Стройтесь, реакторы, большие и малые

На какие реакторные технологии делают ставку зарубежные игроки

К третьему десятилетию третьего тысячелетия нашей эры мирный атом в зарубежных странах подошел с хорошей инерцией. Наиболее полную статистику по строящимся в мире атомным энергоблокам ведет база PRIS, поддерживаемая МАГАТЭ. Если верить базе, то дела у отрасли обстоят неплохо – статус сооружаемых сегодня имеют 53 блока. При этом значительную долю этого рынка заслуженно отвоевал себе «Росатом». Но реальность более сурова, потому что активное строительство атомных мощностей ведется всего в нескольких странах. Более того, ряд традиционных лидеров отрасли до сих пор не уверены, нужна ли им атомная энергетика, а если нужна – то с какими именно технологиями.

Поступь китайских «Драконов»

КНР – страна, в которой мирный атом переживает если не расцвет, то как минимум бабье лето. Первый китайский атомный энергоблок «Циньшань-1» был подключен к сети всего лишь около 30 лет назад, в декабре 1991 года. Сейчас в Китае работает 49 блоков АЭС, а их общая мощность составляет 46,5 ГВт. Среди атомных держав страна уверенно занимает третье место, но Коммунистическая партия Китая и правительство требуют от атомщиков большего – догнать и перегнать Америку и сделать атомный парк народной республики самым мощным в мире.
На ранних стадиях к китайской атомной энергетике лучше всего подходило определение «зоопарк». Китайцы строили все реакторы, какие только могли получить: российские ВВЭРы, канадские CANDU, французские M310, позднее французские EPR и американские AP-1000. Со временем M310 был творчески переработан в китайский проект CPR-1000, на который в Пекине попытались сделать основную ставку, но в 2011 году случилась авария на японской АЭС «Фукусима-1», и CPR-1000 как реактор 2 поколения был признан не имеющим перспектив.
Китайской атомной отрасли срочно потребовался реактор 3 поколения, отвечающий современным требованиям по ядерной безопасности и обладающий лицензионной чистотой для возможного экспорта. Проект такого реактора появился в конце 2015 года, это реактор HPR-1000, известный также как «Хуалун-1», что в переводе означает «Китайский дракон». Но Китай не был бы Китаем, если бы не постарался удивить весь мир. Одного «Дракона» китайцам оказалось мало: почти одновременно они создали под этим именем два конкурирующих проекта.
Организационная структура атомной отрасли КНР во многом скопирована со структуры «Росатома», но с важным отличием. У Китая есть не один аналог российской госкорпорации, а два. От министерских времен свою родословную ведет корпорация China National Nuclear Corporation – CNNC (ее так неформально и называют – «малое министерство»). Конкуренцию ей составляет созданная в провинции Гуандун с подачи лично Дэн Сяопина на заре либерализации экономики корпорация CGN (China General Nuclear Power Group – «народная корпорация», по словам китайцев). Естественно, как только появился запрос на реактор 3 поколения, обе корпорации поспешили представить собственные проекты.
В Пекине постановили, что конкуренция – это хорошо, но два враждующих друг с другом реакторных проекта с одним и тем же именем – это слишком, и приняли соломоново решение. Обеим корпорациям было разрешено построить на территории Китая по два блока по своим проектам, а для дальнейшего строительства должен быть выбран объединенный (унифицированный) проект HPR-1000.
Строгому указанию по партийной линии корпорации, естественно, подчинились, но определенные лазейки для себя оставили. CNNC задним числом переименовала в HPR-1000 два блока, которые она строит в Пакистане на АЭС «Карачи»; таким образом, у этой корпорации первый экспортный блок войдет в строй практически сразу после головного блока в Китае. В свою очередь, CGN подала свой проект на сертификацию в Британии, имея в виду будущее строительство в этой стране блоков с «Китайскими драконами».
На сегодняшний день в Китае на стадии строительства находятся семь энергоблоков с реакторами HPR-1000, причем первый из них, «Фуцин-5», вплотную подошел к пусковым этапам и до конца 2020 года может быть введен в эксплуатацию. Также два «Дракона» строятся в Пакистане, а в Китае имеются разрешения властей на строительство еще как минимум пяти «Драконов».

