Экономическая жизнеспособность реакторов быстрого разведения в 21 веке

Экономическая жизнеспособность реакторов быстрого разведения в 21 веке

Реакторы быстрого разведения (FBR) представляют собой класс технологии ядерного деления, которая предлагает теоретическую возможность генерировать больше расщепляющегося материала, чем он потребляет. Часто описываемые как вершина эффективности топливного цикла, FBR были изучены, прототипированы и развернуты в нескольких странах за последние шесть десятилетий. Главный вопрос остается: могут ли FBR стать экономически жизнеспособными в коммерческом масштабе в 21-м веке или сохранятся ли постоянные затраты и эксплуатационные препятствия, которые заставят их отойти к демонстрационным проектам?

С прогнозируемым ростом мирового спроса на электроэнергию почти на 50% к 2050 году и срочностью декарбонизации производства электроэнергии ядерная энергия, и особенно технология селекционеров, вновь всплыла в качестве темы серьезных политических дебатов. Однако экономика FBR сложна, переплетается с затратами на топливный цикл, инфраструктурой переработки, требованиями безопасности и конкуренцией со стороны возобновляемых источников энергии и природного газа. В этой статье рассматривается полная экономическая картина реакторов с быстрым селекционированием, взвешивая интенсивность капитала, эксплуатационные реалии, топливную эффективность и сокращение отходов на фоне энергетических рынков 21-го века.

Как быстро работают реакторы и почему они важны

В отличие от обычных реакторов на легкой воде (LWR), которые используют медленные (термальные) нейтроны для поддержания деления, FBR работают с быстрыми нейтронами и обычно используют топливо смешанного оксида (MOX), состоящее из плутония и урана. Ключевое преимущество: по мере работы реактора он может преобразовывать нерасщепляющийся уран-238 в расщепляющийся плутоний-239 со скоростью, превышающей потребление плутония-239 в процессе деления. Это соотношение «размножения» - больше 1,0 - позволяет реактору производить чистое новое топливо при производстве электроэнергии.

Теоретически, FBR могут извлекать из урана примерно в 70 раз больше энергии, чем LWR, превращая то, что в настоящее время считается отходами, в ценный ресурс. Это значительно продлевает срок службы известных запасов урана - примерно от 100 лет при нынешних темпах использования до тысяч лет, если широко используется технология селекционера. Кроме того, FBR могут сжигать долгоживущие трансурановые изотопы, присутствующие в отработанном LWR-топливе, тем самым уменьшая объем и токсичность ядерных отходов, требующих геологической утилизации. Эти атрибуты сделали FBR долгосрочной стратегической целью для стран, стремящихся к энергетической независимости и устойчивому поставке топлива, включая Индию, Россию, Китай и Японию.

Физика размножения

Спектр быстрых нейтронов минимизирует захват нейтронов продуктами деления и максимизирует вероятность превращения U-238 в Pu-239. Ядро реактора компактно, без модератора (воды или графита), и охлаждается материалом, который не замедляет нейтроны - обычно жидким натрием, свинцом или эвтектикой свинца-вспышки. Высокотемпературный охлаждающий агент низкого давления обеспечивает высокую тепловую эффективность и пассивную безопасность, но вводит такие материальные проблемы, как коррозия и потребность в инертных покрывающих газах. Соотношение размножения должно поддерживаться выше 1,0 для достижения чистого прироста топлива; на практике отношения 1,1 к 1,2 считаются хорошими, в то время как передовые конструкции нацелены на более высокие значения.

Экономические проблемы, с которыми сталкиваются реакторы быстрого разведения

Несмотря на свои неоспоримые преимущества топливного цикла, ФБР изо всех сил пытались достичь экономической конкурентоспособности.Причины многогранны и обусловлены высокими капитальными затратами, сложностью эксплуатации, ограниченным коммерческим опытом и жесткой конкуренцией со стороны более дешевых альтернатив.

Чрезвычайно высокие капитальные затраты

FBR по своей сути более сложны, чем LWR. Они требуют: (1) реакторный сосуд, способный обрабатывать высокотемпературную жидкостную металлическую охлаждающую жидкость, (2) натриевую петлю (или свинцовую петлю) с промежуточными теплообменниками, (3) парогенераторы, которые должны противостоять реакциям натрия-воды, (4) передовые приборы и управление для быстрого нейтронного спектра и (5) установка по производству и переработке топлива для закрытия топливного цикла. Эти требования толкают затраты на строительство в одночасье до 7000-12000 долларов за киловатт для первых в своем роде коммерческих FBR, по сравнению с 5000-7000 долларов США / кВт для передовых LWR и 1000-2000 долларов США / кВт для газовых турбин комбинированного цикла. Один 600 МВт коммерческий FBR может стоить 7-10 миллиардов долларов США авансом, до финансирования сборов.

