Малките модулни реактори (SMR) могат да се превърнат в инструмент за истински ядрен ренесанс и възраждане на ядрената енергетика.
Те, според скептиците, може да се окажат и поредният рекламен трик на големи корпорации, какъвто беше ториевият цикъл.
Нека футуролозите и анализаторите спорят за перспективите на SMR, а ние ще се съсредоточим върху един конкретен проблем.
Ако почти всички съвременни големи реактори се основават на PWR технология и понякога дори на BWR, то проектите за малки реактори използват различни технологични решения, които се различават предимно по вида на топлоносителя (охлаждащата течност).
Нека видим какви са топлоносителите, как се различават един от друг и коя охлаждаща течност трябва да бъде избрана за SMR.
Какви са изискванията към топлоносителите за ядрени реактори?
Основната задача на топлоносителя е да отведе от активната зона топлината, отделена в резултат на реакцията на делене на ядреното гориво.
Следователно топлоносителите трябва да имат добри топлофизични свойства, за да осигурят добро топлоотдаване и висок топлинен капацитет (топлоемкост).
Охлаждащите течности трябва да влияят възможно най-малко на баланса на неутроните в реактора, така че те трябва да имат малко или относително малко сечение на захващане на неутрони.
От гледна точка на конструкцията на реактора охлаждащите течности трябва да бъдат „невидими“. Нищо не трябва да им се случва в ядрото и те не трябва да оказват негативно влияние върху структурните елементи на ядрото. Това означава, че охлаждащите течности трябва да бъдат термично и радиационно устойчиви и също така трябва да са съвместими с конструктивните материали.
И накрая, разходите на енергия за изпомпване на охлаждащата течност през активната зона и нейната цена трябва да бъдат в разумни граници.
Приемливото ниво на разумност се определя от разработчиците и потребителите.
Какви топлоносители могат да бъдат избрани за съвременните SMR проекти?
Комисията за ядрено регулиране на САЩ разделя SMR проектите на такива, които използват и не използват лека вода (било то под налягане, или кипяща) като топлоносител.
За да бъдем съвсем точни, американските регулатори класифицират само проекти за лека вода като SMR, а наричат проектите с други топлоносители Advanced Reactors или усъвършенствани реактори, тъй като някои от проектите, разработени в САЩ, може официално да надхвърлят лимита от 300 MW (e), установен от МААЕ за мощност на малки реактори.
За удобство на читателите в статията ще наричаме всички тези проекти SMR.
Единственият проект SMR, сертифициран в САЩ, е проектът SMR NuScale с топлоносител лека вода (по-точно, проектът ще бъде сертифициран на 21 февруари 2023 г.).
Проектите за лека вода SMR-160 (Holtec) и BWRX-300 (General Electric) също кандидатстват за сертифициране.
Първият използва вода под налягане. Вторият представлява 10-то поколение реактори с кипяща вода, буквата „X“ в името му е римската цифра „десет“, а не английска буква.
SMR проекти с други топлоносители в САЩ се предлагат от няколко компании наведнъж.
TerraPower разработва проекта Natrium с натриев охладител и реактора MCFR с течно солев топлоносител, X-Energy има проект за реактор Xe-100 с газов топлоносител.
Има и по-екзотични проекти, като реактора Aurora с охлаждане за сметка на топлинни тръби (heat pipes) от компанията Oklo или малкия реактор на Westinghouse с течено-оловен топлоносител.
Нито един от SMR проектите без воден топлоносител в момента не е сертифициран в САЩ и няма да бъде сертифициран поне през следващите няколко години.
Освен това настоящата регулаторна рамка за ядрената енергетика в повечето страни не е адаптирана към регулиране на реактори с охладител, различен от лека или тежка вода.
Какви са недостатъците и предимствата на различните топлоносители?
Леката вода има добри топлофизични свойства. За него с дългогодишен опит са подбрани и тествани структурни материали с висока устойчивост на корозия.
