Малые модульные реакторы: революция в энергетике

Коллаборация ANItA в Университете Уппсалы рассказывает о том, как малые модульные реакторы (SMR) изменят восприятие ядерной энергетики. В последние годы значительно возрос интерес к ядерной энергетике как к низкоэмиссионному и диспетчеризируемому источнику энергии. Это связано с техническими проблемами, присущими значительному расширению производства электроэнергии, зависящего от погодных условий.

Например, из-за закрытия ядерных реакторов такие страны, как Швеция и Германия, создали нестабильную и хрупкую систему электроснабжения, где снижение пропускной способности, увеличение сетевых затрат, а также волатильные и даже отрицательные цены на электроэнергию являются частью сегодняшней реальности.

Ядерная энергетика предлагает технически привлекательное решение этих проблем, поскольку, в отличие от традиционных источников энергии, основанных на силах, удерживающих атомы и молекулы, ядерная энергетика использует силы, удерживающие атомные ядра. Ядерные силы намного сильнее атомных. Например, в ядерной реакции в топливе реактора выделяется примерно в 50 миллионов раз больше энергии, чем при сгорании, когда два атома кислорода соединяются с атомом углерода.

Ядерная энергетика имеет минимальный углеродный след на кВт⋅ч с точки зрения жизненного цикла среди всех доступных технологий, за исключением, возможно, геотермальной энергии. Физическое воздействие ядерной энергетики на окружающую среду минимально, а материалоемкость (бетон, алюминий, сталь) наименьшая среди всех энергетических технологий. Кроме того, ядерная энергетика вырабатывает электроэнергию круглосуточно, а тяжелые генераторы стабилизируют электросеть. Реакторы также можно размещать в стратегических точках энергосистемы, что минимизирует затраты на проводку.

Однако у ядерной энергетики есть реальные и мнимые проблемы. Если мнимые проблемы трудно определить, поскольку они часто связаны с субъективными ощущениями, то реальные проблемы можно свести к следующему:

Новые большие реакторы являются дорогостоящими инвестициями, и лишь немногие заинтересованные стороны имеют финансовые возможности для инвестирования. Срок амортизации реактора составляет около двадцати лет, после чего он может генерировать полезную энергию еще шестьдесят или даже восемьдесят лет по коммерчески выгодной цене.
Долгосрочные горизонты создают непредсказуемый политический риск, включая возможность того, что будущая политика, например, по идеологическим причинам, может устранить предпосылки для сделанных инвестиций.
Обращение с отработавшим ядерным топливом является сложной задачей, проблемы которой связаны не столько с техническими соображениями, сколько с различными нормативными аспектами. Уже и без того всеобъемлющие правила, касающиеся безопасности, гарантий и охраны, имеют тенденцию становиться еще более сложными и навязчивыми, что не обязательно отражает фактическую потребность в таких изменениях.
Постоянно существующий риск серьезной поломки в любой технической системе является проблемой для ядерной энергетики по трем причинам: значительные экономические потери для владельца реактора, выпадение значительной части производства электроэнергии и риск распространения радиоактивного материала в окружающую среду.

Первую причину трудно устранить, вторую можно исправить, построив больше блоков для создания резерва, а третью — установив системы смягчения последствий, которые вступают в действие в случае серьезной аварии. Такие системы были установлены на всех действующих реакторах поколения II в Швеции и являются стандартным оборудованием в реакторах поколения III и III+.

Для решения проблемы больших инвестиционных затрат и повышения гибкости ядерной энергетики в энергосистеме возрос интерес к малым модульным реакторам (SMR). SMR — это собирательное название спектра различных технологий, где реакторы имеют электрическую мощность, как правило, около 300 МВт или меньше. SMR могут относиться к так называемому поколению IV или основываться на той же технологии, что и нынешние большие реакторы, то есть использовать легкую воду в качестве теплоносителя/замедлителя.

SMR предназначены для заводского изготовления, либо в виде готовых блоков, либо по частям, и в обоих случаях они будут устанавливаться на месте. Важной частью концепции SMR является то, что реакторы должны утверждаться по типу, в отличие от сегодняшнего дня, когда каждый реактор утверждается индивидуально. Ожидается, что стандартизация SMR, их относительно небольшая физическая площадь, установка, а не строительство на месте, и короткое расчетное время реализации снизят потребность в капитале до уровня, когда нынешние атомные компании и новые заинтересованные стороны, такие как города, смогут взять на себя вышеупомянутый политический риск.

Идея стандартизации важна, и исторический опыт подтверждает важность производства реакторов с единообразной конструкцией. Например, Швеция смогла подключить двенадцать довольно стандартизированных реакторов к сети в течение тринадцати лет. В таких условиях кривая обучения становится крутой, что важно при быстром и эффективном внедрении любой новой технологии. SMR работают на военных кораблях около семидесяти лет с хорошим опытом эксплуатации. Легководные SMR можно рассматривать как усовершенствованные версии военных корабельных реакторов, отвечающие гражданским требованиям.

