Гонка технологий: какие перспективы малых модульных реакторов в 2024 году

Все больше стран поддерживают разработку малых модульных реакторов (ММР), ведь они могут использоваться на отдаленных территориях и регионах с нестабильным энергоснабжением для гибкого производства электроэнергии и теплоснабжения в странах, а также для развития гибридных систем ядерной и возобновляемой энергетики и производства водорода.

Активнее всего среди европейских стран во внедрении ММР продвигается Польша, где была создана отдельная компания Orlen Synthos Green Energy, ответственная за развертывание парка малых модульных реакторов. Развитие новейших низкоуглеродных источников энергии будет способствовать энергетической автономности индустриальных регионов и обеспечению энергетической безопасности страны.

Пригодны малые модульные реакторы и для перепрофилирования угольных электростанций. Согласно отчету “Может ли усовершенствованный реактор восстановить угольную страну?”, который подготовила американская независимая организация “Двухпартийный политический центр” (The Bipartisan Policy Center), ММР могут повторно использовать электрооборудование угольных электростанций, компоненты парового цикла, линии электропередач и административные здания. Такой подход поддерживает компания Nuclearelectrica – государственная атомная энергетическая корпорация Румынии. Именно в этой стране первые малые модульные реакторы будут внедрять на месте угольной электростанции в Дойчешти.

Сегодня на мировой арене малых модульных реакторов крупнейшими игроками являются компании NuScale, Hitachi, Rolls-Royce, Holtec и Westinghouse. Реакторы этих разработчиков имеют различные модификации и особенности, о которых и рассказывается в этом материале.

NuScale

Долгое время лидерство в гонке технологий сохраняла компания NuScale. 19 января 2023 года конструкция ММР мощностью 50 МВт была сертифицирована Комиссией ядерного регулирования США, а компания имела 19 подписанных соглашений о развертывании АЭС на базе ММР в 12 различных странах, в частности Польше, Румынии, Чехии и Иордании. Кроме того, в марте 2023 года начался этап экспертизы второй заявки для ММР мощностью 77 МВт шестимодульной конфигурации электростанции.

Несмотря на длительный успех, в ноябре 2023 года, компания NuScale объявила об отмене проекта, предусматривающего строительство малых модульных реакторов NuScale в штате Юта, США. Причиной стал резкий рост расходов и удорожание стоимости строительства. Сначала это привело к падению акций NuScale, а затем и к вынужденному сокращению персонала. Несмотря на это, польская медедобывающая компания KGHM Polska Miedz и румынская компания RoPower не отказываются от намерений внедрения малых модульных реакторов NuScale в своих странах.

Малые модульные реакторы NuScale предназначены для гибкого, в зависимости от нагрузки, производства электроэнергии и технологического тепла для промышленного применения, включая процесс когенерации – комбинированного производства электрической и тепловой энергии.

NuScale Power Module – это малый модульный реактор с водой под давлением, в котором теплоносителем является легкая вода и который является интегральным реактором, то есть может работать как отдельный блок с электрической мощностью 50 МВт, так и в системе до 12 модулей – суммарной мощностью 600 МВт. Каждый модуль является автономным и не зависит от работы других.

Конструкция ММР NuScale состоит из защитной оболочки и корпуса реактора, в который интегрированы два парогенератора и компенсатор давления, внутри корпуса находится активная зона. В установке NuScale используется набор технических пассивных средств безопасности, предназначенных для обеспечения безопасного отключения реакторов и самоохлаждения в течение неопределенного времени без необходимости вмешательства оператора или компьютера, питания переменного или постоянного тока или добавления воды – впервые в технологии легководных реакторов. К системам, важным для безопасности NuScale Power Module относятся: система аварийного охлаждения активной зоны, защитная оболочка, система отвода тепла остаточных энерговыделений, система защит модуля, система нейтронного мониторинга, система контроля химического состава и объема.

Электростанция на базе ММР NuScale состоит из здания реактора, здания блочного щита управления (БЩУ), двух зданий турбогенераторов, здания обработки РАО, градирен с принудительной тягой, распределительной станции и зоны сухого хранения отработанного топлива. Главный диспетчерский пункт находится в помещении БЩУ, расположенном рядом с реакторным зданием. Все модули управляются с единого щита управления. В здании реактора находится до 12 модулей, оборудование для сборки/разборки модулей, оборудование для транспортировки топлива и бассейна отработанного топлива. Каждый модуль работает погруженным в общий реакторный бассейн в отдельном отсеке с бетонным покрытием, которое служит биологическим щитом.

