_(20848048201).jpg/1280px-Figure_4_Illustration_of_a_light_water_small_modular_nuclear_reactor_(SMR)_(20848048201).jpg){kind=spacer}
Малые модульные реакторы ( SMR ) представляют собой класс малых ядерных реакторов деления , предназначенных для сборки на заводе, отправки на производственные площадки для установки и последующего использования в качестве источника питания для зданий или других коммерческих операций. Термин SMR относится к размеру, мощности и модульной конструкции. Тип реактора и ядерные процессы могут различаться. Из множества конструкций SMR наиболее распространенным является реактор с водой под давлением (PWR). Однако недавно предложенные конструкции SMR включают: поколение IV , реакторы на тепловых нейтронах , реакторы на быстрых нейтронах , реакторы на расплавленной соли и модели реакторов с газовым охлаждением . [1] Коммерческие SMR были разработаны для обеспечения выходной электрической мощности от 5 МВт эл. (электрической) и до 300 МВт эл. на модуль. SMR также могут быть разработаны исключительно для опреснения или отопления объектов, а не для электричества. Эти SMR измеряются в мегаваттах тепловых МВт т . Многие конструкции SMR основаны на модульной системе, что позволяет клиентам просто добавлять модули для достижения желаемой электрической мощности.
Малые реакторы были впервые разработаны в основном для военных целей в 1950-х годах для питания баллистических ракетных подводных лодок и кораблей ( авианосцев и ледоколов ) с ядерной силовой установкой . [2] Электрическая мощность современных морских реакторов, как правило, ограничена менее чем 165 МВт эл. и предназначена для питания турбовальных винтов, а не для поставки коммерческой электроэнергии. Кроме того, в морских реакторах отсутствует множество других средств контроля безопасности из-за ограничений пространства, для которых эти реакторы были спроектированы.
Модульные реакторы, как ожидается, сократят объем строительства на месте и увеличат эффективность сдерживания. Эти реакторы, как ожидается, также повысят безопасность за счет использования пассивных функций безопасности , которые не требуют вмешательства человека, хотя это не является специфичным для SMR, а скорее характерно для большинства современных конструкций реакторов. Также утверждается, что SMR имеют более низкие затраты на персонал электростанции, поскольку их эксплуатация довольно проста, [3] [4] и, как утверждается, способны обходить финансовые и защитные барьеры, которые препятствуют строительству обычных реакторов. [4] [5]
Компания NuScale Power разработала проект, одобренный Комиссией по ядерному регулированию , и в 2022 году начала продавать его в США. [6]
По состоянию на 2024 год только Китай и Россия успешно построили рабочие ММР. [7] В настоящее время в разработке находится более 80 проектов модульных реакторов в 19 странах. [8] Россия эксплуатирует плавучую атомную электростанцию «Академик Ломоносов» на Дальнем Востоке России ( Певек ) в коммерческих целях с 2020 года. [9] Плавучая электростанция является первой в мире. Китайский модульный высокотемпературный газоохлаждаемый реактор с шаровыми твэлами HTR-PM был подключен к сети в 2021 году. [8]
Экономические факторы масштаба означают, что ядерные реакторы, как правило, большие, до такой степени, что сам размер становится ограничивающим фактором. Чернобыльская катастрофа 1986 года и ядерная катастрофа на Фукусиме 2011 года стали причиной серьезного спада в ядерной промышленности, с всемирной остановкой развития, сокращением финансирования и закрытием реакторных установок.
В ответ на это исследователи из Университета штата Орегон представили новую стратегию строительства реакторов меньшего размера, которые, как ожидалось, будут быстрее изготавливаться, безопаснее эксплуатироваться и работать с меньшими затратами на реактор. Несмотря на потерю преимуществ масштаба и значительно меньшую выходную мощность, ожидалось, что финансирование будет проще благодаря внедрению модульной конструкции и проектов с ожидаемо более короткими сроками. Общее предложение SMR заключается в замене экономии от масштаба единицы на экономию от массового производства единицы. В партнерстве с OSU компания NuScale Power первой применила эту производственную стратегию, начиная с 2006 года [10] [11]
Сторонники утверждают, что SMR будут менее дорогими из-за использования стандартизированных модулей, которые могут быть произведены промышленным способом за пределами площадки на специализированном заводе. [12] Однако SMR также имеют экономические недостатки. [13] Несколько исследований показывают, что общие затраты на SMR сопоставимы с затратами на обычные большие реакторы. Более того, была опубликована крайне ограниченная информация о транспортировке модулей SMR. [14] Критики говорят, что модульное строительство будет рентабельным только для большого количества SMR одного и того же типа, учитывая все еще остающиеся высокие затраты на каждый SMR. [15] Таким образом, для получения достаточного количества заказов необходима высокая доля рынка.
В феврале 2024 года Европейская комиссия признала технологию SMR важным фактором декарбонизации в рамках « Зеленого соглашения» ЕС . [16]
На своем пути к достижению нулевых чистых выбросов в мире к 2050 году Международное энергетическое агентство (МЭА) считает, что мировая ядерная энергетика должна быть удвоена в период между 2020 и 2050 годами. [17] Антонио Вайя Солер, эксперт Агентства по ядерной энергии (NEA), согласен с тем, что хотя возобновляемые источники энергии необходимы для борьбы с глобальным потеплением , их будет недостаточно для достижения нулевых чистых выбросов CO2 , и мощности ядерной энергетики должны быть как минимум удвоены. [18]
BASE, Федеральное управление по безопасности обращения с ядерными отходами Германии, предупреждает, что для производства той же электроэнергии, что и около 400 крупных ядерных реакторов в мире сегодня, необходимо построить от нескольких тысяч до десятков тысяч реакторов SMR. [2] [19]
Несколько флотов SMR одного и того же типа, произведенных промышленным способом в больших количествах, должны быть быстро развернуты по всему миру, чтобы значительно сократить выбросы CO2 . Агентство по ядерной энергии (NEA) на КС-28 запустило инициативу «Ускорение SMR для достижения чистого нуля» для содействия сотрудничеству между исследовательскими организациями, ядерной промышленностью, органами безопасности и правительствами с целью сокращения выбросов углерода до чистого нуля к 2050 году для ограничения глобального повышения температуры поверхности. [20] [21] [22]
Сторонники говорят, что ядерная энергия с проверенной технологией может быть безопаснее; ядерная промышленность утверждает, что меньший размер сделает ММР даже безопаснее, чем более крупные обычные станции. Это связано с тем, что основная проблема, связанная с ядерными расплавами, — это остаточное тепло , которое присутствует после остановки реактора, которое будет намного ниже для ММР из-за их более низкой выходной мощности. Критики говорят, что гораздо больше [2] малых ядерных реакторов представляют более высокий риск, требуя больше транспортировки ядерного топлива , а также увеличивая производство радиоактивных отходов . [23] ММР требуют новых конструкций с новой технологией, безопасность которой еще не доказана.
