РАЗРАБОТКА МАЛЫХ МОДУЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ В РОССИИ- ОБЗОР

DEVELOPMENT OF SMALL MODULAR REACTORS IN RUSSIA-OVERVIEW

Cherotaw Mekonen

Student, School of Nuclear Science and Engineering Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

Nikita Smolnikov

Physicist Engineer, Nuclear Safety Service, Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В этом отчете мы рассмотрели историю и развитие малых и модульных реакторов, их типы и классификацию, эксплуатационные характеристики и их соответствующие достоинства и недостатки. Чтобы добиться этого, мы провели интенсивный анализ из различных источников, таких как статьи, справочники и текущие отчеты. И напоследок предложим дальнейшие работы.

ABSTRACT

In this report we have reviewed the history and development of small and modular reactors, their type and classification, operational characteristics and their respective merit and demerit. To accomplish this, we have made intensive reviewing from different source as articles, handbooks and proceeding reports. And finally, we will suggest future work.

Ключевые слова: модульный, интегральный, малый, компенсатор давления,

Keywords: Modular, Integral, Small, Pressurizer,

ВВЕДЕНИЕ

Атомная энергетика является вторым по величине источником низкоуглеродной электроэнергии в мире и первым среди стран ОЭСР (Организация экономического сотрудничества и развития). По состоянию на конец 2020 года насчитывалось 441 действующий реактор в 31 стране, более 50 новых реакторов находились в стадии строительства (включая семь новых строек), а пять новых блоков были введены в эксплуатацию в Беларуси, Китае, России и ОАЭ. Примечательно, что Беларусь, Турция и ОАЭ являются новичками в атомной энергетике. Около 600 МВтэ ядерной мощности будет добавлено в этом году, и только в США почти 200 МВтэ ядерной мощности были добавлены в сеть из-за повышения мощности, что означает улучшение работы существующих атомных станций. 15 новых реакторов, которые вводятся в эксплуатацию в этом году, включают новые технологии - реактор на быстрых нейтронах и небольшой модульный реактор, оба в Китае[12,1] .

По мере того как с 1950-х годов производство ядерной энергии стало налажено, размер реакторных блоков вырос с 60 МВтэ до более 1600 МВтэ с соответствующей экономией на масштабе эксплуатации. В то же время было построено много сотен небольших энергетических реакторов для морского использования (до 190 МВт тепловых) и в качестве источников нейтронов, что дало огромный опыт в проектировании малых энергоблоков[1,1].

«Малая» относится к номинальной мощности реактора: у которой нет определенного диапазона, обычно принимается номинальная мощность приблизительно от 10 до 300 МЭ. Минимальная мощность гарантирует, что реактор выдает мощность, подходящую для интересующего практического промышленного применения. Максимальный рейтинг ограничивает эти проекты уровнями мощности, при которых могут быть реализованы ожидаемые преимущества серийного производства и постепенного развертывания, а также соответствие возможностям и ограничениям размещения в электрических сетях[11,239-272].

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) определяет «малые» как менее 300 МВт и примерно до 700 МВт как «средние», включая многие действующие блоки 20-го века. Вместе они были названы МАГАТЭ Малыми И Средними Реакторами (МСР). Тем не менее, «ММР» чаще используется как аббревиатура от «малый модульный реактор», предназначенный для серийного строительства и в совокупности составляющий большую атомную электростанцию.

Подкатегория очень малых реакторов - vSMR - предлагается для блоков мощностью менее 15 МВт, особенно для удаленных населенных пунктов[1,1].

Принимая во внимание, что «Модульный» относится к единичной сборке Ядерной Системы Подачи Пара (ЯСПП), которая при соединении с системой преобразования энергии или системой подачи технологического тепла доставляет желаемый энергетический продукт. Узел в сборе может быть собран из одного или нескольких субмодулей. Затем желаемую электростанцию ​​можно создать из одного или нескольких модулей, чтобы обеспечить желаемую номинальную мощность[11, 274].

Первые реакторы небольшого размера были разработаны в 1960-х годах для коммерческого и военного применения. Некоторые из этих реакторов - Шиппорт в 1958 году, Янки-Роу в 1960 году, Indian Point One в 1962 году, Дрезден в 1960 году, TES-3 в 1961 году, Саванна в США в 1962 году, OK-150 в 1957 году и Отто Хан в 1968 году. В 1960-х годах было разработано несколько реакторов небольшого размера, и лишь некоторые из них послужили основой для создания нынешних ММР. Поскольку большинство ММР используют интегральную / интегрированную конструкцию для теплообменник (RX), в следующем разделе мы начнем обсуждать ранние интегрированные конструкции для военно-морских и наземных приложений[3, 44-46].

