Малые АЭС и модульные реакторы: от Билибино до «Академика Ломоносова»

• до 300 МВтэлектрическая мощность малого реактора по классификации МАГАТЭ
• до 10 МВтэлектрическая мощность микрореактора
• 1974дал ток первый блок Билибинской АТЭЦ на Чукотке
• 2 × 35 МВтреакторы КЛТ-40С плавучей станции «Академик Ломоносов»

Что считают малой АЭС

По классификации МАГАТЭ к малым относят реакторы электрической мощностью до 300 МВт. Для сравнения: энергоблок с ВВЭР-1200 выдаёт около 1200 МВт — как устроена такая станция, рассказано в статье «Как работает атомная электростанция». Самые маленькие установки, мощностью примерно до 10 МВт, выделяют в отдельную группу микрореакторов. В российских документах малые станции называют атомными станциями малой мощности, сокращённо АСММ.

Малыми были и первые атомные станции: Обнинская АЭС давала 5 МВт. Потом энергетика пошла по пути укрупнения — чем мощнее блок, тем дешевле каждый его киловатт, — и блоки выросли до тысячи мегаватт и больше. Интерес к малым реакторам вернулся, когда стало ясно, что большая мощность нужна не везде, а многолетняя стройка гигантского блока — дорогое и рискованное дело.

Мощность: от первой АЭС до блока с ВВЭР-1200

• 5Обнинская АЭС
• до 10микрореакторы
• до 300малые реакторы по МАГАТЭ
• ≈ 1200энергоблок с ВВЭР-1200

Шкала логарифмическая: каждое деление — в десять раз больше предыдущего.

Что значит «модульный»

Малые реакторы нового поколения часто называют малыми модульными — по-английски SMR, small modular reactor. Слово «модульный» означает здесь две вещи. Во-первых, станцию по возможности собирают из крупных узлов заводского изготовления: реактор, оборудование, а иногда и готовые блоки зданий делают на заводе, везут по железной дороге, автодорогам или по воде и монтируют на площадке. Во-вторых, мощность станции можно наращивать, добавляя одинаковые реакторные модули по мере роста спроса.

Расчёт в том, что работа в заводском цехе быстрее и предсказуемее, чем на открытой площадке, а каждый следующий одинаковый модуль обходится дешевле предыдущего. Для машиностроения это переход от уникальных изделий к серийным.

Зачем нужны малые станции

Крупный энергоблок выгоден там, где есть мощная энергосистема и много потребителей. У малой станции свои ниши.

• Удалённые и изолированные районы. Многие посёлки Крайнего Севера, Арктики и Дальнего Востока не связаны с единой энергосистемой и живут от дизельных электростанций. Топливо для них завозят на год вперёд в короткую навигацию — это северный завоз, — и электроэнергия обходится в разы дороже, чем в центральных районах. Реактору же одной загрузки топлива хватает на годы.
• Острова и побережья, где нет ни места для крупной станции, ни сети, способной принять её мощность.
• Промышленные потребителирудники и горно-обогатительные комбинаты, которые открывают там, где есть руда, а не линии электропередачи.
• Тепло. Малую станцию можно поставить ближе к городу и отапливать его, а высокотемпературные реакторы способны давать технологическое тепло для химической промышленности и металлургии.
• Опреснение морской воды в засушливых прибрежных районах.
• Небольшие энергосистемы. Блок не должен быть слишком крупным для своей сети: если он внезапно отключится, сеть потеряет слишком большую долю мощности. Для малой страны или изолированного района гигаватт в одном блоке — не по размеру.
• Замена старых угольных станцийна их площадках уже есть подключение к сети и водоснабжение.

Сильные и слабые стороны

Что выигрывают

Главный плюс — масштаб вложений. Малая станция требует меньше денег единовременно и, по замыслу, строится быстрее: значительная часть работ переносится с площадки на завод. Вводить мощность можно постепенно, модуль за модулем.

Есть выигрыш и в безопасности. Чем меньше реактор, тем меньше в нём накоплено радиоактивных веществ и тем меньше остаточное тепло после остановки. Отношение поверхности к объёму у малого реактора больше, поэтому отвести тепло проще, и во многих проектах это делает естественная циркуляция без насосов. В реакторах интегральной компоновки, где парогенераторы стоят внутри корпуса, нет трубопроводов первого контура большого диаметра, а значит, и аварий с их разрывом. О том, как устроены пассивные системы, рассказано в статье «Безопасность АЭС».

