Малі ядерні енергетичні реактори - що це таке і чому у світі до них такий інтерес

Існує великий інтерес до невеликих і простіших установок для виробництва електроенергії з ядерної енергії та для технологічного тепла. Цей інтерес до малих і середніх атомних енергетичних реакторів зумовлений як бажанням зменшити вплив капітальних витрат, так і забезпечувати енергію подалі від великих мережевих систем. Задіяні технології численні та дуже різноманітні.

У зв’язку з тим, що з 1950-их років налагоджено виробництво атомної енергії, потужність реакторних установок зросла з 60 МВт до більш ніж 1600 МВт з відповідним ефектом масштабу експлуатації. У той же час було багато сотень менших енергетичних реакторів, побудованих для військово-морського використання (до 190 МВт теплової потужності) і як джерела нейтронів. Власне, сьогодні вже нагромаджено величезний досвід у проектуванні малих ядерних енергоблоків.

Міжнародне агентство з атомної енергії (МАГАТЕ) визначає як «малі» такі реактори, які менші від 300 МВт, а до 700 МВт – як «середні» – включаючи багато чинних установок з 20 століття. Разом вони були названі малими та середніми реакторами (SMR). Однак SMR частіше використовується як абревіатура «малого модульного реактора», призначеного для серійного будівництва. Підкатегорія дуже малих реакторів – vSMR – пропонується для блоків потужністю приблизно 15 МВт, особливо для віддалених громад.

Малі модульні реактори (ММР, еквівалент 300 МВт або менше) сконструйовані за модульною технологією з використанням виготовлених фабричномодулів, що забезпечує економію серійного виробництва та короткі терміни будівництва. (Це визначення Всесвітньої ядерної асоціації, яке ґрунтується на підходах МАГАТЕ та Інституту ядерної енергії США).

Деякі з уже діючих малих реакторів, згаданих або наведених у таблиці нижче, не відповідають цьому визначенню. Типи PWR можуть мати інтегровані парогенератори, у цьому випадку корпус реактора повинен бути більшим, що обмежує транспортування від заводу до місця. Тому багато великих PWR, таких, як-от, Rolls-Royce UK SMR, мають зовнішні парогенератори. 

Деякі з описаних тут проєктів ще тільки формуються, інші діють або будуються. Розглядаються чотири основні варіанти: легководні реактори, реактори на швидких нейтронах, високотемпературні реактори з графітовим сповільнювачем і різні види реакторів на розплавлених солях (MSR). Перший має найменший технологічний ризик, але другий (FNR) може бути меншим, простішим і з більш тривалою роботою до заправки. Деякі MSR мають швидкий спектр.

Сьогодні частково через високі капітальні витрати на великі енергетичні реактори, які виробляють електроенергію за допомогою парового циклу, а також частково через потребу обслуговувати невеликі електромережі потужністю близько 4 ГВт,   є тенденція до розвитку менших установок. Вони можуть бути побудовані окремо або як модулі у більшому комплексі з поступовим збільшенням потужності за потреби. Економія на масштабі передбачається за рахунок виробленої кількості. Також окреслився вектор до розвитку незалежних невеликих підрозділів для віддалених сайтів. Малі одиниці розглядаються як набагато більш керовані інвестиції, ніж великі, вартість яких часто конкурує з капіталізацією відповідних комунальних підприємств.

Додатковою причиною інтересу до SMR є те, що їх можна легше розміщувати на забудованих територіях замість виведених з експлуатації вугільних електростанцій, блоки яких рідко бувають дуже великими – більше як 90% мають потужність менше як 500 МВт, а деякі – менше як 50 МВт. У США потужність вугільних установок, що були виведені з експлуатації протягом 2010-2012 рр., становила в середньому 97 МВт, а ті, які планується вивести з експлуатації в 2015-25 рр., в середньому мали 145 МВт.

Розробка ММР триває в країнах Заходу із залученням чималих сум приватних інвестицій, у тому числі невеликих компаній.  До того ж широке задіяння нових інвесторів свідчить про кардинальний перехід у цій сфері від проєктів, які  реалізуються коштом держави і під  керівництвом уряду, до тих, які фінансує і контролює приватний сектор, що має підприємницькі цілі, котрі часто пов’язані з соціальними. Зокрема, такою соціальною ціллю часто є використання доступної чистої енергії без викидів вуглекислого газу.

У звіті Інституту енергетичної політики Чиказького університету 2011 року для Міністерства енергетики США говориться, що малі реактори можуть значно пом’якшити фінансовий ризик, пов’язаний з повномасштабними установками, потенційно дозволяючи малим реакторам ефективно конкурувати з іншими джерелами енергії. 

Загалом очікується, що сучасні малі реактори для виробництва електроенергії, і особливо SMR, матимуть більш просту конструкції, економію серійного виробництва, сконцентрованого переважно на заводах, короткі терміни будівництва та зменшені витрати на розміщення.

Більшість проєктів також передбачають більш високий рівень пасивної або внутрішньої безпеки у разі несправності. Також багато з них призначені для розміщення нижче рівня землі, що забезпечує високу стійкість до терористичних загроз.