GE Hitachi 

Лидером в гонке технологий является малый модульный реактор BWRX-300, который для внедрения рассматривает большинство стран: США, Канада, Великобритания, Польша, Швеция, Чехия и Эстония.

Это обусловлено тем, что BWRX-300 является уменьшенной версией разработанного реактора на кипящей воде ESBWR мощностью 1520 МВт, который в 2014 году был успешно сертифицирован Комиссией по ядерному регулированию США, а буква Х в названии модели означает десятое поколение реакторов на кипящей воде GE Hitachi. Кроме того, при внедрении ММР BWRX-300 применяется унифицированный подход, позволяющий снизить стоимость строительства. То есть, регуляторные органы, коммунальные службы и разработчик технологии GE Hitachi стремятся к стандартизированному дизайну. Если страна выбирает эту технологию и является сторонником стандартизированного дизайна проекта ММР, то она может присоединиться к группе BWRX-300 (страны, которые также выбрали эту технологию для внедрения) для дальнейшего сотрудничества и ускорения реализации проекта.

Этот ММР был разработан с учетом рекомендаций МАГАТЭ для упрощения лицензирования во многих странах. В конце 2019 года компанией “GE Hitachi Nuclear Energy” был начат процесс лицензирования в США малого модульного реактора BWRX-300. BWRX-300 прошел предлицензионный процесс в Управлении по ядерному регулированию Великобритании, Комиссии по ядерному регулированию США и Комиссии по ядерной безопасности Канады. В Соединенном Королевстве BWRX-300 прошел оценку Департамента бизнеса, энергетики и промышленной стратегии Великобритании. В США было представлено и одобрено пять тематических отчетов о лицензировании конструктивных особенностей и методов анализа, которые, как считается, имеют большие риски для регулирования.

BWRX-300 может использоваться для производства электроэнергии, синтетического топлива водорода, обеспечения централизованного теплоснабжения и производства технологического тепла для промышленного применения.

Это малый модульный реактор на кипящей воде с водяным охлаждением и естественной циркуляцией мощностью 300 МВт. Как и большинство реакторов с кипящей водой, BWRX-300 использует воду под низким давлением для отвода тепла от активной зоны. В отличие от большинства ядерных реакторов, которые требуют электрических насосов для активной прокачки теплоносителя через активную зону, в этой конструкции реактора вода циркулирует внутри активной зоны благодаря естественной циркуляции.

BWRX-300 имеет пассивную систему безопасности, то есть ни внешнее питание, ни действия оператора не потребуются для поддержания безопасного состояния даже в экстремальных условиях. Основная философия проектирования безопасности BWRX-300 построена на использовании присущих ей резервов (например, больших объемов конструкции и запасов воды) для устранения системных проблем и может легко приспосабливаться к переходным процессам. Системы безопасности, в принцип работы которых положены простые природные явления, смягчают последствия аварий без необходимости в электроэнергии.

Электростанция на базе ММР BWRX-300 имеет размеры 260х332 м (86 320 м2). Энергоблок с габаритами 140х70 м состоит из реакторного и турбинного зданий, блочного щита управления и здания для хранения радиоактивных отходов. БЩУ состоит из диспетчерской, электрического и контрольно-измерительного оборудования. В турбинном здании располагаются турбина, генератор, главный конденсатор, системы конденсата и питательной воды, система очистки конденсата и система отходящих газов. Реакторное здание является единственным сооружением сейсмической категории в BWRX-300. Корпус первичной защитной оболочки BWRX-300 находится ниже уровня земли и закрывает корпус реактора, обеспечивая радиационную защиту и выступая границей для выхода радиоактивных веществ из корпуса реактора в окружающую среду. Он является неотъемлемой частью здания реактора и окружен им. Над первичной защитной оболочкой расположен бассейн с водой.

Rolls-Royce

В 2022 году начался первый этап оценки конструкции малого модульного реактора Rolls-Royce британскими регулирующими органами, а в 2023 году компания перешла ко второму этапу – детальной оценки технических характеристик проекта регулирующими органами. Компания планирует начать строительство первой в своем роде электростанции в 2026 году и построить ее до 2030 года.

Основное назначение малых модульных реакторов Rolls-Royce – поставка электроэнергии, однако их также можно использовать для обеспечения теплоснабжения, когенерации, производства электротоплива.