До 2020 года ни один по-настоящему модульный ММР не был введен в эксплуатацию для коммерческого использования. [24] В мае 2020 года в Певеке , Россия, был введен в эксплуатацию первый прототип плавучей атомной электростанции с двумя реакторами мощностью 30 МВт — тип КЛТ-40 . [9] Эта концепция основана на конструкции атомных ледоколов . [25] Эксплуатация первого коммерческого наземного демонстрационного реактора ACP100 (Linglong One) мощностью 125 МВт должна начаться в Китае к концу 2026 года. [26]
Чтобы справиться с целями 2050 года по нулевому уровню выбросов CO2 без потери времени, быстрое и массовое развертывание большого количества ММР (от нескольких тысяч до десятков тысяч единиц) [2] [ неудачная проверка ] имеет решающее значение и представляет собой беспрецедентную задачу для ядерной промышленности, органов безопасности и гражданского общества (принятие общественностью, политиками и правительствами в крупных странах) в рассматриваемые короткие сроки. [ необходима ссылка ]
SMR рассматриваются в нескольких вариантах. Некоторые из них являются упрощенными версиями текущих реакторов, другие включают совершенно новые технологии. [27] Все предлагаемые SMR используют ядерное деление с конструкциями, включающими реакторы на тепловых нейтронах и реакторы на быстрых нейтронах .
Реакторы на тепловых нейтронах используют замедлитель ( воду, графит , бериллий ...) для замедления нейтронов и обычно используют235U как расщепляющийся материал . Большинство обычных действующих реакторов относятся к этому типу.
Быстрые реакторы не используют замедлители. Вместо этого они полагаются на топливо, чтобы поглощать быстрые нейтроны . Обычно это означает изменение расположения топлива в активной зоне или использование другого топлива. Например,239
Pu с большей вероятностью поглотит быстрый нейтрон, чем235
У .
Быстрые реакторы могут быть реакторами-размножителями . Эти реакторы выделяют достаточно нейтронов для преобразования неделящихся элементов в делящиеся. Обычное применение реактора-размножителя заключается в том, чтобы окружить ядро "одеялом" из238
U , наиболее легкодоступный изотоп. После того, как238
U подвергается реакции поглощения нейтронов , он становится239
Pu , который может быть удален из реактора во время перегрузки, а затем переработан и использован в качестве топлива. [28]
Обычные легководные реакторы обычно используют воду в качестве охладителя и замедлителя нейтронов. [29] ММР могут использовать воду, жидкий металл , газ и расплавленную соль в качестве охладителей. [30] [31] Тип охладителя определяется на основе типа реактора, конструкции реактора и выбранного применения. Реакторы большой мощности в основном используют легкую воду в качестве охладителя, что позволяет легко применять этот метод охлаждения в ММР. Гелий часто выбирается в качестве газового охладителя для ММР, поскольку он обеспечивает высокую тепловую эффективность установки и поставляет достаточное количество тепла реактору. Натрий , свинец и эвтектика свинца-висмута (LBE) являются жидкометаллическими охладителями, изучаемыми для ММР 4-го поколения. Во время ранних работ над реакторами большой мощности большое внимание уделялось натрию, который с тех пор перешел в ММР и стал основным выбором в качестве жидкометаллического охладителя. [32] ММР имеют меньшие требования к охлаждающей воде, что расширяет число мест, где можно построить ММР, включая отдаленные районы, где обычно ведется добыча и опреснение . [33]
Некоторые конструкции газоохлаждаемых реакторов могли бы приводить в действие газовую турбину , а не кипящую воду, так что тепловая энергия могла бы использоваться напрямую. Тепло также могло бы использоваться в производстве водорода и других промышленных операциях, [30] таких как опреснение и производство нефтепродуктов (извлечение нефти из нефтяных песков , производство синтетической нефти из угля и т. д.). [34]
Ожидается, что конструкции SMR будут обеспечивать базовую нагрузку электроэнергией; некоторые предлагаемые конструкции направлены на регулировку выходной мощности в зависимости от спроса на электроэнергию. [ необходима ссылка ]
Другой подход, особенно для SMR, предназначенных для обеспечения высокотемпературного тепла, заключается в принятии когенерации , поддерживая постоянную выработку тепла, при этом отводя в противном случае ненужное тепло на вспомогательное использование. В качестве вариантов когенерации были предложены централизованное теплоснабжение , опреснение и производство водорода. [35]
Опреснение в ночное время требует достаточной емкости для хранения пресной воды, чтобы поставлять воду в другое время, чем время ее производства. [36] Мембрана обратного осмоса и термические испарители являются двумя основными методами опреснения морской воды . Процесс мембранного опреснения использует только электричество для питания водяных насосов и является наиболее используемым из двух методов. В термическом процессе поток исходной воды испаряется на разных этапах с непрерывным снижением давления между этапами. Термический процесс напрямую использует тепловую энергию и избегает преобразования тепловой энергии в электричество. Термическое опреснение далее делится на две основные технологии: многоступенчатая флэш-дистилляция (MSF) и многоэффектное опреснение (MED). [37]
