Сергей Соловьев, научный руководитель ВНИИАЭС, руководитель федерального проекта № 5 «Наука и совершенствование атомных станций малой мощности» – о задачах проекта по созданию малых ядерных энергетических установок
В мае 2019 года задача по созданию АСММ воспринималась как периферийное направление, в стороне от «столбовой дороги» – двухкомпонентной энергетики и установок большой мощности. Предполагалось, что в спокойной обстановке можно будет размеренно реализовать заделы и наработки, накопленные в период работы над архитектурой ВВЭР-ТОИ, оптимизировать АЭС средней мощности на базе ВВЭР и ВБЭР. Но жизнь показала, что востребованность малых АЭС возрастает быстрее, чем это предполагали даже оптимисты. Не случайно задача по отработке технологий малых АЭС оформлена в формате федерального проекта № 5 в составе комплексной программы РТТН. Уже в ноябре 2027 года планируется энергопуск АЭС с реактором «Ритм-200»; через год станция должна быть принята в промышленную эксплуатацию. Положительное решение экспертизы по этому объекту ожидается 2024 году – то есть должен быть подготовлен проект, достойный положительного заключения.
Интерес к атомным станциям малой мощности вырос не только в России, но и в мире. Потенциальных областей их использования много; для нашей страны это в первую очередь надежное энергоснабжение отдаленных территорий. Новая тенденция – интерес к многомодульным АЭС. Например, Nu Scale на 50 МВт, уже лицензированный американским надзорным органом, рассматривается для работы в комбинации 12-ти блоков. Есть проекты по 77 МВт на модуль, суммарно такая комбинация выходит на уровень до 1 ГВт. Такие проекты могут интегрироваться в безуглеродную энергетику будущего, где сочетание АЭС и возобновляемых источников дополняет друг друга, делая систему в целом независимой от состояния погоды и времени суток.
У каждого из подготовленных проектов АСММ есть свои привлекательные особенности. Так, многие предполагается помещать ниже уровня земной поверхности – заглубленное состояние снижает опасность повреждений при землетрясении, падении самолета. В проекте Nu Scale защитная оболочка по диаметру сопоставима с диаметром корпуса ВВЭР-1000, но зазор между защитной оболочкой и корпусом реактора вакуумирован. Тем самым решается целый комплекс проблем: тепловой защиты, водородной взрывобезопасности. Не надо рекомбинаторов, систем контроля, спринклерных систем: корпус выдерживает 55 атмосфер давления, и в нем нет кислорода, в смеси с которым водород может загореться.
АСММ предназначены для работы в условиях, когда не требуется высокий КПД. Малые АЭС будут функционировать, как правило, в локальных сетях, где главное – надежное устойчивое энергоснабжение. Многие идеи, предложенные в западных проектах, в частности снижение параметров первого и второго контура для обеспечения надежности и сокращения металлоемкости, реализованы и в наших проектах. Так, в проектах «Ритм» ОКБМ Африкантова и «Шельф» НИКИЭТ давление второго контура близко к 3 МПа. Чем замечательно это давление? Одна из причин скептического отношения к АСММ – мнение, что эти АЭС безумно дорогие. Хорошо известна качественная кривая зависимости удельных затрат от мощности – это примерно квадратный корень из фактора масштаба. Например, если стандартный блок-«тысячник» мы уменьшаем в 25 раз, до 40 МВт, то удельные затраты должны вырасти примерно в 5 раз (квадратный корень из 25-кратного уменьшения). Если мы захотим построить 1 ГВт таких мощностей, суммарно они будут пятикратно дороже одного ВВЭР-1000. Но если учесть с
пецифику малых АЭС, то можно отказаться от непосредственного масштабирования большой станции, без ущерба для безопасности. Этому способствуют природа и законы физики; можно привести несколько примеров. Так, легче решается проблема охлаждение цилиндрического тела при равном объеме тепловыделения: понятно, что доля поверхности, которая отвечает за интенсивность теплообмена, в отношении к объему обратно пропорциональна радиусу: тела меньшего диаметра охлаждать легче. Этим пользуются разработчики, в том числе наши зарубежные коллеги: расчеты показывают, что в аварийных ситуациях тепло можно снять с внешней поверхности корпуса, не задействуя дорогостоящих дополнительных систем. Другой пример: если мы вспомним основы теории прочности, то например для удержания давления в 15-20 МПа, характерных для больших ВВЭР, в корпусе (диаметром более 4 м) требуется толщина стенок около 20 см. Но если давление ниже, то, уменьшая диаметр конструкций, мы не только снижаем металлоемкость, но и сокращаем термические напряжения, повы
шаем надежность.
