Rolls-Royce будет производить модульные ядерные реакторы

Производитель легендарных автомобилей — ​один из последних игроков, решившихся вступить в технологическую гонку проектов малой ядерной энергетики. В начале этого года компания обнародовала план строительства в Великобритании 10–15 модульных реакторов к 2030 году. Причем каждый модуль должен легко поместиться в прицеп обычного автотягача. Rolls-Royce уже получила 23 млн долларов от британского правительства, но компании еще нужно найти около 250 млн.

В 2016 году правительство объявило конкурс проектов малых модульных реакторов. Это стало первым шагом в признании их важным элементом будущего энергобаланса. Великобритания, как и многие страны Европы, остро нуждается в надежной, дешевой, безуглеродной и безопасной генерации. Энергетическая структура страны стареет и все еще слишком зависима от ископаемого топлива. В меняющейся политической обстановке из-за «Брекзита» у Великобритании появилась необходимость в собственных энергомощностях.

По подсчетам Rolls-Royce, проектирование, разработка оборудования и строительство парка АЭС с модульными реакторами создадут до 40 тыс. рабочих мест для квалифицированного персонала и принесут более 100 млрд фунтов стерлингов в экономику страны за счет внутренних и экспортных продаж.

Глава компании Уоррен Ист расценивает программу строительства ММР как уникальную возможность сэкономить огромные ресурсы, создав передовые ядерные технологии в период заката больших АЭС — последние из них будут остановлены в стране к 2030 году.

Корпус реактора состоит из самого корпуса, торосферической крышки и комплекта креплений (болтов, гаек, сферических шайб и уплотнений). Диаметр корпуса — ​не более 4,5 м, так как максимальная транспортировочная высота в Великобритании составляет 4,95 м. Все патрубки подсоединяются к корпусу реактора выше зоны размещения топливных элементов. Подключения и подсоединения ниже этого уровня не допускаются, чтобы минимизировать риск аварий с потерей теплоносителя.

Между люксовым авто и стеллажом «ИКЕА»

В чем же преимущества модульных АЭС по сравнению со станциями большой мощности? Сторонники технологии говорят, что практически во всем. Так, в Rolls-Royce упирают на то, что производство сразу нескольких малых реакторов выгоднее. Это делает проект строительства модульной АЭС предсказуемым по времени: от первого бетона до ввода в эксплуатацию всего четыре года, включая 500 дней на сборку реактора. Срок почти рекордный, если учесть, что сооружение некоторых АЭС в Великобритании занимало и 20 лет. Правда, есть другие примеры. Самые ранние, уже вышедшие на пенсию, блоки с реакторами Magnox строились в среднем четыре года от закладки до подключения к сети.

Если предсказуем срок проекта, если оборудование стандартизировано, то предсказуем и бюджет строительства. То есть производитель на начальном этапе может определить себестоимость блока и рассчитать стоимость электроэнергии, которую он будет вырабатывать, говорят в Rolls-Royce.

Журнал «Популярная механика» назвал технологию модульных станций, предложенную британской автомобильной компанией, чем-то средним между «роллс-ройсом» и стеллажом «ИКЕА»: непревзойденное качество и простота в реализации.

Замена «Тросфинидда» в Уэльсе: за и против

Двухблочная «Тросфинидд» — ​единственная в Великобритании АЭС, построенная не на морском побережье: она стоит на берегу большого искусственного озера, обеспечивающего водой гидроэлектростанцию. И именно там Rolls-Royce может возвести первые модульные реакторы.

По словам главного технолога Rolls-Royce Пола Стейна, у вторичной застройки есть несомненные преимущества: жители округа настроены положительно, среди них есть квалифицированные сотрудники, которые обслуживали станцию (АЭС «Тросфинидд» закрыта в 1991 году). Осталось оборудование для подключения к сети, известны сейсмические характеристики площадки. «Можно сказать, «Тросфинидд» отвечает практически всем нашим требованиям для размещения первого модульного реактора», — ​заключает Пол Стейн.

Из 1 тыс. жителей деревни Тросфинидд, например, работают около 200 человек. Строительство блока создаст 600 рабочих мест в округе. Пока нет точных цифр, но в Rolls-Royce прикинули, что по всей Великобритании на производстве оборудования, строительстве и эксплуатации маломощных станций будут заняты 40 тыс. человек.

По мнению представителя местной администрации Элфеда Робертса, Тросфинидд нуждается в новых рабочих местах, особенно для молодежи, но необходимо взвесить все за и против: «Важно соблюсти все нормы безопасности. Нам потребуется проделать большую работу и на ее основе вынести окончательное решение».

99 % РАО с площадки были вывезены через два года после закрытия станции, оставшиеся классифицируются как отходы средней и низкой активности. Среднеактивные сейчас извлекают из подземного хранилища, помещают в металлические контейнеры, которые покрывают бетоном. Пока их будут держать на территории станции. Британское правительство планирует создать для таких отходов централизованное хранилище.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Трехконтурный реактор (см. рис. ниже) располагается на ядерном острове (выделен на рисунке красным цветом), рядом находится машинный зал (выделен желтым), и в самом конце — ​насосная станция для охлаждающей воды (выделена синим). Эти объекты укрыты защитным куполом. Вспомогательные здания находятся внутри бермы, которая огибает площадку и предохраняет от внешних угроз, таких как цунами или падение самолета.

