Вода занимает 70% от общей площади Земли, но только 2,5% приходится на пресные источники. Большая часть пресной воды хранится в ледниках и грунтовых водах. Добывать её изо льда или из-под земли дорого и сложно, поэтому обеспечить ей все 8 миллиардов человек на планете не получается. При этом численность населения растёт, а запасы природной пресной воды уменьшаются. Это происходит из-за развития промышленности, изменений климата и загрязнения пресных водоёмов.
Пить морскую воду — опасно. В ней содержится много солей, которые в большой концентрации вредят здоровью человека и животных. Поэтому солёную воду научились опреснять разными способами. С 70-х годов прошлого века для этого используют мощности АЭС. В статье рассказываем главное о ядерном опреснении.
Из морской в пресную: как это работает
Чтобы получить из морей и океанов пригодную для питья воду, нужно удалить из неё соль и отфильтровать примеси. Это можно сделать при помощи физических и химических методов: с изменением агрегатного состояния и без. Разберём основные способы.
- Дистилляция — это перегонка воды из жидкого состояния в пар и обратно путём конденсации. При изменении температура вода легко переходит из жидкого состояния в газообразное. А вот соли в ней таким свойством не обладают, поэтому в процессе опреснения испаряются. Этот метод используют около половины опреснительных установок в мире.
- Обратный осмос — воду процеживают через тонкую мембрану, которая задерживает соли и примеси. На выходе получают воду, очищенную на 98%.
- Электродиализ — воду пропускают через электрические мембраны, которые меняют её ионный состав. Соли убирают через отводящий канал.
- Вымораживание, или кристаллизация — воду замораживают до состояния льда. Соли плохо встраиваются в кристаллическую решётку твёрдого агрегатного состояния, поэтому растворяются при отрицательной температуре. Но заморозка воды требует много энергии, так что этот метод используется нечасто.
- Химический — в воду добавляют реагенты, которые выпадают в осадок вместе с солями. Такая вода может быть токсичной для человека. Например, соли реагента бария в больших количествах негативно влияют на организм. Этот метод опреснения не является основным, чаще всего его используют для предварительной очистки воды и сочетают с другими способами опреснения.
Основная проблема большинства методов опреснения — высокая стоимость. В среднем цена 1 м³ обессоленной воды составляет около 150 рублей, при этом есть серьёзные расходы на подачу воды и закупку оборудования. А ещё большая часть этих способов требует много энергии: тепловой и электрической. На промышленных предприятиях при сжигании топлива для получения энергии происходит выброс углекислого газа, что вредит экологии. Но есть способ дешевле и экологичнее — это ядерное опреснение.
Как происходит опреснение воды на АЭС
Начальник отдела экологии, радиационной и промышленной безопасности, и. о. заведующего кафедрой атомных электрических станций НИУ «МЭИ» Марина Хвостова рассказала редакции «Луча», что перерабатывать морскую воду в пресную сможет любая АЭС с опреснительной установкой. Это конструкция с системами перегонки или мембранами, которые фильтруют воду от солей и примесей.
Установка для опреснения работает в составе АЭС автономно, получая энергию от реактора. Чтобы вода на выходе стала пригодной для питья, её пропускают через систему фильтров и труб.
1. В первом фильтре вода очищается от крупных частиц и мусора, а также проходит дезинфекцию.
2. Далее способ опреснения зависит от установки на предприятии. Если вода опресняется методом дистилляции в парогенераторе — она превращается в пар и конденсируется в обессоленном виде. Или проходит через мембранные трубы в фильтрах обратного осмоса, которые задерживают соль.
3. Опреснённую воду минерализуют, чтобы восполнить баланс естественных минералов, которые выпарились при обработке.
«Пресная вода, полученная на АЭС, совершенно безопасна для питья. Она изначально не содержит техногенные радионуклиды и не имеет контакта с радиоактивными веществами и ионизирующими излучениями на станциях», — утверждает Марина Хвостова.
Чтобы понять, сколько воды может опреснять одна АЭС, обратимся к примеру строящегося энергоблока Курской АЭС-2. Планируется, что опреснительная установка сможет поставлять 165 м³ обессоленной воды в день. Потребность одного человека в ежедневном потреблении воды — 0,002 м³. То есть чистую воду получат больше 80 000 человек, а это население среднего города в России.
Ядерная энергия для опреснения: в чём преимущества
Марина Хвостова утверждает, что ядерное опреснение может быть дешевле альтернатив. Например, в Судаке планируют построить опреснительную АЭС, где 1 м³ воды будет стоить 40–60 рублей, это почти на 100 рублей дешевле средней стоимости других способов.
«У ядерного опреснения есть несколько преимуществ и помимо экономического фактора. Опреснительные установки на станциях могут работать на высоких мощностях — до нескольких сотен мегаватт. Чем выше мощность, тем больше воды получится опреснить. Кроме того, процессы очистки не влекут за собой выброс CO2 и других продуктов сгорания, поэтому процесс экологичен и не вредит окружающей среде. А главное — ядерного топлива хватит на долгие годы работы АЭС, что поможет получать воду десятилетиями».
