Атомных станций малой мощности (АСММ) Интервью с главным конструктором
15-16 апреля 2019 года в Главном медиацентре г. Сочи состоялся ХI Международный форум "АТОМЭКСПО-2019" - глобальное отраслевое дискуссионное мероприятие, инициированное госкорпорацией "Росатом".
На вопросы корреспондентов AtomInfo.Ru ответил Денис КУЛИКОВ, главный конструктор реакторных установок атомных станций малой мощности (АСММ) АО "НИКИЭТ".
Денис Куликов, фото Игорь Балакин (AtomInfo.Ru)
Четыре поддиапазона
Денис Германович, для чего нужна малая атомная энергетика?
Малая атомная энергетика должна использоваться там, где нет места для атомной энергетики большой.Сегодня все существующие крупные и энергозатратные предприятия так или иначе решили свои проблемы с энергообеспечением. А вот новые и небольшие добывающие или перерабатывающие предприятия, расположенные вне единой энергосистемы, заинтересованы в малой, безопасной и зелёной энергетике, и АСММ подходят под их требования.
Эти аргументы мы слышим последние лет десять, но до сих пор малых реакторов никто нигде не построил.
Всего лет десять? Я бы сказал, что больше. Малой атомной энергетикой в отрасли занимаются уже довольно давно и успешно. На территории нашей страны остались два действующих объекта с малыми реакторами - это Билибинская АЭС и исследовательский аппарат ВК-50 в Димитровграде.
Сегодня под определением SMR (small modular reactor) или "малый реактор" понимается нечто большее, чем градация по мощности. В это понятие входят и концепция использования, и подходы к организации строительства, и зачастую даже экономическая модель реализации продукции - тепловой или электрической энергии.
Общая тенденция, которую мы наблюдаем в мире в наши дни, позволяет предположить, что SMR, или малые реакторы нового класса, будут реализованы в железе в ближайшие 5-10 лет. Ряд проектов уже находятся на завершающих стадиях строительства.
На Ваш взгляд, почему именно сейчас возник всплеск интереса к малой атомной энергетике?
Это ответ на запросы рынка. Становятся очевидным рост числа потенциальных потребителей и расширение зон потенциального размещения или востребованности малой атомной генерации.
Малые АЭС сегодня - это полноценное и самостоятельное направление бизнеса, и в мире появляются люди и организации, готовые инвестировать в это направление.
МАГАТЭ относит к малой энергетике блоки с мощностью менее 300 МВт(э). Но это очень широкий диапазон мощностей. Не стоит ли поделить его на более узкие отрезки?
Для себя мы так и поступили. Диапазон от 0 до 300 МВт(э) мы поделили на четыре условных части.
Верхний диапазон малой мощности - от 50 до 300 МВт(э). На мой взгляд, никаких существенных отличий от крупномасштабной атомной энергетики в этой области не наблюдается. Здесь применимы те же самые подходы и практически тот же комплект российской и международной нормативной документации, что и для больших АЭС.
Наиболее отработанными для этого диапазона мощностей на сегодняшний день являются легководяные аппараты. Выбор в пользу этой технологии делается по той причине, что по ним накоплен наибольший задел знаний и опыта, и они не вызывают никаких сомнений ни у регулирующих органов, ни у разработчиков и населения.
Конечно, нет никаких принципиальных ограничений в использовании других типов и технологий - вспомните, например, БН-350
Второй условный диапазон - от 20 до 50 МВт(э). Такие реакторы предназначены для решения локальных задач в отдельных регионах или в отдельных городах. Здесь уже могут быть значительные отличия по технологическим решениям.
К таким объектам выдвигаются повышенные требования по автономности и к возможности размещения в непосредственной близости к потребителю (производству или населению).
Также требуется минимизация общих инфраструктурных затрат - недопустимо, чтобы вокруг малой атомной станции такой мощности вырастал небольшой город с персоналом, обеспечивающим работу станции.
Следующий диапазон - от 1…2 МВт(э) до 10…15 МВт(э). Здесь уже идёт речь о возможном переходе к "новому классу" малой мощности. На первый план выходит необходимость заводского изготовления блоков с последующей модульной или крупно-блочной поставкой с минимизацией или полным отсутствием дополнительных работ на площадке размещения.
Строительство таких малых АЭС должно выглядеть примерно так: изготовил, привёз, разместил, провёл пуско-наладочные работы и ввёл в эксплуатацию. В моём представлении, это принципиально новое качество атомной энергетики в целом.
И, возможно, абсолютно новые реакторные технологии?
