NuScale все ближе к цели / Хабр
Во всяком случае, препятствий для реализации этого проекта почти не осталось. В текущих геополитических реалиях стоимость электроэнергии все время повышается. Альтернативные источники энергии, несмотря на свой потенциал, не могут удовлетворить глобальный спрос на энергию.
Поэтому фокус внимания различных государств и компаний смещается в сторону ядерной энергетики. Она хорошо изучена, у многих стран есть собственные АЭС, так что отрасль можно развивать. Конечно, есть и негативные факторы, включая относительную небезопасность таких систем, стоимость возведения АЭС, ее эксплуатации и ряд других вопросов. Но в последнее время ученые и корпорации пытаются решить озвученную проблему. Один из способов — малые ядерные реакторы. Одна из компаний, NuScale Power, довольно далеко продвинулась в реализации этой идеи. Подробности — под катом.
Это разве не один из «воздушных замков» в ядерной энергетике?
Похоже, что нет.
Дело в том, что компания NuScale Power работает около 10 лет, пытаясь реализовать идею малых ядерных реакторов. Команда специалистов, которая занимается этим проектом, действительно продвинулась дальше других.Дело в том, что два года назад компании удалось добиться получения предварительного одобрения на свои реакторы со стороны Комиссии по ядерному регулированию США. Проект реактора тогда был рассмотрен специальной комиссией, которая основное внимание уделила безопасности установки. И вывод экспертов был однозначен — проект получил «зеленый свет».
Во многом благодаря нескольким важным преимуществам перед обычными АЭС, включая самые современные из них. Дело в том, что атомные электростанции, какие бы современные наработки ни использовали, достаточно дороги. Это касается как разворачивания проектов, так и эксплуатации АЭС, а также выведению их из эксплуатации. Кроме того, «большие АЭС» практически невозможно кардинально модернизировать — можно что-то точечно менять, но глобально обновить электростанцию такого типа нельзя.
И еще момент — количество персонала на современной АЭС тоже больной вопрос. Обычно это около 1000 человек, но есть еще и специалисты по переработке РАО, мониторингу хранилищ отработанного топлива и т.п. И все это — высококвалифицированные специалисты с профильным образованием. Для их подготовки нужна гора времени, причем подготовка должна быть на уровне, поскольку ошибки здесь, без преувеличения, не прощаются.
Что предлагает NuScale Power
Команда проекта разработала мини-реактор, высота которого составляет немногим больше 20 метров, а ширина — 5 метров. Это гораздо меньше, чем у обычных реакторов.
Каких-то революционных отличий в структуре мини-реактора нет — в целом, это все та же концепция, что и во «взрослых» АЭС, но несколько видоизмененная. Здесь, как и в обычных реакторах, есть топливные стержни, которые позволяют нагревать воду до нужной температуры во внутреннем контуре. Он передает температуру во внешний контур, в результате чего приводится в движение турбина, которая и вырабатывает электроэнергию.
Но зато сам реактор небольшого размера, плюс у него — система пассивного охлаждения. То есть насосов и дополнительных движущихся элементов, которые могут выйти из строя, почти нет. А это снижает уровень проблемности реактора, и довольно сильно.
Если что-то идет не так, реактор при помощи управляющих стержней глушит реакцию и переходит в режим ожидания. Если даже пропадает доступ к электричеству, которое используется для управления системами контроля, то управляющие стержни срабатывают автоматически — нужна только сила гравитации и ничего более. К сожалению, подробной технической документации для этих систем нет — разработчики по понятным причинам хранят коммерческие секреты. Но по данным, предоставленными авторами идеи, становится понятно, что все это действительно работает.
Что касается безопасности, то есть дополнительные возможности, которые позволяют снизить количество потенциальных проблем. Это, в частности, охлаждающие бассейны, в которые предполагается помещать реакторы.
Такие резервуары планируется строить ниже уровня земли. Если что не так — вступает в дело система охлаждения и излишки тепла оперативно отводятся. Ну а поскольку размер реактора небольшой, то и тепла нужно отводить меньше, по сравнению со стандартными вариантами.
