Нові реакторні технології: реалії та перспективи

Нині весь технологічний світ шукає рішень для подолання проблем людства. Вагома увага привернена до розвитку нових технологій, які здатні оптимізувати, убезпечувати і налагоджувати життя на планеті. Високорозвинені країни витрачають шалені кошти на дослідження та новітні розробки, зокрема, нещодавно Сполучені Штати Америки заявили про наміри відновити фінансування міжнародних програм, спрямованих на розвиток цивільних ядерних технологій.

Розробники нових реакторних технологій переконані, що майбутнє атомної енергетики за малими модульними реакторами (ММР), адже вони мають низку переваг над своїми попередниками – енергоблоками великої потужності. Наразі у світі на різних етапах розвитку знаходиться понад 50 проєктів реакторів малої потужності.

Загальні відомості

Згідно з визначенням Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ), до малих реакторів належать реактори, які мають потужність до 300 МВт і складаються з модулів, які перед поставкою та монтажем на майданчику виготовляються на заводі-виробника. Концепція ММР і їх застосування у виробництві електроенергії багато років залишалися предметом обговорення вчених, представників влади та фахівців в галузі ядерної енергетики. На тлі технологічних проривів останнього десятиліття ідея використання ММР здається все більш обґрунтованою і економічно виправданою.

Реальність впровадження ММР наближають ті фактори, що стали останнім часом очевидними в світовій енергетиці: підвищення попиту на електроенергію, необхідну для економічного зростання, а також зростаючий запит на енергетичну безпеку і низьковуглецеву енергетику в умовах боротьби зі зміною клімату.ММР мають ряд переваг у порівнянні з традиційними атомними електростанціями (АЕС): вони можуть зайняти частку у диверсифікованому енергобалансі, працювати за відсутності підключення до енергомереж, а також використовуватися з метою вироблення тепла для технологічних потреб, опріснення води та виробництва водню.

Перспективи впровадження у світі.

Аргентина

У Аргентині працюють дві АЕС, сукупно виробляють 1 627 МВт енергії. Одна з них, двоблокова АЕС «Атуча» («Атуча-1» 335 МВт і «Атуча-2» 692 МВт), яка використовує важководні реактори (PHWR). Станція розташована в м. Ліма (провінція Буенос-Айрес). Інша – АЕС «Ембальсе» (600 МВт), також використовує реактор PHWR, розташована в м. Ембальсе (провінція Кордова). У лютому 2014 року на майданчику Атуча розпочалося будівництво ММР CAREM.

Малий модульний реактор CAREM – спільний проєкт Національної комісії з атомної енергетики Аргентини (CNEA) та компанії INVAP S.E. Розробка реактора мала статус національного проєкту – поставка матеріалів і комплектуючих для станції відбувалась місцевими компаніями.

У основі проєкту лежить інтегральний легководний реактор (LWR) електричною потужністю 30 МВт і тепловою потужністю 100 МВт. Серед ключових характеристик якого, – охолодження активної зони природною циркуляцією, внутрішньокорпусні механізми управління регулюючим стрижнем, а також системи безпеки з акцентом на пасивні механізми захисту. У конструкції реактора CAREM зведені до мінімуму нестійкі компоненти і ризики взаємодії із зовнішнім середовищем.

Перше публічне представлення проєкту CAREM відбулося ще у 1984 році під час конференції МАГАТЕ в Перу. З політичних причин проєкт було зупинено, але згодом його відновлено в рамках планування ядерної реактивації Аргентини 2006 року.

Варто зазначити, що атомна станція на основі ММР CAREM це не просто проєкт на папері. Наразі вона перебуває на стадії будівництва в районі міста Сарат, в північній частині провінції Буенос -Айрес, поруч з АЕС Атуча 1.

Датою ведення в експлуатацію інноваційного реактора розробники попередньо називали 2022 рік, однак зважаючи на те, що сьогодні будівництво призупинено через економічними причини, точна дата невідома.

Канада

У Канаді експлуатуються 19 АЕС сукупною потужністю 13 553 МВт. Регіональні органи влади і постачальники електроенергії прийняли рішення про продовження терміну експлуатації декількох канадських важководяних ядерних реакторів (CANDU), шляхом проведення масштабної модернізації, що дозволить задовольнити майбутні потреби в електроенергії.