В отчете Федерального управления по безопасности обращения с ядерными отходами Германии (BASE), в котором рассматриваются 136 различных исторических и современных реакторов и концепций SMR, говорится: «В целом, SMR потенциально могут достичь преимуществ безопасности по сравнению с электростанциями с большей выходной мощностью, поскольку они имеют меньший радиоактивный запас на реактор и нацелены на более высокий уровень безопасности, особенно за счет упрощений и более широкого использования пассивных систем. Однако, в отличие от этого, различные концепции SMR также выступают за снижение нормативных требований, например, в отношении требуемой степени избыточности или разнообразия в системах безопасности. Некоторые разработчики даже требуют отмены текущих требований, например, в области внутреннего управления авариями или с сокращенными зонами планирования, или даже полного отказа от внешнего планирования аварийной защиты. Поскольку безопасность реакторной установки зависит от всех этих факторов, на основе текущего состояния знаний невозможно утверждать, что концепции SMR в принципе обеспечивают более высокий уровень безопасности». [38] [39] [13]
Отрицательные температурные коэффициенты в замедлителях и топливе держат реакции деления под контролем, заставляя реакцию замедляться по мере повышения температуры. [40] После остановки ядерного реактора реактор необходимо постоянно охлаждать, чтобы рассеивать остаточное тепло. Потеря аварийного охлаждения, как в случае ядерной аварии на Фукусиме и аварии на Три-Майл-Айленде, может привести к ядерному расплавлению , когда температура в реакторе станет слишком высокой. Поскольку начальное остаточное тепло составляет часть рабочей мощности реактора, более низкая рабочая мощность ММР делает их намного безопаснее, поскольку требуется рассеивать меньше тепла. [41]
Некоторые проекты SMR предлагают системы охлаждения, основанные только на термоконвекции – естественной циркуляции – для устранения охлаждающих насосов, которые могут выйти из строя. Конвекция может продолжать отводить остаточное тепло после остановки реактора. Однако некоторым SMR может потребоваться активная система охлаждения для резервирования пассивной системы, что увеличивает стоимость. [42]
Некоторые проекты SMR имеют интегральную конструкцию, в которой основная активная зона реактора, парогенератор и компенсатор давления интегрированы в герметичный корпус реактора. Эта интегрированная конструкция позволяет снизить возможную аварию, поскольку утечки загрязнений могут быть локализованы. По сравнению с более крупными реакторами, имеющими многочисленные компоненты вне корпуса реактора, эта особенность повышает безопасность, снижая риски нелокализованной аварии. Некоторые проекты SMR также предусматривают установку реактора и бассейнов хранения отработанного топлива под землей. [43]
Бэкэнд ядерного топливного цикла SMR является сложным и трудным вопросом, остающимся спорным. Количество и радиотоксичность радиоактивных отходов, производимых SMR, в основном зависят от их конструкции и соответствующего топливного цикла. Поскольку понятие SMR охватывает широкий спектр типов ядерных реакторов, на этот вопрос нельзя дать простой ответ. SMR может включать в себя малые легководные реакторы третьего поколения, а также малые реакторы на быстрых нейтронах четвертого поколения.
Часто стартапы, разрабатывающие нетрадиционные прототипы SMR, выступают за сокращение отходов как преимущество предлагаемого решения и даже иногда заявляют, что их технология может устранить необходимость в глубоком геологическом хранилище для утилизации высокоактивных и долгоживущих радиоактивных отходов. Это особенно касается компаний, изучающих реакторы на быстрых нейтронах 4-го поколения (реакторы на расплавленных солях, реакторы с металлическим охлаждением ( быстрый реактор с натриевым охлаждением или быстрый реактор со свинцовым охлаждением ).
Быстрые реакторы-размножители «горят»235U (0,7% природного урана ), но и преобразовывать фертильные материалы, такие как238U (99,3% природного урана) в делящийся 239
Pu , который можно использовать в качестве ядерного топлива. [28]
Реактор на бегущей волне, предложенный TerraPower, нацелен на немедленное «сжигание» производимого им топлива без необходимости его извлечения из активной зоны реактора и дальнейшей переработки. [44]
Конструкция некоторых реакторов SMR основана на ториевом топливном цикле , который рассматривается их сторонниками как способ снижения долгосрочной радиотоксичности отходов по сравнению с урановым циклом. [45] Однако использование ториевого цикла также представляет большие эксплуатационные проблемы из-за производства и использования232U и долгоживущие плодовитые233U , оба радиоизотопа испускают сильные гамма-лучи . Таким образом, присутствие этих радионуклидов серьезно осложняет радиационную защиту свежего ядерного топлива и долгосрочное хранение и утилизацию отработавшего ядерного топлива.
Исследование 2022 года, проведенное Краллом, Макфарлейном и Юингом, является более критическим и сообщает, что некоторые типы ММР могут производить больше отходов на единицу выходной мощности, чем обычные реакторы, в некоторых случаях более чем в 5 раз больше количества отработанного топлива на киловатт, и до 35 раз больше для других отходов, производимых нейтронной активацией , таких как активированная сталь и графит . [46] [47] [48] [23]
Эти авторы определили утечку нейтронов как первую проблему для SMR, поскольку они имеют большую площадь поверхности по отношению к объему активной зоны. Они подсчитали, что скорости утечки нейтронов намного выше для SMR, поскольку в меньших активных зонах реакторов испускаемые нейтроны имеют меньше шансов взаимодействовать с делящимися атомами, присутствующими в топливе, и производить ядерное деление. Вместо этого нейтроны покидают активную зону реактора, не взаимодействуя с ядерным топливом, и поглощаются вне активной зоны материалами, используемыми для отражателей нейтронов и защиты (тепловой и гамма-защиты), превращая их в радиоактивные отходы ( активированная сталь и графит ).
