Перегони технологій: які перспективи малих модульних реакторів у 2024 році

Все більше країн підтримують розробку малих модульних реакторів (ММР), адже вони можуть використовуватися на віддалених територіях та регіонах з нестабільним енергопостачанням для гнучкого виробництва електроенергії та теплопостачання в країнах, а також для розвитку гібридних систем ядерної та відновлювальної енергетики та виробництва водню.

Найактивніше серед європейських країн у впровадженні ММР просувається Польща, де було створено окрему компанію Orlen Synthos Green Energy, відповідальну за розгортання парку малих модульних реакторів. Розвиток новітніх низьковуглецевих джерел енергії сприятиме енергетичній автономності індустріальних регіонів та забезпеченню енергетичної безпеки країни.

Придатні малі модульні реактори і для перепрофілювання вугільних електростанцій. Відповідно до звіту «Чи може удосконалений реактор відновити вугільну країну?», який підготувала американська незалежна організація «Двопартійний політичний центр» (The Bipartisan Policy Center), ММР можуть повторно використовувати електрообладнання вугільних електростанцій, компоненти парового циклу, лінії електропередач та адміністративні будівлі. Такий підхід підтримує компанія Nuclearelectrica – державна атомна енергетична корпорація Румунії. Саме в цій країні перші малі модульні реактори впроваджуватимуть на місці вугільної електростанції в Дойчешті.

Сьогодні на світовій арені малих модульних реакторів найбільшими гравцями є компанії NuScale, Hitachi, Rolls-Royce, Holtec та Westinghouse. Реактори цих розробників мають різні модифікації та особливості, про які й розповідається у цьому матеріалі.

NuScale

Тривалий час лідерство у перегонах технологій зберігала компанія NuScale. 19 січня 2023 року конструкцію ММР потужністю 50 МВт було сертифіковано Комісією ядерного регулювання США, а компанія мала 19 підписаних угод щодо розгортання АЕС на базі ММР у 12 різних країнах, зокрема Польщі, Румунії, Чехії та Йорданії. Крім того, у березні 2023 року розпочався етап експертизи другої заявки для ММР потужністю 77 МВт шестимодульної конфігурації електростанції.

Незважаючи на тривалий успіх, у листопаді 2023 року, компанія NuScale оголосила про скасування проєкту, що передбачав будівництво малих модульних реакторів NuScale у штаті Юта, США. Причиною стало різке зростання витрат та здорожчання вартості будівництва. Спочатку це призвело до падіння акцій NuScale, а потім і до вимушеного скорочення персоналу. Попри це, польська міднодобувна компанія KGHM Polska Miedz та румунська компанія RoPower не відмовляються від намірів впровадження малих модульних реакторів NuScale у своїх країнах.

Малі модульні реактори NuScale призначені для гнучкого, залежно від навантаження, виробництва електроенергії, та технологічного тепла для промислового застосування, включаючи процес когенерації – комбінованого виробництва електричної та теплової енергії.

NuScale Power Module – це малий модульний реактор з водою під тиском, в якому теплоносієм є легка вода та який є інтегральним реактором, тобто може працювати як окремий блок з електричною потужністю 50 МВт, так і в системі до 12 модулів – сумарною потужністю 600 МВт. Кожен модуль є автономним та не залежить від роботи інших.

Конструкція ММР NuScale складається з захисної оболонки та корпусу реактора, в який інтегровано два парогенератори та компенсатор тиску, всередині корпусу знаходиться активна зона. В установці NuScale використовується набір технічних пасивних засобів безпеки, призначених для забезпечення безпечного відключення реакторів та самоохолодження протягом невизначеного часу без необхідності втручання оператора або комп’ютера, живлення змінного або постійного струму або додавання води — вперше в технології легководних реакторів. До систем, важливих для безпеки NuScale Power Module належать: система аварійного охолодження активної зони, захисна оболонка, система відводу тепла залишкових енерговиділень, система захистів модуля, система нейтронного моніторингу, система контролю хімічного складу та об’єму.

Електростанція на базі ММР NuScale складається з будівлі реактора, будівлі блочного щита управління (БЩУ), двох будівель турбогенераторів, будівлі обробки РАВ, градирень з примусовою тягою, розподільної станції та зони сухого зберігання відпрацьованого палива. Головний диспетчерський пункт знаходиться у приміщенні БЩУ, розташованому поруч із реакторною будівлею. Всі модулі управляються з єдиного щита управління. У будівлі реактора знаходиться до 12 модулів, обладнання для збирання/розбирання модулів, обладнання для транспортування палива та басейну відпрацьованого палива. Кожен модуль працює зануреним у загальний реакторний басейн в окремому відсіку з бетонним покриттям, яке служить біологічним щитом.

