NuScale: как дела?

В МИРЕ / #3_2020
Текст: Татьяна ДАНИЛОВА / Фото: NuScale.com

Малый модульный реактор американской компании NuScale Power, вероятно, первым пройдет сертификацию Комиссии по ядерному регулированию США (NRС), писала мировая отраслевая пресса до мая 2020 года. В этом нет сомнений и теперь, когда проект, на который потрачено около $ 1 млрд, столкнулся с трудностями сертификации. По крайней мере, ни один малый реактор не прошел хотя бы половину дистанции, пройденной проектом NuScale.

Американская компания NuScale Power была основана в 2007 году для разработки и продажи малых модульных реакторов (SMR). В «фундаменте» компании — исследования, которые министерство энергетики США финансировало в 2000—2003 годах. Эти исследования проводились в университете штата Орегон, в Национальной лаборатории Айдахо и в нескольких других организациях. В частности, университетская Школа атомных инженеров в те годы занималась разработкой пассивных методов циркуляции воды для охлаждения на атомных станциях. Грант на исследования закончился в 2003 году, но группа университетских ученых продолжила разработку проекта малой атомной станции с естественной циркуляцией. Их целью стала коммерциализация технологии. В ходе работ была построена модель станции в масштабе 3:1.

В 2007 году глава Школы атомных инженеров Хосе Рейес и топ-менеджер Пол Лоренцини (ныне покойный) основали компанию NuScale Power. Университет же, со своей стороны, в обмен на ряд патентов и технологий (в частности, эксклюзивные права на проектирование, а также дальнейшее использование испытательного оборудования) получил в компании небольшую долю. Сегодня председатель совета директоров и CEO NuScale Power — Джон ­Хопкинс.

В 2008 году NuScale проинформировала NRC о намерении провести сертификацию проекта легководного модульного реактора с пассивным охлаждением и с использованием традиционных технологий паровых турбин. Реактор мощностью 45 МВт, гласила заявка, может эксплуатироваться независимо или как часть многомодульной установки. Корпус реактора компактен, помещается на обычном грузовике и может быть изготовлен на любом заводе по производству корпусов под давлением. Единственная реальная разница между топливом для реактора NuScale и тем, которое используется в существующих легководных реакторах, состоит в том, что длина сборки для NuScale всего 2 метра.

К 2011 году в компании уже работало 100 человек в трех городах. Инвесторы поверили в NuScale, удалось привлечь финансирование в объеме около $ 35 млн. Но тут-то и начались проблемы.
Заповедь инвестора: покупай на минимуме
В январе 2011 года Комиссия США по ценным бумагам начала расследование в отношении крупнейшего инвестора NuScale — Kenwood Group, которая оказалась банальной финансовой «пирамидой». Активы Kenwood были заморожены. NuScale начала увольнять работников, сокращать заработную плату и параллельно — искать новое финансирование. Мировая атомная отрасль с марта 2011 года, когда землетрясение и цунами привели к аварии на японской АЭС «Фукусима‑1», переживала тяжелый период, и найти инвестора представлялось невыполнимой задачей.

Проблема решилась, когда компания Fluor, оценив перспективы ядерного стартапа и тупиковую ситуацию, в которую он попал, заявила о намерении приобрести контрольный пакет NuScale. В сентябре 2011 года это заявление помогло получить кредит и нанять 60 работников, а в октябре была подписана сделка с Fluor: контрольный пакет переходил в новые руки за $ 3,5 млн плюс обещание предоставить $ 30 млн оборотного капитала. По отдельному соглашению Fluor передавалось право на строительство атомных станций на базе технологий NuScale.

Эта сделка фактически спасла NuScale от закрытия, а технологию — от потери темпа разработки. Но главный выигрыш состоял в том, что из небольшого стартапа NuScale превратилась в подразделение мощной ­компании со всеми ее возможностями проектирования, производства, закупок и строительства, а также выстраивания глобальной цепочки поставок для поддержки коммерциализации.

Тогда же произошли перемены в руководстве: главой компании стал Д. Хопкинс из Fluor, сменив ее основателя П. Лоренцини, чье увольнение подсластили, оставив за ним декоративную должность консультанта. Интересно, что во Fluor Д. Хопкинс занимался важнейшим для атомной компании направлением — GR (government relations), то есть отношениями с правительством и государственными организациями.

Перемены не заставили себя ждать. Теперь 100 человек работали в штаб-квартире компании в Корваллисе (штат Орегон) и еще 20 — в Портланде. Сделка оказалась удачной как в финансовом, так и в маркетинговом отношении. Успех за успехом! Уже в 2013 году Ассоциация губернаторов западных штатов опубликовала доклад «Состояние энергетики на Западе». Одна из заявленных в докладе целей — развернуть в западных штатах малые модульные реакторы.
Примерно в то же время NuScale объявила о запуске Западной инициативы по ядерной энергетике — демонстрационного проекта из 12 модульных реакторов в штате Айдахо. Проект общей мощностью 600 МВт будет строить его владелец, консорциум региональных коммунальных служб Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS).