Реакторы, в которых используются жидкометаллические теплоносители (расплавленный натрий, свинец, свинцово-висмутовая эвтектика, СВЭ), также становятся радиоактивными и содержат активированные примеси.
Другая проблема, указанная Краллом и др. (2022) [23] , связанная с более высокой утечкой нейтронов в ММР, заключается в том, что потребляется меньшая доля их ядерного топлива, что приводит к меньшему выгоранию и большему количеству расщепляющихся материалов, остающихся в их отработанном топливе , тем самым увеличивая объем отходов. Для поддержания ядерных цепных реакций в активной зоне меньшего реактора альтернативой является использование ядерного топлива, более обогащенного235
U. Это может увеличить риски распространения ядерного оружия и может потребовать более строгих мер безопасности для его предотвращения (см. также гарантии МАГАТЭ ).
Если в отработанном топливе содержится больше делящихся материалов, то критическая масса , необходимая для поддержания ядерной цепной реакции, также будет ниже. Как прямое следствие, количество отработанного топлива, находящегося в контейнере для отходов, также будет ниже, и большее количество контейнеров и внешних упаковок будет необходимо для предотвращения аварий с критичностью и для обеспечения безопасности ядерной критичности в глубоком геологическом хранилище. Это также способствует увеличению общего объема отходов и количества галерей захоронения в геологическом хранилище.
Учитывая потенциальную техническую и экономическую важность ММР для поставок электроэнергии с нулевым выбросом углерода, необходимой для борьбы с изменением климата , а также долгосрочную и социальную значимость исследования для адекватного управления и утилизации радиоактивных отходов без наложения негативного бремени на будущие поколения, публикация Кралла и др. (2022) в престижном журнале PNAS вызвала множество реакций: от критики качества их данных и гипотез [49] до международных дебатов по радиоактивным отходам, производимым ММР, и их выводу из эксплуатации [50] .
В интервью с Франсуа Диас-Мореном, заместителем редактора Bulletin of the Atomic Scientists , Линдси Кралл, ведущий автор исследования и бывший научный сотрудник Макартура в Стэнфордском центре международной безопасности и сотрудничества (CISAC), ответила на вопросы и критические замечания, в том числе высказанные компанией-разработчиком реактора NuScale . [51] Одной из главных проблем, высказанных Кралл в этом интервью, является то, что:
Критическое исследование Krall et al. (2022) заслуживает того, чтобы поднять важные вопросы, которые не могут игнорировать проектировщики реакторов или лица, принимающие решения, и инициировать открытые и свежие дискуссии о важных результатах для SMR и управления радиоактивными отходами в целом. Среди различных типов проектов SMR, инициированных сегодня многими стартапами, только те, которые правильно решают эти вопросы и действительно способствуют минимизации производимых ими радиоактивных отходов, имеют шанс получить поддержку со стороны общественности и правительственных организаций (органов ядерной безопасности и организаций по управлению радиоактивными отходами), а их исследования будут финансироваться в рамках долгосрочной национальной политики.
Большое разнообразие реакторов SMR и их соответствующих топливных циклов может также потребовать более разнообразной стратегии управления отходами для переработки или безопасной утилизации их ядерных отходов. [46] [23] Большее количество типов отработанного топлива будет сложнее обрабатывать, чем только один тип, как это в настоящее время происходит только с легководными реакторами.
Как ранее подчеркивали Кралл и Макфарлейн (2018), [ 52] некоторые типы отработанного топлива или охладителей SMR (высокореакционный и едкий фторид урана ( UF4 ) из реакторов на расплавленных солях или пирофорный натрий из быстрых размножителей с жидкометаллическим охлаждением) не могут быть напрямую захоронены в глубоком геологическом хранилище из-за их химической активности в подземной среде (глубокие глинистые образования, кристаллические породы или каменная соль ). Чтобы избежать усугубления проблем хранения и утилизации отработанного топлива, необходимо будет переработать и кондиционировать их соответствующим и безопасным способом перед окончательным геологическим захоронением.
Исследование, проведенное Кето и др. (2022) в Техническом исследовательском центре VTT в Финляндии, также касалось управления отработанным ядерным топливом (ОЯТ) и низко- и среднеактивными отходами (НСАО) из возможного будущего развертывания ММР в Финляндии . Оно также указывает на то, что более крупные массы (на ГВт-год) ОЯТ и других ВАО и более крупные объемы (на ГВт-год) НАО будут производиться легководным ММР по сравнению с крупной АЭС. [53]
В отчете Федерального управления по безопасности обращения с ядерными отходами Германии (BASE) установлено, что для ММР по-прежнему требуются обширные временные хранилища и перевозки топлива. Глубокое геологическое хранилище в любом случае неизбежно из-за наличия высокомобильных долгоживущих продуктов деления, которые из-за их слишком низкого нейтронного сечения не могут быть эффективно трансмутированы , как это происходит с доминирующими по дозе радионуклидами, такими как 129Я ,99Тс и79Se ( растворимые анионы , которые не сорбируются на отрицательно заряженных минералах и не задерживаются в геологических средах). [13]
Распространение ядерного оружия или использование ядерных материалов для создания оружия является проблемой для малых модульных реакторов. Поскольку SMR имеют меньшую генерирующую мощность и физически меньше, они предназначены для развертывания в гораздо большем количестве мест, чем обычные заводы. [54] Ожидается, что SMR существенно сократят численность персонала. Такое сочетание создает проблемы физической защиты и безопасности. [55] [29]
SMR могут быть спроектированы для использования нетрадиционного топлива, что позволяет обеспечить более высокую глубину выгорания и более длительные топливные циклы. [5] Более длительные интервалы между перезарядками могут способствовать снижению рисков распространения. После облучения топлива смесь продуктов деления и делящихся материалов становится высокорадиоактивной и требует особого обращения, что предотвращает случайную кражу.
