Устойчивое движение предприятий нефтегазового комплекса России на Восток — в регионы с неразвитой энергетической инфраструктурой, а зачастую с полным её отсутствием в силу того, что там традиционно не велась хозяйственная деятельность, требует особенного внимания к развитию локализованной автономной энергетической инфраструктуры, предназначенной для решения задач энергообеспечения предприятий нефтегазового комплекса (НГК) как минимум до начала промышленной добычи углеводородов [1].

Традиционно используемая для этих целей дизельная генерация электроэнергии и тепла обеспечивает очень дорогую энергию, что снижает экономическую эффективность проектов в целом [2]. Усилия по сокращению выбросов парниковых газов в основном сосредоточены на развитии «зелёной» энергетики на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а также технологий энергосбережения и энергоэффективности [1].

При этом некоторые страны заявили о сокращении или полном отказе от атомной энергетики, поскольку она не считается «зелёной» [3], хотя это не соответствует действительности — с точки зрения выбросов парниковых газов атомная энергетика как раз является «безуглеродной».

Атомные электростанции при нормальной эксплуатации практически не загрязняют природную среду: современные АЭС имеют системы очистки газовых выбросов, которые улавливают почти все радиоактивные вещества. Проблемы обращения с радиоактивными отходами, такие как их хранение, переработка, транспортировка и захоронение, могут быть решены переходом к замкнутому ядерному топливному циклу, что позволит производить электроэнергию практически без отходов. Таким образом, ядерная энергетика является единственным способом многократно увеличить экологически безопасное производство энергии и связанных с ней ресурсов.

Одним из эффективных направлений уменьшения затрат на выработку электроэнергии может стать использование атомных станций малой мощности (АСММ) последнего поколения. Рациональным местом размещения АСММ являются труднодоступные населённые пункты со сложной схемой доставки топлива и со значительным перспективным ростом потребления электрической энергии [4].

Малый модульный реактор (ММР) или атомная станция малой мощности представляет собой ядерный реактор относительно небольших размеров и мощности (как правило, ММР имеют электрическую мощность менее 300 МВт или тепловую мощность менее 1000 МВт), состоящий из модулей, которые производятся на заводе, а затем перевозятся, собираются и вводятся в эксплуатацию на любой подготовленной площадке [5].

ММР более безопасны по сравнению с традиционными реакторами вследствие малой мощности и низкого внутреннего давления, а также из-за широкого применения в их конструкции пассивных систем безопасности. Кроме того, малым модульным реакторам реже требуется перезагрузка топлива.

Выделяют категории реакторов:

1. Одноблочные реакторы, которые могут заменить небольшие блоки на ископаемом топливе или быть развёрнуты в качестве распределённой генерации.

2. Многомодульные реакторы, которые могут эксплуатироваться либо в качестве замены мощности базовой нагрузки среднего размера или в распределённой генерации в зависимости от генерирующих мощностей.

3. Мобильные/переносные реакторы, которые в настоящее время предназначены для лёгкого перемещения с места на место, в эту категорию включены и плавучие реакторы.

4. Микромодульные реакторы, которые представляют собой конструкции мощностью менее 10 МВт, часто способные работать в полуавтономном режиме и обладающие улучшенной транспортабельностью по сравнению с более крупными реакторами. Микромодульные реакторы используют широкий спектр технологических подходов, включая технологии четвёртого поколения, и в основном предназначены для автономной работы в удалённых районах, где они, как ожидается, будут конкурентоспособны с прочими распространёнными источниками электроэнергии [5].

Реакторы четвёртого поколения можно разделить на два типа: тепловые реакторы (высокотемпературные реакторы, реакторы на расплавах солей, сверхкритические водяные реакторы) и реакторы на быстрых нейтронах (газовый реактор на быстрых нейтронах, реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, свинцовый реактор на быстрых нейтронах) [6]. В табл. 1 приведена классификация реакторов АСММ.

В настоящее время в число стран, активно занимающихся разработкой реакторов четвёртого поколения, входят Австралия, Канада, Китай, Франция, Япония, Россия, Южная Африка, Южная Корея, Швейцария, Великобритания и США. По состоянию на 2023 год разрабатывается более 80 проектов модульных реакторов, а первые блоки ММР находятся в эксплуатации в России и Китае.

В России в настоящие время реализуются перспективные проекты для АМСС, использующие водо-водяные ядерные реакторы. Наиболее активно продвигаются такие разработки, как «РИТМ-200», КЛТ-40С и «Шельф-М».


Водо-водяная реакторная установка «РИТМ-200» физической мощностью 200 МВт

Две реакторные установки КЛТ-40С используются на плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС) «Академик Ломоносов». Вместе они способны обеспечивать в номинальном режиме выдачу в береговые сети 70 МВт электроэнергии и до 50 Гкал/ч тепловой энергии для нагрева теплофикационной воды. Электрическая мощность, выдаваемая в береговую сеть без потребления берегом тепловой энергии, составляет около 76 МВт. В режиме выдачи максимальной тепловой мощности около 146 Гкал/ч электрическая мощность, выдаваемая в береговую сеть, составляет порядка 44 МВт. Плавучий атомный энергоблок (ПЭБ) сможет обеспечивать электроэнергией населённый пункт с численностью населения около 100 тыс. человек [7].