Ранние интегрированные проекты, в которых SGS и насосы находятся в пределах теплообменник (RX), вдохновили нынешние проекты ММР. Одной из ранних конструкций является Безопасный Интегральный Реактор (SIR) (рис. 1), в котором установлен высокий стояк для усиления естественной циркуляции непосредственно над активной зоной. Герметичные циркуляционные насосы расположены чуть ниже Компенсатор Давления(PRZ). Парогенератор(SG) расположены по периферии сосуда.

Пассивный компенсатор давления(PRZ) находится в верхней части сосуда высокого давления из-за наличия пара. Такая конструкция делает невозможным аварию с большой потерей охлаждающей жидкости (БПОЖ) из-за отсутствия насоса охлаждающей жидкости первого контура [3, 44-46].

Рисунок 1. Конфигурация SIR . PRZ, нагнетатель давления; RCP, циркуляционный насос реактора; SG, парогенератор. [3]

Ханнерц предложил новую концепцию, которая представляет собой комбинацию обновленной интегрированной конструкции и конструкции реактора бассейнового типа. Эта концепция называется проектной схемой максимальной безопасности процесса (PIUS) (рис. 2). Ядро находится внизу стояка. Горячий поток на выходе из стояка попадает на вход в циркуляционные проточные трубы. Эти трубы соединяют резервуар и как парогенератор (SG), так и циркуляционные насосы.

Насос прикреплен к выходу из парогенератор (SG) для уменьшения напора, необходимого для циркуляции потока. Вода возвращается в емкость от насоса и течет через сливной стакан к активной зоне. Между стояком и бассейном на нижнем конце стояка имеется зазор для соединения.

В случае аварии с большой потерей охлаждающей жидкости (БПОЖ), даже если головка насоса поддерживает поток воды через сливной стакан в активную зону реактора в рабочих условиях, борированная вода в бассейн начинает поступать, хотя и с более низкой плотностью. замок так, чтобы между соединениями замка нижней и верхней плотности началась естественная циркуляция.

Другими словами, вода в бассейне не используется в рабочих условиях. Несмотря на то, что есть циркуляционные трубы, соединяющие теплообменник (RX) и парогенератор(SG), судно находится в бассейне, состоящем из большого количества воды. Несмотря на то, что на циркуляционных трубах может быть  БПОЖ, конструкция PIUS предназначена для работы даже с  БПОЖ с его большим запасом воды в бассейне.

Вода в бассейне охлаждается воздухом, чтобы поддерживать температуру в бассейне в желаемом диапазоне как в аварийных, так и в рабочих условиях. Бассейн с водой, компенсатор давления (PRZ) и активная зона окружены предварительно напряженным бетонным резервуаром под давлением. Утечка из емкости перекрывается двойной облицовкой из нержавеющей стали и бетонной стенкой. Компенсатор Давления PIUS, как и SIR, находится наверху судна[3.44-46].

Рисунок 2.  Конфигурация PIUS PRZ,[4]

Реактор мощностью 38 МВт, который приводил в действие Отто Хан, представляет особый интерес, потому что это был первый коммерчески развернутый пример интегрального реактора Реактор с водой под давлением (PWR). Интегральная конфигурация, в которой все основные компоненты системы содержатся в одном резервуаре, используется во многих конструкциях ММР, старых и новых, из-за простоты системы и повышенной безопасности, которые она обеспечивает[6,25].

Интегральная схема (АБВ-6Э, РИТМ-200Н, РИТМ-200М) имеет определенные преимущества, такие как локализация теплоносителя первого контура в одном объеме (в емкости), отсутствие сопел и трубопроводов большого диаметра, что снижает вероятность аварии с большой потерей теплоносителя. Напротив, в интегрированной компоновке затруднен доступ к оборудованию, находящемуся в реакторе, что ограничивает или усложняет ремонтные услуги. Следовательно, интегрированная компоновка требует использования высоконадежного оборудования, основанного на проверенных в эксплуатации решениях и прошедшего репрезентативные ресурсные испытания в лабораторных условиях[2,4].

Модульная схема (КЛТ-40С, ВБЭР) занимает по существу промежуточное положение между контурными и интегральными схемами.

Вместо длинных трубопроводов первого контура используются короткие трубы большого диаметра, соединяющие основное оборудование блока (реактор, парогенератор и насосы). Такая компоновка блока уменьшает высоту блока и делает его доступным для ремонтных работ[2,4].