Малый модульный реактор Rolls-Royce – это моноблочный трехконтурный реактор с водой под давлением, в котором используется непрямой цикл Ренкина, мощностью 470 МВт. Философия конструкции ММР Rolls-Royce заключается в оптимизации стоимости электроэнергии и низких капиталовложений. Выходная мощность максимизируется, обеспечивая надежную экономию инвестиций в атомную электростанцию, а размер станции обеспечивает модульность и стандартизацию во всем.

Конструкция малого модульного реактора Rolls-Royce была разработана с помощью комбинированного подхода к системному проектированию и оценке безопасности. Глубинная защита обеспечивается несколькими уровнями защиты и с помощью различных активных и пассивных систем безопасности с несколькими звеньями. Пассивные системы безопасности рассчитаны на автономное выполнение функций безопасности в течение 72 часов, сводя к минимуму потребность в действиях человека и электроэнергии.

Электростанция, построенная на базе ММР Rolls-Royce, будет занимать площадь около 40 000 м2, а ее конструктивной особенностью является сейсмическая изоляция ключевых зон безопасности. Ядерный реактор расположен на реакторном острове рядом с турбинным островом, за которым будет находиться остров с охлаждающей водой. Контур реактора и другие ключевые системы расположены внутри стальной защитной оболочки, чтобы ограничить выброс радиоактивных материалов во время неисправности и/или аварий.

Для строительства и ввода в эксплуатацию такого малого модульного реактора требуется до 5 лет, а проектный срок эксплуатации ММР Rolls-Royce составляет 60 лет.

Holtec

Проект малого модульного реактора Holtec находится на этапе предварительного лицензирования в Комиссии по ядерному регулированию США. Компания также подала заявку на общую оценку конструкции (GDA) SMR-300 в Великобритании. Однако стоит отметить, что в 2020 году завершен первый этап трехэтапной предварительной проверки проекта Канадской комиссией по ядерной безопасности перед лицензированием поставщика. Это пример раннего привлечения регулятора к рассмотрению обоснований безопасности проекта ММР, разработанного по нормам и правилам другой страны.

Основной способ применения SMR-300 – производство электроэнергии с дополнительным когенерационным оборудованием (то есть, производство водорода, хранение тепловой энергии, централизованное теплоснабжение, опреснение морской воды). Малые модульные реакторы SMR-300, благодаря запатентованной технологии воздушного охлаждения конденсатора Holtec International, могут размещаться в местах с дефицитом воды и работать как в режиме “black-start”, так и в изолированном режиме в местах с нестабильной электросетью или в автономном использовании.

SMR-300 – это одноконтурный легководный реактор под давлением, который генерирует 300 МВт электроэнергии. Особенностью ММР SMR-300 является уровень безопасности “Walk away safe”: в случае аварии, возникшей по любым причинам (в частности в результате диверсии или теракта) реактор заглушится и перейдет в безопасное состояние без вмешательства человека. Пассивные и резервные системы безопасности работают путем естественной циркуляции и обеспечивают безопасное отключение и отвод тепла в течение неограниченного периода времени без необходимости в электроэнергии, подпиточной воде или действиях оператора. Все системы безопасности расположены внутри прочной защитной оболочки, что делает их надежными и защищенными от внешних угроз. Вся подпиточная вода, необходимая на случай постулируемой аварии с потерей теплоносителя, находится внутри защитной оболочки. Другой резервуар с водой, находящийся между конструкцией защитной оболочки и защитным сооружением, обеспечивает переход теплоотвода на охлаждение воздухом на неограниченный период после проектной аварии без каких-либо действий оператора или подпитки, гарантируя долговременную послеаварийную жизнедеятельность.

Малый модульный реактор SMR-300 размещается в защитной оболочке, которая ограждена конструкцией из железобетонных стен. В этих сооружениях, наполовину располагающихся под землей, находятся все системы безопасности и бассейн выдержки отработанного ядерного топлива. Корпус защитной оболочки имеет устойчивость против ракетных попаданий и защищает защитную оболочку и системы безопасности от самых серьезных опасных факторов окружающей среды или саботажа. Во вспомогательном корпусе реактора размещено много вспомогательных систем атомной электростанции, в частности в нем происходит подготовка отработанного топлива к сухому промежуточному хранению на площадке в модулях HI-STORM UMAX (запатентованная технология подземного сухого хранения). Паровая турбина и связанные с ней системы размещены в турбинном здании на уровне земли. Электроэнергетическая система состоит из главного генератора, главного трансформатора, вспомогательных трансформаторов, дизельных генераторов и аккумуляторных батарей класса 1Е.

