Nrc подбирает новые нелегкие реакторы для воды

Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) отвечает за надзор за лицензированием всех коммерческих ядерных реакторов в Соединенных Штатах, включая следующее поколение передовых нелегких водных реакторов (NLWR). Поскольку энергетическая промышленность смотрит на инновационные ядерные технологии, которые обещают повышение эффективности, повышение безопасности и более широкое применение, NRC адаптирует свою нормативную базу для оценки этих новых конструкций. Эта статья предоставляет всеобъемлющий обзор подхода NRC к лицензированию передовых NLWR, охватывающий историю регулирования, области технического обзора, пути лицензирования, проблемы и перспективы в будущем.

Понимание современных нелегких водных реакторов

Передовые нелегкие водные реакторы представляют собой отход от обычных конструкций реакторов на легкой воде (LWR), которые доминировали в коммерческой ядерной энергетике в течение десятилетий. В то время как LWR используют обычную воду в качестве охлаждающей жидкости и модератора, NLWR используют альтернативные охлаждающие жидкости, такие как расплавленные соли, жидкие металлы (натий, свинец) или газы (гелий). Эти реакторы могут работать при более высоких температурах и давлениях, предлагая потенциальный выигрыш в тепловой эффективности, использовании топлива и даже в технологических приложениях тепла за пределами производства электроэнергии.

В Соединенных Штатах активно разрабатываются несколько концепций НЛВР:

• Реакторы расплавленной соли (MSR): Используйте расплавленные фторидные или хлоридные соли в качестве охлаждающей жидкости, часто с топливом, растворенным в соли.
• Быстродействующие реакторы с натриевым охлаждением (SFR): Используйте жидкий натрий в качестве охлаждающей жидкости и работайте с быстрыми нейтронами, что позволяет рециркулировать актиниды.
• Высокотемпературные газоохлажденные реакторы (HTGR): Используйте гелиевую охлаждающую жидкость и графитовую модерацию; может достигать температуры выхода выше 750 °C.
• Быстродействующие реакторы с охлаждением свинцом (LFR): Используйте расплавленный свинец или эвтектику свинцового висмута в качестве охлаждающей жидкости.
• Микрореакторы: Малые заводские агрегаты часто используют тепловые трубы или газовое охлаждение, предназначенные для удаленной или распределенной мощности.

Каждая из этих технологий вносит уникальные характеристики безопасности, проблемы с материалами и операционное поведение, которые выходят за рамки базы опыта существующего парка LWR. Поэтому NRC должен разработать и применить новые методы обзора, критерии принятия и нормативные руководства, адаптированные к этим передовым концепциям.

Регуляторная основа NRC для NLWR

Лицензионная основа NRC для коммерческих атомных электростанций в первую очередь кодифицирована в разделе 10 Кодекса федеральных правил (10 CFR). Исторически лицензирование LWR следовало либо двухэтапному процессу (разрешение на строительство и эксплуатационную лицензию в соответствии с 10 CFR Часть 50), либо комбинированному процессу лицензии (COL) в соответствии с 10 CFR Часть 52. Для продвинутых NLWR NRC работал над тем, чтобы эти существующие правила обеспечивали гибкую, основанную на риске основу, которая может вместить новые проекты при сохранении строгих стандартов безопасности.

10 CFR Часть 50 против Части 52

В соответствии с частью 50 СМО 10 заявитель сначала получает разрешение на строительство (СР) после демонстрации того, что предлагаемая площадка и конструкция являются безопасными. После строительства лицензия на эксплуатацию (OL) предоставляется, если установка отвечает всем требованиям безопасности. Этот двухэтапный подход использовался для большинства действующих реакторов США. Однако часть 52 ввела альтернативный путь:

• Разрешение на раннее использование (ESP): Позволяет заявителю получить одобрение NRC на использование объекта перед выбором конкретной конструкции реактора.
• Сертификация конструкции (DC): Стандартная конструкция реактора может быть сертифицирована как отвечающая требованиям NRC; на эту сертификацию затем могут ссылаться несколько заявителей на COL.
• Комбинированная лицензия (COL): Объединяет обзоры разрешения на строительство и эксплуатационных лицензий; заявитель должен продемонстрировать, что будут выполнены определенные проверки, испытания, анализы и критерии принятия (ITAAC).

Для усовершенствованных NLWR NRC поощряет ранние и частые взаимодействия перед применением для выявления пробелов в нормативных актах и разработки планов обзора, ориентированных на конкретные проекты. Многие разработчики проводят сертификацию дизайна в соответствии с Частью 52, поскольку она обеспечивает предсказуемость регулирования и облегчает развертывание на нескольких объектах. NRC также выпустил руководство по содержанию и формату заявок на сертификацию дизайна для не-LWR.

Предварительный анализ взаимодействия и нормативного разрыва

Перед подачей официальной заявки разработчикам рекомендуется взаимодействовать с NRC посредством серии предварительных заседаний, белых документов и тематических отчетов. Этот процесс позволяет как NRC, так и заявителю определять области, в которых существующие правила могут не адекватно учитывать новые особенности NLWR. Затем NRC проводит анализ нормативных пробелов, чтобы определить, необходимы ли изменения в правилах, руководствах или процедурах обзора.