Основные параметры реактора HPR-1000

Тип реактора – водо-водяной под давлением

Электрическая мощность – 1150-1200 МВт

КИУМ (коэффициент использования установленной мощности) – более 90 %

Проектный срок службы – 60 лет

Число петель – 3

Число топливных кассет в активной зоне – 177

Топливный цикл – 18 месяцев

Строящиеся блоки с реакторами HPR-1000 и даты начала строительства

«Фуцин-5» – май 2015

«Карачи-2» (Пакистан) – август 2015

«Фуцин-6» – декабрь 2015

«Фанчэнган-3» – декабрь 2015

«Карачи-3» (Пакистан) – май 2016

«Фанчэнган-4» – декабрь 2016

«Чжанчжоу-1» – октябрь 2019

«Тайпинлин-1» – декабрь 2019

«Чжанчжоу-2» – сентябрь 2020

Атомные жертвы войны Трампа

Той уверенностью в завтрашнем дне, которую испытывают сегодня китайские «Драконы», они обязаны, по крайней мере частично, президенту США Дональду Трампу, развязавшему с Китаем торговую войну. Если бы не она, то серьезную конкуренцию «Драконам» составили бы американские реакторы AP-1000 и их китайские модификации.
Американская компания Westinghouse, разработчик проекта AP-1000, вплотную заинтересовалась китайским рынком в середине нулевых годов. Трудно поверить, но было время, когда менеджеры Westinghouse рассуждали о перспективах построить в КНР под сотню блоков с AP-1000. Для начала американский проект было решено применить на четырех блоках на двух площадках – «Саньмэнь» и «Хайян», причем на условиях трансфера технологии в Китай.
Строительство первых блоков проходило сложно. Американский проект, красивый в презентациях, оказался сырым, и доводить его до ума пришлось совместными усилиями китайских и американских инженеров, что само по себе представляло сложную в организационном плане задачу. Один только пример: по состоянию на август 2017 года в проектную документацию блока «Саньмэнь-1» было внесено 3100 изменений.
Для локализации, адаптации и развития технологии AP в Китае была создана компания SNPTC, которую впоследствии поглотил энергетический гигант SPIC. Главный конструктор компании Чжэн Мингуан не устает расхваливать получившиеся в итоге четыре блока с AP-1000. Они работают эффективно и надежно, но с одной оговоркой: «Если работают». Китайские AP-1000 в чем-то напоминают пресловутого пожарного из анекдота, которого всё устраивало на службе, кроме собственно пожаров, когда «хоть увольняйся». Такой пожар (в переносном смысле, конечно) приключился на блоке «Саньмэнь-2». В начале 2019 года стало известно о технических проблемах на одном из четырех главных циркуляционных насосов (ГЦН). Рутинный, казалось бы, ремонт превратился в эпопею с почти годовым простоем энергоблока. Виной тому стала забывчивость конструкторов о потребностях ремонтного персонала.
Полученный опыт строительства и эксплуатации (в том числе негативный) позволил китайским атомщикам из SNPTC создать клон AP-1000 под названием CAP-1000, где литера «C» означает «Китай». У Westinghouse и других американских компаний в проекте-клоне сохранился значительный объем работ, а в Пекине у CAP-1000 нашлись влиятельные лоббисты. В теории технология CAP-1000 могла рассчитывать на шесть первых бетонов в год, оттеснив «Драконов» на задний план. Более того, в SNPTC разработали проект реактора повышенной мощности CAP-1400, использующий многие технические решения из проекта AP-1000, но при этом лицензионно-чистый (по утверждению китайской стороны), то есть пригодный к экспорту без каких-либо ограничений со стороны США.
Но внезапно грянула торговая война. Администрация Дональда Трампа ввела санкции против атомной отрасли Китая, ударив, в частности, по китайским экспортным проектам («Дракон» и CAP-1400). Неофициальным ответом Пекина стал отказ от строительства блоков с CAP-1000, а выделенные под них площадки переориентируются на размещение «Драконов».
Остается загадкой, что ожидает проект CAP-1400. Первый блок (или два блока) с этим реактором предполагалось построить в провинции Шаньдун на площадке с пафосным названием Guohe No.1 (примерный перевод на русский – «государственная гармония номер один»). По неофициальной информации, разрешение на начало строительства было выдано в начале 2019 или конце 2018 года (официально до сих пор не сообщалось). По косвенным признакам, первый бетон там состоялся, но подтверждать это Китай не спешит.

