Как будет устроена атомная энергетика будущего

2022 год показал необычайно высокий уровень инвестиций в атомную энергетику, 49 миллиардов долларов. Однако пока эти инвестиции в основном приходятся вовсе не на стандартные российские проекты. Все чаще можно услышать: атомной энергетике нужно измениться.

Реакторы должны стать меньше, дешевле и «ближе к людям» – причем в самом прямом смысле этого слова. Какими они будут через 10-20 лет, и какое место в этом займет наша страна?

О том, что в мире энергокризис, напоминать, вероятно, никому не надо. Неудивительно, что его пытаются решить, заменяя углеводородную энергетику безуглеродной – например, атомом. Американский стартап TerraPower, за которым стоит финансирование Билла Гейтса, делает упор на относительно небольшие реакторы Natrium, на 375 мегаватт электрической мощности. Сходные разработки есть и во многих других странах мира. А в нашей стране малые модульные реакторы уже работают в реальной энергосистеме.

Причины любви к «малым формам» банальны. Такие реакторы можно в основном производить на фабрике, а не строить «на месте». Фабричное производство может снизить цены и укоротить сроки строительства.

Кроме того, современные типовые реакторы просто слишком велики для многих категорий потребителей. Гигаваттный энергоблок производит 8 млрд киловатт-часов, столько потребляет миллионный город. А что делать городам поменьше?

Реально ли для Запада добиться энергетической независимости на этой основе? И ждать ли нашей стране по малому реактору на каждый поселок?

Якутские РИТМы

В 2022 году прошел экспертизу проект первой в России малой модульной АЭС (АСММ – атомная станция малой мощности) для суши. Ее построят в Усть-Янском районе Республики Саха к 2028 году. Сперва там будет один энергоблок на 55 мегаватт, потом два. Основа проекта – два водо-водяных реактора РИТМ-200Н. Очень похожие уже стоят на трех новых ледоколах, опыт их эксплуатации есть, и не нужно тратиться на НИОКР: разработка ледокольных реакторов уже оплачена. Это плюсы, и большие.

Еще плюсы: сроки строительства «на площадке» у РИТМов могут быть сокращены до 36 месяцев (впрочем, для первого объекта они заложены больше). В отличие от больших реакторов, перегрузка топлива тут производится только раз в 5-6 лет: это снижает сложность и стоимость эксплуатации в удаленных местах.

На самом деле, это первые малые модульные реакторы лишь на суше. С 2020 в России эксплуатируется ПАТЭС – двухреакторная плавучая электростанция на 70 мегаватт общей мощности. При всей привлекательности «плавучего» решения, оно подходит лишь для прибрежных населенных пунктов, поэтому понятно, отчего ПАТЭС дополняют наземными РИТМ-200Н.

 

Но вот в каждый поселок такие малые модульные реакторы ждать не стоит. Дело в том, что обычные реакторы сделали большими – в 18 раз мощнее РИТМ-200Н – не просто так, а потому что это выгодно. При росте мощности АЭС в восемь раз ее стоимость растет чуть более, чем в четыре раза («эффект масштаба»). Поэтому на киловатт-час мощности РИТМы в два-три раза дороже ВВЭР-1200, которые Росатом строит в густонаселенных зонах страны. Изготовитель нацеливает те же плавучие малые модульные АЭС на рынок небольших потребителей – там, где сейчас используют небольшие ТЭС на СПГ или крупные дизельные генераторы. Цены у таких ТЭС выше, чем у обычных, но сегмент этот невелик: 3,2 гигаватт мощности для мира в целом.

Для Крайнего Севера несколько повышенная стоимость электричества от малых модульных АЭС – это очень неплохо. Потому что альтернатива – в завозке ископаемого топлива для ТЭС, а это, при «северном завозе», очень дорого.

Но на севере в России живет не так много людей: вся зона вечной мерзлоты населена примерно тремя миллионами человек, это меньше, чем в одном Дагестане. Что малые модульные реакторы могут предложить остальной стране?

 

Сходная ситуация сложилась и на Западе. Американский стартап NuScale создал проект модульных водо-водяных реакторов на 77 мегаватт. Чем-то похожим в России кажется реактор КЛТ-40С на ПАТЭС. На сегодня, даже с учетом субсидий, положенных проекту в США за счет его безуглеродности, электричество от малого модульного реактора NuScale обещают по 9-10 центов за киловатт-час. Это примерно равно оптовой цене электричества от новых АЭС в России, но у них после прохождения периода окупаемости (до 15 лет) цена электричества резко снижается, поскольку капзатраты уже покрыты. Для NuScale же они останутся такими высокими весь период эксплуатации.

Иные решения

Получается парадокс: большие станции слишком велики для небольших городов, а малые – слишком дороги. Как это компенсировать? Надо выбирать принципиально другой тип реакторов: водо-водяные просто нельзя сделать заметно дешевле, эти конструкции оптимизировали десятки лет подряд. Остается искать иные решения.

И такие есть. Например, это проект АЭС БН-ГТ – реактора на быстрых нейтронах (БН), натриевом теплоносителе и газовой турбине (ГТ). Обычные АЭС получают энергию за счет вращения турбины паровой. Она крутится вчетверо медленнее скоростных газовых турбин, и поэтому должна быть раза в четыре крупнее и более материалоемкой (дорогой). Используют их в водо-водяной АЭС потому, что для паровой турбины теплоноситель (воду) надо греть всего до 330 (в типовом реакторе) градусов. А газовая турбина требует для работы газов, нагретых хотя бы до +800 – а в идеале и еще выше.

Водо-водяной реактор, типа РИТМа, на это неспособен. Если воду греть сильнее, чем в типичном реакторе, то его стенки надо будет делать не в 15 сантиметров толщиной, как сейчас, а намного массивнее – и дороже. Именно поэтому в БН-ГТ теплоноситель первого контура – жидкий натрий. Это металл, который можно греть до 800 градусов без закипания, а давление в активной зоне при этом будет не 160 атмосфер, как в водо-водяном реакторе, а примерно в одну атмосферу. То есть стенки корпуса БН-ГТ намного тоньше и дешевле. Да и сама активная зона меньше, чем у равного водо-водяного реактора: ведь обеспечить снятие тепла крайне теплоемкому жидкому металлу проще, чем воде.

Неудивительно, что «натриевые» проекты популярны не только в нашей стране.  Американский стартап TerraPower сумел убедить Билла Гейтса инвестировать в проект Natrium на 345 МВт. Правда, тот использует обычную паровую турбину – как советский натриевый реактор БН-350, примерно той же мощности (350 МВт), запущенный в 1973 году. Но есть и отличие от советского «коллеги» полувековой давности: вода, нагреваемая натриевым контуром будущего небольшого реактора, должна греть крупную цистерну с солью до ее расплавления. В часы пик тепло от соли забирается и дополнительно нагревает воду для паровой турбины, увеличивая мощность реактора до пиковых 500 «электрических» мегаватт на 5,5 часов.

Как мы видим, сниженной цене БН-ГТ американские «малые атомщики» предпочли способность накапливать энергию «при станции». Этот выбор коммерчески понятен:  TerraPower и Гейтс надеются заработать на компенсации провалов в генерации ветряков и солнечных батарей, выработка которых, как известно, нестабильна. В «пиковые» часы энергия стоит гораздо дороже, поэтому такое запасание потенциально весьма прибыльно.

Однако при всех плюсах натриевых реакторов их трудно назвать идеальным решением. Основная проблема сам натрий: при контакте с воздухом он горит. На российских БН-600 и БН-800 с утечками натрия научились бороться. Но что будет, если мы начнем массово строить БН-ГТ, мощностью в 300 мегаватт, и разместим их в сотнях небольших городов страны? Рано или поздно где-то утечка все же может произойти. Из опыта Франции и Японии известно, что такие утечки могут закончиться выводом реактора из эксплуатации – даже несмотря на то, что от них не пострадал серьезно ни один человек.

По этой причине ряд разработчиков обратились к принципиально иным решениям.  Например, так сделали создатели проекты реакторов СВБР-10 и СВБР-100 (на 10 и 100 «электрических» мегаватт). Даже если такой реактор будет неожиданно взорван, и свинец-висмут разбрызгает по площадке, ничего опасного для населенных пунктов поблизости не будет.

Да, в висмуте под действием нейтронов накопится полоний-210, памятный по Литвиненко. Однако этот элемент не просто так выбрали как яд: это альфа-излучатель. То есть излучает он альфа-частицы, с длиной пробега меньше толщины кожи. Это делает его безопасным для всех, кто не станет его глотать. Если не спать на аварийно разлившемся свинце-висмуте (при +126 он застывает, делаясь твердым) голым, то серьезно пострадать шансов нет. Это очень тяжелые металлы, из которых сам по себе полоний «выпрыгнуть» не может.

Все это делает подобные системы весьма безопасными. Правда, они пока планируются тоже под паровые турбины. Но вот отсутствие воды в реакторе ведет к меньшей толщине его корпуса (нет нужды выдерживать высокое давление). А значит, цена серийного реактора такого рода на единицу выработки будет хотя и выше, чем у БН-ГТ, но все же ниже, чем в РИТМ-200.

Кроме того, СВБР имеет и версию на 10 мегатватт – причем ее можно использовать и для отопления. У многих населенных пунктов на Крайнем Севере потребностей в энергии не так много, чтобы там имело смысл строить РИТМ-200Н – но СВБР-10 (на 10 «электрических» мегаватт) там будет вполне востребован.

Бежать вдвое быстрее, чтобы оставаться на месте

Значит ли это, что с малыми модульными реакторами на сегодня все хорошо? Не совсем.

Да, СВБР безопасны и потенциально могут обеспечивать недорогим отоплением и крупные, и малые города. Но на сегодня они пока в стадии проекта: для коммерческих решений даже Росатом выбирает более проверенные временем водо-водяные решения.

Наконец, идеальным с точки зрения экономики были бы реакторы не с паровыми, а с газовыми турбинами – типа БН-ГТ, но без натрия. Проблема в том, что пока безнатриевые жидкометаллические реакторы для газовых турбин с высоким КПД не существуют даже в проекте. Да, у КНР есть малый модульный реактор HTR-PM на 105 мегаватт мощности. И да, Китай планирует серию в два десятка таких реакторов.

Но технологически в них мало нового. Это реинкарнация немецкого газоохлаждаемого реактора, уже работавшего в прошлом веке. И главные проблемы у него те же. Он охлаждает трубки с ядерным топливом, прогоняя через активную зону гелий под большим давлением. Но даже под огромным давлением этот легкий газ имеет плотность много ниже, чем у жидкого металла или даже воды. Поэтому реакторы такого рода очень большие – корпус китайского HTR-PM 25 метров высотой и весит 700 тонн. В 10 раз более мощный реактор ВВЭР-1200 весит вдвое меньше. Естественно, удельная стоимость HTR-PM выше, чем у водо-водяных или жидкометаллических аналогов.

Будущее вряд ли лежит в этой стороне. Более вероятно, что им станут реакторы с очень трудно закипающим и химически инертным теплоносителем – типа свинца-висмута. Вот только работать им придется в реакторах, где трубки с топливом и стенки будут не из стали, как у сегодняшнего российского проекта СВБР, а из более теплостойких материалов – типа карбида кремния или чего-то не менее жаростойкого.

Тем не менее, одно можно утверждать с большой определенностью. У малых реакторов большое будущее – на планете слишком много небольших городов, для которых гигаваттные блоки, модные в последние десятки лет, чрезмерно велики.