Дальнейшие перспективы проекта
Как бы там ни было, потенциальная угроза все равно есть, и прежде, чем реализовать идею, компании, которая ее предложила, пришлось пройти массу проверок со стороны регуляторов. Работает NuScale с 2010-х, к рассмотрению возможности одобрения проекта специальная комиссия приступила только в 2017 году. Команде проекта пришлось предоставить около 2 млн страниц документации. И только в августе 2020 года проект получил предварительное одобрение, о чем уже говорилось выше.
Сейчас проект прошел полный цикл рассмотрения, после чего Комиссия по ядерному регулированию США одобрила проект целиком и полностью. Правда, еще предстоят бюрократические процедуры, но, как ожидается, они должны пройти быстро и без особых проблем.
Одобрение комиссии не означает, что проект будет реализован в ближайшее время. По словам представителя компании, первый реактор, при условии, что сейчас все пройдет гладко, начнет работу примерно через три года — то есть, в 2025. Но это будет лишь пилотный проект, во многом показательный. А вот системы, которые начнут давать сколь-нибудь чувствительный объем энергии, будут созданы не ранее 2030 года. И это при условии, что не возникнет неблагоприятных факторов, а правительство и дальше будет поддерживать проект.
В целом, на это компания и рассчитывает, поскольку сейчас правительство США выделило около $8,5 млрд на поддержку ядерной энергетики страны, включая альтернативные проекты. Но сложности все равно могут быть. Один из критиков проекта заявил следующее: «Я прекращу обсуждать новый проект и уйду на пенсию, если вы сможете показать мне АЭС, которая была введена в работу в рамках изначально запланированного срока и бюджета».
Как бы там ни было, но проект NuScale активно развивается и все же есть далеко ненулевая вероятность того, что он таки будет реализован и начнет работу в промышленных масштабах.
Малая 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.
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.
Наши разработки – это ядерные энергетические установки небольшой мощности различного назначения, основанные на разных технологиях:
- Легководные реакторы малой и средней мощности
- Высокотемпературные реакторы (HTR)
- Реакторы на быстрых нейтронах
- СВБР-100
- БРЕСТ-300
- Реакторы с термоэмиссионными одноэлементными электрогенерирующими каналами, такие как АСММ 10/100
NRC утверждает первый в США проект малого модульного реактора
Управление Атомная энергетика
2 сентября 2020 г.
Художественное исполнение атомной электростанции NuScale Power.
NuScale Power
Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) недавно выпустила свой окончательный отчет об оценке безопасности конструкции малого модульного реактора (SMR) NuScale Power. Это достижение является первым в своем роде для SMR и позволяет NuScale получить полную сертификацию конструкции от регулирующего органа к августу 2021 года.
Эта веха является прямым результатом более чем 400 миллионов долларов, выделенных Министерством энергетики США (DOE) с 2014 года для ускорения разработки и развертывания ММР.
Исторический процесс проверки
В марте 2017 года NRC приняла заявку NuScale на сертификацию конструкции SMR. На рассмотрение заявки, состоящей из 12 000 страниц, ушло менее 42 месяцев, и она включала более 2 миллионов страниц дополнительных документов для аудита регулирующих органов.
Окончательный отчет об оценке безопасности, выпущенный NRC, является первым в своем роде отчетом для SMR и представляет собой технический обзор и одобрение персоналом NRC конструкции NuScale SMR.
Энергетический модуль NuScale представляет собой усовершенствованный малогабаритный модульный реактор на легкой воде, способный генерировать 60 мегаватт электроэнергии. Каждая электростанция может вместить до 12 модулей, которые будут построены на заводе и примерно в три раза меньше размера крупномасштабного реактора. Его уникальная конструкция позволяет реактору пассивно охлаждаться без дополнительной воды, электроэнергии или даже действий оператора.
Эта ключевая функция безопасности может привести к сокращению зоны аварийного планирования до границы объекта, что значительно уменьшит площадь электростанции.
