Мал реактор да дорог, или о моде на ММР в атомной энергетике
Статья с Хабра. Всем привет! Меня зовут Александр Левченко, я работаю в компании ЭНИМЦ МС («Моделирующие системы») из города Первой в мире АЭС Обнинска. Стать атомщиком я твёрдо решил с раннего детства (только у них были компьютеры, чтобы поиграть в «Диггера»). В компании я занимаюсь разработкой тренажёров для АЭС, а также принимал участие в проектировании малых реакторов МАСТЕР для отопления коттеджей новых русских и МАРС для больниц с ядерной медициной.
Реактор МАСТЕР для теплоснабжения населенных пунктов, проекту более 25 лет
Сегодня я хочу поговорить о малой атомной энергетике с позицией человека, видевшего эту кухню изнутри.
Начнём с определений
Малые модульные реакторы (ММР) – направление в атомной энергетике новое. О них говорят политики, журналисты, эксперты, бизнесмены, обычные интересующиеся и изредка даже сами атомщики. Обещают, что ММРы станут безопасными, экономичными и быстровозводимыми. Иными словами, что ММРы – это реакторы нового поколения, способные придать мирному атому новый импульс. Но так ли это?
Начнём со скучных определений. Малые реакторы – это реакторы, чья мощность не превышает 300 МВт(э). «Э» в скобках означает «электрическая», выдаваемая потребителю, в отличие от «т», тепловой мощности, выделяемой в реакторе. Чтобы не загромождать текст скобками, (э) далее мы будем опускать.
Как видите, диапазон огромный. В него попадают и Первая в мире АЭС (5 МВт), и блоки самой северной в мире Билибинской АЭС (блоки по 12 МВт), и большинство старых индийских тяжеловодных блоков (220 МВт), но при всём уважении такие малые реакторы трудно называть реакторами следующего поколения.
Заводское изготовление или монтажники на стройплощадке?
Может быть, на современность указывает вторая буква «М» в сокращении ММР, а именно, «модульный»? Тут есть над чем подумать. Основная идея модульных реакторов заключается в том, что их планируют изготавливать в виде модулей на заводах и доставлять к месту работы для сборки и подключению к сети. Модули могут иметь собственные турбины, а могут подключаться к общей турбине, как сделано, например, в китайском проекте HTR-PM, где на одну турбину собираются выводить пар с шести (!!) модульных реакторов по 100 МВт каждый.
Макет HTR-PM600. Источник – SinoAtom.Ru
Заводское изготовление, в отличие от традиционного монтажа оборудования на стройплощадке, обещает быть более быстрым и качественным. Обещает на бумаге, а на практике работает закон Мерфи («Если что-нибудь пойдёт не так, оно пойдёт не так»).
Справедливость закона ощутили на себе строители американских реакторов AP-1000. Да, это реакторы большой мощности, но у них так называемая блок-модульная структура. когда реакторную установку собирают из крупных кусков, блок-модулей. Оказалось, что заводы тем дальше отходят от спецификаций, чем сложнее изготавливаемое изделие, а поправить на месте кувалдой и болгаркой крупный кусок не получится, придётся отправлять его обратно на завод, что само по себе непростая операция.
Сроки строительства на бумаге и в реальности
Как насчёт сроков? Будут ли ММРы сооружаться быстрее, чем «обычные» реакторы большой мощности? Критерием истины является практика, а с ней по ММРам пока плохо. Первый реактор, претендующий на звание ММР, начали строить в Аргентине в августе 2015 года, реактор CAREM25. Проект тянется уже семь лет, и конца и края ему не видно, по некоторым позициям начать и кончить.
Стройплощадка реактора CAREM. Источник – Google карты
Да, среди больших реакторов тоже встречаются долгострои – например, финский энергоблок «Olkiluoto-3», контракт на который подписали в 2003 году, а пустили только в 2022-ом, но всё же обычно большие реакторы сооружают за 5-7 лет.
То есть, единственный пока строящийся ММР по срокам не выигрывает, а проигрывает большим реакторам. Ну вот свой ММР начали строить ещё и китайцы на курортном острове Хайнань, посмотрим, как получится у них.
Реакторы в транспортном контейнере
А если довести идею заводского изготовления до предела? Изготавливать реактор целиком, одним модулем, а потом довозить его на место транспортом по выбору (интересно, кто-нибудь из читателей вспомнит сейчас о советской передвижной АЭС ТЭС-3, за пультом управления которой однажды посидел Юрий Гагарин?). Так можно, но мощность у транспортабельного ММР будет очень небольшой. Для таких установок в США ввели неформальный термин «микрореактор», его мощность составляет единицы мегаватт или даже сотни киловатт.
Транспортабельная атомная электростанция ТЭС-3. Источник – ФЭИ
Задумайтесь, а кто может быть потребителем микрореакторов? Раньше их разработчики скромно отводили глаза в сторону и рассказывали о страдающих от дефицита энергии канадских шахтёрах где-то в Лабрадоре. Или о сотрудниках МЧС, спасающих от последствий урагана удалённый остров. Сейчас глаза отводить перестали и признаются честно: «Главные возможные потребители – это военные».
В США открыто проводятся сразу два конкурса на лучший транспортабельный микрореактор для снабжения военных баз, один такой аппарат собираются испытать в 2024 году в нацлаборатории Айдахо, другой – на базе ВВС на Аляске.
Микрореакторы нового поколения
В пользу микрореакторов можно сказать, что они действительно могут считаться реакторами следующего поколения с точки зрения безопасности, в отличие от многих проектов гражданских ММР.
Из зарубежных ММРов самым известным и «раскрученным» в СМИ является проект ММР «NuScale», сертифицированный (спойлер: нет!) в США. Но если посмотреть на «NuScale» внимательнее, то мы увидим, что его активная зона по-прежнему охлаждается водой, как это принято в больших реакторах, да и конструкция топлива выглядит до боли знакомой. Значит, у него остаются всё те же проблемы – и большой запас реактивности, который придётся чем-то компенсировать, и угроза пароциркониевой реакции (привет, Фукусима!).
Микрореакторы в силу своей природы обязаны использовать новые технические решения как для охлаждения активной зоны, так и для топлива, причём эти решения действительно можно отнести к следующему поколению.
Наиболее популярный выбор для микрореакторов сегодня – высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы с шаровыми твэлами. У них безопасность значительно выше, да и КПД установки в целом побольше, но сверхмалая мощность реактора ставит крест на экономических показателях и сужает до предела круг потребителей.
Сколько стоит малый атом?
Теперь поговорим об экономике. На первый взгляд, дело с ней у ММРов обстоит однозначно хуже, чем у больших реакторов. Конструкторы стремились проектировать всё более и более мощные реакторы (1000 МВт, 1100 МВт, 1200 МВт, 1500 МВт, а то и 1700 МВт!!) не из стремления к рекордам, а из простого соображения – чем выше мощность реактора, тем дешевле удельная стоимость киловатта, а значит, и киловатт-часа. Соответственно, если мы снижаем мощность реактора, то его экономика должна ухудшаться.
Но не всё так плохо, как кажется. Есть минимум два аргумента в пользу ММР. Во-первых, изложенное выше соображение касается цены установленного киловатта overnight, то есть для фантастической ситуации, когда реакторы возводятся мановением руки за одну ночь. В реальности в стоимости больших реакторов существенный вклад вносят непроизводственные расходы – управление, регулирование, проценты по кредитам, да и издержки вследствие многочисленных переделок и срывов сроков.
Как пример, упоминавшиеся американские блоки с AP-1000 исходно оценивались в 14-15 миллиардов долларов за два блока, а в итоге их стоимость превысила 30 миллиардов. Если ММРы действительно научатся строить быстро, то все эти издержки не исчезнут, но сильно сократятся, и это улучшит их экономику.
Второе соображение касается порога входа. В мире есть немало стран-новичков, которые хотели бы завести у себя атомную энергетику, но не в состоянии платить многие миллиарды за большие реакторы. ММРы с их ценой в сотни миллионов долларов для новичков, а это многие страны Африки, могут стать первой ступенькой на пути к созданию атомной отрасли.
Российский подход
Пару слов о российском подходе к ММРам. На самом деле, он практически не отличается от советских подходов к развитию малой атомной энергетики, в которых предполагалось, что малые АЭС нужно строить в удалённых районах и в первую очередь на Крайнем Севере. Если мы построим на «Росатом», то госкорпорация построила плавучую АЭС для Певека и будет строить ММР РИТМ в Якутии. То есть, в России ММРы – нишевый продукт, не претендующий на конкуренцию с большими реакторами, как это происходит в мире.
Компактный энергогенерирующий модуль подводного исполнения с реакторной установкой «Шельф». Источник – Атомный эксперт, 2019-#9
Cui prodest?
Итак, резюмируем. Малые модульные реакторы строятся пока что не быстрее больших реакторов, по экономике как минимум не выигрывают, по безопасности мало отличаются от больших собратьев, так как нередко используют те же технические решения. Так чем же обусловлен наблюдающийся к ним в мире интерес?
Похоже, что ответ на вопрос придётся поискать не в области техники или экономики. Может быть, восхваление преимуществ ММР служит инструментом конкурентной борьбы западных реакторных компаний с успешными российскими и китайскими проектами реакторов большой мощности? А может быть, правы те конспирологи, кто говорит о том, что из малых реакторов можно создать распределённую сеть энергоисточников, более дорогую, чем один большой реактор, но гораздо более устойчивую к чрезвычайным ситуациям и военным действиям? А что вы думаете вы, уважаемые хабровчане?
