Доклад на конференцию «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях» (ТЖМТ – 2008) 15 – 19 сентября 2008 г., г. Обнинск, Калужской обл., Российская Федерация, часть 2

 

19/09/2008

Анализ динамики развития ядерной энергетики за счет
собственных средств энергокомпаний

  

Авторы 

Тошинский Г.И., Комлев О.Г., ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ», г. Обнинск, Россия

 

1 Введение

На пути развития ядерной энергетики (ЯЭ) к достижению зрелой фазы с замещением в производстве электроэнергии до 50 % потребления органического топлива должно смениться несколько ядерно-энергетических технологий (ЯЭТ), включающих атомные электростанции (АЭС) определенного типа и соответствующий ядерный топливный цикл (ЯТЦ).

 

Можно предположить, что продолжительность каждого этапа развития ЯЭ, на котором будут сосуществовать различные ЯЭТ, составит многие десятилетия, что связано с большой инерционностью становления любой новой ЯЭТ.

 

В процессе развития и функционирования ЯЭ можно условно выделить три этапа, различающиеся инвестиционными потребностями и типами используемых ЯЭТ.

 

Первый этап, – «молодая» ЯЭ, характеризуется ростом установленных мощностей АЭС в период времени, не превышающий срок службы энергоблока. На этом этапе инвестиционные потребности определяются темпом ввода энергоблоков, а в качестве ЯЭТ используются тепловые реакторы (ТР), работающие на урановом топливе в открытом ЯТЦ, т.е. структура ЯЭ является однокомпонентной. Очевидно, что для этой ЯЭТ коэффициент воспроизводства (КВ) меньше единицы.

 

Второй этап, – установившееся развитие ЯЭ, когда строительство энергоблоков должно компенсировать как вывод из эксплуатации «старых» энергоблоков, срок службы реакторных установок (РУ) которых исчерпан, так и дальнейшее наращивание установленных мощностей до необходимого уровня.

 

На этом этапе, продолжительность которого составит несколько десятков лет, в связи с ростом установленных мощностей АЭС и удорожанием природного урана из-за исчерпания его дешёвых ресурсов, если это окажется экономически целесообразным, возникнет потребность ввода в структуру ЯЭ быстрых реакторов (БР) с КВ равным или большим единицы, работающих в замкнутом ЯТЦ.

 

Третий этап, – функционирование ЯЭ в течение длительного времени при постоянном уровне суммарной установленной мощности АЭС, когда строительство новых энергоблоков должно только компенсировать вывод из эксплуатации «старых» энергоблоков.

 

Поскольку АЭС не являются безальтернативными источниками энергии, они на каждом этапе развития ЯЭ в условиях либерализованного рынка электроэнергии должны быть конкурентоспособны с тепловыми электростанциями (ТЭС), работающими на органическом топливе.

 

Для выполнения этого требования необходимо существенно сократить удельные капитальные затраты в строительство АЭС и уменьшить срок строительства, приблизив эти показатели к показателям современных парогазовых ТЭС. Кроме того, для снижения риска инвестора необходимо значительно повысить уровень безопасности, с целью исключения тяжелых аварий типа чернобыльской. Это необходимо также для обеспечения социальной приемлемости ЯЭ при значительном увеличении её масштаба.

 

Решить эти проблемы на основе эволюционного совершенствования проектов АЭС традиционных типов с реакторами на тепловых нейтронах весьма сложно.

 

Для уменьшения удельных капитальных затрат и снижения себестоимости электроэнергии потребовалось существенное повышение мощности энергоблоков до значений 1500 МВт-э и выше. Однако повышение единичной мощности реактора вызывает увеличение общей стоимости АЭС и срока её строительства, что приводит к снижению инвестиционной привлекательности проекта. Этот конфликт между требованиями экономики и требованиями безопасности, характерен для всех традиционных ЯЭТ.

 

Кроме того, рынок для энергоблоков такой большой мощности ограничен небольшим числом стран, имеющих мощные энергосистемы. Возрастают также трудности подбора подходящих площадок для размещения энергоблоков большой мощности и транспортировки крупногабаритного оборудования.

