NuScale Power Corp., которая первой получила одобрение американского регулятора на малый модульный ядерный реактор (ММР), 9 ноября 2023 года сообщила об остановке пилотного проекта. Корпорация осуществляла его для Utah Associated Municipal Power Systems. Планировалось, что к 2029 году построят и запустят шесть ММР мощностью 77 МВт каждый.

«Росатом до конца года ожидает контрактации зарубежных проектов АЭС малой мощности. Об этом рассказал на "Примаковских чтениях" гендиректор Госкорпорации Алексей Лихачев. Он не уточнил, о каких проектах и странах идет речь, но чуть позже напомнил, что компания, в частности, ведет переговоры с Индией о проектах АЭС малой мощности. "Росатом" планирует в 2023 году согласовать с индийским заказчиком техническую конфигурацию АЭС и передать ему пред-ТЭО по малой станции, а также планируется завершить работы по пред-ТЭО малой станции для Мьянмы и Киргизии, сообщалось в отчете "Атомэнергопрома" по итогам 2022 года.» http://www.proatom.ru/index.php

Сразу возникает вопрос: «Не уготована ли новому российскому проекту атомной станции малой мощности (АСММ) судьба пилотного проекта NuScale Power Corp? Что предстоит предпринять, чтобы не наступить на «грабли проекта NuScale Power Corp»?

Справедливости ради надо сказать, что пилотный проект  NuScale Power Corp не единственный. В последнее время активно обсуждались проекты в Румынии, где хотели установить шесть модулей и Польше.  В США NuScale планировала построить 24 ММР мощностью 77 МВт.

Компания NuScale Power Corp. - не единственная американская компания, которая ведет активные работы по созданию малых модульных реакторов (ММР). Так, совместное предприятие General Electric и Hitachi планирует построить к концу 2028 года первый малый модульный реактор BWRX-300 - в Канаде. Westinghouse, в свою очередь, ожидает, что запустит в 2033 году свой малый модульный вариант AP1000 - АР300.

С помощью ММР США планируют остановить экспансию России и Китая на мировом рынке и восстановить свои позиции. «США, Япония и Европа надеются наверстать упущенное с помощью малых модульных реакторов (ММР), считающихся технологией четвертого поколения. ММР относительно небольшие, с мощностью 300 мегаватт или меньше. Они считаются очень безопасными, потому что предназначены для более легкого охлаждения ядерного топлива в случае аварии», - писало японское Nikkei. [1]

Пока Россия имеет сравнительно положительный опыт строительства плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС) "Академик Ломоносов", базирующейся в самом северном городе России - в Певеке на Чукотке ,

Однако оценки показывают, что плавучий энергоблок имеет все преимущества заводского исполнения и его стоимость может быть на порядок ниже стоимости энергоблока, монтируемого на сухой площадке в условиях, далеких от заводских.

Есть два отрицательных примера которые наглядно показывают ошибки еще на этапе выбора единичной мощности энергоблока. В погоне за механистическим масштабированием и гигантоманией это наглядно показала Арева (Framatom) со своим блоком EPR-1650. Стоимость блока Олкилуото-3 на момент подписания контракта 18 декабря 2003 года составляла 3,2 миллиарда евро и выросла к настоящему моменту до 11 млрд. евро. Строительство началось в 2005 году, предполагалось, что энергоблок будет достроен к 2016 году и после двухлетнего тестирования будет полностью введен в эксплуатацию в 2018 году на 9 лет позже запланированного изначально срока. Однако только 16 апреля 2023 года в Финляндии новый 3-й энергоблок АЭС "Олкилуото" начал подачу электроэнергии в плановом режиме. Окончательная сумма проекта, по мнению экспертов, составила порядка 11 млрд евро - почти в три раза больше изначальной. https://www.interfax.ru/world/896226. Итог – 18 лет с начала строительства до ввода в эксплуатацию.

Мало того, и родной энергоблок EPR-1650 на АЭС «Фламанвилль» во Франции повторяет печальную судьбу Олкилуото. «Строительство блока №3 АЭС «Фламанвилль» с реактором EPR мощностью 1650 МВт ведется с 2007 года. Тогда бюджет проекта оценивался в €3,3 млрд. (в ценах 2005 года), ввод в промышленную эксплуатацию планировался на 2013 год. В дальнейшем сроки пуска и стоимость проекта неоднократно корректировались. Ранее, государственная энергокомпания «Electricite de France» (EDF) объявила, что энергоблок №3 АЭС «Фламанвилль» будет пущен в конце 2018 года, а текущая стоимость проекта составляет €10,5 млрд. Затем срок перенесли на 2020 год».

(http://nuclear.ru/news/97387/?sphrase_id=1537135).  По обновлённому графику работа блока начнётся в первом квартале 2024 года, По новым актуальным оценкам, сооружение "Flamanville-3" обойдётся в 13,2 миллиарда евро, или на 500 миллионов евро дороже, чем предполагалось в начале 2022 года.( https://www.atomic-energy.ru/news/2022/12/19/131307)

Итого, с начала строительства с декабря 2007 года пройдет 17 лет.

При таких темпах роста стоимости энергоблока (с €3.3 млрд. до €13.2 млрд.) рост  стоимости электроэнергии проекта NuScale Power Corp с $58 за МВт*час до $89 может показаться детской шалостью. Однако даже такой рост привел к остановке проекта.

Чем хороша малая распределенная энергетика? Малый цикл строительства, высокая готовность производственных модулей, быстрое включение в производственный процесс и возврат заемных средств. [2] Однако, это основное отличие АСММ может сыграть существенную роль только в том случае, если не будет механистического переноса принципов проектирования, строительства, монтажа, эксплуатации и технологии ремонта, принятых для энергоблоков-миллионников. 

Простое масштабирование проекта АСММ, опираясь на проекты блоков-гигантов, может привести к многократному повышению удельной стоимости единицы мощности энергоблока и стоимости вырабатываемого кВт*часа. Для АСММ требуются другие принципы проектирования, строительства и эксплуатации. Часть этих принципов представлена в работах [2], [3], [4],[5], [6]. Вкратце можно перечислить:

• использование малых геометрических размеров в подходах проектирования (интегральность,  системы безопасности на новых принципах, подходы к принципам общих систем безопасности для кластера из нескольких АСММ, взаимозаменяемость систем и т.д.)
• заводское исполнение [2];
• серийность [2];
• модульность [3], [4];
• методы ускоренного крупномодульного монтажа (например, гидромонтаж в системе шлюзов [3], [4])
• отличные от блоков-гигантов принципы проектирования систем безопасности [5];
• глубокая автоматизация АССМ (снижение штатного коэффициента);
• ремонтопригодность методом замены крупных функциональных модулей.

Авторы работы [6] определяют следующие преимущества АСММ за счет масштабного фактора:

«• снижение стоимости и сроков строительства за счёт более высокой степени заводского изготовления, эффекта серийности и сокращения строительных работ на площадке, в том числе благодаря подземному или заглублённому размещению;

• повышенные характеристики безопасности, в том числе естественной, за счёт смещения энергобаланса между объёмным энерговыделением и поверхностным теплоотводом в сторону лучшего охлаждения при уменьшении размеров реактора (эти преимущества важны в случае проектной и запроектной аварии);

• снижение стоимости и сроков строительства за счёт оптимизации систем безопасности благодаря применению интегральной (блочной) компоновки первого контура, возможности полного отвода остаточных энерговыделений непосредственно от корпуса реактора;

• снижение стоимости и сроков строительства за счёт отказа от инфраструктуры обращения со свежим ядерным топливом, отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами на площадке размещения (если определено в проекте) и транспортировки АСММ для осуществления данных операций на заводе-изготовителе;

• концепция поставки потребителю АСММ в “неразборном” виде и транспортировка на завод изготовитель для осуществления операций обращения с топливом позволяет обосновать возможность высвобождения таких установок из-под гарантий МАГАТЭ, лимитирующих обогащение топлива, и в итоге увеличить топливную кампанию и экономическую эффективность;

• возможность более гибкой встраиваемости в существующие энергосистемы и запросы потребителей;

• более короткий срок начала отдачи инвестиций за счёт поэтапного ввода энергомодулей;

• возможность государственно-частного партнёрства за счёт меньшего объёма инвестиций в строительство энергоблока и более быстрого срока отдачи;

• повышение надёжности энергоснабжения за счёт более низкого уровня риска полной остановки многомодульной станции;

• более низкие затраты (в том числе времени) на вывод из эксплуатации под “зелёную лужайку” благодаря возможности вывоза модулей целиком на завод для утилизации;

• возможность расширения рынка мирного применения атомной энергетики путём вовлече

ния в него тех сегментов, где ядерно-энергетические технологии пока не используются (в том числе благодаря возможности размещения в непосредственной близости от потребителя при повышенных характеристиках безопасности)». 

Уменьшить вероятность системных ошибок на этапе проектирования может помочь использование института системного архитектора или как сейчас принято называть архитектора-инженера. Рисунок 1 визуально показывает отличие в знаниях системного архитектора от знаний узкого специалиста-проектанта.

