Новые реакторные технологии: реалии и перспективы

Сейчас весь технологический мир ищет решений для преодоления проблем человечества. Значительное внимание привлечено к развитию новых технологий, которые способны оптимизировать и налаживать жизнь на планете. Высокоразвитые страны тратят огромные средства на исследования и новейшие разработки, в частности, недавно США заявили о намерении возобновить финансирование международных программ, направленных на развитие гражданских ядерных технологий.

Разработчики новых реакторных технологий убеждены, что будущее атомной энергетики за малыми модульными реакторами (ММР), ведь они имеют ряд преимуществ перед своими предшественниками – энергоблоками большой мощности. Сейчас в мире на разных этапах развития находится более 50 проектов реакторов малой мощности.

 

Общие сведения 

Согласно определению Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), к малым реакторам относятся реакторы, которые имеют мощность до 300 МВт и состоят из модулей, которые перед поставкой и монтажом на площадке изготавливаются на заводе-изготовителе. Концепция ММР и их применение в производстве электроэнергии много лет оставались предметом обсуждения ученых, представителей власти и специалистов в области ядерной энергетики. На фоне технологических прорывов последнего десятилетия идея использования ММР кажется все более обоснованной и экономически оправданной.

Реальность внедрения ММР приближают те факторы, которые стали в последнее время очевидными в мировой энергетике: повышение спроса на электроэнергию, необходимую для экономического роста, а также растущий запрос на энергетическую безопасность и низкоуглеродную энергетику в условиях борьбы с изменениями климата.ММР имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными атомными электростанциями (АЭС): они могут занять долю в диверсифицированном энергобалансе, работать при отсутствии подключения к энергосетям, а также использоваться в целях выработки тепла для технологических нужд, опреснения воды и производства водорода.

 

Перспективы внедрения в мире

 Аргентина

В Аргентине работают две АЭС, совокупно производят 1627 МВт энергии. Одна из них, двоблокова АЭС «Атуча» («Атуча-1» 335 МВт и «Атуча-2» 692 МВт), которая использует тяжеловодные реакторы (PHWR). Станция расположена в г. Лима (провинция Буэнос-Айрес). Другая – АЭС «Ембальсе» (600 МВт), также использует реактор PHWR, расположенная в г. Ембальсе (провинция Кордова). В феврале 2014 года на площадке Атуча началось строительство ММР CAREM.

Малый модульный реактор CAREM – совместный проект Национальной комиссии по атомной энергетике Аргентины (CNEA) и компании INVAP S.E. Разработка реактора имела статус национального проекта – поставку материалов и комплектующих для станции обеспечивали местные компании.

В основе проекта лежит интегральный легководный реактор (LWR) электрической мощностью 30 МВт и тепловой мощностью 100 МВт. Среди ключевых характеристик которого – охлаждение активной зоны естественной циркуляцией, внутрикорпусные механизмы управления регулирующим стержнем, а также системы безопасности с акцентом на пассивные механизмы защиты. В конструкции реактора CAREM сведены к минимуму неустойчивые компоненты и риски взаимодействия с внешней средой

Первое публичное представление проекта CAREM состоялось еще в 1984 году во время конференции МАГАТЭ в Перу. По политическим причинам проект был остановлен, но впоследствии был восстановлен в рамках планирования ядерной реактивации Аргентины 2006 г.

Стоит отметить, что атомная станция на основе ММР CAREM это не просто проект на бумаге. Сейчас она находится на стадии строительства в районе города Сарат, в северной части провинции Буэнос -Айрес, рядом с АЭС Атуча 1.

Датой ввода в эксплуатацию инновационного реактора разработчики предварительно называли 2022, однако ввиду того, что сегодня строительство приостановлено из-за экономических причин, точная дата неизвестна.

Канада

В Канаде эксплуатируются 19 АЭС совокупной мощностью 13553 МВт. Региональные органы власти и поставщики электроэнергии приняли решение о продлении срока эксплуатации нескольких канадских тяжеловодных ядерных реакторов (CANDU), путем проведения масштабной модернизации, что позволит удовлетворить будущие потребности в электроэнергии.