Известна зависимость критического теплового потока от давления. В пересчете на воду, этот максимум находится примерно на уровне 10-12 МПа, а при естественной циркуляции (к примеру, в Nu Scale) смещается в район 12 – 13 МПа. Вспомним термодинамику и hs-диаграмму: для воды при давлении около 3 МПа существует так называемая точка инверсии влажности; когда от парогенератора пар направляется на турбину, по пути он частично теряет давление. Если давление в парогенераторе больше 3 атм, пар увлажняется – перед турбиной появляются дополнительные капли воды, что вредит оборудованию. Если давление меньше, то пар необходимо подсушивать. Но, снижая давление до точки инверсии влажности, в нашем «Шельфе», «Ритме» и, по всей видимости Nu Scale, мы существенно упрощаем тепловую схему. Не нужен сепаратор-пароперегреватель, вместо шести ПНД и ПВД, которые есть в больших атомных станциях, используются три подогреватели высокого и низкого давления; упрощается тепловая схема. Высокооборотная турбина более дешевая, ее КПД не столь
критичен. Мы получаем снижение веса, габаритов, металлоемкости, повышаем надежность и устойчивость работы. На западе часто выдвигается требование стопроцентного байпаса пара через конденсатор, для возможности маневрировать мощностью, не затрагивая активную зону и просто сбрасывая пар. Также обеспечивается устойчивая работа турбины длительное время на собственные нужды.
Поскольку мы можем снизить металлоемкость по сравнению с АЭС большой мощности, в перспективе АСММ могут оказаться в выигрышном положении в аспекте уменьшения углеродного налога, который в перспективе начнет влиять на экономику наших проектов. При высоком углеродном налоге многомодульная АСММ может оказаться эффективной альтернативой больших АЭС. Кроме того, мы можем улучшить экономику за счет ускорения сроков строительства, до 24 – 36 месяцев; это сокращает нашу зависимость от ставки дисконтирования. Следует отметить и возможность оптимизации топливной кампании для малых блоков, также до 36 месяцев. Есть возможность реализовать подлинную поточность и серийность в наилучшем возможном формате – при фабричном, конвейерном выпуске модулей АЭС.
Область использования малых АЭС открыта для нестандартных решений. Так, есть предложения вплоть до использования двигателя Стирлинга в комбинации с атомным источником тепла: конкретно это решение обещает уникальные характеристики удельной мощности при малом весе и габаритах.
АСММ позволяет существенно сократить время на расчетное обоснование. С учетом роста производительности супер-ЭВМ мы видим, что методы прямого численного моделирования для больших АЭС в полном масштабе окажутся доступны только в 2050-м году; при этом никто не гарантирует, что «закон Мура» будет дейстовать вечно – логика говорит, что на его пути – атомарный предел масштаба микросхем. Но уже сегодня время расчетов при переходе от ВВЭР к «Ритму» снижается для стационарных процессов, например для внешней защитной оболочки – в 20 раз, для нестационарных процессов – до 1000 раз. Обосновывая водородную безопасность, для большого блока мы получаем месяц расчета процессов с работой рекомбинаторов; но для АЭС малой мощности можно уложиться в 45 минут. Время расчета первого контура сокращается до 100 раз.
Также сокращается и время отработки на экспериментальных установках. Сейчас произошло изменение перехода от одномерных стендов к объемному моделированию. Масштабные стенды РБМК и ВВЭР имеют размер с пятиэтажный дом. Для реакторов «РИТМ» и «Шельф» мы можем сократить масштаб в 125 – 343 раза. Стенд для «Шельфа», размером с двухтумбовый письменный стол, позволяет легко работать и без проблем доказать надзорному органу, что с одномерных стендов данные для моделирования трехмерных процессов перенесены верно.
При разработке и совершенствовании проектов «Шельф» и «РИТМ» используются цифровые двойники. Технология проста: все изменения апробируются на цифровом двойнике, затем принимается решение об оптимизации или о проектно-конструкторской проработке. С помощью виртуально-цифровой АЭС, созданной ВНИИАЭС в содружестве с ИБРАЭ и Институтом механики МГУ, эти технологии используются при создании цифровых двойников в широкой кооперации. Участники кооперации – отраслевые организации, институты РАН, Минобрнауки.
В результате моделирования с помощью виртуально-цифровой АЭС мы оптимизировали защитную оболочку реактора «Ритм» в аспекте водородной безопасности; изменили расположение рекомбинаторов. В 2021 году приступили к работам по совершенствованию проектов АСММ для широкого спектра мощностей, начиная от несколько десятков до нескольких сотен кВт. Есть проработки по малым реакторам со сверхкритическим параметром теплоносителя, для реализации цикла Брайтона с использованием СО2 (работа выполняется у нас по проекту «Прорыв» в кооперации с МИФИ и Институтом высоких температур. Есть и более широкие проработки на перспективу: так, намечается кооперация с институтом теплофизики СО РАН, где активно занимаются циклом Родни Аллама по сжиганию органического топлива в безазотной среде.
Алексей Комольцев для журнала РЭА (по материалам доклада)