Рис. 1 Схематично показано отличие глубины и широты знаний узкого специалиста и системного архитектора.[7]

По мнению академика Льва Борисовича Окуня [7]: “Хотя процесс специализации и ветвления и необходим для построения обобщенной, единой картины физики, тем не менее, для каждого отдельного научного работника он создает очень серьезные трудности. Дробление фронта науки на все новые направления приводит к тому, что физики различных специальностей, даже если они работают в одном и том же институте, с трудом понимают друг друга. Чем глубже понимание данного предмета, тем точнее и богаче язык, его описывающий. Но чем богаче язык данного научного направления, тем труднее понимать его соседям. Человек, который захотел бы стать полиглотом в физике, рискует тем, что у него не останется ни энергии, ни импульса для собственной научной работы”.

Но объединить работу множества узких специалистов с глубокими знаниями может только архитектор - инженер с широким охватом знаний, пусть и не таких глубоких, как у узких специалистов.

«Системная архитектура – это организация системы, включающая основные компоненты, связи между ними, как они взаимодействуют для удовлетворения системных требований, и принципы их проектирования и развития».
Системная архитектура включает в себя все наиболее важные пропитывающие весь проект стратегические проектные и реализационные решения, изобретения, инженерные компромиссы, допущения и их соответствующие логические обоснования того, как система будет удовлетворять системным требованиям, все основные логические, физические, статические и динамические структуры, альтернативные архитектурные решения, изобретения, компромиссы, допущения и обоснования. Как соотносятся системная архитектура и проектные работы? В таблице 1 перечислены основные отличительные свойства. [8]

Таблица 1. Отличия системной архитектуры от проекта [8]

Принципы модульности представлены в работах [3], [4]. На самом деле, идеальным случаем может быть полное заводское изготовление энергоблока или отдельно ядерного и турбинного островов на заводе в виде поставочных модулей. Возможности гидромонтажа такой конструкции в системе каналов и шлюзов описаны в работе [3]. Сразу надо оговорить, что это не плавучая АЭС. В работе [3] описан способ транспортировки водным путем и гидромонтаж прибрежной АЭС. Ограничителем в этом случае может быть только величина единичной мощности энергоблока. Анализ плюсов и минусов уменьшения единичной мощности энергоблока приведен в статье [2]. На сегодняшний день достигнут заметный прогресс в размерах нефтяных платформ, изготавливаемых на заводах и транспортируемых водным путем до точки назначения. Например, нефтяная платформа «Приразломная» по характеристикам и объемам сравнима с размерами контайнмента ВВЭР-1000.[3]

Для площадок АЭС, расположенных вдали от водных артерий, возможен другой подход по типу «лего», то есть собирать АЭС из модулей, размером со стандартный контейнер для автомобильных и железнодорожных перевозок. Уже сейчас используется заводское изготовление трубных колен сложной конфигурации для уменьшения сварных работ на площадке АЭС. Можно пойти дальше и формировать в размерах стандартного контейнера функциональные модули, основанные на следующих принципах:

• Стандартизация размеров и интерфейсов;
• Принципы безопасности;
• Возможность транспортировки;
• Минимум гидравлических связей между модулями;
• Экономичная компоновка;
• Унификация монтажных связей между модулями;
• Простота монтажа.
• ремонтопригодность как внутри модуля, так и заменой модуля целиком[3] 

Разбиение на  модули основывается на функциональном анализе [9]. На рис. 2 представлена схема декомпозиции системного функционального анализа и его критериев на четыре группы критериев: функциональные, технологические, экономические и антропологические и множество методов анализа: ФФА, ФСА, ЧМИ, FMEA с FTA и т.д.

Рис. 2 Методы системного функционального анализа с соответствующими критериями

В результате анализа должны быть структурированы функции и системы на «единичные жизненно важные» и «второстепенные». Это необходимо для концентрации ресурсов на те области, которые дают максимальный эффект на конечный результат. Именно поэтому функциональный анализ должен выполняться на самых ранних этапах проектирования параллельно со сбором и анализом требований, так как эти процессы пересекаются друг с другом. В результате подобного анализа должны быть выделены отдельно функции основных систем, обеспечивающих систем и систем в операционном окружении  В каждой из этих структур должны быть выявлены функции, играющие первостепенную роль на конечный результат (стоимость, безопасность, конкурентоспособность и т.д.). Процесс функционального анализа неотделим от процесса сбора и анализа требований. Каждому требованию или группе требований должна соответствовать функция основной или обеспечивающей системы или систем в операционном окружении, которая должна удовлетворить это требование. Особенно важно проводить функциональный анализ при создании системной архитектуры объекта, например энергоблока АЭС. Системная архитектура как раз и содержит только те компоненты, которые играют решающую роль в выполнении потребительских запросов (требований) и стоимости объекта. С помощью методов функционального анализа анализируются различные альтернативные цепочки и выбираются оптимальные: по стоимости, по надежности, по работоспособности, по безопасности и т.д., и на базе исследования моделей разрабатываются предложения по совершенствованию объекта (см. рис. 2).[9].