Ранее Канадская ядерная лаборатория (CNL) в своем отчете о перспективах развития ядерной энергетики страны заявила о намерении к 2026 году построить ММР на одной из своих площадок. В ответ на это были получены предложения от 80 организаций и частных лиц из Канады и других стран, в том числе от разработчиков ММР, которые подали заявки в Комиссию по ядерной безопасности Канады (CNSC) на получение лицензии.

В стране была разработана Программа развития ММР, которая развивается быстрыми темпами: компании-разработчики оперативно реагируют на результаты новых научных исследований и ищут возможности для их реализации на практике. Помимо прочего, интересы разработчиков учитывают признаные в мире регулирующие органы, которые поддерживают применение новых технологий.

Особое внимание разработчики реакторных технологий уделяют экономическим характеристикам ММР. В качестве потенциальных демонстрационных проектов были предложены в общей сложности 19 различных концепций ММР, причем 16 из них предусматривают размещение реактора на одной из площадок Канадской ядерной лаборатории, а три проекта предполагают возможность промышленной эксплуатации в Канаде.

Комиссия по ядерной безопасности Канады (CNSC) предлагает канадским и зарубежным разработчикам, которые планируют подать заявку на получение лицензии на строительство и эксплуатацию новой АЭС, воспользоваться процедурой предварительной оценки проекта, во время которой комиссия оценивает примененную разработчиком реакторную технологию. Предварительная оценка не гарантирует, что проект будет утвержден.

Первый этап оценки занимает от 12 до 18 месяцев, в течение которых проект оценивается с точки зрения соответствия канадскому нормативно-правовому обеспечению. Второй этап длится 24 месяца, на нем выявляются возможные фундаментальные причины для отказа в выдаче лицензии. На третьем этапе у разработчиков есть возможность изучить результаты второго этапа оценки и внести в проект необходимые изменения.

По данным Комиссии, заявки на предварительную оценку проектов подали уже более 10 компаний-разработчиков. Это, в частности, интегральный жидкосолевой реактор ISMR, 200 МВт (Terrestrial Energy Inc.), высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы MMR 5 и MMR 10 (Ultra Safe Nuclear Corporation), реактор на расплаве свинца SEALER, 3 МВт (LeadCold Nuclear Inc.), ARC 100 на жидком натрии (Advanced Reactor Concepts Ltd.), солевой реактор, 300 МВт Moltex Energy, легководный SMR-160 (Holtec International), водо-водяной реактор компании NuScale Power, LLC. и другие.

Рассмотрим некоторые из них.

Итак, первым не случайно будет NuScale, проект которого находится на завершающем этапе лицензирования в США и вероятно станет флагманом в строительстве ММР. Это разработка одноименной американской компании NuScale Power.

Один энергоблок NuScale может содержать до 12 отдельных модулей (реакторов), обеспечивающих до 720 МВт электрической мощности.

Разработчики утверждают, что реактор NuScale имеет очень высокий уровень безопасности, который обеспечивается пассивными системами, а вероятность ошибки персонала сведена почти к нулю. Перегрузка топлива и технический осмотр одного модуля NuScale не влияет на работу других модулей и составляет около 10 дней.

Также реактор предполагает быструю смену мощности в широком диапазоне – от 20 до 100% и короткий интервал выхода на мощность после его запланированного останова, что составляет около 13 часов. Это позволит использовать реакторы в качестве маневровых мощностей для возобновляемой генерации.

Привлекательны также и экономические показатели реакторов NuScale: ориентировочная стоимость строительства АЭС NuScale почти вдвое меньше, чем энергоблоков большой мощности, а количество персонала, обслуживающего АЭС из 12 модулей NuScale составляет около 300 человек.

Компания Holtec International (США), известная в мире как поставщик контейнеров и систем для хранения отработанного ядерного топлива (ОЯТ), а в Украине, еще как проектант ХОЯТ-2 и ЦХОЯТ, решила войти в число разработчиков реакторных технологий с помощью проекта SMR-160.

Первые сообщения о том, что Holtec работает над ММР появились еще в 2011 году, тогда реактор назывался «HI-SMUR 140», вскоре проект эволюционировал, ему на смену пришел SMR-160.

