Несмотря на громкие заявления о взятом на «зеленую энергетику» курсе, прогрессивные страны в условиях сегодняшнего энергокризиса стали наращивать долю ископаемого топлива в своей энергетической системе. Дошло до того, что начали открывать закрытые когда-то с благими намерениями угольные электростанции. Однако зеленая повестка продолжает давить — на статусность в первую очередь — и, одновременно с попытками заменить углеводородное топливо возобновляемыми источниками (не всегда успешными), государства все чаще вспоминают про энергию атома.
Стигматизированная всего двумя крупными авариями на атомных станциях — Чернобыльской в 1986 году и в Фукусиме в 2011 году, ядерная энергетика сегодня обретает вторую жизнь. Несмотря на некоторые крайности, вроде стремления ФРГ закрыть все ядерные реакторы к концу 2022 года (действующих на территории страны осталось всего три), в Европе стали более лояльно относиться к перспективам наращивания ядерных мегаватт.
Франция, например, как наиболее активный пользователь атомной энергии в Евросоюзе, планирует построить 14 новых ядерных реакторов. Эммануэль Макрон объявил о том, что государственная корпорация Électricité de France (EDF) в 2028 начнет строительство шести новых станций, плюс еще восемь должны быть построены к 2050 году. Это заявление прозвучало через несколько недель после того, как в ноябре 2021 года Еврокомиссия объявила о планах признать ядерную энергию экологически безопасной (sustainable energy). Самое время, ибо уже сейчас 26% всей производимой ЕС электроэнергии приходится на АЭС.
Между тем, в энергетической сфере все чаще ведутся разговоры о неуместности (а также дороговизне и слишком большом сроке ввода в эксплуатацию) больших ядерных реакторов и перспективах малых модульных реакторов (ММР) или атомных станций малой мощности (АСММ). Само по себе уменьшение размеров не только позволяет расширить круг клиентов, которые могут себе позволить атомную станцию финансово и с точки зрения совместимости с размером своей электросети, но и изменить отношение общественности к атомной энергетике.
Почувствовав, куда дует ветер, многие энергетические (и не только) компании стали создавать проекты, направленные на поиск технических решений и коммерческого использования малых модульных реакторов. Об этом говорит и рост патентов в этой области. Насколько перспективно это будущее? Какие подводные камни таят в себе мини-атомные станции «на заднем дворе»?
Что такое ММР?
Сегодня существует несколько основных вариантов ММР: реакторы на быстрых нейтронах, например, 4S от Toshiba и PRISM от General Electric/Hitachi, высокотемпературные реакторы с графитовым замедлителем, а также и различные виды реакторов на расплавах солей, например, урановой (американско-канадский проект IMSR от Terrestrial Energy) или ториевой (LTFR от Flibe Energy). Но преобладают в проектах традиционные водные решения, разработчики которых надеются достичь конкурентной стоимости проектов за счет упрощения конструкции. Это, прежде всего, проекты Westinghouse SMR, корейский KAERI SMART, китайский ACP100, российский КЛТ-40С и РИТМ-200 или французский подводный Flexblue.
Их преимущества видны невооруженным глазом. К энергосистемам, в которых работают такие реакторы, предъявляются облегченные требования, сами установки будут дешевле при массовом производстве, проще в эксплуатации, и быстрее в строительстве. Весь комплект оборудования можно производить в заводских условиях в модульном серийном исполнении с минимальным объёмом строительно-монтажных работ непосредственно на предполагаемой площадке.
Кроме того, компактный дизайн позволит размещать реакторы под землей, что повысит безопасность как самих станций в случае природных катаклизмов, так и защиту окружающей среды в случае серьезной аварии на самой станции. Кроме того, большинство типов реакторных установок, предлагаемые для АСММ, относятся к реакторам IV поколения и исключают возможности аварий типа Чернобыльской за счет свойств естественной безопасности.
Поскольку многие малые АЭС нацелены на работу в удаленных районах, они рассчитаны и на более длительную работу без сложного обслуживания. То же касается и снабжения их топливом. Если в обычных АЭС используется урановое топливо, обогащенное по изотопу урана-235 до 5%, то во многих малых АЭС планируется использовать более обогащенное топливо — до 20% по урану-235. Поэтому в отличие от обычной АЭС, которую нужно примерно раз в год-полтора останавливать на несколько недель для перегрузки топлива, малые АЭС могут работать без перегрузки топлива по нескольку лет или даже десятилетий.
