Атомные станции малой мощности
ТЕМА НОМЕРА / #9_2022
Записала Надежда ФЕТИСОВА / Фото: Росатом
О том, почему малые мощности нужны не только России, но и другим странам, какие ключевые проекты в этом направлении развивает Росатом, а также о работах в рамках ЕОТП, плюсах и минусах этой системы рассказывает доктор технических наук, профессор, научный руководитель АО «ВНИИАЭС» Сергей Соловьев.
Биография эксперта
Сергей Леонидович СОЛОВЬЕВ родился в 1959 году в Саратове. В 1976 году окончил специализированную школу-интернат физико-математического профиля № 18 при МГУ, в 1982 году — Московский энергетический институт. До перехода в отрасль работал в Институте высоких температур, где защитил докторскую диссертацию. Занимался вопросами интенсификации теплообмена в системах охлаждения высокофорсированных систем. Лауреат премии Ленинского комсомола в области науки и техники.
С июня 1998 года работает в отрасли (НИКИЭТ, ЭНИЦ), с января 2010 года — во ВНИИАЭС. Сфера интересов — расчетно-экспериментальное изучение мультифизичных процессов в технике. С мая 2019 года — научный руководитель ПННТР по направлению «АСММ» в ГК «Росатом». Автор около 200 печатных работ, включая две монографии.
С июня 1998 года работает в отрасли (НИКИЭТ, ЭНИЦ), с января 2010 года — во ВНИИАЭС. Сфера интересов — расчетно-экспериментальное изучение мультифизичных процессов в технике. С мая 2019 года — научный руководитель ПННТР по направлению «АСММ» в ГК «Росатом». Автор около 200 печатных работ, включая две монографии.
Россия — огромная страна, и на 80% ее территории нет энергосетей. Любая инфраструктура, как жилая, так и добывающая, требует надежного энергообеспечения. Сегодня активно обсуждается климатическая повестка, поэтому источник энергоснабжения должен быть не только устойчивым, но и экологически чистым — и всем этим требованиям соответствуют атомные станции малой мощности.
В «малых» проектах заинтересована не только Россия. Прежде всего стоит назвать страны Африканского континента, желающие вступить в мировой атомный клуб, но не имеющие достаточных ресурсов для строительства полномасштабных АЭС. Кроме того, есть такие страны, как, например, Индонезия, расположенная на множестве островов — и всем им нужна электроэнергия.
Нужно отметить, что, хотя уменьшение стоимости проекта «малых» станций не прямо пропорционально сокращению их мощности, все равно эти проекты существенно дешевле полномасштабных АЭС. К примеру, АСММ мощностью 200 МВт будет стоить, конечно, не в пять раз дешевле, чем проект с ВВЭР‑1000, но как минимум вдвое.
Все эти факты говорят сами за себя: развитие малых атомных мощностей актуально, как никогда. В максимальной степени готовности в Росатоме сейчас находятся три концепции: «Шельф-М», «РИТМ‑200Н» и «Елена-АМ». По последнему проекту в рамках ЕОТП работы почти не ведутся, поэтому остановимся на первых двух.
Во-первых, так называемая энергокапсула Доллежаля — «Шельф». Изначально этот реактор имел мощность 6 МВт, но экспертные оценки показали необходимость нарастить ее до 10 МВт, что и было сделано в рамках проекта «Шельф-М».
Во-вторых, АСММ с реактором «РИТМ‑200Н». Реакторы этого типа успешно работают на ледоколах, однако для наземной станции нужно было переработать проект так, чтобы он соответствовал требованиям регулирующих органов, и адаптировать его к работе на суше.
В рамках ЕОТП работы по этим двум проектам ведутся в нескольких направлениях. Во-первых, полным ходом идут работы в активной зоне, в частности, совершенствование материалов оболочки и топлива. В реакторах «РИТМ‑200Н» и «Шельф-М» будет использоваться толерантное топливо на основе карбида урана, оболочки твэлов будут выполнены из нержавеющей стали.
Во-вторых, продолжаются работы по совершенствованию материалов первого контура и систем безопасности, например, для парогенератора. На судовых реакторах работают титановые парогенераторы, контакт со стальными трубопроводами осуществляется с помощью пайки. Однако, по требованиям Ростехнадзора, в первом контуре наземных АЭС допускаются только сварные соединения. Поэтому мы разрабатываем технологию изготовления парогенераторов из нержавеющей стали. Для систем безопасности «РИТМ‑200Н» в рамках ЕОТП также разрабатываем дроссельные устройства, которые при разрыве первого контура ограничивают рост давления в защитной оболочке и темп истечения теплоносителя в разрыв.
В-третьих, мы работаем по направлению цифровых двойников. Впервые в отрасли параллельно с созданием реакторов «Шельф-М» и «РИТМ‑200Н» в онлайн-режиме создаются их цифровые двойники. На них отрабатываются все необходимые проектные решения, в том числе вопросы, связанные с безопасностью реакторов. Кроме того, в цифровых двойниках заложена технико-экономическая часть. Благодаря этому мы можем оценивать все проектные решения с точки зрения стоимости проекта, сроков его реализации, а также других параметров конкурентоспособности. Напомню, что во ВНИИАЭСе в 2019 году (впервые в России!) была создана и в 2020 году введена в эксплуатацию виртуальная цифровая АЭС — точная копия блока АЭС‑2006 Нововоронежской станции. Как и настоящую АЭС, цифровую станцию более полугода вводили в эксплуатацию, проверяя все режимы работы. Наработанные референции мы применяем для создания цифровых двойников «малых» станций, например, используем часть аттестованных расчетных кодов. Отмечу, что в разработке кодов принимают активное участие внеотраслевые организации, например, ИБРАЭ РАН. Расчетные коды, в частности, применяются для моделирования номинальных режимов, проектных и запроектных аварий, включая обоснования водородной взрывобезопасности при тяжелых авариях.
В «малых» проектах заинтересована не только Россия. Прежде всего стоит назвать страны Африканского континента, желающие вступить в мировой атомный клуб, но не имеющие достаточных ресурсов для строительства полномасштабных АЭС. Кроме того, есть такие страны, как, например, Индонезия, расположенная на множестве островов — и всем им нужна электроэнергия.
Нужно отметить, что, хотя уменьшение стоимости проекта «малых» станций не прямо пропорционально сокращению их мощности, все равно эти проекты существенно дешевле полномасштабных АЭС. К примеру, АСММ мощностью 200 МВт будет стоить, конечно, не в пять раз дешевле, чем проект с ВВЭР‑1000, но как минимум вдвое.
Все эти факты говорят сами за себя: развитие малых атомных мощностей актуально, как никогда. В максимальной степени готовности в Росатоме сейчас находятся три концепции: «Шельф-М», «РИТМ‑200Н» и «Елена-АМ». По последнему проекту в рамках ЕОТП работы почти не ведутся, поэтому остановимся на первых двух.
Во-первых, так называемая энергокапсула Доллежаля — «Шельф». Изначально этот реактор имел мощность 6 МВт, но экспертные оценки показали необходимость нарастить ее до 10 МВт, что и было сделано в рамках проекта «Шельф-М».
Во-вторых, АСММ с реактором «РИТМ‑200Н». Реакторы этого типа успешно работают на ледоколах, однако для наземной станции нужно было переработать проект так, чтобы он соответствовал требованиям регулирующих органов, и адаптировать его к работе на суше.
В рамках ЕОТП работы по этим двум проектам ведутся в нескольких направлениях. Во-первых, полным ходом идут работы в активной зоне, в частности, совершенствование материалов оболочки и топлива. В реакторах «РИТМ‑200Н» и «Шельф-М» будет использоваться толерантное топливо на основе карбида урана, оболочки твэлов будут выполнены из нержавеющей стали.
Во-вторых, продолжаются работы по совершенствованию материалов первого контура и систем безопасности, например, для парогенератора. На судовых реакторах работают титановые парогенераторы, контакт со стальными трубопроводами осуществляется с помощью пайки. Однако, по требованиям Ростехнадзора, в первом контуре наземных АЭС допускаются только сварные соединения. Поэтому мы разрабатываем технологию изготовления парогенераторов из нержавеющей стали. Для систем безопасности «РИТМ‑200Н» в рамках ЕОТП также разрабатываем дроссельные устройства, которые при разрыве первого контура ограничивают рост давления в защитной оболочке и темп истечения теплоносителя в разрыв.
В-третьих, мы работаем по направлению цифровых двойников. Впервые в отрасли параллельно с созданием реакторов «Шельф-М» и «РИТМ‑200Н» в онлайн-режиме создаются их цифровые двойники. На них отрабатываются все необходимые проектные решения, в том числе вопросы, связанные с безопасностью реакторов. Кроме того, в цифровых двойниках заложена технико-экономическая часть. Благодаря этому мы можем оценивать все проектные решения с точки зрения стоимости проекта, сроков его реализации, а также других параметров конкурентоспособности. Напомню, что во ВНИИАЭСе в 2019 году (впервые в России!) была создана и в 2020 году введена в эксплуатацию виртуальная цифровая АЭС — точная копия блока АЭС‑2006 Нововоронежской станции. Как и настоящую АЭС, цифровую станцию более полугода вводили в эксплуатацию, проверяя все режимы работы. Наработанные референции мы применяем для создания цифровых двойников «малых» станций, например, используем часть аттестованных расчетных кодов. Отмечу, что в разработке кодов принимают активное участие внеотраслевые организации, например, ИБРАЭ РАН. Расчетные коды, в частности, применяются для моделирования номинальных режимов, проектных и запроектных аварий, включая обоснования водородной взрывобезопасности при тяжелых авариях.
О плюсах и минусах
Направление разработки малых мощностей одновременно реализуется и в рамках ЕОТП, и в рамках РТТН. С одной стороны, это плюс: в РТТН это направление входит полностью, в ЕОТП — лишь отдельные его аспекты, которые в рамках плана можно оперативно отработать. С другой стороны, такое дублирование подразумевает, что я, как научный руководитель направления в ЕОТП, несу ответственность и за решения, принимаемые не под моим руководством — в рамках РТТН.
Недостаток ЕОТП — сложная цепочка финансирования, приводящая к существенному повышению стоимости НИОКР и к большим временны́м потерям.
Еще одно слабое место ЕОТП — периодически возникающие конфликты интересов. В отрасли часто создаются ситуации, когда высококвалифицированного специалиста привлекают в качестве эксперта сразу несколько организаций, с которыми у него существуют договорные отношения в рамках ЕОТП. Соответственно, во избежание такого рода конфликтов, мы не можем привлекать для консультирования в рамках ЕОТП нужных высококвалифицированных экспертов. Это усложняет работу.
Большой плюс ЕОТП — возможность подтянуть к масштабным, кросс-дивизиональным проектам молодежь. Важно, что работы в рамках ЕОТП — не только теоретические, но и практические; соответственно, от старшего поколения к младшему передаются ключевые знания и опыт. Проекты, как правило, рассчитаны на несколько лет, так что время перенять навыки у молодежи есть. Это вносит элемент стабильности. Кроме того, эти проекты позволяют участникам на практике узнать всю технологическую цепочку, как у нас говорят, «от нейтрона до бетона». Это очень ценно.
Еще одно важное преимущество: реализация проекта в рамках ЕОТП позволяет достигнуть синергетического эффекта. Когда проект разрабатывается силами нескольких организаций, есть риск упустить какие-то важные моменты. А ЕОТП позволяет привлечь независимых экспертов — из РАН, Курчатовского института и так далее. Такой свежий взгляд со стороны научного сообщества бывает очень полезен для проекта
Направление разработки малых мощностей одновременно реализуется и в рамках ЕОТП, и в рамках РТТН. С одной стороны, это плюс: в РТТН это направление входит полностью, в ЕОТП — лишь отдельные его аспекты, которые в рамках плана можно оперативно отработать. С другой стороны, такое дублирование подразумевает, что я, как научный руководитель направления в ЕОТП, несу ответственность и за решения, принимаемые не под моим руководством — в рамках РТТН.
Недостаток ЕОТП — сложная цепочка финансирования, приводящая к существенному повышению стоимости НИОКР и к большим временны́м потерям.
Еще одно слабое место ЕОТП — периодически возникающие конфликты интересов. В отрасли часто создаются ситуации, когда высококвалифицированного специалиста привлекают в качестве эксперта сразу несколько организаций, с которыми у него существуют договорные отношения в рамках ЕОТП. Соответственно, во избежание такого рода конфликтов, мы не можем привлекать для консультирования в рамках ЕОТП нужных высококвалифицированных экспертов. Это усложняет работу.
Большой плюс ЕОТП — возможность подтянуть к масштабным, кросс-дивизиональным проектам молодежь. Важно, что работы в рамках ЕОТП — не только теоретические, но и практические; соответственно, от старшего поколения к младшему передаются ключевые знания и опыт. Проекты, как правило, рассчитаны на несколько лет, так что время перенять навыки у молодежи есть. Это вносит элемент стабильности. Кроме того, эти проекты позволяют участникам на практике узнать всю технологическую цепочку, как у нас говорят, «от нейтрона до бетона». Это очень ценно.
Еще одно важное преимущество: реализация проекта в рамках ЕОТП позволяет достигнуть синергетического эффекта. Когда проект разрабатывается силами нескольких организаций, есть риск упустить какие-то важные моменты. А ЕОТП позволяет привлечь независимых экспертов — из РАН, Курчатовского института и так далее. Такой свежий взгляд со стороны научного сообщества бывает очень полезен для проекта
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #9_2022