Применение атомных станций малой мощности в локальных энергосистемах

В. П. Билашенко, Д. О. Смоленцев, ИБРАЭ РАН.

Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года основной целью региональной энергетической политики является создание устойчивой и способной к саморегулированию системы обеспечения региональной энергетической безопасности с учетом оптимизации территориальной структуры производства и потребления топливно-энергетических ресурсов.

В обеспечении энергетической безопасности локальных энергосистем удаленных регионов большие перспективы открываются перед атомными станциями малой мощности. Реализация региональной энергетической политики на территории России, с ее различными социально-экономическими и природно-климатическими условиями, должна учитывать специфику регионов страны и осуществляться во взаимосвязи с решением стратегических общегосударственных задач перспективного развития экономики и энергетики.

Территориальные энергетические проблемы, в частности дефицит собственной выработки, изоляция от ЕЭС и техническая сложность доставки углеводородного топлива, являются крайне актуальными для ряда регионов России, особенно северных и восточных.

Развитие региональной энергетики приобретает особую значимость в связи с глобальным курсом, взятым на развитие арктических территорий РФ. Энергетическая система Арктики характеризуется наличием множества обособленных энергоузлов, разрозненностью потребителей энергоресурсов и северным завозом органического топлива. Общая неэффективность энергетической системы арктического региона также связана с наличием высоких потерь при передаче электроэнергии до конечного потребителя: 14% (в некоторых энергосистемах 20%).

Для обеспечения региональной энергетической безопасности и работы в локальных энергосистемах удаленных, труднодоступных регионов с 60-х годов прошлого столетия ведутся исследования и опытно-конструкторские работы по изучению возможностей применения атомных станций малой мощности (АСММ).

В то время на площадке Физико-энергетического института имени А. И. Лейпунского в Обнинске была создана и работала на протяжении трех лет, начинаяс 1963 года, транспортабельная электростанция ТЭС-3. Мощность установки с водо-водяным реактором составляла 1500 кВт(э). Электростанция располагалась на четырех самоходных гусеничных платформах, то есть была полностью транспортабельной. Также в 60-х годах ХХ века на площадке НИИАР в г. Димитровград была введена в эксплуатацию установка АРБУС (Арктическая блочная установка) мощностью 750 кВт(э), установка работала также в режиме выработки тепла.

Долгое время АСММ масштабно применялись только в составе силовых энергетических установок на атомных подводных лодках и на судах уникального российского атомного ледокольного флота. То есть малая атомная энергетика для гражданских целей практически не использовалась.

На данном этапе развития АСММ можно отметить, что они становятся одними из наиболее перспективных представителей класса энергоустановок малой мощности для регионов децентрализованного энергоснабжения. АСММ более надежны при эксплуатации, чем возобновляемые источники энергии, и их производительность не зависит от природно-климатических условий (скорости ветра, потока солнечной радиации). АСММ не нуждаются в постоянной доставке больших объемовтоплива, ряд проектов АСММ предусматривают длительный интервал работы реактора между перегрузками, увеличенную топливную компанию (3–10 лет). Также прорабатываются концепции АСММ без перегрузки на площадке, работающие по принципу «батарейки».

В последние годы в ряде стран с развитой атомной энергетикой предпринимаются практические шаги и разворачиваются масштабные работы по созданию реакторов малой мощности. В то время как в России интерес к малой энергетике стал прогрессивно возрастать, что связано с необходимостью энергоснабжения труднодоступных изолированных потребителей для освоения отдаленных регионов, в мире делается ставка на создание распределенных энергетических систем, основанных на энергоисточниках малой мощности.

Помимо России и США, где ведутся разработки сразу нескольких проектов АСММ, а также определяются меры государственной поддержки таких проектов, свои концепции реакторов малой мощности предлагают Япония, Китай, Южная Корея, Франция, Аргентина, Канада, Индия и другие страны.

Стоит отметить, что в разработке атомных энергоисточников малой мощности Россия имеет очевидный приоритет, основанный на опыте, который накоплен при создании ядерных энергетических установок боевых кораблей, атомных подводных лодок, атомных ледоколов и первой в мире плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС). Интегральный опыт эксплуатации малой атомной транспортной энергетики превышает шесть тысяч реакторолет. Произведено промышленностью более 500 реакторных установок более чем 20 типов.

