Атомна енергетика

Чому малі модульні ядерні реактори не допоможуть протистояти кліматичній кризі

Малі модульні ядерні реактори, також звані ММР або SMR (від англ. small modular reactors), призначені для вироблення менше ніж 300 МВт електроенергії, що у кілька разів менше, ніж виробляють стандартні реактори, діапазон яких коливається від 1 000 до 1 600 МВт. Хоча окремі стандартизовані модулі невеликі і за розміром, і за потужністю, зазвичай передбачається встановлення кількох модулів на одній електростанції.

Атомна промисловість загалом і Міністерство енергетики США зокрема підтримують розробку ММР з метою запобігання найсерйознішим впливам зміни клімату. Але чи є ММР практичною та реалістичною технологією для цієї мети?

Щоб відповісти на це запитання, в першу чергу потрібно звернути увагу на два фактори: час і вартість. Саме їх можна використовувати для поділу ММР на дві великі категорії:

  1. Легководні реактори чи реактори на легкій воді. Вони ґрунтуються на тих самих загальних технічних і проєктних принципах, що й сучасні енергетичні реактори в США. Теоретично їх сертифікація та ліцензування мають бути не надто складними.
  2. Конструкції, у яких використовуються різноманітні форми палива, наприклад, тверді кульки, що рухаються через активну зону реактора, наче пісок, або розплавлені матеріали, що протікають через активну зону; конструкції, де сповільнювачем нейтронів є графіт, а охолоджувальними рідинами — гелій, рідкий натрій або розплавлені солі.

Перспективи обох категорій ММР геть не оптимістичні. Ось чому.

 

Економічні витрати й масштаб

Великі розміри ядерних реакторів спричинені економією на масштабі. Реактор, який виробляє втричі більше енергії, ніж ММР, не потребує втричі більше сталі чи втричі більше працівників. Саме економічні витрати, пов’язані з малим розміром, стали однією з причин дострокової зупинки багатьох малих реакторів, побудованих у США в 1950-х і 1960-х роках.

Прихильники ММР стверджують, що модульність і серійне виробництво можуть компенсувати низькі економічні показники малих реакторів. Масове виробництво компонентів реакторів та їх виготовлення на конвеєрах дозволить скоротити витрати. Крім того, стверджується, що порівнянна вартість за кіловат означатиме набагато нижчі витрати для кожного малого реактора, тим самим зменшуючи загальні фінансові вимоги до покупців.

Утім, шлях до такого масового виробництва буде тернистим. Навіть з оптимістичними припущеннями про те, як швидко виробники можуть навчитися покращувати ефективність виробництва й знижувати вартість, виробникам доведеться виготовити тисячі ММР за вищою ціною за кіловат енергії у порівнянні з великими реакторами, щоб ММР можна було порівнювати з великими реакторами.

Якщо керуватися історичними даними, капітальна вартість за кіловат може взагалі не знизитися. Швидкість «навчання» виробників у США та Франції, двох країнах з найбільшою кількістю атомних станцій, була негативною: нові реактори в цілому були дорожчими, ніж попередні. І хоча вартість ММР буде нижчою через значно менший розмір, зазвичай на одній площадці встановлюють кілька реакторів, що знову підвищить загальні витрати проєкту для покупця.

 

Аспекти масового виробництва

Якщо помилка в реакторі масового виробництва призведе до проблем з безпекою, можливо, доведеться відкликати всю партію, як сталося у випадку з реактивними лайнерами Боїнг 737 Макс і Боїнг 787 Дрімлайнер. Але як відкликати радіоактивний реактор? Що станеться з електричною системою, яка покладається на ідентичні реактори, які необхідно відкликати?

Ці питання не розглядалися ані атомною промисловістю, ані представниками політичних структур. Власне, вони навіть не ставилися. І все ж відкликання є передбачуваною й постійною ознакою масового виробництва, характерною для всіх виробів: від смартфонів до реактивних літаків.

Проблема не лише теоретична.

Однією з великих економічних проблем водяних реакторів під тиском (а саме таку конструкцію зазвичай обирають для легководних ММР, включаючи проєкт NuScale, який отримав умовну сертифікацію від Комісії з питань ядерного регулювання США) була необхідність передчасної заміни парогенераторів — масивних і дорогих теплообмінників, у яких гаряча вода під високим тиском з реактора перетворюється на пару, яка приводить у рух турбогенератори. Протягом останнього десятиліття такі проблеми призвели до остаточного зупинення двох реакторів у Сан-Онофре в Південній Каліфорнії та одного реактора в Крістал-Ривер у Флориді.c

У кількох варіаціях легководних ММР парогенератори розміщені всередині корпусу реактора. У кращому випадку заміну буде надзвичайно важко здійснити. А загалом проблеми з парогенератором можуть призвести до постійної зупинки реактора.