Раніше Канадська ядерна лабораторія (CNL) у своєму звіті про перспективи розвитку ядерної енергетики країни заявила про намір до 2026 року спорудити ММР на одному із своїх майданчиків. У відповідь на це було отримано пропозиції від 80 організацій і приватних осіб з Канади та інших країн, в тому числі від розробників ММР, які подали заявки до Комісії з ядерної безпеки Канади (CNSC) на отримання ліцензії.

У країні було розроблено Програму розвитку ММР, яка розвивається швидкими темпами: компанії-розробники оперативно реагують на результати нових наукових досліджень і шукають можливості для їх реалізації на практиці. Крім іншого, інтереси розробників враховують визнані в світі регулюючі органи, які підтримують застосування нових технологій.

Особливу увагу розробники реакторних технологій приділяють економічним характеристикам ММР. У якості потенційних демонстраційних проєктів були запропоновані в цілому 19 різних концепцій ММР, причому 16 з них передбачають розміщення реактора на одному з майданчиків Канадської ядерної лабораторії, а три проєкти припускають можливість промислової експлуатації в Канаді.

Комісія з ядерної безпеки Канади (CNSC) пропонує канадським і закордонним розробникам, які планують подати заявку на отримання ліцензії на будівництво та експлуатацію нової АЕС, скористатися процедурою попередньої оцінки проєкту, в ході якої Комісія оцінює застосовану розробником реакторну технологію. Попередня оцінка не гарантує, що проєкт буде затверджений.

Перший етап оцінки займає від 12 до 18 місяців, протягом яких проєкт оцінюється з точки зору відповідності канадському нормативно-правовому забезпеченню. Другий етап триває 24 місяці, на ньому виявляються можливі фундаментальні причини для відмови у видачі ліцензії. На третьому етапі у розробників є можливість вивчити результати другого етапу оцінки та внести в проєкт необхідні зміни.

За даними Комісії, заявки на попередню оцінку проєктів подали вже понад 10 компаній-розробників. Це, зокрема, інтегральний рідкосольовий реактор ISMR, 200 МВт (Terrestrial Energy Inc.), високотемпературні газоохолоджувальні реактори MMR‑5 і MMR‑10 (Ultra Safe Nuclear Corporation), реактор на розплаві свинця SEALER, 3 МВт (LeadCold Nuclear Inc.), ARC‑100 на рідкому натрії (Advanced Reactor Concepts Ltd.), сольовий реактор, 300 МВт Moltex Energy, легководний SMR-160 (Holtec International), водо-водяний реактор компанії NuScale Power, LLC. та інші.

Розглянемо кілька з них.

Отже, першим не випадково буде NuScale, проєкт якої знаходиться на завершальному етапі ліцензування у США і ймовірно стане флагманом у будівництві ММР. Це розробка однойменної американської компанії NuScale Power.

Один енергоблок NuScale може містити до 12 окремих модулів (реакторів), що забезпечують до 720 МВт електричної потужності.

Розробники переконують, що реактор NuScale має дуже високий рівень безпеки, який забезпечується пасивними системами, а ймовірність помилки персоналу зведена майже до нуля. Перевантаження палива та технічний огляд одного модуля NuScale не впливає на роботу інших модулів та складає близько 10 днів.

Також реактор передбачає швидку зміну потужності в широкому діапазоні – від 20 до 100% та короткий інтервал виходу на потужність після його запланованого зупину, що складає близько 13 годин. Це дозволить використовувати реактори у якості маневрових потужностей для відновлюваної генерації.

Привабливими є також і економічні показники реакторів NuScale: орієнтовна вартість будівництва АЕС NuScale майже вдвічі менша, ніж енергоблоків великої потужності, а кількість персоналу, що обслуговує АЕС з 12 модулів NuScale становить близько 300 чоловік.

Компанія Holtec International (США), відома у світі як постачальник контейнерів і систем для зберігання відпрацьованим ядерним паливом (ВЯП), а в Україні, ще й як проєктант СВЯП-2 та ЦСВЯП, вирішила увійти до числа розробників реакторних технологій за допомогою проєкту SMR-160.

Перші повідомлення про те, що Holtec працює над ММР з’явились ще у 2011 році, тоді реактор мав назву «HI-SMUR 140», згодом проєкт еволюціонував, йому на зміну прийшов SMR-160.