Например, в 2020 году СРН завершила всеобъемлющий обзор нормативной базы для нелегких водных реакторов и опубликовала доклад, в котором были выявлены 60 пробелов в нормативной базе. Из них примерно половина была устранена с помощью существующих нормативных положений и руководящих указаний, а остальная часть требовала новых или пересмотренных руководящих указаний СРН. Этот адаптивный подход имеет решающее значение для обеспечения своевременного обзора перспективных конструкций реакторов без ущерба для безопасности.

Области технического обзора для NLWR

Технический обзор конструкции NRC NLWR охватывает все аспекты безопасности, включая физику реактора, тепловую гидравлику, материалы, приборы и элементы управления, производительность сдерживания и прогрессирование аварий. Однако несколько технических областей представляют уникальные проблемы по сравнению с LWR.

Специфические по охлаждению явления и анализ безопасности

Каждый тип охлаждающей жидкости вносит различные физические и химические свойства, которые должны быть смоделированы и оценены:

• Расплавленная соль:] Топливо может быть растворено в соли, что требует анализа химии соли, транспортировки продуктов деления и потенциального замораживания или затвердевания. NRC разработал руководство для оценки сценариев аварий MSR, включая разлив соли, введение реактивности и удаление тепла распада.
• Натрий: Жидкий натрий энергично реагирует с водой и воздухом, поэтому необходимы специализированные системы противопожарной защиты и обработки. NRC рассматривает анализ реакции натрия-воды, смягчение пожара натрия и инспекции в рабочем состоянии компонентов, влажного натрия.
• Гелий: Как инертный газ гелий не реагирует химически, но его низкая плотность делает естественное охлаждение циркуляции менее эффективным. NRC оценивает эффективность удаления тепла как в нормальных, так и в аварийных условиях.
• Свинец или свинцовый висмут: Эти охлаждающие жидкости могут разъедать структурные материалы и могут выделять радиоактивный полоний. NRC рассматривает контроль химии охлаждающей жидкости, допустимую коррозию и управление полонием.

NRC требует от заявителей проверки своих компьютерных кодов и аналитических методов с использованием отдельных тестов эффектов и интегральных экспериментов. Многие разработчики сотрудничали с Министерством энергетики США (DOE) и национальными лабораториями для получения необходимых данных.

Риск-информированный и основанный на эффективности подход

NRC взял на себя обязательство использовать методы оценки перспективных реакторов, основанные на оценке рисков, а не предписывать детерминированные требования к проектированию исключительно на основе прецедентов LWR, NRC оценивает, являются ли предлагаемые меры безопасности заявителя адекватными для достижения целей безопасности агентства.

• Разработка вероятностной оценки риска (PRA), которая учитывает события и режимы сбоев, характерные для NLWR.
• Установление критериев эффективности для функций безопасности, таких как контроль реактивности, удаление тепла распада и удержание.
• Использование концепций глубины защиты, адаптированных к функциям пассивной безопасности дизайна.

Для поддержки этого подхода NRC обновил свои нормативные руководства и планы стандартного обзора (например, NUREG-0800) для размещения конструкций, не связанных с LWR. Агентство также выпустило руководство по использованию отраслевых кодов и стандартов, таких как от Американского общества инженеров-механиков (ASME) и Американского ядерного общества (ANS), для передовых реакторов.

Цифровое оборудование и контроль (I&C)

Передовые проекты NLWR часто в значительной степени полагаются на цифровые системы I&C для функций безопасности и управления. NRC рассматривает эти системы для надежности, кибербезопасности и адекватности интерфейса человека и машины. С 2020 года NRC разработала конкретные рекомендации для цифровых I&C в не-LWR, включая ожидания разнообразия и глубины защиты, проверки и проверки программного обеспечения и планов кибербезопасности.

Передовое производство и материалы

Многие NLWR включают новые материалы, такие как композиционная облицовка карбидом кремния, высокотемпературные сплавы или формы керамических топлив. NRC рассматривает программы квалификации материалов, данные испытаний на облучение и коды для строительства (например, раздел III Кода ASME для котлов и сосудов под давлением для передовых реакторов). Для небольших модульных реакторов и микрореакторов изготовление и модульная конструкция заводов поднимают дополнительные вопросы обеспечения качества и проверки.

Лицензирование дорог и вех

Хотя каждый проект NLWR следует уникальному графику обзора, NRC установил несколько общих вех для большинства усилий по лицензированию в соответствии с Частью 52:

• Сертификация дизайна (DC): Обычно 30-48-месячный обзор после того, как NRC принимает заявку. NRC выпускает окончательный отчет об оценке безопасности и нормотворчестве для сертификации дизайна.
• Комбинированная лицензия (COL): Процесс COL включает в себя обзоры безопасности и окружающей среды, ориентированные на конкретные объекты. NRC проводит слушания и выдает COL, если все требования соблюдены. ITAAC должен быть завершен до загрузки топлива.
• Разрешение на строительство (CP): В соответствии с Частью 50, обзор CP может быть короче, но заявитель должен позже получить отдельную лицензию на эксплуатацию.
• Раннее разрешение на использование сайта (ESP): Действует в течение 10-20 лет, ESP заранее решает вопросы безопасности и окружающей среды, связанные с сайтом.

Текущие известные действия лицензирования NLWR включают обзор сертификации проектирования X-energy Xe-100 (реактор с высоким температурным газовым охлаждением) и реактора с расплавленной солью Terrestrial Energy IMSR. NRC также получил заявку COL для NuScale Power SMR (мелкий модульный реактор с легкой водой, не NLWR, но часто сгруппированный с передовыми конструкциями). Для настоящих NLWR первые решения по сертификации проектирования ожидаются в середине-конце 2020-х годов.

Проблемы и адаптация

Лицензирование передовых НРЖД поставило перед СРН ряд задач, которые он систематически решал.

Отсутствие операционного опыта

В отличие от LWR, которые имеют десятилетия эксплуатационных данных, NLWR имеют ограниченную или не имеют коммерческой истории эксплуатации в Соединенных Штатах. NRC компенсирует использование данных из испытательных реакторов, зарубежного опыта и исследовательских программ. Агентство также требует от заявителей провести обширные испытания и проверку кода. Для оптимизации процесса NRC и DOE сотрудничали в скоординированной исследовательской программе для заполнения пробелов в знаниях.

Экспертиза персонала регулирующего органа

Обзор новых технологий требует новых технических знаний в рамках СРН. Агентство наняло дополнительный персонал с опытом работы в области химии расплавленной соли, жидкостной термической гидравлики и передовых материалов. Он также обеспечивает обучение и использует внешних консультантов, когда это необходимо. СРН создал специальное отделение Advanced Reactor Review для обработки этих приложений.

Участие общественности и вклад заинтересованных сторон

Процессы лицензирования NRC включают в себя возможности для публичных комментариев и слушаний. Для NLWR агентство провело публичные встречи, вебинары и семинары для обсуждения нормативных подходов. NRC также поддерживает общедоступный веб-сайт с документами, связанными с передовыми мероприятиями по предварительному применению реактора и обзорами.

Вопросы безопасности и распространения

В конструкциях NLWR может использоваться топливо с более высокими уровнями обогащения (например, высокообогащенный низкообогащенный уран, HALEU, на уровне 5-20% U-235). NRC координирует с DOE безопасность поставок и транспортировки топлива HALEU. Для конструкций, которые перерабатывают использованное топливо или работают на спектрах быстрых нейтронов, NRC рассматривает характеристики устойчивости к пролиферации в рамках лицензионной основы.

Будущие направления и международное сотрудничество

СРН продолжает развивать свой подход по мере того, как все больше технологий НРЖД продвигаются к коммерциализации.

• Часть 53 (Risk-Informed, Technology-Inclusive Regulatory Framework): NRC разрабатывает новую нормативную базу для передовых реакторов, которая консолидирует и упорядочит требования к любой технологии реактора. Предложенное правило для 10 CFR Part 53 ожидалось в 2024–2025 годах.
• Международное сотрудничество в области регулирования:] СРН участвует в многосторонних усилиях, таких как Многонациональная программа оценки конструкции (МПРР) для согласования обзоров передовых реакторов. Двусторонние соглашения с Канадой, Соединенным Королевством и Японией также облегчают обмен информацией.
• Лицензирование микрореакторов:] Для очень небольших современных реакторов NRC разрабатывает отдельный регуляторный путь, который снижает определенные требования при сохранении безопасности. Это включает новую категорию лицензирования в соответствии с Частью 53 или пересмотренный подход к Части 50.
• Финансирование и ресурсы: Ассигнования и сборы Конгресса корректируются с учетом более длительного времени рассмотрения и специализированного опыта, необходимого для NLWR. NRC предложила структуру выставления счетов, которая возмещает расходы от передовых заявителей на реактор.

Подход NRC к лицензированию передовых нелегких водных реакторов является динамичным, совместным усилием, которое уравновешивает инновации с тщательной оценкой безопасности. Взаимодействуя на ранних этапах с разработчиками, адаптируя свою нормативную базу и инвестируя в технические возможности, NRC позиционирует себя для наблюдения за безопасным развертыванием ядерных технологий следующего поколения, которые могут сыграть значительную роль в будущем безуглеродной энергии. По мере предоставления первых сертификатов проектирования NLWR и комбинированных лицензий извлеченные уроки будут дополнительно совершенствовать процесс регулирования и проложить путь для разнообразного нового парка реакторов.

Для получения дополнительной информации о деятельности NRC в области передовых реакторов читатели могут обратиться к официальной странице NRC Advanced Reactors , DOE Office of Nuclear Energy и GAO report on NRC’s Advanced reactor licensing efforts .