с их взаимным замещением на ремонт, перезагрузку топлива или полную замену. Это обстоятельство делает особенно эффективным применение автономных модульных атомных энергоисточников.
Одним из наиболее перспективных, полностью экологически безопасных типов автономных атомных энергоисточников является необслуживаемый атомный энергокомплекс, основанный на прямом преобразовании энергии (типа «Елена»), разработанный в НИЦ «Курчатовский институт».
В результате многолетних исследований, начатых в НИЦ «Курчатовский институт» по инициативе А.П. Александрова ещё в 1970-е годы, разработан проект и создан стенд-прототип необслуживаемой саморегулируемой атомной термоэлектрической станции прямого преобразования, отработаны технические решения, технологии, основные узлы. Проведена комплексная отработка всех систем ядерной термоэлектрической установки.
В ряду её технологических преимуществ – возможность серийного производства ядерной энергетической установки, с заводской загрузкой ядерного топлива и поставки «под ключ» на место размещения. Срок службы такой установки без перезагрузки – 15 – 20 лет, а по исчерпании ресурса реакторная установка может быть удалена в собранном виде, без разборки и выгрузки отработавшего ядерного топлива, и заменена новой.
Важно и то, что нет необходимости в постоянном присутствии обслуживающего установку персонала. Данная технология базируется на следующих основных принципах:
– использование в качестве источника тепла водо-водяного реактора с саморегулированием мощности и использованием пассивных принципов безопасности;
– применение для отвода тепла безнасосной системы охлаждения (естественная циркуляция в системе теплоносителя 1 контура и контуре охлаждения);
– преобразование тепла в электричество термоэлектрическим методом;
– обеспечение работы установки в основном режиме при естественной циркуляции теплоносителя (без использования циркуляционных насосов).
Совокупная реализация в проекте этих базовых принципов позволяет достичь следующих потребительских характеристик:
– простота и компактность конструкции;
– повышенные безопасность и надёжность;
– необитаемость, автономность работы в энергетических режимах;
– работа в режиме слежения за нагрузкой;
– длительный межремонтный период;
– перенос наиболее ядерно и радиационно опасных операций, связанных с перегрузкой топлива, выводом из эксплуатации с площадки размещения в специализированные заводские цеха;
– минимизация сроков, объёмов и стоимости капитального строительства в районе размещения;
– возможность интеграции в “умные” производственные комплексы с элементами "искусственного интеллекта”.
В соответствии с назначением, автономные атомные энергоисточники предполагается использовать для энергообеспечения технических средств и объектов обустройства месторождений Арктического шельфа в подводно-подлёдных условиях. На рисунке 1 представлена возможная схема размещения и взаимодействия технических средств нефтегазового месторождения и средств энергообеспечения [6].
Рис. 1 Схема размещения и взаимодействия технических средств нефтегазового месторождения и средств энергообеспечения
Ядерные технологии играли и в будущем будут играть всё возрастающую роль в освоении Арктики. Создание эффективного и устойчивого децентрализованного энергообеспечения освоения арктического шельфа на научно-технической базе судовой атомной энергетики требует глубокого системного анализа, учитывающего как специфику атомной индустрии, так и многоаспектные требования сильно отличающихся и динамически изменяющихся энергопотребителей.
Независимо от того, что масштабное освоение шельфа является делом среднесрочной перспективы, уже сегодня должно быть обеспечено опережающее создание системы энергообеспечения подводно-подлёдных комплексов обустройства месторождений, как важной составляющей системы энергообеспечения Арктического региона.
Литература:
1. “Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года”, Одобрена на заседании Правительства Российской Федерации 2 апреля 2020 года
https://minenergo.gov.ru/node/1920
2. Д. Н. Кобылкин. Ресурсы арктического шельфа – это наш стратегический запас, Общественно-деловой научный журнал “Энергетическая политика”, 14.11.2019
https://energypolicy. ru/?p=214
3. Ковальчук М.В. Арктический вектор энергетики России // XXII Александровские чтения. Материалы конференции. 2016. М.: НИЦ «Курчатовский институт»
4. Ковальчук М.В. Арктический вектор энергетики России // Природа. 2016. № 9. С. 24 – 31
5. Advances in Small Modular Reactor Technology Developments, 2018 Edition - International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria, 2018
6. «Атомные энергетические модули для энергообеспечения объектов подводно-подледного обустройства месторождений Арктического шельфа», совместная работа НИЦ «Курчатовский институт» и АО «СПМБМ «Малахит» (Устинов В.С., Каплар Е.П., Антонов В.С. и др.) / Сборник трудов Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа 2016 года - М.: Министерство энергетики Российской Федерации, ООО «Технологии развития», 2016, стр. 40-42.
