В нашем подробном обзоре от 27 июня 2025 года мы говорили о крупных атомных электростанциях (Nuclear Power Plant – NPP) и пообещали более подробно рассмотреть тему малых модульных реакторов (Small Modular Reactor – SMR), в частности микрореакторов. И именно это мы и собираемся сделать ниже, рассмотрев некоторые из наиболее перспективных и передовых проектов, реализуемых в настоящее время.
Для начала мы должны ввести некоторые технические понятия, которые позволят нам лучше понять отдельный проект и оценить преимущества и достоинства микрореакторов. Мы знаем, что основным критерием классификации является количество энергии, производимой в течение года: SMR — это реакторы мощностью до 300 МВт в год, а микрореакторы, которые являются их подкатегорией, достигают максимум 20 МВт. И здесь мы уже сталкиваемся с первым техническим определением: MWe, или электрические мегаватты, измеряют мощность производства электроэнергии (в МВт, конечно) установки и не следует путать их с тепловыми мегаваттами (MWt), которые измеряют тепловую энергию (также измеряемую в МВт), поступающую в установку по производству электроэнергии; проще говоря, первая измеряет выходную мощность, вторая — входную.
Еще одной технической характеристикой, имеющей основополагающее значение, является технология, с помощью которой производится электроэнергия (или тепло). Микрореакторы используют в основном две технологии в их вариантах или интеграциях: цикл Брейтона и цикл Ренкина.
Цикл Брайтона — это термодинамический цикл, используемый для преобразования тепла в механическую работу, которая может быть использована для приведения в действие турбины или других устройств, использующих тепловую энергию для производства полезной работы, такой как электроэнергия.
Цикл Ранкина — это тепловой цикл, используемый для генерации пара высокого давления из воды низкой температуры. Он может выполняться в открытых или закрытых контурах, причем первые более распространены в промышленных применениях. В этом процессе теплоноситель (HTF), например вода, нагревается путем сжигания топлива для производства пара под высоким давлением, а затем охлаждается путем расширения в конденсаторе. При выполнении цикла Ранкина в открытом контуре необходим конденсатор, в противном случае создастся такое давление, что система разрушится под собственным весом.
Основное различие между циклом Брэйтона и циклом Ранкина заключается в том, что первый работает полностью на газах, которые вводятся в него, а второй использует жидкость (или непосредственно пар) в качестве одной из рабочих жидкостей. В цикле Брайтона воздух сжимается, нагревается горелкой, работающей на топливе, а затем расширяется через турбину для производства механической работы, которая питает компрессор, в то время как в цикле Ренкина вода нагревается для образования пара, который расширяется через турбину для производства механической работы, которая приводит в действие генератор электричества.
Таблица 1. Различия между циклами Брейтона и Ранкина.
Преобразование энергии микрореакторов в электричество в большинстве проектов основано на цикле Брайтона, в котором используется промежуточный теплообменник. Следует отметить, что в некоторых проектах микрореакторов теплопередача от активной зоны к промежуточному теплообменнику осуществляется через трубы, что является существенным отличием от современных АЭС.
Обе технологии, очевидно, сталкиваются с проблемой охлаждения. Выбор хладагента имеет решающее значение, поскольку он влияет на отвод тепла, который, если не контролируется должным образом, представляет собой критический фактор. Основными характеристиками хладагента должны быть:
• высокая объемная теплоемкость,
• отсутствие фазовых переходов в нормальных и аварийных условиях (если не требуется кипение воды для прямого цикла Ренкина),
• низкое поглощение нейтронов,
• возможно низкое давление при рабочих температурах,
• ограниченная активация в присутствии нейтронов,
• химическая совместимость с материалами активной зоны и конструкционными материалами,
• хорошая теплопроводность.
Наиболее подходящими хладагентами, обладающими этими характеристиками, являются расплавленные соли, натрий и хладагенты на основе свинца.
Расплавленные соли обладают преимуществами естественного конвекционного охлаждения, позволяющего достичь высокой разницы температур в областях активной зоны, а также высокой объемной теплоемкостью. Однако основными проблемами являются склонность к коррозии и высокая температура плавления.
Преимуществами натрия являются высокий уровень технических знаний, низкая температура плавления, возможность достижения высокой разницы температур в областях активной зоны и возможность использования электромагнитных насосов или естественного циркуляционного охлаждения для уменьшения объема в реакторе. Однако сложности, связанные с натрием, заключаются в ограниченной возможности регулирования расхода для улучшения естественной циркуляции и его химической реактивности с водой и воздухом.
Преимуществами хладагентов на основе свинца являются охлаждение за счет естественной конвекции, возможность увеличения площади потока, высокая тепловая инерция благодаря высокой температуре кипения и высокая объемная теплоемкость. К недостаткам относятся высокая температура плавления, коррозия и образование летучих соединений полония.