В отличие от обычных больших реакторов, SMR могут быть адаптированы для установки в герметичной подземной камере; таким образом, «снижая уязвимость реактора к террористической атаке или стихийному бедствию». [43] Новые конструкции SMR повышают устойчивость к распространению, например, конструкции от компании-разработчика реакторов Gen4. Эти модели SMR предлагают решение, способное работать герметично под землей в течение всего срока службы реактора после установки. [43] [56]
Некоторые конструкции SMR рассчитаны на одноразовую заправку. Это повышает устойчивость к распространению, устраняя необходимость в обращении с ядерным топливом на месте, и означает, что топливо может быть запечатано внутри реактора. Однако эта конструкция требует больших объемов топлива, что может сделать ее более привлекательной целью. Легководный SMR мощностью 200 МВт с 30-летним сроком службы активной зоны может содержать около 2,5 тонн плутония в конце срока службы. [29]
Кроме того, многие ММР способны работать более 10 лет без необходимости какой-либо дозаправки, тем самым повышая устойчивость к распространению по сравнению с обычными большими реакторами, которые требуют дозаправки каждые 18–24 месяца. [43]
Легководные реакторы, предназначенные для работы на тории, обеспечивают повышенную устойчивость к распространению по сравнению с обычным урановым циклом, хотя реакторы на расплавленных солях несут в себе значительный риск. [57] [58]
ММР транспортируются с заводов без топлива, поскольку они заправляются топливом на конечном объекте, за исключением некоторых микрореакторов . [59] Это подразумевает независимую транспортировку топлива на объект и, следовательно, увеличивает риск ядерного распространения.
Лицензирование является важным процессом, необходимым для обеспечения безопасности, надежности и гарантий новой ядерной установки. [60] Только VOYGR SMR компании NuScale Power полностью лицензирован для использования в Соединенных Штатах. [61] Однако не все страны следуют стандартам лицензирования NRC или МАГАТЭ. В Соединенных Штатах и странах, присоединившихся к МАГАТЭ, лицензирование основано на строгом, независимом анализе и проверке работы всех структур, систем и компонентов, критически важных для ядерной безопасности в нормальных и аварийных условиях на протяжении всего срока службы установки, включая долгосрочное управление радиоактивными отходами. [62] Лицензирование основано на проверке и изучении исследований оценки риска и файлов безопасности, разработанных изготовителем и эксплуатантом SMR в рамках обоснования безопасности, которое они должны представить органу по безопасности (регулирующему органу) при подаче заявки на получение лицензии на строительство и безопасную эксплуатацию установки. [63] Для лицензирования NRC и МАГАТЭ, безопасность и осуществимость ядерных установок должны учитывать все процессы и элементы, важные для эксплуатационной безопасности, ее сохранности (защита доступа), ядерной безопасности (риск распространения), надлежащего кондиционирования радиоактивных отходов в стабильной физико-химической форме и долгосрочной безопасности, связанной с окончательным захоронением различных типов образующихся радиоактивных отходов, включая все отходы, образующиеся во время операций по демонтажу после вывода установки из эксплуатации. [62] [64] [65] Особенно важным моментом для конечной стадии ядерного топливного цикла является избежание производства плохо кондиционированных отходов или типов отходов, не имеющих устойчивого конечного назначения или подверженных возникновению непредвиденных затрат на переработку и захоронение.
Наиболее распространенный процесс лицензирования, применяемый существующими коммерческими реакторами, предназначен для эксплуатации легководных реакторов ( PWR и BWR ). Ранние проекты крупномасштабных реакторов относятся к 1960-м и 1970-м годам во время строительства парка ядерных реакторов, которые в настоящее время находятся в эксплуатации. Некоторые адаптации первоначального процесса лицензирования, разработанные Комиссией по ядерному регулированию США (NRC), были перепрофилированы для лучшего соответствия конкретным характеристикам и потребностям развертывания блоков SMR. [66] В частности, процесс лицензирования Комиссии по ядерному регулированию США был сосредоточен в основном на обычных реакторах. Технические требования к конструкции и безопасности, человеческие и организационные факторы (включая требования к персоналу) были разработаны для реакторов с электрической мощностью более 700 МВт. [67] [68]
Чтобы обеспечить адекватные руководящие принципы ядерной безопасности, одновременно помогая процессу лицензирования, МАГАТЭ поощряло создание центральной системы лицензирования для ММР. [69] Семинары в октябре 2009 года и еще один в июне 2010 года рассматривали эту тему, за которыми последовали слушания в Конгрессе США в мае 2010 года.
NRC и Министерство энергетики США работают над определением лицензирования SMR. Задача содействия разработке SMR заключается в предотвращении ослабления правил безопасности: риск более быстрого принятия облегченных правил заключается в снижении характеристик безопасности SMR. [70] [71] [72] Хотя развертывание идентичных систем, построенных на заводах-изготовителях с улучшенным контролем качества, можно считать преимуществом, SMR остаются ядерными реакторами с очень высокой плотностью энергии , и их меньший размер сам по себе не является неотъемлемой гарантией лучшей безопасности. Любая серьезная авария с внешним выбросом радиоактивного загрязнения может иметь потенциально серьезные последствия, не столь отличающиеся от последствий большого реактора LWR. Это также, вероятно, будет означать окончательный отказ общественности от ядерной энергетики и конец ядерной промышленности . Потенциальное «распространение» большого парка SMR и большое разнообразие их конструкций также усложняют процесс лицензирования. Ядерная безопасность не может быть принесена в жертву промышленным или экономическим интересам, а риск ядерной аварии возрастает с количеством находящихся в эксплуатации реакторов, малых или больших.