Относительно небольшая выходная мощность делает SMR менее пригодными для производства электроэнергии в национальном масштабе, чем полномасштабные реакторы. Однако их размер и модульная конструкция делают их отличными для местного или регионального производства электроэнергии, например, для крупных населенных пунктов и промышленных комплексов. Они также хорошо подходят для усиления и стабилизации национальной электросети там, где это необходимо, хотя экономические последствия этого применения в настоящее время неясны. В странах, где нет разветвленной национальной электросети, SMR могут быть эффективным решением проблемы нехватки электроэнергии. Ожидается, что в эксплуатации SMR не потребуют большого количества рабочей силы.

Помимо преимуществ, сила SMR заключается в приложениях, которые в настоящее время не имеют экологически чистых и благоприятных для климата решений. Примерами таких приложений являются централизованное теплоснабжение, опреснение морской воды, обогрев теплиц, производство технологического пара и водорода. Коллаборация ANItA всесторонне изучила, как SMR можно использовать в различных приложениях.

Некоторые технические особенности SMR основаны на простых физических принципах. Это позволяет достичь высокого уровня безопасности, поскольку системы безопасности могут быть «пассивными», то есть для их работы не требуется вмешательство человека или внешнее питание. Например, относительно небольшой размер активных зон реакторов позволяет спроектировать корпус реактора таким образом, чтобы обеспечить охлаждение остаточного тепла в остановленном реакторе за счет самоциркуляции теплоносителя. Кроме того, такую систему можно сделать простой с минимальной потребностью в клапанах и других элементах, которые могут выйти из строя. Это резко снижает риск расплавления активной зоны, поскольку для работы насосов-охладителей не требуется внешнее питание или управление. Пассивные системы являются дополнением к уже очень безопасным конструкциям, основанным на многолетнем опыте проектирования и использования ядерной энергии.

Ожидается, что в некоторых приложениях SMR будут частью распределенных систем со многими блоками. Это создает проблемы, одной из которых является управление ядерным материалом. Сегодняшний режим нераспространения включает ядерные гарантии как важный инструмент для мирового сообщества, позволяющий определить, что весь ядерный материал находится там, где он должен быть, и имеет заявленные свойства. Однако текущие гарантии разработаны для работы с относительно небольшим количеством полномасштабных реакторов в стране, а логистика и хранение четко определены и управляемы с точки зрения гарантий.

Когда множество SMR вводятся на нетрадиционных ядерных площадках, все становится сложнее. Например, потребуются новые транспортные маршруты для свежего и отработавшего топлива, а вместе с ними и более широкое применение гарантий. В целом, логистика станет более диверсифицированной и ее будет сложнее контролировать комплексно. Поскольку нынешние ядерные гарантии плохо адаптированы к такой новой реальности, необходимо разработать новые подходы. Это, в свою очередь, потребует тесного сотрудничества между регулирующими органами, промышленностью, научными кругами и Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ). Такая работа по развитию ведется в рамках сотрудничества ANItA.

Для наземного использования размер SMR позволяет устанавливать их под землей или в скальных пещерах, уменьшая их подверженность внешним воздействиям и тем самым повышая их безопасность.

Ожидается, что на полностью реализованном этапе малые модульные реакторы предложат экономически выгодные решения для приложений малого и среднего масштаба. Это обстоятельство делает технологию пригодной для небольших заинтересованных сторон, таких как города, компании и другие, которым требуется местное или региональное производство полезной энергии. Безопасность различных концепций SMR, находящихся в настоящее время под пристальным вниманием, призвана удовлетворить самые строгие требования. Одной из важных особенностей безопасности является возможность охлаждения активной зоны после остановки с использованием самоциркуляции, если это необходимо.

Хотя производство электроэнергии типичным SMR существенно меньше, чем у полномасштабного реактора, SMR обладают рядом преимуществ, важных для различных применений, помимо производства электроэнергии. Относительно небольшие размеры позволяют развертывать SMR в местах, где полномасштабные реакторы просто физически не помещаются, например, вблизи городов и заводских территорий. Сочетание тепла и электроэнергии делает SMR интересными для комбинированного централизованного теплоснабжения и производства электроэнергии, что повышает экономичность, когда реакторы работают в режиме следования за нагрузкой. Генератор мощностью 300 МВт ни в коем случае не является маленьким с точки зрения инерции, а это означает, что SMR подходят для стабилизации сети в стратегически выбранных точках. На фундаментальном уровне легководные SMR не представляют собой новую технологию. Помимо пассивных систем безопасности, схема эксплуатации и технического обслуживания будет представлять собой уменьшенные версии тех, которые используются для нынешних легководных реакторов. Это выгодно, поскольку в значительной степени можно использовать существующие ноу-хау и логистику. Однако ожидаемые новые приложения создадут некоторые новые проблемы, касающиеся нормативных вопросов, гарантий и безопасности, и эти аспекты необходимо должным образом рассмотреть.