Рисунок 3. RX Отто Хана,[4]

ММР В РОССИИ

Небольшой флот атомных ледоколов, построенный Россией, относится к особой категории морских двигателей, которые не предназначены ни для военных задач, ни для коммерческого применения.

Эти небольшие реакторные установки номинальной мощностью 100-200 МВт значительно продлевают судоходный сезон Северного Ледовитого океана. Они также служат основой для некоторых российских позиций на рынке ММР[6,25].

ЭГП-6 -это российская конструкция малого ядерного реактора. Это уменьшенная версия конструкции РБМК. Что касается РБМК, то ЭГП-6 использует воду для охлаждения и графит в качестве замедлителя нейтронов. Это самый маленький в мире коммерческий ядерный реактор. Было построено всего четыре реактора ЭГП-6, которые образовали атомную электростанцию в Билибино, с общей электрической мощностью 48 МВт и выработкой тепла до 100 ГКал/ч. Эскизный проект Били́бинская АЭС(БиАЭС) был подготовлен в 1964 году, рабочий проект - в 1965 году. Строительство БиАЭС было начато в октябре 1966 года. введен в эксплуатацию в 1974 году.

Проект завода был разработан Уральским подразделением Теплоэлектропроекта совместно с Ижорскими заводами и ФЭИ в Обнинске. Каждый реактор ЭГП-6 в Билибино производит 12 МВт. Электростанция выводится из эксплуатации и заменяется плавучей атомной электростанцией "Академик Ломоносов", которая начала функционировать в конце 2019 года.Первый реактор ЭГП-6 был остановлен в 2019 году, и по состоянию на 2020 год все еще работают только 3 реактора ЭГП-6 [4,1],[9,135-142].

Рисунок 4. Сравнение PWR петлевого (слева) и интегрального (справа) типа, показывающее отказ от больших труб теплоносителя первого контура [7]

КЛАССИФИКАЦИЯ ММР

Имея около 50 концепций на различных стадиях разработки и развертывания по всему миру, ММР включают в себя большое разнообразие конструкций и технологий и в целом состоят из[10,261-265]:

a) Усовершенствованные ММР, включая модульные реакторы и реакторы с водой под давлением.

b) Инновационные ММР, включая малые реакторы четвертого поколения с водяным охлаждением / замедлителем;

c) Преобразованные или модифицированные ММР, включая плавучие атомные электростанции на баржах и реакторы, закрепленные на морском дне, напоминающие подводные лодки;

d) Стандартный ММР, основанный на использовании второго поколения технологий и все еще развертываемый

Малые модульные реакторы на легкой воде используют значительно меньшее количество компонентов, чтобы снизить затраты и повысить простоту конструкции. Однако с этими изменениями возникли новые физические проблемы. В то же время разрабатываются передовые конструкции ММР (такие как модульный Реактор С Галечным Слоем(PBR), MHR Antares, Prism, 4S, Hyperion и т.д.), Которые улучшили пассивную безопасность и другие функции[4].

В рамках данного исследования SMR классифицируются на две группы (рис. 5) [3,44-46]:

1. Легкая Вода-ММР:  можно отнести к категории поколения III + (Gen-III +). Некоторые из реакторов Легкая Вода ММР, такие как малый модульный реактор Westinghouse (W-SMR), унаследовали некоторые функции безопасности лицензированных реакторов Gen-III +, такие как AP1000, имеющий лицензионную коммерческую конструкцию. Легкая-Вода ММР обычно используют интегрированные теплообменник(RX), которые охватывают активную зону, парогенератор (SG), насос и компенсатор давления (PRZ).

2.  Нелегкая Вода-ММР: можно отнести к категории реакторов поколения IV (Gen-IV), поскольку они очень экономичны с улучшенной пассивной безопасностью и сниженным уровнем радиоактивных отходов.

Рисунок 5. Таблица классификации

Таблица 2.

Подведение итогов развития ММР [5,1],[10,261-265]

Инновационные характеристики малогабаритных модульных реакторов

Уникальные характеристики малогабаритных модульных реакторов - это их размер и модульность. Этот модульный подход имеет несколько преимуществ по сравнению с крупномасштабными реакторами.