И, наконец, топливо. АЭС обычно работают на урановых стержнях и производят электроэнергию с использованием легкой воды (LWR). В США АЭС производят электроэнергию с использованием топлива с низким обогащением урана (LEU). Уран с низким обогащением имеет содержание урана-235 более 0,7% и менее 20%. Современные реакторы LWR используют LEU с содержанием урана-235 менее 5%. В настоящее время разрабатываются некоторые усовершенствованные реакторы, которые будут использовать LEU с содержанием урана-235 от 5% до 20%. Топливо, произведенное из урана-235, обогащенного до уровня от 5% до 20%, называется топливом HALEU и может улучшить использование топлива и обеспечить лучшую общую экономику установки. Топливо HALEU, предназначенное для микрореакторов, обычно инкапсулируется в металлические или керамические формы и представляет собой топливо нового поколения с изотропными трехструктурными частицами (TRISO).
С развитием технологии передовых реакторов как вновь построенные, так и действующие энергетические реакторы будут нуждаться в топливе HALEU. Инфраструктура ядерного топливного цикла США еще не адаптирована для обеспечения новых источников HALEU и квалифицированной тары, позволяющей его транспортировать. Можно предположить, что коммерческие поставки не начнутся до тех пор, пока не сформируется рынок микрореакторов. Ядерное топливо несет с собой проблему утилизации (фактически, локализации и, следовательно, хранения) отходов (или шлаков). Помимо решения с самообогащающимися реакторами, о котором мы поговорим в следующей статье, микрореакторы требуют более простых и экономичных барьеров по сравнению с крупными реакторами. Это преимущество обусловлено в основном более низким уровнем источника, низким давлением в системе в нормальных условиях и меньшей вероятностью химических реакций. Что касается конфигурации с расплавленными солями в качестве хладагента, происходит растворение топлива в соли. С одной стороны, преимущества обусловлены сильным отрицательным температурным коэффициентом, высокой степенью сгорания и высоким коэффициентом преобразования (при непрерывной очистке топлива), а также возможностью получения резервного механизма остановки, связанного с удалением топлива в подкритических резервуарах.
С другой стороны, поскольку технология еще не полностью отработана, она может быть подвержена утечке хладагента, что, в свою очередь, приведет к потере активного топлива. Кроме того, первоначальные инвестиции и строительство интегрированной системы с химической очисткой соли являются значительными. Могут возникнуть проблемы, связанные с отсутствием защитного здания, как это обычно предусмотрено для АЭС. Это уменьшает количество барьеров между радиоактивными материалами и окружающей средой и ставит проблему защиты от удара самолетов, которая обычно рассматривается в АЭС, но для микрореакторов может иметь смысл, если считать самолетами даже небольшие дроны.
С этими общими (и поверхностными) техническими знаниями мы можем составить список наиболее перспективных проектов микрореакторов на данный момент (см. таблицу 2). Конечно, этот список далеко не исчерпывающий и, как уже было сказано, речь идет о проектах, которые мы считаем, справедливо или нет, наиболее перспективными и, безусловно, наиболее обсуждаемыми. Например, eVinci и X-energy были предметом недавней статьи, опубликованной в FT.
Таблица 2. Основные проекты микрореакторов.
Как легко представить, микрореакторы имеют ряд очевидных преимуществ, но столько же проблем в плане разработки и некоторые особенности с экономической точки зрения.
Основные преимущества микрореакторов:
1. Низкий уровень выбросов углекислого газа, что делает их фактически источником чистой энергии, по крайней мере с точки зрения выбросов парниковых газов.
2. Небольшие размеры, по крайней мере по сравнению с АЭС. Это позволяет подключать их к микросети для выработки от 1 до 20 МВт. Микрореакторы в основном предназначены для обеспечения технологического тепла для промышленных применений, снабжения отдаленных деревень, где нет электрической сети, или для военных объектов, нуждающихся в надежном тепле и энергии. Микрореакторы могут быть вариантом для быстрого восстановления электроснабжения в районах, пострадавших от стихийных бедствий (например, после цунами, урагана или землетрясения), или для оказания гуманитарной помощи, например, для поддержки больниц или водоснабжения местных сообществ. Благодаря своим небольшим размерам, большинство компонентов могут быть собраны на заводе (модульность). Это позволяет увеличить скорость их производства, снизить капитальные затраты и сократить время установки на месте, устраняя некоторые из типичных проблем АЭС. В целом, микрореакторы могут работать там, где не могут работать крупные реакторы. Они представляют собой альтернативный вариант, когда требуется источник чистой энергии по умеренной цене вместо крупного реактора.