Водата е често срещана в природата, цената й е ниска. Водата е прозрачна, което улеснява контрола върху състоянието на горивото и вътрешнореакторните конструкции. За водата е натрупан най-голям оперативен опит в ядрената енергетика.
От друга страна, при нормални условия водата има ниска точка на кипене и бързо нарастващо налягане на парите с повишаване на температурата, така че в реакторите, базирани на PWR технология, е необходимо да се създаде високо налягане, което е за сметка на безопасността.
Водата съдържа водород, който може да бъде освободен в резултат на радиолиза или пароциркониева реакция на водата обвивките на топлотделящите елементи, така че трябва да се вземат мерки за осигуряване на водородна безопасност в реакторите с лека вода. Водата е ефективен забавител, така че е практически невъзможно да се проектира бърз реактор с топлоносител – лека вода.
Газовите топлоносители (най-често хелий) в активната зона могат да се нагряват до много високи стойности от 600-700 градуса по Целзий и дори по-високи, което може значително да увеличи ефективността на реакторния модул като цяло. Газовете слабо се активират, докато хелият изобщо не се активира и не причинява корозия на конструктивните материали.
Основният недостатък на газовите топлоносители са техните лоши топлофизични свойства в сравнение с водата.
Поради това разработчиците трябва да увеличат налягането в активната зона, за да увеличат плътността на газа, както и да осигурят високи скорости на потока на топлоносителя, което води до увеличаване на потреблението на енергия за собствени нужди. Освен това хелият е скъп в сравнение с водата и дава протечки.
Натрият има добри топлофизични свойства и ниско налягане на парите при висока температура, което позволява на реакторите с натриево охлаждане да постигнат високи температури на изхода при относително ниско налягане в сравнение с реакторите с лека вода. На натрий работят всички бързи реактори, работещи днес в света.
В същото време натрият е химически агресивен и бурно взаимодейства с вода, което е предпоставка за пожари; следователно конструкцията на парогенераторите в натриевите реактори е обект на повишени изисквания за устойчивост на корозия на топлообменните агрегати. Също така, за изпомпване на натрий, трябва да се разработят свои собствени помпи и всичко това значително оскъпява проекта за реактора като цяло.
Течно-солевите топлоносители са сред най-обещаващите, но и най-необичайните за ядрената енергетика. Всъщност това не е топлоносител, а течна смес от охлаждаща течност и гориво.
Основното им предимство е, че плутоний и дори някои фрагменти от деленето на радиоактивния материал да бъдат извлечени от такава смес директно по време на работата на реактора. С други думи, реакторите с разтопена сол няма да генерират ОЯГ (отработено ядрено гориво).
Основният недостатък е липсата на данни за взаимодействието на разтопените соли и конструктивните материали под въздействието на радиация.
Опитът в работата с топлоносител – разтопена сол в света е минимален и е концентриран главно в САЩ.
И така, какъв топлоносител трябва да се избере за SMR?
Всъщност няма идеален охладител за ядрени реактори (както големи, така и малки). Може би някой ден през 22 или 23 век ще успеят да го конструират в научни лаборатории, но в нашия век трябва да работим с това, с което разполагаме.
Следователно, при избор на топлоносител за SMR проекти, на преден план излизат съображенията за това колко добре е усвоен един или друг тип охлаждаща течност в ядрената енергетика.
Както беше посочено, повечето опит в АЕЦ е с лека вода като топлоносител, което означава, че първите построени SMR почти сигурно ще използват тази технология за отвеждане на топлината от активната зона.
Други охлаждащи течности ще се използват първоначално само в демонстрационни установки, които ще се появят не по-рано от 2030 г. или дори по-късно.
И тук има един проблем, чието решение трябва да се търси днес. Сега само Китай може да си позволи да изгради много демонстрационни установки с различни охлаждащи течности (топлоносители), за да избере най-добрата.
За други страни идеалният вариант е да установят сътрудничество и да вземат всяка от участващите страни по един или два обещаващи SMR проекта, да ги изградят и да споделят натрупания опит с други страни.
