Kleine Reaktoren als Alternative zu modernen Kraftreaktoranlagen

Kleine modulare Reaktoren sind einer der beliebtesten Bereiche für die Entwicklung von Kernenergie und Reaktortechnologien.

Seit 70 Jahren nehmen Kernkraftreaktoren eine starke Position im globalen Gleichgewicht der Stromerzeugung ein. Ihre Leistung stieg von wenigen Megawatt auf fast zwei Gigawatt (obwohl es größere Projekte gab).

Ein modernes Kernkraftwerk ist nicht nur ein Kraftwerk, in dem eine Reaktoranlage und ein Turbogenerator vorhanden sind. Dies ist ein fokussierter Cluster von Werkstätten und Branchen, die dazu dienen, den Betrieb einer solch leistungsstarken Einheit auf dem richtigen Niveau sicherzustellen. Denken Sie darüber nach: In jedem Kernkraftwerk gibt es nicht nur eine große Anzahl von Sicherheitssystemen (die übrigens dem Prinzip der Redundanz unterliegen), sondern auch Systeme zur Gewährleistung und Unterstützung dieser Sicherheitssysteme. Ich schweige über die Anzahl und Vielfalt der Systeme für den normalen Betrieb.

Die Anzahl der Mitarbeiter in solchen Einrichtungen beträgt durchschnittlich etwa 1.000 Personen pro Einheit. Und wenn am KKW-Standort zusätzliche Produktionsanlagen vorhanden sein können, beispielsweise ein RW-Wiederaufbereitungskomplex, ein separates Lager für abgebrannte Brennelemente oder sogar eine Entsalzungsstation, erhöht sich nur die Anzahl der Mitarbeiter.


KKW Bruce (Kanada) - 6.232 MW (e). Das Foto zeigt die Werkstatt zur Herstellung von Schwerwasser.

Es scheint, dass wenn die Station wirtschaftlich ist und eine große Menge Strom erzeugt, was ist der Haken?

Moderne Kernkraftwerke haben als große Industriekomplexe erhebliche Nachteile. Erstens sind dies enorme Kosten für den Bau eines solchen Komplexes. Beispielsweise haben sich die Baukosten für das Kraftwerk Nr. 3 des KKW Olkiluoto von 3 auf 8,5 Milliarden Dollar geändert (es ist zu berücksichtigen, dass bereits einige unterstützende Werkstätten und qualifiziertes Personal in der Station vorhanden sind). Zum Vergleich: Die Kosten des LHC beliefen sich auf 6 Milliarden Dollar.

Der Betrieb und die Wartung solcher Riesen erfordert nicht nur eine Betriebsorganisation, sondern auch einen Vorgesetzten, eine große Anzahl von Instituten und Forschungszentren, um den Betrieb und die Sicherheit zu unterstützen.

In Ländern mit geringem Energieverbrauch werden moderne Kernkraftwerke wirtschaftlich nachteilig sein. Ich denke, die Leser können sich vorstellen, wie hoch die Kosten für die Eigentümer von Kernkraftwerken nach dem Ende ihrer Nutzungsdauer sind, wenn die Anlage die Abfälle aus der Stromerzeugung in Kernkraftwerken zerlegen, recyceln und verpacken muss. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Stilllegung großer Kernkraftwerke in der Regel hinterherhinkt.

Eine andere Realität

Parallel zu großen Kraftwerken wurden Dutzende von Anlagen für militärische Programme entwickelt, beispielsweise U-Boot-Reaktoren (bis zu 190 MW) und Forschungsreaktoren. All dies gab in Zukunft Impulse für die Entwicklung kleiner Reaktoren.

Was ist das? In der IAEO-Definition „klein“ - Reaktoren mit einer elektrischen Leistung von bis zu 300 MW, „mittel“ - bis zu 700 MW. Dennoch wird „SMR“ am häufigsten als Abkürzung für „kleiner modularer Reaktor“ verwendet, der für den Serienbau vorgesehen ist, als Alternative zum komplexen Design der „Atominsel“ mit ihren sperrigen Räumen und Gehäusen.

- kleine modulare Reaktoren - Anlagen, die unter Verwendung integrierter Technologien (Reaktoren mit Pumpen (oder ohne) und Dampferzeuger in einem Gehäuse) entwickelt wurden und in den Anlagen unter Nutzung aller wirtschaftlichen Vorteile der Serienproduktion hergestellt werden sollen. Sie können unabhängig voneinander oder in Form von Modulen in einem größeren Komplex gebaut werden, wobei die Leistung nach Bedarf schrittweise hinzugefügt wird.

Kleine Reaktoren können überall und jederzeit aufgestellt werden.


Das Flexblue-Projekt ist ein Energiemodul unter Wasser.



Russisches militärisches Exotikkonzept.

Die meisten MMPs sind im Vergleich zu großen Reaktoren wartungsarm. Insbesondere deuten die Konstruktionen solcher Reaktoren auf ein längeres Intervall zwischen Brennstoffüberlastungen (von 2 bis 10 Jahren gegenüber 12 bis 24 Monaten bei großen Aggregaten) oder Brennstoffverlegung im Allgemeinen über den gesamten Lebenszyklus hin - hierfür ist eine regelmäßige (einmal alle 10 oder mehr Jahre) erforderlich. Austausch des Kompaktreaktormoduls.

Hauptvorteile:

1. Die geringere spezifische Leistung der Reaktoranlage von vornherein macht sie unter dem Gesichtspunkt der Energieintensität sicherer (geringere Leistung - weniger Restwärmefreisetzung nach dem Abschalten). Aus Sicht des Backends relativ geringe Mengen an angesammeltem radioaktivem Abfall.
2. Leistungseinheiten dieses Typs sind weniger abhängig von der Fähigkeit, große Mengen Kühlwasser in der Nähe aufzunehmen. Sie eignen sich daher hervorragend für Arbeiten in entlegenen Winkeln des Planeten (und nicht nur ), um beispielsweise Energie für den Bergbau zu erzeugen.
3. Das Vorhandensein einer ausreichenden Anzahl passiver Sicherheitssysteme. In guter Weise (theoretisch) lösen diese Systeme das Hauptnotfallproblem - den Verlust des Endwärmeverbrauchers im Falle eines Unfalls. Obwohl Systeme passiv sind, müssen sie auch ständig überwacht und gewartet werden. Es lohnt sich jedoch, die größere Stabilität kleiner Schaltanlagen gegenüber einer typischen Situation zu erkennen - einem vollständigen Verlust der Stromversorgung.
4. Minimierung technisch komplexer Bau- und Installationsarbeiten unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Regionen mit möglichem Standort. Mindestmenge an Service. Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Außendienstmitarbeiter.
5. Die Möglichkeit, die Stilllegung dieser Aggregate erheblich zu vereinfachen.

Kleine Reaktoren mit einer engen Aussicht auf Implementierung (10 - 15 Jahre) gehören zu den folgenden Arten von Gefäßreaktoren: PWR (unter Druck stehendes Wasser unter Druck), schnelle Neutronenreaktoren oder Hochtemperaturreaktoren (hauptsächlich mit einem Gaskühlmittel).


Von links nach rechts: 1 - Westinghouse SMR. 2 - Helium HTMR-100. 3 - schnelles PRISM.

Da sich die meisten MMP-Projekte auf Konzeptebene befinden und in Zukunft erhebliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfordern, werde ich mich auf zwei der relevantesten, vorgefertigten Projekte konzentrieren, um meine Erzählung spezifischer zu gestalten.

1) NuScale (NuScale Power Inc., USA)



Das NuScale Plant-Projekt, früher MASLWR genannt, ist eine Einheit mit einem Druckwasserreaktor bei geringer Leistung - 45 MW (e).

Es wurde gemeinsam vom National Engineering Laboratory in Idaho und der University of Oregon (USA) entwickelt. 2007 wurde NuScale Power Inc. gegründet, um das Projekt zu kommerzialisieren. Das Projekt befindet sich seit 2000 in der Entwicklung. Da es sich um einen modularen Reaktor handelt, werden standardmäßig 12 solcher Module vor Ort installiert.


Reaktorgebäude. Schnittansicht.

Der Kern, die Dampferzeuger und der Druckkompensator befinden sich im selben Behälter, es gibt keine Umwälzpumpen. Der Gehäusedurchmesser beträgt 2,9 Meter und eine Höhe von 17,4 Metern.
Der Wärmeträger, der sich in der aktiven Zone erwärmt, bewegt sich nach oben, gibt Wärme im Dampferzeuger ab und kehrt durch die Absenkkanäle zurück. Natürlicher Kreislauf, ja.

Der Kern besteht aus Brennelementen mit dem schönen Namen NuFuel-HTP2. In der Tat, ähnlich im Design wie Brennelemente für westliche PWR-Einheiten, Design. Die technische Montagespezifikation für NRC finden Sie hier . Sie planen, alle 24 Monate neu zu laden.



Brennelemente des NuScale-Reaktors. Übrigens die Produktion von AREVA.




NuScale Reaktorkernbeladungstabelle.

Das Hauptunterscheidungsmerkmal von ähnlichen Projekten besteht darin, dass das Reaktorgefäß zusätzlich in ein dickwandiges Metallgefäß aus Edelstahl eingebaut wird. Die gesamte Struktur befindet sich im Pool, vollständig in Wasser getaucht. Das Restwärmeableitungssystem besteht aus zwei unabhängigen passiven Systemen.


