15 апреля Германия закрыла последние три действующие блока АЭС. Страна завершила долгий процесс развития, а затем и отказа от атомной энергетики. Эта статья посвящена истории атомной промышленности и энергетики Германии.
Предыстория. Наука и военный атом
В 1938 году именно немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман провели серию опытов и доказали, что при облучении урана нейтронами образуются новые химические элементы меньшей массы. Ничем иным, кроме как деление урана — неизвестной до этого реакцией, этого объяснить было нельзя. Расчеты их коллеги Лизы Мейтнер показали, что при этой реакции еще и выделяется огромное количество энергии, а так же дополнительные нейтроны, способные вызвать цепную реакцию.
Именно открытие немецкими химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом в 1938 году и его теоретическое объяснение Лизой Мейтнер стало ключом к понимаю перспектив использования атомной энергии. К сожалению, время было такое, что использование это в первую очередь пошло по военному направлению.
Опасения по поводу возможности создания атомной бомбы в нацистской Германии стимулировали ответные меры и запуск американского Манхэттенского проекта. В Германии же действительно был запущен свой атомный проект. Под руководством нобелевского лауреата Вейнера Гейзенберга было построено два прототипа исследовательских ядерных реакторов — первых в Европе. Самый продвинутый из них был построен в 1945 году в поселке Хайгерлох. Кубики природного урана в нем помещались в емкость с тяжелой водой и графитом.
Но к счастью, нацистские лидеры не уделяли проекту достаточного внимания, а сама Германия к концу войны не имела необходимых ресурсов для его реализации. В апреле 1945 года американские войска вошли в Хайгерлох, захватив так никогда и не заработавший реактор. Сейчас на его месте создан музей.
Музей Atomkeller на месте строительства реактора в Хайгерлохе. На заднем фоне над круглой шахтой модель активной зоны реактора с имитаторами кубиков урана на цепях.
Становление и развитие атомной энергетики Германии
В начале 1950-х годов правительство Германии создало ряд научно-исследовательских институтов, занимающихся вопросами ядерной энергии, включая Институт физики Макса Планка и Центр ядерных исследований Карлсруэ. Эти учреждения сыграли ключевую роль в развитии фундаментальных и прикладных исследований в области ядерной физики.
В 1959 году в Центре ядерных исследований Карлсруэ был построен и запущен первый исследовательский реактор немецкой конструкции и дизайна.
Реактор FR 2 в Карлсруэ — первый немецкий реактор домашнего дизайна.
Первая экспериментальная АЭС Каль (Kahl) с американским кипящим реактором (BWR) мощностью всего 16 МВт была построена в Западной Германии General Electric и Siemens и подключена к сети в июне 1961-го. С пуском этой АЭС Германия стала пятой страной, имеющей атомные станции после СССР, США, Великобритании и Франции.
Первая немецкая АЭС Каль (Kahl). BWR, 16 МВт.
В это время в Восточной Германии Советский Союз уже строил свою АЭС Райнсберг, с одним реактором ВВЭР-70, которая была запущена в 1966 году. Она стала первой советской АЭС, построенной за пределами СССР. В том же году СССР утвердил программу строительства АЭС в странах СЭВ, включая ГДР, которая развернется в 1970-е.
Пульт управления АЭС Райнсберг — первой АЭС в ГДР и первой экспортной советской АЭС.
При этом техническая мысль Западной Германии породила несколько новых прототипов реакторов и исследовательских установок, опередивших свое время. Например, в 1966 в центре ядерных исследований в г. Юлих был запущен первый высокотемпературный реактор AVR мощностью 15 МВт. Он стал прототипом для нового направления, которое в современной атомной энергетике считается весьма перспективным и относится к следующему, 4-му поколению реакторов. В качестве топлива в тем используются не стержни, а небольшие топливные шарики, а в качестве охладителя используется гелий, нагревающийся до более 900 градусов, чтобы было мировым рекордом по тем временам. Сейчас в этом направлении лидирует Китай, недавно запустивший два реактора HTR-PM. Но немцы были первыми и подали идею.