Компания характеризует SMR-160 как малый модульный реактор с электрической мощностью 160 МВт, «конструкция которого обеспечивает безопасную эксплуатацию, в т.ч. на площадках с ограниченным водоснабжением и с ограниченными размерами территории, где по этим причинам не могут быть построены большие реакторы, а также имеет уникальные возможности применения в промышленности в тех условиях, где не пригодны АЭС большой мощности».

Еще одним преимуществом в компании считают уровень безопасности «Walk way safe» – это значит, что в случае аварии, возникшей по каким-либо причинам (в том числе, в результате диверсии или теракта) реактор заглушится и перейдет в безопасное состояние без вмешательства человека.

Согласно проекту, размещение реактора подземное, на отметке 14 метров. Также ниже уровня земли располагается сухое хранилище ОЯТ со сроком службы до 120 лет.

Проектный срок эксплуатации такого реактора 80-100 лет. Сроки строительства – 2-3 года.

Westinghouse SMR – проект легководного малого модульного реактора одноименной компании, с интегральной компоновкой оборудования, ориентирован на регионы с нестабильным энергоснабжением.

По словам разработчика, для достижения высокого уровня безопасности в установке использованы системы пассивной безопасности и опробированные компоненты, которые реализованы в конструкции реактора AP1000. По сути Westinghouse SMR является уменьшенной копией своего «старшего брата», что дает некоторые преимущества в лицензировании этому проекту в отличие от конкурентов.

Установка способна производить <225 МВт электрической энергии и 800 МВт тепловой, которая может быть использована для технологических нужд, обеспечивать централизованное отопление, работать при отсутствии подключения к энергосетям (например, в местах добычи сланцевой нефти), а также использоваться при сжижения угля.

Атомная станция на основе Westinghouse SMR – это модульная конструкция, где все компоненты могут легко перемещаться автомобильным, водным или железнодорожным транспортом, что создает дополнительные условия для размещения ее на территориях с малоразвитой энергосетью.

Концептуальный проект реактора был разработан в 2015 году, компания-разработчик занимается доработкой проекта и готовится подавать заявку на его сертификацию в Комиссию ядерного регулирования США.

Кроме того, сейчас компания Westinghouse разрабатывает микрореактор eVinci – маленький модульный реактор нового поколения для децентрализованных отдаленных населенных пунктов. Как и предыдущий тип, этот реактор можно с легкостью транспортировать, причем срок его установки на площадке составляет всего неделю.

Westinghouse уверяет, что микрореактор может использоваться как передвижной генератор, его тепловая и электрическая мощность составляет от 1 МВт до 5 МВт. Срок эксплуатации такой установки составляет 40 лет, а работать без перезагрузки реактор способен 10 лет. Ввести в эксплуатацию eVinci компания планирует до 2024 года.

Соединенные Штаты Америки

США – крупнейший производитель ядерной энергии (30% от общемирового объема). Всего в стране работают 98 энергоблоков АЭС, расположенные в 30 штатах. При этом средний возраст реакторов 37 лет. Мощность одного энергоблока в среднем составляет 1000 МВт.

Комиссия ядерного регулирования США рассматривает предварительные заявки, поданные разработчиками (легководных) SMR, среди которых компания NuScale Power с одноименным реактором малой мощности, компания SMR Inventec, LLC (дочернее предприятие компании Holtec International) с SMR-160 и BWXT mPower, Inc.

Если говорить о проектах малых модульных реакторов, которые наиболее продвинулись в развитии, то непременно следует упомянуть еще две технологии.

В конце 2019 американско-китайская компания «GE Hitachi Nuclear Energy» начала процесс лицензирования в США своего проекта малого кипящего реактора BWRX-300.

BWRX-300 мощностью 300 МВт является уменьшенной версией разработанного GEH реактора на кипящей воде ESBWR мощностью 1520 МВт, который в 2014 году был успешно сертифицирован Комиссией ядерного регулирования США (NRC). В проекте BWRX используются те же конструкторские решения, что и в ESBWR. Первая сертификация собственно проекта BWRX-300 предполагается в Канаде.

