Компактне нуклеарне електране: потенцијал је огроман
Мало је вероватно да ће реактори значајне снаге, на пример ВВЕР-1200, бити локализовани у малим земљама или у областима где потрошачи немају довољно оптерећење. ВВЕР реактори мање снаге имају већу цену по јединици снаге. Компактни реактори мале снаге који би имали добре економске перформансе и који би се брзо и лако градили (на пример, у масовној производњи) биће тражени на тржишту.
Према дефиницији (ИАЕА), мали реактори су они који имају снагу до 300 МВ и који се састоје од модула који се производе у фабрици пре испоруке и уградње на лицу места. Међу њима су и мали модуларни реактори (СМР).
Сада у свету већ постоји више од 70 пројеката компактних, вишенаменских реактора различитих типова и дизајна. Према проценама Националне нуклеарне лабораторије Уједињеног Краљевства, глобално тржиште СМР-а до 2035. могло би да достигне 65-85 ГВ и процењује се на 250-400 милијарди фунти (300-500 милијарди долара).
СМР-ови се могу изградити за снабдевање електричном енергијом удаљених подручја света у развоју, на крајњем северу и у пустињи. На њиховој основи могуће је градити фабрике, нафтне платформе, војне базе, снабдевање рудника.
Плутајућа НПП – „плутајућа” нуклеарна електрана
И овде Росатом има обећавајуће развоје - плутајуће нуклеарне термоелектране (ФНПП). Прва нуклеарна електрана овог типа, Академик Ломоносов, пуштена је у рад 2020. године у луци Певек (Чаунски округ, Чукотски аутономни округ) и у будућности ће заменити НЕ Билибино. Станица се састоји од плутајућег агрегата (ФПУ), копнене локације са конструкцијама, као и хидрауличких објеката који обезбеђују безбедно паркирање ФПУ у акваторију.
Пројекат се реализује од 2007. године. У номиналном режиму, Академик Ломоносов испоручује 60 МВ електричне енергије и 50 Гцал/х топлоте на обалу. Додатна функција плутајуће нуклеарне електране је десалинизација морске воде - од 40 до 240 хиљада кубних метара слатке воде дневно.
РИТМ-200
РИТМ-200 је руски нуклеарни реактор са водом под притиском који је развио ОКБМ им. Африкантов, направљен према шеми са двоструким кругом. Дизајниран за уградњу на нуклеарне ледоломце, плутајуће нуклеарне електране ЗиО-Подолск и нуклеарне електране мале снаге. Прва електрана са два реактора за први нуклеарни ледоломац пројекта 22220 типа „Арктика“ (ЛК-60Иа) испоручена је 2016. године. Ледоломац је пуштен у рад 2020. године.
РИТМ-200
Догађаји у САД
Модуларни реактор НуСцале
Америчка нуклеарна регулаторна комисија (НРЦ) објавила је завршетак процеса сертификације за први нуклеарни реактор који је развила приватна компанија НуСцале. Ректор је модуларан, што вам омогућава да саставите блокове од њих. Производња се врши транспортном методом у фабрици, одакле се реактор, потпуно спреман за рад, испоручује купцу на месту рада.
Створене су две верзије модуларног мини-реактора, капацитета 50 МВ и 60 МВ. Обе инсталације имају челично тело дужине 23 метра и ширине 4,5 метара. Прва верзија је у фази сертификације у конфигурацији од 12 модула, обезбеђујући укупно око 600 МВ електричне енергије. Такав модул је способан да произведе скоро 50 тона водоничног горива дневно из воде.
Модуларни реактор НуСцале
еВинци микрореактор
Други пројекат је Вестингхоусеов еВинци микрореактор.
Снага еВинци се креће између 200 кВ и 15 МВ. Као гориво планирају да користе пелете са уранијумом обогаћеним до 19,75 одсто. Кампања за гориво траје 10 година, а затим се реактор шаље произвођачу на поновно пуњење.
Вестингхоусе очекује да ће изградити први еВинци 2024. године.
Кина
Реактор АЦП-100 (Лонгкинг) је пројекат који развија кинеска корпорација ЦННЦ.