Эксплуатационные и эксплуатационные расходы

FBR должны работать при относительно высоких температурах (500-550 ° C для конструкций с натриевым охлаждением), чтобы достичь адекватных коэффициентов размножения. Это приводит к тому, что материал ползучести, коррозии и тепловым напряжениям циклирования. Охладитель натрия бурно реагирует с водой и воздухом, требуя строгой защиты и инертных газовых систем покрытия. Заправка является более сложной и трудоемкой, часто требуя вращающейся пробки и удаленной обработки под инертной атмосферой. Переработка топлива - для отделения плутония и других трансурановых веществ от отработанного топлива - добавляет значительный центр затрат. Закрытый топливный цикл с переработкой увеличивает уравновешенную стоимость электроэнергии (LCOE) примерно на 10-30% по сравнению с открытым (однократным) циклом.

Ограниченный коммерческий опыт и риск масштабирования

Лишь несколько ФБР достигли полной мощности. Основные примеры включают:

• Российский BN-600 (560 МВт, с натриевым охлаждением, работает с 1980 года) — самый длинный непрерывно работающий коммерческий FBR в мире. Его преемник, BN-800 (880 МВт), вышел в 2016 году.
• FLT:0 Франция Phénix (250 МВт, действовала в 1973–2009 гг.) и Superphénix (1200 МВт, действовала в 1985–1998 гг.) – Superphénix был закрыт из-за технических проблем и политического давления.
• Индийский FBTR (40 МВт, исследовательский реактор) и PFBR (500 МВт, введен в эксплуатацию с 2004 года).
• Японский Monju (280 МВт, работал непрерывно с 1994 по 2010 год, закрылся навсегда в 2016 году).
• EBR-II США (62,5 МВт, эксплуатировался в 1964-1994 годах в Национальной лаборатории Айдахо).

Ни один из них не был построен на чисто коммерческом, конкурентном рынке без крупных государственных субсидий. В результате поставщики и коммунальные предприятия сталкиваются с отсутствием стандартизированных проектов, ограниченных цепочек поставок и рабочей силы с опытом, характерным для ФБР. Финансирование таких крупных, недоказанных проектов несет высокие премии за риск, что еще больше повышает требуемую стоимость капитала.

Конкуренция со стороны низкоуглеродных альтернатив

В 21-м веке в энергетическом ландшафте преобладают быстро падающие затраты на солнечную и ветровую энергию в сочетании с аккумуляторными батареями. Уравненные затраты на солнечную фотоэлектрическую энергию упали на 90% с 2010 года, в то время как наземный ветер сейчас ниже $0,03 / кВтч во многих регионах. Природный газ с низкими ценами на сланцевую добычу остается гибким резервным копированием. Ожидается, что даже передовые ядерные концепции, включая небольшие модульные реакторы (SMR) и реакторы на расплавленной соли, будут иметь более низкие первоначальные потребности в капитале, чем крупные FBR. На этом фоне FBR с LCOE в размере $100-150 / МВтч (по сравнению с $30-$60 / МВтч для возобновляемых источников энергии) трудно продавать для операторов сетей, если он не предоставляет уникально ценные услуги, такие как мощность 24/7 с нулевым выбросом углерода.

Потенциальные экономические преимущества быстрых реакторов

Сторонники технологии FBR утверждают, что экономическая картина резко меняется при рассмотрении полной стоимости топливного цикла и долгосрочных стратегических выгод. Некоторые из этих преимуществ поддаются количественной оценке; другие являются более спекулятивными, но важны для энергетической безопасности и устойчивости.

Драматическая экспансия урановых ресурсов

При коэффициентах размножения выше 1,0 каждый килограмм природного урана, используемого в FBR, может в конечном итоге дать в 60-100 раз больше энергии, чем тот же килограмм в LWR. Это означает, что даже при сегодняшних известных запасах урана - около 6 миллионов тонн при 130 долларах США за кг или менее - ресурсная база эффективно расширяется до эквивалента сотен лет глобального спроса на электроэнергию. Для стран, не имеющих внутренних запасов урана, это снижает геополитическую уязвимость и долгосрочную неопределенность стоимости топлива. В то время как стоимость урана в настоящее время низкая (~ 40-50 долларов США / кг), будущий кризис предложения или всплеск спроса может значительно увеличить затраты на сырье. FBRs обеспечивают страховой полис против такой волатильности.

