Малки модулни реактори

Част 1: Технологии и проекти

Малките модулни реактори са един от най-динамичните сектори на ядрената енергия в момента. Десетките различни разработки, които биват развивани, имат за цел да направят ядрената енергия по-достъпна - както във финансово, така и в практическо отношение – за клиенти с по-малки енергийни нужди. Друг отчетлив стремеж на тези проекти е повишаването на безопасността на реакторите, която често е сред основните теми при обсъждането на изграждането на ядрени електроцентрали. Някои от малките модулни реактори са проектирани така, че не само да не застрашават околната среда и населението с възможността за изтичане на радиация, но и да служат за преработване и безопасно унищожаване на отработено в конвенционални реактори гориво. Работи се също над увеличаване на ефективността на електропроизводството и комбинирането му с други функции като предоставянето на топлина за индустриални процеси, обезсоляване на вода, производство на различни химични вещества.

Текст: списание Енергия

Снимка: Rolls-Royce

Малките модулни реактори (ММР) са реактори за ядрено делене, проектирани да бъдат произвеждани с по-малък размер, но в големи количества, за разлика от практиката в повечето сегашните ядрени централи по света. Малките реактори съществуват още от началото на ядрените технологии - такива са изследователските реактори в университети, демонстрационните реактори (изградени преди мащабирането на проекта за електроснабдяване с търговска цел) и морски реактори (използвани в кораби от флотилиите на няколко държави от десетилетия). Реакторите, които се използват във военни кораби и подводници, са по същество ММР, но изискванията при тях са различни от тези за енергиен реактор с търговска цел. Традиционно ядрената енергия се използва предимно за осигуряване на базова мощност на големи енергийни мрежи. Проектите за ММР трябва да могат да предоставят ядрена енергия на по-малки енергийни мрежи, места извън мрежата, да позволяват по-нататъшно разрастване на мрежата и увеличаване на товара. Към момента към тези проекти проявяват интерес малки държави, които нямат нужда от количеството електроенергия, генерирано от стандартен по големина реактор, но също така и техните електропреносни системи не биха могли да издържат такъв товар. Голям интерес има и от държави, където има множество малки общности, отдалечени от главната инфраструктура на страната.

Предимства на технологията

Международната агенция за атомна енергия (МААЕ), организацията на ООН за ядрено сътрудничество, смята един ядрен реактор за малък, ако той генерира под 300MW. Такива реактори се считат за модулни, тъй като са проектирани да работят както независимо, така и като модули в по-голям комплекс. Електроцентралата може да се разширява постепенно чрез добавяне на модули, които са проектирани така, че да са достатъчно малки, за да се произвеждат във фабрика и да се транспортират лесно. ММР са проектирани да изискват по-ниски първоначални капиталови разходи, тъй като проектът може да започне с един малък реактор, към който в последствие постепенно да се добавят още модули. Планира се да се осъществят икономии благодарение на серийното производство във фабрика. Друга характеристика, която се предвижда да намали разходите, е по-лесното охлаждане поради по-голямото съотношение между площ на повърхността и обем на реактора. Това означава, че системите за безопасност могат да не бъдат толкова сложни, колкото при стандартните големи реактори, да изискват по-малко ресурси и персонал. В случай на неизправност повечето ММР могат да разчитат на пасивни вградени функции за безопасност, а не на специални системи, които трябва да бъдат активирани от оператор.

За много от тестваните технологии предизвикателствата не са свързани толкова с проектирането на реактора, колкото с икономическите, социалните, регулаторните въпроси и проблемите с управлението на радиоактивните отпадъци. Но за някои от по-иновативните технологии остава да бъдат решени много технически въпроси, които може да изискват допълнителни години инвестиции в компютърно моделиране, прототипи или демонстрационни реактори. Един от начините ММР да станат печеливши може да бъде използването им не само за генериране на електричество за мрежата, но и за произвеждането на водород за гориво или обезсоляване на вода - тези дейности, използващи излишната генерирана енергия, могат да компенсират сравнително високите към момента разходи за производство на електричество.

Малките реактори могат да предложат още няколко необичайни предимства. Малкият им размер означава, че те биха могли да бъдат разположени под земята, където биха били защитени от аварии, причинени от външни въздействия, като самолетна катастрофа или цунами, както и да бъдат изолирани в случай на авария вътре в тях, така че да не изтече радиация в околната среда. Има и предложения да се създадат реактори „батерии“, които съдържат достатъчно ядрено гориво за безпроблемното им функциониране в продължение на 10-20 години без да е необходимо допълнително зареждане. Целта, залегнала в концепциите за някои други ММР, е да унищожават изотопи от отработено ядрено гориво, което иначе би трябвало да бъде съхранявано при специални условия за изключително дълги периоди от време. Запечатан ядрен „акумулаторен“ реактор, който не изисква зареждане на място през целия период на своето функциониране, което може да трае дори 30 години, предлага възможности за разработване на ядрена енергетика без свързаната с нея инфраструктура за управление на ядрено гориво. На площадка, където трябва да се изведе от експлоатация голяма ядрена централа, замяната на тази централа с няколко ММР е решение, което е алтернатива на възможности като изграждане на нова голяма ядрена централа, използване на площадката за друга цел или изоставяне на терена. Удължаването на използването на площадката за ядрена енергия, независимо дали чрез големи или малки реактори, отлага необходимостта от скъпоструващо извеждане от експлоатация. 

Разработчиците на ММР се надяват да заменят електроцентралите, работещи с въглища, а може би дори модулните електроцентрали да се изграждат на затворени площадки в по-населени райони. Според тях, тъй като ММР съдържат по-малки количества радиоактивни материали и могат да бъдат разположени под земята, рисковете са по-ниски и изискват по-малко служители по сигурността, но тези коментари все още предизвикват остри критики от страна на много ядрени експерти.

Развитието на ММР в западните страни се осъществява с много частни инвестиции, включително от малки компании. Участието на тези нови инвеститори показва дълбока промяна в този сектор от енергетиката - от ръководена и финансирана от правителството ядрена научноизследователска и развойна дейност към такава, ръководена от частния сектор, от предприемачи, които често са водени от идеи със социална и екологична насоченост.

Развитие на технологиите

В този момент в целия свят съществуват десетки проекти за разработване на ММР, които се намират в различен стадий на разработване или реализиране. Това е признак за бурното развитие и големия интерес, но също така и за широкия спектър от възможни технологии с различни специфики и предимства. Повечето от тези проекти предлагат иновативни функции, включително различни пасивни системи за безопасност (ако системата не се управлява активно, тя се изключва безопасно), присъща безопасност (прави вредните емисии физически невъзможни), дизайн с цел лесно производство и възможност за много години работа с един товар гориво. От голямо значение е потенциалът на някои проекти да намалят количествата радиоактивни отпадъци от съществуващите реактори, като затворят горивния цикъл, така че отработеното гориво да се преработва и частично използва повторно. МААЕ координира усилията на своите държави-членки за разработване на различни ММР чрез идентифицирането и насърчаването на разработването на ключови базови технологии с цел постигане на конкурентоспособност и надеждна работа на такива реактори.

Тези усъвършенствани реактори, предвидени да варират по размер от няколко мегавата до стотици мегавата, могат да се използват за производство на електроенергия, топлина за индустриални процеси, обезсоляване или други промишлени цели. Развитието на технологиите при ММР засяга основно първичния охлаждащ агент, използван за отстраняване на топлина от ядрото на реактора. Изборът на охлаждащ агент обикновено влияе върху цялостната конструкция и е от съществено значение за избора на други материали в реакторната система, като горивото, използваните за облицовка на горивото и за изграждане на реакторния съд материали. ММР могат да използват като охлаждащ агент лека вода или газ, течен метал или разтопени соли.

Наземните водно охлаждани ММР са сред водещите проекти в този сектор, възприемащи технологии за интегрални реактори с лека вода. Това представлява най-зрялата технология, тъй като е същата като тази в повечето големи електроцентрали, работещи днес. Високотемпературните ММР с газово охлаждане (High Temperature Gas Cooled Reactors - HTGRs), които са в процес на разработване или в процес на изграждане, осигуряват високотемпературна топлинна енергия (≥750°C), която може да бъде използвана за по-ефективно производство на електроенергия, за различни индустриални приложения, както и за когенерация. ММР с бърз неутронен спектър разполагат с голямо разнообразие от охлаждащи агенти, като четирите основни възможности са натрий, тежък течен метал (олово или оловен бисмут), газово охлаждане и охлаждане с разтопени соли.

CAREM, CNEA

CAREM е проект за развитие на ММР, базиран на технология за охлаждане с лека вода, координиран от Националната комисия за атомна енергия на Аржентина (Comisión Nacional de Energía Atómica - CNEA) в сътрудничество с водещи ядрени компании в страната и има за цел разработване, проектиране и изграждане на иновативни малки ядрени централи с висока икономическа конкурентоспособност и ниво на безопасност. CAREM е проектиран като енергиен източник за електроснабдяване на региони с малки нужди, като може също да подпомогне процесите на обезсоляване на морска вода, с което да участва едновременно в доставянето на вода и на енергия за крайбрежни обекти. След получаване на разрешението за строеж започва изграждането на прототипа, което продължава. CAREM е интегрален реактор с вода под налягане, базиран на индиректен парен цикъл. Неговата първична верига се намира изцяло в реакторния съд и не се нуждае от първични помпи за рециркулация. Самостоятелното създаване на налягане се постига чрез балансиране на производството на пара и кондензация в съда, без отделен съд под налягане. Дизайнът на CAREM намалява броя на прецизните компоненти и потенциално рискови взаимодействия с околната среда.

Снимка: CNEA

SMART, KAERI

Системният интегриран модулен усъвършенстван реактор (System-integrated modular advanced reactor - SMART) е интегрален реактор с вода под налягане с номинална електрическа мощност 100MW, получавани от 330MW термална мощност. За да се повиши безопасността и надеждността, конфигурацията включва характеристики за осигуряване на присъща безопасност и пасивни системи за безопасност. Целта на дизайна е да се постигнат икономии чрез опростяване на системата, модулация на компонентите, намаляване на времето за изграждане.

SMART е реактор, подходящ за малки или изолирани мрежи, с възможност за множество приложения - производство на електроенергия, обезсоляване на морска вода, централно отопление, топлина за индустриални процеси. SMART може да отговори на нуждите от електричество и прясна вода за население в град от 100000 души. Дизайнът на SMART се характеризира с интегрирана първична система, модулация и усъвършенствани пасивни системи за безопасност, заедно с функции за намаляване на тежки аварии. Функциите за пасивна безопасност разчитат на гравитацията и естествената циркулация и не изискват никакви активни контроли, нито намесата на оператора, за да се справят с неизправности и събития, отнасящи се до безопасността.

UK SMR, Rolls-Royce

Целта на UK SMR е да осигури възможност за пазарно ориентирано, достъпно, нисковъглеродно производство на енергия. Разработеният дизайн се базира на оптимизирано и подобрено използване на вече доказали се технологии. Реакторът с вода под налягане с три близко разположени контура осигурява 443MW електрическа мощност от 1276MW термална мощност, използвайки стандартно гориво UO2. Охлаждащият агент циркулира благодарение на три центробежни реакторни помпи до три съответни вертикални п-образни тръбни парогенератори. Дизайнът включва множество активни и пасивни системи за безопасност, всяка със значителни и надеждни вътрешни механизми за двойно подсигуряване. Бързото, сигурно и повторяемо изграждане на реактори и цялостното изграждане на електроцентрали се подобряват благодарение на оформлението на обекта и максималното му модулиране и стандартизация. Ключовите съоръжения са защитени от предпазна бариера. Сградите, в които се извършват спомагателни дейности, са разположени около обекта и осигуряват допълнителна защита от външни опасности, например цунами или самолетни удари.

UK SMR е предназначен предимно за производство на електроенергия, но дизайнът може да бъде конфигуриран за осъществяване на други приложения, свързани с топлинна енергия или когенерация. UK SMR е проектиран да оптимизира разходите за електроенергия при ниски капиталови разходи. За да се сведе до минимум периода на изграждане на проекта, UK SMR е напълно модулиран, за да може съоръжението да бъде транспортирано от фабриката до ядрената площадка чрез тежкотоварни превозни средства, товарни влакове или кораби. Целта е изграждането да бъде постижимо в рамките на 500 дни, което да позволява производството на електроенергия да започне възможно най-рано. Управлението на риска от радиоактивно замърсяване се осъществява чрез комбинация от активни и пасивни мерки за безопасност, превъзхождащи в значителна степен международно признатите цели за безопасност.

NuScale, NuScale Power Inc.

NuScale Power Module (NPM) е малък реактор с охлаждане чрез вода под налягане. Инсталацията е мащабируема и може да бъде построена така, че да побира различен брой модули, за да отговори на специфичните енергийни нужди на клиента, които е възможно да се променят с времето. Модулите са с електрическа мощност от 60MW и дават възможност за разрастване на централата, адаптивно към променящите се потребителски нужди и устойчиви на променящите се метеорологични условия. Електроцентрала на NuScale може да включва до 12 модула, разполагащи с обща мощност от 720MW. Всеки NPM представлява самостоятелен модул, който работи независимо от останалите модули в мултимодулна конфигурация, но всички те се управляват от една контролна зала.

Основният замисъл при проектирането на инсталацията на NuScale се състои в опростяване на дизайна, използване на доказана технология за реактор с лека вода, модулна ядрена система за подаване на пара, фабрично произведени захранващи модули и пасивни системи за безопасност, които позволяват неограничено време за възстановяване след авария. NPM е проектиран да работи ефективно при условия на пълна мощност, използвайки естествена циркулация като средство за осигуряване на потока на основния охлаждащ агент, елиминирайки нуждата от реакторни помпи. Проектът за ММР на NuScale е подходящ за различни приложения, включително енергия за базово електроснабдяване, микромрежи, топлина за индустриални процеси, централно отопление, обезсоляване и други промишлени цели. Очаква се първата електроцентрала на NuScale да бъде изградена в щата Айдахо. Предвижда се още поредица от следващи проекти в щатите Вашингтон, Юта, Уайоминг, Ню Мексико и Аризона.

SMR-160, Holtec International

SMR-160 е разработен от Holtec International като усъвършенстван ММР с вода под налягане, произвеждащ топлинна мощност от 525MW или електрическа мощност от 160MW. Дизайнът на SMR-160 е разработен така, че да не са необходими никакви действия на оператора, за да се обезопаси инсталацията при възникването на аварии. Устройството на реактора е значително опростено в сравнение с конвенционалните инсталации, за да се подобри неговата производителност и поддръжка, които са улеснени отчасти чрез включване на изцяло пасивни системи за вътрешно захранване на SMR-160 и първи контур с естествена циркулация. По-нататъшно опростяване се постига чрез използване на по-малко клапани, помпи, топлообменници, уреди и контролни контури в сравнение с конвенционалните инсталации, което намалява капиталовите разходи на централата.

Основното приложение на SMR-160 е производството на електроенергия с възможност за когенерационно приложение, включващо производство на водород, централно отопление и обезсоляване на морска вода. SMR-160 е способен както на „черен старт“, така и на изолирана работа, което прави централата идеална за дестинации с нестабилни мрежи за електрозахранване или такива, които са напълно откъснати от електропреносната мрежа.

Westinghouse SMR, Westinghouse Electric Company LLC

Малкият модулен реактор на Westinghouse е интегрален реактор с вода под налягане, който се основава на концепциите за простота и усъвършенствана пасивна безопасност, демонстрирани в инсталацията на AP1000. Електроцентралата осигурява топлинна мощност от 800MW и нетна електрическа мощност над 225MW като самостоятелна единица в рамките на електроцентрала. Цялата електроцентрала е проектирана като модулна конструкция и всички компоненти могат да се транспортират с тежкотоварно превозно средство, товарен влак или кораб. Сведеният до минимум размер на компонентите на Westinghouse SMR позволява неограничени възможности за транспортирането им, което намалява също необходимостта от скъпа инфраструктура до площадката на обекта и на самата площадка. Премахването на тази необходимост увеличава броя на възможните за осъществяване обекти.

Целевото приложение е чистото и безопасно производство на електроенергия, но Westinghouse SMR също може да се използва за осигуряване на топлинна енергия за индустриални цели, централно отопление и приложения извън мрежата, включително за генериране на енергия, необходима за производство на течно транспортно гориво от нефтени пясъци, шисти или за втечняване на въглища. Дизайнът на Westinghouse SMR използва пасивни системи за безопасност и компоненти с доказано качество и ефективност, реализирани в дизайна на реактора на централата AP1000 и по-ранните проекти на компанията. Главната контролна зала на Westinghouse SMR се намира изцяло под нивото на ядрения остров, а в отделните сектори са разположени множество станции за следене на сигурността.

GTHTR300, Japan Atomic Energy Agency

Високотемпературният реактор с газова турбина и мощност 300MW (Gas turbine High Temperature Reactor - GTHTR300) е ММР с възможност за множество приложения и способен на безопасно и същевременно гъвкаво функциониране. GTHTR300 е разработван от Японската агенция за атомна енергия (JAEA), като се предвижда пускане в експлоатация с търговска цел през 2030г. Този реактор има съществени предимства пред настоящите реактори с лека вода. Температурата на охлаждащата течност на реактора е значително по-висока, в диапазона 850-950^oC, което дава възможност за по-широк спектър от приложения. Дизайнът използва газова турбина с хелий за директен цикъл за опростяване на инсталацията чрез премахване на водни и парни системи, като същевременно осигурява 45-50% ефективност при генериране на енергия. Дизайнът предвижда керамично гориво, ниска плътност на мощността, но висока топлопроводимост, графитно ядро и инертен хелиев охлаждащ агент за осигуряване на присъщата безопасност на реактора. Това позволява централата да се намира в близост до потребителите, по-специално до индустриалните такива, така че да се намалят разходите и загубата на топлинна енергия, които се наблюдават при пренасянето є на големи разстояния.

Типичните приложения на този ММР включват производство на електроенергия, производство на термохимичен водород, когенерация за обезсоляване само с излишна топлина и производство на стомана. Номиналната топлинна мощност на реактора може да достигне 600MW, максималната продуктова мощност на реактор е 120t водород на ден, достатъчен за захранване на около един милион автомобили, производство на електроенергия до 280-300MW с допълнително обезсоляване на 55000m³ морска вода на ден - питейна вода за около четвърт милион население, и годишно производство на 0,65 милиона тона стомана. Тъй като технологиите се споделят от няколко системи, ползата от инвестирането във всяка една разработка се увеличава.

Още по темата четете във втората част на статията.