Основные параметры реактора CAP-1400

Тип реактора – водо-водяной под давлением

Электрическая мощность – порядка 1500 МВт(э)

КИУМ – более 93 %

Проектный срок службы – 60 лет

Число петель – 2

Число топливных кассет в активной зоне – 193

Топливный цикл – 18 месяцев

Загрузка MOX-кассет – до 50 % активной зоны

Построенные в Китае блоки с реакторами AP-1000 и даты начала строительства и ввода в эксплуатацию

«Саньмэнь-1» – апрель 2009 / сентябрь 2018

«Хайян-1» – сентябрь 2009 / октябрь 2018

«Саньмэнь-2» – декабрь 2009 / ноябрь 2018

«Хайян-2» – июнь 2010 / январь 2019

Малый китайский резерв

Помимо блоков с легководными реакторами большой мощности, в КНР, как в старые добрые времена в СССР и США, строятся и другие проекты. Близится к завершению сооружение первого в Китае коммерческого блока с высокотемпературными реакторами (два реактора на одну турбину). Совместно с Россией возводится блок с быстрым натриевым реактором. В пустыне Гоби после полученного от даосских монахов благословения приступили к сооружению демонстрационных жидкосолевых реакторов. И, разумеется, не обошли вниманием в Китае и модное сегодня направление малой атомной энергетики.
В гонке за государственные заказы на малые реакторы принимают участие все три реакторных разработчика Китая – CNNC, CGN и SNPTC. В стороне стоит университет Циньхуа, явно держащий в уме намерение продать свои проекты кому-то из крупных игроков.
Малые реакторы могут быть наземного размещения, плавучими станциями, могут вырабатывать промышленное тепло или обеспечивать районное теплоснабжение. Такое впечатление, что в Китае собираются закрыть весь «стол». Пожалуй, в многообразии китайских малых проектов не хватает только подводного малого реактора наподобие российского «Шельфа» или французского Flexblue.
Дальше всех конкурентов продвинулась CNNC. Проект малого реактора ACP-100, который иногда называют малым «Драконом», прошел независимую проверку безопасности в МАГАТЭ (это первый в мире малый реактор, успешно пробившийся через эту процедуру), а в Китае весной 2020 года было предварительно одобрено его строительство на острове Хайнань. Также у CNNC есть плавучий вариант ACP-100S, причем, по некоторым сведениям, работы по его сооружению на верфи «Цзяодун» начались в 2018 году. Есть у корпорации вариант плавучей АЭС меньшей мощности – 25 МВт, а также проект реактора DHR-40, предназначенного для снабжения городов горячей водой.
У гуандунской CGN список известных малых проектов состоит из единственного пункта – реактора ACPR-50S для размещения на плавучей АЭС. По состоянию на сегодня проект еще не готов. SPIC (SNPTC) одновременно идет и по пути создания малых реакторов CAP (CAP-150, CAP-200), и по пути проектирования реакторов для теплоснабжения – HAPPY-200 для коммунальных нужд и LandStar для промышленных. В университете Циньхуа работают по направлению небольших высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР), а также над реактором районного теплоснабжения NHR-200.
Несмотря на столь большое количество проектов малых реакторов, переходить к их массовому строительству Китай не спешит. Не последнюю роль здесь играет то, что до сих пор отсутствует понимание места малых реакторов в атомной энергетике XXI века. Например, замена малыми реакторами угольных ТЭЦ, обеспечивающих китайские города теплом и горячей водой, выглядит заманчиво с точки зрения экологии, но власти КНР справедливо опасаются, что горожане не примут близкого соседства с ядерным реактором, каким бы безопасным он ни был.
Второе объяснение, почему Китай держит эти проекты в «горячем резерве», также выглядит логичным. В Пекине предпочитают выждать и посмотреть, что получится у страны-апологета малой атомной энергетики, а именно у США. Если американский опыт внедрения малых реакторов будет признан успешным, то Китай зажжет перед своими малыми реакторами зеленый свет.