Интегрални модуларни водени реактор под притиском дизајниран на постојећим ПВР технологијама користећи пасивне сигурносне системе. Електрична снага је око 100 МВ, радни век је 60 година, делимично претовар се врши сваке две године.
Аргентина
Остали СМР пројекти у завршној фази изградње укључују 30 МВ(е) ЦАРЕМ реактор у Аргентини.
ЦАРЕМ-25 реактор (Централ Аргентина де Елементос Модуларес) је модуларни демонстрациони реактор мале снаге. Реакторски суд ЦАРЕМ, пречника 3,2 метра и висине 11 метара, произвела је аргентинска компанија ИМПСА. У њему се налази 12 вертикалних генератора паре који производе прегрејану пару.
Кампања горива – 510 ефф. дана при педесет посто преоптерећења језгра.
Нуклеарне микроелектране (МП)
Према ИАЕА, МП представљају ултра-компактне нуклеарне електране које се могу одмах монтирати у фабрици и доставити на локацију једним камионом.
Такве станице морају имати саморегулишуће системе пасивне безбедности који не захтевају велики број особља за одржавање. Не могу се везати за електричну мрежу, могу се транспортовати од места до места и користити у различитим условима.
Снага - око 10 МВ (е) са минималним периодом пуњења горива од 10 или више година у даноноћном и континуираном режиму обезбеђује струју за више од 5 домова.
Тренутно, приватне компаније и истраживачке групе у различитим земљама света развијају више од десет МР пројеката.
Русија: пројекти микрореактора
Пројекат "Полица-М"
Росатом планира да изгради први на свету микрореактор Схелф-М од 10 мегавата на Чукотки до 2030. године. Полицу развија НИКИЕТ.
Пројекат СВЕТ-М
„Гидропресс“ развија реактор четврте генерације за нуклеарне електране мале снаге (ЛНП) „СВЕТ-М“ (Оловно-бизмутни реактор са природном циркулацијом расхладног средства – модуларно).
Према речима шефа одељења Гидропресса Сергеја Љакишева, опције се развијају у широком опсегу електричне снаге: од 1 до 50 МВ. Најразвијенији дизајн је за 10 МВ.
Висина реактора је око 5 м, што омогућава испоруку реактора било којом врстом транспорта. Расхладна течност је еутектичка легура олова и бизмута. Тело је моноблок у коме се налазе и језгро и генератор паре. Вода улази у кућиште, а прегрејана пара излази. Реактор ради на природној циркулацији, у примарном кругу нема пумпи. Кућиште није оптерећено притиском и има пасивно хлађење језгра.
Легура олово-бизмут се налази у посуди реактора на атмосферском притиску и не реагује хемијски ни са атмосферским ваздухом ни са водом.
СВЕТ-М припада четвртој генерацији сигурносних реактора.
Аурора реактор (САД)
Један од пројеката који се приводи крају је реактор брзог спектра Аурора од 1,5 МВ(е), који развија Окло.
Реактор је пројектован на принципу функционисања и саморегулације пре свега због природних физичких процеса, што подразумева употребу веома малог броја покретних елемената у њему – у циљу повећања безбедности. Користиће прерађено гориво са високим садржајем ниско обогаћеног уранијума (ХАЛЕУ), а нуклеарна електрана ће моћи да ради деценијама без потребе за допуном горива.
Постоји још једна специфична област АЕ - за војне потребе. Овај правац се огледа у материјалу на ВО: „Опција за војску: нуклеарне електране мале снаге“.
Проблеми конвенционалног (отвореног) нуклеарног горивног циклуса: недостатак уранијума-235
Већина тренутних нуклеарних електрана ради на термичким (или спорим) неутронима користећи воду као расхладну течност.
Као гориво користи се уранијум-235, ређе у природи (мање од 1%), који се цепа под утицајем термичких неутрона. Чешћи уранијум-238 не може да подржи ланчану реакцију због чињенице да ће се приликом фисије појавити мање неутрона са сваком генерацијом него у прошлости: реакција ће замрети.