 

Рассмотренные выше проблемы, также как и другие проблемы, которые необходимо решать при развитии крупномасштабной ЯЭ, вызвали необходимость разработки инновационных ЯЭТ. Такие работы ведутся в рамках международного проекта ИНПРО, развиваемого под эгидой МАГАТЭ. В предложенных базовых принципах указывается [1], что стоимость энергии, вырабатываемой АЭС на базе такой ЯЭТ, с учетом всех затрат и кредитов должна оставаться конкурентоспособной на фоне альтернативных источников энергии, иначе альтернативные технологии станут вытеснять ядерные технологии с рынка. Кроме того, инновационная ЯЭТ должна быть инвестиционно привлекательной в сравнении с другими энергетическими технологиями. При этом должны быть учтены все затраты по жизненному циклу, включая затраты на демонстрацию технологии.

 

Всё это подчеркивает приоритетность требований экономики по отношению к другим требованиям, предъявляемым к крупномасштабной ЯЭ.

 

Общий подход к выбору ЯЭТ и структуры ЯЭ, исходя из целей развития ЯЭ, можно сформулировать, например, следующим образом: получение максимального ежегодного прироста выработки электроэнергии при постоянном объёме ежегодных инвестиций в ЯЭ.


Решение отмеченных выше проблем в их совокупности может быть найдено на пути использования инновационной ЯЭТ, в которой отмеченный выше внутренний конфликт между требованиями экономики и требованиями безопасности значительно смягчён.

 

Одной из таких технологий, наиболее подготовленной к практической демонстрации на опытно-промышленном энергоблоке, является технология, основанная на применении модульных многоцелевых быстрых реакторов малой мощности (100 МВт-э) со свинцово-висмутовым теплоносителем (СВТ), обладающих развитыми свойствами внутренней самозащищённости и пассивной безопасности – СВБР-75/100 [2]. Эта технология освоена в России [3] применительно к реакторам атомных подводных лодок (АПЛ).

 

В докладе рассматривается подход к выбору ЯЭТ, исходящий из приоритетности требований экономики и учитывающий возможность экономии значительных финансовых ресурсов при использовании РУ СВБР-75/100 для реновации энергоблоков, исчерпавших срок службы РУ.

 

2 Реновация блоков АЭС с ВВЭР и возможность ускорения темпа развития ЯЭ

Рассмотрим установившееся развитие ЯЭ, когда строительство энергоблоков должно компенсировать как вывод из эксплуатации “старых” энергоблоков, срок службы РУ которых исчерпан, так и наращивание установленных мощностей АЭС. Такой этап развития ЯЭ России начнется ориентировочно в 2018 году.

 

Динамика изменения суммарной установленной мощности АЭС в этом случае будет описываться уравнением:

 

    (1)

где       N – суммарная установленная мощность АЭС (ГВт-э);

P – годовой темп ввода мощностей ЯЭ (ГВт-э/год);

B – годовой темп вывода из эксплуатации “старых”энергоблоков (ГВт-э/год).

 

Темп вывода “старых” блоков при t≥Tсл равен темпу ввода энергоблоков Р в период времени отстоящий от данного на время, равное сроку службы энергоблока Tсл: B (t)=P (t-Tсл), а при  t<Tсл темп вывода равен нулю. Если рассматривать при решении уравнения (1) условия развития ЯЭ в России, темп вывода мощностей  можно принять постоянным и равным 1 ГВт-э/год, что соответствует среднему темпу их ввода в 70-ых – 80-ых годах.

 

Темп ввода новых энергоблоков и, соответственно, темп развития ЯЭ, если ориентироваться на собственные инвестиционные возможности энергокомпании, будет зависеть от значения инвестиционной составляющей в тарифе, суммарной установленной мощности АЭС, определяющей объем продаж электроэнергии, и экономической эффективности ЯЭТ, используемых для строительства новых энергоблоков и замещения выводимых мощностей, определяемой значением удельных капитальных затрат соответствующих ЯЭТ.

