Малки модулни реактори

Част 2: Проекти, приложения, перспективи

В първата част на статията, разгледахме същността и значението на малките модулни реактори (ММР), като обърнахме особено внимание на технологичните предимства, развитието на цялостната концепция за технологията, както и дадохме няколко примера от съвременната практика. Във втората част на статията, като продължение, ще запознаем своите читатели с други видове интернационални проекти на малки модулни реактори, приложенията и перспективите, които носят в глобалната енергийна мрежа, както и ползите и рисковете, които крият за обществото.

Текст: списание Енергия

Снимка: Westinghouse

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.

SC-HTGR, Framatome

Разработваният от Framatome SC-HTGR е модулен, графитно моделиран, високотемпературен реактор с номинална топлинна мощност 625MW и номинална електрическа мощност от 272MW. Той произвежда високотемпературна пара, подходяща за много приложения, включително топлина за индустриални процеси и високоефективно производство на електроенергия. Профилът на безопасност на SC-HTGR позволява той да бъде разположен заедно с промишлени съоръжения, които използват високотемпературна пара. Това може да отвори нови възможности за използване на ядрената енергия. Модулният дизайн позволява размерите на централите да бъдат съобразени с всички възможни приложения. Концепцията на SC-HTGR се основава на предишния опит на Framatome в проектирането на високотемпературни газови реактори, както и върху цялостното развитие по отношение на този тип реактори в последните години.

Концепцията на парния цикъл при високотемпературните газови реактори е изключително гъвкава. Тъй като парата под високо налягане е едно от най-гъвкавите средства за пренос на топлина, една основна конфигурация на реакторния модул, създадена да произвежда високотемпературна пара, е в състояние да обслужва голямо разнообразие от краткосрочни енергийни нужди. Парният цикъл също е подходящ за комбинирано производство на електричество и топлина за индустриални процеси.

LFR-AS-200, Hydromine Nuclear Energy

Концепцията на LFR-AS-200 е за иновативен реактор, охлаждан чрез разтопено олово с вътрешен съд на реактора, с формата на амфора и електрическа мощност 200MW. Внедрените иновации използват в максимална степен свойствата на оловото и увеличават потенциала за бъдеща експлоатация с търговско предназначение, благодарение на опростяването и компактността на централата, като същевременно използват пасивни системи за безопасност. Реакторът представлява значителна стъпка напред по отношение на проектите с олово като охлаждащ агент. Иновациите водят до много компактен реактор, постигнат благодарение на липсата на междинни контури, специфичният обем на първичната система по-малко от 1m³/MW и компактната сграда на реактора, които са и ключови фактори за конкурентните разходи за kWh. Пазарното приложение представлява конкурентно производство на енергия с използване на запас от плутоний и с перспектива за рециклиране на актиниди.

SUPERSTAR, Argonne National Laboratory

Устойчивият и предотвратяващ радиационно излъчване усъвършенстван рафиниран безопасен транспортируем автономен реактор (Sustainable Proliferation-resistance Enhanced Refined Secure Transportable Autonomous Reactor - SUPERSTAR) е реактор с естествена циркулация и олово като охлаждащ агент, разработен в Националната лаборатория на Аргон. Предназначен е за внедряване в разрастващите се електрически мрежи чрез използването на иновации, направени изводи от досегашни разработки и най-добри характеристики от предишните концепции STAR-LM, SSTAR и ELSY LFR. Разработването на SUPERSTAR се стреми да постигне най-голямата топлинна мощност, ограничена от първичен оловен охлаждащ агент с естествена циркулация на топлина при по-голяма от 100% номинална мощност вътре в реакторния съд и предпазен съд с размери, ограничени от изискването за транспортиране с железопътен транспорт. Целта е да се максимизират икономическите показатели, като за измерването им се изчисляват капиталовите разходи за единица електрическа енергия. Реакторът и резервоарът на SUPERSTAR могат да бъдат разположени под земята като защита срещу опасни външни явления, сред които природни бедствия, инциденти или терористични атаки. Може да бъде издигнат и предпазващ пояс като допълнителна защита.

Westinghouse Lead Fast Reactor, Westinghouse Electric Company LLC

Реакторът на Westinghouse с бърз неутронен спектър и олово като охлаждащ агент (Westinghouse LFR) е модулна инсталация със средна мощност, използваща оловно, бързоспектърно ядро, работещо при високи температури. Високотемпературната работа и уникалната конфигурация на компактния реактор и предпазния съд предоставят възможност за автоматично задействано пасивно охлаждане, без да има нужда от допълнителни инструменти и контролни сигнали или движещи се части. Westinghouse LFR е проектиран да бъде многофункционална инсталация, като основният фокус в дизайна е производството на електричество, но с възможност за изпълнение на редица приложения като топлина за индустриални процеси, обезсоляване и за производство на водород. Продукцията му е достатъчно малка, за да се интегрира в мрежи с по-малък капацитет, като същевременно е достатъчно значителна, за да бъде използвана в стандартни приложения за базови натоварвания. Предложеният цикъл на захранване позволява значително разширено разнообразие от възможности за разполагане на инсталации, включително когенерация на топлинна и електрическа енергия. Използването на ядро с бърз спектър също позволява голямо разнообразие от варианти и стратегии за зареждане с гориво.

Integral Molten Salt Reactor, Terrestrial Energy Inc.

Интегралният реактор с разтопени соли (Integral molten salt reactor - IMSR) с мощност 400MW разполага с напълно запечатан реакторен съд с интегрирани помпи, топлообменници и спирателни лостове, всички монтирани в един съд. Запечатаното основно ядро се подменя изцяло в края на полезния му експлоатационен живот (7 години). Това позволява фабрични нива на контрол на качеството при производството и съответните икономии благодарение на серийното производство, като същевременно се избягва необходимостта от отваряне и обслужване на реакторния съд на площадката на електроцентралата. IMSR постига най-високите нива на присъщата безопасност, тъй като справянето с аварии не зависи от намесата на оператора, задвижваните механични компоненти, инжектирането на охлаждаща течност или техните системи за поддръжка. Чрез използване на прост и сменяем основен модул се постигат висока надеждност. Ядрените компоненти са малки и лесни за транспортиране. Основното устройство е проектирано за кратък експлоатационен живот, което позволява на специализирани фабрични линии да произвеждат устройствата полуавтоматично, както функционират например производствените линии на реактивни двигатели на самолети.

Основната технология при проекта за IMSR е тази за използването на разтопени соли като реагент, продукт на последователни и обширни изследователски програми в Националната лаборатория на Оук Ридж през 50-те, 60-те и 70-те години на 20в. През този период са предприети обширни научноизследователски и развойни дейности за разработване на материали, оборудване и компоненти за реактори с разтопени соли. Това завършва с изграждането и успешната експлоатация на малък експериментален тестов реактор с термална мощност по-малка от 10MW, наречен Molten Salt Reactor Experiment (MSRE). Подобно на MSRE, IMSR използва разтопена флуоридна горивна сол, която също служи като първична охлаждаща течност и циркулира между критичното ядро и първични топлообменници. Но IMSR използва и уникална интегрална архитектура на реакторната инсталация, при която всички първични помпи и първични топлообменници са интегрирани в запечатан и сменяем реакторен съд.

CMSR, Seaborg Technologies

Компактният реактор с разтопени соли на Seaborg Technologies (compact molten salt reactor - CMSR) може да работи както с конвенционално ядрено гориво, така и с комбинация от отработено ядрено гориво и торий. CMSR е проектиран да произвежда електрическа мощност от 100MW или 115MW с двустепенна турбина с топлинна мощност от 250MW. Температурата, излъчвана от ядрото, е 700°C, но може да достигне до 900°C в специални случаи като производство на водород. Постигнатата компактност е резултат от нов материал, използван като течен модератор. CMSR е проектиран около изграждането на присъща безопасност, така че да не се изисква активна намеса при осъществяването на контрол и привеждането на реактора в безопасно състояние. Напълно модулираният CMSR е оптимизиран за масово производство. Състои се от серийно произвеждани модули, които се транспортират и сглобяват на място. Експлоатационният му животът е 12 години, след което горивото ще бъде източено, а модулът изваден, охладен и върнат за рециклиране.

CMSR е предназначен преди всичко да бъде генератор на енергия, но също така може да произвежда топлина за централно отопление или обезсоляване. Поради високата температура, която достига, той също е подходящ за влагане в производството на широк спектър от вещества, включително водород, синтетични горива, амоняк, цимент и др. Подходящ е също за намаляване на запасите от отработено ядрено гориво. С минимални модификации той може да работи също с широк спектър от различни горива, включително конвенционален, ниско обогатен уран. Всички облъчени компоненти, горива и соли за охлаждащия агент се намират в приблизително 8m дълбока и 12m широка подземна зона, покрита по време на експлоатация с 2m бетон. Подземният участък съдържа два реакторни отсека, в които е поместен по един основен модул, което позволява инсталирането и пускането на нов модул заедно със спирането на другия. Останалата част от централата е разположена над земята.

ThorCon, ThorCon International

ThorCon е реактор с ядрено делене с охлаждащ агент от разтопени соли, горивото е в течна форма. Разтопените соли могат да циркулират с помпа и пасивно да се източват в случай на авария. Реакторът ThorCon работи при налягане, сравнимо с това в жилищното водоснабдяване, стените на тръбите също са със стандартна дебелина, а работата им е автоматизирана. Първото планирано приложение на реакторите ThorCon е да генерират електрическа енергия в развиващите се страни, където електроразпределителните мрежи не са достатъчно устойчиви, за да понесат натоварването от стандартни по размери ядрени централи, така че по тази причина ThorCon е способен на „черен“ старт. Функционирането на ThorCon е по-евтино от работата на въглищните електроцентрали и може да се привежда в експлоатация също толкова бързо.

Ако реакторът прегрее по някаква причина, той автоматично ще се изключи, горивото ще се източи от първичния контур и топлината ще бъде отстранена по пасивен начин. ThorCon има три херметизирани бариери между горивната сол и околната среда. При разкъсване на първичен контур няма промяна на фазата на охлаждащия агент и няма разпръскване на потока на енергия. Разлятото гориво изтича в резервоара за източване, където пасивно се охлажда. Най-проблемните продукти са химически свързани със солта. Те също ще се озоват в резервоара за източване. Целият завод на ThorConIsle е проектиран да се произвежда на отделни блокове по начин, подобен на този в корабостроителниците. В сравнение с традиционното изграждане на атомни електроцентрали на място върху ядрената площадка, този метод подобрява производителността, контрола на качеството и времето за изграждане. Сложни ремонти не се извършват на място, а повредените модули се изнасят от площадката. Първичният цикъл се осъществява изцяло в един съд, който се изважда на всеки четири години, връща се за рециклиране, обеззаразяване, разглобяване, инспектиране и ремонтиране. Системата за проектиране и наблюдение на инструментариума идентифицира възникващите проблеми, преди те да доведат до повреди. Така устроена електроцентрала може да работи за неопределено дълъг период от време.

Stable Salt Reactor – Wasteburner, Moltex Energy

Стабилният солен реактор (Stable Salt Reactor - SSR) се захранва с плутоний реакторен клас с много ниска чистота, рециклиран от запасите от отработено гориво от уранов оксид. Той се произвежда чрез процес, наречен WATSS (Waste to Stable Salt - отпадъци до стабилна сол). Реакторът не се ограничава до базово натоварване, а отделя топлина като поток от разтопени нитратни соли, които могат да се съхраняват в голям обем на ниска цена, което превръща реактора в евтина пикова електроцентрала. SSR Wasteburner е предназначен за страни със значителни запаси от отработено ядрено гориво. Реакторът изгаря пълния по-висок актиниден компонент на това гориво, оставяйки относително краткотраен отпадъчен поток. Очаква се цената на горивото да бъде отрицателна, защото чрез употребата му по този начин се избягват разходите за изхвърляне на първоначалното отработено гориво.

Основният замисъл зад проекта е да се намалят разходите за инсталации чрез опростяване на дизайна и пълното елиминиране на опасности вместо тяхното овладяване. Това става чрез комбиниране на безопасността и експлоатационните ползи от разтопените соли заедно с конвенционалните компоненти на реактора. Функционалното отделяне на ядрения остров от парогенераторната и турбинната система елиминира всякаква роля на парната система в ядрената безопасност. Регулираният ядрен обект е доста малък, като големите резервоари за соли и парните турбинни системи са извън регулираната зона.

Liquid Fluoride Thorium Reactor, Flibe Energy

При конструирания от Flibe Energy ториев реактор с течен флуорид (liquid-fluoride thorium reactor - LFTR) топлинната енергия, генерирана от ядреното делене, задвижва производството на електроенергия в система за преобразуване на енергия от затворен цикъл. Целта е да се произвежда електричество при ниски разходи чрез ефективно консумиране на торий. Смеси от флуоридни соли, при достатъчно висока температура, за да могат те да се втечнят, образуват идеална среда, в която могат да протичат реакции на ядрено делене. Йонно свързаният характер на солите предотвратява радиационното увреждане на сместа и позволява работа при висока температура, но на практика при атмосферно налягане. Високите експлоатационни температури на флуоридните соли (500-700°C) ги правят отлични за свързване към система за преобразуване на мощност от газови турбини със затворен цикъл. Използвайки ториево гориво в термичен неутронен спектър, реакторът е в състояние да извлече почти цялото енергийно съдържание, като по този начин гарантира практически неограничени ресурси на торий и свързаните с него незначителни основни разходи за гориво.

Westinghouse eVinci Micro Reactor, Westinghouse Electric Company LLC

Микрореакторът на Westinghouse eVinci е полуавтономен, много малък модулен реактор, чийто дизайн се основава на технологията с топлинни тръби. Микрореакторът eVinci е транспортируем генератор на енергия, който осигурява комбинирана топлинна и електрическа мощност от 200kW до 15 MW. Дизайнът позволява той да бъде изцяло фабрично изграден, зареждан и сглобен с продължителност на живота от 10 години. Целевото приложение на eVinci Micro Reactor е в близкото бъдеще да може да генерира чиста, безопасна и икономически конкурентна топлина и електричество за отдалечени общности, мини и военни инсталации. Дизайнът на микрореактора използва доказалата се технология с топлинни тръби, разработена от Националната лаборатория в Лос Аламос за космическо приложение. Този реактор с гориво от уран не използва обемен първичен охлаждащ агент. Вместо това топлината се отделя от твърдото му монолитно ядро с помощта на пасивни топлинни тръби, ограничавайки броя на подвижните му части. Реакторната система се състои от уранов нитрид или оксидно гориво и метален хидриден модератор, поставен в компактен монолит, изграден от устойчиви високотемпературни материали с вградени канали за топлинни тръби, подредени в шестоъгълна схема с горивните канали. За безопасното изключване на реактора се използва централно изключване при аварийна безопасност или отделяне на водород в металния хидриден модератор.

Високотемпературните, двустранни натриеви топлинни тръби се използват за пренасяне на топлина от основния участък към различни топлообменници. Алкалните метални топлинни тръби са изключително ефективни при пренос на топлина на дълги разстояния с минимален спад на температурата, което елиминира необходимостта от помпи за охлаждащ агент на реактора и други спомагателни системи, свързани с първичното охлаждане на реактора. Микрореакторът eVinci позволява работа с различни системи за преобразуване на мощност, без да се налага ядрото да бъде проектирано наново за всяка една от тях. Високата надеждност се постига чрез избора на твърд основен блок за топлинна тръба с почти никакви движещи се части. Единствената механично движеща се част в eVinci (с изключение на тези за преобразуването на мощността) е контролният барабан на реактора. По-малкото движещи се части и автономната работа намаляват нуждата от персонал и периодична поддръжка. Топлинните тръби елиминират нуждата от помпа за охлаждащия агент на реактора и всички негови спомагателни течни системи, като по този начин водят до опростяване на инсталацията. Дизайнът на eVinci цели постигането на по-малко от 30 дни за инсталация на площадката. След като транспортируемият контейнер за реактор стигне до клиента, той може да бъде инсталиран под или над земята. Единствените връзки, които трябва да бъдат изградени, са за преобразуването на енергия, мрежовата връзка и/или разпределението на топлинната енергия в процеса. След полезен живот от 10 години, микрореакторът eVinci може лесно да се изключи и транспортира обратно до фабриката за дългосрочно съхранение или повторна употреба. Поради липсата на оглаждащ агент с голям обем, eVinci не се нуждае от отделяне на горивото от охлаждащата течност, елиминирайки всички дейности по дезактивация, извеждане от експлоатация и рехабилитация.

Малките модулни реактори са изключително динамичен сектор от енергетиката. Към момента не може да се предположи която от разработваните и усъвършенствани сега технологии първа ще бъде завършена и ще започне търговска експлоатация, нито коя ще придобие най-широко разпространение в бъдещето. Изглежда обаче, че ММР ще продължат да привличат интерес и инвестиции благодарение на създаването на иновативни технологии и концепции.