Современные проблемы и перспективы строительства модульных реакторов малой мощности
Интерес к небольшим модульным реакторам (SMR) в мире, в первую очередь в США, а теперь и в Великобритании, вызван очень высокой стоимостью и длительными сроками реализации таких проектов, как реакторы EPR для атомных станций, например для АЭС "Хинкли-Поинт". Масштабность подобных проектов представляет сложность даже для крупнейших электроэнергетических компаний, и они слишком долго реализуются, чтобы компании были в состоянии реагировать на изменение спроса на рынке. Благодаря меньшей (электрической) мощности реакторов SMR, не превышающей 300 МВт, они требуют меньших инвестиций, и атомные станции с SMR должны строятся гораздо быстрее. По нормам МАГАТЭ, к реакторам малой мощности относятся ядерные установки мощностью до 300 МВт (эл.).
Реакторы SMR можно строить в регионах, где спрос на электроэнергию невысок и соответствует мощности подобных установок. Кроме того, при больших потребностях в электроэнергии серию модульных блоков SMR можно построить быстрее, чем один большой реактор.
В 2014 г., проект реактора SMR в Великобритании был рассмотрен и тщательно исследован как парламентской, так и промышленной комиссиями. Обе комиссии пришли к выводу, что проект SMR, основанный на хорошо зарекомендовавшей себя технологии легководных реакторов, можно рассматривать как следующий этап ядерных инвестиций в стране, после того как в течение следующих 20 лет будет построено 12 крупных реакторов.
Проекты SMR в США
Несколько лет назад компания Babcock & Wilcox получила грант от МЭ США на разработку модульных реакторов малой мощности (SMR). Она стала победителем тендера на этот гранд среди других трех компаний: Westinghouse, NuScale Power и Holtec. Компания Babcock & Wilcox представила на тендер проект водо-водяного модульного реактора мощностью 180 МВт(эл.). Тремя другими претендентами были реактор SMR электрической мощностью 225 МВт (Westinghouse), 12 реакторов малой мощности в составе АЭС общей электрической мощностью 540 МВт (NuScale Power) и модульный реактор малой мощности подземного размещения HI-SMUR мощностью 140 МВт(эл.) компании Holtec. Таким образом B&W получила финансирование на ускоренную программу разработки своего инновационного легководного реактора mPower подземного размещения с пассивной безопасностью. В течение пяти лет МЭ США вложит в проект до половины его стоимости. Предполагается, что первая мини-АЭС, состоящая из четырех реакторов mPower, будет введена в эксплуатацию на площадке существующей АЭС "Клинч-Ривер" до 2022 г. В настоящее время ректор mPower находится в начальной стадии испытаний уменьшенного прототипа, построенного в шт. Вирджиния. Своим выбором МЭ США продемонстрировало, что признает разработку компании B&W в качестве ведущей разработки реакторов SMR и, как ожидается, финансирование со стороны государства ускорит выход этой технологии как на внутренний, так и на международный рынок, создав, таким образом, высокотехнологичные рабочие места в стране и обеспечив хороший экспорт для США.
Драйверы экономики
Экономика ядерной энергетики зависит от трех основных типов стоимости в следующем соотношении:
• Инвестиции в проект – 66%
• Эксплуатация и техническое обслуживание – 16%
• Топливо и отходы – 17%.
Удельные издержки на топливо и удаление отходов для реакторов SMR сопоставимы с аналогичными издержками для больших реакторов, но существуют и конкретные проблемы расходов на персонал при эксплуатации и техническом обслуживании. Основным фактором для SMR, как и для больших реакторов, является высокая стоимость и продолжительность строительства. В отношении SMR многие высказывают сомнения, в первую очередь, относительно стоимости строительства. Проекты реакторов SMR не смогут быть экономически выгодными, если расходы на их строительство и эксплуатацию не будут снижены в соответствии с мощностью.
Два основных фактора влияют на издержки: масштабирование мощности и прогрессивное обучение.
Масштабирование мощности хорошо известно в энергетическом секторе: при увеличении размеров установок аналогичного проекта их стоимость растет медленнее, а удельные затраты падают:
Стоимость/мощность а (мощность)а
где а – индекс масштабирования, принятый в диапазоне от -0,6 до -0,3 или от -0,5 до -0,3.