Среди основных преимуществ, связанных с применением малой атомной энергетики, можно выделить:

• минимизацию сроков, объемов и стоимости капитального строительства в районе размещения атомных станций. Все высокотехнологичные, дорогостоящие и трудоемкие операции переносятся в специализированные цеха заводов и выполняются квалифицированным персоналом. Следствием этого является минимизация затрат по разворачиванию и вводу в действие малых атомных энергоисточников;
• снижение совокупных инвестиционных нагрузок на сооружение энергоблоков;
• возможность обходиться минимальным персоналом, работающим по вахтенному методу.
• Особо следует отметить, что АСММ является экологически чистым источником энергии, что особенно важно для рекреационного развития. Обеспечить практически полное невмешательство в окружающую среду позволяют следующие преимущества АСММ:
• перенос наиболее ядерно- и радиационно опасных операций, связанных с ремонтом, перегрузкой топлива, выводом из эксплуатации, с площадки размещения в специализированные заводские цеха, что обеспечивает высокий уровень безопасности и качества выполняемых процедур;
• предельно упрощенные решения в вопросах снятия этих атомных станций с эксплуатации после выработки технического ресурса;
• снижение ядерных рисков и возможного ущерба третьим лицам в случае реализации аварийных ситуаций, минимизация экологических последствий для окружающей среды.

Технико-экономические характеристики АСММ позволяют расширить сферу гражданского применения малой атомной энергетики в географических районах и областях народно-хозяйственного комплекса, где технологии атомной энергетики в настоящее время не используются. Также вследствие уменьшения единичной мощности проекты АСММ требуют привлечения существенно меньших инвестиционных потоков по сравнению с проектами АЭСс реакторами большой мощности. В условиях глобальной рыночной экономики разработка проектов АСММ обусловлена в первую очередь реакцией на реальный рыночный спрос. Но в то же время на внутренней государственной арене немаловажным является фактор обеспечения национальной безопасности посредством размещения на территориях страны АСММ, а также комплексного социально-экономического развития данных территорий.

Области применения АСММ.

Локальная энергетика. Использование АСММ для энергоснабжения удаленных изолированных потребителей является основной областью применения отечественных АСММ. Целевыми потребителями энергоресурсов являются отдельные группы населенных пунктов и промышленных предприятий, имеющих компактное расположение и находящихся в отдалении от линий электропередач крупных энергосистем, транспортных магистралей.

Централизованная энергетика. В то время как отечественные проекты АСММ предполагаются для использования в локальных энергосистемах, зарубежные проекты в основном нацелены на создание распределенных энергетических систем на их основе. Построение энергетической системы, основанной на укрупнении единичных установленных мощностей, противоречит современному курсу на создание интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью. Территориально распределенные в единой энергетической системе АСММ могут составить основу новой структуры энергетики. Также рассматривается возможность реновации реакторных установок, действующих АЭС с помощью АСММ. Конструкция и массогабаритные параметры некоторых АСММ позволяют расположить их на месте демонтируемых парогенераторов, что дает возможность осуществить реновацию АЭС большой мощности, используя оставшуюся инфраструктуру АЭС, то есть обеспечить новую жизнь действующей АЭС без привлечения крупных инвестиций.

Теплоснабжение. C учетом национальной специфики практически все отечественные проекты АСММ предусматривают использование в целях теплоснабжения. Эксплуатация в режиме одновременной выработки электроэнергии тепла (когенерация) повышает экономическую эффективность станций, в частности эффективность использования ядерного топлива, и позволяет увеличить производство отпускаемой станцией товарной продукции более чем в два раза по сравнению с конденсационным режимом работы.

Опреснение воды. Наряду с энергообеспечением, проблема опреснения морской воды может быть решена за счет АСММ с длительным циклом автономной эксплуатации. Разработаны проекты плавучих энергоблоков, компоновка которых предусматривает наличие опреснительных комплексов, основанных на дистилляции морской воды. При нормативе от 0,6 до  1,2 МВт установленной мощности для получения 1 млн кубометров опресненной воды в год потребуется несколько тысяч гигаватт установленных мощностей для полного удовлетворения дефицита пресной воды к 2050 году. В России проблема опреснения локально выражена в Калмыкии и Крыму.

Выработка водорода и прочих вторичных энергоносителей. Технические возможности АСММ позволяют через тепло и электроэнергию конвертировать энергию деления ядерного топлива в практически любую товарную продукцию. В частности, это может быть выработка водорода, кислорода, этанола, метанола, бензина, диметилэтилового эфира, закачка в нефтеносный горизонт горячего теплоносителя для добычи тяжелой нефти и т.п. При этом экономическая эффективность АСММ повышается за счет производства нового высоколиквидного и дорогостоящего вида продукции.

Экспорт. Страны с развитой атомной энергетикой рассматривают экспорт как одно из приоритетных направлений применения АСММ. Для таких стран концепция применения АСММ «строю-владею-эксплуатирую», а также неэлектрическое применение АСММ открывают новые рынки сбыта. Наиболее перспективными рынками для малой атомной энергетики в международном масштабе считаются страны Юго-Восточной Азии и Африки. Большой шаг в данном направлении был сделан 9 июля 2014 года в Москве, где ЗАО «Русатом Оверсиз» и китайская CNNC New Energy подписали Меморандум о намерениях в области сотрудничества по проекту создания плавучих атомных электростанций (ПАТЭС). По оценкам МАГАТЭ, до 2030 года в мире может быть построено до 100 реакторов малой и средней мощности.

Энергоснабжение единичного потребителя. Единичные потребители, требующие стабильный и независимый источник энергии, являются еще одним направлением применения АСММ. В качестве примера можно привести концепции использования АСММ для энергоснабжения буровых платформ, военных объектов, горно-обогатительных комбинатов, предприятий металлургии, нефтеперерабатывающих заводов и других энергоемких производств. Также АСММ могут применяться в составе силовых установок для транспорта (ядерные энергодвигательные установки мегаваттного класса).

Проекты отечественных АСММ.

На сегодняшний день существует более 20 концепций и проектов отечественных АСММ, находящихся на различных стадиях реализации.

Практическую реализацию и поддержку со стороны государства получили:

• проект плавучей АТЭЦ (ПАТЭС) с реакторными установками КЛТ-40С;
• проект АТЭЦ с блочной транспортабельной установкой СВБР-100 (ранее проект назывался «Ангстрем», была увеличена единичная мощность до 100 Мвт(э)).

Программа деятельности Госкорпорации «Росатом» на долгосрочный период предусматривает проведение мероприятий в части разработки и строительства АСММ с реакторными установками типа КЛТ-40С. В 2013 году строительство головной ПАТЭС «Академик Ломоносов» перешло в завершающую стадию. Произведена погрузка парогенерирующих блоков в реакторные отсеки плавучего энергоблока, ведется монтаж электротехнического оборудования. Ожидается, что ввод в эксплуатацию ПАТЭС состоится в 2018 году после двух лет опытной эксплуатации. Окончательным местом размещения выбран город Певек. Реакторная установка ПАТЭС – КЛТ-40С является серийным блочным реактором, применяемым на атомных ледоколах и судах морского флота. Она модифицирована для плавучих и наземных АСММ. Технология полной заводской готовности ПАТЭС позволяет сократить сроки строительства, обеспечить контроль качества в заводских условиях, минимизировать воздействие на окружающую среду – в ходе как строительства, так и эксплуатации станции. В процессе эксплуатации предусматриваются два средних ремонта через каждые 12 лет, на время которых плавэнергоблок будет уходить на докование (на 2 года) для замены выработавшего свойресурс оборудования и перегрузки топлива. Общий срок эксплуатации плавэнергоблока составит 36 лет (3 цикла по 12 лет).

Все операции с ядерным топливом и радиоактивными отходами осуществляются на плавучем энергоблоке. На АСММ реализован принцип глубокоэшелонированной защиты, который представляет собой стратегию предотвращения аварий и ограничения их последствий, систему барьеров на пути возможного распространения ионизирующих излучений и радиоактивных веществ, систему технических и организационных мер по сохранению их эффективности.

На относительно высокой стадии реализации находится проект модульного энергоблока с реакторной установкой на быстрых нейтронах со свинцово-висмутовым теплоносителем СВБР-100. Энергетический пуск опытно-промышленного энергоблока запланирован на 2019 год.

Технологии, применяемые в СВБР-100, могут обеспечить безостановочную работу реактора на протяжении примерно восьми лет и работу в режиме суточного регулирования (50–100% от номинальной мощности). Предусматривается возможность применения различных видов топлив: оксид, МОХ, нитрид без переделки реакторной установки, а также возможность работы в замкнутом ядерном топливном цикле. Модульная структура энергоблока позволяет набирать любую мощность, кратную 100 Мвт. АСММ основана на свойствах внутренней самозащищенности, что исключает катастрофические последствия при любых исходных аварийных событиях. Таким образом, возможно размещение станции вблизи городов. Также модули СВБР-100 высокой заводской готовности транспортабельны всеми видами транспорта.

Вызывает интерес практическое применение АСММ линии шельф. Разработка и создание АСММ класса менее 10 МВт(э) для энергоснабжения удаленных регионов и нефтегазодобывающих комплексов морских арктических месторождений углеводородов является стратегическим направлением развития малой атомной энергетики. В рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники» предусмотрена разработка технического проекта и технологий создания ядерного источника энергии – энергоблока мощностью до 6 МВт(э). На данный момент наиболее близким по своим характеристикам и назначению является проект АБВ-6М – унифицированная установка с реакторами интегрального типа и естественной циркуляцией первого контура со встроенной парогазовой системой компенсации. Проектом предусмотрено размещение в составе наземных и плавучих АСММ.

