Ядерная энергетика во всем мире переживает ренессанс, являясь одним из главных претендентов на роль ключевого решения по производству электроэнергии без ископаемого топлива. Перспективным направлением развития в этой сфере считаются малые модульные ядерные реакторы (SMR).
Обычно SMR производятся в заводских условиях и в виде готовых модулей транспортируются к месту эксплуатации для установки. Такая технология сокращает затраты и время строительства, снижает нормативные требования и повышает качество изделий. Короткие сроки реализации проекта позволяют снизить риски и сократить капитальные затраты. Кроме того, избыточное тепло SMR может использоваться для отопления зданий, опреснения воды, получения холода и других функций в гибридных энергетических системах.
В статье группы авторов (Мартин Йельмеланд, Лина Бертлинг Тьернберг, Кристиан Хартманн), опубликованной в журнале IEEE Power & Energy (т. 22, № 3 за 2024 год), рассмотрены различные технологии SMR, включая два типа эволюционных SMR поколения III+ и три типа революционных SMR поколения IV. Ниже мы приводим краткий обзор этой статьи.
Разработка и переход к апробации SMR набирает обороты во всем мире, в статье приводится несколько примеров таких проектов. В Канаде в рамках проекта Darlington New Nuclear Project планируется построить четыре SMR GE Hitachi BWRX-300 мощностью 300 МВт, первый из которых должен быть завершен в 2028 году. Китай строит электростанцию Linglong One поколения III+ с реакторами ACP100 мощностью 125 МВт. В России создают два плавучих SMR поколения III+ мощностью 35 МВт, работающих по технологии легководного реактора (LWR), в то время как в Китае действуют два наземных SMR поколения IV мощностью 210 МВт, в которых используется технология высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (HTGR). В Аргентине планируется к 2026 году построить SMR CAREM-25 по технологии PWR (реактор с водой под давлением) мощностью 30 МВт.
Возможности применения SMR
Технологии SMR весьма перспективны с коммерческой точки зрения, поскольку они опираются на опыт и преодолевают многие проблемы обычных ядерных реакторов. На развивающемся энергетическом рынке SMR обладают уникальными техническими характеристиками и гибкостью, позволяющими получать доход от различных услуг, таких как гарантированная базовая мощность, генерация тепла для неэлектрических применений (например, теплоснабжение и опреснение воды), когенерация тепла и электроэнергии, и других.
Следует подчеркнуть гибкость управления питанием и быструю скорость реагирования SMR на изменение нагрузки, что расширяет их потенциальное применение по сравнению с традиционной ядерной энергетикой. В частности, легководные SMR имеют возможности изменения нагрузки за счет использования трех различных режимов:
- отключение одного или нескольких реакторных модулей на длительные периоды при низком спросе или высоком производстве из переменных возобновляемых источников энергии (интервалы времени в несколько дней или более);
- маневрирование мощностью реактора с помощью стержней управления в одном или нескольких энергетических модулях для компенсации почасовых изменений (временные интервалы в часах);
- обход паровой турбины в конденсатор в одном или нескольких энергетических модулях для быстрого реагирования на изменения спроса или генерации (короткие временные интервалы в диапазоне секунд или минут).
На рисунке 1 показаны схема взаимодействия SMR с электрической сетью и режимы изменения нагрузки.
Эти возможности диспетчеризации имеют свои технические ограничения. Полный вывод модулей реактора из эксплуатации и его повторный запуск занимает несколько часов. Частое использование стержней управления может способствовать термической усталости и старению компонентов реактора. Аналогичным образом, обход системы турбины также приводит к износу, и экономическим потерям. Однако, с ростом доли в сети нестабильной энергии такая гибкая работа будет пользоваться большим спросом.
Экономические драйверы
В ядерной энергетике, как и в любой другой отрасли, выгодно копировать существующие конструкции вместо создания новых с нуля. Это преимущество было отмечено на примере четырех реакторов Barakah в Объединенных Арабских Эмиратах (ОАЭ), которые являются прямыми копиями двух реакторов, построенных в Южной Корее Korea Electric Power Corporation, с использованием той же цепочки поставок. В Barakah 4, по сравнению с Barakah 1, капитальные затраты были снижены более, чем на 50%, с 5500 $/кВт до 2300 $/кВт всего за три года между очередями проекта.
На рисунке 2 показана кривая LCOE традиционной ядерной энергетики по сравнению с технологией SMR, подчеркивающая экономические драйверы для обещанного снижения затрат.
Эволюционные SMR поколения III+
Согласно данным МАГАТЭ за сентябрь 2022 года, в настоящее время разрабатывается 33 легководных SMR для развертывания и находится на пути к коммерциализации. Они представляют ядерную энергетическую технологию поколения III+, которая является постепенным эволюционным шагом по сравнению с существующими технологиями.
- BWR (водо-водяной энергетический реактор, ВВЭР)
BWR превращают воду в пар напрямую в реакторе для привода паровой турбины. В настоящее время существует два концептуальных и два детальных проекта, которые разрабатываются GE Hitachi Nuclear Energy в США и Японии и Научно-исследовательским и конструкторским институтом энерготехники им. Доллежаля (НИКИЭТ) в России.