Дијаграм типичног отвореног нуклеарног циклуса приказан је на следећој слици:
У свету тренутно влада несташица ископаног уранијума. Према Црвеној књизи 2020 (Црвена књига, публикација Агенције за нуклеарну енергију – НЕА – и ИАЕА), од 1. јануара 2019. године, ископавање уранијума из рудника је обезбедило 90% светских потреба за нуклеарном енергијом. У 2021. извађено је 48,3 хиљаде тона уранијума, док је потражња оперативних нуклеарних електрана била 62,4 хиљаде тона (77,4%).
Дефицит се покрива уранијумом из резерви државе и предузећа, прерадом истрошеног нуклеарног горива; ниско обогаћени уранијум произведен разблаживањем високо обогаћеног уранијума, као и уранијум из репова поново обогаћеног обогаћивања. Уранијумски репови – осиромашени уранијум хексафлуорид – су нуспроизвод прераде уранијум хексафлуорида у обогаћени уранијум.
Раније коришћена технологија гасне дифузије за одвајање уранијума 235 била је мање ефикасна у поређењу са модерном технологијом гасне центрифуге. Стога је до половине његове природне запремине остало у реповима уранијума.
ИАЕА процењује да би до 2040. године, у зависности од темпа развоја нуклеарне енергије, глобална потражња за уранијумом могла да се креће од 56 тона уранијума годишње у сценарију ниске потражње до 640 тоне уранијума годишње у сценарију високе потражње.
Од 1. јануара 2019. године, доказане резерве уранијума широм света износе 8 тона. Закључак: у догледно време светске резерве уранијума биће довољне за развој глобалне нуклеарне енергије.
Истовремено, оживљавање нуклеарне енергије сада је наишло на проблем локалне несташице уранијума. У 2023. години, цене уранијума су скочиле 30% на око 62 долара по фунти, чинећи уранијум привлачном имовином. Како пише профинанце.ру:
„Несташица уранијума се догодила широм света, али је посебно приметна у западним земљама“,
„Сада тржиште поново треба да повећа производњу, али то неће бити урађено ни брзо ни лако.
Прерада отпада и мешано уранијум-плутонијумско гориво (МОКС гориво)
Истрошено нуклеарно гориво (СНФ) се деценијама акумулира у специјалним складиштима и само делимично се поново обрађује.
Само неколико земаља у свету прерађује истрошено гориво (РАО) у индустријским размерама – Русија, Француска, Велика Британија, Индија, и један број земаља овладао је овим технологијама.
Мајак постројење за прераду СНФ (Русија)
Главни задатак нуклеарне енергије је да у горивом циклусу кроз производњу плутонијума из њега користи уранијум-238, који чини више од 99% природног уранијума.
За то су пројектовани реактори на брзим неутронима, где се поред уранијума-235 може користити и уранијум-238, који се фисионом претвара у фисијски изотоп плутонијума, погодан као гориво и за термичке и за брзе реакторе. Али таквих реактора је мало у свету (види доле).
Шема формирања плутонијума 239 из уранијума 238
Други начин коришћења уранијума-238 је МОКС гориво (мешано-оксидно гориво), које више не користи оскудан уранијум-235. Састоји се од мешавине више врста оксида фисионих материјала, углавном мешавине оксида плутонијума и природног уранијума, обогаћеног уранијума или осиромашеног уранијума – (У, Пу) О2. Садржај ПуО2 може варирати од 1,5 теж. % до 25–30 теж. % у зависности од типа нуклеарног реактора.
Сировина за производњу МОКС горивих пелета је плутонијум диоксид, добијен прерадом истрошеног нуклеарног горива (озрачено нуклеарно гориво), и уранијум-238 оксид, произведен из секундарних „репова“ производње обогаћивања.
МОКС се може користити као додатно гориво за конвенционалне реакторе са топлотном неутроном на лаку воду, али је његова употреба ефикаснија у реакторима на брзим неутронима (БН), у којима Русија неоспорно води.
МОКС обезбеђује „сагоревање“ плутонијума и отпада истрошеног горива, коришћење нуклеарног отпада и проширење базе горива (уштеда руде уранијума).
У септембру 2022. године, Росатом је тестирао иновативно МОКС гориво на блоку бр. 4 Белојарске НЕК са реактором БН-800, достигавши 100 одсто снаге.
