08 мая 2022 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович

Атомная станция на заднем дворе. Малые модульные реакторы начинают воплощаться в реальности

Летом прошлого года в Китае начали строить новый атомный реактор. Новость, в принципе, достаточно рядовая: Китай никогда не отказывался от атомной энергетики, там сейчас строится 19 станций, еще три десятка в планах, из них три начнут возводить в этом году. Но вот та самая одна станция особенная. Вместо примерно 1000 МВт электрической мощности — скромные 125 МВт. Это будет первый коммерческий наземный малый модульный реактор (ММР). Многие эксперты усматривают в них ренессанс атомной энергетики в мире. Они быстрее в постройке, менее прихотливы к ландшафту, могут устанавливаться даже на кораблях и, что немаловажно, дешевле и безопаснее. В теории.

После катастрофы на японской Фукусиме в 2011 году опасения относительно атомной энергетики в обществе привели к тому, что многие проекты застопорились, а действующие станции закрылись. Да, атомная энергия куда более «зеленая» по сравнению с углем и газом, но пугающий опыт Чернобыля и Фукусимы перевесил страхи общества перед будущими природными катастрофами в связи с изменением климата.

Отказ от атомной энергетики не был единогласным и повсеместным. Одна из крайностей этого тренда — Германия, где в этом году должны закрыться три последние атомные станции. В противовес ей — Китай, который лидирует по количеству строящихся и проектирующихся станций. Один из таких реакторов — малый и модульный. Что это вообще значит?

Малый, модульный, китайский

Малыми такие реакторы называются, потому что они в несколько раз меньше традиционных ядерных реакторов, а модульными — потому что их системы и компоненты можно собирать на заводе и единым блоком перевозить на место установки.

Небольшие и модульные реакторы не требуют много площадей, в отличие от более крупных электростанций. Они более гибкие в плане требований к локациям. К тому же традиционные станции зачастую проектируют под конкретную местность, что связано со сложностями и задержками в строительстве. Для них требуется куда более серьезная инфраструктура, линии электропередач, сетевая мощность.

Малые модульные реакторы оказываются меньше, дешевле, строятся быстрее, могут работать в одиночку или как часть станции из нескольких модулей — в теории, пока на суше ММР не строили.

Однако много разговоров о том, что такие компактные станции могут быть отличным решением для удаленных локаций или даже целых предприятий, которые не хотят зависеть от транспортировки ископаемого топлива.

Первый подобный проект начали реализовывать в июле 2021 года в китайской островной провинции Хайнань на площадке Чанцзянской атомной электростанции.

ACP100 — многоцелевой малый модульный реактор с водой под давлением, на разработку которого потратили десять лет. В 2016 году конструкция стала первым ММР, который прошел проверку безопасности МАГАТЭ.

Ожидаемый срок строительства полноценной станции на два таких реактора — 58 месяцев, или чуть меньше пяти лет. Срок эксплуатации — 60 лет с перегрузкой топлива каждые два года. А когда станция будет готова, она сможет производить 1 млрд кВт·ч электричества ежегодно, что обеспечит потребности 526 тыс. домохозяйств в окрестностях.

ACP100 разработан на основе более крупного реактора ACP1000 и был определен как ключевой проект в 12-й пятилетке Китая. Конструкция состоит из 57 тепловыделяющих сборок и встроенных парогенераторов, включает элементы пассивной безопасности и монтируется под землей. Китайская национальная ядерная корпорация надеется, что продвижение ММР позволит сократить потребление ископаемых источников энергии и выбросы загрязняющих веществ.

Реактор NuScale

В том или ином виде работа над ММР ведется в разных странах мира. Прямо сейчас существует несколько десятков концептов и конструкций таких реакторов. Один из самых заметных проектов — реактор американской компании NuScale, который первым в Штатах получил одобрение конструкции от местного регулятора.

Установка NuScale объединяет все компоненты для производства пара и теплообмена в единый интегрированный блок — NuScale Power Module. В многомодульной конфигурации каждый блок работает независимо, а одна контрольная комната позволяет отслеживать до 12 модулей. Эти блоки производят и собирают прямо на заводе, а потом доставляют к месту установки.

Высота реактора составляет 19,8 метра, диаметр — 2,7 метра. Он заключен в стальной цилиндр. Для работы реактора не нужны насосы, которые прокачивали бы воду для ее нагрева и, соответственно, охлаждения реактора. Циркуляция происходит за счет естественных принципов.