Высокотемпературный газовый реактор HTR-PM (даже два), запущенный в Китае в конце 2021 года. Он же первый китайский наземный SMR. Подробнее о нем в одной из моих прошлых статей.
Из других экспериментальных атомных проектов можно назвать запущенный в 1964 году атомоход «Отто Ган», названный в честь открывателя явления деления урана. “Отто Ган” стал третьим в мире гражданским судном с ядерной силовой установкой после советского ледокола “Ленин” (1959) и американского торгового судна “Саванна Ривер” (1962). Но как атомоход он проработал всего 10 лет, после чего реактор был демонтирован.
Грузовое судно с ядерной силовой установкой «Отто Ган»
В дальнейшем в Германии были построены интересные прототипы энергетических ядерных реакторов. Например, в 1977 г. заработал небольшой быстрый натриевый реактор KNK II мощностью 17 МВт. В 1985 построен уже более мощный быстрый реактор SNR-300, но из-за политических соображений он так и не заработал. В 1986 году был запущен высокотемпературный газоохлаждаемый ториевый реактор THTR-300.
Всего же в Германии было построено более 40 различных исследовательских реакторов, несколько из них продолжают работу. В том числе и мощнейший в мире стелларатор (альтернативная токамакам термоядерная установка) Wendelstein 7-X, запущенный в работу в 2016 году.
Канцлер Ангела Меркель (доктор наук и химик по образованию, кстати) на открытии Wendelstein 7-X в феврале 2016 г. Источник фото.
В 1970-е годы, рассчитывая на бурный рост атомной энергетики, промышленность Германии постепенно перешла от строительства крупных реакторов АЭС по американским лицензиям к собственным разработкам. Поначалу компания AEG строила кипящие реакторы по технологии General Electric, а Siemens строила реакторы с водой под давлением по лицензии Westinghouse.
АЭС Krummel (1983-2011) c кипящим реактором BWR мощностью 1346 МВт.
Позже активы немецкого атомного машиностроения были объединены внутри дочерней структуры Siemens — компании Kraftwerk Union (KWU). Объединенная KWU начала разработку линейки своих реакторов с водой под давлением (PWR) — основной технологии мировой атомной энергетики.
В 1974 году KWU построила блок АЭС Biblis A с самым мощным на тот момент PWR мощностью около 1200 МВт. В США PWR такой мощности появится лишь через 2 года, во Франции через 10 лет. В России только сейчас строят первые два блока ВВЭР-ТОИ на Курской АЭС-2, на 30 МВт превышающие по мощности закрытый 12 лет назад Biblis A.
АЭС Библис А. PWR, 1167 МВт электрической нетто-мощности.
Позже KWU разработала PWR под названием Конвой мощностью около 1300 МВт. Помимо технических новшеств, проект предполагал и высокую стандартизацию производства, что должно было упростить и ускорить строительство. Но к стандартизации пришли не сразу. Сначала, с 1982 по 1986 годы, построили четыре пред-Конвойных блока на АЭС Grafenrheinfeld, Philippsburg 2, Grohnde и Brokdorf.
АЭС Philippsburg 2 (1984-2019 гг) с пред-конвойным реактором PWR мощностью 1402 МВт.
Кстати, блок Grohnde мощностью 1360 МВт, закрытый в конце 2021 года, до сих пор является мировым рекордсменом по выработанной электроэнергии среди всех атомных блоков. Всего за 37 лет работы, что для АЭС не так уж много, он выработал более 386 млрд. кВт*ч. Немецкие АЭС вообще отличаются довольно высокими показателями эффективности. Для тех кто понимает — КИУМ у них около 90%. Грубо говоря, немцы почти в полтора раз более эффективно эксплуатируют АЭС чем их атомные соседи французы… Точнее эксплуатировали.
Блок АЭС Grohnde — самый производительный за всю мировую историю атомной энергетики.
Собственно Конвои успели построить лишь в трех экземплярах. Их пустили в один год, 1988, на трех самых новых атомных блоках Западной Германии Isar-2, Emsland и Neckarwestheim-2. После них новых АЭС в Германии уже не строили. И именно эти три блока доработали до 15 апреля 2023 года и были закрыты, отработав по 35 лет.
Красочная схема PWR Конвой на 1300 МВт
Позже проект Конвоя вместе с французским N4 стал основой для совместного франко-немецкого проекта реактора EPR-1600 поколения 3+, который Франция, после выхода Siemens из атомного бизнеса, строит с трудом и почти в одиночку у себя, в Финляндии и Великобритании. Хотя впервые его удалось простроить в Китае в 2018, но там Китай очень сильно помог сам.
Символичное совпадение — финский блок Олкилуото 3 с первым в Европе EPR-1600 после многих лет проблемного строительства и полутора лет тестов именно 16 апреля 2023 года, спустя всего два часа (!) после закрытия в Германии трех Конвоев, своих предков по немецкой линии, перешел в фазу промышленной эксплутации. Он и без этого работал уже месяц на почти максимальных 1590 МВт, но все же. Для двух событий, тянувшихся десятилетиями, это невероятное совпадение.
Финский Олкилуото-3 с EPR-1600
В Восточной же Германии СССР, помимо пущенной в 1966 году АЭС Райнсберг с одним небольшим блоком на 70 МВт, построил большую АЭС Грайфсвальд с 5 блоками ВВЭР-440. Первые 4 блока запустили в 1973–1979, пятый в 1989 г. Всего на станции планировалось разместить 8 блоков в две очереди и она должна была стать одной из крупнейших АЭС, построенных СССР в Европе.
При этом если первые 4 блока относились к первому поколению реакторов ВВЭР-440 модели В-230, к которым могли быть претензии по требованиям безопасности ФРГ, то вторые 4 были более современными В-213. Такие же В-213 до сих пор работают в нескольких странах ЕС — Венгрии, Чехии, Словакии и Финляндии. Однако их лицензированием под новые стандарты решили не заниматься и закрыли, как и все советские атомные блоки в ГДР накануне объединения Германии в 1990 году.
В итоге пятый блок АЭС Грайфсвальд успел проработать чуть более полугода — с весны по ноябрь 1989, а шестой, будучи полностью готовым, так и не был пущен. Символично, что всего в километре от этой АЭС на землю Германии выходит приемный терминал газопровода Северный поток-2. Как и 6 блок АЭС Грайфсвальд, он был полностью построен, но ему так и не суждено было заработать. Прямо какое-то гиблое место для российско-германского энергетического сотрудничества. В 1982 году СССР также начал строительство двух ВВЭР-1000 на АЭС Штендаль, но их так и не успели достроить.
Гиблое место российско-немецкого сотрудничества
Атомная промышленность Западной Германии не только успела построить у себя около 30 атомных энергоблоков (не считая советских в ГДР), но и получала зарубежные заказы. Немцы построили АЭС Borselle в Нидерландах (PWR 480 МВт, 1973 г), АЭС Trillo-1 в Испании (PWR, 1000 МВт, 1988 г), АЭС Goesgen в Швейцарии (PWR 1000 МВт, 1979 г), АЭС Angra-2 с пред-Конвоем в Бразилии (PWR 1300 МВт, 2000 г).
Схема построенной немцами испанской Trillo-1 с PWR на 1000 МВт.
Планов было больше, но не все из них успели осуществить. Например, из незаконченного остались еще блок Ангра-3 в Бразилии, который сейчас пытается достраивать международный консорциум. Еще два блока в Испании были заказаны, но их строительство так и не было начато. Самый известный в России немецкий долгострой — иранская АЭС Бушер. Ее начали строить в 1975, но в 1980 из-за санкций свернули проект, готовый более чем наполовину. В итоге Бушер-1 в 2011 году достроила Россия, поставив туда реактор ВВЭР-1000.
Первый блок АЭС Бушер с российским реактором в немецком контейнменте.
Около 20 лет, с 1985 по 2005 год, доля атомной энергетики в электробалансе Германии была максимальной — от 25% до 30%. Такой доли атома никогда не было ни в США, ни в СССР/России. По этому показателю среди крупных стран Германия шла примерно вровень с Японией и уступала лишь Франции и Южной Корее. В абсолютных цифрах выработка АЭС в это 20-летие в Германии достигала 170 ТВт*ч/год, а суммарная мощность АЭС достигала 22 ГВт.