Компанія характеризує SMR-160 як малий модульний реактор з електричною потужністю 160 МВт, «конструкція якого забезпечує безпечну експлуатацію, в т.ч. на майданчиках з обмеженим водопостачанням і з обмеженими розмірами території, де з цих причин не можуть бути збудовані великі реактори, а також мають унікальні можливості застосування в промисловості в тих умовах, де не придатні АЕС великої потужності».

Однією із переваг у компанії вважають рівень безпеки «Walk way safe» – це означає, що в разі аварії, яка виникла з будь-яких причин (в тому числі, внаслідок диверсії або теракту) реактор заглушиться і перейде в безпечний стан без втручання людини.

Згідно із проєктом, розміщення реактора підземне, на позначці 14 метрів. Також нижче рівня землі розташовується сухе сховище ВЯП з терміном служби до 120 років.

Проєктний термін експлуатації такого реактора 80-100 років. Терміни будівництва – 2-3 роки.

Westinghouse SMR – проєкт легководного малого модульного реактора однойменної компанії, з інтегральним компонуванням обладнання, орієнтований на регіони з нестабільним енергопостачанням.

За словами розробника, для досягнення найвищого рівня безпеки в установці використані системи пасивної безпеки та перевірені компоненти, які реалізовані в конструкції реактора AP1000. По суті Westinghouse SMR є зменшеною копією свого «старшого брата», що надає деякі переваги у ліцензуванні цьому проєкту на відміну від конкурентів.

Установка здатна виробляти <225 МВт електричної енергії та 800 МВт теплової, що може бути використана для технологічних потреб, забезпечувати централізоване опалення, працювати за відсутності підключення до енергомереж (наприклад, в місцях видобутку сланцевої нафти), а також використовуватися при зрідженні вугілля.

Атомна станція на основі Westinghouse SMR – це модульна конструкція, де усі компоненти можуть легко переміщуватися автомобільним, водним чи залізничним транспортом, що створює додаткові умови для розміщення її на територіях із малорозвиненою енергомережою.

Концептуальний проєкт реактора був розроблений в 2015 році, компанія-розробник займається доопрацюванням проєкту і готується подавати заявку на його сертифікацію в Комісію з ядерного регулювання США.

 Крім того, наразі компанія Westinghouse розробляє мікрореактор eVinci – маленький модульний реактор нового покоління для децентралізованих віддалених населених пунктів. Як і попередній тип, цей реактор можна з легкістю транспортувати, при чому термін його встановлення на майданчику становить усього тиждень.

Westinghouse запевняє, що мікрореактор може використовуватись як пересувний генератор, його теплова та електрична потужність становить від 1 МВт до 5 МВт. Термін експлуатації такої установки становить 40 років, а працювати без перезавантаження реактор спроможний 10 років. Ввести в експлуатацію eVinci компанія планує до 2024 року

Сполучені Штати Америки

США – найбільший виробник ядерної енергії (30% від загальносвітового обсягу). Всього в країні працюють 98 енергоблоків АЕС, розташованих в 30 штатах. При цьому середній вік реакторів 37 років. Потужність одного енергоблока в середньому становить 1000 МВт.

Комісія ядерного регулювання США розглядає попередні заявки, подані розробниками (легководних) SMR, серед яких компанія NuScale Power з однойменним реактором малої потужності, компанія SMR Inventec, LLC (дочірнє підприємство компанії Holtec International) із SMR-160 та BWXT mPower, Inc.

Якщо говорити про проєкти малих модульних реакторів, що найбільш просунулись у розвитку, то неодмінно слід згадати ще дві технології.

Наприкінці 2019 року американсько-китайська компанія «GE Hitachi Nuclear Energy» розпочала процес ліцензування в США свого проєкта малого киплячого реактора BWRX-300.

BWRX-300 потужністю 300 МВт є зменшеною версією розробленого GEH реактора на киплячій воді ESBWR потужністю 1520 МВт, який в 2014 році був успішно сертифікований Комісією з ядерного регулювання США (NRC). У проєкті BWRX використовуються ті ж самі конструкторські рішення, що і в ESBWR. Перша сертифікація власне проєкту BWRX-300 передбачається в Канаді.