- PWR (реактор с водяным охлаждением под давлением)
В отличие от BWR, в PWR разделяют первичный контур воды, контактирующей с радиоактивным топливом, и вторичный контур, который вырабатывает пар и электричество (см. рисунок 1). Вода в первом контуре поддерживается в жидком состоянии под высоким давлением и обычно работает при немного более высоких температурах, чем BWR (более 300 °C), что повышает эффективность, но требует более высоких затрат на строительство, поскольку корпус реактора и другие компоненты в первичной системе работают под давлением около 160 бар.
Среди наземных SMR в разработке находится 21 PWR, в настоящее время строятся китайский ACP100 SMR и аргентинский CAREM. С 21 февраля 2023 года было лицензировано проектирование SMR NuScale VOYGR, объединяющего 4, 6 и 12 энергетических модулей мощностью 77 МВт. Кроме того, имеется восемь SMR морского базирования типа PWR, включая SMR КЛТ-40С АО «ОКБМ Африкантов» мощностью 2×35 МВт, которая находится в эксплуатации с 2022 года. В настоящее время на стадии лицензирования находится аналогичный PWR морского базирования – ВБЭР-300 мощностью 325 МВт также разработки АО «ОКБМ Африкантов».
Революционные SMR поколения IV
По сравнению с SMR поколения III+, одной из ключевых характеристик SMR поколения IV является их способность генерировать высокотемпературное тепло, что обеспечивает им возможность оказывать неэлектрические услуги для тепловых нагрузок и буферизации энергии. Кроме того, реакторы IV поколения часто связаны с решением проблемы замыкания ядерного топливного цикла и возможностью расширения топливной базы атомной энергетики за счет задействования отработанного ядерного топлива и использования тория. Авторы выделяют следующие типы реакторов:
- LMFR (жидкометаллический реактор на быстрых нейтронах)
SMR на основе LMFR в качестве охладителя вместо воды используют жидкие металлы (как правило, натрий или эвтектический сплав свинец-висмут). Это позволяет LMFR работать при температурах примерно на 200°C выше, чем традиционные PWR (около 500°C вместо 300°C), при гораздо более низких давлениях. Более высокая температура позволяет увеличить электрический КПД с 30% до 38%.
LMFR могут быть спроектированы для использования широкого спектра типов топлива, включая отработанное ядерное топливо (ОЯТ) и природный уран, что может сократить количество ядерных отходов. LMFR также могут включать инновационные функции пассивной безопасности.
В настоящее время во всем мире предложено восемь проектов SMR LMFR, включая четыре концептуальных проекта, один предварительный проект, два детальных проекта и один в стадии строительства (российский БРЕСТ-ОД-300 от НИКИЭТ мощностью 300 МВт, строящийся в г. Северск). Дополнительным преимуществом жидкометаллической технологии можно считать то, что она отработана в натриевом варианте на реакторах большой мощности серии БН в России на Белоярской АЭС, а также во варианте свинцово-висмутовой эвтектики - на серии судовых реакторов БМ-40А (ОК-550) подводных лодок проектов 705 и 705К.
- MSR (реактор с солевым расплавом)
Передовая технология ядерных реакторов использует жидкие фторидные или хлоридные соли как в качестве теплоносителя, так и в качестве носителя топлива. MSR по своей природе стабильны из-за своей отрицательной реактивности. Они могут работать при температурах почти на 400°C выше, чем SMR типа PWR (около 700°C вместо 300°C), что может повысить КПД с 30% до более 40%. MSR также могут быть спроектированы для использования в качестве источника топлива тория, который в три раза более распространен, чем уран. По сравнению с PWR количество отходов MSR может быть сокращено в 100 раз.
- HTGR (высокотемпературный реактор с газовым охлаждением)
HTGR являются предшественниками сверхвысокотемпературных реакторов. Они используют газообразный гелий в качестве теплоносителя и графит в качестве замедлителя. HTGR могут работать при очень высоких температурах (800°C против 300°C у PWR) и использовать различные виды топлива, включая ОЯТ и торий. Всего по всему миру предложено 17 SMR типа HTGR, один из которых находится в эксплуатации в Китае (HTR-PM Института ядерных и новых энергетических технологий (INET), мощностью 2 × 210 МВт). Проект такого типа реактора ВТГР разработан также ОКБМ Африкантов.
Сравнение технологий SMR
В табл. 1 показаны основные параметры всех исследованных типов SMR. Революционные SMR поколения IV демонстрируют более высокую электрическую эффективность и работают при температурах на 300 – 600°C выше, чем SMR поколения III+.
Оба поколения SMR имеют схожие пути развития, при этом большинство запусков ожидается в конце этого десятилетия. Однако SMR поколения III+ лидируют в гонке, поскольку они основаны на уже зрелых технологиях. Технологии поколения IV предлагают много преимуществ с точки зрения эффективности и тепловой мощности, но, по мнению авторов, в гонке за реализацией SMR до конца этого десятилетия они будут уступать. Это объясняется не только более низким уровнем зрелости новых технологий, но и неготовностью существующей нормативной базы и режимов инспекций к принятию коммерческого парка SMR-IV. Новые потоки отходов из реакторов поколения IV также потребуют новых методов утилизации отработанного топлива и элементов конструкции, а также обеспечения безопасности.
Полную версию статьи читайте в журнале в журнале IEEE Power & Energy, т. 22, № 3 за 2024 год
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России