 

Инвестиционный потенциал ЯЭ можно охарактеризовать инвестиционным коэффициентом воспроизводства (ИКВ), который определяет динамику развития (свертывания) ЯЭ в зависимости от экономической эффективности используемых ЯЭТ и ценовых условий на рынке электроэнергии. ИКВ можно рассчитать по формуле:

 

где   

K3 – значение удельных капитальных затрат для ЯЭТ, используемой для замещения выводимых мощностей (долл./кВт-э);

Kp – значение удельных капитальных затрат для ЯЭТ, используемой для развития ЯЭ (долл./кВт-э);

 Cине– полная инвестиционная составляющая в тарифе, равная сумме инвестиционных составляющих на развитие ЯЭ (Сp) на замещение выбывающих мощностей (C3), Синв= Ср+Сз     (цент/кВт-час), при замещении всех выбывающих мощностей  определяется следующим выражением

            (2)

(КИУМср– средний КИУМ по всем АЭС энергокомпании).

 

В свою очередь инвестиционная составляющая равна Синв=С-δ, где:  С – тариф, т.е. цена продажи электроэнергии на оптовом рынке, а δ ‑ себестоимость электроэнергии, учитывающая затраты на ее производство, включающие все текущие расходы, кроме инвестиционных отчислений на строительство энергоблоков.

 

Если для замещения выбывающих мощностей и для развития ЯЭ используется одна и та же ЯЭТ, то

.

 

В случае Синв< Сз(t), ИКВ<1  и ядерная энергетика будет свертываться. Если Синв=Сз(t), то ИКВ=1 и суммарный уровень установленных мощностей будет постоянным (простое воспроизводство). И только при  возможен рост ЯЭ (расширенное воспроизводство).

 

Темп ввода мощностей ЯЭ, соответствующий инвестиционным возможностям энергокомпаний, можно записать в следующем виде:

 .

 

Уравнение (1) в этом случае запишется в следующем виде:

,                   (3)

где

.

 

С учетом соотношения (2) уравнение (3) можно привести к следующему виду:

 

    ,               (4)

 

где 

 

 

Решение уравнения (4) запишется в следующем виде

            (5)

 

где  t - время, отсчитываемое от начала установившегося этапа развития ЯЭ (т.е. от момента когда одновременно требуется вывод старых блоков из эксплуатации и их замещение и ввод новых блоков, обеспечивающий развитие ЯЭ);  No- суммарная установленная мощность всех АЭС энергокомпании к началу установившегося этапа развития ЯЭ.

 

В случае, когда имеющиеся инвестиционные возможности энергокомпании не позволяют полностью замещать выводимые мощности ( ИКВ <1 - свертывание ядерной энергетики), динамика уменьшения суммарной установленной мощности АЭС будет описываться уравнением (3), в котором

 

 

и при этом решение уравнения (3) запишется в виде:

           (6)

 

Темп развития ЯЭ за счет собственных средств энергокомпании можно характеризовать временем удвоения суммарной установленной мощности АЭС – Т2 [год], аналогичному времени удвоения плутония в реакторах-бридерах, зависящим от её инвестиционных возможностей (см. решение (5) уравнения (4)):

 

,

 

где С3(0) рассчитывается из соотношения (2). Темп развития ЯЭ за счет собственных средств энергокомпании можно характеризовать также значением среднего ежегодного роста мощностей ЯЭ  [ГВт-э/год], который может быть оценен следующим образом:

.

 

Темп снижения суммарной установленной мощности АЭС при свертывании ЯЭ будем характеризовать временем свертывания Тсв [год]:

.

 

Расчеты динамики развития (свёртывания) ЯЭ России выполнены для следующих сценариев: 1) для замещения выбывающих мощностей и развития ЯЭ используется ЯЭТ на базе РУ ВВЭР-1500; 2) для замещения выбывающих мощностей используется технология реновации на базе РУ СВБР-75/100, а для развития ЯЭ используется ЯЭТ на базе РУ ВВЭР-1500.

 

Под реновацией понимается размещение необходимого количества РУ СВБР-75/100 в освобождаемых от оборудования помещениях парогенераторов (ПГ) и главных циркуляционных насосов (ГЦН). При этом реакторные установки вырабатывают то же количество пара и тех же параметров, что и «старый» энергоблок. Таким образом, осуществляется полное замещение выводимой мощности при сохранении существующих зданий, сооружений, значительной части оборудования (машзал и др.) и инфраструктуры АЭС. Именно за счёт этого достигается большой экономический эффект.

 

Как показали результаты технико-экономических исследований технической возможности и экономической целесообразности реновации 2-го, 3-го и 4-го блоков Нововоронежской АЭС на базе РУ СВБР-75, осуществление реновации в два раза снижает удельные капитальные затраты в сравнении со строительством новых замещающих мощностей [4]. На рисунке 2 показана схема реновации РУ ВВЭР-1000.

 

По оценкам, под программу реновации только эксплуатирующихся энергоблоков ВВЭР-440 потребуется около 150 РУ СВБР-75/100. Это предопределяет их серийное производство с соответствующим снижением стоимости. Так как для изготовления модуля не требуется уникального машиностроительного оборудования, возникает возможность формирования конкурентного рынка производителей, что снизит стоимость изготовления РУ.

 

Значительное снижение затрат при реновации «старых» блоков позволяет высвободить финансовые средства для развития ядерной энергетики. Результаты расчета параметров, характеризующих динамику развития ЯЭ (ИКВ, Т2, ) для указанных двух сценариев, приведены в таблице 2. Исходные данные для расчёта приведены в работах [4, 5].

 

Полученные данные относятся к установившемуся этапу развития ЯЭ, когда возможности «дешевого» роста (увеличение КИУМ, продление срока службы блоков, достройка блоков высокой и средней степени готовности) исчерпаны.

 

Из приведенных в таблице 2 результатов видно, что наиболее эффективным из рассмотренных сценариев является сочетание инновационной ЯЭТ на базе модульных РУ СВБР-75/100 для реновации «старых» блоков АЭС и эволюционной ЯЭТ на базе РУ
ВВЭР-1500 для развития ядерной энергетики.

 

Рис. 2 Схема реновации РУ ВВЭР-1000.

 

Конечно, полученные результаты следует рассматривать лишь как ориентировочные, поскольку для расчета динамики развития ЯЭ через 15…20 лет, когда будут исчерпаны возможности «дешевого» роста и возникнет необходимость замещения мощностей энергоблоков, реакторы которых исчерпали срок службы, используются существующие сегодня показатели (тариф, себестоимость электроэнергии, удельные капитальные затраты, КИУМ, суммарный уровень установленной мощности АЭС). Перевод рублевых цен 1991 года в доллары и учет инфляции доллара также имеют оценочный характер.

 

Таблица 2. Динамика развития ЯЭ при использовании различных ЯЭТ


                Параметр

 Ядерная

 энергетическая

 технология

 

цент/кВт-час

 

цент/кВт-час

 

цент/кВт-час

ИКВ

 

Т2св)

лет

Р (Вз)

ГВт-э/год

По сценарию №1

0,49

0,46

0,03

1,05

63,5

0,35

По сценарию №2

0,49

0,27

0,22

1,47

25,1

0,89

 

Из рассмотренных факторов только рост суммарного уровня установленной мощности АЭС однозначно приводит к увеличению инвестиционных возможностей. Повышение КИУМ, приводя к увеличению производства электроэнергии и увеличению объёма продаж, потребует прогрессивного увеличения затрат, что вызовет снижение экономической эффективности влияния этого фактора.

 

Рост тарифа будет увеличивать инвестиционные возможности ЯЭ. В тоже время рост тарифа, стоимости органических энергоносителей, приводящие к повышению стоимости электроэнергии, также как и рост стоимости всех видов продукции и услуг, рост зарплаты будут увеличивать капитальные затраты и эксплуатационные расходы, что приведет к уменьшению инвестиционных возможностей ЯЭ. Тем не менее, можно ожидать, что выявленная тенденция сохранится.

 

Таким образом, при рассмотрении различных сценариев развития ЯЭ России следует учитывать, что использование технологии реновации «старых» блоков АЭС после исчерпания продлённого срока службы с применением РУ СВБР-75/100 может высвободить значительные в масштабах отрасли средства для развития ЯЭ. 

 

3 Заключение

При выборе ядерных энергетических технологий для развития ЯЭ следует исходить из приоритетности требований экономики по отношению к другим требованиям, которые должны носить характер ограничений и задаваться нормативной документацией. При этом в качестве критерия выбора ЯЭТ можно предложить, например, следующий: получение максимального ежегодного прироста выработки электроэнергии при постоянном объёме ежегодных инвестиций в ядерную энергетику.