Крајем 2022. године у Сибирском хемијском комбинату у Северску (АД СЦЦ) произведени су и прихваћени експериментални гориви склопови за реактор БН-600 са горивим шипкама типа БН-1200. ТВЕЛ садрже мешано густо нитридно уранијум-плутонијумско гориво (СНУП-гориво); планирано је да буду тестирани 2023. године у реактору БН-600 у електрани Белојарск.
Француска, да ограничи акумулацију отпада, користи прераду истрошеног горива и производи МОКС гориве склопове, али је ово гориво знатно скупље од горива направљеног од обогаћеног природног уранијума.
Постројење за прераду СНФ, Француска
Развој технологије реактора са водом под притиском: ВВЕР-С и ВВЕР-СКД (Росатом)
Међу недостацима нуклеарних електрана је нижа ефикасност. За пројекат ВВЕР-1200 ефикасност је 36% (пројекат НЕК-2006). Истовремено, француски ЕПР-1600 (Европски реактор под притиском) има ефикасност од 37%, а кинески реактор 4. генерације СХИДАО БАИ (види доле) има ефикасност од 44%.
Како атомицекперт пише:
„Ефикасност савремених нуклеарних инсталација може се повећати на 45% преласком на водено расхладно средство са наткритичним параметрима или коришћењем натријум, олово-бизмут, олово, гасно расхладно средство у примарном кругу, са водом у секундарном кругу загрејаном до суперкритичних параметара. ... предности воде у односу на друге расхладне течности су познате и, стога, изгледи за развој воденог реактора су примамљиви.”
Росатом развија нове ВВЕР пројекте:
1. "ВВЕР-С" - реактор са спектралном регулацијом (развио ОКБ "Гидропресс"). Губици неутрона у води су у великој мери одређени односом запремине коју заузима вода према запремини коју заузима уранијум, који се назива однос вода-уранијум. Спектрална регулација (СР) је напуштање регулације течног бора и контроле реактора променом односа воде и уранијума у језгру увођењем и уклањањем измењивача током кампање за гориво.
СР омогућава стварање тврђег неутронског спектра на почетку кампање и трошење неутрона, који се апсорбују у конвенционалним ВВЕР-има, на производњу нових фисионих материјала. У ВВЕР-С, уместо да се апсорбују у борној киселини, вишак неутрона се апсорбује у уранијум-238, што резултира плутонијумом, који се користи као ново гориво, што је корак ка стварању „затвореног циклуса“. Како језгро сагорева, измењивачи се уклањају и замењују водом. На крају кампање за гориво, ВВЕР-С ради као обичан ВВЕР.
ВВЕР-С може да ради у отвореним и затвореним циклусима горива. Тренутно, у реакторима на лаку воду, не може се убацити више од 50% МОКС горива у језгро. ЦП омогућава да се реактор са лаком водом напуни језгром које се у потпуности састоји од МОКС горива.
Први ВВЕР-С на свету биће изграђен у Русији иза арктичког круга недалеко од постојеће нуклеарне електране Кола до 2035. године. Ова технологија може да смањи трошкове изградње нуклеарних електрана за 15% и потрошњу горива за 30%. Реактор може бити потпуно напуњен МОКС горивом.
2. Једнако амбициозан пројекат је стварање ВВЕР-а са наткритичним параметрима притиска расхладне течности у примарном кругу - то су ВВЕР-СКД, класификовани као реактори 4. генерације.
Међу предностима: већи коефицијент сагоревања, оптимизација потрошње природног уранијума; повећање ефикасности до 44−45%; повећање загревања у језгру са 280 на 540 °Ц и, као последица тога, смањење протока расхладне течности; смањење специфичних капиталних трошкова за изградњу енергетског блока.
Главни проблем је пронаћи одговарајуће материјале и техничка решења. Реактор такође може бити потпуно напуњен МОКС горивом. Планирано је стварање СКД реактора мале снаге. Због просторних ограничења, преглед руског нуклеарног програма је направљен у посебном материјалу.