Вода нагревается урановыми топливными стержнями и во внутреннем контуре поднимается по центральному стояку. В верхней его части температура передается во внешний паровой контур через спиральные парогенераторы. Пар под высоким давлением крутит турбины, они вырабатывают электричество — все просто. Отработавший свое пар попадает в конденсатор, где вода вновь становится жидкостью и возвращается обратно.

Реакторы весьма гибкие в плане выходной мощности. Регулируя клапан на паровой турбине, можно менее чем за полчаса увеличить выходную мощность с 20 до 100% — с 12 до 60 МВт. Обратно мощность снижается за 8 минут.

Что по безопасности?

Одно из преимуществ таких ММР, как у NuScale, — это система пассивной безопасности, которая совсем не полагается на электроэнергию и устойчива к ее отключению. Реакторы без вмешательства оператора или электроники глушат ядерную реакцию сами: после внезапного прекращения подачи электричества управляющие стержни под действием гравитации погружаются в ядро и заглушают реакцию.

Для того чтобы реактор оставался холодным, не нужна и внешняя подача воды. В проекте NuScale реализована интересная схема стравливая пара из реакторной зоны.

Когда контрольные стержни введены, цепная реакция остановлена, но остаточное тепло (6—7% от полной мощности реактора) еще медленно уменьшается в течение нескольких недель. Но оно есть, и его надо отводить, иначе топливо нагреется выше точки плавления, и будет ситуация как на Фукусиме.

В реакторах NuScale пар из корпуса стравливается во внешнюю оболочку через специальные вентиляционные клапаны. Эта оболочка находится в бассейне и передает тепло от пара воде за своими стенками. Внутри пар начинает остывать, и вода в виде конденсата скапливается на дне. Когда уровень воды доходит до определенной точки, открываются рециркуляционные клапаны, которые возвращают воду в реактор. Так достигается естественная циркуляция воды при тяжелой аварии без необходимости подачи извне.

Но, естественно, не все так гладко, и у Комиссии по ядерному регулированию нашлось несколько вопросов к конструкции. В частности, экспертов смущают спиральные парогенераторы. Они высокоэффективны в передаче тепла, но эксперты беспокоятся по поводу их износостойкости. Также есть опасения относительно колебаний волн плотности в паровом контуре: парогенераторы расположены очень близко к активной зоне. И хоть создатели NuScale заверяют, что проводились тщательные испытания этого модуля, но десять лет назад именно трубки парогенераторов стали причиной закрытия АЭС в Калифорнии. Случился преждевременный износ 3 тыс. теплообменных трубок внутри новых парогенераторов, установленных за год-два до этого. Это был заводской брак японской фирмы, но все же. NuScale собирается расчетным или экспериментальным путем показать необоснованность таких беспокойств.

В целом же создатели реактора оценивают, что при самой жесткой аварии, которая может случиться раз в миллиард лет, загрязнение произойдет в пределах станции, тогда как для традиционных станций радиус загрязнения составляет десятки километров, необходимых для запланированной чрезвычайной зоны вокруг.

Что касается радиоактивных отходов, то эту проблему в нашей вселенной еще не решили. Отходы придется хранить и безопасно утилизировать.

Что дальше?

Демонстрационный проект должны построить в американском штате Айдахо. В феврале этого года на площадке Национальной лаборатории штата завершили полевые работы: провели исследования подповерхностного слоя, оценили потенциал вулканических и сейсмических угроз, создали сеть скважин для мониторинга грунтовых вод, построили станцию метеорологического мониторинга.

На площадке расположится шестимодульная АЭС VOYGR, пуск которой запланирован лишь на 2029 год. В том же году первая станция с малыми модульными реакторами может быть построена в Польше. NuScale и польский производитель серебра и меди KGHM Polska Miedź SA заключили соответствующее соглашение. ММР потенциально привлекательны для замены угольных электростанций, от которых сильно зависит польская энергетика. В ММР заинтересованы в Чехии и Казахстане, где NuScale также подписывала с местными правительствами и компаниями различные меморандумы о взаимопонимании и соглашения.

Естественно, NuScale не единственный в мире условный стартап в этой сфере. Есть и другие компании и страны, где ведутся свои разработки. Все они обещают начать подключение к сети станций на малых модульных реакторах в конце этого и начале следующего десятилетий.

У ММР меньше капитальные затраты на единицу продукции, но их экономическую конкурентоспособность еще предстоит доказать на практике, когда будет начата эксплуатация таких реакторов. Продолжим следить за этим трендом в ближайшие годы.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович