Автор: Дмитрий Горчаков. Атомная станция – это огромное сооружение из бетона и стали, способное обеспечить энергией большой город или даже небольшую страну. Но в последние годы все больше интереса вызывают проекты малых АЭС, мощностью до 300 МВт. В мире насчитывается уже более 70 проектов компактных, многоцелевых реакторов самых разных типов и конструкций, называемых SMR — Small Modular Reactor. А некоторые из них уже успешно работают.

В этой статье я расскажу о том, что такое малые АЭС, зачем они нужны, в чем их отличия, преимущества и недостатки по сравнению с классическими АЭС, а также пройдусь по основным типам малых реакторов с конкретными примерами. Ну и конечно, посмотрим на позиции России на рынке малых АЭС и их перспективы с учетом текущей международной обстановки.

Что такое малые АЭС?

Атомная энергетика была освоена человечеством уже около 70 лет назад. В 1954 году в Обнинске была запущена первая в мире АЭС. С тех пор атомные станции появились в более чем 30 странах, а количество атомных энергоблоков в мире составляет более 440 штук. Атомная энергетика дает около 10% всей электроэнергии в мире.

При этом мирная атомная энергетика исторически вышла из военных программ по созданию ядерного оружия и появилась изначально в промышленно развитых странах, таким оружием обладающих – СССР, США, Великобритании, Франции, а чуть позже и в Китае. Атомные станции позволили этим странам обеспечить свое бурное развитие и удовлетворить растущий спрос на энергию новым способом, без использования угля, нефти и газа. Огромные потребности в энергии и развитая энергосистема этих стран способствовали развитию атомной энергетики в одном направлении – создании все более мощных атомных энергоблоков. Сейчас один энергоблок АЭС может иметь мощность до 1100–1600 МВт. Такие крупные станции позволяли делать их более экономичными, ведь расход материалов, стали и бетона, на единицу мощности у них ниже, да и затраты топлива тоже.

Крупнейший в мире энергоблок на финской АЭС Олкилуото-3 EPR мощностью 1650 МВт. Вид изнутри реакторного здания диаметром 46 м. Сравните с реакторным отделением на фото ниже.

На фото первая малая АЭС. Российская. Фото: «Страна Росатом»

Однако в последние годы все больше интереса связано с развитием так называемых атомных станций малой мощности (АСММ), или по западной классификации SMR (small modular reactors) – малых модульных реакторов. Именно модульность, т.е. высокая степень заводской сборки оборудования в виде отдельных модулей, является важной чертой SMR. Другая особенность – мощность. По классификации Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) к SMR относятся станции электрической мощностью до 300 МВт. Хотя это деление довольно условно и иногда к ним относят и АЭС средней мощности – до 700 МВт. Кроме того, существует отдельная классификация микро-АЭС – до 10 МВт.

В МАГАТЭ примерно раз в два года выпускается обзорный доклад по существующим проектам SMR. В обзоре 2011 года насчитывали 45 проектов, в 2016 году рассматривалось уже 48, а в 2018 – 56. В последнем обзоре 2020 года рассмотрены более 72 проектов, которые разрабатывают почти в двух десятках стран как крупные корпорации, так и небольшие стартапы. При этом 17 из 72 проектов – российские.

При этом реально работающих SMR пока немного. В эксплуатации всего два проекта – российская плавучая АЭС «Академик Ломоносов» с двумя блоками КТЛ-40 и китайский двухреакторный энергоблок HTR-PM. Еще несколько проектов находятся на стадии строительства.

Проекты SMR и стадия их реализации. Данные МАГАТЭ на 2020 год (слегка устарели).

Согласно одному из исследований 2021 года, рынок SMR вырастет с $3,5 млрд. в 2020 до $18,8 к 2030. А по некоторым оценкам и до $300 млрд. к 2040. Росатом оценивает мировой рынок АСММ мощностью 50–300 МВт в 10 ГВт, а для станций мощностью до 10 МВт – в 6 ГВт. Т.е. речь может идти о сотнях малых энергоблоков. Сам Росатом планирует занять на этом рынке до 20% к 2030 году.

Особенности малых АЭС

Обычный энергоблок АЭС из-за своего размера и сложности проектируют и строят минимум 5–10 лет и стоит он не менее 5–7 млрд долларов. Малые АЭС планируется строить в разы быстрее, обычно в диапазоне 2–3 лет, поскольку большая часть оборудования будет делаться серийно на заводах и доставляться на место в виде отдельных модулей. Модульность должна упростить и обслуживание реакторов, и их утилизацию.

Упрощение конструкций, модульность и заводское серийное исполнение должны привести к снижению удельных затрат и стоимости SMR по сравнению с обычными АЭС, однако эти показатели еще нужно подтвердить на практике, когда строительство SMR действительно будет серийным. Но даже если удельные показатели будут сопоставимы или выше, чем для обычных АЭС, в целом малая АЭС будет все равно дешевле традиционной, и потенциальных покупателей у них может быть больше. При этом малые и обычные АЭС не всегда конкуренты в прямом смысле, у них разные ниши.

Различные проекты SMR и страны, где они разрабатываются

Для понимания приведу такую аналогию. Представьте, что вам нужно перевозить грузы. Если их много, вам пригодится мощный КАМАЗ. Но если вам нужно возить не так много, то удобнее взять ГАЗель, пусть ее удельные показатели стоимости перевозки груза и расхода топлива даже хуже, чем у КАМАЗа. Можно отвезти небольшой груз и на КАМАЗе, но это выйдет дороже, да и не везде КАМАЗ проедет. Так и малые АЭС, как ГАЗель, смогут решать задачи, для которых традиционные большие АЭС, КАМАЗы, непригодны или избыточны.

Кстати, по поводу топлива. Малые АЭС иногда могут давать больше отходов и отработавшего топлива на единицу произведенной энергии, чем обычные АЭС, за счет меньшего КПД, утечки нейтронов из небольшой активной зоны и как следствие низкой глубины выгорания топлива. В первую очередь это касается водо-водяных реакторов. Недавно на эту тему вышла большая научная статья, хоть она и критиковалась.

Тем не менее ряд проектов, особенно быстрые, жидкосолевые или газоохлаждаемые реакторы, наоборот могут дать принципиально новые возможности и преимущества в плане топливного цикла. К тому же многое будет зависеть от страны использования АЭС и принятой там системы обращения с отходами и переработкой топлива. Однако малые АЭС могут иметь ряд иных преимуществ, например, новый функционал (коммунальное и промышленное тепло, маневренные мощности, производство водорода и т.д.), которые уже сложно сравнивать напрямую с обычными АЭС по показателям выработки электроэнергии.

Небольшие размеры позволяют существенно увеличить и безопасность малых АЭС. Наиболее опасный сценарий аварии на любой АЭС связан с потерей охлаждения реактора и риском перегрева и расплавления ядерного топлива. Именно это, например, случилось на АЭС «Фукусима» в 2011 году и на АЭС «Три Майл Айленд» в США в 1979 году. С учетом того, что в обычной АЭС загружается порядка 100 тонн ядерного топлива, для его аварийного охлаждения нужны большие запасы воды и много систем для ее подвода. В малых АЭС топлива гораздо меньше, и в случае аварии реактор и топливо можно эффективно охладить гораздо меньшими усилиями, даже пассивными системами без участия человека. Это позволяет улучшить и экономику проектов, поскольку отпадает необходимость в ряде сложных систем безопасности, необходимых для крупных АЭС.

Распределение некоторых проектов SMR по мощности

Компактный дизайн позволяет размещать реакторы даже под землей, что так же повышает безопасность как самих станций в случае природных катаклизмов, так и защиту окружающей среды в случае серьезной аварий 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. Т.е. в случае каких-то отклонений от нормальной работы реактор сам будет безопасно остановлен и охлажден без участия человека. Все это позволяет для многих малых АЭС даже в случае серьезных аварий избежать необходимости эвакуации ближайшего населения и выхода радиоактивности в окружающую среду.

Кроме того, современная автоматика позволяет сделать такие АЭС более автономными и требующими меньше персонала. 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.

Но повторю, что многие из названных параметров и характеристик еще нужно подтвердить на практике. Из более 70 проектов разных SMR лишь два уже реально работают в единичных экземплярах – российский плавучий энергоблок «Академик Ломоносов» с реакторами КЛТ-40 и китайский HTR-PM.

Давайте ниже последовательно рассмотрим некоторые примеры проектов разных технологий – водо-водяные реакторы наземного базирования, SMR морского базирования, быстрые реакторы, реакторы на расплавах солей и отдельно микрореакторы.