Развитие малых атомных станций: задачи и перспективы

Введение

Мир вступил в технологическое переформатирование мировых энергетических сегментов в экономике. Так, развитие водородной энергетики приведёт к новому технологическому укладу в промышленности, в экономике в целом, и даже изменит качество жизни.

В последние годы решение задач ядерной энергетики привело к быстрому развитию технологий малых реакторов и модульных электростанций. Так в МАГАТЭ запущены и активно осуществляются пять проектов, связанных с этой тематикой [1], только в 2021 г. уже опубликовано несколько исследовательских отчётов по перспективам развития мирового рынка малых реакторов. [2,3] Указано, что ключевыми проблемами таких технологий являются необходимость создания систем транспортировки малых реакторов и топлива для них, исключение физических рисков, и обеспечение кибербезопасности для удаленного и полуавтономного применения. Китай уже приступил к строительству первого в мире наземного малого модульного реактора мощностью 125 МВт, предназначенного для выработки электроэнергии, городского отопления и охлаждения, промышленного производства пара и опреснения морской воды . Правительство Великобритании объявило о финансировании Rolls-­Royce для строительства малых модульных реакторов в нескольких городах .
Назначение малых реакторов принципиально отличается от традиционных технологий АЭС большой мощности. Вместо работы в общей сети и обеспечения базисной части графика нагрузки, реакторы небольшой мощности должны обеспечивать все (или большинство) потребностей непосредственных потребителей энергетических услуг локальных или изолированных электроэнергетических систем ., Например, работать в условиях резких и глубоких изменений нагрузки, обеспечивать потребителей тепловой энергией и инновационным энергоносителем – водородом. Последний, будучи «электронным топливом» при его производстве методом электролиза воды, позволяет не только обеспечить бытовых и транспортных потребителей энергетических услуг, но и существенно повысить экономическую эффективность атомной генерации. В долгосрочной перспективе малые атомные станции смогут внести весомый вклад в декарбонизацию энергетики, придя на смену выбывающим атомным реакторам крупной единичной мощности.

В России современные тренды низкоуглеродной энергетики находят своевременное отражение в актах государственного управления – от концептуальных документов до конкретных поручений «Росатому». Госкорпорации предписано скорейшее развитие атомных станций малой/средней мощности (АС М/СМ). В силу сложившейся в последнее десятилетие практики разработки, направление малой атомной энергетики не получает системного развития, которое требуется, из-за сложности и комплексности задач создания новой подотрасли.

Важнейшей составляющей программы создания инновационной подотрасли, объединяющей атомную энергетику и промышленность России на основе отечественных технологий АСМ/СМ является формирование профессионального кадрового потенциала. Поддержание высокого профессионального и морального уровня специалистов, владеющих специфическими знаниями, обладающих необходимыми компетенциями в проектировании, строительстве и эксплуатации объектов по технологиям АСМ/СМ и способностями работать в экстремальных климатических условиях, являются обязательным условием для повышения безопасности эксплуатации таких объектов. [4, 5, 6]
В случае реализации предлагаемой программы, в первую очередь для широкого спектра применений в регионах и акватории Арктики, такие присущие этим технологиям качества, как надёжность и низкие эксплуатационные затраты за весь срок службы, диверсификация товарной продукции, рентабельность, позволят обеспечить:
— высокие показатели энергетической, физической и экологической безопасности, в том числе за счёт непрерывного поддержания надёжности человеческого фактора;
— создание условий для формирования надёжного энергоснабжения потребителей, в том числе
атомно-­энерготехнологических кластеров, улучшения качества жизни и занятости населения, приемлемого уровня окупаемости инвестиций;
— геостратегическое преимущество России.

Области применения малых атомных станций

В 2020–2030 гг. российский бизнес заплатит более 11 трлн руб. за различные программы развития энергетики и перекрестное субсидирование , из которых почти половину нерыночных надбавок к стоимости электроэнергии составит плата за строительство новых мощностей (по договорам предоставления мощности). Рост цены электроэнергии приведёт к сдерживанию экономического развития и снижению качества жизни населения, а энергоёмкая промышленность будет ещё более заинтересована в собственных источниках энергоснабжения.