Этот эффект может более чем в два раза повысить удельные капитальные затраты АЭС с реактором SMR электрической мощностью 200 МВт по сравнению с реактором электрической мощностью 1000 МВт. Тем не менее, стоит усомниться в правильности значений вышеуказанного индекса, которые применялись в данных оценках. Многие исследования стоимости относятся только к США и, в частности, к программам 1970-х гг. Некоторые данные были взяты из неядерных источников или с использованием других методов оценки. Более существенным фактором является то, что индекс масштабирования рассчитывается путем разделения двух независимых переменных: мощности реактора и продолжительности строительства.
Это значительное влияние масштабирования мощности отсутствует в более поздних и подробных анализах стоимости американских реакторов. Очевидно, что строительство крупных реакторов занимает больше времени из-за их сложности. Поэтому мощность реактора и продолжительность его строительства не являются независимыми. При сочетании этих двух переменных, влияние мощности на стоимость значительно меньше, чем считалось ранее. Эффект масштабирования мощности может быть даже незначительным, поскольку вся предсказанная экономия от увеличения мощности компенсируется либо увеличением срока строительства, либо дополнительными мероприятиями по повышению безопасности, необходимыми для этих крупных установок.
Похожие тенденции, касающиеся низкой или незначительной "стоимости" масштабирования, наблюдаются и в других исследованиях, проведенных во Франции, Японии, Великобритании, Канаде и Южной Корее и охватывающих почти 200 из более чем 400 построенных энергетических реакторов. Влияние масштабирования в атомной энергетике либо незначительное, либо полностью отсутствует.
Возможности для совершенствования обучения и увеличения производительности появляются при увеличении числа реакторов SMR, необходимых для обеспечения фиксированного объема энергии. Серийное производство типовых установок ведет к снижению расходов. Кроме того, есть потенциал для освоения производства при заводском изготовлении установок, которое становится возможным благодаря меньшим размерам реактора.
Освоение производства ведет к постепенному увеличению производительности и соответствующему сокращению издержек.
Двузначные значения коэффициента скорости обучения наблюдаются во многих отраслях промышленности, сопоставимых с атомной энергетикой. Некоторые сводные исследования, охватывающие многие другие исследования и отрасли, подтверждают эту точку зрения. Коэффициенты скорости обучения в атомной энергетике намного ниже и составляют 3-5%. Почему?
Многие эксперты, комментируя низкую производительность в ядерном строительстве, говорят, что это вызвано постоянной эволюцией в конструкциях реакторов и многими другими изменениями. Кроме того, длительные периоды проектирования, их географическая разбросанность, а также желание задействовать местную рабочую силу означают, что забываются уроки, извлеченные при работе над предыдущим проектом. Увеличение мощности ядерных реакторов не способствует закреплению полученных знаний и навыков при строительстве каждого нового реактора.
Большие размеры и сложная структура строительных площадок тормозят связи, усложняют координацию и увеличивают сроки обучения. Наконец, высокие стандарты качества ядерной безопасности предъявляют высокие требования к строительным навыкам и опыту персонала, бoльшая часть которого никогда ранее не участвовала в возведении атомных станций. Поэтому можно сказать, что ядерное строительство не обеспечивает условий для дальнейшего использования знаний. Заводское производство реакторов и его монтаж на площадке могут помочь решить проблему сохранения знаний.
Проект SMR
Наиболее значимые разработки реактора SMR электрической мощностью от 50 МВт до 225 МВт в последнее время осуществлялись в США компанией Westinghouse (Рис. 1) МЭ США также финансировало проекты SMR, осуществляемые компаниями NuScale и mPower. Все они относятся к реакторам PWR интегральной конструкции, в которых активная зона, парогенераторы, насосы и компенсатор давления расположены в одном корпусе. В большинстве проектов для работы на мощности или удаления остаточного тепла используется принцип охлаждения естественной циркуляцией. Интегральная конструкция и пассивное охлаждение значительно снижают издержки. На заводе, где строится реактор, производятся и другие его компоненты, и собранная конструкция транспортируется на площадку на барже или железнодорожным транспортом.
Рис. 1. Реактор SMR компании Westinghous
Аналогичные принципы заложены в конструкциях SMR, разрабатываемых в России (VVER-300), Китае (ACP-100) и Южной Корее (SMART). Последний показан на Рис. 2.