Да, в этом поддиапазоне открывается окно возможностей как для новых технологий, так и для новых конструкторско-проектных решений.
Но в горизонте планирования 5-7 лет в качестве основного решения мы и для этого поддиапазона рассматриваем легководную технологию. Из тех соображений, по каким она выбирается для более мощных объектов.
Для движения вперёд в плане экономики и широкого внедрения потребуется оптимизация не столько конструкторских, а проектных решений, которая в конечном счёте так или иначе сводится к развитию и гармонизации нормативной документации.
Действующий комплект нормативной правовой разрешительной документации создавался главным образом на практике эксплуатации крупномасштабных ВВЭР, и не все существующие требования актуальны и применимы для нашего поддиапазона от 1 до 15 МВт(э).
Например, требования по санитарно-защитной зоне?
Да, в том числе. Если сейчас глубоко не вдаваться в вопрос, то пересматривать нужно не только "большие" нормативные документы, регламентирующие общие вопросы, но и более узкие документы, такие как СанПиНы, где фигурируют, например, требования к ширине коридоров. Или требования по наличию и производительности цеха спецводоочистки, который сам по себе может быть больше, чем весь реакторный зал АСММ.
Естественно, ни в коем случае в рамках этой деятельности по ревизии или гармонизации нормативных документов на предлагается затрагивать основополагающие требования. Безопасность не должна страдать! Мы не предлагаем корректировать или, тем более, исключать моменты, влияющие на ядерную или радиационную безопасность.
Наконец, четвёртый поддиапазон малой атомной энергетики включает в себя объекты мегаваттного и субмегаваттного классов. Сегодня это, как правило, объекты специального назначения, малоприменимые в гражданской энергетике в силу высоких удельных показателей себестоимости.
Если в поддиапазоне от 2-3 до 10 МВт(э) мы уже сегодня в состоянии конкурировать с дизельной генерацией в удалённых регионах, то для мегаваттных установок конкуренцию мы пока проигрываем. Даже если у нас получается приблизиться по себестоимости к дизельной генерации, то сегодня мы всё равно проигрываем в силу больших затрат на CAPEX, амортизацию, учёт и так далее.
У нацлаборатории Айдахо есть своё деление диапазона малых мощностей. Они довольно откровенно говорят, что реакторы с мощностью меньше мегаватта - это, в первую очередь, аппараты для космоса и военных.
Самое интересное, что гражданские потребности в таких реакторах существуют. На мой взгляд, потребностей в реакторах мегаваттного и субмегаваттного класса в гражданском секторе больше, чем в военном.
Не так давно обсуждалась необходимость создания автономных нерегулируемых и неуправляемых источников энергии для метеорологических станций, разнообразных станций слежения и сопровождения воздушных и морских судов, и так далее. Но сегодня эти потребности закрываются другими методами без привлечения атомной энергии, хотя это, на мой взгляд, далеко не всегда оправдано.
Есть потребитель, занимающий место между военными и гражданскими - структуры МЧС. Мы знаем, что в США разрабатываются проекты малых реакторов для служб реагирования на чрезвычайные ситуации.
Как раз с таким уклоном в НИКИЭТ были выполненыпредварительные проработки по проектам транспортируемых реакторов. Если говорить об установках для МЧС, то одно из основных требований к ним - это высокая мобильность. Соответственно, речь идёт о проектах, предполагающих размещение оборудования на типовых подвижных платформах.
В нашей стране есть успешный опыт разработки транспортируемых реакторов. Сразу можно вспомнить проекты ТЭС-3 в Обнинске и "Памир-630" в Минске. Сегодня в институте есть задел по ТАСММ (или транспортируемым АСММ) на базе водоохлаждемого аппарата - "Витязь", и перспективный газоохлаждаемый "АТГОР".
В случае с ТАСММ речь сегодня также идёт о мегаваттном уровне мощности (1 МВт для "Витязя" и от 200 до 1200 кВт для "АТГОРа") со всеми вытекающими проблемами конкурентоспособности.
Идеи и подходы
Для реакторов сверхмалой мощности особое значение имеет вопрос о численности персонала.
В одном из наиболее проработанных на сегодняшний день наших решений - а именно, в проекте "Шельф" - запланировано 15 человек оперативного персонала, причём с учётом сменности.
Вместе с тем, в требованиях, которые нам выставляют и Госкорпорация, и потенциальные заказчики, стоит проработка возможности полного отсутствия оперативного персонала на площадке. Нам хотелось бы вынести всё управление в телеметрию, в единый центр управления, который вообще мог бы находиться на территории предприятия-разработчика или компании-интегратора.
