bigdrum (bigdrum) wrote,
bigdrum
bigdrum

Categories:

К вопросу о ядерной энергетике в понимании NuScale Power



Тут вот камрад mrumka попросил откомментировать любопытный материал. Ну, давайте, человек без высшего образования откомментирует, фигли делов-то...

О чем идет речь?

Речь идет о разработанном в университете Орегона стартапом NuScale Power концепте малого ядерного реактора. В качестве преимуществ указаны низкие затраты на капитальное строительство, упрощенная инфраструктура и конструкция, скорость возведения, легкость заводского производства. Масштабируемость решений. Низкая опасность последствий аварий.

Вот с последнего и начнем.

Любое производство теоретически может испытывать риск аварии. Разрушение домны, взрыв котла на ТЭЦ и так далее. И здесь у нас встает вопрос оценки стоимости аварий. Как оценить? Есть две стратегии.

Первая стратегия оценки аварии - абсолютная вероятность. Если у нас авария возможна один раз в тысячу лет - это лучше, чем одна авария в пятьсот лет. Это очевидно. Речь идет об абсолютной надежности технической конструкции. Однако, если речь идет об объекте размером с четвертый энергоблок Чернобыльской АЭС, или о Фукусиме - последствия такой крайне маловероятной аварии могут носить катастрофический, неприемлемый характер. В системах с тяжелыми последствиями высокая абсолютная надежность не гарантирует от вселенского масштаба катастрофических последствий. Если же мы посмотрим на реактор подводной лодки, вроде взорвавшегося в бухте Чажма, то увидим, что последствия взрыва были относительно мягкими и малыми. И это приводит нас ко второй стратегии оценки аварии - оценки последствий.

Грубо говоря, если у нас есть две конструкции, одна вдвое надежнее другой, но последствия аварии первой несопоставимо серьезнее, чем у второй, менее надежной - в сумме мы считаем риски эксплуатации второй системы более приемлемыми, понимаете? Условно говоря, если из сотни новых реакторов (а исходя из мощности в 60 МВт - это реалистичная цифра) пять взорвутся - это лучше, чем один из двадцати взорвавшихся АР-1000. Вот что нам предлагают специалисты из Орегонского университета в данном стартапе.

Масштабируемость решений естественным образом вытекает из малой мощности отдельного блока. Как автомобиль Тесла не имеет специализированного высокоэффективного аккумулятора, а представляет из себя кучу спаянных "батареек", так и NuScale Power предлагает собирать электростанции из множества отдельных кирпичиков-энергоблоков. Давайте разбираться. В СССР на исходе его существования было две серийных ядерных системы - ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

ВВЭР был водо-водяным реактором, который требовал производства активной зоны на заводе и транспортировки, а затем и установки, на площадке. Большая по размерам сложная, тяжелая и чувствительная к воздействиям хрень, с учетом ограниченности возможностей транспортной инфраструктуры СССР, представляла отдельную логистическую проблему. В США, где грузопоток по рекам составляет значительную долю от национального, все гораздо проще. Погрузил реактор на баржу - и она приплывет куда надо. В СССР, где железная дорога задает предельные габариты - нужно тщательно планировать строительство, строить дополнительные инфраструктурные объекты, перестраивать старые - только чтобы доставить реактор к месту строительства.

Реактор РБМК был графитовым, и отличался от ВВЭР тем, что собирался из кирпичиков прямо на строительной площадке. Если бы такой реактор решили строить на плато Памира, куда только вертолетом можно долететь - его можно было бы построить и там. В отличие от ВВЭР. То есть - благодаря малости отдельных компонент и простоте их транспортировки, а также высокой серийности при изготовлении, реакторы РБМК были очень дешевы с точки зрения организации производственных процессов. Более того. Поскольку при использовании идеологии РБМК размеры активной зоны были ограничены только проектом - строительство таких реакторов ЛЮБОЙ мощности не представляло проблем. Скорее проблемы возникали с турбинным хозяйством, каковые турбины уже из говна и палок не построишь, и таскать приходится одним куском...

Таким образом, идея NuScale Power заключается в том, чтобы объединить одно с другим. Давайте посмотрим, как это может выглядеть. Возьмем энергоблок РБМК-1000 или АР-1000. Сколько надо малых реакторов, чтобы его заменить? 1000/60=17. Семнадцать штук. На замещение электростанции вроде Чернобыльской (4 реактора РЮМК) нам надо 17*4=68 маленьких реакторов. Теперь вы понимаете, почему я, говоря о сотне произведенных изделий имени NuScale Power, считал цифру реалистичной?