Изготовление и сборка компонентов SMR-300 происходит до прибытия на строительную площадку и составляет 24 месяца.

Westinghousе

В начале мая 2023 года компания Westinghouse Electric представила единственный малый модульный реактор, который будет построен на основе проекта существующего реактора AP-1000. Концептуальный проект реактора был разработан еще в 2015 году, компания-разработчик занимается доработкой проекта и готовится подавать заявку на его сертификацию в Комиссию по ядерному регулированию США. Ожидается, что сертификация проекта состоится до 2027 года, после чего будут получены лицензии на конкретные площадки и начнется строительство первого блока в конце десятилетия.

Целевое применение ММР Westinghouse – производство электроэнергии, однако AP-300 также может использоваться для обеспечения технологического тепла, централизованного теплоснабжения и автономных применений, в частности в местах производства жидкого транспортного топлива из нефтеносных песков, горючих сланцев, и сжижения угля.

Это интегральная конструкция реактора с водой под давлением мощностью 800 МВт тепловой энергии и более 225 МВт электрической, которая будет использовать идентичную технологию AP-1000, включая основное оборудование, структурные компоненты, пассивную безопасность, проверенное топливо и системы управления и контроля. AP-300 будет использовать отлаженную цепочку поставок, возможности быстрого отслеживания нагрузки и проверенные процедуры эксплуатации и технического обслуживания.

Малый модульный реактор Westinghouse использует пассивные системы безопасности и проверенные компоненты, реализованные в конструкции реактора AP-1000 и более ранних проектах Westinghouse. Система передовой пассивной безопасности использует естественные силы испарения, конденсации и гравитации и автоматически обеспечивает безопасное прекращение работы реактора без действия оператора и устраняет необходимость в дополнительном источнике питания и системе охлаждения. Установка не зависит от электроснабжения или других вспомогательных систем для выполнения своих функций безопасности.

Атомная электростанция на базе ММР AP-300 является автономной и не имеет общих систем безопасности, что устраняет уязвимость к отказам, которые каскадом передаются от одного блока к другому на многоблочной станции. Конструкция предусматривает возможность “островного режима” для управления отключением от сети и способна обеспечить 100% паровой байпас для управления остановкой турбины, что предотвращает необходимость аварийного вывода реактора из эксплуатации. Блочный щит управления размещается полностью под землей на реакторном острове; кроме того, в отдельных секторах расположено несколько станций мониторинга безопасности. Расположение корпуса реактора, защитной оболочки и бассейна выдержки ниже уровня земли обеспечивает защиту от внешних угроз и опасных природных явлений.

Все компоненты малого модульного реактора могут легко перемещаться по железной дороге, грузовиком или баржей. Как и AP-1000, AP-300 разработан для 80+ летнего цикла работы.

Вместо заключения

Для поддержки малых модульных реакторов в 2021 году Государственным департаментом США была инициирована программа “Фундаментальная инфраструктура для ответственного использования технологии малых модульных реакторов” (Foundational Infrastructure for Responsible Use of Small Modular Reactor Technology – FIRST). Таким образом страны, рассматривающие возможность использования ММР или других усовершенствованных реакторов в достижении нулевых углеродных выбросов для смягчения последствий изменения климата, могут присоединиться к этой программе и поделиться своими планами в наращивании потенциала в области ядерной энергетики. Ранний диалог между экспертами США и заинтересованной страны-партнера обеспечивается через проведение тренингов, семинаров, вебинаров, организованные учебные поездки.

Способствуют развитию технологий малых модульных реакторов и другие международные организации. Европейская комиссия продолжает поддерживать исследования, инновации, образование и подготовку специалистов по направлению для безопасности европейских ММР, Западноевропейская ассоциация ядерных регуляторов (WENRA) готова к взаимному сотрудничеству по оценке безопасности проектов реакторов. Члены Международной ассоциации ядерных регулирующих органов (INRA) сотрудничают на этапах оценки конструкций ММР и лицензирования, а также поддерживают национальные регулятивные проверки в странах, которые только начинают деятельность по внедрению новейших технологий.

Редакция вебсайта Uatom.org