Малые модульные реакторы и перспективы их использования в добыче полезных ископаемых

Верхозин С.С., редактор журнала "Золотодобыча", отдел маркетинга АО "Иргиредмет", канд. филол. наук

Горнодобывающая промышленность нуждается в новыхспособах энергообеспечения. К их числу можно отнести малые модульные реакторы, которые отлично подходят для рудников, расположенных в удаленных районах и не имеющих доступа к электросети.

ММР и их особенности

Согласно определению Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), малые модульные реакторы (ММР) – это ядерные установки небольшой мощности – до 300 МВт на энергоблок [1]. Они состоят из предварительно изготовленных модулей, которые собирают на специально подготовленной площадке.

Существует множество концепций ММР. Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) большинство из них подразделяет на пять категорий [2]:

• Одномодульные легководные ММР основаны на технологии легководного реактора (ЛВР), подходят для распределенной генерации и способны заменить малые энергоблоки на ископаемом топливе.
• Многомодульные легководные ММР основаны на технологии ЛВР, подходят для распределенной генерации и способны заменить средние энергоблоки, обеспечивающие базовую нагрузку.
• Мобильные/передвижные ММР в настоящее время основаны на технологии ЛВР, предусматривают легкое перемещение с площадки на площадку. В эту категорию входят плавучие атомные энергоблоки.
• ММР IV поколения основаны напродвинутых, отличающихся от ЛВР технологиях, например технологии реактора на расплавах солей.
• Микромодульные реакторы обладают мощностью не более 10 МВт и в большинстве случаев основаны на концепциях, отличающихся от применяемых в ЛВР. Такие реакторы работают в полуавтоматическом режиме и более простые в транспортировке, чем крупные ММР.

Основные преимущества малых модульных реакторов связаны с их конструктивными особенностями [1–5].

Модульное исполнение облегчает проектирование, транспортировку, монтаж и масштабирование, экономит ресурсы, улучшает планирование и сокращает сроки строительства. Заводское изготовление повышает эффективность контроля качества, снижает строительные риски, способствует приобретению опыта и внедрению новых технологий производства.

Относительно небольшие размеры и высокая скорость строительства ММР упрощают поиск финансирования по сравнению с полномасштабной атомной электростанцией (АЭС) и дают возможность использовать маломощные реакторы в странах с небольшим опытом в ядерной энергетике.

ММР подходят для тех регионов, в которых строительство крупных энергетических объектов затруднено или невозможно. Уже сейчас существуют реакторы на плавучих платформах, которые могут перемещаться и использоваться там, где это необходимо. В перспективе маломощные установки будут строить под землей или под водой, что обеспечит дополнительную защиту от естественных или техногенных воздействий.

Малые модульные реакторы относительно безопасны в силу небольшой мощности, низкого рабочего давления и наличия пассивной защиты. Пассивная безопасность позволяет обойтись без человеческого вмешательства или действия внешней силы для отключения систем, так как работает на основе физических явлений. Такой подход существенно снижает или в некоторых случаях устраняет угрозу для экологии и человека.

ММР менее требовательны к топливу и частоте его перегрузки, которая может осуществляться раз в несколько лет, в то время как на обычных АЭС – каждые один-два года. Некоторые установки рассматриваемого типа способны функционировать без перегрузки до 30 лет.

Малые модульные реакторы могут работать без подключения к масштабной энергетической инфраструктуре, то есть в небольших странах, регионах с плохо развитой энергосистемой, на удаленных территориях, в том числе в комбинации с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).

Наконец, ММР производят не только электричество, но и тепло, которое можно использовать в производственных процессах, для обогрева строений и других целей.

Несмотря на свои преимущества, широкого распространения малые модульные реакторы по ряду причин пока не получили. ОЭСР приводит такой список основных проблем, связанных с крупномасштабным развертыванием ММР [4]:

• Большое количество концепций, препятствующее выбору и развитию конкретных технологий.
• Необходимость изменения систем лицензирования и решения сопутствующих правовых вопросов.
• Сложности подтверждения потенциальных преимуществ установок, не имеющих аналогов.
• Необходимость совершенствования цепочек поставок топлива и топливного цикла.
• Общественное восприятие и участие.

Проекты ММР в мире

Мировая потребность в реакторах малой мощности до 2040 года оценивается в 0,5–1,0 тыс. блоков. При этом рынок ММР гражданского назначения уже к 2035 году вырастет до 400 млрд фунтов стерлингов, или 536 млрд долларов [6].

Разработкой ММР занимаются и государственные организации, и частные компании во многих странах мира. В соответствии с данными МАГАТЭ на 2022 год в мире насчитывалось 83 проекта малых модульных реакторов [7]. Больше всего разрабатывалось США – 21, Россией – 17 и Китаем – 10.

Основная часть реакторов находилась на разных стадиях концептуальной проработки или проектирования и всего по три – на этапах строительства или эксплуатации (см. таблицу).

Строящиеся и эксплуатирующиеся ММР на 2022 год

* МВт (эл.) – мегаватт электрической мощности, МВт (тепл.) – мегаватт тепловой мощности.** Integral PWR – интегральный водо-водяной реактор, LMFR – реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением, PWR – водо-водяной реактор, HTGR – высокотемпературный газоохлаждаемый реактор.*** CNEA – Национальная комиссия по атомной энергии Аргентины, CNNC – Китайская национальная ядерная корпорация, NPIC – Китайский институт ядерной энергии, JAEA – Агентство по атомной энергии Японии.

Страны и число реализуемых ими проектов ММР на 2022 год (общее количество не равно 83, так как некоторые проекты – совместные)

ММР для добычи

Декарбонизация является одним из основных вызовов, стоящих перед современной горнодобывающей промышленностью. Предприятия пытаются снизить выбросы разными путями, например проводят электрификацию горнотранспортных операций. Совместно с производителями спецоборудования добытчики разрабатывают и внедряют электрическую горную технику, строят линии троллейной транспортировки. В результате расходы электроэнергии растут, и вопрос снабжения ею рудников становится только острее.

В отношении альтернативного энергообеспечения, не основанного на использовании ископаемого топлива, горнодобывающие компании в первую очередь говорят о возобновляемых источниках энергии. Проектов ВИЭ в отрасли довольно много, но они имеют свои ограничения, связанные с местоположением, погодными условиями, длительностью светового дня и другими факторами. Возобновляемая энергетика не способна в полной мере удовлетворить потребности предприятия.

С другой стороны, многие рудник расположены в удаленных регионах без доступа к электросети. Выбор у таких предприятий небольшой: дизельное топливо или гибридные решения. Малые модульные реакторы вполне могут стать выходом для отрасли, по крайней мере если имеются подходящие для этого условия.

На реалистичность применения малых модульных реакторов для декарбонизации горнодобывающих объектов, не имеющих доступа к электросети, указывает Совет по полезным ископаемым Австралии (MCA). Хотя предпочтительным решением для многих добытчиков, скорее всего, станут гибридные системы генерации, такие мощные и надежные источники энергии, как ММР, способные обеспечивать рудники десятилетиями, могут произвести переворот в отрасли, считают в MCA [8].

Некоторые преимущества маломощных установок по сравнению с дизельным топливом приводит министерство природных ресурсов Канады [9]:

• Экономия на электроэнергиив размере 20–60 %: расчеты сделаны для реактора мощностью 20 МВт и горнодобывающего предприятия среднего размера.
• Возможность попутной генерации электроэнергии и тепла для близлежащих населенных пунктов: дополнительно улучшает экономику и конкурентоспособность предприятия.
• Возможность увеличения производительности энергоемких операций, таких как дробление и измельчение.
• Возможность использования внепиковой мощности в производстве альтернативного топлива для горной техники, например водорода.

Согласно оценке Агентства по ядерной энергии ОЭСР, потенциал рынка ММР для действующих горнодобывающих предприятий в удаленных регионах мира, прежде всего в Австралии, Индонезии, Канаде, России, США, Чили и Африке южнее Сахары, превышает 2 ГВт [10]. Кроме уже существующих рудников, такие решения подходят для применения на новых месторождениях.

Примеры проектов ММР для добычи

Ontario Power Generation и Ultra Safe Nuclear Corporation занимаются совместным проектом демонстрационного ММР на базе лаборатории Чок-Ривер в канадской провинции Онтарио. Предполагаемая сфера использования реактора охватывает различные области, в том числе добычу полезных ископаемых.

Вице-президент Ultra Safe Nuclear Corporation по корпоративному развитию Кен Дарлингтон в 2021 году говорил, что компания изначально старалась адаптировать свои решения под нужды рудников в труднодоступных регионах: "Мы специально ориентируемся на добытчиков и их небольшие требования. Наша цель – создать реакторы мощностью 5–50 МВт, которые подходят для большинства горнодобывающих предприятий, а также средних и крупных населенных пунктов в удаленных регионах" [5].

Еще один проект в Канаде, который в перспективе может найти применение в горнодобывающей промышленности, разрабатывает компания Westinghouse – это микрореактор eVinci мощностью 5 МВт

К 2029 году польская компания KGHM планирует развернуть малые модульные реакторы общей мощностью свыше 400 МВт для энергообеспечения своих предприятий по добыче меди и серебра. В этой работе добытчик сотрудничает с поставщиком решений NuScale и уже получил принципиальное согласие от министерства климата и окружающей среды Польши.

Лидером в развитии ММР для добычи полезных ископаемых, как и во всей мировой атомной энергетике, является Россия. В нашей стране есть целый ряд проектов, ориентированных на горнодобывающие предприятия.

В 2021 году ФГУП "Атомфлот" (входит в Росатом) и ООО "ГДК Баимская" подписали соглашение о поставке электроэнергии для обеспечения освоения золото-медного месторождения Песчанка в Баимской рудной зоне Чукотского автономного округа.

В соответствии с проектом Росатом поставит для снабжения будущего горно-обогатительного комбината четыре модернизированных плавучих энергоблока на базе реакторов "РИТМ-200" мощностью не менее 106 МВт каждый.

На начало 2024 года два из четырех блоков находились на стадии строительства. Они должны быть подключены к сети к 2028 году, третий – год спустя, а резервный четвертый – к 2031 году.

В конце 2023 года на выставке-форуме "Россия" правительство Чукотки и АО "Атомредметзолото" (принадлежит Росатому) договорились о реализации инвестиционного проекта по добыче золота на месторождении Совиное. Он предусматривает не только создание производственного комплекса, но и сооружение атомной электростанции с реакторной установкой "Шельф-М" мощностью 10 МВт, которая будет использоваться для энергоснабжения рудника и прилегающих перспективных участков.

Проект реакторной установки и основного оборудования энергоблока должен быть завершен в 2024 году. Пуск и ввод атомной станции в эксплуатацию намечен на 2030 год.

Модель реакторной установки "Шельф-М" мощностью 10 МВт на выставке "Армия-2024" (Фото: Nickel nitride/Wikimedia Commons, CC0)

В Республике Саха (Якутия) идет подготовка к строительству атомной станции мощностью не менее 35 МВт, которая будет обеспечивать электроэнергией пос. Усть-Куйга и золоторудное месторождение Кучюс, принадлежащее ПАО "Селигдар".

АО "ОКБМ Африкантов" создает для Кучюса специальную, наземную версию реакторной установки "РИТМ- 200" – "РИТМ-200Н". В ней разработчики собираются реализовать особые технические решения, которые, например, увеличат срок службы оборудования с 40 до 60 лет и обеспечат безопасное состояние реакторной установки при полном обесточивании в течение не менее трех суток.

По соглашению, подписанному "Селигдаром" и АО "Русатом Оверсиз" в 2022 году, поставки электроэнергии с атомной станции начнутся 30 июня 2028 года и будут осуществляться в течение 40 лет с возможностью увеличения сроков.

Список использованных источников

1. Лю Дж. Что такое малые модульные реакторы (ММР)? / Лю Дж. [Электронный ресурс] // Международное агентство по атомной энергии : [сайт]. – URL: https://www.iaea.org/ru/newscenter/news/chto-takoe-malye-modulnye-reaktory-mmr.
2. Малые модульные реакторы: проблемы и перспективы / [Электронный ресурс] // Агентство по ядерной энергии ОЭСР : [сайт]. – URL: https://www.rosatom.ru/upload/docs/Small_Modular_Reactors.pdf.
3. Дьяков А. Малые модульные ядерные реакторы: перспективы развития. Мировая экономика и международные отношения, 2023, т. 67, № 6, сс. 47-60. https://doi.org/10.20542/0131-2227-2023-67-6-47-60 EDN: ASOOXD.
4. Малые модульные реакторы: проблемы и перспективы / [Электронный ресурс] // Агентство по ядерной энергии ОЭСР : [сайт]. – URL: https://www.rosatom.ru/upload/docs/Small_Modular_Reactors.pdf.
5. Hiltz R. Big ambitions for small footprints / Hiltz R. [Электронный ресурс] // CIM Magazine : [сайт]. – URL: https://magazine.cim.org/en/technology/big-ambitions-for-small-footprints-en/.
6. Полякова М. Большие перспективы малых реакторов: почему они так популярны / Полякова М. [Электронный ресурс] // Страна Росатом : [сайт]. – URL: https://strana-rosatom.ru/2019/05/02/bolshie-perspektivy-malyh-reaktorov/.
7. 2022 IAEA SMR ARIS Booklet on Advances in Small Modular Reactor Technology Developments / [Электронный ресурс] // International Atomic Energy Agency : [сайт]. – URL: https://nucleus.iaea.org/sites/smr/Shared%20Documents/2022%20IAEA%20SMR%20ARIS%20Booklet.pdf.
8. Heard B. Small modular reactors in the Australian context / Heard B. [Электронный ресурс] // Minerals Council of Australia : [сайт]. – URL: https://minerals.org.au/wp-content/uploads/2022/12/Small-modular-reactors-in-the-Australian-context_Ben-Heard_2022-update.pdf.
9. Small Modular Reactors (SMRs) for Mining / [Электронный ресурс] // Natural Resources Canada : [сайт]. – URL: https://natural-resources.canada.ca/our-natural-resources/energy-sources-distribution/nuclear-energy-uranium/canadas-small-nuclear-reactor-action-plan/small-modular-reactors-smrs-for-mining/22698#q3.
10. Small Modular Reactors (SMRs) for Net Zero / [Электронный ресурс] // OECD Nuclear Energy Agency : [сайт]. – URL: https://www.oecd-nea.org/upload/docs/application/pdf/2023-12/smrs_for_net_zero.pdf.

"ЗОЛОТОДОБЫЧА" № 9 (310), СЕНТЯБРЬ 2024 ГОДА

© АО "Иргиредмет", 2024