Большие перспективы малых реакторов: почему они так популярны

Отчетливый тренд ядерной энергетики — ​АЭС малой мощности. И ведущие компании, и стартаперы работают над проектами модульных реакторов. Популярность концепции эксперты объясняют необходимостью обеспечить энергией удаленные районы и островные государства.

От общего к частному

На протяжении 70 лет ядерная энергетика наращивала мощности — ​больше энергоблоков, больше мегаваттов. У реактора первой АЭС в Обнинске было всего 5 МВт, а у построенного в прошлом году блока китайской АЭС «Тайшань» — ​1660 МВт. Со временем усложнялась и инфраструктура. На станциях могут располагаться контейнерные хранилища ОЯТ, на Ровенской АЭС на Украине есть комплекс по переработке РАО, на южноафриканской АЭС «Кеберг» работает опреснительная установка.

Параллельно с реакторами для АЭС разрабатывали реакторы для ледоколов, подводных лодок, космических миссий и научных исследований, благодаря чему впоследствии началось развитие атомных станций малой мощности. Согласно исследованию российского Центра стратегических разработок (2017 год), к 2035 году глобальный спрос на электроэнергию увеличится на 40–50 %. Но есть нюанс: эксперты говорят, что производство энергии необходимо децентрализовать.

Объясняется это в первую очередь освоением удаленных территорий, где нет смысла разворачивать масштабную энергоинфраструктуру. АСММ обеспечат потребность этих районов — ​не только в электроэнергии, но и в тепле, а при дополнительной комплектации — ​и в пресной воде. АСММ планируют также использовать в связке с промышленными предприятиями, такими как буровые платформы, горно-обогатительные комплексы и металлургические заводы. Кроме того, модульные станции могут без особых изменений в инфраструктуре заменить технически отсталые, загрязняющие окружающую среду углеводородные станции.

По оценкам МАГАТЭ, мировая потребность в маломощных реакторах до 2040 года — ​от 0,5 до 1 тыс. блоков. По данным британской Национальной ядерной лаборатории, к 2035 году рынок малых модульных реакторов гражданского назначения достигнет 400 млрд фунтов стерлингов (около 517,5 млрд долларов).

В каталог Advances in Small Modular Reactor Technology Developments 2018 (МАГАТЭ обновляет его раз в два года) внесено 56 проектов, 16 из них — ​российские. Если учесть доклады на международных форумах и конференциях, то число проектов АСММ уже вплотную приблизилось к сотне.

Новый малый

Согласно определению МАГАТЭ, мощность малых реакторов — ​до 300 МВт. Формально в эту категорию попадают несколько давно действующих блоков. Например, ЭГП‑6 на Билибинской АЭС, CNP‑300 на китайской АЭС «Циньшань» и 18 из 22 действующих энергоблоков в Индии. Для реакторов предыдущих поколений такая мощность считалась обычной. Ключевое отличие современной трактовки: модули малых АЭС должны производиться сериями на заводах. Топливо, как правило, загружается там же. На место назначения, по сути, доставляют готовую станцию.

В изобретательности проектантам не откажешь: французский Flexblue придумали для размещения на морском дне, американский eVinci — ​под землей, российские разработчики предлагают реактор для Арктики на санях. Впрочем, большая часть проектов пока на стадии концепции. А те, что уже получили лицензии (свидетельства о безопасности конструкции) от национальных регуляторов, можно пересчитать по пальцам.

Несмотря на разнообразие проектов, условно их можно разделить на две группы. Первая основана на хорошо изученных и давно применяемых решениях. Используется водо-водяная технология, диоксид урана в качестве топлива. Как правило, здесь не нужна масштабная научно-исследовательская работа. Спроектировать такую АСММ можно за пять — ​восемь лет. Вторая группа — ​инновационные конструкции реакторов, новые виды топлива. Требуют множества исследований и экспериментов. А это финансовые и временные затраты. Срок реализации подобных проектов сложно предсказать, одно только обоснование топлива может занять 10–20 лет.

Идеи становятся планами

АСММ пришлись по душе многим странам. О сооружении малых реакторов задумалась Великобритания. Британская металлургическая компания Sheffield Forgemasters и американская NuScale Power договорились о совместной разработке малых модульных атомных электростанций. В поддержку этого проекта Министерство финансов Великобритании выделит 250 млн фунтов стерлингов в течение пяти лет. Первую малую модульную АЭС планируют построить в начале 2020-х.

В Канаде в прошлом году опубликовали дорожную карту создания инфраструктуры АСММ в 2025–2040 годы. 2 апреля этого года в Комиссию по ядерной безопасности Канады поступила первая заявка на лицензирование строительства реактора малой мощности в ядерном центре «Чок-Ривер» в провинции Онтарио.

От слов к делу перешел и Китай: первый реактор ACP номинальной мощностью 125 МВт построят в провинции Хайнань. Начнут 31 декабря этого года, по плану возведение займет 65 месяцев.

В США на территории Национальной лаборатории Айдахо построят атомную станцию из 12 модульных реакторов NuScale.