Процесс начался
Только за последнее десятилетие несколько именитых компаний разработали небольшие ядерные реакторы с мощностью, сравнимой с большими коммерческими судами. Например, Toshiba создала установку 4S мощностью 10 МВт, компания Hyperion сосредоточилась на разработке установки мощностью 25 МВт, а NuScale Power спроектировала установку мощностью 50 МВт, которую уже сертифицировали в США.
В 2022 году Комиссия по ядерному регулированию США уже рассматривает заявку компании на реактор мощностью в 60 мегаватт. Практические шаги не заставили себя ждать. В феврале 2022 NuScale подписала окончательное коммерческое соглашение с польской компанией KGHM Polska Miedź SA о развертывании электростанции VOYGR мощностью до 924 МВт в 2029 году для поддержки производства меди и серебра корпорации KGHM в Польше.
Впрочем, если Европа только тестирует новые проекты на своем арьергарде, то в Азии дело идет полным ходом. Летом 2021 года в Китае начали строить первый коммерческий наземный ММР атомный реактор на 125 МВт. И это уже серьезная мощность.
Ставшая в сторонку от Европы Великобритания, в лице Национальной ядерной лаборатории рассчитывает, что объем мирового рынка ММР к 2035 году может составить 65−85 ГВт и оценивается в £250−400 млрд ($300−500 млрд). В авангарде изобретательской деятельности этой страны стоят Rolls-Royce и Tokamak Energy. Первая разрабатывает SMRs для использования в Великобритании, в то время как вторая сосредоточена на разработке технологии ядерного синтеза.
Патентный ландшафт ММР
Мировой патентный ландшафт в области ядерной энергетики показывает, что это довольно перспективная область. Причем, началось все, судя по некоторым заявкам на патенты, еще в 80-е годы прошлого века. Патентная активность особенно высока в Китае и США. В Европе лидирует в этой области Франция. Так, Французский комиссариат атомной энергии зарегистрировал в США патент №7 154 982 на «Компактный ядерный реактор с водой под давлением» еще в декабре 2006 года.
Toshiba также предпринимает меры по защите своей интеллектуальной собственности в США. В проектной документации на реактор 4S, который способен работать 30 лет без перезагрузки, указывается, что он будет работать на обогащенном уране или плутонии. Патент США № 20090190710, опубликованный 30 июля 2009 года, описывает компонент реактора, способствующий вытеканию из активной зоны большего количества быстрых нейтронов. Шесть таких устройств окружают активную зону реактора, вытесняя жидкий натрий, который обычно отражает нейтроны обратно в ядерное топливо.
Если говорить о более современных стартапах, то в августе 2022 года американская компания NuScale Power получила одобрение Комиссии по ядерному регулированию США на конструкцию первого малого модульного реактора мощностью в 60МВт. У этого проекта, как показывают последние события, есть все шансы быстро распространиться по Европе. Условный масштаб реактора NuScale. Источник: yandex
PRISM расшифровывается как Power Reactor Innovative Small Module – «энергетический реактор инновационный с малыми модулями». В основе проекта лежат разработки 80-90-ых годов Аргоннской национальной лаборатории (США). Важно добавить, что PRISM будет жить не сам по себе, а в составе замкнутого ядерного цикла.
Рядом с модулями PRISM на той же площадке должен располагаться центр переработки топлива (Advanced Recycling Center, ARC) — то есть концепция PRISM предполагает пристанционный топливный цикл. Для переработки отработанного топлива планируется использовать запатентованную электрометаллургическую технологию.
Что касается российских разработчиков, то в мае этого года АО «НИИ НПО «ЛУЧ» (входящее в «Росатом») представило и запатентовало образцы волоконных уран-ниобиевых топливных элементов (твэлов) разной модификации для предстоящих реакторных испытаний. Твэлы устанавливаются на ММР, которые планируют использовать в условиях Крайнего Севера, где практически отсутствует энергетическая и транспортная инфраструктура. Для изготовления твэлов решено не применять цирконий, что позволит снизить стоимость их производства.
Еще один патент в багаже «Росатома», полученный в этом году – это евразийский патент № 40 000, выданный предприятиям корпорации Атомэнергопроекту и Науке и инновациям. Их инженеры разработали новейшую технологию повышения уровня безопасности АЭС. Она позволяет увеличить эффективность охлаждения расплава активной зоны ядерного реактора (любого, не только ММР) и снять тепловую нагрузку с зеркала расплава, а также полностью исключает вероятность парового взрыва при отводе тепла.