Ми вже стали свідками проблем з модульною конструкцією. Це був центральний аспект проєктування реактора Westinghouse AP1000, але реактори AP1000, побудовані в США та Китаї, мали значні перевитрати на будівництво та затримки в графіку. У 2015 році колишній член Комісії державної служби штату Джорджія заявив виданню The Wall Street Journal: «Модульна конструкція не стала тим рішенням, яке обіцяли комунальні служби».

Необхідність масового виробництва також створює економічну проблему «курки та яйця»: без масового виробництва не можна сподіватися, що ММР досягнуть теоретичного зниження витрат, що є основою стратегії компенсації нестачі ефекту масштабу. Але без скорочення витрат не буде великої кількості замовлень, щоб стимулювати інвестиції, необхідні для налагодження ланцюга постачання.

 

Поточний послужний список ММР

Наразі послужний список ММР вказує на такий самий жахливий економічний провал для цього типу реакторів, як і для їхніх більших за розміром і потужністю родичів. У таблиці наведено зростання капітальних витрат для запропонованого реактора NuScale та фактичні витрати ще двох ММР з різних країн. У результаті загальна вартість запропонованого проєкту в Айдахо з використанням конструкції NuScale вже зросла з приблизно 3 млрд доларів у 2015 році до 6,1 млрд доларів у 2020 році, задовго до того, як будівництво буде завершено.

 

 

Таку модель ескалації можна також передбачити для інших концепцій ММР, особливо тих, які не створюються на основі легководних реакторів. Наприклад, запропонований натрієвий реактор — потужністю 345 МВт і трохи більший, ніж ММР — охолоджується натрієм. Попри те, що з 1950 року в усьому світі було витрачено близько ста мільярдів доларів на реактори з натрієвим охолодженням, вони виявилися комерційно невдалими.

Процес отримання схвалення безпеки для таких конструкцій, ймовірно, займе більше часу і буде дорожчим. У багатьох випадках навіть налагодження процесу сертифікації займе роки, оскільки режими безпеки та аварії для кожного типу конструкцій відрізняються. Наприклад, одним з ризиків для високотемпературних газографітових реакторів є пожежі, а не розплавлення. Щоб зрозуміти масштаб витрат, зауважте, очікується, що лише розробка та сертифікація ММР NuScale, вже відомого проєкту на легкій воді, коштуватиме приблизно 1,5 млрд доларів. Найімовірніше, нові проєкти інших різновидів коштуватимуть дорожче й вимагатимуть більше часу на розробку від стадії концепції до розгляду та затвердження ліцензування.

Для ММР постійно досягати такої ж вартості виробництва електроенергії, яку мають нинішні великі реактори, було б монументальним завданням. А враховуючи високу вартість великих реакторів, ММР все одно залишатимуться економічно невигідними. Вартість вітрової та сонячної електроенергії постійно знижується і, за прогнозами, знизиться ще більше.

Фінансова консалтингова фірма з Волл-стріт Lazard оцінює вартість сонячної та вітрової енергії для комунальних послуг приблизно в 40 доларів за мегават-годину. Відповідна цифра для атомної електростанції вища в чотири рази — близько 160 доларів за МВт·год. Цієї різниці більш ніж достатньо для використання додаткових технологій, таких як реагування на попит і зберігання, щоб компенсувати переривчастість сонячної та вітрової енергії.

Прихильники ММР припускають, що ядерна енергетика може стати відповідним доповненням до змінних джерел електроенергії, як-от вітрової або фотоелектричної енергії, частка яких в електричній мережі зростає. Але таке розгортання призведе до програшу через збільшення рівня витрат.

Ядерні реактори, малі чи великі, не дуже підходять для реагування на мінливість, оскільки вони мають високі постійні витрати (капітал) й низькі змінні витрати (паливо та технічне обслуговування). Ось чому атомні електростанції використовували як джерело електроенергії базового навантаження: при розподілі постійних витрат на найбільшу кількість кіловат-годин можна здешевити кожну з них. Реагування на мінливість означатиме роботу з частковим навантаженням протягом більшої частини часу, що підвищить витрати.