Реакторная установка КЛТ-40С на ПАТЭС «Академик Ломоносов»

Как и любой другой проект, ПАТЭС имеет шансы на осуществление только при наличии экономических преимуществ по сравнению с альтернативными решениями. На рис. 1 на примере выбора варианта электростанции для Чукотского автономного округа показаны капитальные затраты на сооружение станций различных типов (плавучей атомной теплоэлектростанции, дизельной электростанции, теплоэлектростанций на дизельном топливе и на угле) мощностью 70 МВт, а также эксплуатационные затраты за срок их службы (40 лет) [8].


Рис. 1. Затраты на строительство и эксплуатацию в течение 40 лет электростанций различных типов (мощностью 70 МВт) в Чукотском автономном округе

Из рис. 1 видно, что наибольшие капитальные затраты нужны для сооружения ПАТЭС. В то же время атомная станция требует значительно меньших топливных затрат по сравнению со всеми станциями на органическом топливе.

Помимо ПАТЭС особое внимание уделяется использованию малых модульных реакторов в виде наземных станций. К преимуществам использования ММР можно отнести:

1. Доступ к ядерной энергии в удалённых регионах позволяет снабжать автономные изолированные энергосистемы в удалённых районах, причём ММР разрабатываются с упором на адаптацию использования в различных условиях, учитывая ограничения местности.

2. Замена угольных, мазутных и дизельных электростанций, которые имеют высокую степень износа и низкую эффективность, кроме того, малые атомные станции успешно интегрируются в имеющиеся тепловые и электрические сети, при этом реакторные установки АСММ имеют малую долю выбросов в атмосферу, что способствует декарбонизации энергетической системы.

3. Регулирование мощности в интегрированных системах с разными типами генерации, дополнение к переменной выработке от возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветровые электростанции.

В России реализуются планы создания нескольких пилотных АСММ на различных реакторных технологиях. Первая российская наземная АСММ будет построена в Якутии на базе реакторной установки «РИТМ-200Н» мощностью 55 МВт. Её ввод в эксплуатацию запланирован на 2028 год.

К преимуществам «РИТМ-200» относятся следующие:

  • интегральная компоновка основного оборудования — активная зона с парогенератором объединены в едином корпусе;
  • первый контур выполнен герметичным с применением сварных соединений, герметичных насосов и арматуры, протяжённость трубопроводов контура сокращена до минимума;
  • интегральная компоновка парогенерирующего блока (ПГБ) обеспечивает практически неограниченный радиационный ресурс корпуса, значительно увеличенные резервы времени при возможных запроектных авариях с течью теплоносителя первого контура, в том числе при обесточивании;
  • размеры интегрального ПГБ дают возможность транспортировки его корпуса в сборе (с приваренными гидрокамерами) железнодорожным транспортом.

За счёт сборки парогенерирующего блока непосредственно на машиностроительном заводе существенно сокращается время на проведение монтажных работ на заводе-строителе [9].

Основные технические характеристики установки приведены в табл. 2.

Использование ММР имеет огромную перспективу в энергообеспечении населения, как альтернативы котлам на органическом топливе, при наличии исправной сетевой инфраструктуры теплои электроснабжения, которая составляет часть затрат, превосходящую возведение отдельных блоков ТЭЦ.

В настоящее время в России выводится из эксплуатации большое количество тепловых электростанций, главной причиной вывода является невозможность обслуживания турбоагрегатов. Но вместе с тем часть теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) имеют низкоэффективное устаревшее оборудование паровых котлов. Как пример можно привести ситуацию с Хабаровской ТЭЦ-1, сооружения и оборудование которой устарели и достигли высокой степени износа. Модернизация станции признана нецелесообразной, планируется вывод её из эксплуатации со строительством на той же площадке замещающей Хабаровской ТЭЦ-4. К 2027 году планируется полный вывод из эксплуатации оборудования станции.


Паровые котлоагрегаты, используемые на ТЭЦ, представляют собой массивную конструкцию высотой более 33 м

Площадка для строительства Хабаровской ТЭЦ-1 была выбрана ещё в 1936 году, но начатое строительство было остановлено в 1941-м. В 1949 году строительство возобновляется, проект станции перерабатывался в сторону увеличения мощности — вместо исходных 24 МВт запланировали строительство ТЭЦ мощностью 125 МВт (пять агрегатов по 25 МВт). В дальнейшем станция постоянно расширялась, в итоге к 1972 году на ней было установлено девять турбин и 16 котлов разных марок, итого мощность Хабаровской ТЭЦ-1 достигла 485 МВт [10]. На данный момент станция имеет 15 котлов: три ТП-170–100, два БКЗ-160–100, два БКЗ-220–100 и восемь БКЗ-210–140.