Как говорят в GEH, реактор типа BWRX-300 требует до 60% меньше капитальных затрат на мегаватт мощности по сравнению с другими проектами малых реакторов или нынешними реакторами большой мощности. Для General Electric это уже десятая модель реактора на кипящею воде – разработкой коммерческих ядерных реакторов компания занимается с 1955 года.

Китай

По состоянию на май 2020 года страна эксплуатирует 48 атомных энергоблоков, на 17 АЭС общей мощностью 45,6 ГВт, 13 энергоблоков находятся на этапе строительства и строительство еще около 30 запланировано.

В разработке находятся несколько ядерных реакторов малой мощности, призванны достичь целей и задач государственной политики Китая в области энергетики. В рамках программы атомного развития Китая разрабатываются следующие модели ММР: HTR-PM (два реактора по 250 МВт (т) и одна турбина на 211 МВт (э)), ACP100 (125 МВт (э)/385 МВт (т)), CAP200 (200 МВт (э)/660 МВт (т)) и ACPR50S (50 МВт (э)/200 МВт (т)).

Потенциальные потребители – три северо-восточные провинции: Ляонин, Цзилинь и Хэйлунцзян, где наблюдается нехватка тепла и энергии, и прибрежные провинции Чжэцзян, Фуцзянь и Хайнань, которым нужны энергия и питьевая вода. Также планируется обеспечение энергией других провинций, включая Хунань и Цзянси. Кроме того, рассматривается вариант использования плавучей АЭС в Бохайском заливе. Из зарубежных рынков рассматриваются Северная Африка и Ближний Восток, где такие типы реакторов могут использоваться для выработки энергии, тепла, пара и питьевой воды.

На Ближний Восток ориентирует свою разработку Корея …

Проект Корейского научно-исследовательского института по атомной энергии (KAERI) SMR SMART – это легководный «модульный усовершенствованный реактор с интегрированной системой», предназначенный для выработки электроэнергии, а также для опреснения морской воды. Конструкция реактора спроектирована так, что вместе с активной зоной, в едином корпусе находятся компенсатор объема, парогенераторы и главные циркуляционные насосы (ГЦН).

В проекте предполагается восемь парогенераторов со спирально закрученными теплообменными трубками, через которые проходит перегретый пар. Перекачку теплоносителя обеспечивают четыре герметичные ГЦН.

Такая электростанция способна производить 100 МВт электроэнергии, ее достаточно, чтобы обеспечить потребности города с численностью населения 100 000 человек и опреснения 40 000 тонн морской воды, тепловая мощность составляет 330 МВт.

Ученые Южной Кореи разрабатывали эту технологию в течение 22 лет, в 2012 году проект получил одобрение корейского регулирующего органа.

KAERI планировала построить демонстрационную установку SMART, которая должна была работать еще в 2017 году, но проект был остановлен из-за отсутствия заказов. В общем, сейчас же ситуация несколько изменилась, компания-разработчик ориентирует свои модульные реакторы на Ближний Восток, в частности недавно был подписан Меморандум о взаимопонимании с Саудовской Аравией по коммерциализации, лицензировании и строительстве SMR SMART в этой стране.

 

А что Украина?

Энергетическая стратегия Украины на период до 2035 года предусматривает необходимость выбора реакторных технологий для строительства новых атомных энергоблоков на замещение мощностей АЭС, которые будут выводиться из эксплуатации.

Сейчас Госатомрегулирование активно изучает опыт регулирующих органов других стран, в первую очередь США, касательно лицензирования малых модульных реакторов и регулирующего сопровождения их строительства.

Летом 2019 организация технической поддержки украинского регулятора Государственный научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности стал одним из подписантов соглашения о создании Консорциума с американской компанией Holtec Int. для внедрения в Украине технологии малых модульных реакторов. Однако по определенным причинам развития это направление не получило.