Як кажуть у GEH, реактор типу BWRX-300 потребує до 60% менше капітальних витрат на мегават потужності в порівнянні з іншими проєктами малих реакторів або нинішніми реакторами великої потужності. Для General Electric це вже десята модель реактора на киплячій воді – розробкою комерційних ядерних реакторів компанія займається з 1955 року.

Китай

Станом на травень 2020 року країна експлуатує 48 атомних енергоблоків, на 17 АЕС, загальною потужністю 45,6 ГВт, 13 енергоблоків перебувають на етапі будівництва і будівництво ще близько 30-ти заплановано.

У розробці знаходяться декілька ядерних реакторів малої потужності, покликані досягти цілей і завдань державної політики Китаю в галузі енергетики. У рамках програми атомного розвитку Китаю розробляються наступні моделі ММР: HTR-PM (два реактора по 250 МВт (т) і одна турбіна на 211 МВт (е)), ACP100 (125 МВт (е)/385 МВт (т)), CAP200 (200 МВт (е)/660 МВт (т)) і ACPR50S (50 МВт (е)/200 МВт (т)).

Потенційні споживачі – три північно-східні провінції: Ляонін, Цзілінь і Хейлунцзян, де спостерігається нестача тепла і енергії, і прибережні провінції Чжецзян, Фуцзянь і Хайнань, яким потрібні енергія і питна вода. Також планується забезпечення енергією інших провінцій, включаючи Хунань і Цзянси. Крім того, розглядається варіант використання плавучої АЕС в Бохайській затоці. Із зарубіжних ринків розглядаються Північна Африка і Близький Схід, де такі типи реакторів можуть використовуватися для вироблення енергії, тепла, пари і питної води.

На Близький Схід орієнтує свою розробку Корея…

Проєкт Корейського науково-дослідного інституту з атомної енергії (KAERI) SMR SMART – це легководний «модульний вдосконалений реактор з інтегрованою системою», призначений для вироблення електроенергії, а також для опріснення морської води. Конструкція реактора спроєктована так, що разом з активною зоною, в єдиному корпусі знаходяться компенсатор об’єму, парогенератори і головні циркуляційні насоси (ГЦН).

У проєкті передбачається вісім парогенераторів зі спірально закрученими теплообмінними трубками, через які проходить перегріта пара. Перекачування теплоносія забезпечують чотири герметичні ГЦН.

Така електростанція здатна виробляти 100 МВт електроенергії, її достатньо, аби забезпечити потреби міста з чисельністю населення 100 000 чоловік і опріснення 40 000 тонн морської води, теплова потужність становить 330 МВт.

Вчені Південної Кореї розробляли цю технологію впродовж 22 років, у 2012 році проєкт отримав схвалення корейського регулюючого органу.

KAERI планувала побудувати демонстраційну установку SMART, яка мала б працювати ще у 2017 році, але проєкт було зупинено через відсутність замовлень. Загалом, нині ж ситуація дещо змінилась, компанія-розробник орієнтує свої модульні реактори на Близький Схід, зокрема нещодавно було підписано Меморандум про взаєморозуміння із Саудівською Аравією щодо комерціалізації та ліцензування й будівництва SMR SMART у цій країні.

А що Україна?

Енергетична стратегія України на період до 2035 року передбачає необхідність вибору реакторних технологій для будівництва нових атомних енергоблоків на заміщення потужностей АЕС, які будуть виводитися з експлуатації.

Наразі Держатомрегулювання активно вивчає досвід регулюючих органів інших країн, в першу чергу США, щодо ліцензування малих модульних реакторів та регулюючого супроводуїх будівництва.

Влітку 2019 року організація технічної підтримки українського регулятора Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки став одним із підписантів угоди про створення Консорціуму з американською компанією Holtec Int. для впровадження в Україні технології малих модульних реакторів. Однак із певних причин розвитку цей напрямок не отримав.

Наприкінці того ж 2019 року ДНТЦ ЯРБ разом із національним регулятором – Держатомрегулювання провели колосальну роботу у напрямку обміну досвідом із колегами із США, в тому числі із розробником технології малого модульного реактора компанією NuScale Power. На початку 2020 року між ДНТЦ ЯРБ та NuScale Power було підписано Меморандум про взаєморозуміння, який дасть старт роботам з оцінки національних нормативних та проєктних документів, пов’язаних із впровадженням технології NuScale для будівництва ММР в Україні. Керівництво компанії-розробника, в свою чергу, висловило готовність сприяти такій діяльності.