Новая парадигма по-американски

Соединенные Штаты по-прежнему остаются страной номер один, когда речь заходит о величине атомного парка (95 энергоблоков). По числу строящихся блоков США в аутсайдерах (2 энергоблока). По уровню информационного шума вокруг атомной энергетики Америка – мировой лидер.
До аварии на «Фукусиме-1» в США намечался грандиозный ядерный ренессанс, речь шла о возможном строительстве двух-трех десятков новых блоков с реакторами большой мощности. До первого бетона добрались всего четыре блока, все с реакторами AP-1000. Направление в 2017 году Westinghouse на процедуру управляемого банкротства повлекло за собой прекращение строительства двух блоков на АЭС Virgil C. Summer, сейчас там владельцы станции и Westinghouse делят имущество, а компетентные органы расследуют дела о коррупции. Реально к финишу дойдут только два блока на АЭС Vogtle, пуск первого из них ожидается в 2021 году.
Срыв программы строительства больших блоков побудил США сменить парадигму. Отныне американская атомная отрасль ориентируется на так называемые перспективные реакторы, под которыми они понимают малые модульные реакторы (ММР) и микрореакторы. Задача действующего парка больших АЭС – выиграть время, необходимое для появления небольших коммерческих проектов. «Поддержание нашего действующего парка АЭС дает время для перехода на новые технологии, такие как ММР и микрореакторы, которые в конечном счете станут более дешевыми в строительстве и эксплуатации, а это даст потребителям больший выбор продукции и больший доступ к чистой и надежной атомной энергии», – разъясняла американскую стратегию помощник по атомной энергии министра энергетики США Рита Баранвал.
В начале сентября по СМИ пронеслась новость о том, что первый пригодный к строительству в США малый реактор NuScale уже появился. Стоит внести ясность. Действительно, в комиссии по ядерному регулированию США на финишную прямую вышел процесс сертифицирования стандартного проекта реактора малой мощности NuScale. Но строить именно этот реактор в США никто не собирается. Единственный имеющийся заказчик на продукцию компании NuScale Power – муниципальная ассоциация UAMPS штата Юта – намерен приобрести реакторы другого проекта, а именно NuScale720, к сертификации которого еще не приступали. В коммерческую эксплуатацию по текущим ожиданиям заказчика эти реакторы будут введены в 2029–2030 годах.
NuScale и NuScale720 – реакторы не просто малые, но еще и модульные. На одной площадке может работать от одного до двенадцати модулей, у каждого из которых есть свои реакторная установка и турбина. Ассоциация UAMPS намерена приобрести станцию в полном сборе, то есть 12 модулей NuScale720. Ее мощность составит 684 МВт без учета затрат на собственные нужды, а стоимость оценивается в $5–6 млрд с перспективой роста по мере перехода от бумажной стадии проекта к «железу». Экономическая целесообразность приобретения станции вызывает вопросы не только у сторонних экспертов, но и у заказчика. Входящий в ассоциацию UAMPS город Логан приступил к процедуре выхода из проекта, на его долю в будущей станции приходится 30 МВт, или половина мощности одного из модулей.