Первая проблема нового стартапа. Я подозреваю, что 68 реакторов, с сопутствующей инфраструктурой, включая турбинное хозяйство, вместо одной АЭС - это все-таки перебор. И здесь мы переходим ко второй стороне модульности.

РБМК, допускающий увеличение мощности увеличением активной зоны, требовал одной смены операторов, понимаете? А 17 заменяющих его реакторов NuScale - требует уже 17 смен полноценных квалифицированных специалистов. А мы не говорим о турбинном хозяйстве, об электриках... Даже если мы предположим, что речь идет о реакторах типа тех, что стоят на подлодках - с отработанной автоматизацией, управляемых одним человеком - все равно у нас требуется больше специалистов в обслуге. Кроме того, нам требуется большая площадь земли для размещения всего этого хозяйства. Кроме того, у нас возникают вопросы к электрической части - к системе трансформаторов и ЛЭП. Потому что несколько проще управлять энергетической системой с одним источником, чем с семнадцатью (мы считаем, приводя на один энергоблок-тысячник).

Низкие затраты на капитальное строительство и упрощенная инфраструктура и конструкция. Прежде всего следует сказать о том, что собственно ядерный процесс в реакторе - вопрос уже решенный. Есть системы автоматического управления, конструкции обладают правильной реактивностью на соответствующих режимах, тут как раз все очень хорошо отработано, как мне кажется. Потому инфраструктура может быть действительно проще, а конструкция может (в силу другого размера активной зоны и энергетики процессов) быть сильно проще, чем для больших реакторов водо-водяного типа.

Но у нас есть проблема.

Загрузка-выгрузка топлива.

На малых реакторах подводных лодок операции с топливом требуют очень сложных и длительных процедур. Если на РБМК, например, стержни могли меняться прямо в процессе работы, то для водо-водяных реакторов это уже не так, потому что. Разве что исключая CANDU, но там используется тяжелая вода - а это очень дорогое удовольствие, не наш случай. Если только ребята из NuScale Power не разработали канальный реактор на легкой воде - замена топлива требует остановки энергоблока.

И вот тут у нас проблема возникает.

На канальниках заменяемые стержни тут же помещаются в бассейн для отстоя и расхолаживания. Прямо во время работы реактора, без его остановки. И только после того, как они "успокоились" в бассейне, их увозят на переработку. На один энергоблок - один бассейн. Уже на ВВЭР этого нет, там требуются специальные процедуры, проводимые на остановленном железе. Так вот. Чтобы реакторы NuScale Power перезарядить, нам на каждом реакторе нужна система перезарядки. Это 17 высокорадиоактивных рабочих площадок. К каждой должны вести ж/д пути для спецпоездов. К одному энергоблоку АР-1000 должна вести одна колея, к 17 реакторам NuScale Power должны вести 17 колей. Уже с инфраструктурой у нас как-то не очень дешево выходит, так?

Варианты с автомобильным транспортом... Ну, возможно... Теоретически... Однако с учетом большой собственной массы контейнера для перевозки отработанного топлива (более 20 тонн навскидку) дорога к АЭС должна быть ну совсем уже нездорового качества - в то время как ж/д пути держат такую нагрузку номинально.

Теперь про скорость возведения и легкость заводского изготовления.

Предположим, что в качестве основы используются реакторы типа тех, что стоят на подлодках. Именно таким путем пошли россияне при постройке плавучей АЭС "Академик Ломоносов". Что здесь важно? Использовались старые, отработанные конструктивы. То есть - производственная оснастка, цепочки кооперации, персонал, система обучения, система контроля качества - они отработаны. Новый реактор - во все это нужно вкладываться. NuScale Power позиционирует свой реактор как совершенно новую установку, понимаете?



