Преувеличени ли са перспективите пред малките модулни реактори? Ето пет ключови характеристики, говорещи за проблемите в технологията

Малките модулни реактори (ММР) се представят като следващото поколение ядрени технологии. Докато традиционните инсталации са изправени пред превишаване на разходите и проблеми с безопасността, ММР се разглеждат от техните шампиони като по-евтини, по-безопасни и по-бързи за внедряване. Но Ед Лайман от UCS цитира доказателства, които поставят тези твърдения под съмнение. В пет основни точкина свой материал той изброява причините за това. ММР не са по-икономични от големите реактори. модулните реактори обикновено не са по-безопасни или по-сигурни от традиционните големи леководни реактори. Новите малки реактори няма да намалят проблема с погребването на радиоактивните отпадъци.

Не може да се разчита на ММР за осигуряване на надеждно и устойчиво захранване без достъп до електромрежата (за съоръжения като центрове за данни, копаене на биткойни, производство на водород или нефтохимически продукти).ММР не използват гориво по-ефективно от големите реактори. А когато проблемите могат да бъдат изгладени с времето, цикълът на обучение на такава технология се измерва в десетилетия, през които разходите ще останат много високи. ММР могат да играят роля в нашето енергийно бъдеще, казва Лайман, но само ако са достатъчно безопасни и сигурни, заедно с реалистично разбиране на техните разходи и рискове, смята анализаторът. Самият Ед Лаймън (Edwin Lyman) е ядрен физик и директор по безопасността на ядрената енергия към Съюза на загрижените учени (Union of Concerned Scientists  (UCS). Той специализира в сектори като разпространението на ядрени оръжия, ядрения тероризъм и безопасността на ядрената енергия.

Дори случайните последователи на енергийните и климатичните проблеми вероятно са чували за предполагаемите чудеса на малките модулни ядрени реактори (ММР). Това се дължи в голяма степен на „ядрените братя“ активна и привидно неуморна група защитници на ядрената енергетика, които доминират дискусиите в социалните медии за енергията, като насърчават ММР и други „напреднали“ ядрени технологии като единственото реално решение за климатичната криза . Но както показах в докладите си за 2013 г. и 2021 г., шумът около модулните реактори е доста преувеличен и заключенията ми остават валидни и днес.

За съжаление голяма част от тези щастливи приказки за SMR се коренят в дезинформация, което винаги ме връща към един и същ въпрос: ако ядрените братя имат толкова страхотна история за SMR, защо трябва да преувеличават толкова много?

Какво е малък модулен реактор?

ММР са ядрени реактори, които обаче са „малки“ (дефинирани като 300 мегавата електрическа мощност или по-малко). Те могат да бъдат сглобени до голяма степен в централизирано съоръжение и ще бъдат инсталирани по модулен начин в обекти за производство на електроенергия. Някои предложени ММР са толкова малки (20 мегавата или по-малко), че се наричат ​​„микро“ реактори. Тези реактори се различават от днешните конвенционални ядрени централи, които обикновено са около 1000 мегавата и до голяма степен са изградени по поръчка. Някои ММР дизайни, като при NuScale, са модифицирани версии на работещи реактори с водно охлаждане, докато други са радикално различни дизайни, които използват охлаждащи течности, различни от вода, като течен натрий, хелиев газ или дори разтопени соли.

Към днешна дата обаче теоретичният интерес към малките модулни реактори не се е превърнал в много реални поръчки за реактори. Единственият SMR в процес на изграждане е в Китай. А в Съединените щати само една компания — TerraPower, основана от Бил Гейтс от Microsoft — е подала молба до Комисията за ядрено регулиране (NRC) за разрешение за изграждане на енергиен реактор (но при 345 мегавата технически той дори не е ММР).

Ядрената индустрия възлага своите надежди на ММР технологии главно защото някои скорошни проекти за големи реактори, включително блокове 3 и 4 на АЕЦ Вогълe в щата Джорджия, са отнели много повече време за изграждане и са стрували много повече от първоначално предвиденото. Неуспехът на тези проекти да бъдат реализирани навреме и в рамките на бюджета подкопава аргументите, че модерните атомни електроцентрали могат да преодолеят проблемите, които са измъчвали ядрената индустрия в миналото.

Разработчиците в индустрията и Министерството на енергетиката на САЩ казват, че ММР могат да бъдат по-евтини и по-бързи за изграждане от големите реактори и че тяхната модулна природа улеснява балансирането на предлагането и търсенето на енергия. Те също така твърдят, че реактори с различни размери биха били полезни за редица приложения извън доставката на електрическа енергия в мрежата, включително осигуряване на технологична топлина за промишлени предприятия и захранване на центрове за данни, операции за добив на криптовалута, нефтохимическо производство и дори зареждане на зарядни станции за електромобили.

Ето пет факта за SMR, които част от ядрената индустрия не иска общественоста да знае.

1. ММР не са по-икономични от големите реактори

На теория малките реактори трябва да имат по-ниски капиталови разходи и време за изграждане от големите реактори с подобен дизайн, така че ютилити компаниите (или други потребители) да могат да получат финансиране по-евтино и да ги разположат по-гъвкаво. Но това не означава, че малките реактори ще бъдат по-икономични от големите. Всъщност обратното обикновено е вярно. Това, което има по-голямо значение при сравняване на икономиката на различните източници на енергия, е цената за производство на киловатчас електроенергия и тя зависи от капиталовите разходи за киловат мощност за генериране, както и от разходите за експлоатация, поддръжка, гориво и други фактори.

Според принципа на икономиите от мащаба по-малките реактори като цяло ще произвеждат по-скъпа електроенергия от по-големите. Например, вече отменения проект от NuScale за изграждане на 460-мегаватов, 6-блоков ММР в Айдахо се оценява на над 20 000 долара на киловат, което е по-голямо от действителната цена на проекта за голям реактор Вогъл от над 15 000 долара на киловат . Това намаление на разходите може да бъде компенсирано само чрез радикални промени в начина, по който реакторите са проектирани, построени и експлоатирани.

Например разработчиците на модулни реактори твърдят, че могат да намалят капиталовите разходи за киловат чрез постигане на ефективност чрез масово производство на идентични единици във фабриките. Проучванията обаче установяват, че подобни намаления на разходите обикновено не надвишават около 30%. Освен това ще трябва да бъдат произведени десетки единици, преди производителите да могат да се научат как да направят процесите си по-ефективни и да постигнат тези намаления на капиталовите разходи, което означава, че първите реактори с даден дизайн ще бъдат неизбежно скъпи и ще изискват големи държавни субсидии или субсидии на платеца, за да се изградят. Преодоляването на това препятствие се оказа една от основните пречки пред внедряването на ММР.

Друг начин, по който разработчиците на ММР се опитват да намалят капиталовите разходи, е чрез намаляване или елиминиране на много от характеристиките за безопасност, необходими за работещи реактори, които осигуряват множество слоеве на защита, като здрава, стоманобетонна защитна конструкция, моторно задвижвани аварийни помпи и строго качество стандартите за осигуряване на резервно оборудване за безопасност, като захранващи устройства. Но тези промени досега не са имали голямо влияние върху общите разходи - просто погледнете NuScale.

В допълнение към капиталовите разходи, разходите за експлоатация и поддръжка (operation and maintenance  (O&M) също ще трябва да бъдат значително намалени, за да се подобри конкурентоспособността на ММР. Въпреки това, някои оперативни разходи, като сигурността, необходима за защита срещу терористични атаки, обикновено не биха били чувствителни към размера на реактора. Относителният принос на O&M и разходите за гориво към цената на мегаватчас варира много в зависимост от проектите и детайлите на проекта. Но може да бъде 50% или повече, в зависимост от фактори като лихвените проценти, които влияят върху общите капиталови разходи.

Съображенията за икономии от мащаба вече накараха някои доставчици на SMR, като NuScale и Holtec, да удвоят размерите на модулите в сравнение с първоначалния си дизайн. Микрореакторът Oklo, Inc. Aurora е увеличен от 1,5 MW на 15 MW и дори може да достигне 50 MW. А General Electric-Hitachi BWRX-300 и Westinghouse AP300 започват от горната граница на това, което се счита за ММР.

Като цяло, тези промени може да са достатъчни, за да направят някои SMRs конкурентни по отношение на разходите с големи реактори, но те все още трябва да извървят дълъг път, за да се конкурират с възобновяемите технологии. Изравнената цена на електроенергия за вече отменения проект NuScale беше оценена на около $119 за мегаватчас (без федерални субсидии), докато наземната вятърна енергия и слънчевата енергия сега струват под $40/MWh.

Микрореакторите обаче вероятно ще останат скъпи при всеки реалистичен сценарий, с прогнозирани изравнени разходи за електроенергия два до три пъти по-високи от тези на по-големите ММР.

2. SMR като цяло не са по-безопасни или по-сигурни от големите леководни реактори

Поради техния размер може да си помислите, че малките ядрени реактори представляват по-малък риск за общественото здраве и околната среда от големите реактори. В края на краищата, количеството радиоактивен материал в активната зона и наличен за освобождаване при авария е по-малко. А по-малките реактори произвеждат топлина с по-ниски скорости от големите реактори, което би могло да ги улесни за охлаждане по време на авария, може би дори с пасивни средства - тоест без необходимост от електрически задвижвани помпи за охлаждаща течност или действия от страна на оператора.

Въпреки това, така наречените функции за пасивна безопасност, които привържениците на SMR обичат да цитират, може да не работят винаги, особено по време на екстремни събития като големи земетресения, големи наводнения или горски пожари, които могат да влошат условията на околната среда, при които са предназначени да работят. И в някои случаи пасивните характеристики могат действително да влошат авариите: например прегледът на NRC на дизайна на NuScale разкри, че пасивните аварийни системи могат да изчерпят охлаждащата борна вода, която е необходима за да поддържа реактора безопасно изключен след авария.

Във всеки случай регулаторите разхлабват изискванията за безопасност и сигурност за SMR по начини, които биха могли да анулират всички ползи за безопасност от пасивните функции. Например, през последните години NRC одобри правила и процедури, които предоставят регулаторни пътища за освобождаване на нови реактори, включително SMR, от много от защитните мерки, които изисква за работещи инсталации, като физическа защитна структура, план за аварийна евакуация извън обекта и забранена зона, която отделя завода от гъсто населените райони. Той също така обмисля допълнителни промени, които биха могли да позволят на SMRs да намалят броя на въоръжения охранителен персонал, който да ги защитава от терористични атаки и висококвалифицирани оператори, които да ги управляват. Намаляването на сигурността при SMR е особено обезпокоително, тъй като дори най-безопасните реактори могат ефективно да се превърнат в опасни радиологични оръжия, ако бъдат саботирани от квалифицирани нападатели. Дори механизмите за пасивна безопасност могат да бъдат умишлено деактивирани.

Като се има предвид кумулативното въздействие на всички тези промени, ММР могат да бъдат толкова или дори по-опасни от големите реактори. Например, ако защитна конструкция в голям реактор надеждно предотврати освобождаването на 90% от радиоактивния материал от сърцевината на реактора по време на разтопяване, тогава реактор 5 пъти по-малък без такава защитна структура вероятно би могъл да освободи повече радиоактивен материал в околната среда, въпреки че общото количество материал в ядрото би било по-малко. И ако ММР бяха разположени по-близо до населените райони без извънредно аварийно планиране, повече хора биха могли да бъдат изложени на опасно високи нива на радиация.

Но дори и да може да се покаже, че общият риск за безопасността на малък реактор е по-нисък от този на голям реактор, това пак не означава автоматично, че общият риск за единица електроенергия, която генерира, е по-нисък, тъй като по-малките централи генерират по-малко електроенергия . Ако авария причини 250-мегаватов SMR да изпусне само 25% от радиоактивния материал, който би освободила 1000-мегаватова централа, съотношението риск-полза ще бъде същото. И площадка с четири такива реактора може да има четири пъти по-голям годишен риск от единичен блок или дори по-голям риск, ако авария в един реактор повреди останалите, както се случи по време на аварията във Фукушима Даичи през 2011 г. в Япония.

3. ММР няма да разрешат и казуса какво да се прави с радиоактивните отпадъци

Индустрията прави силно подвеждащи твърдения, че някои SMR ще намалят неразрешимия проблем с управлението на дълготрайни радиоактивни отпадъци чрез генериране на по-малко отпадъци или дори чрез „рециклиране“ на техните собствени отпадъци или тези, генерирани от други реактори.

Първо, необходимо е да се определи какво всъщност означава „по-малко“ отпадъци. По отношение на количеството силно радиоактивни изотопи, които се получават, когато атомните ядра се разпадат и освобождават енергия, малките реактори ще произвеждат точно толкова, колкото големите реактори на единица генерирана топлина. (Реакторите без лека вода, които по-ефективно преобразуват топлината в електричество, отколкото реакторите с лека вода, ще произведат малко по-малки количества продукти на делене на единица генерирана електроенергия - може би 10 до 30% - но това е относително малък ефект в схемата на неща.) И за реакторите с по-плътни горива, обемът и масата на генерираното отработено гориво може да са по-малки, но концентрацията на продукти на делене в отработеното гориво и топлината, генерирана от продуктите на разпадане – фактори, които наистина имат значение за безопасността – ще бъде пропорционално по-голяма.

Следователно субектите, които се надяват да придобият ММР, като центрове за данни, които нямат необходимата инфраструктура за отпадъци, ще трябва безопасно да управляват съхранението на значителни количества отработено ядрено гориво на място в дългосрочен план. Точно както прави всяка друга атомна електроцентрала. Твърденията на доставчици като Westinghouse, че ще си вземат реакторите, след като горивото вече не може да се използва, просто не са достоверни, тъй като няма реалистични перспективи за лицензиране на централизирани обекти, където използваните реактори биха могли да бъдат взети в обозримо бъдеще. Всяка общност с ММР ще трябва да планира да бъде де факто дългосрочно място за погребване на ядрени отпадъци.

4. Не може да се разчита на SMR за осигуряване на надеждно и устойчиво захранване извън мрежата за съоръжения като центрове за данни, копаене на биткойни, производство на водород или нефтохимически продукти.

Въпреки твърденията на разработчиците, е много малко вероятно всеки разумно предвидим ММР дизайн да може да работи безопасно без надежден достъп до електричество от мрежата за захранване на помпи за охлаждаща течност и други жизненоважни системи за безопасност. Точно както днешните ядрени централи, SMR ще бъдат уязвими към екстремни метеорологични явления или други бедствия, които биха могли да причинят загуба на захранване извън обекта и да ги принудят да бъдат затворени. В такива ситуации потребител като оператор на център за данни ще трябва да осигури резервно захранване, вероятно от дизелови генератори, както за центъра за данни, И за реактора. И тъй като на практика няма опит с експлоатацията на ММР в световен мащаб, е много съмнително, че новите проекти, които се представят сега, ще бъдат много надеждни веднага след изваждането от кутията и ще изискват малко наблюдение и поддръжка.

Много вероятно ще са необходими десетилетия експлоатационен опит за всеки нов дизайн на реактор, за да се постигне нивото на надеждност, характерно за работещия парк от леководни реактори. Преждевременното внедряване въз основа на нереалистични очаквания за производителност може да се окаже изключително скъпо за всяка компания, която иска да експериментира с ММР.

5. Модулните реактори не използват гориво по-ефективно от големите им събратя

Някои защитници подвеждащо твърдят, че SMR са по-ефективни от големите, защото използват по-малко гориво. По отношение на количеството генерирана топлина, количеството ураново гориво, което трябва да претърпи ядрен делене, е едно и също, независимо дали реакторът е голям или малък. И въпреки че реакторите, които използват охлаждащи течности, различни от вода, обикновено работят при по-високи температури, което може да увеличи ефективността на преобразуване на топлината в електричество, това не е достатъчно голям ефект, за да надделее над други фактори, които намаляват ефективността на използването на ядрено гориво.

Някои дизайни на ММР изискват вид ураново гориво, наречено „нискообогатен уран с високо ниво на анализ (“high-assay low enriched uranium (HALEU)“, което съдържа по-високи концентрации на изотопа уран-235 в сравнение с конвенционалното гориво за леководни реактори. Въпреки че това намалява общата маса на горивото, от което се нуждае реакторът, това не означава, че използва по-малко уран, нито води до по-малко отпадъци от  минни и смилащи дейности. Дори всъщност обратното е по-вероятно да е вярно.

Една от причините за това е, че производството на HALEU изисква относително голямо количество естествен уран, който да бъде подаден в процеса на обогатяване, което увеличава концентрацията на уран-235. Например, реакторът TerraPower Natrium, който ще използва HALEU, обогатен до около 19% уран-235, ще изисква 2,5 до 3 пъти повече естествен уран, за да произведе киловатчас електроенергия, отколкото реактор с лека вода. По-малките реактори, като 15-мегаватовия Oklo Aurora, са още по-неефективни. Подобряването на ефективността на тези реактори може да се случи само със значителен напредък в ефективността на горивото, което може да отнеме десетилетия на развитие.

Реакторите, които използват уран неефективно, имат непропорционално въздействие върху околната среда от замърсяващите дейности по добив и обработка на уран. Те също така са по-малко ефективни при смекчаване на въглеродните емисии, тъй като добивът и смилането на уран са сравнително интензивни въглеродни дейности в сравнение с други части от цикъла на урановото гориво.

ММР могат да играят роля в нашето енергийно бъдеще, но само ако са достатъчно безопасни и сигурни. За да се случи това, от съществено значение е да имате реалистично разбиране за техните разходи и рискове. Като рисуват твърде розова картина на тези технологии с често подвеждаща информация, ядрените братя отвличат вниманието от необходимостта да се изправят срещу многото предизвикателства, които трябва да бъдат разрешени, за да превърнат ММР в реалност – и в крайна сметка правят лоша услуга на своята кауза.

Едуин Лиман за Energypost