Двокомпонентна нуклеарна енергија са затвореним циклусом нуклеарног горива (ЦНФЦ)
Према концепту Росатома, двокомпонентна нуклеарна енергија, у комбинацији са затвореним циклусом нуклеарног горива (ЦНФЦ), пружиће фундаментално решење за два главна проблема нуклеарне енергије: руковање истрошеним нуклеарним горивом, радиоактивним отпадом (РАВ) и повећање ефикасности коришћење природног уранијума.
Да би решио овај проблем, Росатом планира да створи енергетски комплекс од два типа реактора: водено хлађени реактори са спектралном контролом (ВВЕР-С) и брзи неутрони (БН): пилот-демонстрација (БРЕСТ-ОД-300) и енергетски ( развијају се две опције: БН‑1200М са натријумовим расхладним средством и БР‑1200 са оловним расхладним средством).
Употреба ВВЕР-С обезбедиће уштеде природног уранијума током рада нуклеарних електрана, а реактори БН ће омогућити ефикасно коришћење истрошеног горива, његову прераду и производњу новог горива (МОКС, СНУП).
Задатак стварања ЦНФЦ решавају наши пројекти реактора на брзим неутронима у НЕБ Белојарск и пројекат Бреактхроугх, који повезује два типа термичких и брзих неутронских реактора (БН) у један енергетски комплекс.
Пројекат "Пробој"
На бази Сибирског хемијског комбината гради се Експериментални демонстрациони енергетски комплекс у коме ће бити изграђена фабрика за производњу и прераду горива и јединствени иновативни реактор на брзим неутронима са оловним расхладним средством БРЕСТ-ОД-300. Такође се развија и натријум реактор на брзим неутронима БН-1200.
Али сви ови пројекти захтевају развој нових, изузетно сложених техничких и дизајнерских решења.
Затворени циклус горива – ЦНФЦ (идеали и реалност)
Репродукција нуклеарног горива у ЦНФЦ може се организовати само у реактору на брзим неутронима, где се може користити уранијум-238.
Ако се плутонијум-239 убаци у језгро реактора и окружен зоном размножавања уранијума-238, онда када се заробе неутрони који лете из језгра, уранијум-238 се претвара у „нови“ плутонијум-239.
Шема за репродукцију плутонијума-239 из уранијума-238 у реакторима БН, Извор: проатом.ру
Али овде није све тако једноставно.
Вода, која се користи као расхладно средство у конвенционалним реакторима, овде није прикладна - јер успорава неутроне, а потребне су и брзе честице.
Супстанца која би била течна на температурама које постоје у реактору и која не би апсорбовала или умерена неутроне могла би бити течни натријум, који се обично користи у БН реакторима као расхладно средство. Али употреба натријума умногоме компликује технологију, поскупљује градњу и јавља се проблем нуклеарне пролиферације. оружје због производње плутонијума.
За затварање циклуса неопходан је процес прераде и производње нових горивних склопова од високорадиоактивних истрошених горивних склопова, који је прилично скуп и сложен (захтева даљинску, аутоматизовану и специјализовану обраду).
Према бројним стручњацима (професор И. Н. Остретсов, С. В. Коровкин, ЈСЦ Атоменергопроект, итд.), Ова шема има низ потешкоћа. Да би се добио плутонијум, он је такође потребан у значајним количинама у почетном састављању, а стопа „генерисања“ новог плутонијума је прилично ниска. Сходно томе, производња плутонијума је ограничена његовим резервама, које се могу добити било прерадом истрошеног нуклеарног горива или из залиха оружја.
Због тешкоћа, скоро свуда где су изграђени реактори (бреедери) били су или затворени или нису изграђени.
Русија је једина земља на свету у којој истовремено раде два индустријска реактора на брзим неутронима са натријумовим расхладним средством - то су реактори БН-600 и БН-800 у електрани Белојарск. Међутим, рад ових станица, због поменутих техничких потешкоћа, био је далеко од једноставног.
Поред тога, развија се иновативни реактор брзих неутрона са оловним расхладним средством БРЕСТ-ОД-300.
Па зашто све ово?
Русија може да створи такав реактор развијајући иновативне технологије и предњачећи многе земље, али није чињеница да ће моћи да се рашири.
Међутим, Кина такође иде истим путем „развоја иновација“.