Область ноу-хау в ядерной энергетике - основа коммерческого успеха, и я не уверен, что Орегонский университет является законодателем мод в данном смысле. Одно дело - брать отработанную конструкцию, и совсем другое дело - разрабатывать что-то с нуля. На картинке выше изображен реактор Kilopower, одно из последних веяний в ядерной моде США. В отличие от обычного реактора, в нем используется бериллиевый отражатель нейтронов, повышающий коэффициент размножения в активной зоне. Такая идея действительно способна уменьшить количество ядерного топлива, требующееся для начала управляемой реакции, однако статистики по данным решениям пока что нет от слова вообще. И в этой точке мы вспоминаем про две стратегии оценки рисков, с которых начинали разговор, и чешем репу насчет того, как эти реакторы могут взрываться "безопасным" образом в случае начала массовой эксплуатации...

Однако дело даже не в этом.

Существует большая разница между реактором ПЛЛ, и реактором энергетическим. Энергетический реактор работает длительное время в одном и том же стабильном режиме. Месяцами не выключаясь, возможно - годами. При этом в нем происходит выгорание топлива, параметры активной зоны меняются, и конструкция реактора должна сохранять стабильность параметров, а система управления - гарантировать парирование этих изменений. Более того. Глубина выработки топлива определяет коммерческую эффективность реактора. Чем глубже выгорание урана-235 в реакторе - тем больше энергии можно произвести из тех же тепловыделяющих сборок. На реакторах ПЛ картина другая - их дело хорошо смену отработать, а потом их выключают, и в случае необходимости - чинят. Так вот, для реакторов с бериллиевым отражателем пока что нет статистики по работе с частично выгоревшим топливом. Неизвестно, как меняется реактивность, какие параметры, временные промежутки и границы регулировки при этом имеет конструкция. 20 часов работы Килоповер в пустыне Невады - это ни о чем. Это как Чикагская поленница пока что - запустили и улыбнулись...

Замечание NuScale Power о "мизерном" количестве топлива в новом реакторе говорит о том, что он как раз относится к типу бериллиевых ядерных реакторов. И пока что единственное его реальное преимущество по сравнению с обычным - размеры зоны отчуждения, которую нужно вводить после взрыва.



Если реактор NuScale Power построен вокруг бериллиевого отражателя нейтронов, есть и еще одна проблема. А именно - термическая и радиационная нагрузка. Все материалы, которые используются в ядерной энергетике, работают в крайне сложных условиях. Часть материалов под воздействием нейтронной бомбардировки меняет свой изотопный и химический состав. Меняется химический состав - меняются химические реакции элементов конструкции. В бериллиевом реакторе используется подкритическая масса малого объема, тепловыделение происходит в очень компактной зоне, при других температурах, там все совсем иначе, чем в обычных реакторах. Обычные "ядерные" материалы могут вести себя совершенно иначе. Это требует исследований. К чему я это говорю?

Ребята, мы с вами обсуждаем вопрос серийного (точнее - крупносерийного) производства. Это означает, что вот таких вот коробочек Пандоры у нас планируется МНОГО. Да, делящегося материала в них чуть, но риски неотработанности конструкции, помноженные на серийность - могут составить в сумме весьма внушительную величину, не так ли? И опять же - в бериллиевых реакторах нет стержней топливных сборок - как топливо менять в процессе эксплуатации?

А вот еще вопрос - переработка ОЯТ - не самое сильное место промышленности США. А здесь мы говорим об ОЯТ нового типа. Как по конструктивному исполнению, так и - в силу иного характера протекания реакции - возможно, измененного химического и изотопного состава.

В общем и целом, как мне кажется, тема малых реакторов - она заслуживает внимания. Существует масса приложений, в которых такие реакторы, если будут хорошо изучены происходящие процессы, найдены надежные технологические и конструктивные решения - могут стать незаменимыми. Однако нужно понимать, что пока что все это - чисто экспериментальные конструкции.

NuScale Power говорит о том, что такие реакторы могут заменить действующие, и что они лучше, чем традиционные "большие" системы. Это не так. "Большие" реакторы не существуют в вакууме. Они строятся исходя из особенностей крупных энергетических сетей, из сложившейся структуры потребления электроэнергии, исходя из наличных производственных мощностей, поддерживающих их цикл существования. Любые резкие нововведения в данном смысле разрушают кооперацию, и наносят ущерб всей индустрии в целом. В качестве примера можно упомянуть реакторы АР-1000, в которые были заложены решения (по конструкции турбинной части и ГЦН), прекрасно показавшие себя в подводных лодках, но абсолютно не годные (пока что, в текущем состоянии) к применению в большой энергетике. В данном же случае нам предлагается не только концепция реактора нового типа (скорее всего), но и концепция совершенно иной структуры энергетических сетей. То есть - под эти реакторы нужно перестраивать энергетические сети США, а это - неучтенные, но огромные расходы.