Габаритные размеры атомной станции малой мощности «РИТМ-200» сопоставимы с котлом БКЗ-220–100 (диаметр в основании котла около 16 м, высота 33,1 м) и котлами модели ТП-170 (диаметр основания 9,3 м, высота 30,5 м). При этом котлы — морально устаревшие, имеют конструктивные недостатки. Котлы БКЗ-220–100 проектировались в 1960–1970-е годы, когда вопрос о выбросах оксидов азота не был ещё актуален для энергетиков. Именно этим объясняется то обстоятельство, что эти котлы не отвечают современным, постоянно повышающимся требованиям по охране окружающей среды. В принципе, наряду с работами по демонтажу турбин имеет смысл производить замену паровых котлов [11].

Что касается топливной составляющей «РИТМ-200», то интервал между перегрузками топлива составляет восемь лет, межремонтный период (эксплуатационный цикл) — около 20 лет. Полный проектный срок службы реакторной установки находится в районе 40 лет.

В России в основном рассматривается применение ММР в арктической зоне с населёнными пунктами, которые обеспечиваются энергетическими ресурсами за счёт «северного завоза», где ежегодного открывают новые месторождения полезных ископаемых, развивается Северный морской путь, диктующий развитие портов на побережье Северного Ледовитого океана. Со временем экономическая актуальность применения атомной энергетики будет расти, если учитывать климатическое регулирование сектора энергетики и тенденцию на постепенное снижение использования углеводородов как топлива.

Для северных и восточных территорий России можно выделить два диапазона требуемой единичной мощности атомных блоков: 6–12 МВт для электроснабжения изолированных потребителей с уровнем нагрузки 6–30 МВт и 50–100 МВт для организации снабжения электрической энергией крупных потребителей и/или для работы в энергосистеме.

При этом атомные станции с блоками 6–12 МВт («Шельф-М») будут конкурировать с автономными дизельными электростанциями, цена топлива для которых в отдалённых районах с учётом доставки оценивается в 40–50 тыс. руб. за одну тонну. В качестве альтернативного варианта для АСММ с блоками 50–100 МВт («РИТМ-200») при их включении в локальные энергосистемы следует рассматривать новые ТЭС на угле, цена которого в восточных регионах составляет 5000–8000 руб. за тонну [12].


Макет реакторной установки «Шельф-М» [электрическая мощность до 10 МВт, тепловая — 35 МВт], представленный специалистами Научно-исследовательского и конструкторского института энерготехники (НИКИЭТ) имени Н. А. Доллежаля на выставке «Атомэкспо-2022»

Стоит отметить, что в последние годы атомная энергетика возвращает свою востребованность из-за низких выбросов парниковых газов в процессе эксплуатации. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), выбросы парниковых газов от атомной энергетики на всём жизненном цикле АЭС равны 12 тоннам CO2-эквивалента на произведённый 1 ГВт/ч.

Для сравнения: ветроэлектростанции выбрасывают 11 тонн, гидростанции — 24 тонны, солнечные установки — 48 тонн, газ — 490 тонн и уголь — 820 тонн CO2-эквивалента на 1 ГВт·ч. Атомные электростанции в России обеспечивают недопущение выбросов более 100 млн тонн CO2-эквивалента ежегодно, что составляет порядка 7% от всех выбросов парниковых газов в стране. Если же оценивать планетарные масштабы, то работа всех АЭС в мире даёт экономию выбросов парниковых газов на уровне 2 млрд тонн CO2-эквивалента в год, что соразмерно поглощающей способности всего лесного массива планеты [13].

Для того чтобы малые модульные реакторы были более привлекательными и конкурентоспособными, необходимо решить следующие задачи:

  • создание в широком объёме демонстрационных моделей реакторов, использующих проверенные технологии;
  • обеспечение сертифицированными материалами и развитие металлургии и машиностроения;
  • достижение долговременной надёжности и удобство обслуживания ММР;
  • развитие экономической жизнеспособности на всех стадиях реализации проекта;
  • лицензирование и совершенствование нормативно-правовой базы.

Основной задачей для развития производства атомных станций является расширение производственной базы на основе имеющегося отечественного опыта производства компонентов атомных объектов. Конкурентный блок АСММ — массовый промышленный, платформенный продукт с высокой степенью модульности, адаптируемый под конкретный заказ. Причём если серийность крупных блоков АЭС сопоставима с серийностью космических ракет-носителей (единицы в год), то серийность блоков АСММ может быть сопоставима с серийностью авиалайнеров (десятки в год) или даже больше.

Заключение

В последнее десятилетие мировое сообщество снова стало обращать внимание на атомную энергетику как возможный способ достижения низкоуглеродной экономики. С учётом развития технологий, перехода на реакторы на быстрых нейтронах активную поддержку начинают получать малые модульные реакторы. Помимо применения на плавучих атомных теплоэлектростанциях, актуальным решением становится их установка в виде атомных станций малой мощности на различных территориях Российской Федерации, прежде всего удалённых и энергетически изолированных.

Особые перспективы наблюдается в установке малых реакторов вместо котлов на ТЭЦ, использующих в качестве топлива уголь, мазут или газ. При сохранении сетевой энергоинфраструктуры малые модульные реакторы могут быть эффективнее, а в некоторых случаях и экономически выгоднее традиционных решений на тепловых станциях.