Марина Хвостова
Но опреснять воду можно не только на АЭС. В «Росатоме» запускают проекты опреснения на базе специальных судов. Их называют плавучими атомными энергоблоками. На борт помещают компактные установки, в которые заливают воду из моря. И с помощью перегонки или мембранных систем её опресняют. Это позволяет решить главную проблему опреснения — забор и транспортировку морской воды в город.
Исторический экскурс: первая АЭС с опреснительной установкой — отечественная
Опреснять морскую воду люди пробуют очень давно. Так, первую опреснительную установку построили в 1560 году на островах Туниса, а в 1675 и 1680 годах патенты на опреснение методом перегонки получила Англия. Возможность ядерного опреснения начали изучать с 60-х годов XX века. Исследования проводило Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), но основными направлениями работы АЭС всё же оставались производство тепла и света.
Первую в мире АЭС с опреснительной установкой построили в СССР. Это произошло в 1973 году на берегу Каспийского моря в городе Шевченко — ныне Актау, Казахстан. Она снабжала жителей питьевой водой и электричеством 27 лет. С 2000 года она находится в стадии вывода из эксплуатации. Отходы планируют утилизировать ещё 50 лет, чтобы не навредить населению и окружающей среде.
Как Россия развивает технологии опреснения
У России, в частности у «Росатома», более 45 лет опыта ядерного опреснения. Исследования этого процесса велись в СССР и продолжаются до сих пор. Сейчас водоподготовительные комплексы работают на Ростовской и Нововоронежской АЭС: очищенную воду используют для нужд самих станций.
Учёные ведущих вузов страны разрабатывают и новые системы очистки. Например, в МИФИ представили технологию дистилляции воды с помощью наночастиц и нагрева солнцем. Согласно исследованиям, вода с наночастицами на основе диоксида олова испаряется на солнце эффективнее, чем при выпаривании. Это ускоряет процесс опреснения.
Кроме того, специалисты университета предложили использовать гибридные системы опреснения. Они работают на основе очищающих мембран и перегонки. Технологию собираются применять в проектах «Росатома», причём не только на территории России, но и за рубежом. Например, в Египте, где планируют построить первую опреснительную установку в составе АЭС.
Также инновационные разработки представили учёные из Санкт-Петербурга. Сотрудники Санкт-Петербургского политехнического университета написали программу, которая быстро рассчитывает стоимость опреснения воды и выбирает оптимальную стратегию фильтрации. Проект позволяет определить точную цену 1 м³ питьевой воды на АЭС и учитывает более 200 факторов. Среди них: состав воды, особенности окружающей среды, параметры конкретной установки и ядерного реактора. Раньше учёным приходилось тратить годы, чтобы произвести такие расчёты, теперь получить данные можно вскоре после запроса.
Всемирный опыт: в каких странах активно используют опреснение (и не только ядерное)
Согласно исследованиям ООН, в 177 странах мира уже работают 16 000 опреснительных установок. На них производят обессоленную воду, объём которой сравним с половиной стока Ниагарского водопада. Страны с жарким и засушливым климатом, такие как Багамы, Мальдивы, Мальта, ОАЭ и Саудовская Аравия, на 50–100% удовлетворяют потребности в воде за счёт технологий опреснения. На сегодняшний день 10–15% опреснительных установок в мире строятся на базе тепловых или электрических станций, а также в комплексе с АЭС.
Атомные установки для опреснения активно используют Индия и Япония. В Стране восходящего солнца работает около 10 атомных предприятий, которые объединены с водными энергетическими реакторами. С их помощью Япония получает 1000–3000 м³ чистой воды каждый день. Этих объёмов хватит, чтобы напоить от 500 000 до 1 500 000 человек. В Индии же работает атомная электростанция «Мадрас» , где используют мембранный метод опреснения, а также схему многоступенчатой очистки, или фильтрации.
Что в итоге
- Есть несколько способов опреснения морской воды. Но ядерное дешевле остальных методов в три-четыре раза. Цена варьируется от 40 до 60 рублей вместо 150 рублей за 1 м³.
- Ядерное опреснение — самый экологичный способ получать чистую воду. При работе реактора не сжигаются природные ископаемые, поэтому в атмосферу не выделяется CO2 и другие продукты сгорания.
- Первый мировой опыт ядерного опреснения — советская установка в городе Актау, которая обеспечивала целый город пресной водой 27 лет.
- В 177 странах мира работают 16 000 установок для опреснения. Лишь 10–15% из них работают на базе тепловых или электрических станций, в том числе в комплексе с АЭС. Среди лидеров ядерного опреснения — Россия и Япония.
- Учёные России разрабатывают новые технологии ядерного опреснения. Это гибридные системы, которые используют сразу два метода: перегонки и обратного осмоса. А учёные из Санкт-Петербурга создали программу, в которой можно быстро рассчитать точную стоимость опреснения 1 м³ воды на любой АЭС.