Наконец, если у NuScale Power речь идет о бериллиевых реакторах, то мы видим еще одну проблему. Производство изотопов. Современная цивилизация использует радиоизотопы в тысячах приложений, и технология их производства на существующих реакторах отработана. А можно ли их производить в реакторах NuScale Power?



Давайте суммируем все вышесказанное.

Скорее всего, мы имеем дело с новой архитектурой реактора. Скорее всего, такой реактор можно изготовить, и он даже будет работать какое-то время. Однако такой реактор несет с собой некоторое количество побочных и сопутствующих проблем, как-то:

- неясные вопросы безопасности и устойчивости рабочих характеристик;
- возможно требуется совершенно иное топливо;
- возможно потребуется перестройка энергосетей;
- возможно потребуются новые методы переработки ОЯТ;
- возможно требуется больше специалистов в эксплуатационные смены;
- возможно придется забыть о радиоизотопах;
- концептуальная идея модульного (то есть крупносерийного) исполнения при внешней привлекательности ставит индустрию перед необходимостью быстро реагировать на новые условия, то есть - нужно модернизировать в пока неясном направлении множество предприятий;
- для всего этого нужны специалисты, которых в данное время нет или очень мало;
- пока совершенно неясны реальные коммерческие показатели.

То есть - построить экспериментальный такой реактор, вне всякого сомнения, интересно. И полезно. Где-нибудь в пустыне в штате Невада, на всякий случай. Работать в направлении совершенствования данного конструктива - тоже имеет смысл. Мало ли. Однако позиционировать данные разработки в качестве революции в мире большой энергетики - не только преждевременно, но и банально глупо.

Такая фигня.

На самом деле компактными ядерными установками занимались с 50-х годов, и чем дальше - тем больше. И проектов было - мама не горюй, мама не плачь. Однако все упирается в одно и то же. Требуемая надежность и предсказуемость характеристик, отличающиеся от больших реакторов требования к материалам, топливу, и все это намазывается на серьезную ядерную индустрию, которая только и может произвести и/или переработать все необходимое, но пока не знает, что именно...

Серьезные, надежные, безопасные, массовые, дешевые и эффективные малые ядерные решения, вне всякого сомнения - впереди. И без экспериментов в этой области - никуда не деться. Но нужно понимать, каков уровень кооперированности, взаимозависимости одного-единственного реактора и всей промышленности, на самых разных уровнях. Новый тип реактора - это новая промышленность, вот в чем фишка. Потому интегральная оценка решения должна включать в себя и все сопутствующие и побочные эффекты. И вот с такой точки зрения я не могу рассматривать реактор от NuScale Power в качестве коммерческого решения. В качестве пионерского, исследовательского, даже может быть прорывного - еще могу, а вот в качестве коммерческого - нет, не могу.

История учит нас, что ядерная энергетика и маркетинг очень плохо понимают друг друга - во всяком случае, пока.
Tags: Мысли дилетанта, Неоднозначное, Се ля ви...
Subscribe

  • Надеюсь, крайнее "ха-ха" на сегодня...

    В свое время был такой прекрасный (по тем временам, и абсолютно прекрасный по нынешним) комедийный фильм "Робин Гуд: мужчины в трико".…

  • Со скучным выражением лица...

    Я когда-нибудь не сдержусь, и начну хуярить первым что попадет под руку, всех этих конченных дегенератов в погонах, которые мне тут глазки…

  • Разница в парадигме

    К следующему году Covid можно будет лечить как грипп, а осенняя бустерная вакцинация в этом году для людей старше 50 может стать началом…

promo bigdrum february 17, 2019 22:31 6
Buy for 10 tokens
На мейл-ру пролетела очередная "желтая" новость, коих не счесть. Касательно контактов с инопланетянами. В силу чего, втыкая по причине небольшой эмоциональной раздолбанности, я вот тут вдруг решил взять и откомментировать это дело. Да, ребята! МЫ БУДЕМ ГОВОРИТЬ ОБ НЛО, ПРИШЕЛЬЦАХ…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 7 comments