Сокращение отходов и избежание расходов на репозитарии

Отработанное топливо LWR содержит смесь продуктов деления и трансурановых изотопов (плутоний, америций, кюриум), которые остаются радиоактивными в течение десятков тысяч лет. В замкнутом топливном цикле с использованием FBR эти трансурановые вещества могут сжигаться в качестве топлива, превращая их в продукты деления с более коротким сроком службы. В результате объем отходов высокого уровня сокращается на 70-90%, а время распада радиоактивности до уровня природного урана падает с ~ 300 000 лет до ~ 300 лет. В то время как геологические хранилища, такие как Юкка Маунтин (США) или Онкало (Финляндия), стоят десятки миллиардов долларов для строительства и обслуживания, сокращение срока службы и опасности отходов может избежать значительных будущих обязательств. Некоторые аналитики оценивают, что закрытие топливного цикла может снизить общие затраты на управление отходами на 15-30% в течение векового периода времени.

Три пути к улучшению экономики

Несколько стратегий проектирования и оперативной деятельности могут повысить экономическую жизнеспособность ФБР:

• Более высокие коэффициенты размножения (выше 1,3) позволяют быстрее удвоить поставки топлива, уменьшая потребность в свежем уране или плутонии. Передовые металлические топлива или металлические сплавные ядра могут достигать более высоких уровней выгорания и более эффективного разведения.
• Пассивные системы безопасности снижают потребность в активных системах безопасности и дорогостоящем избыточном количестве. FBR с натриевым охлаждением могут иметь сильные отрицательные коэффициенты пустоты и присущие им механизмы отключения в условиях потери потока.
• Сопоставление местоположения переработки и производства топлива минимизирует транспортировку плутониевых материалов и снижает затраты на безопасность. Закрытый топливный цикл на одном участке (например, концепция интегрированного быстрого реактора в США) может снизить предельные затраты на топливо на 20-40% по сравнению с централизованной переработкой.

Международный опыт и извлеченные уроки

Россия: практический лидер

Россия эксплуатирует единственные в мире ФБР коммерческого масштаба — БН-600 и БН-800. Оба являются частью Белоярской АЭС на Урале. БН-600 достиг коэффициента полезной мощности около 75%, что является конкурентоспособным с западными ЛВР. Стратегия России явно интегрирует ФБР в замкнутый топливный цикл, используя МОХ-топливо, изготовленное из переработанного плутония. Правительство субсидирует более высокую капитальную стоимость этих реакторов в рамках своего долгосрочного плана энергетической безопасности. Россия сейчас разрабатывает реактор с свинцовым охлаждением БРЕСТ-1200 и планирует расширить свой флот ФБР. ЛКОЭ БН-800 оценивается в $50-70/МВтч, но это исключает полную стоимость инфраструктуры переработки, большая часть которой была построена в советскую эпоху.

Индия: стратегический императив

Трехступенчатая ядерная программа Индии явно разработана вокруг FBR в качестве второй стадии, после реакторов на тяжелой воде под давлением урана (PHWR) и предшествующих реакторов на основе тория. Ожидается, что реактор на быстром разведении прототипа 500 МВт (PFBR) в Калпаккаме, строящийся с 2004 года, начнет работу в середине 2020-х годов. Индия имеет ограниченные внутренние запасы урана, но обладает обильным торием. Используя FBR для преобразования тория в U-233, страна стремится достичь долгосрочной энергетической самодостаточности. PFBR полностью финансируется правительством, с предполагаемой стоимостью ~ 1,5-2 млрд.

Франция и Япония: амбициозные программы сокращаются

Французский Superphénix (1200 МВт) был крупнейшим FBR, когда-либо построенным. Он страдал от утечек натрия, электрических сбоев и высоких эксплуатационных расходов, и был закрыт в 1998 году после всего лишь 13 лет эксплуатации - далеко не срок его проектирования. Общие инвестиции превысили 10 миллиардов евро (в франках 1990-х годов), что сделало его одним из самых дорогих ядерных проектов. Этот сбой был вызван сочетанием технических проблем, плохого управления и политической оппозиции. Японский реактор Monju столкнулся с аналогичными трудностями: утечка натрия в 1995 году вызвала четырехлетнюю остановку, за которой последовали расширенные судебные разбирательства и нормативные баталии. Он работал всего около 250 дней в общей сложности, прежде чем быть выведен из эксплуатации в 2016 году по цене, превышающей 100 миллиардов иен (900 миллионов долларов США). Урок из этих случаев заключается в том, что экономическая жизнеспособность не может быть отделена от эксплуатационной надежности и общественного признания.

Обсуждение политики развертывания FBR

Учитывая высокие капитальные затраты и длительные сроки эксплуатации, ни одна частная компания не сможет построить коммерческий ФБР без существенной государственной поддержки. Экономическая жизнеспособность ФБР в 21 веке будет зависеть от политических рычагов, которые ценят их уникальные атрибуты - безопасность топлива, сокращение отходов и низкоуглеродистую базовую мощность.

Ценообразование на углерод и стандарты чистой энергии

Если социальная стоимость углерода интернализуется через систему налога на выбросы углерода или ограничения торговли, ядерная энергия (включая FBR) становится более конкурентоспособной. Цена на 50–100 долларов за тонну CO2 добавит к стоимости природного газа 0,03–0,06 долларов за кВт-ч, что потенциально сделает FBR конкурентоспособными по стоимости с базовой нагрузкой, работающей на газ. Аналогичным образом, стандарты чистой электроэнергии, требующие 100% безуглеродной генерации к 2050 году, создают рынок для диспетчерских ресурсов с нулевым выбросом углерода, которые дополняют переменные возобновляемые источники энергии. FBR могут обеспечить базовую нагрузку 24/7 без выбросов CO2, в отличие от газа или угля.

Государственные гарантии займов и поддержка строительства

Программа гарантирования кредитов Министерства энергетики США, наряду с программой в Великобритании, Канаде и Южной Корее, может снизить стоимость долга для первых в своем роде ядерных проектов. Для FBR такие гарантии будут иметь важное значение для привлечения частных инвестиций. Аналогичным образом, разделение затрат на сертификацию проектирования и лицензирование регулирующих органов, которое может превысить 500 миллионов долларов для нового типа реактора, снизит барьеры.

Инвестиции в замкнутый топливный цикл

Ключевым экономическим барьером является отсутствие коммерческой инфраструктуры переработки в большинстве стран. Строительство завода по переработке, способного обрабатывать отработанное топливо FBR, стоит несколько миллиардов долларов. Национальная политика, которая рассматривает отработанное топливо как ресурс, а не отходы - и этот фонд исследований по переработке, демонстрационных и, в конечном итоге, коммерческих заводов - непосредственно улучшит экономику FBR. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) ] продвигает совместные программы для развития FBR, включая Международный проект по инновационным ядерным реакторам и топливным циклам (INPRO).

Международное сотрудничество по стандартизированным проектам

Ни одна страна не несет полную стоимость разработки FBR в одиночку. Международные консорциумы, созданные по проекту синтеза ИТЭР, могли бы совместно разработать и лицензировать стандартизированный средний FBR (300-600 МВт). Такой реактор мог бы быть построен в нескольких странах, получая выгоду от кривых обучения производства. Международный форум поколения IV одобрил быстрые реакторы с свинцовым охлаждением (LFR) и быстрые реакторы с натриевым охлаждением (SFR) как две из шести своих технологий-кандидатов, предлагая основу для совместных исследований и разработок.

Дорожная карта экономической жизнеспособности: ключевые моменты

Хотя сегодня ФБР не являются экономически конкурентоспособными, существует реалистичный путь к достижению жизнеспособности к середине века.

1. Продемонстрировать надежную долгосрочную работу FBR с коэффициентом пропускной способности выше 85%, сродни современным LWR. Российский BN-600 уже показал, что это возможно, но необходимы дополнительные примеры.
2. Снижение капитальных затрат на 30-50% за счет упрощения проектирования, модульного строительства, изучения эффектов от строительства нескольких блоков и конкуренции между поставщиками.
3. Создать коммерческий замкнутый топливный цикл с по меньшей мере одним крупномасштабным предприятием по переработке, которое поставляет топливо для нескольких FBR. Это позволило бы амортизировать расходы на топливо по всему флоту.
4. Интегрируйте с производством водорода или промышленным теплом для улучшения факторов нагрузки и потоков доходов. FBR могут обеспечить высокотемпературное тепло (500-600°C) для электролиза водорода или производства синтетического топлива, добавляя источник дохода от неэлектричества.
5. Разработать новый вариант безопасности для быстрых реакторов , который подчеркивает неотъемлемые функции безопасности, такие как пассивное удаление тепла при распаде и обратная связь с отрицательной реактивностью, чтобы упростить лицензирование и снизить нормативные расходы.