Кстати, проект малой элетростанции существовал в СССР еще с 1991 года. Это АТЭС «Елена», которую разработали инженеры Курчатовского института, и прототип которой до сих пор работает на территории института. В собранном виде станция представляет собою цилиндр диаметром 4,5 и высотой 15 метров. Масса установки — 168 тонн. Установка разбирается на блоки массой не более 20 тонн, которые можно доставить в любую точку страны и собрать на месте за 3—4 месяца. Теплофикационная мощность «Елены» — около трех мегаватт, а электрическая — порядка 100 киловатт. Этого достаточно, чтобы обеспечить теплом и светом небольшой поселок. Станция монтируется в шахте глубиной 15—25 метров и наглухо закрывается бетонными перекрытиями. И ей не страшны ни землетрясение силой до 8 баллов, ни падение самолёта со взрывом его горючего и пожаром.
Не без ложки дегтя
Радужные перспективы малых модульных реакторов затмевает исследование ученых из Стэндфордского университета и Университета Британской Колумбии. Они изучили реакторы компаний NuScale Power, Toshiba и Terrestrial Energy, и пришли к выводу, что малые модульные реакторы для выработки сопоставимых объёмов энергии будут производить гораздо больше радиоактивных отходов, чем обычные мощные легководные реакторы.
Их работа показывает, что ММР будут производить в 5 раз больше отработанного ядерного топлива (ОЯТ), в 30 раз больше долгоживущих высокорадиоактивных отходов и в 35 раз больше отходов с низким и средним уровнем радиоактивности. Кроме того, отходы малых реакторов будут более химически активные, а это сулит серьёзные проблемы с утилизацией. Эта сторона вопроса досконально не изучена, утверждают авторы материала, вызвавшего негодование сторонников ММР.
Еще одним минусом становится стоимость киловатт-часа, вырабатываемого компактным реактором. В том же проекте Toshiba 4S, стоимость электроэнергии от ректора на 10 МВт (эксперимент проводился в г.Галена на Аляске) получалась в районе 56 центов за кВтч, что заметно дороже даже электроэнергии с дизельных генераторов. Проект плавучей малой АЭС (ПАТЭС) «Академик Ломоносов» в своем варианте, не финансируемом государством, имел бы стоимость электроэнергии в районе 60 рублей за кВтч.Регулирование основных вопросов
На высокую цену ММР влияет тот факт, что атомные регуляторы относятся к малым станциям, как к большим. Охрана малых энергоблоков требуется вполне серьезная, а отработанное ядерное топливо везде одинаковое. Но на полноразмерных АЭС с ним справляется полноценная дорогостоящая инфраструктура, а конструкторы АСММ стремятся вынести ее за пределы станций и в идеале перевозить модули ядерных реакторов на специальный завод для разгрузки (хотя, существующее законодательство не позволяет этого делать).
Тем не менее, одним из государств, активно меняющим атомное законодательство под строительство малых реакторов, является Соединенное Королевство. В 2017 году Национальная ядерная лаборатория Великобритании провела анализ технической зрелости и применимости существовавших в мире на тот момент проектов АСММ по критериям их готовности к обоснованию безопасности по существующим подходам, техническим рискам, доступным разработчикам ресурсам и экономическим перспективам. Как итог в 2018 году стартовала программа по созданию инфраструктуры малых реакторов, включающая в себя прежде всего настройку законодательства с целью упростить сертификацию АСММ, но также подразумевающая грантовое финансирование в размере $262 млн английских, американских и канадских разработчиков малых реакторов и компонентов.
Если говорить о сегодняшнем дне, то рынка АЭС малой мощности не существует. Но при условии продолжающегося давления на традиционную энергетику, изменения общественного отношения к образу атомной станции и потенциального объема строительства, за этот мифический рынок уже разворачивается настоящая борьба. Судя по всему, в ближайшее время реализация первых проектов ММР определит направление движения этого рынка, его объем и спасительную роль, как для атомной промышленности, так и для экологии.
Все услуги нашей компании по защите вашей интеллектуальной собственности вы можете найти здесь.
Купон JOURNALPATENT дает вам скидку в 4000 рублей на патентование одного изобретения.