Саме завдяки цій кооперації, яка також була підтримана Департаментом енергетики США та Державним Департаментом США, стало можливим проведення в Україні воркшопу, присвяченому впровадженню нових технологій в атомну енергетику країни та офіційне представлення технології NuScale у Східній Європі.

Щодо єдиного оператора АЕС в Україні НАЕК «Енергоатом», то досі невідомо про позицію компанії щодо розвитку нових технологій. Жодних програм щодо розгляду можливості «заводити» в національну атомну галузь ММР наразі не представлено. Хоча, зважаючи на вік атомних електростанцій, що експлуатуються в Україні, питання розвитку нових технологій – питання нагальне.

Оскільки ММР є маневровим, низьковуглецевим видом генерації, в умовах боротьби зі зміною клімату, то може по-праву стояти поряд із іншими джерелами відновлювальної енергії. Так, принаймні, позиціонують технології модульних реакторів у світі.

Нові виклики: поводження з відпрацьованим паливом ММР

Процес поводження з ВЯП потребує окремої уваги. За словами дослідників, які займаються ядерною енергетикою, питання поводження з ВЯП ММР залежить від конструкції конкретного реактора, а також від існуючої у країні практики поводження з відпрацьованим паливом.

Країни, в яких вже існують ядерно-енергетичні програми, займаються утилізацією відпрацьованого палива впродовж десятиліть. Вони набули великого досвіду і мають у своєму розпорядженні належну інфраструктуру. Для цих країн поводження з відпрацьованим паливом, виробленим ММР, не становитиме проблеми, якщо буде ухвалено рішення використовувати ММР, засновані на існуючих технологіях.

Тобто, якщо малі модульні реактори будуть працювати на тому ж паливі, що і традиційні атомні електростанції, з їх відпрацьованим паливом можна поводитися так само, як і з відпрацьованим паливом великих реакторів.

Що стосується ММР, де в основі, наприклад, високотемпературні газоохолоджувальні реактори, в яких використовується паливо, упаковане в графітові призматичні блоки або графітові кулі, то навіть для них деякі країни з атомними електростанціями вже мають рішення, що дозволяють зберігати відпрацьоване паливо і поводитися з ним. Для цього може використовуватися вже існуюча інфраструктура, або ж пристосувати її до нових потоків радіоактивних відходів неважко.

Країнам, що тільки стали на шлях розвитку ядерної енергетики відповідно слід продумати питання поводження з відпрацьованим паливом та створити належну інфраструктуру. Це необхідно, навіть якщо вони віддадуть перевагу традиційним атомним електростанціям або ММР, заснованим на існуючих технологіях.

Як кажуть у Відділі ядерного паливного циклу і технології поводження з відходами МАГАТЕ, вони зіткнуться з додатковими труднощами, якщо зроблять вибір на користь перших в своєму роді або менш усталених технологій, оскільки в такому випадку буде менше досвіду і менше контрольних показників для управління всім паливним циклом.

Загалом же рішення щодо поводження з відпрацьованим паливом та радіоактивними відходами, що утворюються в результаті роботи ММР, будуть поряд з надійністю постачань палива входити в число найбільш важливих факторів, що беруться до уваги при виборі тієї або іншої технології.

Деякі конструкції ММР дозволяють скоротити обсяги робіт, пов’язаних з поводженням з ВЯП. Побудовані відповідним чином електростанції вимагають меншої частоти перевантаження – кожні 3-7 років, у порівнянні з 1-2 роками для традиційних електростанцій, а деякі спроектовані таким чином, що можуть працювати без перевантаження до 30 років. Однак навіть у таких випадках залишиться деяка кількість відпрацьованого палива, яке необхідно буде належним чином утилізувати.

Наразі інженери та конструктори мають унікальну можливість зайнятися пошуком рішень для поліпшення поводження з відпрацьованим паливом та радіоактивними відходами ММР на ранніх етапах розробки. Адже такий підхід допоможе усунути невизначеності, пов’язані з кінцевою стадією паливного циклу та знизити витрати.

Редакція вебсайту Uatom.org.

---