Прогресс реакторных технологий малой мощности и накопленный уникальный опыт проектирования реакторных установок (РУ) наглядно демонстрирует сравнение основных характеристик РУ ледоколов (РУ ОК-900 – первых ледоколов и РУ атомного ледокола-лидера – РИТМ-200) :

• назначенный ресурс оборудования до заводского ремонта увеличен в 2,6 раза;
• назначенный срок службы основного оборудования до заводского ремонта увеличен в 1,6 раза – до 20 лет;
• энергоресурс активной зоны увеличен в 2 раза;
• КИУМ увеличен в 1,9 раза – до 0,65%;
• период непрерывной работы увеличен в 3,2 раза;
• масса двух РУ в пределах защитной оболочки уменьшена в 1,7 раза.

С 2010 года ИБРАЭ РАН проводит исследования фундаментальных основ использования АСММ в энергетической системе РФ. Разработана и апробирована методика многофакторного анализа энергосистем регионов и определения наиболее приемлемых энергетических альтернатив малой мощности. В рамках исследований по данному направлению были созданы расчетные инвестиционные модели, отражающие специфику технико-экономических и эксплуатационных характеристик АСММ. На основании данных моделей был произведен расчет себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

Также были рассмотрены конкурирующие (для Арктики) источники энергии: ТЭЦ и КЭС на угле (для АСММ мощностью более 50 Мвт(э)) и комплекс ДЭС+котельная (для менее мощных АСММ) при различных значениях стоимости углеводородного топлива.

Полученные результаты позволяют утверждать, что АСММ может конкурировать с энергетическими альтернативами в целевых районах применения.

Стоит отметить, что себестоимость вырабатываемой электроэнергии АСММ СВБР-100 при незначительном снижении (на 10–20%) является конкурентоспособной по сравнению с большой энергетикой. Также следует учесть эффект снижения себестоимости при модульной компоновке станции, что может быть реализовано при серийном производстве или при использовании уже существующей инфраструктуры замещаемых АЭС большой мощности.

Проект ПАТЭС экономически эффективен при когенерационном режиме работы.Этот проект конкурентоспособен в отдаленных районах, доступных для транспортировки станции, где тарифы на электроэнергию составляют более 3 руб./кВт·ч. Такими районами являются практически все зоны децентрализованного энергоснабжения России, северные территории Сибири и Дальнего Востока. Проект ПАТЭС наиболее приемлем для энергоснабжения относительно крупных населенных пунктов (численностью населения 10–50 тысяч человек) и крупных промышленных предприятий или военных объектов. Стоит отметить, что реализуемые проекты СВБР-100 и ПАТЭС являются первыми в своем роде, а проект АБВ 6М находится на стадии технического проекта (модифицируется для увеличения мощности и длительности кампании топлива), что является причиной недостатка информации о реальных эксплуатационных и технико-экономических характеристиках.

Как было отмечено ранее, рациональным местом размещения атомных станций малой мощности являются труднодоступные населенные пункты, удаленные от крупных транспортных магистралей, и месторождения (разработки) топливных ресурсов, характеризуемые долгосрочным ростом электрических нагрузок. Есть информация минимум о 38 потенциальных пунктах базирования первоочередных площадок размещения АСММ стоит выделить:

• размещение ПАТЭС с РУ КЛТ-40С в городе Певек (пилотный проект АСММ) и в городе Вилючинск;
• монтаж головного энергоблока СВБР-100 на площадке НИИАР в городе Димитровград;
• пилотный проект АТЭЦ на базе реакторной установки ВК-100 (необходимо проведение конкурса по определению замещающей мощности) на площадке Билибинской АЭС;
• Архангельская атомная ТЭЦ на базе реакторной установки ВК-300 (при успешной реализации пилотного проектирования АСММ).

Приведенные выше рекомендации относятся к использованию АСММ в локальных системах в общем. Что касается использования их в конкретных условиях (применительно к целевой площадке размещения), безусловно, необходимо выполнение специальных исследований.

В качестве общего вывода следует отметить, что строительство атомной генерации традиционно требует больших начальных инвестиций, но уже на данном этапе технологического развития АСММ могут конкурировать с традиционными и возобновляемыми источниками энергии по себестоимости вырабатываемой электроэнергии и обеспечивать стабильную базовую генерацию в регионе.

/www.energyacademy.ru/