После получения полного сертификата коммунальные предприятия смогут ссылаться на проект при подаче заявки на комбинированную лицензию на строительство и эксплуатацию новых реакторов в США.
Министерство энергетики поддерживает размещение первой в стране электростанции с 12 модулями в Национальной лаборатории Айдахо. Ожидается, что эксплуатация начнется в 2029 году.
«Вот как выглядит успешное частно-государственное партнерство, — сказала д-р Рита Баранвал, помощник госсекретаря по ядерной энергии. «DOE гордится тем, что поддерживает лицензирование и разработку силового модуля NuScale и других технологий SMR, которые могут обеспечить чистую и надежную электроэнергию в областях, которые никогда не считались возможными для ядерных реакторов в США, а вскоре и во всем мире».
Поддержка разработки SMR
Поддержка DOE модуля питания NuScale восходит к началу его разработки в Университете штата Орегон в 2000 году. и размещение силового модуля NuScale, а также первоначальные усилия по проектированию других отечественных конструкций ММР.
В рамках проекта безуглеродной энергетики Министерство энергетики работает с компанией Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) и ее членами, чтобы продемонстрировать эту первую в своем роде технологию.
Что дальше?
NRC готовит свод правил для сертификации конструкции NuScale SMR.
После сертификации SMR присоединится к шести другим конструкциям легководных реакторов, одобренным NRC. Регулирующий орган также рассматривает первую в стране конструкцию SMR с кипящей водой, разработанную GE-Hitachi.
Приняв решение о продвижении проекта безуглеродной энергетики, UAMPS и его участники продолжат охарактеризовывать предпочтительный участок и инициируют разработку комбинированной заявки на получение лицензии для рассмотрения NRC.
В дополнение к проекту безуглеродной энергетики компания NuScale подписала соглашения с организациями в Канаде, Румынии, Чехии и Иордании о строительстве будущих электростанций.
Подписывайтесь на нас
Преимущества малых модульных реакторов (ММР)
Управление Ядерная энергия
Малые модульные реакторы предлагают меньшие первоначальные капиталовложения, большую масштабируемость и гибкость размещения для мест, где невозможно разместить более традиционные более крупные реакторы.
Они также имеют потенциал для повышения безопасности и защиты по сравнению с более ранними конструкциями. Развертывание передовых МСР может способствовать экономическому росту.
МОДУЛЬНОСТЬ
Термин «модульный» в контексте ММР относится к способности изготавливать основные компоненты ядерной системы подачи пара в заводских условиях и доставлять их к месту использования. Несмотря на то, что современные крупные атомные электростанции включают в свои конструкции компоненты (или модули) заводского изготовления, по-прежнему требуется значительный объем полевых работ для сборки компонентов в работающую электростанцию. Предполагается, что ММР требуют ограниченной подготовки на месте и существенно сокращают длительность строительства, характерную для более крупных блоков. ММР обеспечивают простоту конструкции, улучшенные функции безопасности, экономичность и качество, обеспечиваемые заводским производством, а также большую гибкость (финансирование, размещение, размеры и конечное применение) по сравнению с более крупными атомными электростанциями.
Дополнительные модули могут добавляться постепенно по мере увеличения потребности в энергии.
МЕНЬШИЕ КАПИТАЛЬНЫЕ ИНВЕСТИЦИИ
МСМ могут снизить капиталовложения владельца атомной станции из-за более низких капитальных затрат станции. Модульные компоненты и заводское изготовление могут снизить стоимость и продолжительность строительства.
ГИБКОСТЬ РАСПОЛОЖЕНИЯ
МСМ могут обеспечивать электроэнергией приложения, в которых нет необходимости в крупных установках или на объектах отсутствует инфраструктура для поддержки крупной установки. Это может включать в себя небольшие рынки электроэнергии, изолированные районы, небольшие сети, участки с ограниченным количеством воды и площади или уникальные промышленные приложения. Ожидается, что ММР будут привлекательными вариантами замены или переоснащения стареющих/выводимых из эксплуатации электростанций, работающих на ископаемом топливе, или предоставят возможность дополнить существующие промышленные процессы или электростанции источником энергии, не выделяющим парниковых газов.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
МСМ могут быть объединены с другими источниками энергии, включая возобновляемые и ископаемые источники энергии, для эффективного использования ресурсов и получения более высокой эффективности и получения нескольких конечных продуктов энергии при одновременном повышении стабильности и безопасности сети. Некоторые усовершенствованные конструкции SMR могут производить технологическое тепло с более высокой температурой либо для производства электроэнергии, либо для промышленных применений.