Systeme der geplanten und Notwärmeabfuhr.

Ende 2016 reichte das Unternehmen bei der US-Aufsichtsbehörde einen Lizenzantrag ein. Dies ist der erste US-amerikanische SMR-Lizenzantrag. Diese Tatsache bedeutet, dass das Projekt zu diesem Zeitpunkt fast abgeschlossen ist und zu einem sehr realen, marktfähigen Produkt werden kann.

2) CAREM-25 (CNEA, Argentinien)

Der Leser hatte wahrscheinlich nicht erwartet, dieses Land zu den Top-MMP-Entwicklern zu zählen, aber Argentinien ist jetzt dem Betrieb eines modularen 25-Megawatt-Demonstrationsreaktors am nächsten.

CAREM-25 ist ein integraler PWR-Typ, dessen Bau 2014 in der Nähe des KKW Atucha begann. Es ist angenehm überraschend, dass dies eine argentinische Technologie ist und 70% der Geräte und Materialien von lokalen Herstellern bezogen werden sollen.

Das Projekt wurde als Energiequelle für die Stromversorgung von Regionen mit geringem Verbrauch entwickelt. Es kann auch für den Betrieb einer Entsalzungsanlage verwendet werden.


Reaktorbehälter und grundlegende Sicherheitssysteme.

Der Kern, die hydraulischen Aktuatoren der Aufsichtsbehörden und zwölf vertikale Dampferzeuger mit geradem Rohr (mit Überhitzung des Dampfes) befinden sich in einem Gehäuse - gemäß allen Kanonen der Modularität. Im ersten Kreislauf - natürliche Zirkulation. Das Reaktorgefäß hat einen Durchmesser von 3,2 Metern und eine Höhe von 11 Metern. Der Kern besteht aus 61 Sechskant (!) Kraftstoffkassetten.



FA Brennstoffreaktor CAREM-25.

CAREM-25 enthält passive und einfache aktive Sicherheitssysteme. Das Projekt sieht vor, dass bei einem schweren Unfall der Kern 36 Stunden lang ohne Bedienereingriff und ohne externe Stromversorgung intakt bleibt. Die erwartete Kernschadensrate (CPAP) beträgt 10E-07 Reaktor / Jahr.

Die Spaltkettenreaktion wird mit zwei unabhängigen Systemen gestoppt - CPS-Stäben und einem Bor-Wasser-Injektionssystem. Unter normalen Betriebsbedingungen wird kein Bor verwendet.

Restenergie wird durch das passive PRHRS-System entfernt. Es arbeitet nach dem Prinzip eines technologischen Kondensators (Isolationskondensator). PRHRS-Kondensatoren befinden sich im Pool oben im Sicherheitsbehälter. Das System sorgt für 36 Stunden Wärmeabfuhr vom Kern.



Prozesskondensator und Poolsystem PRHRS.

Das Projekt bietet auch ein passives Notfallsystem zum Eingießen von Wasser in den EIS-Kern, wenn der Druck im Körper unter den Sollwert von 1,5 MPa fällt. Bei diesem Druck bricht die Sicherheitsmembran und boriertes Wasser wird aus dem EIS-Tank in den Körper gegossen. Auf einfache Weise - die hydraulische Kapazität des ECCS.

Der erste Download ist für 2018 geplant.

Es gibt viele Fragen zu diesem Projekt. Zum Beispiel die Zuverlässigkeit von 12 internen Dampferzeugern, die Möglichkeit der Inspektion und Reparatur.


Und es wird von außen wie das Gebäude des Aggregats aussehen.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass kleine Reaktoren den Motor eines friedlichen Atoms "aufladen" und der Industrie neue Kraft verleihen. Eine geringere Leistung, was eine kürzere Bauzeit bedeutet, wird die Erzeugungskosten senken und der wachsenden Beliebtheit erneuerbarer Energiequellen entgegenwirken.

Ende 2016 wurde ein Konsortium gegründet, um das strategische Ziel der Aufnahme des kommerziellen Betriebs kleiner Reaktoren Mitte der 2020er Jahre umzusetzen. Es umfasst die folgenden Unternehmen: AREVA, Bechtel, BWXT, Dominion, Duke Energy, Energy Northwest, Fluor, Holtec International, NuScale Power, Stromerzeugung in Ontario, PSEG, TVA und Utah Associated Municipal Power Systems. Wie Sie sehen können, gibt es mehrere mächtige Spieler.

Es ist also zu früh, um über eine glänzende Zukunft zu sprechen, aber die positive Dynamik ist immer noch sichtbar.