Одной из причин энтузиазма консорциума стала эксплуатационная гибкость проекта: каждый реакторный модуль NuScale может пропускать 100% выхода пара в конденсатор либо в производственный процесс, то есть производить водород или промышленную теплоэнергию. Регулируя положение клапана на паровой турбине, можно за 27 минут увеличить выходную электрическую мощность с 12 МВт (20%) до 60 МВт (100%); за восемь минут можно снизить мощность со 100% до 20%. В этом режиме тепловая мощность модуля (200 МВт) остается постоянной, что позволяет относительно плавно переходить от производства электроэнергии к производству тепловой энергии для промышленных процессов. Это также позволяет быстро реагировать на изменения нагрузки. Что до тепловой энергетической маневренности модуля, то за счет перемещения регулирующего стержня тепловую мощность можно за 96 минут увеличить с 20% до 100%.

В декабре 2013 года министерство энергетики объявило, что выделяет NuScale до $ 226 млн для поддержки дальнейшей разработки проекта и обеспечения его сертификации в NRС. Через полгода, в мае 2014 года, министерство энергетики подписало соглашение о выделении NuScale $ 217 млн в течение пяти лет. Отныне расходы по перспективному проекту частично несло правительство. Оно считало, что технология перспективна и станет коммерчески доступной в обозримые сроки — уже к 2025 году.
Как проходила сертификация безопасности проекта
В январе 2017 года NuScale подала в NRC заявку на сертификацию реактора.

В январе 2018 года проект прошел первую фазу сертификации, и NRC опубликовала Отчет об оценке безопасности (SER). Он гласил: новый подход к проектированию безопасности NuScale устраняет необходимость в электропитании класса 1E.

Класс 1E — нормативный стандарт для проектирования электрических систем всех атомных электростанций, однако NRC утвердил Лицензионный тематический отчет NuScale «Классификация безопасности пассивных атомных электростанций», в котором компания определила, что системы безопасности ее проекта вообще не полагаются на электроэнергию и не связаны с ней. Системы пассивной безопасности не требуют переменного или постоянного тока и потому обеспечивают полную устойчивость к отключению электропитания. Если электропитание пропадет, реакторы NuScale отключатся без вмешательства оператора или компьютера и будут оставаться «холодными» неограниченное время, без необходимости добавлять воду. Топливо в топливном бассейне останется холодным в течение пяти месяцев, также без добавления воды.

Экстремальные погодные явления, приводящие к потере связи с сетью, не станут угрозой для безопасности, подчеркивалось в отчете. В случае серьезного повреждения линий электропередачи станция из реакторов NuScale станет «источником первого реагирования»; при потере соединения с сетью она перейдет в «островной режим»: один из модулей будет питать внутренние нагрузки, а остальные 11 останутся в горячем рабочем режиме.

Интересно, что NRC рассматривает проект реактора мощностью 50 МВт. Однако в июне 2018 года NuScale объявила о повышении мощности разрабатываемого реактора до 60 МВт. В компании считают, что это ­просто форсирование мощности энергоблока, не затрагивающее сертифицирование в ­целом, и регуляторы смогут рассмотреть его отдельно. Повышение мощности позволит снизить стоимость установленного киловатта с $ 5000 до $ 4200 и нормированную стоимость ­электроэнергии (LCOE) — на 18%, полагают в NuScale.

Вторая и третья фазы рассмотрения проекта (отчет об оценке безопасности и отчет Консультативного комитета по вопросам безопасной эксплуатации реакторов, ACRS) прошли гладко. В декабре 2019 года Комиссия завершила четвертую фазу рассмотрения проекта расширенным отчетом по оценке безопасности (SER).

Казалось, все идет гладко. Представители Fluor и NuScale, поддерживаемые министерством энергетики, успели побывать во множестве стран, продвигая свой проект. Модульные реакторы были предложены Чехии, Украине, Румынии, Канаде, Иордании, Пуэрто-­Рико…

NRC все это время продолжала рассмотрение проекта. На следующей, пятой фазе ACRS должен был выдать промежуточный отчет по оценке безопасности без незакрытых вопросов. Ожидалось, что пятая фаза завершится в соответствии с графиком 23 июня 2020 года, а рассмотрение безопасности проекта — в сентябре 2020 года.

Однако 1 мая 2020 года NRC разослала извещение о переносе сроков сертифицирования проекта реактора NuScale из-за необходимости внести в него изменения. Оказалось, что специалисты и консультанты комиссии выявили в проекте несколько слабых мест.
Слабые звенья
Один из выявленных просчетов проекта NuScale связан с системой аварийного охлаждения активной зоны (ECCS, еmergency core cooling system).

