9 марта 2017

В мире растёт интерес к строительству подводных атомных станций

Малая энергетика в наши дни стремится не только на землю, но и на воду и даже под воду. Какую технологию предпочтительнее выбрать для подводной малой станции? Таким вопросом задались авторы статьи (K.Shirvan и другие) в "Nuclear Engineering and Technology", опубликованной в №46 (2016).

В начале 2011 года французская компания DCNS анонсировала проект "Flexblue" - подводную модульную малую АЭС мощностью модуля от 50 до 250 МВт(э). Предполагалось, что такая станция может быть заякорена на глубинах порядка 60-100 метров и на расстоянии до нескольких километров от берега.

Вскоре после этого случилась Фукусима, и проект "Flexblue" скрылся в тени, но это не означает, что интерес в отрасли к подводным реакторам утрачен.

Ширван и соавторы видят сразу несколько преимуществ у подводных АЭС.

Во-первых, подводное размещение предоставляет практически бесконечный объём воды для организации пассивного охлаждения активной зоны при отказе штатных систем.

Во-вторых, подводные станции могут работать в тех регионах, где строительство наземных АЭС невозможно - в густонаселённых регионах, местах с повышенной опасностью природных катаклизмов, и так далее.

В-третьих, для подводной станции не требуются массивные бетонные структуры, такие как контейнмент, а её транспортабельность обеспечивает энергетикам большую гибкость при её применении.

Кроме того, подводная малая АЭС обладает и традиционными преимуществами малой энергетики - например, фабричное изготовление и возможность в полной мере использовать плюсы серийного производства.

Для сравнения, послушаем мнение российского специалиста.

"У подводного размещения много положительных факторов. Для нашего института это вообще привычное капсулированное размещение реакторной установки, мы к нему привыкли и воспринимаем как известную для нас сферу деятельности. Подводное размещение обеспечивает безопасность, а также необслуживаемость установок. Оно позволяет использовать разветвлённую систему управления - с одного плавучего или наземного пульта можно будет управлять несколькими подводными станциями. Есть также выигрыш по местам размещения. Для России подводные АСММ будут полезны при освоении шельфа, где мы сможем максимально приблизить источник энергии к потребителю, обеспечивая при этом на должном уровне безопасность", - говорит Александр Пименов, заместитель директора - генерального конструктора АО "НИКИЭТ".

Естественно, подводная АЭС может работать с реакторами различных типов. Ширван и соавторы провели сравнительный анализ 13 реакторных технологий, сократив в итоге их список до пяти.

Заградительным критерием для ряда технологий оказались заданныые ограничения по размерам внешнего корпуса подводной АЭС - не более 15 метров в диаметре (условие задано, исходя из производственных возможностей DCNS) и не более 20 метров в высоту (с целью обеспечить надёжное погружение станции на глубинах порядка 30 метров). По этому критерию были исключены реакторы типа CANDU.

Натриевые реакторы не понравились авторам из-за потенциальной опасности взаимодействия натрия с водой при разгерметизации станции. Для газоохлаждаемых аппаратов авторы считают затруднительным организовать полностью пассивную защиту. Целый ряд проектов был отвергнут, так как не удовлетворял условию кампании более пяти лет при обогащении урана менее 20%.

Технологии, вошедшие в финальную пятёрку, таковы:

  •      PWR (базовый проект для сравнения - "Flexblue");
  •      BWR (базовый проект - LSBWR);
  •      СКД (базовый проект - MIT);
  •      свинцово-висмутовый быстрый реактор (базовый проект - СВБР-100);
  •      OCR, реактор, охлаждаемый органическим теплоносителем (базовый проект - MIT).

Основным преимуществом PWR и BWR авторы видят высокую степень их проработанности. СКД-реакторы обещают высокую термодинамическую эффективность, органические реакторы компактны, а СВБРы - "очень компактны".

Основной недостаток PWR и BWR - их низкий термический к.п.д., в чём они крупно проигрывают СКД. В свою очередь, проблема СКД - необходимость масштабных НИОКР по выбору материалов. По органическим реакторам НИОКР фактически вообще не ведутся, а у СВБР основная проблема связана с эксплуатационными трудностями при удержании эвтектики свинец-висмут в жидком состоянии.

По ходу анализа Ширван и соавторы добавили ещё один вариант, ответвление от PWR - интегральный PWR. Проекты такого рода активно рассматриваются для малых АЭС. Их основные достоинства по сравнению с прародителями - возможность уменьшить размеры внешнего корпуса, играющего в подводной АЭС роль контейнмента, а также исключение на проектном уровне аварий с большими разрывами первого контура.

Выполненный Ширваном и соавторами сравнительный анализ шести технологий для подводной АЭС достаточно глубок и сам по себе интересен, и заинтересованных читателей мы отсылаем за подробностями к тексту рассматриваемой статьи. Здесь же упомянем только её финальные выводы.

С точки зрения безопасности, все шесть претендентов в состоянии обеспечить бесконечно долгое пассивное охлаждение активной зоны при тяжёлых авариях. Наибольшая неопределённость по данному пункту наблюдается у OCR, так как для него не определены сценарии проектной и запроектных аварий, а также потому, что этим проектом не занимались на протяжении последних 40 лет.

По экономике ожидаемым победителем оказались кипящие реакторы, но на одну ступеньку с ними авторы поставили реакторы OCR. Прочие проекты отстают от лидеров примерно одинаково, но у СВБР есть возможность, в том числе, за счёт применения новых материалов, на горизонте 2030-2040 годов существенно повысить свои экономические показатели.

Если анализ водных проектов можно увидеть достаточно часто, а реакторы с органическим теплоносителем, напротив, слишком большая экзотика, то анализ свинцово-висмутовых реакторов в западной технической литературе пока ещё редкость.

Поэтому стоит обратить внимание на то, какие черты СВБР выделяют в позитивном или негативном смысле авторы статьи в "Nuclear Engineering and Technology".

СВБР, по мнению авторов, выгодно отличается от быстрых натриевых реакторов своей совместимостью с водой и воздухом и работает при этом при давлениях и температурах, сравнимых с аналогичными показателями натриевых реакторов, но уступает им по теплогидравлическим и коррозионным показателям.

При сравнении с водными проектами СВБР выигрывает по термическому к.п.д. и по запасу до кипения теплоносителя. В то же время, в отличие от реакторов с водой, для свинцово-висмутовых установок необходимо обращать на сценарии аварий с замерзанием теплоносителя такое же внимание, как и на сценарии с его перегревом.

Ещё один недостаток свинцово-висмутовых реакторов - активация теплоносителя с образованием 210Po, напоминается в статье.

Рассуждая о проблемах, связанных с замерзанием теплоносителя, авторы попали в известную логическую ловушку. Такие проблемы у свинцово-висмутовых реакторных установок действительно были - но на лодочных реакторах с их спецификой эксплуатации!

Причём случаев замерзания главного циркуляционного контура даже на лодочных реакторах не наблюдалось. Страдали трубопроводы малого диаметра, в которых циркуляция теплоносителя по большому счёту отсутствовала - например, дренажные трубы. Соответственно, ставить знак равенства между сценариями с перегревом и замерзанием теплоносителя для реакторов типа СВБР ошибочно.

Какую роль здесь сыграла специфика лодочных реакторов? Во-первых, для них реализовывалась чрезвычайно разветвлённая схема трубопроводов контура теплоносителя, поддерживать нужную температуру в которой было затруднительно.

Во-вторых - и это самое важное! - КИУМ лодочных реакторов по определению невысок, а следовательно, остаточное энерговыделение у них небольшое.

На гражданском свинцово-висмутовом реакторе, пусть даже в исполнении для подводной станции, оба негативных фактора легко устранимы. От разветвлённой схемы трубопроводов можно уйти за счёт использования моноблока, а КИУМ у атомной станции по определению должен быть высоким и совершенно точно намного большим, чем у лодочного реактора.

В завершение нельзя не обратить внимание и на тему коррозии, ставшую притчей во языцех в обсуждении любого ТЖМТ-проекта. Не избежали её упоминания и авторы статьи в "Nuclear Engineering and Technology".

Конечно, по материалам для ТЖМТ ещё многое предстоит сделать. Но хотелось бы, в свою очередь, отметить, что для "русской стали" ЭП823, которую можно применять в тяжелометаллических реакторах в качестве оболочки твэла, набрана внушительная статистика коррозионных испытаний при рабочих температурах СВБР.