През лятото на миналата година в Китай започна изграждането на нов атомен реактор. Това не е кой знае каква новина, понеже Поднебесната никога не се е отказвала от атомната енергетика и към днешен ден там се строят 19 атомни електроцентрали, като е планирано изграждането на още 30 АЕЦ, изграждането на три от които трябва да започне още тази година. Но атомната електроцентрала, на която обръщаме внимание сега, е много по-особена. Вместо стандартната мощност от около 1000 MW мощността на новата централа възлиза на скромните 125 MW и това ще бъде първата АЕЦ с комерсиален малък модулен ядрен реактор. Редица експерти в тази област са на мнение, че този тип реактори ще станат причина за възникването на ренесанс в световната ядрена енергетика. Тези ядрени реактори от нов тип се строят много бързо, нямат особени претенции към ландшафта, могат да се инсталират дори на кораби и по-важното – те са много по-евтини и по-безопасни.
След ужасната катастрофа в японската Фукушима през 2011 година, рязко нараснаха опасенията относно използването на атомната енергетика. Редица проекти бяха спрени, а редица строежи на АЕЦ бяха замразени. Наистина атомната енергия е много по-зелена в сравнение с въглищата и газа, но натрупаният плашещ опит с Чернобил и Фукушима силно увеличи страховете на обществеността от бъдещи катастрофи, които може да се окажат и свързани с промените в климата.
Отказът от атомна енергетика не бе повсеместен. Една от крайностите на тази тенденция е Германия, която до края на тази година трябва да затвори своята последна атомна електроцентрала. Нейна противоположност е Китай, който е тотален лидер в броя на изграждащите се и на проектирани АЕЦ. Един от тези реактори е малък и модулен. Какво всъщност означава това?
Малкият модулен ядрен реактор
Този тип ядрени реактори се наричат малки, понеже са наистина няколко пъти по-малки от традиционните ядрени реактори, и се считат за модулни, понеже всички техни системи и компоненти се произвеждат серийно в заводи и с помощта на обикновен транспорт всичко наведнъж се превозва до мястото на изграждането на малкия реактор.
Този тип ядрени реактори не изискват голяма площ за разлика от големите атомни електроцентрали. Те са много по-гъвкави и не са капризни към мястото, където ще бъдат построени. Традиционните АЕЦ от друга страна, специално се проектират за конкретна местност, което усложнява и забавя тяхното строителство. За работата на тези по-стари атомни електроцентрали е необходима и по-сериозна инфраструктура.
Малките модулни ядрени реактори са по-компактни, по-евтини, строят се по-бързо, могат да работят както самостоятелно, така и съвместно във вид на една обща АЕЦ от няколко подобни модулни реактора. Това е едно отлично решение за отдалечени места и дори за цели предприятия, които не желаят да зависят от транспортирането и доставките на изкопаемо гориво.
Първият подобен проект започна да се реализира през месец юли 2021 година в китайската островна провинция Хайнан на площадката на атомната електроцентрала Чангдзян.
ACP100 е многофункционален малък модулен реактор с вода под налягане, разработването на който отне десет години. През 2016 година проектът стана първият SMR (Small modular reactor), който премина прегледа на безопасността на МААЕ.
В документацията към този проект можем да прочетем, че строителството на пълноценна атомна електроцентрала с два подобни реактора ще стане за 58 месеца или малко по-малко от пет години. Технологичното време на живот на тази АЕЦ е 60 години със зареждане на гориво на всеки две години. Когато тази атомна електроцентрала бъде готова, тя ще може да генерира един милиард киловатчаса електрическа енергия годишно, което е достатъчно за 526 хиляди домакинства.
ACP100 се базира на по-големия ядрен реактор ACP1000 и е определен като един от ключовите проекти в 12-тата петилетка на Китай. Конструкцията е съставена от 57 отделящи топлина модула и интегрирани парогенератори, включително елементите за пасивна безопасност. Всичко се монтира под земята, а китайската Национална ядрена корпорация е на мнение, че изграждането на подобни електроцентрали с модулни реактори ще намали използването на изкопаеми източници на енергия и ще намали изхвърлянето на вредни вещества в атмосферата.
Реакторът NuScale
Всички по-големи държави разработват свои собствени малки модулни реактори от подобен тип. Към днешен ден има десетки концепции и добре описани конструкции на подобни ядрени реактори. Един от най-сполучливите проекти от подобен род е реакторът на американската компания NuScale който бе първият в САЩ получил одобрение на конструкцията от местните регулаторни органи.
Ядреният реактор NuScale Power е стоманен цилиндър с височина 23 метра и диаметър 5 метра. Вътре в него са поставени уранови пръти, които са горивото на реактора. С помощта на протичащата верижна ядрена реакция, водата в долната част на този реактор се нагрява. Чрез топлообменник нагрятата до пара вода се прехвърля към външния кръг. Парата задвижва турбина, която генерира електрическа енергия. По време на тази работа парата се оглажда в кондензатор и се връща във вътрешния кръг.
Този тип малки ядрени реактори имат пасивно охлаждане. Горещата вода се издига нагоре по топлообменника, охлажда се и се връща обратно към горивните пръти от уран. В тази конструкция няма помпи и допълнителни движещи се елементи, които биха могли да се повредят и да предизвикат авария. Циркулацията се осъществява по естествен път.