 

При рассмотрении различных сценариев развития ЯЭ следует учитывать, что использование технологии реновации «старых» блоков АЭС с применением РУ СВБР-75/100 после исчерпания продлённого срока службы энергоблоков с ЛВР может высвободить значительные в масштабах отрасли средства для увеличения темпа развития ядерной энергетики, сохранить жизнеспособными города-спутники АЭС, а также электросетевую, транспортную и водную инфраструктуры.

 

Инновационная ЯЭТ на базе реакторов с теплоносителем свинец-висмут СВБР-75/100 удовлетворяет основным положениям предложенного подхода, вытекающих из базовых принципов проекта ИНПРО. В то же время, эта технология, разработанная на основе консервативного подхода и критически осмысленного опыта эксплуатации РУ с СВТ на АПЛ, подготовлена для демонстрации на опытно-промышленном энергоблоке, сооружение которого предусмотрено Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на период 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года».

 

Широкое практическое применение этой ЯЭТ, обладающей большими потенциальными возможностями, может начаться примерно с 2025 года. Более раннее её развёртывание будет связано с экономическим риском, а более позднее – с большой упущенной выгодой, что следует учитывать при разработке Стратегии развития атомной энергетики России до 2050 года.

 

Литература

  1. Отчет МАГАТЭ по фазе 1А проекта ИНПРО, IAEA-TECDOC-1362.
  2. Зродников А.В., Драгунов Ю.Г., Степанов В.С., Тошинский Г.И. и др. «Многоцелевой свинцово-висмутовый модульный быстрый реактор малой мощности СВБР-75/100». Доклад на Международной конференции МАГАТЭ «Инновационные ядерные технологии и инновационные топливные циклы», IAEA CN-108-36, 2003 г.
  3. А.В.Зродников, Г.И.Тошинский, Ю.Г.Драгунов, В.С.Степанов, В.Н.Крушельницкий и др., «Конверсия свинцово-висмутовой реакторной технологии: от реакторов АПЛ к энергетическим  реакторам и пути повышения инвестиционной привлекательности ядерной энергетики на базе быстрых реакторов». IAEA-CN-A3. Доклад на международной конференции МАГАТЭ «Fifty Years of Nuclear Power – the Next Fifty Years» Обнинск, 27 июня – 2 июля, 2004.
  4. A.V. Zrodnikov, G.I. Toshinsky, O.G. Komlev, V.S. Stepanov, V.N. Krushelnitsky and all. «Renovation of the “Old” NPP Units as a Way to Increase Cost Effectiveness of Nuclear Power», Proceedings of GLOBAL 2005 Tsukuba, Japan, Oct 9-13, 2005 Paper No. 276.
  5. Novikova N.N., Komlev O.G., Toshinsky G.I. «Use of Multi-Purpose Modular Fast Reactors SVBR-75/100 in Market Conditions», Proceedings of ICAPP’06, Reno, NV USA, June 4-8, 2006, Paper 6023.


Список сокращений

АПЛ

– атомная подводная лодка

АС

– атомная станция

АЭС

– атомная электростанция

БН

– быстрый натриевый реактор

БР

– быстрый реактор

ВВЭР

– водо-водяной энергетический реактор

ИКВ

– инвестиционный коэффициент воспроизводства

КВ

– коэффициент воспроизводства реактора

КИУМ

– коэффициент использования установленной мощности

ЛВР

– легководный реактор

МА

– младшие актиниды (Np, Am, Cm)

МОКС-топливо

– смешанное уран-плутониевое оксидное топливо

НВАЭС

– Нововоронежская АЭС

ОЯТ

– отработавшее ядерное топливо

ПГ

– парогенератор

ПГУ

– парогазовая установка

ПД

– продукты деления

РУ

– реакторная установка

РАО

– радиоактивные отходы

СВТ

– свинцово-висмутовый теплоноситель

СВБР

– свинцово-висмутовый быстрый реактор

ТР

– тепловой реактор

ТЭС

– тепловая электростанция

ЯДМ

– ядерный делящийся материал

ЯТЦ

– ядерный топливный цикл

ЯЭ

– ядерная энергетика

ЯЭТ

– ядерная энергетическая технология

ЯЭУ

– ядерная энергетическая установка



Читать другие Научные доклады