ММР предлагает ряд явных преимуществ [7,26-28], [8,10-35]:

• малый размер и модульная конструкция - меньшее количество конструкций, систем и компонентов (по сравнению с крупномасштабными АЭС), это позволит полностью изготавливать эти реакторы на заводе, доставлять и устанавливать модуль за модулем, повышая производительность производства компонентов за счет обучения эффекты при сокращении сроков строительства, финансовых затрат и инвестиционных рисков.
•  существенно более простые конструкции (меньшее количество систем) - это приводит к меньшей частоте инициаторов аварий и событий, которые могут вызвать повреждение активной зоны, по сравнению со сложными станциями генерации тока.
• разнообразный набор полезных приложений - производство электроэнергии с низким содержанием углерода в удаленных местах с ограниченным доступом к сети или без него, промышленное технологическое тепло, опреснение или очистка воды, а также приложения когенерации (например, в нефтехимической промышленности).
• расширенный набор возможных вариантов размещения - их небольшой размер делает их подходящими для небольших электрических сетей или для мест, которые не могут вместить крупномасштабные электростанции;
• ограничение безопасности и опасности распространения - по сравнению с крупномасштабными реакторами, SMR имеют большее отношение поверхности к объему (более легкий отвод остаточного тепла), более низкую удельную мощность активной зоны (более эффективное использование функций пассивной безопасности), меньший запас активной зоны по сравнению с традиционные крупномасштабные реакторы и многолетние перегрузки топлива, так что загрузка нового топлива требуется очень редко.
• упрощенные системы преобразования энергии, повышенная гибкость,
• снижение финансового риска

ВЫВОД

Хотя Россия является пионером и лидером в разработке и внедрении малых модульных реакторов, мировой спрос также неуклонно растет. И, таким образом, необходимо дальнейшее изучение эксплуатационного состояния и проблем развертывания интегрального модульного типа реактора, таких как устойчивость к нераспространению и метод обращения с отработавшим топливом, транспортные и инфраструктурные проблемы, процедуры политики и регулирования, сравнение альтернативных источников энергии, экономическое сравнение и финансовые источники. должны быть тщательно изучены и должны быть указаны возможные соответствующие меры по смягчению воздействия.

Список литературы:

1. Association, W. N. Small Nuclear Power Reactors. World Nuclear Association. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/small-nuclear-power-reactors.aspx (дата обращения: 3/4/2021)
2.  Dmitriev, S. M., Kurachenkov, A. v., & Petrunin, V. v. Scientific-technical and economic aspects for development of innovative reactor plants for small and medium nuclear power plants. Journal of Physics: Conference Series, 1683(4). 2020.  https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042032
3. Energy, W. P. S. in. Handbook of Generation IV Nuclear Reactors. In I. L. Pioro (Ed.), Woodhead Publishing Series in Energy: Joe Hayton, 2016.
4. HandWiki. (n.d.). Engineering: EGP-6 (H.-E. of S. and Computing, Ed.). Nuclear Power Reactor Types. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://handwiki.org/wiki/Engineering:EGP-6 ,  (дата обращения: 3/4/2021)
5.  In. CRS INSIGHT Small Modular Nuclear Reactors: Status and Issues. (2017) [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://crsreports.congress.gov/product/pdf/IN/IN10765, (дата обращения: 3/5/2021)
6.  Ingersoll, D. T. Small Modular Reactors: Nuclear Power Fad or Future? In Woodhead Publishing Series in Energy (Issue Number 90,), 2016, Woodhead Publishing is an imprint of Elsevier.
7. Kessid, I. N. The future of the nuclear Industry Reconsidered risks uncertainties, and continued potential. Policy Research Working Paper 6112. Page: 26-28
8.  М. Хадид Субки, Х. Хидайатола, С. Сусяди, Т. Koш. Институт Проблем Безопасного Развития Атомной Энергетики Российской Академии Наук Атомные Станции Малой Мощности: Новое Направление Развития Энергетики Том 2, А.А.С. Академика. 2015 Стр .: 10-35
9. Mukhamadeev, R., Parafilo, L., Baranaev, Y., & Suvorov, A. Analysis of a severe beyond design basis accident for the EGP-6 reactor of the Bilibino NPP. Radioactive source term determination. Nuclear Energy and Technology, 4(2), 2018. с 135–142. https://doi.org/10.3897/nucet.4.30774
10. Pedraza, J. M. Small Modular Reactors for Electricity Generation_ An Economic and Technologically Sound Alternative. Springer International Publishing AG., 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-52216-6  page: 261-265
11. Publishing, Woodhead. Handbook of Small Modular Nuclear Reactors. In Edited by Mario D. Carelli and Daniel T. Ingersoll (Ed.), Woodhead Publishing Series in Energy: Number 64, Issue 64, 2015.
12. World Nuclear News (WNN). The real challenges to nuclear are external, says panel, Energy and Environment, 2021. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: The real challenges to nuclear are external, says panel : Energy & Environment - World Nuclear News (world-nuclear-news.org) (дата обращения: 3/15/2021)