Основные параметры реактора NuScale

Тип реактора – водо-водяной под давлением

Электрическая мощность – 50 МВт брутто, у NuScale720 – 60 МВт брутто

КИУМ – более 95 %

Число модулей на станции – от 1 до 12

Изготовление модулей – заводское

Топливо – стандартное LWR 17×17, длина кассеты 2 м, обогащение менее 5 %

Топливный цикл – до 24 месяцев

Пока NuScale Power занята празднованием локального успеха с сертификацией, их без лишнего шума обгоняет компания Oklo, подавшая заявку в комиссию по ядерному регулированию на строительство и эксплуатацию микрореактора Aurora. Oklo возглавляет Джейкоб Девитт, чья любовь к мирному атому уходит корнями в детство. Как истинный патриот атомной энергетики он предлагает по-настоящему красивый проект.
Мощность Aurora небольшая – 1,5 МВт. Он может работать в одиночестве, снабжая электроэнергией небольшие поселения в удаленных районах, но основная его задача заключается во встраивании в комбинированные сети с возобновляемыми энергоисточниками (ВИЭ), где реактор должен обеспечивать стабильность базовой составляющей генерации.
Aurora – реактор на быстрых нейтронах, в качестве топлива он использует металлический уран U-Zr. Тепло от активной зоны передается в теплообменники посредством тепловых трубок. Всего имеется шесть теплообменников, рабочее тело второго контура – сверхкритический диоксид углерода s-CO2 (состояние сверхкритической жидкости достигается при высоких температурах и давлении, когда вещество приобретает свойства как газа, так и жидкости).
Кроме технических новинок, в проекте Aurora много интересных решений организационного плана. Так, численность сменного персонала минимизирована (для экономики малых и микрореакторов это важно), но сделано это с умом. У реактора Aurora не будет операторов. Вместо них на пульте управления будут пребывать два наблюдателя (монитора). В связи с тем, что активных действий по управлению реактором от наблюдателей не ожидается, им можно поручить определенные функции по физической защите, сократив тем самым численность вооруженной охраны.
Заявку на получение комбинированной (строительство и эксплуатация) лицензии для первого реактора Aurora Oklo подала 11 марта 2020 года, в годовщину аварии на «Фукусиме». Для строительства выбрана площадка на территории национальной лаборатории Айдахо. Она же, кстати, выдаст реактору в аренду ядерное топливо.

Окраины атомной географии

Китай и Россия – страны, активно строящие атомные энергоблоки. Соединенные Штаты – страна, громко рассуждающая о том, как она будет строить реакторы нового поколения. Что до остальных государств, то у них и дела немного, и шума почти не слышно.
Некогда боровшаяся за мировое лидерство в инновационных ядерных технологиях Франция столкнулась с тем, что новые АЭС ей просто не нужны. С последним продуктом французских атомщиков, реактором EPR, построено и строится шесть энергоблоков, и лишь один из них, «Фламанвиль-3», во Франции. Причем дела на стройке идут ни шатко ни валко – первый бетон был в 2007 году, а до пуска еще далеко.
Надежды французского атома связаны сейчас с Великобританией, которой срочно требуются новые энергоблоки на замену закрываемым АЭС с графитовыми реакторами. К строительству первых двух блоков замены с реакторами EPR на АЭС Hinkley Point C французы уже приступили и обсуждают с Лондоном вторую площадку. Но есть проблема – деньги. Работы на Hinkley Point C смогли начаться благодаря китайскому капиталу, CGN имеет в этом проекте 33,5 % акций. Однако политические отношения между Лондоном и Пекином ухудшаются буквально с каждым днем, и перспективы дальнейшего вкладывания китайских денег в британские энергоблоки с реакторами EPR становятся всё более туманными. Теоретически китайские средства можно заменить за счет досрочных сборов с будущих потребителей, но для этого нужно согласие британских властей.
В этом году после долгого перерыва напомнила о себе Индия. Собственная ядерная программа этой страны (не считая АЭС «Куданкулам» с российскими ВВЭР) базируется на тяжеловодных реакторах, и последний по времени энергопуск блока-тяжеловодника («Кайга-4») датируется январем 2011 года. Есть шансы, что вскоре индийский парк пополнится новым блоком «Какрапар-3», реакторная установка которого в июле 2020 года была выведена на минимально контролируемый уровень.
Отдельного разговора заслуживает Южная Корея. В этой стране взят курс на постепенное сворачивание атомной энергетики при одновременном поощрении экспорта южнокорейских реакторных технологий. Четыре блока с южнокорейскими реакторами строятся в ОАЭ (первый из них уже пущен). Компании из Южной Кореи планируют принять участие и побороться за победу в тендере, который может быть объявлен в Чехии на строительство нового блока на АЭС «Дукованы».

Александр Уваров, главный редактор независимого издания AtomInfo.Ru