Малые реакторы – будущее для ЦОДов?

Малые модульные реакторы условно можно разделить на две большие группы. К первой относятся ММР, использующие водо-водяную технологию (замедлителем нейтронов и теплоносителем служит вода), ко второй – реакторы с новыми видами замедлителей и теплоносителей.

По данным МАГАТЭ, в 2024 г. в мире на разных этапах разработки находились 68 проектов ММР и микрореакторов на основе различных технологий. Из них 22 представляют собой реакторы с водным охлаждением и 46 – с охлаждением иных типов. 

 

В коммерческой эксплуатации по состоянию на 2024 г. были реакторы лишь двух типов: морской водо-водяной и высокотемпературный реактор с газовым охлаждением. Два ММР первого типа с электрической мощностью 35 МВт каждый установлены на российской плавучей атомной теплоэлектростанции «Академик Ломоносов» (запущена в 2020 г., в 2023 г. произведена первая перезаправка реакторов). 

 

Энергоблок Shidao bay-1, состоящий из двух реакторов второго типа, был запущен в 2021 г. в Китае. В качестве охладителя в реакторах HTR-PM используется гелий, в качестве замедлителя – графит. Полная электрическая мощность энергоблока – 211 МВт, тепловая мощность – 500 МВт. В 2023 г. энергоблок стал частью первой в мире АЭС IV поколения «Шидаовань». В дальнейшем планируется оснастить АЭС несколькими такими энергоблоками.

Кроме того, в Аргентине, Китае и России на продвинутых стадиях строительства находятся три ММР. В Шанхае (Китай) и Северске (Россия) запуск ММР мощностью 125 МВт и 300 МВт соответственно запланирован на 2026 г. Прототип реактора в Аргентине должен быть подключен к энергосети в 2028 г. 

В 2024 г. в активную фазу «малой ядерной гонки» вступили США: компания Kairos Power начала строительство в шт. Теннесси жидкосолевого ММР IV поколения Hermes с планируемой мощностью 50 МВт. Его предполагается использовать в основном для демонстрации возможности вырабатывать тепло с помощью таких реакторов. В эксплуатацию Hermes должен быть введен в 2027 г.

Наземные ММР, охлаждаемые водой. В таких ММР для охлаждения используется легкая и тяжелая вода. Топливом, как правило, служит уран (U-235) с обогащением менее 5%. Цикл перезагрузки составляет обычно 18–24 месяцев. Устройства характеризуются высоким коэффициентом мощности (более 90%) и низкими расходами на эксплуатацию и обслуживание. Существенный плюс – те же цепочки поставок и нормативные требования, что и для крупных АЭС.

Разработчики: Deep Fission (США), GE-Hitachi (США), NuScale (США), Rolls-Royce (Великобритания), Westinghouse (США), «Росатом» (Россия).

Морские ММР, охлаждаемые водой. Представляют собой плавучие энергоблоки, монтируемые на баржах. В качестве топлива используется U-235 с более высоким уровнем обогащения (около 20%), что позволяет обеспечивать более длительные периоды эксплуатации (циклы перегрузки – до 120 месяцев, у действующей ПАТЭС «Академик Ломоносов» – 30–36 месяцев), что особенно важно для организации автономной работы в отдаленных районах.

Разработчики: CNNC (Китай), KEPCO E&C (Республика Корея), «Росатом» (Россия).

ММР с газовым охлаждением (высокотемпературные газовые реакторы). Теплоносителем в таком реакторе служит газ (как правило, гелий). Это позволяет достигать более высоких температур (до 900‪°С), чем в водо-водяных реакторах, и увеличивать КПД. В современных реакторах такого типа используется топливо TRISO, которое считается одним из наиболее безопасных. Перезагрузку топлива можно производить без остановки реактора, причем циклы перезагрузки довольно длительные (до 60 месяцев).‬‬‬‬‬

К этому типу относится работающий в Китае с 2023 г. HTR-PM. В дальнейшем Китай планирует построить еще четыре реактора HTR-PM600S по 650 МВт каждый. Американская General Atomics Electromagnetic Systems разрабатывает газоохлаждаемый быстрый ММР, который сможет работать без перезагрузки более 30 лет.

Жидкометаллические ММР на быстрых нейтронах. Теплоносителем служит жидкий металл (натрий, свинец и т.д.). Это позволяет эффективно отводить тепло, обеспечивая высокую плотность мощности, за счет чего такие реакторы могут быть весьма компактны. Жидкометаллические ММР предполагают использование более высокообогащенного топлива (14–20%). Предполагаемая продолжительность топливного цикла – до 30 лет.

К этому типу относится реактор БРЕСТ-ОД-300, который строится в российском Северске. Запуск установки должен состояться в 2026 г.

 

Разработчики: ARC Clean Technology (Канада), Вlykalla (Швеция), Newcleo (Франция), Oklo (США), TerraPower (США), Toshiba (Япония), Westinghouse (США), «Росатом» (Россия).

 

ММР на расплавах солей (жидкосолевые ММР). Активную зону в этих установках формирует гомогенная расплавленная смесь солей и фторида делящегося материала (урана, плутония, тория). Топливная композиция одновременно служит теплоносителем первого контура. Жидкосолевые ММР отличаются высоким уровнем эффективности и естественной безопасности, имеют длительные топливные циклы (до 150 месяцев) и допускают дозаправку без остановки реактора. Серьезная проблема таких реакторов – сильная коррозия конструкции из-за воздействия соли.

В России над реактором такого типа работает НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля. По планам, опытная установка должна быть запущена в 2031 г. на Горно-химическом комбинате (Красноярский край). Другие разработчики: Copenhagen Atomics (Дания), Kairos Power (США), Terrestrial Energy (США), ThorCon (Индонезия и США).

Микрореакторы. В большинстве случаев в данных установках используются более современные технологические решения, чем в легководных реакторах. В частности, такие же, как в реакторах IV поколения. Микрореакторы допускают эксплуатацию в полуавтоматическом режиме, они проще в транспортировке, чем более крупные ММР, и предназначены главным образом для эксплуатации вне сети, на отдаленных территориях.

Разработчики: Национальная лаборатория Айдахо (США), Oklo (США), Westinghouse (США).

Как отмечалось в предыдущей части статьи, несмотря на фактическое отсутствие рынка и малое число действующих объектов, интерес к ММР и инвестиции в эту область, особенно по итогам прошедшего года, весьма велики. Причем заинтересованность проявляют и государства, и крупные потребители (промышленные предприятия, ИТ-компании и др.), и поставщики энергии. Причина – в потенциальных преимуществах ММР. 

 

МАГАТЭ описывает ММР как усовершенствованный реактор, системы и компоненты которого могут быть изготовлены в заводских условиях в виде модулей для повышения транспортабельности с целью сокращения сроков строительства и стоимости. Ожидается, что ММР станут вариантом для удовлетворения потребности в гибкой генерации электроэнергии для широкого круга пользователей и приложений.

Регуляторы, оценивая перспективы развития рынка ММР, указывают, что такие реакторы позволят эффективно решить следующие задачи:

Что касается преимуществ ММР перед «большими» АЭС, то ключевой фактор здесь не мощность или стоимость энергии (в этом ММР как раз уступают современным АЭС), а упрощение конструкции и высокая степень заводской готовности. На заводе не только изготавливают все детали ММР – для некоторых моделей и саму загрузку топлива предполагается производить на производстве, так что реактор будет поставляться заказчику уже практически в готовом виде.

Существенные выгоды сулит бизнес-модель ММР, которая предусматривает экономию при строительстве и эксплуатации объекта за счет серийного производства. Это позволит сократить сроки строительства и сделать их более предсказуемыми, что привлекает инвесторов. Серийное производство положительно сказывается не только на себестоимости производства изделий, но и на амортизации единовременных издержек, таких как проведение НИР/НИОКР и сертификация продукции. 

Немаловажным экономическим фактором может стать и большая гибкость ММР в плане следования за нагрузкой, особенно при использовании многомодульных установок.

 

Справедливости ради надо отметить, что, когда речь идет об эффективности и удобстве ММР, не учитываются специфические для ядерных реакторов факторы, в частности разработка и внедрение стратегий топливного цикла, которые предполагают решение вопросов, касающихся не только непосредственно используемого топлива и его перезагрузки, но и упаковки, транспортировки и утилизации отходов. Все это будет влиять на итоговую стоимость эксплуатации малых реакторов.

Преимущества малого размера ММР используют для реализации новаторских систем. В первую очередь, систем обеспечения безопасности. В отчете АЯЭ ОСЭР «Малые модульные реакторы: проблемы и перспективы» (2021 г.) отмечается, что ММР по сравнению с традиционными АЭС имеют значительно более высокий уровень внутренне присущей им (пассивной) безопасности, что делает их более надежными в эксплуатации. А меньшая суммарная радиоактивность активной зоны гарантирует более низкий уровень радиоактивности (как на самой площадке, так и рядом с реактором), меньшую вероятность аварий и меньший риск радиоактивных выбросов. Все это позволяет уменьшить размер необходимых защитных зон и, следовательно, дает возможность размещать ММР в местах, приближенных к потребителям энергии.

Станут ли ММР тем универсальным средством, которое позволит рынку ЦОДов преодолеть нехватку энергии? Безусловно, нет. Во всяком случае, в ближайшее десятилетие этого точно не случится. И дело здесь не только в том, что готовых к запуску проектов пока на рынке нет. В ходе работ и испытаний потребуется решить немало проблем. 

Более безопасные, имеющие более длительный топливный цикл и в целом более перспективные с точки зрения инновационных технологий ММР IV поколения, как правило, предполагают использование топлива HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium, урана повышенного обогащения), в котором содержание U-235 составляет 5–20%. До 2023 г. промышленное производство такого топлива осуществлялось на единственном предприятии в России. В 2023 г. в США в Пайктоне (шт. Огайо) компания Centrus также запустила завод по производству HALEU, и теперь этот вид топлива производят две страны в мире. Однако предлагаемых ими объемов, особенно с учетом непростых политических обстоятельств, уже очень скоро может оказаться недостаточно. 

По оценкам Агентства по снабжению Евратома, к 2035 г. Европейскому союзу ежегодно будет требоваться от 700 кг до 1 т топлива HALEU только для поддержания работы исследовательских реакторов, без учета новых АЭС и ММР. А по прогнозам Министерства энергетики США, к 2030 г. понадобится более 40 т HALEU и в дальнейшем запросы будут только расти, в частности, из-за увеличения числа проектов строительства ММР. По данным 2023 г., для девяти из 10 проектов усовершенствованных реакторов, финансируемых правительством США, в ближайшее десятилетие будет нужно именно топливо HALEU. При существующих мощностях производства этого топлива им может не хватить, и представители атомной промышленности США предупреждают, что из-за отсутствия HALEU некоторые проекты ММР могут быть отложены на годы. Возможно, немного исправит ситуацию запуск предприятий по обогащению урана на территории Европы. Первый завод по производству HALEU к началу 2030-х гг. намерена запустить Великобритания.

Еще сложнее обстоит дело с наиболее современным и безопасным топливом TISO-HALEU (Tristructural-ISOtropic HALEU). Сегодня его производит только американская BWX Technologies. Возможно, вскоре на рынке могут появиться и другие производители TISO. О планах запустить в начале 2025 г. завод по производству топлива заявляла также компания X-energy, разработчик ММР. А «Росатом» в декабре 2024 г. сообщил о проведении первого этапа тестирования образцов TRISO-топлива (TRIstructural ISOtropic particle fuel) для высокотемпературного газоохлаждаемого реактора на площадке НИИАР. Однако очевидно, что о массовых запусках ММР, использующих этот тип топлива, при таком количестве поставщиков говорить не приходится. 

Решить проблему нехватки высокообогащенного урана могло бы МОКС-топливо (от mixed-oxide fuel), которое представляет собой смесь оксидов плутония, выделенного из отработавшего ядерного топлива, и оксидов обедненного урана – побочного продукта обогащения урана. Сейчас активно исследуются, в том числе в России, возможности и сфера применения этого топлива: на нем работает, в частности, один быстрый реактор – промышленный бридер БН-800 на Белоярской АЭС. В дальнейшем специалисты «Росатома» планируют обосновать эффективность и безопасность МОКС-топлива для водно-водяных энергетических реакторов.

Что касается использования МОКС-топлива в ММР, то большинство специалистов сходятся во мнении, что препятствий для этого нет, однако говорят о таком использовании сравнительно редко. Возможно, дело в том, что реально работающих ММР пока мало и нехватка топлива не стала критичной. Впрочем, для «быстрого» ММР LFR-AS-200, который планирует построить во Франции компания Newcleo, именно МОКС-топливо рассматривается как основной вариант. 

Как ни крути, при использовании АЭС любого размера вопрос обработки и утилизации ядерных отходов стоит остро. Меньшие размеры реакторов и длительные топливные циклы ММР предполагают, что ядерных отходов ММР должны будут производить меньше, чем «большие» АЭС. 

Однако, согласно исследованию Стэнфорда и Университета Британской Колумбии, опубликованному в 2022 г., в действительности ситуация может оказаться обратной. ММР, рассмотренные в работе ученых, по прогнозам, увеличат объем ядерных отходов, требующих утилизации, в 2–30 раз. «Эти результаты резко контрастируют с преимуществами в плане затрат и сокращения отходов, о которых заявляли сторонники передовых ядерных технологий», – указала ведущий автор исследования Линдси Кралл, бывший научный сотрудник Центра международной безопасности и сотрудничества Стэнфордского университета. По словам Л. Кралл, вопрос генерации ядерных отходов малыми реакторами изучен недостаточно. Усложняет анализ то, что работающих промышленных ММР ничтожно мало. Кроме того, некоторые разработки запатентованы и их исследование затруднено.

Тем не менее, по данным, полученным Л. Кралл и коллегами, малые реакторы в большей степени, нежели большие, будут подвержены утечке нейтронов. В результате они будут производить по крайней мере в девять раз больше нейтронно активированной стали, чем обычные АЭС. Перед утилизацией эти материалы потребуется дополнительно тщательно обрабатывать, что обойдется очень дорого.

Как показало исследование, ММР будут создавать больше отработанного ядерного топлива на единицу выработанной энергии. Причем его обработка может быть гораздо более сложной, чем обработка топлива, выгружаемого из существующих АЭС, поскольку некоторые конструкции ММР требуют «химически экзотического топлива» и охладителей, которые могут создавать трудные для утилизации отходы. Отработка этих отходов также может быть чрезвычайно дорогой. Кроме того, отходы ядерного топлива, используемого в ММР, могут дольше, нежели ядерные отходы от больших АЭС, сохранять радиотоксичность.

«Вывод для отрасли и инвесторов таков: конечная стадия топливного цикла может быть сопряжена со скрытыми расходами, которые необходимо учитывать», – подчеркнула соавтор исследования Эллисон Макфарлейн, профессор и директор Школы государственной политики и глобальных отношений в Университете Британской Колумбии. Также она отметила, что и разработчики, и регуляторы должны видеть картину в целом и понимать, как и в каких объемах потребуется утилизировать отходы, производимые ММР. 

Исследователи пришли к выводу, что по имеющейся информации малые реакторы пока проигрывают обычным в отношении образования радиоактивных отходов, требований к управлению и вариантов утилизации.

Помимо скрытых расходов и возможного удорожания реальных проектов у ММР есть и очевидная экономическая проблема: стоимость энергии, получаемой от малых реакторов, пока превышает стоимость энергии от всех остальных источников, включая и газовую генерацию, и большую часть ВИЭ. В частности, консалтинговая компания Energy Strategies, сравнивая стоимость энергии, вырабатываемой ММР и другими альтернативными источниками, указывала (в 2019 г.), что портфели альтернативных источников энергии, включая те, которые не производят вредных выбросов, обеспечивают примерно на 40% более низкую стоимость, чем ММР.

Конкретные оценки для ММР по понятным причинам немногочисленны. Тем не менее в 2021 г. EY в качестве стоимости 1 МВт·ч называла цифру $120. Впрочем, как отмечают эксперты, в данном вопросе ключевую роль играют политическая воля и господдержка. Так, по мнению Wood Mackenzie, благодаря им уже к 2030 г. стоимость 1 МВт·ч для ММР может снизиться до $80.

Еще одна задача, которую предстоит решить мировому сообществу, прежде чем ММР смогут перейти из испытательных и экспериментальных установок в разряд широко используемых генераторов энергии – это лицензирование и регулирование рынка. 

Отправной точкой для этих процедур служат действующие нормы и правила для крупномасштабных АЭС с единичными энергоблоками, оборудованных легководными реакторами, в которых применяется U-235 с обогащением ниже 5%. Несмотря на то что наземные ММР с водным охлаждением довольно близки к этим АЭС по условиям эксплуатации и используемому топливу, что предположительно упростит процесс лицензирования, для них понадобятся отдельные нормы. В первую очередь это касается вопросов безопасности – необходимо учитывать как внутренне присущую безопасность, так и возможные риски и меры аварийного реагирования. Кроме того, модульность конструкций ММР, по всей видимости, потребует своих, особенных аварийных режимов в случае нештатной ситуации.

Если же рассматривать варианты реакторов IV поколения, то здесь могут понадобиться еще более глубокое изучение вопроса и еще более гибкий подход со стороны регуляторов, так как в данном случае невозможно опереться на опыт существующих АЭС. Не снимает это забот и с разработчиков, так как именно им предстоит доказать регуляторам, что при создании ММР учтены все риски и возможные нарушения, а также разработаны все необходимые меры безопасности.

Преимущественно заводское исполнение частей ММР также может повлечь за собой принципиально новые риски, которые потребуют отдельного регулирования. Например, поскольку фабричным методом будет изготавливаться и активная зона ММР, встанет вопрос безопасной перевозки таких модулей как внутри страны, так и через границы государств. 

Так или иначе силу того, что опыт эксплуатации малых реакторов абсолютно недостаточен, а лицензирование и регулирование рынка необходимы для дальнейшего развития отрасли, регуляторам в ближайшее время предстоит решить много непростых задач.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!

<< Предыдущая статья   Вернуться к содержанию   Следующая статья >>