Рис.2. Южнокорейский реактор SMART
Пока реакторы SMR не будут строиться в достаточном количестве, останется не ясным, будет ли решена проблема их стоимости. В исследовании, проведенном 23 специалистами американского Университета Карнеги-Меллона, сравниваются стоимость реакторов SMR компаний Westinghouse и NuScale и современный мощный реактор. По усредненной оценке, было предложено в значительной степени компенсировать воздействие стоимости масштабирования с индексом масштабирования от -0,2 (50 МВт (эл.) до -0,1 (200 МВт (эл.). Ожидается, что коэффициент скорости обучения будет в пределах 7-9%, при этом эксперты согласились, что время строительства реактора SMR составит 36 месяцев, а не 60 месяцев.
Условия успеха
Показывают ли эти исследования, что можно сделать и какие условия следует создать для того, чтобы реакторы SMR смогли составить конкуренцию современным большим атомным установкам? Простое моделирование тенденций изменения стоимости SMR по сравнению с большими реакторами дает некоторые полезные рекомендации. Для обеспечения компенсации мощности при любом эффекте масштабирования мощности необходимо большее количество SMR.
При значениях индекса масштабирования мощности для реакторов SMR в диапазоне от -0,35 до -0,2 невозможно сделать издержки ниже, чем у больших реакторов, без увеличения коэффициента скорости обучения. Если скорость обучения составляет по крайней мере 7,5%, а индекс степени масштабирования будет относительно низким (-0,2), проект SMR может обеспечить снижение инвестиционных затрат по сравнению с большими реакторами. Электрическая мощность и количество реакторов для достижения таких результатов невелика: 2800 МВт (эл.), или четырнадцать реакторов SMR по 200 МВт (эл.) каждый, при низком индексе масштабировании (-0,2) со средним значением коэффициента скорости обучения равным 7,5%. При строительстве каждого следующего реактора капитальные затраты на единицу продукции будут сокращаться по сравнению с большими реакторами, и это снижение продолжится по мере строительства все большего количества реакторов SMR.
Обучение в процессе проектирования
Опыт показал, что проектирование реакторов SMR должно быть сфокусировано на реакторных системах. Это понятно по двум причинам: естественный интерес ядерных инженеров и необходимость достижения приемлемой безопасности данного проекта. Тем не менее, стоимость реакторной системы составляет менее трети стоимости строительства типовой атомной станции. Для достижения целевых параметров скорости обучения применительно ко всей стоимости проекта необходимо рассмотреть все компоненты АЭС. Реакторы SMR пока только проектируются, и ни один еще не был построен. Проекты защитной оболочки реактора и зданий АЭС будут подвергаться изменениям. В существующих компоновках, таких как китайский ACP-100 и других, спроектированных в США, комплексные инженерно проработанные реакторные системы находятся в центре наряду с традиционным корпусом защитной оболочки реактора. Этот реактор, скорее всего, будет возводиться на площадке. Если это так, то большие расходы на строительство и связанные с этим расходы на механические, электрические системы и системы управления сделает невозможным достижение экономических целей в отношении масштабирования и скорости обучения.
В американских проектах SMR рассматриваются вопросы транспортировки крупногабаритных компонентов реактора с завода на площадку. Но, по всей видимости, в них не в полной мере учитываются другие производства за пределами площадки и транспортировка остальных компонентов станции. Кроме того, транспортная система США с ее многочисленными широкими реками и разнообразной шириной железнодорожной колеи неприменима в других странах. Если думать о выходе реакторов SMR на мировые рынки, необходимо рассмотреть и другие транспортные возможности.
Средства и методы производственного обучения хорошо известны. Производственный опыт появляется, когда одно и то же изделие производится многократно на одном и том же заводе, а для повышения производительности имеются сильные экономические стимулы. Методы снижения затрат также хорошо известны. Они включают в себя: знание производственных процессов при проектировании, использование современных инструментов, автоматизация и использование матриц, организация производственного потока, интеграция цепочки поставок материалов и компонентов. Но проблемы остаются. Как изменить раздробленность проектирования и фрагментарность строительства в атомной отрасли, когда некоторые части энергосистем проектируются по точным стандартам (активная зона и корпуса реактора), а за другие части (защитная оболочка и связанные с ней системы) отвечают строительные команды на площадке? Как можно заказать и построить достаточное количество реакторов SMR, если проекты остаются уникальными для каждой страны? Как проект SMR можно стандартизировать для разных стран, применяющих различные нормы и правила безопасности?
Выводы
В принципе, проекты SMR могут быть реализованы на практике и смогут конкурировать с большими реакторами по капитальным затратам, но для этого они должны отвечать следующим двум условиям. Основа их концепции должна быть простой, что позволит избежать значительных сложностей конструкций современных реакторов, и приведет к снижению эффекта масштабирования мощности. Реактор SMR должен с самого начала строиться по принципу заводского изготовления, а концепция "дизайн для производства" должна применяться для всей АЭС, а не только для реакторных и турбинных систем. Выполнение этих условий позволит решать вопросы производства, которые затем станут ключом к созданию конкурентоспособных реакторов SMR. Можно ли реакторы SMR производить в больших количествах и строить во многих странах, смогут ли они удовлетворять разнообразные системы регулирования?
В других отраслях, в частности, в гражданском авиастроении, за несколько десятилетий, начиная с 1960-х гг., был сделан значительный рывок от дорогостоящих единичных конструкций до стандартных экономически эффективных самолетов для массовых воздушных перевозок. Если будут найдены положительные ответы на эти далеко не научные и инженерные проблемы, у проектов SMR будут хорошие перспективы, и появится возможность реализовать хотя бы один способ справиться с постоянно высокими расходами на производство атомной энергии.
Для достижения высоких показателей для разрабатываемых реакторов малой мощности предполагается двигаться по следующим технологическим направлениям: топливо, материалы, системы контроля и управления, система гарантий и физической защиты, проектирование и изготовление. Ниже описаны основные задачи, которые должны быть решены в этих разработках.
Топливо. Переход от кампании 18-24 мес. к 10-30-летним циклам обеспечивает повышение экономических показателей, Снижение риска распространения благодаря более ограниченному доступу к топливу, упрощение эксплуатации и снижение потребностей в инфраструктуре. Для снижения риска распространения ставится задача придания топливу свойств, делающих его непривлекательным для изготовления оружия, а также задача защиты, контроля и учета материалов. Для упрощения управления отходами технология изготовления топлива должна быть совместимой с технологией его переработки. Продление кампании топлива делает необходимым достижение Высокой глубины выгорания топлива, что связано с проблемами целостности топлива и оболочки. Разработки альтернативного топлива включают нитридное и металлическое топливо при использовании актинидов. Моделирование характеристик топлива и его поведения под облучением имеет большую ценность, но связано с определенными трудностями.
Материалы. Продление кампании топлива требует создания радиационно-стойких материалов для оболочек твэлов, дистанционирующих решеток и каналов. Должна быть решена проблема химического режима теплоносителя и его совместимости с конструкционными материалами. Обеспечение транспортабельности установок требует применения материалов с небольшим удельным весом. Экономическую конкурентоспособность можно повысить, применяя высокотемпературные теплоносители и материалы. Большую выгоду Может обеспечить разработка новых материалов, таких как нанокомпозитные стали, обладающие запасом прочности на несколько порядков выше, чем существующие стали. исследуется возможность повышения рабочей температуры сплавов на основе железа на ~200оС.
Системы контроля и управления. Разрабатывается усовершенствованная иерархическая, пятиуровневая архитектура систем управления. Продление кампании топлива требует применения бездрейфовых радиационно-стойких датчиков с выполнением большего объема мониторинга и контроля по месту, в том числе мониторинга условий и дозиметрического контроля. Повышение работоспособности и надежности достигается при применении автоматизированных систем управления. Большое внимание уделяется прогнозированию и диагностике отказов. Для реакторов с интегральной компоновкой разрабатываются новые датчики уровня, а также беспроводные датчики вибрации.
Система гарантий и физической защиты. Задачи обеспечения гарантий, физической защиты и снижения риска распространения могут иметь противоречивый характер, так как эффективное обеспечение гарантий требует прозрачности, эффективная защита требует наличия множества барьеров, а эффективное снижение риска распространения требует ограничения доступа. Новые технологии предлагают возможность обеспечения физической защиты в процессе проектирования при повышении устойчивости к распространению.
Проблемы проектирования и изготовления. Современные технологии проектирования и изготовления (автоматизация, высокоточные расчетные средства, измерение и контроль в процессе изготовления, метрологическое обеспечение) сокращают затраты и сроки создания ядерных установок. Транспортировка и монтаж ядерных установок на удаленных площадках создают дополнительные проблемы при проектировании и изготовлении.
Источники:
1. Nuclear Engineering International, N 8, August 6, 2015.
2. GNEP and Smаll/Меdium Sized Reactors // Presentation оn IАЕА Тесhn. Meet. оn Review of Enabling Technologies for SMRs. Oct. 16-20, 2006. Vienna. P.18.
3. D. T.Ingersoll. Technology Considerations and Options for GNEP Small/Medium Sized Reactors // Ibid., P. 22.
Подготовил А.И.Саликов