Доля атомной энергетики в электробалансе крупных развитых стран
Любопытно, что с 1990 по 2006 годы АЭС Германии вырабатывали больше электроэнергии, чем АЭС России.
Топливный цикл и обращение с отходами
Помимо собственно атомных станций, научных центров и машиностроительного комплекса, в Германии были довольно продвинутые предприятия ядерно-топливного цикла. А некоторые работают до сих пор и переживут сами немецкие АЭС.
В Западной Германии уран добывался на нескольких небольших месторождениях и до 1989 года перерабатывался на заводе в Ellweiler, однако в основном уран поставлялся из-за рубежа — из Канады, Австралии и Намибии. В Восточной Германии, на границе с Чехословакией, наоборот в 1947 году было открыто крупнейшее в Европе уранодобывающее предприятие Висмут, обеспечивавшее в первые годы ураном весь СССР.
В 1985 году в немецком Гронау заработал один из заводов европейской компании Urenco по обогащению урана, который работает до сих пор для иностранных заказчиков. Его максимальная производительность в 4500 SWU, превышающая потребности самой Германии, пришлась на 2005 год, когда атомная энергетика Германии уже пошла на спад.
Завод Urenco в Гронау. Справа видна большая открытая площадка с кранами и контейнерами с обедненным гексафторидом урана (ОГФУ). Про обогащене урана и ОГФУ, который ввозили в Россию, у меня есть целая серия статей.
С 1979 в Лингене работает завод по фабрикации топлива для реакторов PWR и BWR. ОН принадлежит французской Framatome, имеет мощность в 650 т/год и является вторым по величине в Европе после собственно заводов Framatome во Франции, обгоняя по мощности заводы в Швеции и Испании.
Немецкий же Siemens в Германии работал и над замыканием топливного цикла. С 1969 по 1995 годы на заводе в Ханау велось производство как уранового, так и уран-плутониевого MOX-топлива. Последнего было изготовлено около 158 т для водо-водяных реакторов и около 6 т для быстрых. Тут же изготавливали экспериментальное топливо с торием и в виде сферических твэлов для реакторов-прототипов.
Завод ядерного топлива Siemens в Ханау. Фото конца 1990-х.
Стратегия обращения с радиоактивными отходами в Германии предполагает использование глубинного захоронение для всех видов радиоактивных отходов, даже низкоактивных. С 1967 по 1974 год в рамках экспериментальной программы проходило заполнение глубинного захоронения Ассе II в соляных шахтах на глубине 500–750 м. Там разместили более 125 тыс. металлических бочек с низкоактивными отходами и около 1300 бетонных контейнеров с отходами средней активности. Однако нестабильность шахт и риски подтопления бочек с отходами привели к разработке в 2010 году плана извлечения и перемещения отходов стоимостью в 3,7 млрд евро. В ГДР подобное хранилище было выбрано в Морслебене (ГДР) но позже закрыто. Сейчас же идет подготовка и строительство хранилища в железорудном массиве Конрад.
Закрытое хранилище РАО Морлебен в соляной шахте
Отработавшее ядерное топливо изначально в Германии планировали перерабатывать. С 1971 по 1990 год в Карлсруэ работал завод по переработке топлива. Но затем от этой практики отказались и до 2005 года отправляли топливо на переработку во Францию с возвратом образовавшихся при переработке высокоактивных остеклованных отходов.
Отработавшее топливо и отходы хранятся на площадках АЭС и трех централизованных промежуточных хранилищах – Горлебен, Ахаус и Северный Рубенов.
Внутренний вид на временное хранилище ОЯТ и ВАО в Горлебене
С 2005 года отработавшее топливо допускается лишь к прямому захоронению без переработки. Место для такого захоронения высокоактивных отходов в Германии пока окончательно не определено.
Источник: Хабр
PS: Подписывайтесь на Энергетического батончика и читайте его энергетические треды.
И на соавтора данной статьи тоже — Patreon, YouTube и телеграм каналы об атомной энергетике.