Доповідь спеціального комітету, скликаного Американським ядерним товариством у 2010 році, показала, що багато положень безпеки, необхідних або принаймні розумних у великих реакторах, не є необхідними в невеликих проектах, які будуть розроблені. Це значною мірою пов’язано з більш високим співвідношенням площі поверхні до об’єму (і тепла ядра) порівняно з великими блоками. Це означає, що велика кількість інженерних засобів для безпеки, включаючи відведення тепла у великих реакторах, не потрібна в малих реакторах. Оскільки малі реактори бачаться як заміна електростанцій, що працюють на викопному паливі, у багатьох ситуаціях необхідна зона планування на випадок надзвичайних ситуацій має бути не більше як 300 м у радіусі. (Об’єднані таблиці з цього звіту додаємо нижче разом із примітками щодо деяких перших невеликих реакторів з водяним, газовим та рідким металевим охолодженням).

Ліцензування потенційно є проблемою для SMR, оскільки вартість сертифікації проекту, ліцензії на будівництво та експлуатацію не обов’язково нижча, ніж для великих реакторів. Кілька розробників взяли участь у процесі перевірки проектів перед ліцензуванням з боку Канадської комісії з ядерної безпеки (CNSC). Перевірка перед ліцензуванням — це, по суті, технічне обговорення, перший етап якого передбачає близько 5000 годин робочого часу персоналу, розгляд концептуального проекту та стягнення плати з розробника. Друга фаза вдвічі більша, стосується проектування системного рівня.

У звіті Всесвітньої ядерної асоціації за 2015 рік щодо стандартизації SMR-ліцензування та гармонізації нормативних вимог зазначено^,  що величезний потенціал SMR ґрунтується на ряді факторів.

• Завдяки своїм невеликим розмірам і модульності SMR можна майже повністю побудувати в контрольованих заводських умовах і встановлювати модуль за модулем, підвищуючи рівень якості конструкції та ефективності.
• Їх невеликий розмір і функції пасивної безпеки дозволяють використовувати їх у країнах з меншими мережами та меншим досвідом ядерної енергетики.
• Розмір, ефективність конструкції та системи пасивної безпеки (що вимагають менше резервування) можуть спростити фінансування порівняно з більшими станціями.
• Крім того, досягнення «економії серійного виробництва» для конкретного дизайну SMR ще більше знизить витрати.

Натомість Всесвітня ядерна асоціація перераховує такі особливості SMR.

• Мала потужність і компактна архітектура і зазвичай (принаймні для систем постачання ядерної пари та відповідних систем безпеки) використання пасивних концепцій. Таким чином, можна менше покладається на системи активної безпеки та додаткові насоси, а також на джерело змінного струму для пом’якшення аварій.
• Компактна архітектура забезпечує модульність виготовлення (на заводі), що також може сприяти впровадженню вищих стандартів якості.
• Менша потужність призводить до зменшення терміну дії джерела, а також меншого запасу радіоактивних речовин у реакторі (менші реактори).
• Потенціал розміщення реакторної установки під землею (під землею чи під водою), що забезпечує більший захист від природних (скажімо, сейсмічних хвиль чи цунамі залежно від місця розташування) або антропогенних ( аварія з літаком) небезпек.
• Модульна конструкція та невеликий розмір дозволяють розмістити кілька одиниць на одному місці.
• Нижчі вимоги до доступу до охолоджувальної води – тому підходить для віддалених регіонів і для спеціальних застосувань, таких як видобуток корисних копалин або опріснення.
• Можливість видалення реакторного модуля або виведення з експлуатації на місці в кінці терміну служби.

У 2020 році МАГАТЕ опублікувало оновлену книгу SMR « Advances in Small Modular Reactor Technology Developments» , у якій розробники показали понад 70 проектів.

МАГАТЕ має програму оцінки концептуальної багатофункціональної конструкції малого легководного реактора (MASLWR) з інтегрованими парогенераторами, зосередженими на природній циркуляції теплоносія. В 2003 році Міністерство енергетики США опублікувало звіт про концептуальний проект MASLWR. Кілька інтегральних конструкцій PWR, наведених нижче, мають певну подібність.

З’явилася низка невеликих модульних реакторів, які вимагають палива, збагаченого до верхнього рівня, який визначається як низькозбагачений уран – 20% U-235. Рада з ядерної інфраструктури США (NIC) закликала зменшити рівень для військових цілей до приблизно 19,75% U-235, щоб забезпечити невеликий запас палива, який інакше було б дуже важко отримати. Було запропоновано запас у 20 тонн високопробного низькозбагаченого урану (HALEU). У NIC заявили, що інакше єдиним джерелом палива для багатьох сучасних реакторів, що розробляються, був би збагачений за кордоном уран. «Без доступних внутрішніх поставок високопробн6ого низькозбагаченого урану в США буде надзвичайно важко проводити дослідження передових реакторів, що потенційно може спонукати американських інноваторів втекти за кордон». У 2019 році Міністерство енергетики уклало контракт із Centrus Energy на розгортання каскаду великих центрифуг для виробництва палива HALEU для передових реакторів. Компанія Urenco USA оголосила про готовність постачати HALEU із спеціальної виробничої лінії на своєму заводі в Нью-Мексико.

Підготував Богдан Талатура.

Фото ілюстративне / з відкритих джерел