GE Hitachi 

Лідером у перегонах технологій є малий модульний реактор BWRX-300, який для впровадження розглядає більшість країн: США, Канада, Великобританія, Польща, Швеція, Чехія та Естонія.

Це зумовлено тим, що BWRX-300 є зменшеною версією розробленого реактора на киплячій воді ESBWR потужністю 1520 МВт, який у 2014 році був успішно сертифікований Комісією з ядерного регулювання США, а літера Х у назві моделі означає десяте покоління реакторів на киплячій воді GE Hitachi. Крім того, під час впровадження ММР BWRX-300 застосовується уніфікований підхід, що дозволяє знизити вартість будівництва. Тобто, регуляторні органи, комунальні служби і розробник технології GE Hitachi прагнуть до стандартизованого дизайну. Якщо країна обирає цю технологію та є прихильником стандартизованого дизайну проєкту ММР, то вона може долучитися до групи BWRX-300 (країни, які також обрали цю технологію для впровадження) для подальшої співпраці і пришвидшення реалізації проєкту.

Цей ММР був розроблений з урахуванням рекомендацій МАГАТЕ для спрощення ліцензування у багатьох країнах. Наприкінці 2019 року компанією «GE Hitachi Nuclear Energy» було розпочато процес ліцензування в США малого модульного реактора BWRX-300. BWRX-300 пройшов передліцензійний процес в Управлінні з ядерного регулювання Великої Британії, Комісії з ядерного регулювання США та Комісії з ядерної безпеки Канади. У Сполученому Королівстві BWRX-300 пройшов оцінку Департаменту бізнесу, енергетики та промислової стратегії Великобританії. У США було представлено та схвалено п’ять тематичних звітів про ліцензування щодо конструктивних особливостей та методів аналізу, які, як вважається, мають більші ризики для регулювання.

BWRX-300 може застосовуватися для виробництва електроенергії, синтетичного палива водню, забезпечення централізованого теплопостачання та виробництва технологічного тепла для промислового застосування.

Це малий модульний реактор на киплячій воді з водяним охолодженням і природною циркуляцією потужністю 300 МВт. Як і більшість реакторів з киплячою водою, BWRX-300 використовує воду під низьким тиском для відведення тепла від активної зони. На відміну від більшості ядерних реакторів, які потребують електричних насосів для активного прокачування теплоносія крізь активну зону, у цій конструкції реактора вода циркулює всередині активної зони завдяки природній циркуляції.

BWRX-300 має пасивну систему безпеки, тобто ні зовнішнє живлення, ні дії оператора не будуть потрібні для підтримки безпечного стану навіть за екстремальних умов. Основна філософія проєктування безпеки BWRX-300 побудована на використанні притаманних їй резервів (наприклад, більших об’ємів конструкції та запасів води) для усунення системних проблем і може легко пристосовуватися до перехідних процесів. Системи безпеки, в принцип роботи яких покладено прості природні явища, пом’якшують наслідки аварій без потреби в електроенергії.

Електростанція на базі ММР BWRX-300 має розміри 260х332 м (86 320 м²). Енергоблок з габаритами 140х70 м складається з реакторної та турбінної будівель, блочного щита управління і будівлі для зберігання радіоактивних відходів. БЩУ складається з диспетчерської, електричного та контрольно-вимірювального обладнання. В турбінній будівлі розташовуються турбіна, генератор, головний конденсатор, системи конденсату і живильної води, система очищення конденсату і система відхідних газів. Реакторна будівля є єдиною спорудою сейсмічної категорії в BWRX-300. Корпус первинної захисної оболонки BWRX-300 знаходиться нижче за рівень землі та закриває корпус реактора, забезпечуючи радіаційний захист та виступаючи межею для виходу радіоактивних речовин з корпусу реактора в навколишнє середовище. Він є невід’ємною частиною будівлі реактора та оточений ним. Над первинною захисною оболонкою розташований басейн з водою.

Rolls-Royce

У 2022 році розпочався перший етап оцінки конструкції малого модульного реактора Rolls-Royce британськими регулюючими органами, а у 2023 році компанія перейшла до другого етапу – детальної оцінки технічних характеристик проєкту регулюючими органами. Компанія планує розпочати будівництво першої у своєму роді електростанції у 2026 році та побудувати її до 2030 року.

Основне призначення малих модульних реакторів Rolls-Royce – постачання електроенергії, проте їх також можна використовувати для забезпечення теплопостачання, когенерації, виробництва електропалива.