Спроба використовувати ММР для виробництва інших товарів, таких як чиста вода, шляхом опріснення морської води або виробництво водню або високотемпературного тепла, також не є економічно доцільною з ряду причин, головне, через високу вартість енергопостачання.

 

ММР і кліматична криза

Проблема клімату — актуальна. МГЕЗК та інші міжнародні організації попередили, що для припинення незворотної шкоди від зміни клімату нам необхідно різко скоротити викиди протягом наступного десятиліття. За цей період внесок ММР буде практично нульовим. До того ж перспективи ММР також сумні, враховуючи, що потрібно буде створювати цілі ланцюжки постачання після того, як будуть побудовані, випробувані й перевірені перші реактори в цій галузі.

Міністерство енергетики США працює над ММР ще з минулого століття. У 2001 році Управління з питань ядерної енергетики Міністерства енергетики США прогнозувало, що існує близько 10 проєктів ММР, які «мають потенціал бути економічно доцільними й можуть бути доступні для розгортання до кінця десятиліття, за умови вирішення певних проблем технічного та ліцензійного характеру».

Майже два десятиліття після цієї райдужної ідеї найранішою офіційною прогнозованою датою розгортання є лише 2029-2030 роки для провідного варіанту — NuScale. Навіть ця дата є дуже невизначеною, оскільки Консультативний комітет з питань ядерної безпеки Комісії з питань ядерного регулювання визначив серйозні проблеми з безпекою, які потрібно буде вирішити, перш ніж будь-яке підприємство подаватиме заявку на отримання дозволу на будівництво ММР. Важливо, що центральна проблема стосується парогенератора, який, як зазначалося вище, знаходиться всередині корпусу реактора і є потенційним джерелом як надійності, так і економічних проблем.

На розробку ММР витрачаються цінні державні гроші. Наприклад, федеральний уряд США вніс щонайменше 314 мільйонів доларів на розробку ММР NuScale і, як повідомляється, погодився витратити до 350 мільйонів доларів у нові відповідні фонди. Компанія Babcock & Wilcox отримала понад 100 мільйонів доларів від Міністерства економіки США за проєкт mPower, але відмовилася від нього у 2017 році через брак клієнтів.

 

Інші проблемні аспекти

Використання води є ще однією проблемою, яка, як очікується, тільки посилиться в майбутньому. Атомні станції мають дуже високі вимоги до забору води. Один реактор потужністю 300 МВт, що працює на 90-відсотковому коефіцієнті потужності, щодня забирає від 160 до 390 мільйонів галонів води, нагріваючи її перед скиданням. Зменшення потреби у воді за допомогою повітряного охолодження вимагає будівництва вежі й великих електричних вентиляторів, що ще більше підвищить вартість будівництва та зменшить виробництво електроенергії до 7 % потужності реактора.

Нарешті, ММР також вироблятимуть багато видів радіоактивних ядерних відходів, оскільки вони менші за розміром від великих реакторів і через практику заправки паливом, яка застосовується з економічних причин. Конструкції ММР на основі легкої води, як-от NuScale, також вироблятимуть більшу масу ядерних відходів на МВт·год виробленої електроенергії. Федеральний уряд вже сплачує мільярди доларів штрафів за невиконання своїх контрактних зобов’язань щодо поводження з відпрацьованим паливом з наявних реакторів. Законодавчий план в Законі про політику щодо ядерних відходів 1982 року передбачав відкриття сховища глибокого геологічного захоронення ще в 1998 році. Майже через чотири десятиліття цей план зійшов нанівець.

 

Висновки

Реалістична перспектива того, що ММР можуть істотно вплинути на необхідність швидкого переходу на безвуглецеву електричну систему, — відсутня. Перспективи своєчасного внеску зі сторони навіть легководних проєктів — вкрай неоптимістичні хоч би й для NuScale, який просунувся за графіком найдалі. Ще гірші перспективи для реакторів інших конструкцій, наприклад, з графітовим паливом або натрієвим охолодженням.

ММР буде важко досягти паритету за вартістю з великими реакторами. І ця вартість все одно буде занадто високою. На шляху до екологічно чистої енергетичної системи критично не вистачає двох елементів: часу та грошей. Об’єктивна оцінка показує, що ММР мають низькі показники за обома пунктами. Власне, реалістична перспектива того, що ММР відіграють істотно значущу роль у пом’якшенні наслідків зміни клімату, відсутня.

 

Автори: Арджун Макхіджані, д.н., М. В. Рамана, д.н.

Джерело: ewg.org