И потом появятся зарубежные хакеры, которые вмешаются в управление работой реактора.
Очень хороший вопрос, и вы не первые, кто его задаёт. Давайте, я отвечу на него встречным вопросом: "Сколько спутников к
сегодняшнему дню хакеры смогли "угнать"?".
Как только появится реальная угроза перехвата управления стратегическими объектами по телеметрии, тогда можно будет прогнозировать конкретные решения по защите. Но на мой взгляд, пока говорить о подобной угрозе рано, для этого нет предпосылок.
На Западе - в первую очередь, в США - публикуется много проектов малых реакторов. Многие из них интересны своими решениями, на которые приятно посмотреть, виден полёт конструкторской мысли. Как обстоит дело с новыми идеями у нас в России? Ведь малая энергетика - это поле, свободное для творцов.
С последним утверждением полностью согласен. Что касается новых идей, то у нас в России дело обстоит, на мой взгляд, не хуже, чем в США. Отличие заключается в следующем - у нас на публику выходят проекты высокой степени готовности.
Как правило, если российская организация показывает по проекту какую-то информацию, даёт конкретные цифры, иллюстрации, то это означает, что стадия проекта, как минимум, техническое предложение и уже есть какое-то обоснование.
У нас есть много проектов на стадии концептуальной проработки. К сожалению, далеко не все из них получают поддержку внутри предприятия и не могут поэтому перейти на следующую стадию технического предложения, на которой о них узнали бы все интересующиеся.
К числу тех проектов, которые в НИКИЭТ смогли пройти на следующую стадию, относятся уже упомянутые транспортируемые водоохлаждаемый "Витязь" и газоохлаждаемый АТГОР. В своё время они появились на уровне идей, концептов, прошли ряд внутренних обсуждений, были доработаны широким кругом специалистов, посчитаны... Сегодня мы не видим принципиальных проблем технического плана и понимаем, что эти проекты действительно могут быть реализованы в обозримом будущем.
На Западе, наоборот, склонны публиковать ранние концепции. Пришла в голову идея - опубликовал её. Авторы идей могут быть самой разной квалификации, от именитых коллективов до студентов гуманитарных школ, а публикации могут быть на уровне картинок.
Столь ранние стадии мы в НИКИЭТ предпочитаем держать внутри института и не выпускать на широкое обсуждение. На ранних стадиях могут быть недоработки, спорные вопросы, а то и прямые нестыковки.
Не получится ли так, что те самые американские студенты, опубликовав свои картинки, получат патент и закроют эту
область для нас?
Теоретически возможно, но патентовать картинки... Не думаю, что это правильный подход.
Если у нас в институте в ходе предварительной проработки той или иной идеи возникают интересные технические решения, то мы, разумеется, принимаем меры по их защите - например, патентуем, оформляем РИД.
В ряде зарубежных статей можно встретить следующий тезис. Малая энергетика - это полигон для обкатки новых реакторных технологий следующего поколения. Те из них, что окажутся удачными, впоследствии внедрят в обычную большую энергетику.
Исторически так в нашей отрасли всё и развивалось, от малых к большим. Первый десяток реакторов в мире по сегодняшней
квалификации можно смело относить к малой мощности.
Но, на мой взгляд, мы сейчас в малой энергетике идём одновременно по двум путям. С одной стороны, мы отрабатываем новые технологии и новые теплоносители, которые в будущем большая энергетика может у малой перенять. С другой стороны, если посмотреть на современные проекты АСММ, то мы увидим, что подавляющее большинство проектов использует старую добрую легководную технологию, для которой дополнительных исследований при сохранении компоновочных решений не требуется. Такой, своего рода, downgrade.
Снова обратимся к тому, как поступают в Америке.
Администрация Дональда Трампа выделяет определённую сумму Окриджу на исследование возможностей внедрения в атомную отрасль инноваций из других отраслей экономики, причём эти инновации могут оказаться особенно полезными для малых реакторов. Аддитивные технологии, новые материалы...
Сама концепция использования малой атомной энергетики диктует нам повышенные требования к ресурсам и срокам автономной эксплуатации, что автоматически лищает нас возможностей простого переноса всех решений из большой энергетики. Это касается и материалов, и технологий.
Мы не просто хотим, а вынуждены следить за новинками в других областях науки и техники, когда мы начинаем пытаться оптимизировать решения для малых реакторов. В инициативном порядке мы, например, смотрели систему преобразования энергии, основанную на высокотемпературной сверхпроводимости, которая способна сделать модуль легче и повысить его к.п.д., хотя это нетрадиционная для нашего института область деятельности.
Конечно, мы также интересуемся возможностями 3D-печати, методами получения новых материалов. Тут могут оказаться полезными новые подходы как по изготовлению, так и по ремонту изделий, которые в будущем может перенять и большая энергетика.
3D-печать - направление модное, но, надо признать, что и перспективное. На Ваш взгляд, удастся когда-нибудь напечатать малый реактор на 3D-принтере?
Сегодня есть принтеры, способные печатать несколькими материалами и корректно разделять их между собой. Думаю, что технологически ваша задача будет решена в обозримом будущем. Но я больше чем уверен - реакторы, печатаемые на 3D-принтерах, будут очень сильно отличаться от той картины, которая сегодня появляется в голове у конструктора при слове "реактор". Это будут совсем другие аппараты.
Важное преимущество 3D-печати - более простое изготовление изделий сложной формы. То есть, аддитивные технологии снимают многие ограничения на полёт конструкторской мысли.
Рассматриваются ли у вас возможности применения твэлов сложной формы, которые могли бы печататься на 3D-принтерах?
Прежде всего, твэлы сложной формы уже есть. В поперечном сечении твэлы, отличные от простого цилиндра, и существуют, и работают.
Если помечтать, то я бы предложил рассмотреть возможность послойной печати активной зоны. Один из самых важных вопросов - профилирование энерговыделения в активной зоне как по радиусу, так и по высоте. Сегодня любая попытка решить проблему объёмной неравномерности приводит как минимум к росту номенклатуры твэлов и ТВС, а это, в свою очередь, означает штучное изготовление и рост стоимости.
А также, возможно, потерю качества изготовления твэлов, так как заводы не любят штучную работу.
Да, а аддитивные технологии, потенциально, способны повысить возможности по профилированию энерговыделения в твэле, да и просто напечатать активную зону нужной геометрии и с нужным изотопным составом. Конструктора смогут закладывать в программы для 3D-печати те распределения изотопов, которые нужны им для повышения характеристик реактора.
Ещё одна возможная инновация для малых реакторов - микротвэлы. Что Вы о них думаете?
К TRISO отношусь настороженно, меня смущает и сам пироуглерод, и вообще наличие углерода в твэле, и международный опыт в этом области, в первую очередь - немецкий.
Но сегодня и у нас в России, и в мире есть разработки по созданию и использованию микротвэлов размером порядка 1 см и имеющих двойную оболочку (BISO-топливо) из тугоплавких материалов. Уран в них заключён в тугоплавкие вольфрамовые или вольфрам-рениевые сферы. У такого топлива безусловно есть серьёзные преимущества и перспективы для использования в высокотемпературных аппаратах.
Немного о "Шельфе"
Денис Германович, один из проектов малых реакторов, разработанных в НИКИЭТ, который, как мы очень надеемся, будет доведён до железа - реактор "Шельф".
"Шельф", с одной стороны, это типовой водо-водяной энергетический аппарат относительно малых размеров. Его тепловая мощность - 28 МВт(т). При использовании системы преобразования на базе существующих ТГУ генерируемая электрическая мощность "Шельфа" всего 6 МВт(э).
С другой стороны, в перспективе мы говорим о модуле, который изготавливается в заводских условиях, там же собирается, проверяется, проходит пусконаладку, после чего с загруженным топливом транспортируется на место размещения, функционирует положенный срок и доставляется обратно на завод либо для перегрузки и возврата к потребителю.
Основной смысл, который мы как конструктора закладывали при разработке "Шельфа" - это полное исключение ядерно- и радиационно-опасных работ на объекте размещения.
То есть, физпуск "Шельфа" происходит на заводе?
Да, именно так. В концептуальном плане опыт эксплуатации подобных установок отрабатывается сейчас на плавучей станции. Как вы помните, физпуск её реакторов также производился не на месте её службы.
Мы считаем, что наш подход повышает привлекательность этого объекта для стран, которые только начинают развивать атомную энергетику. Ко всем плюсам, которая несёт с собой атомная энергетика (себестоимость, длительный срок эксплуатации), добавляется отсутствие потенциальных угроз.Ядерное топливо на месте извлекаться не будет, то есть, нет предпосылок для инцидентов, вызванных ошибками с обращением топлива и с его перегрузками.
После выхода на серийность сколько времени будет требоваться на строительство "Шельфа", начиная от момента принятия решения и до начала эксплуатации?
Мы оценивали скорость реализации этих объектов, но без учёта существенных изменений, которые могут потребоваться в случае перестройки производственных линий. На сегодняшний день, по нашим расчётам, скорость производства составит две штуки за три года.
Если зайдёт речь о серии порядка 20-30 штук, то придётся наращивать производственные мощности, на что потребуется некоторое время.
Правильно ли мы поняли? Допустим, мы заказчики и заказали у вас два "Шельфа". Мы их получим через три года, так?
Да, правильно.
Могут ли возникнуть какие-либо проблемы с обоснованием "Шельфа" в Ростехнадзоре?
Начиная с 2014 года, мы активно взаимодействуем с профильными институтами "Ростехнадзора" и пытаемся совместно выявлять те недостатки, которые у нас могут возникнуть при подаче документации на лицензирование.
Ключевой "камень преткновения" - это логистика: транспортирование капсулы с загруженной активной зоной на площадку размещения и транспортирование объекта обратно на завод после завершения кампании.
С точки зрения любой документации, даже несмотря на то, что отслуживший свой срок на площадке реактор выработал свой ресурс и физически не способен стать критичным, он является действующим реактором. Транспортирование действующего реактора у нас на сегодняшний день не разрешено.
Поэтому головной объект, который у нас предполагается к реализации на территории России, будет иметь возможность для загрузки и выгрузки топлива непосредственно на месте размещения.
К вопросу о транспортировке мы вернёмся после того, как получим первый опыт эксплуатации головного объекта - причём вернёмся не только на уровне взаимодействия с "Ростехнадзором", но и на уровне мирового сообщества (МАГАТЭ), где обсуждение такого вопроса уже ведётся.
После того, как появятся первые работающие современные АСММ, темпы обсуждения и принятия решений и у нас, и в
МАГАТЭ значительно ускорятся.
Рассматриваете ли вы вопросы транспортирования повреждённого реактора?
Рассматриваем, но несколько в другом ключе. В отличие от традиционной крупномасштабной атомной энергетики, у нас не борный водно-химический режим, то есть у нас нет борного регулирования. Зато есть отдельный, отсоединённый от общей системы запас концентрированного бора, который при необходимости вводится в активную зону. Срабатывание этой системы может быть инициировано только человеком, причём для него потребуются определённые физические действия, а не простое нажатие на кнопку. После срабатывания реактор будет гарантированно и, к сожалению, навсегда выведен из строя. В таком виде, повреждённый реактор с повреждённой активной зоной можно будет перемещать по тем же правилам, что и объекты хранения.
Вы говорили о задаче перевести в будущем управление на телеметрию. Но для активации борной системы у вас требуется присутствие людей на площадке.
Да, это противоречие, которое мы будем со временем как-то устранять. Возможно, на каждой площадке всё же будет необходим сторож, знающий про бак с бором. Либо борную систему придётся делать автоматизированной и постоянно включённой в режиме ожидания. Сейчас это умышленно реализовано не так - для исключения риска случайного срабатывания.
Малые реакторы будут стоять ближе, чем большие реакторы, к потребителю. Следовательно, малые реакторы должны быть более безопасны. За счёт чего это можно достичь в "Шельфе"?
По сравнению с крупномасштабной атомной энергетикой, у нас значительно меньше объёмы активностей. У нас значительно меньше - на порядки! - объём теплоносителя первого контура.
То есть, при аварии у вас будет намного меньше водорода по сравнению с большими АЭС?
Да. А при переходе на другие материалы внутри зоны мы можем практически полностью исключить образование водорода.
Помимо этого, весь первый контур у нас заключён в корпус реактора (интегральная компоновка). Благодаря этому, класс аварий с потерей теплоносителя первого контура у нас практически отсутствует - достаточно сказать, что при "разрыве трубопровода первого контура полным сечением" в случае с "Шельфом" мы говорим про Ду30.
Плюс к этому, удельные энерговыделения в активной зоне "Шельфа" низкие. Это требуется для обеспечения нужной длительности кампании, но также это хорошо с точки зрения безопасности.
Но и запас реактивности на начало кампании у вас должен быть немаленький.
У той версии "Шельфа", которую мы планируем реализовать на головном объекте, кампания всего шесть лет, поэтому и запас реактивности не слишком большой. Естественно, в проекте предусмотрены средства для компенсации этого запаса.
Ну и наконец, сам реактор, помимо традиционного страховочного корпуса размещён ещё и в дополнительной герметичной капсуле, играющей, в том числе, роль дополнительного барьера безопасности и защищающей как население от основного оборудования, так и оборудование от внешних воздействий.
Спасибо, Денис Германович, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.
Источник - http://www.atominfo.ru/newsy/z0695.htm