Ожидалось, что программа демонстрации усовершенствованных реакторов США поможет лицензировать и построить два прототипа ММР в течение 2020-х годов, при этом государственное финансирование составит до 4 миллиардов долларов. [73]
В июле 2024 года Закон ADVANCE поручил Комиссии по ядерному регулированию США разработать процесс лицензирования и регулирования конструкций микрореакторов. Закон призван ускорить внедрение микрореакторов, среди других ядерных технологий. [74]
Малые ядерные реакторы, по сравнению с обычными атомными электростанциями, предлагают потенциальные преимущества, связанные с гибкостью их модульной конструкции. [43] Можно было бы постепенно подключать дополнительные блоки к сети в случае увеличения электрической нагрузки. Кроме того, эта гибкость в стандартизированной конструкции SMR, вращающейся вокруг модульности, могла бы обеспечить более быстрое производство при снижении затрат после завершения первого реактора на месте. [43] [56]
Гипотетическая гибкость и модульность SMR призваны обеспечить установку дополнительных мощностей генерации электроэнергии на существующих электростанциях. На одной площадке можно разместить несколько SMR, один из которых будет отключен для дозаправки, а другие реакторы останутся в работе, как это уже происходит в случае с обычными более крупными реакторами. [43]
Когда электрическая энергия не нужна, некоторые проекты SMR предусматривают прямое использование тепловой энергии, минимизируя таким образом потери энергии. Это включает в себя « опреснение , промышленные процессы, производство водорода , добычу сланцевой нефти и централизованное теплоснабжение », для которых существующие обычные более крупные реакторы не предназначены. [43] [75]
Ключевым фактором интереса к SMR является заявленная экономия масштаба в производстве, из-за массового производства на заводе за пределами площадки. Некоторые исследования вместо этого обнаруживают, что капитальные затраты на SMR эквивалентны более крупным реакторам. [77] Для строительства завода необходим значительный капитал — для снижения этих затрат требуется значительный объем, оцениваемый в 40–70 единиц. [78] [79]
Другим потенциальным преимуществом является то, что будущая электростанция, использующая SMR, может начать с одного модуля и расширяться, добавляя модули по мере роста спроса. Это снижает затраты на запуск, связанные с традиционными конструкциями. [80] Некоторые SMR также имеют конструкцию , следующую за нагрузкой , так что они могут производить меньше электроэнергии, когда спрос низкий.
Согласно исследованию 2014 года по производству электроэнергии в децентрализованных микросетях, общая стоимость использования ММР для выработки электроэнергии будет значительно ниже по сравнению с общей стоимостью офшорной ветроэнергетики , солнечной тепловой энергии , биомассы и солнечных фотоэлектрических электростанций. [81]
В 2016 году было заявлено, что затраты на строительство одного реактора SMR ниже, чем для обычной атомной станции, в то время как затраты на эксплуатацию могут быть выше для SMR из-за низкой масштабируемости и большего количества реакторов. Эксплуатационные расходы персонала SMR на единицу продукции могут быть на 190% выше, чем фиксированные эксплуатационные расходы меньшего количества крупных реакторов. [82] Модульное строительство — очень сложный процесс, и, согласно отчету за 2019 год, «крайне ограниченная информация о транспортировке модулей SMR». [14]
Расчет себестоимости производства, проведенный Немецким федеральным управлением по безопасности обращения с ядерными отходами (BASE), с учетом экономии масштаба и эффектов обучения в ядерной промышленности, предполагает, что в среднем должно быть произведено 3000 SMR, прежде чем производство SMR станет выгодным. Это связано с тем, что стоимость строительства SMR относительно выше, чем у крупных атомных электростанций из-за низкой электрической мощности. [83]
В 2017 году в рамках проекта реформирования энергетической инновации (EIRP) было проведено исследование восьми компаний, в ходе которого рассматривались конструкции реакторов мощностью от 47,5 МВт до 1648 МВт. [84] В исследовании сообщалось о средней капитальной стоимости в размере 3782 долл. США/кВт, средней общей стоимости эксплуатации в размере 21 долл. США/МВт·ч и приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) в размере 60 долл. США/МВт·ч.
В 2020 году основатель Energy Impact Center Брет Кугельмасс заявил, что тысячи SMR могут быть построены параллельно, «тем самым сокращая расходы, связанные с длительными сроками заимствования для затянутых графиков строительства и снижая премии за риск, которые в настоящее время связаны с крупными проектами». [85] Исполнительный вице-президент GE Hitachi Nuclear Energy Джон Болл согласился, заявив, что модульные элементы SMR также помогут сократить расходы, связанные с длительными сроками строительства. [85]
В октябре 2023 года в научной статье, опубликованной в журнале Energy, были собраны основные экономические данные по 19 более разработанным проектам SMR и последовательно смоделированы их затраты. Моделирование методом Монте-Карло показало, что ни один из них не был прибыльным или экономически конкурентоспособным. Для более близких к рынку PWR SMR медиана LCOE варьировалась от 218 до 614 долларов США/МВт·ч (в долларах США 2020 года) с более низкими оценками первого квартиля от 188 до 385 долларов США/МВт·ч. Три проекта высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов , которым требовалось больше времени на разработку, имели более низкие медианные LCOE от 116 до 137 долларов США/МВт·ч. [86]
Первым проектом по развертыванию SMR в США был проект Carbon Free Power Project , в рамках которого планировалось развернуть шесть реакторов NuScale мощностью 77 МВт , что меньше двенадцати в более ранних планах. Расчетная целевая цена генерации электроэнергии после субсидий составила 89 долларов США за МВт·ч в 2023 году, что выше 58 долларов США за МВт·ч в 2021 году. Увеличение стоимости генерации привело к решению об отмене проекта в ноябре 2023 года. [76] До отмены проект получил премию в размере 1,355 млрд долларов США за разделение затрат на строительство от правительства США в 2020 году [87] плюс предполагаемую субсидию на генерацию в размере 30 долларов США за МВт·ч в соответствии с Законом о снижении инфляции 2020 года . [88] Несубсидированные оценки затрат при отмене составляли капитальные затраты в размере 20 139 долларов США за кВт и стоимость генерации в размере 119 долларов США за МВт·ч. [89] Это вызвало обеспокоенность относительно коммерческих перспектив других проектов SMR в США. [90]
В 2024 году австралийский научно-исследовательский орган CSIRO подсчитал, что электроэнергия, произведенная в Австралии с помощью SMR, построенной с 2023 года, будет стоить примерно в 2,5 раза больше, чем произведенная традиционной крупной атомной электростанцией, а к 2030 году эта цифра снизится примерно до 1,6 раза. [91] [92]
Было предложено множество конструкций реакторов. Известные конструкции SMR:
Указанная мощность относится к мощности одного реактора, если не указано иное.
