Деревенские АЭС

Зачем и кому нужна малая атомная энергетика? В святцах написано - большая станция для крупных энергосистем, малая станция для региональных.

Для экономики большая станция эффективнее, так как меньше становятся капитальные затраты на её строительство (экономия масштаба!). Но сплошь и рядом мы видим, как большая мощность становится избыточной. Отсюда происходят разговоры о манёвренных режимах или ночные закачки французами воды для соседних государств. Ещё чаще по диспетчерским ограничениям большие АЭС работают с недогрузкой.

Малая энергетика должна быть лишена недостатков большого собрата. Её предельный случай - "АЭС для посёлка", станция на несколько десятков, а то и просто на несколько мегаватт. Следуя привычным журналистским штампам, назовём её деревенской АЭС.

Требования, предъявляющиеся к деревенской АЭС, должны во многом кардинально отличаться от требований к большим атомным станциям.

Первое. Будучи в здравом уме, никто не может предполагать, что у деревенской атомной станции численность персонала окажется сравнимой с населением обслуживаемого посёлка - конечно, если только посёлок не добывает алмазы.

Будем честными и согласимся с тем, что под "персоналом" здесь и далее следует понимать не только операторов и директора с его секретаршей, но и охрану, семьи, продавщиц станционного магазина, воспитателей детских садов, психологов из ЛПФО, профсоюзных боссов, корреспондентов боевого листка "Мирная атомная Черноплюевка" и многих других людей, без которых невозможна нормальная жизнь на АЭС.

Второе. Для малых АЭС должны удовлетворяться жёсткие и сверхжёсткие требования к системам безопасности, в частности, к системам локализации аварий.

Третье. Малые, деревенские АЭС обязаны быть долговечными, простыми в эксплуатации и доступными по цене для потребителя. Регион не сможет выложить миллиарды евро за атомные станции для своих городков и посёлков, если только этот регион не нефтегазоносная Тюмень.

Топливо и СУЗ

Никого не удивляет, что если уменьшить размеры промышленного бойлера, то можно получить простой и безопасный электрочайник для домашнего хозяйства. Уменьшая коммерческую угольную ТЭЦ, можно прийти к обычной печке или камину. Но так ли обстоит дело с ядерными реакторами?

Прежде всего, у реактора есть понятие критмассы. Количество топлива, необходимое для достижения критического состояния, является существенной величиной, слабо зависящей от мощности. Если мощность ВВЭР-1000 уменьшить в 100 раз, то не стоит надеяться на 100-кратное сокращение массы загружаемого топлива.

Иными словами, роль топливной составляющей для малых АЭС будет расти по сравнению с большой энергетикой, а загрузка топлива в малые реакторы будет немногим меньше, чем в большие.

Характеристики активной зоны реактора за время эксплуатации будут меняться, и эти изменения станут для малой АЭС определяющими при проектировании системы СУЗ. Лучше всего, чтобы реактор за кампанию оставался бы стабильным или почти стабильным.

Добиться стабильности нейтронно-физических параметров очень легко - реактор с нулевой удельной мощностью, как известно, не выгорает. То есть, чем хуже используется топливо малой АЭС, тем лучше для её безопасности, но тем больше вопросов появляется по её экономике.

Но выгоранием топлива дело не ограничивается. Кроме выгорания, в реакторе присутствуют мощные эффекты отравления/разотравления, температурные эффекты при выходе на мощность и останове, и многие другие. То есть, система управления и защиты для деревенского реактора выйдет на практике близкой по сложности к системе СУЗ для больших энергоблоков.

Уроки Галены

Как создавалось ТЗ для деревенской АЭС для американского штата Аляска, и как вслед за ним пишутся ТЗ для новых потенциальных клиентов?

Есть индейский посёлок Галена, в котором проживают 675 человек (теперь уже 612). За киловатт-час в нём платят 25-35 центов. Потребность в электрической мощности доходит до 5 МВт и может быть почти удвоена, если перевести на электроэнергию отопление домов. Значит, требуется малая АЭС с мощностью до 10 МВт, способная обеспечить сельчан более дешёвой электроэнергией.

Для Аляски на бумаге удалось показать, что деревенский реактор станет выгодным приобретением. В идеальном случае, тарифы за электроэнергию в Галене после пуска малой АЭС с японским реактором 4S понизились бы до 5 центов за кВт×час. Но в этих расчётах предполагалось, что реактор деревне подарят бесплатно, а охранять его будет по совместительству местный шериф в свободное от посещения деревенского бара время.

Как только все эти предположения были отброшены, тарифы на атомное электричество для Галены немедленно поползли вверх, и проект был закончен, так и не начавшись.

Галенский опыт показал самое слабое место деревенских атомных станций. Это даже не топливо или капзатраты, это люди. Каждая штатная единица персонала вносит заметный отрицательный вклад в экономику, и чем больше людей задействовано в обслуживании деревенской АЭС, тем меньше у неё права на существование.

Изучив труды множества международных конференций, где затрагивались вопросы малых и сверхмалых АЭС, можно выделить и остановиться на трёх предложениях, способных улучшить экономическую эффективность деревенских станций:

подземное расположение АЭС, благодаря чему обеспечиваются безопасность и физзащита;
длительная (десятки лет) работа без перегрузки топлива;
автоматическое управление реактором и блоком, позволяющее полностью отказаться от эксплуатационного персонала, оставив лишь аутсорсинговые ремонтные бригады для периодического технического обслуживания.

Остановимся на трёх пунктах подробнее и изложим свои сомнения.

Три пункта

Подземное расположение. Закопать и забетонировать атомную станцию - прекрасное решение. На поверхность выходят только две трубы (вход/выход теплоносителя) и несколько проводов.

Но как прикажете поступать, если в недрах подземной станции прохудится трубопровод? По условиям задачи, доступа внутрь АЭС не предполагается - ведь если есть доступ, то нельзя отказываться от охраны. В этом случае, любые мероприятия по ремонту и обслуживанию оборудования станции превратятся в дорогостоящие и длительные раскопки, в течение которых потребителю придётся обходиться без энергии или покупать её на стороне.

Длительная работа без перегрузки. Что делать в случае разгерметизации твэлов? Вводить в проект дорогую систему очистки теплоносителя? Или выкапывать станцию и отправлять её для перезарядки на завод?

Закладываться на то, что дефектов твэлов за время сверхдлинной кампании не будет, нельзя - хотя бы уж потому, что из законов Мэрфи следует обратное. Всё, что может сломаться, сломается, причём в самый неподходящий момент.

Есть проекты, авторы которых отказываются от теплоносителя и снимают тепло с активной зоны через теплопроводность. Разгерметизация твэлов таким реакторам не страшна, но возникают свои сложности - затруднённый теплосъём, повышенная инерционность системы и другие.

Автоматическое управление реактором. Самый интересный подход, но и самый "бумажный" из всех перечисленных.

Примем как аксиому, что система может считаться ядерно-безопасной только в том случае, если запас реактивности в ней меньше доли запаздывающих нейтронов, бета-эффективной.

На что можно израсходовать 0,7% по реактивности? На выгорание, температурный и мощностной эффекты. Два последних должны быть отрицательными из соображений саморегулирования - если мощность реактора выросла по каким-то причинам, то отрицательная обратная связь должна вернуть её на место. Но чтобы мощность вернулась в исходное состояние сразу, а не через день, эффекты придётся сделать сильными по абсолютной величине, и запаса на выгорание у автоматической системы регулирования не останется.

Можно использовать другие приёмы. Например, разрешить средней температуре топлива колебаться в пределах ±10°C. Но как это повлияет на температуру рабочего тела, отдающегося потребителю? В большинстве проектов, такое тело - вода. Если мы не хотим в проекте избыточного давления и не собираемся получать пар, то разрешённые колебания температуры топлива будут означать, что температура воды будет колебаться в пределах 65-85°C.

Это пригодно максимум для теплоснабжения посёлка, о производстве электроэнергии при таких параметрах придётся забыть. Альтернатива - вводить в проект давление и ужесточать, тем самым, требования к корпусу реактора и его материалам.

Наконец, последний козырь из рукава. Отравление для тепловых реакторов в разы превышает бету-эффективную, и необслуживаемый реактор может быть поэтому только быстрым. А у быстрых реакторов топливо будет по естественным причинам дороже, и их строительство будет оправдано только на фоне замыкания топливного цикла. То есть, малые быстрые реакторы не выживут, пока не появится большая энергетика с быстрыми реакторами и замкнутым циклом.

Вместо заключения

Деревенская АЭС, конечно, может иметь право на существование. В единственном экземпляре где-нибудь в далёкой тундре - как флаговтыкательский проект, или как те американские военные малые реакторы, которые отработали в своё время в Антарктиде и Гренландии.

А прорыва в малой атомной энергетике можно добиться, если отбросить ошибочный тезис "Даёшь АЭС в каждый дом!". Если работать с потребителями регионального масштаба, с городами на 100-200-300 тысяч человек, и если сделать упор на реакторы из линейки 100-300 МВт(эл.). Это на сегодняшний день может быть реально. Ну а деревенская АЭС, к сожалению, ещё многие годы и десятилетия останется иллюзией.

ИСТОЧНИК: Иннокентий Стрельченко, AtomInfo.Ru