Малий модульний реактор Rolls-Royce – це моноблочний триконтурний реактор з водою під тиском, в якому використовується непрямий цикл Ренкіна, потужністю 470 МВт. Філософія конструкції ММР Rolls-Royce полягає в оптимізації вартості електроенергії та низьких капіталовкладень. Вихідна потужність максимізується, забезпечуючи надійну економію інвестицій в атомну електростанцію, а розмір станції забезпечує модульність та стандартизацію у всьому.

Конструкція малого модульного реактора Rolls-Royce була розроблена за допомогою комбінованого підходу до системного проєктування та оцінки безпеки. Глибинний захист забезпечується кількома рівнями захисту та за допомогою різноманітних активних та пасивних систем безпеки з кількома ланками. Пасивні системи безпеки розраховані на автономне виконання функцій безпеки протягом 72 годин, зводячи до мінімуму потребу в діях людини та електроенергії.

Електростанція, побудована на базі ММР Rolls-Royce, займатиме площу близько 40 000 м², а її конструктивною особливістю є сейсмічна ізоляція для ключових зон безпеки. Ядерний реактор розташований на реакторному острові поруч із турбінним островом, за яким знаходитиметься острів з охолоджуючою водою. Контур реактора та інші ключові системи розташовані всередині сталевої захисної оболонки, щоб обмежити викид радіоактивних матеріалів під час несправності чи/та аварій.

Для будівництва та введення в експлуатацію такого малого модульного реактора потрібно до 5 років, а проєктний термін експлуатації ММР Rolls-Royce становить 60 років.

Holtec

Проєкт малого модульного реактора Holtec знаходиться на етапі попереднього ліцензування у Комісії з ядерного регулювання США. Компанія також подала заявку на загальну оцінку конструкції (GDA) SMR-300 у Великобританії. Проте варто зазначити, що у 2020 році завершено перший етап триетапної попередньої перевірки проєкту Канадською комісією з ядерної безпеки перед ліцензуванням постачальника. Це приклад раннього залучення регулятора до розгляду обґрунтувань безпеки проєкту ММР, якій розроблено за нормами та правилами іншої країни.

Основний спосіб застосування SMR-300 – виробництво електроенергії з додатковим когенераційним обладнанням (тобто, виробництво водню, зберігання теплової енергії, централізоване теплопостачання, опріснення морської води). Малі модульні реактори SMR-300, завдяки запатентованій технології повітряного охолодження конденсатора Holtec International, можуть розміщуватися в місцях з дефіцитом води та працювати як в режимі «black-start», так і в ізольованому режимі в місцях з нестабільною електромережею або в автономному використанні.

SMR-300 — це одноконтурний легководний реактор під тиском, який генерує 300 МВт електроенергії. Особливістю ММР SMR-300 є рівень безпеки «Walk away safe»: в разі аварії, яка виникла з будь-яких причин (зокрема внаслідок диверсії або теракту) реактор заглушиться і перейде в безпечний стан без втручання людини. Пасивні та резервні системи безпеки працюють шляхом природної циркуляції та забезпечують безпечне вимкнення і відведення тепла протягом необмеженого періоду часу без потреби в електроенергії, підживлювальній воді або діях оператора. Усі системи безпеки розташовані всередині міцної захисної оболонки, що робить їх надійними та захищеними від зовнішніх загроз. Уся підживлювальна вода, необхідна на випадок постульованої аварії з втратою теплоносія, знаходиться всередині захисної оболонки. Інший резервуар з водою, що знаходиться між конструкцією захисної оболонки і захисною спорудою, забезпечує перехід тепловідводу на повітряне охолодження на необмежений період після проєктної аварії без будь-яких дій оператора або підживлення, гарантуючи довготривалу післяаварійну життєдіяльність.

Малий модульний реактор SMR-300 розміщується у захисній оболонці, яка огороджена конструкцією із залізобетонних стін. У цих спорудах, що наполовину розташовуються під землею, знаходяться всі системи безпеки та басейн витримки відпрацьованого ядерного палива. Корпус захисної оболонки має стійкість проти ракетних влучань і захищає захисну оболонку та системи безпеки від найсерйозніших небезпечних факторів навколишнього середовища або саботажу. У допоміжному корпусі реактора розміщено багато допоміжних систем атомної електростанції, зокрема у ньому відбувається підготовка відпрацьованого палива до сухого проміжного зберігання на майданчику в модулях HI-STORM UMAX (запатентована технологія підземного сухого зберігання). Парова турбіна та пов’язані з нею системи розміщені в турбінній будівлі на рівні землі. Електроенергетична система складається з головного генератора, головного трансформатора, допоміжних трансформаторів, дизельних генераторів і акумуляторних батарей класу 1Е.