Наконец, многие малые реакторы рассчитаны на длинную кампанию: топливо в них меняют не раз в год-полтора, как на крупных блоках, а раз в несколько лет.

Чем платят

Главная проблема — экономика. Многие затраты не уменьшаются пропорционально мощности: проектирование и лицензирование, охрана, системы контроля, персонал. Поэтому киловатт мощности малой станции обычно дороже, чем крупной. Компенсировать это рассчитывают серийным производством, но эффект серии появится, только когда одинаковых установок построят много.

Есть и вопросы эксплуатации. Станцию в отдалённом районе нужно обслуживать, ремонтировать и охранять, а свежее и отработавшее топливо — доставлять и вывозить за тысячи километров. Для длинной кампании многим проектам нужно топливо с более высоким обогащением, чем у больших блоков, хотя и ниже 20 %; о том, как делают топливо и что с ним происходит после реактора, рассказано в статье «Ядерный топливный цикл». Наконец, каждая новая конструкция проходит полный путь обоснования безопасности и лицензирования, а нормы во многих странах исторически писали под крупные блоки.

Слева — крупный энергоблок мощностью около 1200 МВт, справа — малая плавучая АЭС с двумя реакторами общей электрической мощностью около 70 МВт у берега изолированного посёлка. Малые станции ставят там, где нет больших сетей и потребителей.

Билибино: атомное тепло на Чукотке

Опыт малых АЭС в России начался задолго до моды на модульные реакторы. В 1974 году на Чукотке, в золотодобывающем районе, дал ток первый блок Билибинской атомной теплоэлектроцентрали — АТЭЦ. К концу 1976 года заработали все четыре блока по 12 МВт электрической мощности, всего 48 МВт.

Станцию строили для изолированного района: Чаун-Билибинский энергоузел не связан с единой энергосистемой страны, а топливо для обычных электростанций сюда пришлось бы везти морем и по зимникам. Атомная станция давала не только электроэнергию, но и тепло — для Билибино и горных предприятий.

Реакторы ЭГП-6 — канальные уран-графитовые: нейтроны замедляет графит, а вода кипит прямо в каналах активной зоны, и пар идёт на турбину без промежуточного контура. Особенность конструкции — естественная циркуляция теплоносителя, без главных циркуляционных насосов. Станцию построили в зоне вечной мерзлоты, а её систему охлаждения приспособили к работе в полярных условиях.

Билибинская АТЭЦ десятилетиями снабжала район электроэнергией и теплом и показала главное: небольшая атомная станция может надёжно работать там, куда любое другое топливо приходится везти за тысячи километров.

«Академик Ломоносов»: станция, которую привели на буксире

Следующий шаг сделали на воде. Плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов» состоит из плавучего энергоблока — несамоходного судна длиной 144 м с двумя реакторами КЛТ-40С — и береговой инфраструктуры в Певеке на Чукотке: причала и сооружений для выдачи электроэнергии и тепла в город.

КЛТ-40С — наследники реакторов КЛТ-40 и КЛТ-40М атомного лихтеровоза «Севморпуть» и ледоколов «Таймыр» и «Вайгач». Тепловая мощность каждого — 150 МВт, электрическая — 35 МВт, так что станция выдаёт около 70 МВт электроэнергии и, кроме того, тепло для городской сети. Как устроены судовые реакторы, рассказано в статье «Атомный ледокольный флот».

Энергоблок построили на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге и без топлива отбуксировали в Мурманск. Там в 2018 году в реакторы загрузили топливо и начали пусковые испытания, а в 2019 году буксиры привели станцию по Северному морскому пути в Певек — весь путь от Петербурга составил около 9 тысяч километров. В декабре 2019 года станция дала первый ток, а в мае 2020 года её ввели в промышленную эксплуатацию.

«Академик Ломоносов»: от загрузки топлива до промышленной эксплуатации

• 2018Мурманск: в реакторы загрузили топливо, начались пусковые испытания
• 2019буксиры привели станцию по Северному морскому пути в Певек
• декабрь 2019станция дала первый ток
• май 2020ввод в промышленную эксплуатацию

Весь путь от Петербурга до Певека — около 9 тысяч километров

Идея плавучей станции в том, что всё сложное делают на заводе, а на месте нужны только причал и береговые сооружения. По замыслу, после окончания срока службы энергоблок заменят новым, а старый отбуксируют на специализированное предприятие для утилизации, и на месте стоянки не останется радиоактивных объектов.

Что разрабатывается дальше

Основой следующего поколения отечественных малых АЭС стал реактор РИТМ-200 универсальных атомных ледоколов. В отличие от КЛТ-40С, у него интегральная компоновка: парогенераторы размещены внутри корпуса. На его основе разрабатываются установки для наземных атомных станций малой мощности (РИТМ-200Н) и для плавучих энергоблоков нового поколения (РИТМ-200М), более мощных, чем КЛТ-40С. Идея та же: реакторную установку изготавливают на заводе и доставляют к месту крупными блоками.

Зарубежные проекты в основном идут двумя путями. Первый — лёгководные модульные реакторы: уменьшенные родственники больших реакторов с водой под давлением, часто интегральной компоновки, с естественной циркуляцией и пассивным отводом тепла. Их сила — опора на огромный опыт эксплуатации водо-водяных реакторов, а значит, на проверенные материалы, топливо и нормы.

Второй путь — высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы. Теплоноситель в них — гелий, замедлитель — графит, а топливо — микротвэлы: крупинки диаметром около миллиметра, в которых ядро из топлива покрыто несколькими слоями углерода и карбида кремния. Они удерживают продукты деления даже при очень высокой температуре. Гелий на выходе из активной зоны нагрет до 700 °C и выше, поэтому такие реакторы интересны не только энергетике, но и химии, металлургии, производству водорода. Разрабатываются и малые реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, и микрореакторы для совсем удалённых объектов.

Два пути зарубежных проектов малых реакторов

Какой путь окажется удачнее, покажут опыт эксплуатации и экономика серийного производства. Но уже ясно, что малая АЭС — не уменьшенная копия большой, а отдельный класс станций со своими задачами, достоинствами и ограничениями.

Термины

• Малая АЭСАтомная станция с реакторами электрической мощностью до 300 МВт по классификации МАГАТЭ.
• МикрореакторСамый маленький класс реакторов, электрической мощностью примерно до 10 МВт.
• Малый модульный реакторРеактор, который изготавливают на заводе крупными модулями, доставляют на площадку и там собирают; по-английски SMR.
• АСММАтомная станция малой мощности — принятое в российских документах название малых АЭС.
• Плавучий энергоблокНесамоходное судно с реакторной установкой и оборудованием для выработки электроэнергии и тепла, которое буксируют к месту работы.
• Северный завозЕжегодная доставка топлива, продовольствия и грузов в районы Крайнего Севера в короткий период навигации.
• Интегральная компоновкаУстройство реакторной установки, при котором парогенераторы размещены внутри корпуса реактора.
• МикротвэлКрупинка ядерного топлива в многослойной оболочке из углерода и карбида кремния; основа топлива высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов.

Частые вопросы

Какую АЭС считают малой?

По классификации МАГАТЭ малыми считают реакторы электрической мощностью до 300 МВт. Установки мощностью примерно до 10 МВт выделяют в отдельную группу микрореакторов.

Что такое модульный реактор?

Это реактор, который по возможности изготавливают на заводе крупными узлами — модулями, доставляют на площадку и там собирают. Мощность такой станции можно наращивать, добавляя одинаковые модули.

Зачем нужны малые атомные станции?

Они рассчитаны на места, где большой энергоблок не нужен или его некуда подключить: изолированные районы Севера и Дальнего Востока, острова, рудники, небольшие энергосистемы. Кроме электроэнергии, они могут давать тепло и опреснять морскую воду.

Какова мощность плавучей АЭС «Академик Ломоносов»?

Два реактора КЛТ-40С дают по 35 МВт, всего около 70 МВт электрической мощности; кроме того, станция отпускает тепло в сеть Певека. В промышленную эксплуатацию её ввели в мае 2020 года.

Почему киловатт малой АЭС дороже?

Многие затраты — на проектирование, лицензирование, охрану, системы контроля и персонал — не уменьшаются пропорционально мощности. Снизить стоимость рассчитывают за счёт серийного заводского производства одинаковых модулей.