Украина пережила первый настоящий блэкаут в своей истории из-за целенаправленной российской ракетной атаки по энергетической инфраструктуре. Некоторые жители страны прожили без доступа к электроэнергии более 30 часов. Чиновники призывают к тотальной экономии дефицитной энергии, а учёные и инженеры предлагают реализовать инновационный подход, который призван помочь решению энергетической проблеме. В основе предложения лежит идея строительства малых модульных реакторов (ММР). Проект будет реализован совместно с США, Японией и Южной Кореей.

Что такое малые модульные реакторы (ММР)?

Малые модульные реакторы (ММР) — это современные ядерные реакторы мощностью до 300 МВт (эл.) на энергоблок, что составляет примерно одну треть от генерирующей мощности традиционных ядерных энергетических реакторов. ММР, которые могут производить большое количество низкоуглеродной электроэнергии, являются:

• малыми — они в несколько раз меньше традиционных ядерных энергетических реакторов;
• модульными — это позволяет собирать системы и компоненты на заводе и перевозить их единым блоком на место установки;
• реакторами — в них используется ядерное деление для выделения тепла с целью получения энергии.

Главное преимущество ММР становится понятным даже, исходя из самого названия. Благодаря малому размеру ММР можно собрать на заводе, а затем переместить к источнику потребления. ММР позволяют обеспечить гибкость в подходе обеспечения электроэнергией, поскольку их можно докладывать, будто кубики Lego, по мере необходимости. ММР строить быстрее и при этом их создание и размещение потребует меньшего количества денежных средств. Также ММР безопаснее, чем обычные реакторы, и они почти не производят отходов.

Для традиционных АЭС требуется также масштабная инфраструктура по сетям, обслуживанию и безопасности. Общее количество обслуживающего персонала современных АЭС может достигать более 1000 человек. ММР могут подключаться к действующим электросетям или работать автономно (вне ее) благодаря их меньшей мощности, генерируя низкоуглеродную энергию для промышленности и населения. ММР можно разворачивать в местах с утруднённым доступом обычных электросетей или там, где произощёл временный энергетический разрыв, исполняя роль источников резервного питания. Таким образом, они выступают настоящей альтернативой промышленным электрогенераторам, работающим на дизельном топливе.

Принцип работы ММР

В малых модульных реакторах происходит такой же процесс деления, как и в традиционных, но при этом снижен риск разрушения вследствие воздействия внешних факторов. Благодаря малой мощности и низкому внутреннему давлению концепция безопасности ММР сильно отличается. Это означает, что для отключения систем не требуется вмешательства человека или внешней энергии или силы, поскольку пассивные системы полагаются на физические явления, такие как естественная циркуляция, конвекция, гравитация и создание повышенного давления.

Для рассмотрения принципа работы ММР обратим внимание на прототип реактора от стартапа NuScale Power. Он представляет собой стальной цилиндр высотой 23 метра и шириной 5 метров. Внутри находятся урановые топливные стержни, которые с помощью цепной ядерной реакции нагревают воду во внутреннем контуре. Через теплообменник нагретая вода передает температуру во внешний паровой контур. Пар приводит в движение турбину, генерирующую электроэнергию. В процессе работы пар охлаждается и капли воды вновь попадают обратно во внутренний контур.

Благодаря пассивной системе охлаждения, когда вода через теплообменные змеевики охлаждается и поступает обратно к топливным стержням, достигается минимальное вмешательство человека. Такой подход позволяет избавиться от насосного принудительного охлаждения и обеспечивает безопасное отключение и самоохлаждение в течение неопределенного времени без вмешательства оператора, без питания переменного или постоянного тока и без дополнительной воды. В случае нештатной ситуации реактор сам заглушит ядерную реакцию при помощи управляющих стержней. 

Для повышения безопасности малые модульные реакторы установят в специальные охлаждающие бассейны, которые планируется размещать ниже уровня земли в зданиях АЭС. В случае нештатной ситуации бассейны охладят реакторы и отведут излишки тепла. Так как размер ректоров небольшой, потребуется отводить меньшее количество тепла, чем в большом реакторе. Разработчики считают, что их продукция будет генерировать не более 1/8 от количества тепла стандартных ректоров. Бассейн выдержки обеспечивает место для хранения накопленных отработавших тепловыделяющих сборок на срок до 15 лет, а также временное хранилище для новых тепловыделяющих сборок.

ММР имеют сниженные требования к топливу. ММР от NuScale Power мощностью 77 МВт (брутто) содержит примерно 5 процентов ядерного топлива обычного ядерного реактора мощностью 1000 МВт. На электростанциях на основе ММР можно реже осуществлять перегрузку топлива: каждые 3–7 лет, в то время как на традиционных станциях она требуется каждые 1–2 года. Некоторые ММР спроектированы таким образом, что могут работать без перегрузки до 30 лет.

Цена вопроса

Развертывание ММР 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 году по влиянию развертывания ММР на экономику и занятость, показало, что прототипный ММР мощностью 100 МВт, стоимость производства и установки которого составляет 500 миллионов долларов, создаст почти 7000 рабочих мест и принесет 1,3 миллиарда долларов продаж, 404 миллиона долларов прибыли (заработная плата) и 35 долларов США. млн косвенных налогов на бизнес. В отчете рассматриваются эти последствия для различных скоростей развертывания ММР, 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.

Хотя на сегодняшний день за неимением практического применения все расчёты носят теоретический характер, экономическую конкурентоспособность ММР предстоит доказать ещё на практике.

Нынешнее положение дел

Единственным примером действующих ММР является российская плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов», промышленная эксплуатация которой началась в мае 2020 года. Энергия генерируется на двух ММР мощностью 35 МВт, что обеспечивает 20% потребности Чаун-Билибинского энергоузла. Первая в мире плавучая атомная теплоэлектростанция состоит из плавучего энергоблока и береговой инфраструктуры — береговой площадки с сооружениями, обеспечивающими выдачу электрической и тепловой энергии потребителям, а также гидротехнических сооружений, обеспечивающих безопасную стоянку ПЭБ в акватории. Также ПАТЭС может быть использована для опреснения морской воды (оценочно от 40 до 240 тыс. кубометров пресной воды в сутки).

Все остальные проекты находятся в стадии реализации. Какой именно проект будет реализован в Украине, пока неизвестно. Со стороны США примут участие NuScale, FuelCell Energy, Clark Seed, Argone National Laboratory, а со стороны Украины — НАЭК «Энергоатом» и Государственный научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности. Кроме того, участие примут Doosan Enerbility, IHI Corporation, JGC Corporation, Samsung C&T, Starfire Energy. Срок реализации проекта ориентировочно составит 2-3 года.

У NuScale Power уже есть первый коммерческий заказчик. Компания Utah Associated Municipal Power System готова построить АЭС с реакторами от NuScale Power в национальной лаборатории Айдахо. Проект с бюджетом в $6,1 миллиарда насчитывает 12 малых модульных реакторов и должен завершиться в 2030 году. Под строительство подготовили площадку в 13 га.

По всему миру сейчас действует около 70 проектов по внедрению новой атомной технологии. Китайский проект будет закончен в 2026 году, польский реактор должен появиться только в 2029м. Другие ММР находятся на этапе строительства или лицензирования в Аргентине, Канаде, Китае, России, Соединенных Штатах Америки и Южной Корее.

Военное вторжение России в Украину с применением тактики нанесения ударов по энергетическим объектам создал предпосылки для ускоренного внедрения ММР, поскольку миллионы людей нуждаются в доступе к электроэнергии. По сути, Украина сейчас становится полигоном для испытания не только новых технологий в военной сфере, но и в энергетической. Кроме внедрения ММР спецпредставитель президента США по вопросам климата Джон Керри выступил с новой инициативой «Проект Феникс», направленной на ускорение перехода угольных электростанций в Европе на ММР при сохранении местных рабочих мест за счет переподготовки рабочей силы.