Виготовлення і збірка компонентів SMR-300 відбувається до прибуття на будівельний майданчик та становить 24 місяці.

Westinghousе

На початку травня 2023 компанія Westinghouse Electric презентувала єдиний малий модульний реактор, що буде побудований на основі проєкту існуючого реактора AP-1000. Концептуальний проєкт реактора був розроблений ще у 2015 році, компанія-розробник займається доопрацюванням проєкту і готується подавати заявку на його сертифікацію в Комісію з ядерного регулювання США. Очікується, що сертифікація проєкту відбудеться до 2027 року, після чого будуть отримані ліцензії на конкретні майданчики та розпочнеться будівництво першого блоку наприкінці десятиліття.

Цільове застосування ММР Westinghouse – виробництво електроенергії, однак AP-300 також може використовуватися для забезпечення технологічного тепла, централізованого теплопостачання та автономних застосувань, зокрема в місцях виробництва рідкого транспортного палива з нафтоносних пісків, горючих сланців, та зрідження вугілля.

Це інтегральна конструкція реактора з водою під тиском потужністю 800 МВт теплової енергії та понад 225 МВт електричної, що використовуватиме ідентичну технологію AP-1000, включаючи основне обладнання, структурні компоненти, пасивну безпеку, перевірене паливо та системи управління та контролю. AP-300 використовуватиме налагоджений ланцюжок поставок, можливості швидкого відстеження навантаження та перевірені процедури експлуатації та технічного обслуговування.

Малий модульний реактор Westinghouse використовує пасивні системи безпеки та перевірені компоненти, реалізовані в конструкції реактора AP-1000 та більш ранніх проєктах Westinghouse. Система передової пасивної безпеки використовує природні сили випаровування, конденсації та гравітації та автоматично забезпечує безпечне припинення роботи реактора без дії оператора та усуває необхідність у додатковому джерелі живлення та системі охолодження. Установка не залежить від електропостачання або інших допоміжних систем для виконання своїх функцій безпеки.

Атомна електростанція на базі ММР AP-300 є автономною та не має спільних систем безпеки, що усуває вразливість до відмов, які каскадом передаються від одного блоку до іншого на багатоблочній станції. Конструкція передбачає можливість «острівного режиму» для управління відключенням від мережі і здатна забезпечити 100% паровий байпас для управління зупинкою турбіни, що запобігає необхідності аварійного виведення реактора з експлуатації. Блочний щит управління розміщується повністю під землею на реакторному острові; крім того, в окремих секторах розташовано кілька станцій моніторингу безпеки. Розташування корпусу реактора, захисної оболонки та басейну витримки нижче рівня землі забезпечує захист від зовнішніх загроз та небезпечних природних явищ.

Усі компоненти малого модульного реактора можуть легко переміщуватися залізницею, вантажівкою або баржею. Як і AP-1000, AP-300 розроблений для 80+ річного циклу роботи.

Замість висновків

Для підтримки малих модульних реакторів у 2021 році Державним департаментом США було ініційовано програму «Фундаментальна інфраструктура для відповідального використання технології малих модульних реакторів» (Foundational Infrastructure for Responsible Use of Small Modular Reactor Technology – FIRST). Таким чином країни, що розглядають можливість використання ММР або інших удосконалених реакторів у досягненні нульових вуглецевих викидів для пом’якшення наслідків зміни клімату, можуть долучитися до цієї програми та поділитися своїми планами у нарощуванні потенціалу в галузі ядерної енергетики. Ранній діалог між експертами США та зацікавленої країни-партнера забезпечується через проведення тренінгів, семінарів, вебінарів, організовані навчальні поїздки.

Сприяють розвитку технологій малих модульних реакторів й інші міжнародні організації. Європейська комісія продовжує підтримувати дослідження, інновації, освіту та підготовку фахівців за напрямом для безпеки європейських ММР, Західноєвропейська асоціація ядерних регуляторів (WENRA) готова до  взаємного співробітництва з оцінки безпеки проєктів реакторів. Члени Міжнародної асоціації ядерних регулюючих органів (INRA) співпрацюють на етапах оцінки конструкцій ММР та ліцензування, а також підтримують національні регулятивні перевірки у країнах, які лише розпочинатимуть діяльність з впровадження новітніх технологій. 

Редакція вебсайту Uatom.org