1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 4, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 4, стр. 5-20

Атомные станции малой мощности: технический уровень и перспективы коммерциализации (обзор)

В. О. Киндра a, *, И. А. Максимов a, И. И. Комаров a, С. К. Осипов a, О. В. Злывко a

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

* E-mail: kindra.vladimir@yandex.ru

Поступила в редакцию 06.09.2023
После доработки 03.11.2023
Принята к публикации 29.11.2023

Аннотация

Активное освоение Арктики и Северного морского пути определяет важность опережающего развития систем энергоснабжения удаленных регионов. Ключевым компонентом изолированных энергосистем являются источники энергии малой мощности. Высокая стоимость ископаемого топлива в удаленных регионах наряду с ужесточением экологических норм выводит на первый план задачу внедрения углеродно-нейтральных технологий генерации энергии. Перспективными энергоустановками, производительность которых мало зависит от погодных условий, а эксплуатация не сопряжена с образованием парниковых газов, являются атомные станции малой мощности. В настоящее время в некоторых странах ведутся разработка и внедрение новых типов реакторных установок, электрическая мощность которых не превышает 300 МВт: по данным МАГА-ТЭ существует более 70 различных проектов. Модульность, многофункциональность (помимо электрогенерации, во многих проектах предусмотрено также производство тепловой энергии и водорода), повышенная компактность и меньшие капитальные затраты на строительство по сравнению с традиционными энергоблоками большой мощности обуславливают перспективность создания маломощных реакторных установок. В настоящем обзоре представлен анализ современного состояния проблем проектирования и внедрения таких энергоустановок. Проведена оценка технического уровня отечественных и зарубежных проектов малых модульных реакторов (ММР). Определены перспективные области использования тепловой энергии малых модульных установок с учетом актуальных трендов в энергетике, включая низкоуглеродное и атомно-водородное направления. Изучены возможные схемные решения для производства электроэнергии на базе перспективных циклов, в том числе с применением нетрадиционных рабочих тел. Рассмотрен потенциал коммерциализации проектов атомных станций малой мощности, вопрос успешной бизнес-реализации энергоустановок такого типа остается открытым.

Ключевые слова: атомные станции малой мощности, малые модульные реакторы, автономность, маневренность, тепловые схемы, водородная энергетика, энергоэффективность, низкоуглеродная энергетика

Список литературы

  1. Указ Президента РФ от 26.10.2020 № 645 (ред. от 27.02.2023) “О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года”. [Электрон. ресурс.] http://www.kremlin.ru/acts/bank/ 45972 (Дата обращения: 05.09.2023.)

  2. An overview of small nuclear power plants for clean energy production: comparative analysis of distributed generation technologies and future perspectives / N. Rogalev, A. Rogalev, V. Kindra, O. Zlyvko, S. Osipov // Energies. 2023. V. 16. No. 13. P. 4899. [Multidisciplinary Digital Publishing Institute.]

  3. Перечень инициатив социально-экономического развития Российской Федерации до 2030 года. [Электрон. ресурс.] http://static.government.ru/media/files/jwsYsyJKWGQQAaCSMGrd7q82RQ5xECo3.pdf / (Дата обращения: 05.09.2023.)

  4. Сравнительная эффективность использования атомных станций малой мощности в локальных энергосистемах на востоке России / Н.И. Воропай, Б.Г. Санеев, И.Ю. Иванова, А.К. Ижбулдин // Атомные станции малой мощности: новое направление развития энергетики: сб. Т. 2 / под ред. А.А. Саркисова; ИБРАЭ РАН. М.: Академ-Принт, 2015. С. 59.

  5. Определение основных направлений развития атомных станций малой мощности / С.Л. Соловьев, Д.Г. Зарюгин, С.Г. Калякин, С.Т. Лескин // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2022. № 1. С. 22–34.

  6. Атомные станции малой мощности: новое направление развития энергетики: сб. Т. 2. / под ред. А.А. Саркисова; ИБРАЭ РАН. М.: Академ-Принт, 2015.

  7. Wu Z., Lin D., Zhong D. The design features of the HTR-10 // Nucl. Eng. Des. 2002. V. 218. No. 1. P. 25–32. https://doi.org/10.1016/S0029-5493(02)00182-6

  8. China’s demonstration HTR-PM reaches full power : New Nuclear – World Nuclear News. [Электрон. ресурс.] https://world-nuclear-news.org/Articles/China-s-demonstration-HTR-PM-reaches-full-power (Дата обращения: 05.09.2023.)