В конце того же 2019 ГНТЦ ЯРБ вместе с национальным регулятором – Госатомрегулирование провели колоссальную работу в направлении обмена опытом с коллегами из США, в том числе с разработчиком технологии малого модульного реактора компанией NuScale Power. В начале 2020 г. между ГНТЦ ЯРБ и NuScale Power был подписан Меморандум о взаимопонимании, который даст старт работам по оценке национальных нормативных и проектных документов, связанных с внедрением технологии NuScale для строительства ММР в Украине. Руководство компании-разработчика, в свою очередь, выразило готовность содействовать такой деятельности.

Именно благодаря этой кооперации, которая также была поддержана Департаментом энергетики США и Государственным Департаментом США, стало возможным проведение в Украине воркшопа, посвященного внедрению новых технологий в атомной энергетике страны и официальное представление технологии NuScale в Восточной Европе.

Касательно единого оператора АЭС в Украине НАЭК «Энергоатом», то до сих пор неизвестно о позиции компании по развитию новых технологий. Никаких программ по рассмотрению возможности «заводить» в национальную атомную отрасль ММР пока не представлено. Хотя, учитывая возраст атомных электростанций, эксплуатируемых в Украине, вопрос развития новых технологий – вопрос насущный.

Поскольку ММР является маневровым, низкоуглеродным видом генерации, в условиях борьбы с изменениями климата, то может по праву стоять рядом с другими источниками возобновляемой энергии. Так, по крайней мере, позиционируют технологии модульных реакторов в мире.

 

Новые вызовы: обращение с отработанным топливом ММР

Процесс обращения с ОЯТ требует отдельного внимания. По словам исследователей, занимающихся ядерной энергетикой, обращение с ОЯТ ММР зависит от конструкции конкретного реактора, а также от существующей в стране практики обращения с отработанным топливом.

Страны, в которых уже существуют ядерно-энергетические программы, занимаются утилизацией отработанного топлива в течение десятилетий. Они приобрели большой опыт и располагают надлежащей инфраструктурой. Для этих стран обращение с отработавшим топливом, произведенным ММР, не будет представлять проблемы, если будет принято решение использовать ММР, основанные на существующих технологиях.

То есть, если малые модульные реакторы будут работать на том же топливе, что и традиционные атомные электростанции, с их отработанным топливом можно вести себя так же, как и с отработанным топливом больших реакторов.

Что касается ММР, где в основе, например, высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы, в которых используется топливо, упакованное в графитовые призматические блоки или графитовые шара, то даже для них некоторые страны с атомными электростанциями уже имеют решения, позволяющие хранить отработанное топливо и обращаться с ним. Для этого может использоваться уже существующая инфраструктура, или приспособить ее к новым потокам радиоактивных отходов не составит труда.

Страны, которые только встали на путь развития ядерной энергетики соответственно следует продумать над вопросом обращения с отработавшим топливом и создать надлежащую инфраструктуру. Это необходимо, даже если они отдадут предпочтение традиционным атомным электростанциям или ММР, основанным на существующих технологиях.

Как говорят в Отделе ядерного топливного цикла и технологий обращения с отходами МАГАТЭ, они столкнутся с дополнительными трудностями, если сделают выбор в пользу первых в своем роде или менее устоявшихся технологий, поскольку в таком случае будет меньше опыта и меньше контрольных показателей для управления всем топливным циклом.

В целом же решение по обращению с отработавшим топливом и радиоактивными отходами, образующимися в результате работы ММР, будут рядом с надежностью поставок топлива входить в число наиболее важных факторов, взятых во внимание при выборе той или иной технологии.

Некоторые конструкции ММР позволяют сократить объемы работ, связанных с обращением с ОЯТ. Построенные соответствующим образом электростанции требуют меньшей частоты перегрузки – каждые 3-7 лет, по сравнению с 1-2 годами для традиционных электростанций, а некоторые спроектированы таким образом, что могут работать без перегрузки до 30 лет. Однако даже в таких случаях останется некоторое количество отработанного топлива, которое необходимо будет должным образом утилизировать.

Сейчас инженеры и конструкторы имеют уникальную возможность заняться поиском решений для улучшения обращения с отработавшим топливом и радиоактивными отходами ММР на ранних этапах разработки. Ведь такой подход поможет устранить неопределенности, связанные с конечной стадией топливного цикла и снизить расходы.

Редакция веб-сайта Uatom.org