Аналіз потужностей малих модульних реакторів та можливості їх застосування в муніципальній енергетиці

Abstract

Гапонець Є. Р., Кузнецова М. Я. (керівник). Аналіз потужностей малих модульних реакторів та можливості їх застосування в муніципальній енергетиці. Маґістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2024. Малі модульні реактори – реактори, що мають електричну потужність до 300 МВт [1]. Завдяки потужностям співставним з потужностями теплових енергоблоків з’являється можливість ядерного вдосконалення ТЕС і ТЕЦ. Ядерне вдосконалення теплових енергоблоків полягає в заміні котлових аґреґатів ТЕС і ТЕЦ ядерними реакторами відповідної потужності зі збереженням інших елементів теплового циклу, а також зовнішніх елементів інфраструктури, таких як електромережі, каналізація чи водогони [2]. Об’єкт дослідження – муніципальні енергосистеми. Предмет дослідження – застосування малих модульних реакторів на теплоелектроцентралях. Мета дослідження – аналіз потужностей малих модульних реакторів і можливостей їхнього застосування в муніципальній енергетиці, зокрема для модернізації теплоелектроцентралей. У роботі наведено основні причини відмови від вугільних і газових теплових енергоблоків, а також головні переваги малих ядерних реакторів, що мають забезпечити швидкий перехід до чистої енергетики. Розглянуто різновиди малих модульних реакторів за використовуваними теплоносіями, переваги та недоліки водяного, газового та рідкометалевого теплоносіїв. Описано особливості конструкцій активної зони, тепловидільних елементів і систем безпеки водо-водяного ММР SMR-160, газохолоджуваного ММР із засипною активною зоною HTR-PM та ММР з рідкометалевим теплоносієм ARC-100[3]. Акцентовано увагу на пасивності систем безпеки реактора SMR-160 [3], що усуває загрозу людського фактору в аварійних ситуаціях, а також переваг у маневреності даного реактора[4]. Проаналізовано особливості схеми теплових енергоблоків і їхню роботу в енергосистемі зі змінним навантаженням. Розглянуто три проєкти ядерного вдосконалення теплового енергоблоку [5] на основі трьох вищезазначених типів реакторів і наведено принципові схеми вдосконалених енергоблоків для кожного проєкту. Досліджено економічну вигоду від застосування вживаної інфраструктури для кожного з проєктів [5]. Проаналізовано потужнісні та безпекові характеристики водо-водяного реактора SMR-160 за допомогою нейтронно-фізичного та теплогідравлічного розрахунків. У ході нейтронно-фізичного розрахунку було визначено ефективний коефіцієнт розмноження, ефективні розміри активної зони, масу завантажуваного палива та встановлено розподіл густини нейтронного потоку радіусом і висотою активної зони. У теплогідравлічному розрахунку визначено температури теплоносія, оболонки та осердя ТВЕла, а також запас до кризи кипіння. Визначено економічний вплив від збільшення відсотку збагачення палива малого модульного реактора SMR-160 від 4,95% до 5,4%. Розрахунок економічного ефекту, рентабельності та визначення терміну окупності даного заходу підтверджують його позитивний економічний вплив. Розроблено автоматизовану систему регулювання рівня води у вертикальному парогенераторі реактора SMR-160 за допомогою мікроелектронної бази «Каскад-2».Haponets Y. R., Kuznetsova M. Y. (supervisor). Analysis of the power of small modular reactors and possibility of their application in municipal energy Master’s thesis. – Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2024. Small modular reactors are reactors with an electric capacity of up to 300 MW [1]. Due to capacities comparable to the capacities of thermal power units, the possibility of nuclear improvement of thermal power plants appears. Nuclear improvement of thermal power units consists in replacing boiler units of thermal power plants with nuclear reactors of the corresponding capacity while maintaining other elements of the thermal cycle, as well as external infrastructure elements, such as power grids, sewage systems or water mains [2]. Study object - municipal power systems. Study subject - the use of small modular reactors in thermal power plants. Goal of research - to analyze the power of small modular reactors and possibility of their application in municipal energy, in particular for the modernization of thermal power plants. The paper presents the main reasons for the abandonment of coal and gas thermal power units, as well as the main advantages of small nuclear reactors, which should ensure a rapid transition to clean energy. The types of small modular reactors by the coolants used the advantages and disadvantages of water, gas and liquid metal coolants are considered. There are described the features of the designs of the core, fuel and safety systems of the water-water SMR SMR-160, the gas-cooled SMR with a pebble-bad core HTR-PM and the SMR with a liquid metal coolant ARC-100[3]. Emphasized on the passivity of the SMR-160 reactor safety systems [3], which eliminates the threat of the human factor in emergency situations, as well as the advantages in maneuverability of this reactor [4]. There are analyzed the features of the thermal power unit scheme and their operation in a power system with variable load. Three projects of nuclear improvement of a thermal power unit [5] are considered based on the three types of reactors and the schematic diagrams of the improved power units for each project are presented. The economic benefit of using the used infrastructure for each of the projects is studied [5]. The power and safety characteristics of the SMR-160 water-water reactor are analyzed using neutron-physical and thermal-hydraulic calculations. During the neutron-physical calculation, the effective multiplication factor, the effective dimensions of the core, the mass of the loaded fuel were determined and the distribution of the neutron flux density by the radius and height of the core was established. In the thermal-hydraulic calculation, the temperatures of the coolant, cladding and fuel element core, as well as the reserve before the boiling crisis were determined. The economic impact of increasing the fuel enrichment percentage of the small modular reactor SMR-160 from 4.95% to 5.4% has been determined. Calculation of the economic effect, profitability and determination of the payback period of this measure confirm its positive economic impact. An automated system for regulating the water level in the vertical steam generator of the SMR-160 reactor has been developed using the «Kascad-2» microelectronic base.