  9. China starts construction of demonstration SMR : New Nuclear – World Nuclear News [Электрон. ресурс.] URL: https://world-nuclear-news.org/Articles/China-starts-construction-of-demonstration-SMR (Дата обращения: 01.09.2023.)

  10. Outline of high temperature engineering test reactor. [Электрон. ресурс.] https://www.jaea.go.jp/04/o-arai/ nhc/en/faq httr.html (Дата обращения: 05.09.2023.)

  11. JAEA and MHI commence demonstration program for hydrogen production using a high temperature engineering test reactor. Project for achieving carbon neutrality. [Электрон. ресурс.] https://www.mhi.com/ news/220427.html (Дата обращения: 05.09.2023).

  12. CAREM-25: A safe innovative small nuclear power plant / C.P. Marcel, D.F. Delmastro, M. Schlamp, O. Calzetta. Sociedad Nuclear Española, 2017.

  13. Penn I., Plumer B. Nuclear energy project in idaho is canceled // The New York Times. 8.11.2023.

  14. Ingersoll D.T., Carelli M.D. Handbook of small modular nuclear reactors: 2nd ed. Woodhead Publishing, 2020.

  15. Advances in small modular reactor technology developments: A supplement to IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS). Austria: IAEA, 2022. P. 424.

  16. Pustovalov A.A. Nuclear thermoelectric power units in Russia, USA and European space agency research programs // Proc. of the XVI Intern. Conf. on Thermoelectrics – ICT’97. (Cat. No. 97TH8291). Dresden, Germany, 26–29 Aug. 1997. P. 559–562.

  17. Сухих А.А., Антаненкова И.С., Тхинь Ч.К. Анализ теплотехнических характеристик теплосилового контура АЭС малой мощности на неводных рабочих веществах // Теплоэнергетика. 2022. № 11. С. 16–27. https://doi.org/10.56304/S004036362211008X

  18. Structural and parametric optimization of S-CO2 nuclear power plants / N. Rogalev, A. Rogalev, V. Kindra, I. Komarov, O. Zlyvko // Entropy. 2021. V. 23. No. 8. https://doi.org/10.3390/e23081079

  19. A supercritical CO2 Brayton cycle for advanced reactor applications / V. Dostál, P. Hejzlar, M.J. Driscoll, N. Todreas // Trans. Am. Nucl. Soc. 2001. V. 85. P. 110.

  20. Herranz L.E., Linares J.I., Moratilla B.Y. Power cycle assessment of nuclear high temperature gas-cooled reactors // Appl. Therm. Eng. 2009. V. 29. No. 8–9. P. 1759–1765. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2008.08.006

  21. McDonald C.F. Power conversion system considerations for a high efficiency small modular nuclear gas turbine combined cycle power plant concept (NGTCC) // Appl. Therm. Eng. 2014. V. 73. No. 1. P. 82–103. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.07.011

  22. Kim R.L., Rust J.H., Rardin R.R. Optimization of helium-steam binary cycles for HTGRs // Ann. Nucl. Energy. 1980. V. 7. No 11. P. 611–622. https://doi.org/10.1016/0306-4549(80)90047-X

  23. Perspective of S-CO2 power cycles / J. Xu, C. Liu, E. Sun, J. Xie, M. Li, Y. Yang, J. Liu // Energy. 2019. V. 186. P. 115831. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.161

  24. A concept design of supercritical CO2 cooled SMR operating at isolated microgrid region / S.G. Kim, H. Yu, J. Moon, S. Baik, Y. Kim, Y.H. Jeong, J.I. Lee // Int. J. Energy Res. 2017. V. 41. No. 4. P. 512–525. https://doi.org/10.1002/er.3633

  25. Bustos J., Vergara J.A., Correa F.A. Development of a concept power plant using a small modular reactor coupled with a supercritical CO2 Brayton cycle for sustainable Antarctic stations // Prog. Nucl. Energy. 2021. V. 132. P. 103606. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2020.103606