Генерация на значительной части территории России в настоящее время представляет собой изолированные электроэнергетические системы, которые обеспечиваются привозным топливом. Существующая структура потребления топлива и его логистика снижают эффективность развития данных территорий вследствие высоких затрат на «северный завоз» и логистические риски. Развитие Арктической зоны России (АЗР) сдерживается из-за отсутствия надёжных автономных энергетических источников средней и малой мощности. Они должны быть независимы от подвоза топлива, не связаны с длительным циклом строительства, обеспечивать энергопотребление промышленности, зданий и транспорта, избегать встраивания в стареющую сетевую инфраструктуру, и отвечать жёстким требованиям природоохранного законодательства, включая имплементацию Парижского соглашения.

Особый синергетический эффект вызовет интеграция малых атомных станций в инфраструктуру Северного морского пути, территорий Арктики от Кольского полуострова до Камчатского полуострова, ряда депрессивных территорий страны. По данным НИЦ «Курчатовский институт», выявленная на сегодня в России потенциальная потребность перспективных площадок для АС М/СМ составляет 20 ГВт [7].

Так, например, для энергоснабжения Баимского ГОК (с учётом резервов мощности) потребуется от российской стороны до 350 МВт новой генерации. На основе предложенных двух схем ПАТЭС («Росатом») утвержден атомный проект, использующий 100 % российских технологий, с большим сроком эксплуатации . Еще одним плюсом проекта является низкая стоимость топлива. Стоимость топливной составляющей для угольных и газовых станций в этом регионе достигает 70–80 %, в то время как для АЭС она не превышает 3 % ., Еще одним примером использования малых АЭС является замена морально устаревших объектов генерации в посёлке Усть-­Куйга Усть-­Янского района Республики Саха (Якутии). Это позволит в разы снизить тариф на электроэнергию для населения и горнорудной промышленности района .

Рассматривая перспективу развития Арктической зоны с учётом факторов недропользования, охраны природной среды, развития производственных мощностей, наличия образовательных научно-­производственных комплексов, предлагается следующий порядок интеграции малых атомных станций в автономные изолированные атомные энерготехнологические кластеры (АЭТК) Российской Федерации (таблица 1).

Применение технологий АС М/СМ для расширения ресурсной базы углеводородного сырья позволит обеспечить освоение трудноизвлекаемых и недоступных ресурсов, экономить 15 % газа, используемого на собственные нужды газопроводов, и 30 % – на производство СПГ, повысить экологичность и глубину переработки углеводородного сырья.

Пилотные интегрированные проекты представляют собой технологические кластеры под одной крышей с гарантированной пожизненной занятостью населения. Они ориентированы на получение пресной воды, водорода или синтетического топлива, энергоснабжения производств строительных материалов, индустриальных агро- и мореферм в районах с неблагоприятными для сельского хозяйства климатическими условиями, комплексов длительного хранения продуктов, переработки мусора и других применений радиационных технологий.

Безопасность

Россия до сих пор сохраняет приоритет в области малогабаритных атомных энергоустановок, которые проверены практикой эксплуатации более чем 7000 реакторо-лет, с интегральной безопасностью в 1000 раз выше, чем для реакторов большой мощности , с модульно-­агрегатной компоновкой с высоким качеством заводского исполнения.

Для отдаленных депрессивных территорий Арктики сформировалась необходимость перехода к новой модели регионального развития, основанной на локальных энергетических системах. Источниками энергии в условиях требований устойчивого развития могут выступать солнечная, ветровая или атомная генерация. В сложных природных и географических условиях производство энергии на базе ВИЭ не в состоянии удовлетворить потребности в тепле, пресной воде, моторном топливе и электрической энергии по техническим, экономическим, экологическим и сезонно-­климатическим требованиям. Предполагается, что технологии АС М/СМ позволят обеспечить надежность, устойчивость и качество энергоснабжения на северных и арктических территориях [11]. Авторами выполнены оценки рисков и вызовов, связанных с различными аспектами эксплуатации объектов атомной энергетики (таблица 2). Они указывают на явные преимущества атомных станций малой мощности по сравнению с АЭС на основе реакторных установок большой мощности.