Станция состоит из модулей, которые могут быть доставлены автомобильным, железнодорожным или морским транспортом. На модульную сборку отводится 500 дней. Трехконтурный реактор с водой под давлением (PWR) обеспечивает выходную мощность 400–450 МВт электрической из 1200–1350 МВт тепловой энергии, используя стандартное промышленное ядерное топливо из оксида урана. Теплоноситель подается через три циркуляционных насоса реактора к трем вертикальным парогенераторам с U-образными трубками (см. рис. ниже).

Место за общим столом

Проект Rolls-Royce появился в подходящий момент. Энергетический сектор находится под давлением: нужно как можно скорее перейти на производство экологически чистой электроэнергии по доступным ценам и уменьшить углеродный след. Малые модульные реакторы в совокупности с возобновляемыми источниками смогут дать вполне устойчивую базисную электрическую нагрузку и конкурентные цены.

Модульная конструкция облегчает массовое производство компонентов и позволяет масштабировать станцию в зависимости от потребности. Десятилетиями малые реакторы снабжают энергией подводные лодки, корабли и ледоколы. У НАСА даже есть программа разработки малых ядерных реакторов для баз на Марсе, а американские военные хотят мобильные реакторы, которые можно было бы использовать на удаленных объектах.

Пол Стейн говорит: «Для снижения затрат и ускорения строительства мы используем готовые детали, цифровую сварку и роботизированную сборку. Готовые компоненты доставляются на площадку и соединяются». Размер тоже имеет значение: реактор помещается в прицепе тягача, площадь станции составит около 60,7 тыс. м2 плюс примерно 40,5 тыс. м2 обслуживающих территорий. Это приблизительно 1/16 площадки АЭС «Хинкли-Пойнт» стоимостью 20 млрд долларов, которую планируется завершить к середине 2020-х годов. АЭС с двумя блоками сможет похвастаться впечатляющей мощностью 3200 МВт по сравнению со скромными 440 МВт малой станции Rolls-Royce.

По данным Forbes, Rolls-Royce пока ориентируется на 77 долларов за 1 МВт·ч, что в два раза больше средней стоимости электроэнергии, вырабатываемой АЭС в США, — ​около 33 долларов за 1 МВт·ч. Но, как и многие новые технологии, при реализации которых стартовые цены всегда высоки, малые станции не отпугивают инвесторов: во многих странах проекты разработки и строительства модульных реакторов набирают обороты.

Многие верят, что атомная энергетика сыграет ключевую роль в снижении углеродных выбросов в энергетическом секторе к 2050 году. Так как во многих странах срок службы традиционных АЭС подходит к концу, модульные реакторы помогут восполнить ядерную составляющую в энергобалансе.

«У атомной энергии должно быть место за общим столом: это нелогично и ненаучно — ​беспокоиться об изменении климата и в то же время отказываться от такого чистого, низкоуглеродного источника, как атомная энергия», — ​уверен генеральный директор МАГАТЭ Рафаэль Гросси.

ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА ROLLS-ROYCE

2015 — ​ разработан исходный референтный дизайн

2016 — ​ сформирован консорциум для создания концепции станции

2017 — ​ разработан усовершенствованный дизайн

2023 — ​ запланировано достижение нормативного подтверждения принятия проекта и заявления о приемлемости дизайна

2030 — ​ ввод в коммерческую эксплуатацию

АКТИВНАЯ ЗОНА РЕАКТОРА И УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТИВНОСТЬЮ

Активная зона — ​это сердце реактора. Тепловая энергия ядерного топлива передается воде, протекающей под давлением через активную зону, а затем — ​воде во вторичном контуре для выработки электроэнергии.

Отраслевым стандартом ядерного топлива является оксид урана (UO2), обогащенный до 4,95 %. Тепловыделяющие элементы объединены в сборки формата 17×17. Таблетки оксида урана упакованы в трубки из циркониевых сплавов, которые обеспечивают высокий коэффициент использования нейтронов, конструктивную устойчивость и устойчивость к коррозии в реакторе с водой под давлением. В активной зоне одновременно находится 121 топливная сборка. Активная длина тепловыделяющих элементов составляет 2,8 м. В каждой топливной сборке 40 твэлов содержат выгорающий поглотитель нейтронов, остальные — ​нет. В качестве поглотителя нейтронов используется оксид гадолиния (Gd2O3), содержащий природный гадолиний в количестве 8 % по массе.

Национальная программа Великобритании по развитию атомных станций малой мощности предусматривает разработку и внедрение толерантного ядерного топлива. Особое внимание уделяется топливу с оболочкой на основе карбида кремния. Согласно мнениям экспертов, данное топливо не будет готово к промышленному использованию на первой станции малой мощности к 2030 году. В отличие от топлива другого типа, использование толерантного топлива не требует поддержания определенной концентрации растворимого бора в теплоносителе первого контура для управления реактивностью, что упрощает конструкцию реактора и устраняет риски, связанные с использованием опасной борной кислоты и последствиями выбросов бора для окружающей среды.

Построить атомную электростанцию с нулевыми выбросами — ​основная задача проектировщиков. Управление реактивностью реактора обеспечивается перемещением регулирующих стержней и отрицательным температурным коэффициентом замедлителя, который свойственен реакторам с водой под давлением.