  26. Chai L., Tassou S.A. A review of printed circuit heat exchangers for helium and supercritical CO2 Brayton cycles // Therm. Sci. Eng. Prog. 2020. V. 18. P. 100543. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100543

  27. Yari M., Mahmoudi S.M.S. A thermodynamic study of waste heat recovery from GT-MHR using organic Rankine cycles // Heat Mass Transfer. 2011. V. 47. No. 2. P. 181–196. https://doi.org/10.1007/s00231-010-0698-z

  28. Off-design behavior investigation of the combined supercritical CO2 and organic Rankine cycle / G. Fan, Y. Du, H. Li, Y.Dai // Energy. 2021. V. 237. P. 121529. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121529

  29. Cogeneration: An option to facilitate load following in small modular reactors / G. Locatelli, A. Fiordaliso, S. Boarin, M.E. Ricotti // Prog. Nucl. Energy. 2017. V. 97. P. 153–161. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2016.12.012

  30. Клименко А.В., Агабабов В.C., Борисова П.Н. Cовместная генерация произведенных энергоносителей (обзор) // Науч.-техн. ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 2. С. 6–29.

  31. An overview of sustainable energy development by using cogeneration technology and opportunity for improving process / A.A. Salehi, M. Ghannadi-Maragheh, M. Torab-Mostaedi, R. Torkaman, M. Asadollahzadeh // Int. J. Energy Res. 2021. V. 45. No. 8. P. 11423–11439. https://doi.org/10.1002/er.5742

  32. Konarek E., Tedford N. Small modular nuclear reactors and the opportunity for the petroleum industry // Proc. of the 23rd World Petroleum Congress. Houston, Texas, Dec. 2021.

  33. Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор – энергоисточник для промышленного производства водорода / Ф.М. Митенков, Н.Г. Кодочигов, А.В. Васяев, В.Ф. Головко, Н.Н. Пономарев-Степной, Н.Е. Кухаркин, А.Я. Столяревский // Атомная энергия. 2004. Т. 97. Вып. 6. С. 432–446.

  34. Load following of Small Modular Reactors (SMR) by cogeneration of hydrogen: A techno-economic analysis / G. Locatelli, S. Boarin, A. Fiordaliso, M.E. Ricotti // Energy. 2018. V. 148. P. 494–505. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.01.041

  35. Аминов Р.З., Байрамов А.Н. Современное состояние и перспективы производства водорода на АЭС // Теплоэнергетика. 2021. № 9. с. 3–13. https://doi.org/10.1134/S0040363621080014

  36. Пономарев-Степной Я.Я., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика // Альтернативная энергетика и экология. 2004. № 3. С. 5–10.

  37. Brauns J., Turek T. Alkaline water electrolysis powered by renewable energy: A review: 2 // Processes. 2020. V. 8. No. 2. P. 248. [Multidisciplinary Digital Publishing Institute.] https://doi.org/10.3390/pr8020248

  38. Nian V., Zhong S. Economic feasibility of flexible energy productions by small modular reactors from the perspective of integrated planning // Prog. Nucl. Energy. 2020. V. 118. P. 103106. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2019.103106

  39. Атомный энерготехнологический комплекс с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами для масштабного экологически чистого производства водорода из воды и природного газа / Н. Пономарев-Степной, С. Алексеев, В. Петрунин, Н. Кодочигов, Л. Кузнецов, С. Фатеев, Г. Кодочигов // Газовая промышленность. 2018. № 11 (777). С. 94–102.

  40. Макарян И.А., Седов И.В. Состояние и перспективы развития мировой водородной энергетики // Рос. хим. журн. 2021. Т. 65. № 2. С. 3–21.

  41. Safari F., Dincer I. A review and comparative evaluation of thermochemical water splitting cycles for hydrogen production // Energy Convers. Manage. 2020. V. 205. P. 112182.