Кадровый ресурс

Если уровень ответственности, компетентности и организованности персонала не будет расти в пропорциях, соответствующих новым технологиям на всех стадиях жизненного цикла технологий атомных станций малой и средней мощности и объектов АЭТК, можно быть уверенным, что никакие расходы на технику не окупятся. Поддержание высоких показателей безопасности на всех стадиях жизненного цикла объектов программы и нивелирование интегрального риска «слабого звена» – человеческого фактора энергообъекта – позволит создание центра обучения и подготовки персонала. Будучи совмещённым с центрами информационно-­аналитической и технической поддержки (ЦИАТП) развития и эксплуатации стационарных и мобильных объектов программы подотрасли малых атомных станций, обеспечит надёжность человеческого фактора [13].

Набору персонала должны предшествовать: оценка кадровой потребности, анализ деятельности персонала, определение квалификационных требований, разработка профессиональных стандартов. Для решения этих задач необходимо создать центры обучения и повышения квалификации персонала для всей линейки мощности АС М/СМ и персонала новых (двой­ных) технологий атомных энерготехнологических кластеров (АЭТК) в едином комплексе ЦИАТП эксплуатации АС М/СМ, внутренний кризисный центр с центром перспективных исследований и обеспечение безопасности Арктики и южных морей (ЦИОБА и ЮМ)[14], и центр обработки данных (ЦОД) с информационной системой управления проектом (ИСУП)[6].

Методическая база по обоснованию проектов атомных станций малой мощности

При обосновании проектов применения технологий АС М/СМ необходимо использовать признанный инструментарий. Для переговорных процессов по обеспечению баланса интересов всех участников инвестиционного процесса – государства, энергетического и связанного с ним промышленного бизнеса, инвесторов и арктических локальных рынков труда требуются обоснованные количественные значения оценок финансовой и экономической эффективности. [15]
Авторами предлагается выполнять комплексные исследования для подтверждения количественными показателями всех качественных оценок, которые указывают на системные экономические преимущества модульных малых атомных станций и атомных энерготехнологических кластеров на их основе (таблица 4).

Востребована комплексная, системная оценка проектов энергогенерирующих технологий на основе полного жизненного цикла объекта, вплоть до его вывода из эксплуатации. При определении оптимальной структуры энергосистемы и выборе типа генерации применяется оценка нормированной стоимости электроэнергии LCOE (levelized cost of electriсity). Этот показатель указывает на такую долгосрочную стоимость генерации кВт·ч, которая обеспечивает инвестору безубыточность его инвестиций. Оценки тарифов на энергоносители по методике LCOE с учётом полного жизненного цикла должны использоваться и для инвестиционного анализа ДЭС, ВЭС, СЭС [16].

На территориях с децентрализованным энергоснабжением и дальнепривозным топливом необходимо дополнительно сравнивать технологии энергоснабжения по следующим технико-­экономическим параметрам: КИУМ, расход и цена топлива, капитальные и эксплуатационные затраты, затраты на резервирование, расход энергии на собственные нужды, потери в сетях, затраты на строительство и эксплуатацию инфраструктуры транспортировки энергоносителей.

При оценке на основе сравнительных расчётов с альтернативными технологиями генерации – ДЭС, ВЭС, и СЭС, преимущества малых атомных станций, как правило, недооцениваются. На рис. 1 указан пример такого расчёта для энергоснабжения потребителей в зависимости от степени сложности природно-­климатических и логистических условий.

Важное направление исследований состоит в подтверждении (на основе системных методов) выводов о повышении эффективности инвестиций и снижении суммарных капитальных затрат (при аналогичном уровне базовой мощности) вследствие влияния факторов серийности, модульности, качества модульной сборки оборудования в заводских условиях, и снижения сроков строительства энергетических объектов по технологиям АС М/СМ на площадке (рис. 2).

Модульные АЭС малой и средней мощности допустимо размещать непосредственно в центрах энергопотребления, что исключает потребность во внешних линиях электропередач и их обслуживании в сложных климатических и рельефных условиях. Существенное снижение затрат на сетевую инфраструктуру позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность технологий малых атомных станций. При этом расширяются возможности применения «страхования мощностью», что позволяет получить дополнительные преимущества данной технологии.