Ожидается, что SMR потребуют меньше земли, например, реактор SMR Rolls-Royce мощностью 470 МВт с тремя петлями должен занять 40 000 м2 ( 430 000 кв. футов), что составляет 10% от площади, необходимой для традиционной установки. [142] Этот блок слишком велик, чтобы соответствовать определению Международного агентства по атомной энергии, согласно которому SMR должен быть меньше 300 МВт [143], и потребует больше строительства на месте, что ставит под сомнение заявленные преимущества SMR. Фирма нацелена на 500-дневное время строительства. [144]
Потребности в электроэнергии в отдаленных районах обычно невелики и изменчивы, что делает их подходящими для небольших установок. [145] Меньший размер также может снизить необходимость доступа к большой сети для распределения их продукции.
В феврале 2014 года в Аргентине стартовал проект CAREM SMR с гражданского строительства здания защитной оболочки прототипа реактора. Аббревиатура CAREM означает Central ARgentina de Elementos Modulares . Национальная комиссия по атомной энергии ( исп . Comisión Nacional de Energía Atómica , CNEA), правительственное агентство Аргентины , отвечающее за исследования и разработки в области ядерной энергетики, и Nucleoeléctrica Argentina , национальная компания по ядерной энергии, сотрудничают для достижения реализации проекта. [146]
CAREM-25 — прототип 25 МВт, первая атомная электростанция, полностью спроектированная и разработанная в Аргентине. [146] Проект несколько раз приостанавливался, прежде чем был возобновлен. В октябре 2022 года CNEA ожидала, что строительные работы будут завершены к 2024 году. Если строительство продолжится по плану, первый критический пуск CAREM-25 ожидается к концу 2027 года. [146]
В 2018 году канадская провинция Нью-Брансуик объявила, что инвестирует 10 миллионов долларов в демонстрационный проект на атомной электростанции Point Lepreau . [147] Позже было объявлено, что сторонники SMR Advanced Reactor Concepts [148] и Moltex [149] откроют там офисы. Один блок планируется построить на атомной электростанции Point Lepreau в Канаде в июле 2018 года. И Moltex, и ARC Nuclear борются за контракт. [150] [151]
1 декабря 2019 года премьер-министры Онтарио , Нью-Брансуика и Саскачевана подписали меморандум о взаимопонимании (MoU) [152], «обязуясь сотрудничать в разработке и развертывании инновационных, универсальных и масштабируемых ядерных реакторов, известных как малые модульные реакторы (SMR)». [153] В августе 2020 года к ним присоединилась Альберта . [154] При постоянной поддержке граждан и государственных чиновников удалось реализовать выбранный SMR в Канадской ядерной лаборатории. [32]
В 2021 году компания Ontario Power Generation объявила, что планирует построить BWRX-300 SMR на своей площадке в Дарлингтоне , строительство должно быть завершено к 2028 году. Лицензию на строительство еще нужно было получить. [155]
11 августа 2022 года Invest Alberta, государственная корпорация Альберты, подписала меморандум о взаимопонимании с Terrestrial Energy относительно IMSR в Западной Канаде через межпровинциальный меморандум о взаимопонимании, к которому она присоединилась ранее. [156]
В июле 2019 года Китайская национальная ядерная корпорация объявила, что построит ACP100 SMR на северо-западной стороне существующей атомной электростанции Чанцзян в Чанцзяне , провинция Хайнань , к концу года. [157] 7 июня 2021 года демонстрационный проект, названный Linglong One , был одобрен Национальной комиссией по развитию и реформам Китая. [158] В июле Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) начала строительство, [159] а в октябре 2021 года было установлено дно защитной оболочки первого из двух блоков. Это первый в мире коммерческий наземный прототип SMR. [26]
В августе 2023 года был установлен основной модуль. Основной модуль включает в себя интегрированный сосуд высокого давления , парогенератор , первичный насосный приемник. Планируемая мощность реактора составляет 125 МВт. [160]
В начале 2023 года Électricité de France (EDF) создала новую дочернюю компанию для разработки и строительства нового SMR под названием Nuward. Это был проект мощностью 340 МВт с двумя независимыми легководными реакторами по 170 МВт. Двойные реакторы были укрыты в одном здании защитной оболочки, разделяя большую часть своего оборудования. [161] В августе 2023 года EDF представила обоснование безопасности для Nuward в Autorité de Sûreté nucléaire (ASN), французский орган безопасности. [162]
В июле 2024 года компания EDF объявила, что прекращает существующий процесс проектирования для Nuward и будет работать над проектом SMR на основе существующих, а не инновационных технологий, после обсуждений с потенциальными заказчиками SMR. [112] [113]
Польская химическая компания Synthos объявила о планах по развертыванию реактора Hitachi BWRX-300 (300 МВт) в Польше к 2030 году. [163] Технико-экономическое обоснование было завершено в декабре 2020 года, и начался процесс лицензирования с Польским национальным агентством по атомной энергии. [164]
В феврале 2022 года NuScale Power и крупный горнодобывающий конгломерат KGHM Polska Miedź объявили о подписании контракта на строительство первого действующего реактора в Польше к 2029 году. [165]
По случаю Конференции ООН по изменению климата 2021 года государственная румынская атомная энергетическая компания Nuclearelectrica и NuScale Power подписали соглашение о строительстве электростанции с шестью малыми ядерными реакторами на электростанции Doicești , на месте бывшей угольной электростанции , расположенной недалеко от деревни Doicești , уезда Дымбовица , в 90 км к северу от Бухареста . Предполагается, что проект будет завершен к 2026–2027 годам, что сделает электростанцию первой в своем роде в Европе. Ожидается, что электростанция будет вырабатывать 462 МВт, обеспечивая потребление около 46 000 домохозяйств и поможет избежать выброса 4 миллионов тонн CO 2 в год. [166] [167] [168]
Россия начала размещать на своем арктическом побережье малые ядерные реакторы, размещенные на борту ледоколов . В мае 2020 года в Певеке , Россия, начал работу первый прототип плавучей атомной электростанции с двумя реакторами мощностью 30 МВт — тип КЛТ-40 . [9] Эта концепция основана на конструкции атомных ледоколов. [25]
В 2016 году сообщалось, что правительство Великобритании оценивало площадки для SMR в Уэльсе , включая бывшую атомную электростанцию Trawsfynydd , а также площадки бывших атомных или угольных электростанций в Северной Англии . Существующие атомные площадки, включая Bradwell , Hartlepool , Heysham , Oldbury , Sizewell , Sellafield и Wylfa , были заявлены как возможные варианты. [169] Целевая стоимость блока SMR Rolls-Royce мощностью 470 МВт составляет 1,8 млрд фунтов стерлингов для пятого построенного блока. [170] [171] В 2020 году сообщалось, что Rolls-Royce планирует построить до 16 SMR в Великобритании. В 2019 году компания получила 18 млн фунтов стерлингов на начало проектирования модульной системы. [172] В 2021 году британское правительство выделило Rolls-Royce дополнительные 210 миллионов фунтов стерлингов, а также 195 миллионов фунтов стерлингов, предоставленных частными фирмами. [173] В ноябре 2022 года Rolls-Royce объявила, что площадки в Траусфинидде , Вилфе, Селлафилде и Олдбери будут в первую очередь оценены как потенциальные места для размещения нескольких ММР. [174]
В июле 2023 года британское правительство запустило проект Great British Nuclear для проведения конкурса на создание ММР и будет совместно финансировать любой жизнеспособный проект. [175]
Министерство энергетики США подсчитало, что первый SMR в Соединенных Штатах будет завершен компанией NuScale Power около 2030 года, [176] но эта сделка с тех пор сорвалась после того, как клиенты отказались из-за роста затрат. [177] [7] У Соединенных Штатов есть планы на несколько модульных реакторов. Dominion Energy Virginia сейчас принимает предложения. [178] По данным Utility Dive, в США есть почти 4 гигаватта в объявленных проектах SMR в дополнение к почти 3 ГВт на ранних стадиях разработки или предразработки. [179]
ММР различаются по персоналу, безопасности и времени развертывания. [180] Исследования правительства США по оценке рисков, связанных с ММР, как утверждается, замедлили процесс лицензирования. [115] [181] [182] Одной из основных проблем, связанных с ММР и их большим количеством, необходимым для достижения экономической рентабельности, является предотвращение распространения ядерного оружия . [55] [183]
Standard Power, поставщик инфраструктуры как услуги для передовых компаний по обработке данных, принял решение о сотрудничестве с NuScale Power и ENTRA1 Energy для разработки объектов на базе SMR в Пенсильвании и Огайо, которые вместе будут производить около двух гигаватт чистой и надежной энергии. [184]
NuScale Power работает с Dairyland Power из Висконсина, чтобы оценить электростанции VOYGR SMR для потенциального развертывания. Лидер США в области технологий SMR считает, что его возможности отслеживания нагрузки могут быть использованы для поддержки существующего портфеля возобновляемых источников энергии Dairyland, а также для содействия росту. Кроме того, электростанции VOYGR хорошо подходят для замены выбывающих угольных электростанций Dairyland, сохраняя критически важные рабочие места и помогая сообществам перейти на декарбонизированную энергетическую систему. [185]
NuScale Power сотрудничает с Associated Electric Cooperative Inc. (Associated) в Миссури для оценки развертывания электростанций VOYGR SMR в рамках комплексной проверки Associated с целью поиска надежных и ответственных источников энергии. [186]
Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) объединилась с Energy Northwest для изучения возможности размещения реактора NuScale Power в Айдахо , возможно, в Национальной лаборатории штата Айдахо Министерства энергетики . [187] [76] Известный как проект Carbon Free Power , проект был отменен в ноябре 2023 года по соображениям стоимости. [76] NuScale заявила в январе 2023 года, что целевая цена на электроэнергию от станции составит 89 долларов за мегаватт-час, что на 53% больше предыдущей оценки в 58 долларов за МВт-ч, что вызывает опасения относительно готовности потребителей платить. [188] Тем не менее, возросшие оценки затрат остаются значительно ниже традиционной ядерной энергетики, используемой для коммерческих объектов и большинства других менее надежных и более опасных для окружающей среды форм производства электроэнергии. [189]
Атомная электростанция Галена в Галене , Аляска , была предложенной установкой микроядерного реактора. Это было потенциальное развертывание реактора Toshiba 4S . [190] Проект был «фактически остановлен». Toshiba так и не начала дорогостоящий процесс одобрения, требуемый Комиссией по ядерному регулированию США.
Хотя рассматриваемый в настоящее время SMR еще не получил лицензию NRC, Tennessee Valley Authority получил разрешение на получение предварительного разрешения на размещение SMR на своей ядерной площадке Clinch River в Теннесси в декабре 2019 года. [191] Это ESP действительно в течение 20 лет и касается безопасности площадки, защиты окружающей среды и готовности к чрезвычайным ситуациям. Это ESP применимо к любой конструкции SMR с легководным реактором, разрабатываемой в Соединенных Штатах. [192]
Алексей Лихачев, генеральный директор государственной корпорации по атомной энергии "Росатом", заявил, что "Академик Ломоносов" стал первой в мире атомной электростанцией, работающей на технологии SMR и вырабатывающей электроэнергию.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )