Несмотря на сохраняющееся в Японии после аварии на Фукусиме настороженное отношение к атомной энергетике, компания "Mitsubishi Heavy Industries" (MHI) продолжает заниматься разработками перспективных реакторных технологий.
Краткий обзор разработок MHI был опубликован в "Mitsubishi Heavy Industries Technical Review" (Vol. 57, No. 4, декабрь 2020 года).
Название статьи - "Development of Mitsubishi Innovative Nuclear Reactor toward the future; Small-PWR, High Temperature Gas-cooled Reactor and Micro-Reactor". Авторы - Toshikazu Ida и др.
Реакторы PWR малой мощности менее 300 МВт(э), указывается в статье, могут быть полезны как свободные от выбросов CO2 энергоисточники в небольших сетях, характерных для развивающихся стран, и в регионах, не имеющих доступа к централизованному энергоснабжению.
Также их можно использовать в качестве мобильных энергоисточников на островах и в регионах, подвергшихся действию природных катаклизмов.
MHI была вовлечена в работы по созданию 24 блоков с PWR в Японии, а также имеет опыт разработки малых реакторов. В частности, компания создавала реакторную установку для японского атомохода "Mutsu".
"Mutsu" - грузо-пассажирское судно с ядерно-энергетической установкой. Ввод в эксплуатацию планировался в 1972 году, по различным причинам не состоялся. В 1995 году реактор был демонтирован, судно после дезактивации перестроено в океанографическое исследовательское.
Следующей разработкой компании стал проект интегрированного модульного водоохлаждаемого реактора IMR (Integrated modular water reactor).
Реактор IMR обладает тепловой мощностью 1000 МВт(т), отвод тепла от активной зоны производится за счёт естественной циркуляции. Конструкция активной зоны базируется на конструкциях больших PWR.
Рассматривались варианты с наземным размещением IMR, а также (потенциально) с его применением для плавучих АЭС.
Парогенераторы, ГЦН, компенсаторы встроены в корпус реактора. Таким образом, ГЦТ в проекте IMR отсутствует.
После фукусимской аварии в Японии были ужесточены требования к безопасности ядерных установок. В соответствии с этим, компания MHI внесла ряд изменений в проект малого реактора, получившего, согласно статье, условное название "Mobile Small-PWR".
Так, была усилена защита против сейсмических воздействий, цунами и торнадо. Приняты дополнительные меры по укреплению антитеррористической безопасности, а также по защите от падения самолёта.
В статье кратко описаны и другие изменения, сделанные в проекте "Mobile Small-PWR".
Так, "Mobile Small-PWR" обладает мощностью "на порядок меньшей, чем мощность энергогенерирующих малых PWR" и может быть установлен на борту судна, благодаря уменьшенным размерам корпуса реактора.
Указание на мощность "Mobile Small-PWR" представляет собой своего рода ребус. Можно предположить, что мощность такого реактора рассматривается в диапазоне десятков мегаватт.
Максимально используя преимущества технологии легководных реакторов под давлением, конструкция "Mobile Small-PWR" обеспечивает стабильную работу даже в условиях качки, присущих морским операциям.
Разработчики "Mobile Small-PWR" стремятся свести к минимуму потребности в ремонте и обслуживании, а также исключить необходимость частичных перегрузок (таковые могут потребоваться только для вариантов с работой реактора на одном и том же месте в течение длительного периода времени).
Второе направление разработок в компании MHI, упомянутое в статье - высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы.
Направлением ВТГР в Японии занимается агентство по атомной энергии (JAEA). Есть практические результаты. Так, в 1998 году был впервые выведен на критику исследовательский реактор HTTR.
Компания MHI с ранних стадий была активно вовлечена в работы по созданию HTTR. Во главе консорциума из четырёх компаний MHI отвечала за производство корпуса, оборудования и трубопроводов первого контура.
В дальнейшем в сотрудничестве с JAEA компания занималась разработкой теплообменников, арматуры и иного оборудования для проекта газотурбинного высокотемпературного реактора GTHTR-300.
Также в активе MHI есть разработки по связанным с ВТГР системам для производства водорода.
Опираясь на накопленный опыт, в настоящее время компания MHI занимается разработкой когенерационной станции (реактор ВТГР и водородное производство).
Температура теплоносителя на выходе из активной зоны составляет 950°C, что обеспечит условия для эффективного производства как электроэнергии, так и водорода.
Проект станции предполагает работу в режиме маневрирования продукцией. Режим генерации электроэнергии - базовый. Сопряжённое водородное производство задействуется в тех ситуациях, когда потребление электроэнергии падает; это позволяет удерживать мощность реактора на одном и том же уровне.
Высокая температура теплоносителя позволяет отказаться от паровой турбины. Теплоноситель (гелий) будет напрямую подаваться на гелиевую турбину.
Для производства водорода на первом этапе предполагается задействовать технологию парового риформинга. Поставлена задача продемонстрировать преимущества когенерационных станций и осуществить на практике стабильное промышленное производство водорода за счёт энергии, вырабатываемой в ядерном реакторе.
Конкретные показатели, приведенные в статье - 120 тысяч нормальных кубометров водорода в час, или более 900 миллионов нормальных кубометров водорода в год. Достигаться такие показатели должны за счёт отвода от реактора на водородное производство порядка 220 МВт(т).
После 2050 года компания MHI предполагает перейти к другим методам производства водорода, таким как высокотемпературный электролиз пара илицикл йод-сера.
С точки зрения экономической эффективности компания стремится достичь низкой себестоимости производства водорода и высокой эффективности производства электроэнергии.
Для этого в реакторной части когенерационной станции будет проведена оптимизация с упрощением систем безопасности, что станет возможным за счёт внутренне присущих свойств безопасности высокотемпературного реактора.
Также предполагается использование простых конфигураций - например, уже упомянутое решение о подаче гелиевого теплоносителя непосредственно на турбину, что позволит убрать из проекта второй контур. Принцип модульности должен снизить расходы на строительство станции.
Компания MHI будет заниматься научными исследованиями и вести разработки когенерационной станции в сотрудничестве с потенциальными потребителями, в частности, из металлургической промышленности.
Также компания будет координировать свои усилия в данном направлении с общими планами по декарбонизации Японии.
Компания MHI разрабатывает проект многоцелевого микрореактора (он так и назван в статье: "Micro-Reactor"). Возможные области применения данной установки показаны на рисунке ниже.
Микрореакторы располагаются вблизи мест проживания людей, поэтому их проекты должны обеспечивать наивысший уровень безопасности.
Одна из наиболее серьёзных аварий на реакторных установках - авария с потерей теплоносителя (LOCA). При разработке микрореактора от MHI было принято решение полностью устранить возможность такой аварии, для чего из проекта был исключён теплоноситель.
Микрореактор "Micro-Reactor" разрабатывается на основе принципа an all-solid-state reactor. Его активная зона создана из "основанного на графите" материала с высокой теплопроводностью, посредством которого выделившаяся в топливе энергия передаётся наружу, в систему генерации электроэнергии.
Небольшая тепловая мощность микрореактора вкупе с высокой теплопроводностью материала активной зоны обеспечивает в аварийных условиях отвод тепла за счёт охлаждения окружающим воздухом - то есть, аварии фукусимского типа на "Micro-Reactor" исключены.
Управление микрореактором автоматическое. Частичные перегрузки не требуются, обогащение урана - HALEU (до 20%).
Максимальная мощность одного модуля с микрореактором "Micro-Reactor" составляет 1 МВт(т). Модулей на площадке может быть несколько, исходя из потребностей.
Переход на основанные на графите конструкционные материалы позволяет сделать установку легче. В статье говорится, что "Micro-Reactor" легче металлического аналога на 70%, что позволяет перевозить его грузовым автотранспортом.
Реактор и система электрогенерации вмещаются в стандартный 40-футовый контейнер для морских перевозок.
В японском обзоре отсутствуют упоминания о конкретных сроках возможного внедрения или хотя бы демонстрации перечисленных перспективных разработок.
"MHI продолжит переговоры с правительством и различными бизнес-операторами относительно разработки наших будущих реакторов и продолжит проектные исследования для соответствия наших установок потребностям клиентов", - говорится в заключительной части обзора.
"Мы продолжим переговоры с нашими поставщиками услуг и будем двигаться вперёд в развитии. Мы также считаем, что инновационные технологии нуждаются в проверке и что необходимо продолжать стремиться к обеспечению безопасности и защищённости при реализации экономической конкурентоспособности".
"Что касается правил безопасности, то мы надеемся, что обсуждение правил, подходящих для маломощных проектов и инновационных концепций безопасности, отличающихся от концепций для традиционных реакторов большой и малой мощности, будет продолжено".