При всем этом не должно осуществляться прямое лоббирование установок по технологиям атомных станций малой мощности. Без всесторонней экспертизы и сравнительных анализов, учёта требований потребителя, ограничения инновационных разработок требованиями «референтности решений», существующие институты принятия решений в атомной отрасли приведут к стагнации перспективных разработок.

Новые институты и механизмы для обеспечения выполнения программы АС М/СМ

Предлагается обеспечить методологически единый процесс создания новой подотрасли ядерной энергетики и промышленности, единого оперативного управления, на основе формирования инвестиционной, производственной, исследовательской и кадровой компонент.

Полагаем, что интегрированной частью развития программы АС М/СМ в рамках государственно-­частного партнёрства должны стать частные инвестиции в точечные малые атомные генерирующие мощности и связанную с ними инфраструктуру энерготехнологических кластеров и транспорта. Такой механизм приобретает особое значение в связи с необходимостью решения задач развития в России водородных технологий и их дальнейшей коммерциализации. На территории РФ для проектов атомных станций малой мощности предлагается применение новой финансовой схемы инвестирования – договор совместной деятельности расширенного реинвестиционного лизинга. Такая финансовая схема обеспечивает техническим кредитом на строительство АС М/СМ в счет будущей поставки электроэнергии, тепла и водородного топлива на длительный период по гарантированным тарифам предприятиям промышленности и всей инфраструктуре ТОР, особой экономической зоны промышленно-­производственного типа (ОЭЗ ППТ). При этом потребуется создать институт привлечения крупных операторов и управляющих компаний в энергетической, горнорудной, транспортной сферах к заказам на гибридные системы локального энергоснабжения на основе модульных АС М/СМ.

Геополитика

Арктика становится ареной мировой конкуренции за транспортные потоки и природные ресурсы глобального значения. Эти ресурсы  представляют весомый повод для некоторых стран поучаствовать в их «справедливом» перераспределении. Малые атомные станции позволяют иметь резервные мощности на случай мобилизации путём оперативного переключения между режимами диверсификации и мобилизации, что требует единой координирующей площадки. Разработка и реализация проектов АЭТК, в том числе в Российской Арктике, станет существенным фактором в поддержании геополитических позиций России, в том числе и для попавших под финансовые и технологические санкции российских компаний и компаний-­недропользователей.

Геостратегическая роль АС М/СМ значительна: укрепление фактора ядерного сдерживания; гарантия территориальной целостности, регионального преимущества; обустройство системообразующих транспортных систем, в том числе транзитных и кроссполярных морских и авиамаршрутов; обеспечение интегральной безопасности с длительной надежностью; обеспечение живучести, качества энергоносителей и устойчивости гибридных энергетических систем (включая ВИЭ); создание нового экспортного рынка – предоставление энергетических услуг; создание собственной технологической зоны атомно-­водородной энергетики  и гибридных энергосистем.

Заключение

Создание единой координирующей структуры для подотрасли атомной энергетики и промышленности – атомных станций малой/средней мощности (программа АС М/СМ) – позволит решить множество технических, экономических, социальных и политических задач и обеспечить решение задачи масштабного внедрения безуглеродных технологий.

Особое внимание уделено вопросам подготовки персонала, призванного обеспечить выполнение программы, в основе которой лежат отечественные инновационные технологические решения. Предложен новый механизм финансирования для обеспечения строительства объектов программы в директивные сроки указов президента РФ, программных документов Правительства РФ и привлечения частных инвестиций в перспективные технологии.

Работа выполнена при поддержке гранта НИЦ «Курчатовский институт» (№ 2220 от 23.10.2020 г.), и в рамках Государственного задания программы фундаментальных исследований Российской Федерации на период 2021-2025 годов (Тема № FWEU-2021-0004, Регистра

Виктор СЕМЕНОВ
Воронежский государственный
университет, преподаватель кафедры «АЭС», технический эксперт МСВАЭП
e-mail: semenov.v.p@yandex.ru

Татьяна ЩЕПЕТИНА
Начальник лаборатории «Перспективные концепции» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», к. т. н.

e-mail: schepetina_td@nrcki.ru

Сергей ПОПОВ
Старший научный сотрудник отдела комплексных и региональных проблем энергетики Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения РАН, к. т. н.

e-mail: popovsp@isem.irk.ru