При случайно възникване на извънредна ситуация ректорът самостоятелно спира ядрената реакция с помощта на управляващите борови пръчки, които спират обмена на неутрони и ядрената реакция се прекратява. Тези пръти се задържат с помощта на електрическата енергия на малкия реактор и ако тя по някаква причина спре, управляващите реакцията пръти под въздействието на гравитацията падат при урановото гориво и прекратяват реакцията.
Една от главните особености на малкият модулен ядрен реактор на NuScale е изключително гъвкавото регулиране на изходната мощност. При подаден сигнал от контролната зала, която е също с много компактни размери, изходната мощност може да се увеличи от 20 до 100% само за 30 минути, като в този случай мощността на изхода нараства от 12 до 60 мегавата. При обратния процес мощността от 60 до 12 мегавата пада само за 8 минути.
Безопасността
Едно от преимуществата на малките модулни реактори от типа на NuScale е много добре обмислената пасивна система за осигуряване на безопасността, която изобщо не разчита на наличието на електрическа енергия и съответно, на нейното изключване. Реакторите без намесата на оператор или на електроника самостоятелно погасяват ядрената реакция: след спирането на електрическата енергия управляващите пръти под въздействието на гравитацията бавно падат в ядрото и спират реакцията.
За да могат реакторите от този тип да останат хладни, не е необходимо и външно подаване на вода, което е важно при възникването на силни земетресения. В проекта NuScale е реализирана надеждна схема за изпускане на парата от реакторната зона.
Когато прътите за контролиране на ядрената реакция са потопени в ядрото, верижната реакция спира, но остатъчната топлина от около 6-7% от пълната мощност на реактора, бавно намалява в продължение на няколко седмици. Но тази топлина съществува и трябва да бъде разсеяна, за да не възникне критична ситуация.
В ядрените реактори NuScale парата от техния корпус се изпуска към външната обвивка с помощта на специални вентилационни клапани. Тази обвивка е поставена в басейн и прехвърля топлината на парата извън своите стени. Вътре парата започва да изстива и кондензира във вид на вода на дъното. Когато нивото на водата достигне точно определена точка, самостоятелно се отварят рециркулационни клапани, които връщат водата в реактора. По този начин се постига естествена циркулация при тежка авария, когато електрическата енергия е спряла и няма достъп до вода отвън.
Разбира се, далече не всичко е съвсем гладко и Комисията за ядрена регулация има някои забележки към конструкцията на модулните реактори. Така например, едно от притесненията на експертите са спиралните парогенератори. Те са изключително ефективни при прехвърлянето на топлината, но експертите се замислят относно тяхната износоустойчивост. Те имат опасения относно плътността на парата в малкия кръг на парогенераторите. В миналото, преди около десет години именно тръбите на парогенераторите са станали причина за затварянето на атомната електроцентрала от стар тип в Калифорния. Около 3 хиляди топлообменни тръби в новите парогенератори преждевременно са се износили, въпреки че са били инсталирани две години преди това. Всъщност, това е бил заводски брак на тръбите, произведени в Япония, но експертите са обезпокоени.
Специалистите на NuScale заявиха, че са направили най-внимателни изпитания на тези компоненти, а сега възнамеряват по експериментален път да покажат на всички, че причини за безпокойство няма.
Но така или иначе, при най-тежката авария със силни земетресения и липса на вода и електрическа енергия, вероятността за възниквана на която се оценява на едно към един милиард години, замърсяването ще бъде само в пределите на реактора, докато при традиционните АЕЦ радиусът на замърсяването обхваща десетки километри, в рамките на които се образува необитаема за хората зона.
Що се отнася до радиоактивните отпадъци, засега никой не е измислил решение на този проблем.
Какво следва?
Демонстрационният проект на NuScale ще бъде изграден в щата Айдахо. През месец февруари тази година на територията на Националната лаборатория на щата приключиха подготвителните работи: проучвания на подземния слой, оценяването потенциала на вулканичните и сеизмични опасности, създаването на мрежа от кладенци за мониторинг на подземните води и изграждането на метеорологична станция за мониторинг.
На тази вече почти готова площадка ще бъде изградена АЕЦ VOYGR с шест малки модулни ядрени реактора, която трябва да бъде включена към електропреносната мрежа на страната през 2029 година. В същата година трябва да започне да работи и атомна електроцентрала в Полша, която също използва подобен вид реактори. NuScale и полският производител на сребро и мед KGHM Polska Miedź SA са сключили съответния договор. SMR са изключително привлекателни като замяна на въглищните електроцентрали, от които силно зависи полската енергетика. От SMR реакторите се интересуват Чехия и Казахстан, където NuScale подписа съответните споразумения с местните правителства, а с местните компании – най-различни меморандуми и споразумения.
Разбира се, NuScale не е единствената компания, която активно работи в тази област. Има редица други стартъпи със свои собствени разработки. Всички са на мнение, че SMR ректорите ще станат масови към края на това десетилетие.
Малките модулни ядрени реактори имат значително по-ниски капиталови разходи на единица продукция, но тяхната икономическа ефективност все още не е доказана на практика. Ще следим темата.