Малая атомная энергетика и автономные энергоисточники

Возрождение интереса к небольшим по размерам и более простым в исполнении ядерным установкам обусловлено желанием снизить капитальные затраты на производство ядерных источников энергии и необходимостью иметь в наличии источники энергии и тепла, работающие автономно и удаленно от крупных энергетических систем.

Глобализация, урбанизация, рост населения, стареющая инфраструктура и ужесточение природоохранного законодательства ставят под угрозу сегодняшние электрогенерирующие мощности. Между тем глобальный спрос на электроэнергию, по прогнозам, увеличится на 33% к 2030 году. Замена выбывающих генерирующих мощностей при одновременном обеспечении растущих новых мощностей в течение следующих 30 лет делает поиск доступных экологически чистых энергоносителей очень актуальным.

Сокращение выбросов CO₂, значительные колебания цен на газ, периодичность мощностей, вырабатываемых с помощью солнечной энергетики и ветроэнергетики, делает преимущества ядерной энергетики очевидными.

Растущая потребность рынка в конкурентоспособных, масштабируемых, безопасных, надежных и автономных источниках энергии стимулирует инвестиции в новое поколение ядерных энергетических установок.Технологии, используемые для таких ядерных установок, весьма разнообразны.

С момента появления ядерной энергетики мощности реакторных установок выросли с 60 МВт до более чем 1600 МВт.

В то же время создавались и небольшие энергетические реакторы для использования в море (тепловая мощность до 190 МВт) (реакторы для подводных лодок и атомных ледоколов), на суше (ТЭС-3), в качестве источников нейтронов, что дало огромный опыт в проектировании энергоблоков для малой атомной энергетики.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) определяет энергоблоки мощностью менее 300 МВт как «малые», а до 700 МВт – как «средние». Вместе они именуются МАГАТЭ как малые и средние реакторы (Small Medium Reactor – SMR). Однако чаще всего аббревиатура SMR используется для обозначения «малогабаритного реактора», предназначенного для серийного строительства. Также существует подкатегория очень маленьких реакторов – vSMR – это установки с мощностью менее 15 МВт, предназначенные для использования в отдаленных районах.

03.10.2023
Атомные станции малой мощности: высокая эффективность в экстремальных условиях. Лебезов Андрей Александрович, генеральный директор АО «ГНЦ РФ – ФЭИ». Доклад на молодёжной научно-технической конференции имени Е.П. Славского..

Сегодня отчасти из-за высоких капитальных затрат на создание крупных энергетических реакторов, вырабатывающих электроэнергию по паровому циклу, и отчасти из-за необходимости обслуживать небольшие электроэнергетические сети идет процесс разработки небольших ядерных установок. Такие установки могут быть построены независимо или в виде модулей в более крупном комплексе, с добавлением по мере необходимости дополнительной мощности (модульная конструкция с использованием небольших блоков реактора). В случае модульности экономия предполагается именно за счет масштабирования. Помимо этого создаются отдельные реакторные установки небольших размеров для использования в удаленных районах. Такие установки требуют относительно небольших инвестиций по сравнению со стоимостью постройки крупных реакторов, сравнимой с капитализацией заинтересованных в них коммунальных предприятий.

Еще одна причина для интереса к SMR заключается в том, что они могут замещать выведенные из эксплуатации угольные ТЭС и ТЭЦ, мощность более 90% которых составляет менее 500 МВт, а некоторых менее 50 МВт.

В США мощность угольных электростанций, вышедших из эксплуатации в течение 2010-2012 годов, в среднем составляла 97 МВт, а тех, которые, как ожидается, будут выводится в течение 2015-2025 годов, в среднем 145 МВт.

Малые модульные реакторы (SMR) определяются как ядерные реакторы, как правило, эквивалентные 300 МВт или менее, спроектированные с использованием модульной технологии, что обеспечивает экономию за счет серийного производства и короткого времени строительства.

В настоящее время реализуются четыре основных варианта:

легководные реакторы,
реакторы на быстрых нейтронах
реакторы с графитовым замедлителем,
высокотемпературные реакторы различного типа (Molten Salt Reactor – MSR).

Первый вариант имеет самый низкий технологический риск, второй – реакторы на быстрых нейтронах (FNR) – меньше, проще и с более длительым сроком работы до перегрузки топлива. Перспективным является и направление MSR.

В западных странах для развитие SMR привлекается большое количество частных инвестиций, в том числе от небольших компаний. Участие этих новых инвесторов свидетельствует о глубоком сдвиге, происходящем в подконтрольных и финансируемых правительством ядерных НИОКР. Целью частных инвесторов часто является развертывание недорогой экологически чистой энергии без выбросов углекислого газа.

Как правило, современные малые реакторы для выработки электроэнергии, и особенно SMR, должны иметь более простую конструкцию, серийное производство, короткие сроки строительства и сниженную стоимость размещения. Большинство из них также разрабатываются с учетом высокого уровня безопасности. Многие из них предназначены для установки под землей, что обеспечивает высокую устойчивость к террористическим угрозам. В то же время в отличие от крупногабаритных реакторных установок из-за использования пассивных систем безопасности требуемая зона планирования аварийного режима для малых реакторов должна составлять не более 300 м.

Огромный потенциал SMR опирается на ряд факторов:

Из-за небольшого размера и модульности SMR можно полностью построить в заводских условиях и устанавливать затем модуль за модулем.
Малые размеры и пассивные функции безопасности позволяют эксплуатировать их в странах с меньшим опытом использования ядерной энергии.
Размер, скорость строительства и системы пассивной безопасности обеспечивают более легкое финансирование по сравнению с крупными проектами полномасштабных АЭС.
Серийное производство для конкретной конструкции SMR значительно сокращает затраты.

Особенности SMR:

Малая мощность и компактная архитектура, использование пассивных концепций (по крайней мере, для ядерной системы пароснабжения и связанных с ней систем безопасности). Поэтому в меньшей степени полагаются на активные системы безопасности и дополнительные насосы, а также на источники питания переменного тока для смягчения последствий аварии.
Компактная архитектура обеспечивает модульность изготовления (на заводе), что также может способствовать внедрению более высоких стандартов качества.
Более низкая мощность приводит к сокращению срока эксплуатации, а также к уменьшению радиоактивного запаса в реакторе (реакторы меньшего размера).
Потенциал для подземного или подводного местоположения реакторного блока, обеспечивающий большую защиту от естественных (например, сейсмических или цунами) или от техногенных (например, воздушных) воздействий.
Модульная конструкция и небольшие размеры позволяют создавать несколько блоков на одном участке.
Из-за более низких требований доступа к воде для охлаждения реакторы подходят для отдаленных регионов и для конкретных применений, таких как добыча или опреснение.
Возможность удаления реакторного модуля или вывода из эксплуатации на месте в конце срока службы.