3. Более простая конструкция установки. Например, технология тепловых труб позволяет разработать компактную и простую конструкцию, избегая использования насосов для охлаждения реактора и всех связанных с ними вспомогательных систем. Тепловая нагрузка может регулироваться, что позволяет легче адаптироваться к нагрузке, а благодаря высокой рабочей температуре можно добиться более эффективного преобразования энергии. Некоторые проекты используют пассивные системы безопасности, которые предотвращают риск перегрева или плавления активной зоны. Кроме того, различные модели микрореакторов обеспечивают длительный срок службы активной зоны, способной работать без дозаправки в течение 10 лет и более. Таким образом, снижается вероятность аварий, связанных с обращением и перемещением топлива, и, в идеале, увеличивается коэффициент мощности. Сочетание всех этих характеристик позволяет проектировать полуавтономные операции и саморегулирующиеся установки в рамках прочной и четко определенной защитной оболочки. Кроме того, некоторые модели микрореакторов требуют небольшого количества работников на месте для обеспечения их функционирования. При обслуживании модуля учитывается возможность периодической транспортировки на завод для осмотра и ревизии.
4. Простота установки на месте. Микрореакторы могут быть подключены и начать вырабатывать энергию в течение нескольких дней, что значительно сокращает время внедрения по сравнению с АЭС, которые обычно требуют нескольких лет. Кроме того, их можно легко и быстро удалить с объекта и заменить новыми или перевезти на другой объект. Эта особенность полезна для сокращения времени и затрат на установку, которые являются значительными для АЭС, и делает микрореакторы уникальными благодаря возможности их использования в районах, где необходимо восстановить электроснабжение в случае стихийных бедствий или отключения системы. Многие микрореакторы спроектированы так, чтобы помещаться в стандартные контейнеры ISO. Это облегчает их транспортировку по железной дороге, грузовым автомобилям, судам и даже грузовым самолетам. Легкость транспортировки и установки микрореакторов (уже подключенных к источнику питания) с завода на место эксплуатации также вызывает некоторые вопросы, связанные с нормативными требованиями и контролем на этапе транспортировки.
Основные проблемы, связанные с микрореакторами, можно свести к трем.
1. Существующие атомные электростанции работают на уране-235, обогащенном обычно до 5%. Однако для уменьшения размеров, повышения соотношения мощность/объем и увеличения периода перезагрузки необходимо более высокое обогащение. Для этого используется HALEU, который может достигать обогащения от 5% до 20%. Кроме того, ожидается, что HALEU позволит оптимизировать систему для увеличения срока службы активной зоны, повышения эффективности и лучшего использования топлива. Однако в настоящее время он не доступен в больших количествах. Поэтому в этой области еще предстоит провести значительные исследования и инвестиции.
2. Используя очень редкое и ценное топливо HALEU, микрореакторы представляют собой повышенный риск с точки зрения безопасности и распространения по сравнению с АЭС. Фактически, использование HALEU или топлива с более высоким обогащением делает эти установки более привлекательными для программ вооружения, поскольку сокращает объем работ, необходимых для получения урана, пригодного для производства оружия. Кроме того, если технология микрореакторов будет успешной и создаст крупномасштабный рынок, несколько установок могут быть распределены по всему миру и в отдаленных местах. Количество микрореакторов может быть потенциально гораздо больше, чем количество АЭС, что значительно усложнит контроль за каждой установкой. Вероятно, зона контроля микрореактора будет намного меньше, чем у большой АЭС, и меры безопасности также могут быть менее строгими. Таким образом, риск потенциальной кражи радиоактивных материалов может возрасти. Наконец, отсутствие защитного здания, как это обычно предусмотрено для крупных АЭС, ставит проблему того, как справиться с последствиями столкновения самолета или дрона.
3. Микрореакторы создают проблему с точки зрения регулирования и лицензирования проектирования и производства. Микрореакторы должны проектироваться, производиться, принадлежать и эксплуатироваться с использованием оборудования и услуг, которые производят энергию и мощность для конкретных применений, как объяснялось выше. Поэтому крайне важно уделять особое внимание эксплуатационным параметрам микрореакторов для определения регулирующего органа. В частности, могут потребоваться новые нормативные акты или изменения в существующих для процесса выдачи разрешений. Например, нормативные акты для крупных атомных электростанций определяют присутствие работников в диспетчерской. Если микрореактор спроектирован так, чтобы обеспечить дистанционное управление и наличие работников за пределами объекта, может потребоваться изменение нормативных актов. Что касается транспортировки модулей реактора, питаемых от и к разрозненным местам использования, потребуются дополнительные правила. Фактически, существующие методы оценки безопасности или критерии приемлемости не были рассмотрены с целью обеспечения безопасности модулей микрореактора (уже заправленных на заводе) во время транспортировки и мобилизации/демобилизации модулей на очень удаленных объектах. Существует три основных аспекта, связанных с выдачей лицензий. (i) Во-первых, микрореактор может быть построен и собран на заводе-изготовителе реактора, а затем отправлен на выбранный объект. В этом случае топливо необходимо будет отправить на завод-изготовитель установки и загрузить в реактор на этом заводе. Поэтому необходимо спроектировать контейнеры для транспортировки топлива, которые также смогут вместить весь реактор, который после загрузки топлива будет перемещаться вместе с ним. (ii) Во-вторых, микрореактор должен быть транспортирован с завода-изготовителя на выбранное место, и необходимо учитывать возможность его возвращения на завод. В таких ситуациях топливо должно оставаться в модуле реактора, чтобы облегчить его перемещение. (iii) В-третьих, микрореакторы могут быть спроектированы как временные или полупостоянные установки. Поэтому необходимо разработать универсальный, надежный и масштабируемый метод для характеристики площадки, экологической оценки, управления чрезвычайными ситуациями и т. д.
Наконец, экономический анализ может помочь нам понять, насколько конкурентоспособны микрореакторы. Чтобы это определить, мы должны сначала понять, сколько стоит производство 1 МВт энергии с помощью микрореактора, и это делается с помощью аналитического учета, который приписывает каждому МВт все прямые и косвенные, фиксированные и переменные затраты, связанные с микрореактором. Институт ядерной энергии (2019) предложил использовать выравниваемую стоимость электроэнергии (LCOE) в качестве сравнительного элемента. LCOE оценивается на основе ряда допущений. Стоимость относится к установке с двумя микрореакторами мощностью 5 МВт, общей мощностью 10 МВт, и предполагает срок эксплуатации 40 лет с перезарядкой топлива или заменой активной зоны реактора каждые 10 лет.
Кроме того, предполагается, что микрореакторы будут расположены вблизи существующих крупных электростанций, где они смогут поддерживать коэффициент мощности на уровне 95 %. В действительности, в микросети микрореактор может не работать постоянно на максимальной мощности. Затраты на проектирование площадки и получение лицензии/разрешения включены в капитальные затраты.
На затраты также влияют факторы, связанные с условиями установки (доступность транспорта, погодные и климатические условия, условия труда), а также факторы, связанные с проектированием микрореакторов (технология, проектирование вспомогательного оборудования). Тип организации, владеющей микрореакторами (частная или государственная), и наличие гарантий по кредитам также влияют на стоимость капитала. Однако на них не влияет необходимость в дополнительной инфраструктуре для передачи или распределения энергии, поскольку она потребуется и для размещения других технологий генерации.
И, наконец, отсутствует термин сравнения. На первый взгляд, сравнение будет спонтанно проводиться с АЭС. Но на самом деле это не самый прямой конкурент микрореактора, а технологии, которые в настоящее время используются в отдаленных районах. В этом контексте микрореакторы следует сравнивать в первую очередь с дизельными генераторами аналогичного размера, которые в настоящее время покрывают области применения, предусмотренные для микрореакторов. Кроме того, следует подчеркнуть, что при предполагаемой стоимости производства электроэнергии микрореакторы конкурентоспособны даже по сравнению с другими распределенными источниками возобновляемой энергии, такими как солнечные панели, установленные на крышах, или всеми технологиями, генерирующими чистую энергию, которые питают отдаленные населенные пункты.
В этом контексте таблица 3 хорошо обобщает сравнительный экономический анализ, который оправдывает инвестиции, которые делаются и, как можно надеяться, будут делаться в будущем в отношении этой инновационной технологии.
Таблица 3. Сравнение технологий микрореакторов, дизельных генераторов и возобновляемых источников энергии в микросетях.
Мы надеемся, что на нескольких страницах нам удалось показать, что эта инвестиционная тема не только заслуживает внимания уже сейчас, но и должна тщательно отслеживаться и контролироваться. Речь идет не просто об инвестициях в атомную энергетику, которые можно реализовать путем покупки акций компаний, занимающихся строительством и обслуживанием АЭС (что, безусловно, является очень интересной темой). Речь идет скорее о нишевой атомной энергетике, которая решает проблемы, которые в настоящее время трудно решить с помощью АЭС, и именно поэтому имеет преимущество и ценность взаимодополняемости.
Отказ от ответственности
Настоящий пост выражает личное мнение сотрудников Custodia Wealth Management, которые его подготовили. Он не является инвестиционным советом или рекомендацией, индивидуальной консультацией и не должен рассматриваться как приглашение к совершению сделок с финансовыми инструментами.