NuScale

Компания, которая разрабатывает проект малой атомной станции с водным реактором, основана в 2007 году в Портленде Полом Лоренцини, в прошлом — ​одним из руководителей энергетической компании PacifiCorp, и Хосе Рейесом, физиком-ядерщиком, экспертом МАГАТЭ.

В 2016 году NuScale представила проект модульного реактора мощностью 45–50 МВт. Это цилиндр высотой 20 м, диаметром 2,7 м и весом 700 т. Модуль (или модули) устанавливается в бассейне, который в случае аварии будет отводить тепло распада активной зоны в течение длительного времени. Защитная оболочка модуля вакуумирована для теплоизоляции и исключения образования гремучего газа. Активная зона — ​37 кассет, конструктивно схожих с ТВС-квадратом. В качестве топлива — ​оксид урана с обогащением до 5 %. Топливная кампания — ​24 месяца. В одной установке можно соединить 12 модулей.

В 2017 году компания подала в NRC заявку на лицензирование — ​первую в США для атомной станции малой мощности. Если NuScale получит лицензию, то к 2020 году запустит производство реакторов. По расчетам разработчиков, стоимость модуля составит 4–4,5 тыс. долларов за киловатт установленной мощности. Для сравнения: в США проектная стоимость 1 кВт на полномасштабных АЭС оценивается в ​1–2,5 тыс. долларов, на газовой электростанции — ​500 долларов.

Первым клиентом компании станет муниципальная энергетическая система штата Юта. Планируется, что реактор будет производить энергию, отапливать дома и опреснять воду.

eVinci

Другой многообещающий проект — ​микрореактор eVinci. На его разработку Westinghouse летом 2018 года получила от Министерства энергетики США 5 млн долларов. Полгода спустя на конференции Американского ядерного общества Westinghouse раскрыла некоторые технические подробности. Мощность eVinci варьируется в пределах 200 кВт и 15 МВт. Большая часть конструкторских решений пришла в проект из космической энергетики. Транспортировать модуль можно по дорогам, рельсам, на кораблях и самолетах. После доставки на площадку его можно подготовить к работе за неделю. В качестве топлива планируют использовать таблетки с ураном, обогащенным до 19,75 %. Топливная кампания — ​10 лет, затем реактор отправляется к производителю для перегрузки. Активная зона eVinci — ​монолит из жаропрочного материала с каналами для топливных таблеток и отводящих тепло натриевых или калиевых трубок. В eVinci две пассивные системы глушения. Одна классическая — ​ввод поглотителя в активную зону. Другая основана на высвобождении водорода из каналов замедлителя. Westinghouse рассчитывает построить первый eVinci в 2024 году.

Российские разработки

Довольно далеко в разработке АСММ продвинулись российские ученые. Один из самых интересных проектов — ​АЭС на базе реактора РИТМ‑200 мощностью от 50 МВт. Срок эксплуатации такой АСММ — ​60 лет, топливная кампания — ​шесть лет. Разработчик, ОКБМ им. Африкантова, планирует подготовить проектную документацию к 2020 году, а первую станцию построить к 2027-му. Рассматриваются четыре площадки сооружения, наиболее перспективные — ​район Суроямского железорудного месторождения в Челябинской области и территория золото-медного месторождения Песчанка на Чукотке. Однако география рынка для таких АСММ включает в себя не только удаленные территории России, но и Африку, Азию, Ближний Восток, Латинскую Америку, Европу и даже Канаду. Станция включена в инициированный «Росатомом» национальный проект «Атомная наука: техника и технологии».

Другие перспективные разработки — ​блочно-модульная АСММ мощностью 6–10 МВт с реакторной установкой «Шельф» и АБВ‑6Э. Их планируют размещать на изолированных и труднодоступных территориях: в Якутии, на Крайнем Севере, в Центральной Африке, Канаде, островных государствах. Разработкой АБВ‑6Э занимается ОКБМ, «Шельфа» — ​НИКИЭТ.

У специалистов НИКИЭТ несколько проектов малых энергоблоков. Из наиболее проработанных — ​транспортабельная модульная АЭС с газоохлаждаемым реактором АТГОР мощностью 1,2 МВт. Срок службы — ​60 лет, а перезагружать ядерное топливо необходимо раз в 10 лет. Особенность реактора — ​возможность пуска при температуре до –50 °C. Кроме того, запуск АЭС осуществляется с использованием газовых турбин — ​не требуется внешнее питание. Для генерации электроэнергии на блоке можно использовать параллельные газотурбинные установки. Основное оборудование АСММ весом 60 т можно разместить на двух колесных платформах, перевозимых обычными седельными тягачами.

КОММЕНТАРИЙ

Денис Куликов, главный конструктор реакторных установок малой мощности, НИКИЭТ

— Наш институт готов конкурировать на общих условиях с локальной генерацией, в первую очередь с дизельной. Мы разрабатываем проекты ядерных энергетических установок всего диапазона мощности — от установок мегаваттного класса до малых мощностей, 300 МВт. У нас есть и экзотические варианты, и основанные на многолетнем опыте проекты. Причем наряду с первоочередными вопросами надежности и безопасности большое внимание уделяется экономическим показателям, конкурентоспособности.