В проекте NuScale, как и во многих других проектах легководных реакторов, применяется борное регулирование — добавление бора в охлаждающую жидкость для компенсации сгорания топлива и поддержания реактора в подкритическом состоянии при определенных условиях. Когда система ECCS активна, начинается перераспределение бора. Разработчики реактора показали в проектной документации, что в результате бор будет концентрироваться в активной зоне и выше, что предотвратит возникновение повторной критичности. Однако выявились сценарии переходных процессов, в которых ECCS запускается позже, чем может потребоваться.

В ответ NuScale Power пообещала внести в проект изменения, понижающие установленный уровень воды в контейнменте, при котором система срабатывает. Эти изменения должны, помимо прочего, гарантировать правильное распределение бора. На встрече с регуляторами в марте этого года компания также сообщила, что она может ввести дополнительный параметр, по достижении которого система ECCS сработает автоматически, — определенную разницу давлений между корпусом реактора и контейнментом.

Вторая проблема, обнаруженная в ходе анализа проекта экспертами ACRS — точнее, ряд проблем, — может оказаться серьезнее. Она касается «спиральных» парогенераторов типа HCSG (helical coil steam generators). Конструкторы любят их за компактность, простоту изготовления и повышенную эффективность теплопередачи. Эти качества снискали «улиткам"-парогенераторам популярность — по крайней мере, в оставшихся на бумаге проектах ВТГР, малых реакторов и даже в проекте реактора средней мощности IRIS.

В каждом из спиральных парогенераторов — по 1380 теплообменных трубок длиной 23,5−26,5 метра и внешним диаметром 1,59 см. Трубки сделаны из сплава 690TT. Таких парогенераторов в каждом из реакторных модулей два. Эксперты ACRS указали на возможный ускоренный износ сплава 690TT. Здесь уместно вспомнить историю 2012 года с парогенераторами калифорнийской АЭС «Сан-­Онофре», поставленными компанией Mitsubishi Heavy Industries. Там всего за год износ нескольких трубок составил 35%, что вызвало утечку радиоактивного пара. За нецелесообразностью дальнейшего ремонта станцию пришлось закрыть.

На опасения относительно ускоренной коррозии Х. Рейес возразил, что NuScale располагает двумя крупными испытательными установками в Италии, на которых пучки труб парогенератора полной длины в 2018 году успешно прошли испытания. Эти испытания проводились для того, чтобы узнать, существуют ли уязвимости, подобные тем, что загубили парогенераторы «Сан-­Онофре». (По данным расположенного в Пьяченце центра испытаний и сертификации SIET, тестирование трубок парогенератора NuScale началось в 2015 году.)

И наконец, третья проблема, тоже связанная с парогенераторами. В феврале эксперты ACRS указали на «неопределенности, связанные с колебаниями волн плотности (density wave oscillation, DWO) по второму контуру». В официальном письме от 1 мая этого года NRC согласилась с мнением экспертов. Парогенератор располагается слишком близко к активной зоне. Поэтому любые нестационарные явления, происходящие в нем, могут сказаться на реактивности.

Трудно сказать, в чем именно усомнились эксперты, так как часть обсуждений закрыта и их результаты не публикуются. Они лишь подчеркивают, что без доказательств сохранения целостности парогенераторов нельзя выдать заключение о безопасности проекта в целом.

Чтобы не тормозить проект, эксперты предложили компромиссное решение: проект реактора NuScale будет сертифицирован «без парогенератора», то есть при условии, что проект парогенератора не считается окончательным. Поэтому будущие заявители на получение комбинированной (строительной и эксплуатационной) лицензии на реакторы NuScale должны будут провести дополнительные исследования по комплексной программе вибрационных испытаний для парогенераторов. Кроме того, им придется подтвердить свои тесты экспериментально во время запуска программы.

В проекте для предотвращения DWO предусмотрено устройство ограничения потока (flow restriction device) со стороны второго контура, но в расчетах конструкторов и регулятора возникли расхождения относительно его эффективности. Информации на сайте NRC очень немного, и из нее нельзя понять, отчего указанные расхождения привели к такому жесткому решению.

У компании есть другой вариант действий. Сейчас, как мы уже упоминали, сертификацию проходит проект реактора NuScale мощностью 50 МВт. Однако строиться будут реакторы мощностью 60 МВт, которые позволят улучшить экономические показатели производства электроэнергии, доведя ее стоимость до $ 65/МВт·ч. В этом случае в 2022 году NuScale подаст в NRC заявку на сертификацию реактора мощностью 60 МВт по упрощенной процедуре, которая займет уже не 42, а 24 месяца. За это время NuScale сможет снять возникшие в ходе сертификации вопросы.

Или не сможет.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #3_2020