ГАРАНТИИ И БЕЗОПАСНОСТЬ / НЕРАСПРОСТРАНЕНИЕ
Конструкции SMR имеют явное преимущество, заключающееся в учете текущих мер безопасности и требований безопасности. Системы защиты объектов, в том числе барьеры, способные противостоять проектным сценариям авиакатастроф и другим конкретным угрозам, являются частью инженерного процесса, применяемого к новой конструкции ММР. ММР также обеспечивают безопасность и потенциальные преимущества нераспространения для Соединенных Штатов и более широкого международного сообщества.
Большинство ММР будут построены ниже класса для повышения безопасности и защиты, устраняя уязвимости как для сценариев саботажа, так и для сценариев стихийных бедствий. Некоторые ММР будут рассчитаны на длительную работу без дозаправки. Эти ММР могут быть изготовлены и заправлены топливом на заводе, герметизированы и транспортированы на места для выработки электроэнергии или технологического тепла, а затем возвращены на завод для выгрузки топлива в конце жизненного цикла. Такой подход мог бы помочь свести к минимуму транспортировку и обращение с ядерным материалом. Ожидается, что легкие ММР на водной основе будут работать на низкообогащенном уране, то есть примерно на 5% U-235, аналогично существующим крупным атомным электростанциям. Ожидается, что концепции «безопасности по замыслу», применяемые к этим технологиям, повысят устойчивость ММР к краже и переключению ядерных материалов. Кроме того, активные зоны реакторов для этих легководных ММР могут быть спроектированы для сжигания плутония в качестве топлива из смешанного оксида (МОКС).
Кроме того, ММР на основе теплоносителей не легководных реакторов могут быть более эффективными при утилизации плутония при минимизации количества отходов, требующих захоронения.
ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, ПРОИЗВОДСТВО И РАБОЧИЙ РОСТ США
Обоснование экономической конкурентоспособности ММР основано на концепции, что массовое производство модульных частей и компонентов снизит стоимость киловатта электроэнергии наравне с источниками тока. Существует как внутренний, так и международный рынок ММР, и промышленность США имеет хорошие возможности для конкуренции за эти рынки. Министерство энергетики надеется, что разработка стандартизированных конструкций ММР также приведет к увеличению присутствия американских компаний на мировом энергетическом рынке. Если бы было заказано достаточное количество блоков SMR, это послужило бы необходимым стимулом для развития соответствующих заводских мощностей для дальнейшего увеличения продаж электростанций SMR на внутреннем и международном рынках.
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ
Внедрение SMR для замены выбывающих активов по производству электроэнергии и удовлетворения растущих потребностей в выработке электроэнергии приведет к значительному росту отечественного производства, налоговой базы и высокооплачиваемых рабочих мест на заводах, в строительстве и эксплуатации. Исследование, проведенное в 2010 г. [1] по влиянию развертывания ММР на экономику и занятость, показало, что прототип ММР мощностью 100 МВт, стоимость производства и установки которого составляет 500 миллионов долларов США, создаст около 7000 рабочих мест и принесет 1,3 миллиарда долларов продаж, 404 миллиона долларов дохода (зарплата) и 35 долларов США. млн косвенных налогов на бизнес. В отчете рассматриваются эти последствия для нескольких скоростей развертывания МСМ, т. е. низкой (1–2 единицы в год), умеренной (30 единиц в год), высокой (40 единиц в год) и разрушительной (85 единиц в год). Исследование показывает, что создание производственного предприятия SMR будет иметь значительный экономический эффект даже при умеренном уровне развертывания.