«Одна из задач системного анализа заключается в раскрытии содержания проблем, стоящих перед руководителями, принимающими решения, настолько, чтобы им стали очевидны все основные последствия решений и их можно было бы учитывать в своих действиях. Системный анализ помогает ответственному за принятие решения лицу более строго подойти к оценке возможных вариантов действий и выбрать наилучший из них с учетом дополнительных, неформализуемых факторов и моментов, которые могут быть неизвестны специалистам, готовящим решение. Задачи системного анализа полностью соответствуют задачам системотехники (системной инженерии)» [9].

Заключение

Какие отличия от США могут позволить нам успешно претворить проект АСММ в жизнь?

• Господдержка, но она не дает индульгенцию на ошибки в подходах проектирования, строительства, монтажа и эксплуатации.
• Малая плотность населения на обширных территориях России диктует потребность в АСММ и локальных энергосетях.
• Маховик Росатома набрал солидные обороты по вводу в строй энергоблоков с единичной мощностью свыше 1000 МВт, атомных ледоколов, плавучей АЭС, и этот опыт тоже многого стоит.
• Использование преимуществ АСММ (заводское исполнение, серийность, модульность, прогрессивные методы монтажа, глубокая автоматизация АСММ и т.д.)

Высокая стоимость капитальных затрат, реальная вероятность задержки срока окончания строительства и превышение запланированной стоимости к концу строительства вносят основной вклад по принципу Парето в финансовые риски от АЭС для застройщика, владельца и инвестора.

Используемые в настоящее время методы строительства не позволяют исключить или уменьшить эти риски. Принцип модульности может несколько уменьшить риски при условии изменения философии проектирования модулей и их поставки.  Требуется глубокая переработка проекта на уровне системной архитектуры.

Модульность должна облегчить и удешевить не только процессы строительства и монтажа на стадии создания, но и процессы ТОиР, замены и модернизации на стадии эксплуатации.

Для внедрения принципа модульности и открытой архитектуры необходимо разработать программу стандартизации и унификации, разработать новые стандарты и руководства (инструкции) модульного проектирования с целью постепенного перехода на новые технологии.

Идеальным методом может быть полностью заводское исполнение АЭС с переходом на серийное ее производство с транспортировкой аналогично методу доставки нефтяных платформ и гидромонтажем, описанном в [3].

При применении любых методов строительства, монтажа и эксплуатации целесообразно предварительно все процессы промоделировать в «виртуальной среде» (создание цифровых двойников)[3].

Литература

1.      «Первый проект малой АЭС в США закрыли: разрекламированный по миру ММР не влез в смету», https://eadaily.com/ru/news/2023/11/09/pervyy-proekt-maloy-aes-v-ssha-zakryli-razreklamirovannyy-po-miru-mmr-ne-vlez-v-smetu

2.      Александр Просвирнов, «Гигантомании – нет, нет, нет! Распределенной энергетике – да, да, да!», http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=6461

3.      А. А. Просвирнов, «Модульность как фактор повышения эффективности управления жизненным циклом АЭС», «Club 3D. Инновационное проектирование», выпуск 5.2012, стр. 106

4.      Александр Просвирнов, «О модульности, как новой философии создания АЭС», [17/01/2012], http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3512

5.      Александр Просвирнов,  «Унифицированный подход к разработке системы обеспечения безопасности энергоблоков с водяными реакторами». [24/01/2022], http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9939

6.     С. Л. Соловьев,  Д. Г. Зарюгин,  С.Г. Калякина, «ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ В РОССИИ», ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2023, том 93, № 2, с. 103–111

7.      Александр Просвирнов,  «О роли системного архитектора и широты знаний», «Атомная стратегия», 02/08/2012, http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3942

8.      А. А. Просвирнов, «От технических требований к системной архитектуре энергоблока», "Безопасность ядерных технологий и окружающей среды", 10 декабря 2012,  http://www.atomic-energy.ru/articles/2012/12/10/37655

9.     А.А. Просвирнов, Т.А. Просвирнова, «Системный функциональный анализ как базис концептуального проектирования», «Атомная стратегия», 14/10/2011, http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3334