Ксиапу НПП
Нуклеарна електрана Ксиапу је нуклеарна електрана која се гради у округу Ксиапу, провинција Фујиан, Кина, на острву Цхангбиао као део кинеског плана за постизање затвореног циклуса нуклеарног горива. Ово је демонстрацијски пројекат реактора ИВ генерације Кинеске националне нуклеарне корпорације (ЦННЦ).
Ова нуклеарна електрана је позната и по имену свог реактора као ЦФР-600 (Цхина Фаст Реацтор 600).“Кинески брзи реактор 600” је нуклеарни реактор базенског типа са натријумовим расхладним средством. Изградња реактора почела је крајем 2017. године. Снага реактора биће 1 МВ – топлотна и 500 МВ – електрична. Гориво ће испоручивати ТВЕЛ, подружница Росатома, у складу са споразумом потписаним 600. године.
На истој локацији, у децембру 2020. почела је изградња реактора ЦФР-600 снаге 600 МВ, а предлаже се изградња четири реактора ЦАП4 од 1000 МВ.
Шидаован НПП – иновативни реактор 4. генерације
Нуклеарна електрана Шидаован, најновији развој кинеских нуклеарних електрана, требало би да постане прва нуклеарна електрана четврте генерације на свету. 2021. године, прва јединица за напајање СХИДАО БАИ прикључена је на мрежу. Јединица ради са два јединствена реактора и једном турбином. Овде се користе гасно хлађени реактори ХТР-ПМ (у нашој класификацији ХТГР - високотемпературни гасно хлађени реактори).Први пут у свету као расхладно средство се користи хелијум, а као модератор се користи графит.
Гориво – пуњење 245 лоптица – сферни гориви штапови пречника 000 цм од графита прошараног керамичким уранијумским горивом, који садржи 6 г горива обогаћеног до 7%.Гориво је способно да складишти радиоактивни садржај на температурама до 8,5°Ц. , што је веће од вредности за ванредне ситуације .
Ово је експериментална јединица, укупна снага турбине која покреће два реактора је мала - 210 МВ. Главна предност ове технологије је висока температура расхладне течности, око 750 степени, што омогућава постизање веће ефикасности погонске јединице, око 44%. Јединица се може користити као извор топлоте за градско грејање, десалинизацију воде или за производњу водоника.
Кина је у новембру 2021. најавила завршетак теста ланчане реакције у другом реактору електране Шидаован, а у децембру 2022. оба реактора су доведена на пуну снагу од 240 мегавата.
Како је изјавио Лу Хуа Куан, председник Института за нуклеарна истраживања Хуаненг:
„ХТР реактори имају највише радне температуре од свих доступних типова реактора и уједно су једини реактори који могу произвести процесну топлоту на веома високим температурама. У блиској будућности, ХТР реактори могу да се користе као нова генерација напредних реактора и да допуне кинеску нуклеарну индустрију за мале и средње модуларне нуклеарне јединице“.
Према његовом мишљењу, ови реактори имају добар извозни потенцијал за земље и регионе са недостатком свеже воде и у земље у којима локални електроенергетски системи нису погодни за нуклеарне електране снаге веће од 1 МВ.
Поред ХТР-ПМ, Кина нуди већу верзију, ХТР-ПМ600, са једном турбином од 650 МВ коју покреће шест малих реактора.
Недостаци ХТГР-а, према атомицекперт-у, укључују запремину истрошеног горива, која је за ред величине већа од оне у реакторима на лаку воду, док је поновна прерада истрошеног горива отежана: индустријске технологије за одвајање модератора од језгра и екстракцију фисијски материјал није тестиран. Реактор садржи велику количину озраченог графита, чије су методе одлагања прилично сложене.
Општи преглед стања нуклеарне енергије у свету и њених перспектива дат је у чланку о ВО „Фукушима и Чернобил, ветротурбине и соларни панели? Заборавите: свет чека ренесансу нуклеарне енергије.”
Стање у електропривреди уопште и проблеми развоја обновљивих извора енергије (ОИЕ) разматрају се у чланку о ВО „Чиста енергија“ као геостратегији: да ли ће ветротурбине и соларни панели спасити климу.