  42. R&D status in thermochemical water-splitting hydrogen production iodine-sulfur process at JAEA / H. Noguchi, H. Takegami, S. Kasahara, N. Tanaka, Y. Kamiji, J. Iwatsuki, H. Aita, S. Kubo // Energy Procedia. 2017. V. 131. P. 113–118. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.459

  43. El-Emam R.S., Ozcan H., Zamfirescu C. Updates on promising thermochemical cycles for clean hydrogen production using nuclear energy // J. Cleaner Prod. 2020. V. 262. P. 121424. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121424

  44. Design summary of the mark-I pebble-bed, fluoride salt-cooled, high-temperature reactor commercial power plant / C. Andreades, A.T. Cisneros, J.K. Choi, A.Y.K. Chong, M. Fratoni, S. Hong, L.R. Huddar, K.D. Huff, J. Kendrick, D.L. Krumwiede, M.R. Laufer, M. Munk, R.O. Scarlat, N. Zweibau // Nucl. Technol. 2016. V. 195. No. 3. P. 223–238. https://doi.org/10.13182/NT16-2

  45. Cisneros A.T. Pebble bed reactors design optimization methods and their application to the pebble bed fluoride salt cooled high temperature reactor (PB-FHR). Berkeley, University of California, 2013.

  46. Касилов В.Ф., Дудолин А.А., Господченков И.В. Эффективность использования парогазовой технологии в энергоблоке АЭС с ядерным реактором СВБР-100 // Теплоэнергетика. 2015. № 5. С. 14. https://doi.org/10.1134/S0040363615050045

  47. Касилов В.Ф., Дудолин А.А., Крашенинников С.М. Разработка тепловой схемы для проекта парогазовой установки теплофикационного типа с ядерным реактором СВБР-100 // Теплоэнергетика. 2017. № 2. С. 20–27. https://doi.org/10.1134/S0040363617020035

  48. Cooper M. Small modular reactors and the future of nuclear power in the United States // Energy Res. Social Sci. 2014. V. 3. P. 161–177. https://doi.org/10.1016/j.erss.2014.07.014

  49. Нигматулин Б.И. Оценка и оптимизация капитальных затрат АЭС // Изв. РАН. Энергетика. 2020. № 2. С. 28–48. https://doi.org/10.31857/S0002331020020089

  50. Abdulla A., Azevedo I.L., Morgan M.G. Expert assessments of the cost of light water small modular reactors // Proc. of the National Academy of Sciences. 2013. V. 110. No. 24. P. 9686–9691. https://doi.org/10.1073/pnas.1300195110

  51. Lloyd C.A., Roulstone T., Lyons R.E. Transport, constructability, and economic advantages of SMR modularization // Prog. Nucl. Energy. 2021. V. 134. P. 103672. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2021.103672

  52. Soderholm K. Challenges of SMR licensing practices // AECL Nucl. Rev. (Online). 2012. V. 1. No. 2. P. 19–31. [Canada.]

  53. Licensing small modular reactors: A state-of-the-art review of the challenges and barriers / R. Sam, T. Sainati, B. Hanson, R. Kay // Prog. Nucl. Energy. 2023. V. 164. P. 104859. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2023.104859

  54. US regulator completes first SMR design certification rulemaking : Regulation & Safety – World Nuclear News. [Электрон. ресурс.] https://world-nuclear-news.org/Articles/US-regulator-completes-first-SMR-design-certificat (Дата обращения: 05.09.2023.)

  55. Аминов Р.З., Шкрет А.Ф., Гариевский М.В. Тепловые и атомные электростанции: конкурентоспособность в новых экономических условиях // Теплоэнергетика. 2017. № 5. С. 5–15. https://doi.org/10.1134/S0040363617050010

  56. Билашенко В.П., Калантаров В.Е., Смоленцев Д.О. Анализ пороговых значений технико-экономических характеристик атомных станций малой мощности // Изв. РАН. Энергетика. 2014. № 3. С. 89–96.

  57. Петрунин В.В. Реакторные установки для атомных станций малой мощности // Вестник РАН. 2021. Т. 91. № 6. С. 528–540.

  58. Выбор приоритетного варианта плавучего энергоблока по анализу технико-экономических показателей / С.М. Брыкалов, А.С. Балыбердин, Д.А. Нырков, Н.В. Шешина, Е.А. Гущина // Арктика: экология и экономика. 2022. Т. 12. № 4. С. 551–558. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2022-4-551-558

  59. Перспективы использования атомных энергетических технологий в Арктике / А.А. Саркисов, Д.О. Смоленцев, С.В. Антипов, В.П. Билашенко, М.Н. Кобринский, П.А. Шведов // Арктика: экология и экономика. 2022. Т. 12. № 3. С. 349–358. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2022-3-349-358

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал