Развитието на ядрените технологии в България в контекста на Зелената сделка на ЕС
Развитието на ядрената енергетика е една от горещо обсъжданите теми в контекста на нисковъглеродното бъдеще на света. Редица страни се конкурират при развитието на ядрените технологии, но също и за привличането на нови проекти на тяхна територия, защото това енергийно направление е доказало своята висока надеждност и икономическа ефективност през годините. Има и противопоставяне на плановете за нови ядрени централи, като това най-ясно може да се види в Европейския съюз, където балансът между нуждата от развитието на ядрената енергетика и нейното отричане намери своето изражение в нова терминология – „Do No Significant Harm“ (без нанасяне на значими щети), която ще бъде прилагана както по отношение на проекти с природен газ, така и по отношение на ядрени и големи хидроенергийни проекти.
Независимо от сложната среда, в която работи отрасълът, ядрената енергетика ще продължи да осигурява базова енергия за икономиките по света, като още дълги години ще се разчита на утвърдените технологии от поколение III. Всички прогнози съдържат оценки със запазване на дела на ядрената енергия в енергийния микс на континентално ниво, като в следващите 30 години това ще се дължи основно на удължаване срока на експлоатация на съществуващите блокове и строителство на нови блокове от това поколение.
Същевременно все повече внимание се обръща на развитието на разнообразните технологии за модулни реактори с малка мощност, защото някои от тези технологии ще поемат щафетата и ще осигурят надеждни енергийни доставки в дългосрочен план.
Какво представляват малките модулни реактори
Малките модулни реактори (ММР) представляват ядрени централи, базирани на енергийни острови с капацитет до 300 МВт електрическа мощност. Често конструкциите им позволяват съвместяване на ядрения реактор и производството на енергиен носител (пара или газ) за задвижване на турбина.
Поради своята компактност те са подходящи за модулна реализация, при което голяма част от компонентите се доставят готови на площадката, а общо ядреното съоръжение може да се развива постепенно, като се добавят нови модули.
През 2020 година МААЕ публикува актуален каталог на проектите от този клас (https://www.iaea.org/newscenter/news/nuclear-power-forthe-future-new-iaea-publication-highlights-statusof-smr-development). Над 70 проекта са на различна фаза на развитие, като три са в процес на изграждане и експлоатация.
Базовите технологии, които са в основата на проектите за ММР, са познати и често са използвани при изследователски и специализирани приложения. Новите научни решения в областта на материалознанието, производствените процеси и автоматиката, позволяват значително подобряване на характеристиките при новите проекти.
Подходи за реализация на проекти за ММР
Независимо от значителния напредък в последните години, ММР остават нови технологични решения, които имат нужда от доказване. Това обстоятелство предпоставя два модела за участие в проекти на настоящия етап:
- Изчакване до лицензиране и предлагане на завършен пазарен продукт, или
- Участие във фазата на разработване на пазарен прототип.
У нас до сега подходът е бил ориентиран към прилагане на доказани инженерни практики и модели в областта на ядрената енергетика. Този подход е свързан с необходимостта още в начален етап на проектно развитие задължителната оценка на безопасността да се извърши на основата на резултатите от проведен анализ на безопасността и допълнителни научни изследвания, анализ на натрупания опит от експлоатация, както и на данните за приложени апробирани технологии, проектни решения и инженерни практики. Това означава, че предлаганите за лицензиране ядрени съоръжения следва да са преминали успешно регулаторен преглед в друга страна, както и да има изградени действащи референтни модели.
Участието във фазата на разработване на пазарен прототип на ядрена технология е съществено предизвикателство, но и съдържа възможности за научно и индустриално развитие. Сред предизвикателствата на първо място следва да се посочи необходимостта от изграждане на компетентност успоредно с развитието на проектната инициатива. При това компетентността е необходима в рамките на:
- организацията на оператора на съоръжението: при подготовката на оперативен и поддържащ персонал и при подготовка на оперативна докумантация;
- поддържащи инженерни организации: при подготовка на водещи инженери и усвояване на нови технологии и софтуерни модели от висок клас;
- научни организации: при усвояване на уникални дисциплини и обучение на технически състав;
- регулаторни органи: при изграждане на капацитет за контрол, инспекция и верифициране на дейности и съоръжения от нов тип.
Формулата за развитие на пилотни проекти се основава на съвместна работа с екипа, носител на специализирано знание и патентни права, местна трансферираща научна или инженерна организация и инвеститор, който впоследствие да управлява експлоатацията на съоръжението.
За съжаление у нас в последните десетилетия опитът с реализация на пилотни проекти в енергийния сектор от страна на държавни дружества е твърде ограничен. Практически държавните дружества нямат бюджет за научно-развойни програми, а разчитат на финансиране от европейски и други програми. Обикновено у нас научно-приложното планиране се основава
на участие в „натура“ – предоставяне на площадка, инфраструктура, участие на собствен персонал и други, но не и на предоставянето на целеви бюджет за изследвания. Допълнително утежняващо обстоятелство е необходимостта от обосноваване на избора на партньор и обосновка на прединвестиционни разходи по конкретен проект.
При това положение е време да се обърнем към по-ефективните форми на управление на рискови проекти, като се насочат усилията към създаване на условия за участие на частни инвеститори, които създават устойчиви вериги на добавена стойност у нас. Един частен инвеститор много по-ефективно би се ориентирал при избора на типа ММР, за който да развива сътрудничество – било то поради налична производствена база и технологични умения, или пък поради необходимост от използване на крайни продукти (електрическа или топлинна енергия).
В този случай възможните позитиви от национално участие в подготвителната проектна фаза могат да се материализират напълно. При такъв подход държавата се ограничава до поддържането на адекватна регулаторна рамка и контрол, както и за осигуряване на научна инфраструктура.
Системна интеграция на ММР
Малката единична мощност определя по- добрата системна интеграция на ММР, както при планиране на плановите спирания за поддръжка и презареждане, така и по отношение на обезпечаването на допълнително резервиране. Компановане на АЕЦ от няколко модула означава, че при авария на някой от тях, не се достига до значително намаляване на общото производство от централата.
Отпадането на по-малка мощност може да се компенсира от оперативните системни резерви и не води до нужда от стартиране на третичен резерв. В редица презентации на ММР се посочва, че те имат възможност да участват на пазара не само като продажба на базова електроенергия, но и на пазарите на вторично и дори на третично регулиране на мрежата. Такава възможност за следване на товара на мрежата е важно във връзка с политиките за бързо интегриране на ВЕИ. Не следва да се забравя обаче, че повечето предлагани за обсъждане типове ММР са все още в начална фаза на разработка и има само отделни промишлени прототипи.
Това означава, че диапазона на изменение на мощността, както и скоростта за изменението й следва да се докажат с оглед на влиянието върху съответното ядрено гориво –някои типове ММР имат отлични динамични характеристики, а при други те са близки до тези на реакторите с висока мощност.
Първоначално концепциите за ММР бяха разработвани за задоволяване на специфични нужди – отдалечени географски локации и затворени комплекси с високи изисквания за сигурност. Разширявайки тази логика могат да бъдат разглеждани и решения за участие на ММР в клъстерен остров, чрез интегриране с ВЕИ и производство на водород. Реализацията на такива решения може да се очаква едва когато специфичните инвестиции за всяка от технологиите, участващи в клъстера, достигнат до достатъчно ниски нива, така че общата инвестиция да води до конкурентни пазарни цени на крайните продукти.
В този смисъл доказването на възможностите за приложение при широка гама от товарови и производствени комбинации тепърва предстои, но е сигурно, че не всички типове ММР могат да имат широк спектър на приложение. Това подчертава важността на обосновката при избора на технологичен тип ММР, когато става дума за сътрудничество при работа по концептуален проект.
Особености на горивния цикъл и управление на радиоактивните отпадъци
Едно от основните опасения, които има обществеността във връзка с конвенционалната ядрена енергетика, е генерирането на радиоактивни отпадъци. При ММР се очаква значително да бъдат редуцирани обемите на радиоактивните отпадъци, отработеното ядрено гориво и обемите, подлежащи на погребване, след извеждане от експлоатация. Това се дължи на по-малката активна зона, но и на подобрените процеси на производство и използване на ядреното гориво.
Работи се активно по проекти на реактори на бързи неутрони, в които като свежо ядрено гориво се използва отработеното ядрено гориво от конвенционалните горивни цикли на топлинни неутрони, но и в този случай има остатъчен радиоактивен материал. Въпреки значителните подобрения, управлението на крайния етап на ядрения жизнен цикъл остава важна задача при планиране на нов ядрен обект. Намалените обеми отпадъци позволяват прилагане на отложени решения за по-дълъг период от време – например съхраняване на отработеното ядрено гориво на площадката на АЕЦ до края на експлоатационния му период. Но в етапа на извеждане от експлоатация на съоръженията, въпросът с погребването на отпадъците изисква ясно решение, което се представя още на етапа на планиране на обекта.
Понастоящем дълбокото геоложко погребване се разглежда като единственото устойчиво решение за управление на средноактивни дългоживеещи и високоактивни отпадъци. Разработваните проекти за геоложко погребване, към които се ориентира и страната ни, се планират и проектират за конкретните характеристики на отработеното ядрено гориво и за опаковките, с които то се погребва.
Наличието на различни характеристики на материалите, като радионуклеиден инвентар, физико-химични и термични характеристики, изисква разработване и обосноваване на специфични технически и организационни решения за геоложкото им погребване. Поради това развитието на конкретен проект за ММР следва да се осъществява като успоредно се работи по съответстващата концепция за погребване на отпадъците от този тип реактори.
Регулаторни въпроси
Изискванията по отношение на проекти за използване на ядрената енергия за производство на електрическа енергия са част от всеобхватна международна рамка от договори и конвенции. Република България представя за обсъждане доклади, по различни аспекти на ядрената безопасност и управлението на радиоактивните отпадъци. Република България е дългогодишен член на МААЕ към ООН, член е на Евратом, а от скоро и на Агенцията за ядрена енергия на Организацията за икономическо сътрудничество и развитие. Изграденият авторитет на страната ни през годините се основава на последователен стремеж за прилагане на добрите практики и взимане на устойчиви решения за развитие.
Регулаторната рамка в областта на ядрената енергия у нас е консервативна и изисква обосноваване на ползите и ограничаване на рисковете, като се започне от най-ранния етап на концептуално предложение. Регулаторно изискване е и това, че използваните проектни решения в еволюционни проекти на ядрена централа трябва да са апробирани в предходни приложения на съществуващи ядрени централи. Където това не е възможно, безопасността се обосновава с използването на резултати от спомагателни изследователски програми или от проучения експлоатационен опит при други съответстващи приложения.
Още на етапа на избор на площадка се извършва проверка на проекта за спазване на изискванията, нормите и правилата за ядрена безопасност и радиационна защита, включително на изискванията по управление на безопасността, както и резултатите от независима проверка (верификация) на анализа на безопасността. Всеки проект следва да демонстрира приложението на концепцията за защита в дълбочина и приложение на степенувания подход. Всяка площадка следва да отговаря на изискванията за физическа защита и да е част от националния план за аварийна защита. В тази връзка следва да се посочи, че някои типове ММР работят със сравнително високо обогатяване на свежото ядрено гориво (до 20%), което поставя високи изисквания за физическа защита, включително при транспортиране.
Регулаторните изисквания в ядрената област у нас са разработени основно за централи с висока мощност и то за такива с реактори с вода под налягане. В общ план изискванията са приложими и за ММР, но се налага внимателен анализ на регулаторната рамка, за всеки отделен технологичен тип и отчитане на неговите особености в целия ядрено-горивен цикъл.
Финансови аспекти
Обсъждането на финансовите аспекти на ММР е твърде затруднено, както поради широката гама от възможни технологични типове, така и поради ограничения брой работещи прототипи, тъй като повечето ММР са все още на изследователска фаза (освен плаващите АЕЦ).
Въпреки това е важно да се откроят основни аспекти, които е необходимо да се отчитат при провеждане на предварителни икономически оценки. Обикновено първите промишлени приложения имат висока капиталова стойност и се приема, че са „зрели“ онези ядрени инсталации, които имат приложение в 5 и повече проекта за АЕЦ, т.е. цената при тях е устойчива и конкурентна.
Въпросът е: кои от всички тези над 70 типа технологии ще успеят да достигнат до пазарна зрялост?
Споменаваните сега бюджети за проекти на ММР показват, че те имат по-висока цена от утвърдените проекти на АЕЦ с висока мощност, отнесена към единица инсталирана мощност. Преимуществата на ММР са в по-ниската инвестиция за реализация на обект (с по-ниска инсталирана мощност) и съответно в по-ниските разходи за финансиране на проекта. Това преимущество на ММР спрямо АЕЦ с висока мощност води до друга среда за пазарна реализация на електрическата енергия, тъй като ММР са принудени да се конкурират с друг клас генериращи мощности с капацитети до 300 MW. Такива все още са въглищните и газовите блокове по света, но и новите офшорни вятърни централи, спрямо които цената на произвежданата електрическа енергия от ММР остава по-висока при сегашните цени на пазара.
За разлика от Европа, където се разчита единствено на пазарните цени за формиране на инвестиционен интерес при планиране на нови ядрени проекти, развитието на технологиите за ММР в страни като Русия, Китай и САЩ се основава на национални политики за интензивно финансиране при създаване на прототипи на реактори от следващо поколение. Все пак в Европа, където високите цени на въглеродни емисии ограничават инвестициите в нови въглищни и газови централи, ММР могат да демонстрират пазарна конкурентоспособност, но това заключение все още е на ниво предварителни оценки.
Вече беше спомената възможността за комбинация на базови мощности в клъстери с други производства. Осмислянето на енергийна технология чрез разширяване на проектното й производствено приложение може да е твърде подвеждащо. За съществуващи производства, които имат ниска капиталова съставляваща в разходите им, осигуряването на висока средногодишна използваемост на мощностите, чрез съвместяване с нетипични приложения, може да е печелившо, особено при ниски оперативни разходи, както е в случая с АЕЦ и ВЕЦ. Следва обаче да се отчита, че за осъществяване на редица нови енергийни приложения, като акумулиране на енергия или производство на водород, са необходими значителни капиталовложения. Последното прави трудно осъществими плановете за нови генериращи мощности с високи капиталови разходи, комбинирани с нетипични приложения, също с високи капиталови разходи.
Често се цитират ценови нива за тон СО2 емисии, над които такива комбинации стават рентабилни (за водород и за офшорни вятърни инсталации се посочват цени от 50 до 90 € за тон СО2 емисии). Изглежда, че се пропуска фактът, че тези емисии се заплащат от производители, които генерират СО2 емисии, а такива производители ще намаляват значително в следващите години. Така, след като изиграят ролята си на спирачка за използването на изкопаеми горива за производство на енергия, влиянието на цената на СО2 емисиите върху пазара на електрическа енергия бързо ще бъде ограничена, а евентуални високи капиталовложения в комбинирани технологии могат да останат далеч над пазарните ценови нива.
При повечето прогнози за развитието на ММР се посочва, че демонстрационни проекти ще се изградят след 2025 година, когато ще може да се правят по-достоверни финансови оценки и сравнения. Що се отнася до серийни производства и комерсиализация, сега се посочва периода след 2030 година.
При липсата на пазарни модели на ММР с ясни ценови и технологични параметри, приложими за целия ядрено-горивен цикъл, понастоящем на дневен ред са възможностите за включване в проектни екипи, разработващи прототипи.
Именно тази алтернатива започна да се обсъжда у нас през тази година. Ясно е, че за страна като България е неефективно да работи по повече от една проектна възможност за ММР. Затова следва да се обърне внимание за необходимостта от задълбочена обосновка за избора на технологична концепция, по която да се работи. Тази обосновка следва да отчита както възможностите на националната инфраструктура, така и пазарните условия в Европа. Важно е също такава инициатива да се обвързва с дългосрочно планиране на икономическото развитие, за да се изведе националният контекст при избора на стратегически партньор за развитие на пилотен проект.