Введение
Канадский тяжеловодный ядерный реактор CANDU (Canada Deuterium Uranium) — это канадский реактор на тяжелой воде под давлением, используемый для выработки электроэнергии. В настоящее время ведется работа по разработке малых модульных реакторов. В ответ на это компания SNC Lavalin разработала версию СМР CANDU мощностью 300 МВт, получившую название CANDU SMR, и начала активно продвигать ее на своем веб-сайте. В 2020 году CANDU SMR не был выбран для дальнейшей разработки в рамках канадского демонстрационного проекта. Тем не менее, SNC Lavalin продолжает рассматривать возможность коммерциализации СМР мощностью 300 МВт, в частности, в связи с прогнозируемым ростом спроса, обусловленным необходимостью смягчения последствий изменения климата.
The CANDU (Canada Deuterium Uranium) is a Canadian pressurized heavy water reactor design used to generate electric power. targeting the development of small modular reactors. In response, SNC Lavalin has developed a 300 MWe SMR version of the CANDU, the CANDU SMR, which it has begun to highlight on its website. In 2020, the CANDU SMR was not selected for further design work for a Canadian demonstration project. SNC Lavalin is still looking at marketing a 300 MW SMR in part due to projected demand due to climate change mitigation.
Конструкция и эксплуатация
Основная работа конструкции CANDU аналогична работе других ядерных реакторов. Реакции деления в активной зоне реактора нагревают воду под давлением в первом контуре охлаждения. Теплообменник, также известный как парогенератор, передает тепло во второй контур охлаждения, который приводит в действие паровую турбину с подключенным к ней электрическим генератором (для типичного термодинамического цикла Ранкина). Отработанный пар из турбин затем охлаждается, конденсируется и возвращается в парогенератор в качестве питательной воды. Для окончательного охлаждения часто используется охлаждающая вода из близлежащего источника, такого как озеро, река или океан. Новые АЭС CANDU, такие как Дарлингтонская атомная электростанция вблизи Торонто, Онтарио, используют диффузор для рассеивания теплой воды на большем объеме и снижения воздействия на окружающую среду. Хотя на всех АЭС CANDU, построенных на сегодняшний день, использовалось охлаждение открытого цикла, современные конструкции CANDU способны использовать градирни вместо этого. Конструкция CANDU отличается от большинства других конструкций в деталях активной зоны и первого контура охлаждения. Природный уран состоит из смеси, в основном урана-238, с небольшим количеством урана-235 и незначительным количеством других изотопов. При делении этих элементов высвобождаются высокоэнергетические нейтроны, которые могут вызывать деление других атомов 235U в топливе. Этот процесс гораздо эффективнее, когда энергия нейтронов значительно ниже, чем та, которую реакции высвобождают естественным образом. Большинство реакторов используют ту или иную форму нейтронного замедлителя для снижения энергии нейтронов, или их "термализации", что повышает эффективность реакции. Энергия, теряемая нейтронами в процессе замедления, нагревает замедлитель, и это тепло извлекается для выработки энергии. В большинстве коммерческих реакторов в качестве замедлителя используется обычная вода. Вода поглощает часть нейтронов, что делает невозможным поддержание реакции в природном уране. CANDU заменяет эту "легкую" воду тяжелой водой. Дополнительный нейтрон в тяжелой воде снижает ее способность поглощать избыточные нейтроны, что обеспечивает лучшую нейтронную экономию. Это позволяет CANDU работать на необработанном природном уране или уране, смешанном с широким спектром других материалов, таких как плутоний и торий. Это была основная цель конструкции CANDU: работа на природном уране позволяет избежать затрат на обогащение. Это также дает преимущество с точки зрения нераспространения ядерного оружия, поскольку нет необходимости в обогатительных установках, которые также могут быть использованы для производства оружия.
Каландрия и конструкция топлива
В обычных конструкциях реактора с легкой водой (LWR) всё расщепляющееся ядро помещается в большой сосуд под давлением. Количество тепла, которое может быть удалено единицей охлаждающей жидкости, является функцией температуры; путем повышения давления в ядре вода может нагреваться до значительно более высоких температур перед закипанием, тем самым отводя больше тепла и позволяя ядру быть меньше и эффективнее. Создание сосуда под давлением требуемого размера – значительная задача, и ко времени проектирования CANDU тяжелая промышленность Канады не обладала необходимым опытом и возможностями для литья и механической обработки реакторных сосудов под давлением требуемого размера. Эта проблема усугубляется более низкой делящейся плотностью природного урана, что требует большего реакторного ядра. Эта проблема была настолько серьезной, что даже относительно небольшой сосуд под давлением, первоначально предназначенный для использования в NPD до его перепроектирования в середине строительства, не мог быть изготовлен внутри страны и вместо этого был произведен в Шотландии. Развитие технологии, необходимой для производства сосудов под давлением размером, требуемым для энергетических реакторов большой мощности с замедлителем из тяжелой воды в коммерческих масштабах, считалось маловероятным. В CANDU топливные пучки диаметром около 10 см состоят из множества небольших металлических труб. Пучки содержатся в трубках под давлением внутри большего сосуда, содержащего дополнительную тяжелую воду, действующую исключительно как замедлитель. Этот больший сосуд, известный как каландра, не находится под давлением и остается при гораздо более низких температурах, что значительно облегчает его изготовление. Чтобы предотвратить утечку тепла из трубок под давлением в окружающий замедлитель, каждая трубка под давлением заключена в трубку каландрии. Газ углекислый в зазоре между двумя трубками действует как изолятор. Резервуар замедлителя также служит большим теплоотводом, обеспечивающим дополнительную функцию безопасности. В обычном реакторе с водой под давлением для дозаправки системы требуется остановить ядро и открыть сосуд под давлением. В CANDU необходимо снизить давление только в той единственной трубке, которая дозаправляется. Это позволяет системе CANDU непрерывно дозаправляться без остановки, что является еще одной важной целью проектирования. В современных системах две роботизированные машины крепятся к торцам реактора и открывают концевые крышки трубки под давлением. Одна машина вталкивает новое топливо, при этом отработавшее топливо выталкивается и собирается на другом конце. Значительным эксплуатационным преимуществом онлайн-дозаправки является возможность извлечения неисправного или протекающего топливного пучка из ядра после его обнаружения, что снижает уровни радиации в первом контуре охлаждения. Каждый топливный пучок – это цилиндр, собранный из тонких труб, заполненных керамическими гранулами оксида урана (топливные элементы). В более ранних конструкциях пучок содержал 28 или 37 топливных элементов длиной полметра, при этом 12–13 таких сборок располагались последовательно в трубке под давлением. Новый пучок CANFLEX имеет 43 топливных элемента, с двумя размерами элементов (что позволяет увеличить мощность без плавления самых горячих топливных элементов). Его диаметр составляет около, длина – , вес – , и он предназначен для окончательной замены 37-элементного пучка. Для обеспечения свободного протекания нейтронов между пучками трубки и пучки изготавливаются из нейтронно-прозрачного циркалоя (цирконий + 2,5% мас. ниобия).
Цель использования тяжелой воды
Природный уран представляет собой смесь изотопов: приблизительно 99,28% урана-238 и 0,72% урана-235 по атомной доле. Ядерные энергетические реакторы обычно работают на постоянной мощности в течение длительных периодов времени, что требует постоянной скорости деления. Для поддержания постоянной скорости деления нейтроны, образующиеся при делении, должны вызывать такое же количество делений в других атомах топлива. Это равновесие называется "критичностью". Нейтроны, высвобождаемые при ядерном делении, обладают достаточно высокой энергией и нелегко поглощаются (или "захватываются") окружающим делящимся материалом. Для повышения скорости захвата необходимо уменьшить энергию нейтронов, или "замедлить" их, до максимально возможного низкого значения. На практике нижний предел энергии соответствует энергии, при которой нейтроны находятся в тепловом равновесии с замедлителем. Когда нейтроны приближаются к этому нижнему пределу энергии, они называются "тепловыми нейтронами". В процессе замедления полезно разделять нейтроны и уран, поскольку уран-238 обладает высоким сродством к нейтронам средней энергии ("резонансное" поглощение), но легко делится лишь небольшим количеством быстрых нейтронов с энергией выше ≈1,5–2 МэВ. Поскольку большая часть топливного материала обычно состоит из урана-238, большинство конструкций реакторов основаны на тонких топливных стержнях, разделенных замедлителем, что позволяет нейтронам перемещаться в замедлителе перед повторным попаданием в топливо. Выделяется больше нейтронов, чем минимально необходимо для поддержания цепной реакции; когда уран-238 поглощает нейтроны, образуется плутоний, который помогает компенсировать выгорание урана-235. В конечном итоге накопление продуктов деления, которые поглощают больше нейтронов, чем уран-238, замедляет реакцию и требует перезагрузки топлива. Легкая вода является отличным замедлителем: легкие атомы водорода близки по массе к нейтрону и могут поглощать много энергии при одном столкновении (как столкновение двух бильярдных шаров). Однако легкий водород может поглощать нейтроны, уменьшая их количество, доступное для реакции с небольшим количеством урана-235 в природном уране, что препятствует достижению критичности. Для обеспечения критичности топливо необходимо обогащать, увеличивая содержание урана-235 до полезного уровня. В реакторах с легкой водой топливо обычно обогащается до 2–5% урана-235 (оставшаяся фракция с меньшим содержанием урана-235 называется обедненным ураном). Обогатительные предприятия дороги в строительстве и эксплуатации. Они также могут вызывать опасения в отношении распространения, поскольку их можно использовать для дальнейшего обогащения урана-235 до оружейного материала (90% или более урана-235). Эту проблему можно решить, если топливо поставляется и перерабатывается международно аккредитованным поставщиком. Основное преимущество замедлителя тяжелой воды перед легкой водой заключается в уменьшенном поглощении нейтронов, поддерживающих цепную реакцию, что позволяет использовать более низкую концентрацию делящихся атомов (вплоть до использования необработанного природного урана). Дейтерий ("тяжелый водород") уже содержит дополнительный нейтрон, который поглощает легкий водород, уменьшая тенденцию к захвату нейтронов. Дейтерий имеет вдвое большую массу, чем один нейтрон (в отличие от легкого водорода, который имеет примерно такую же массу); это несоответствие означает, что для замедления нейтронов требуется больше столкновений, что требует большей толщины замедлителя между топливными стержнями. Это увеличивает размер активной зоны реактора и утечку нейтронов. Это также является практической причиной конструкции с каландрами, иначе потребовался бы очень большой сосуд под давлением. Низкая концентрация урана-235 в природном уране также означает, что меньшая часть топлива будет израсходована до того, как скорость деления упадет слишком низко для поддержания критичности, поскольку отношение урана-235 к продуктам деления + урану-238 ниже. В реакторах CANDU большая часть замедлителя находится при более низкой температуре, чем в других конструкциях, что снижает разброс скоростей и общую скорость частиц замедлителя. Это означает, что большинство нейтронов окажутся с более низкой энергией и с большей вероятностью вызовут деление, поэтому реакторы CANDU не только "сжигают" природный уран, но и делают это более эффективно. В целом, реакторы CANDU используют на 30–40% меньше добытого урана, чем реакторы с легкой водой, на единицу произведенной электроэнергии. Это является основным преимуществом конструкции с тяжелой водой; она не только требует меньше топлива, но и, поскольку топливо не нужно обогащать, значительно дешевле. Еще одна уникальная особенность замедлителя тяжелой воды — большая стабильность цепной реакции. Это связано с относительно низкой энергией связи ядра дейтерия (2,2 МэВ), что приводит к расщеплению некоторых быстрых нейтронов и особенно гамма-квантов, высвобождая дополнительные нейтроны. И гамма-кванты, образующиеся непосредственно при делении, и гамма-кванты, образующиеся при распаде продуктов деления, обладают достаточной энергией, а периоды полураспада продуктов деления варьируются от секунд до часов или даже лет. Медленная реакция этих нейтронов, генерируемых гамма-квантами, замедляет реакцию реактора и дает операторам дополнительное время в случае аварийной ситуации. Поскольку гамма-кванты проходят на несколько метров через воду, увеличение скорости цепной реакции в одной части реактора вызовет реакцию со стороны остальной части реактора, что позволит различным отрицательным обратным связям стабилизировать реакцию. С другой стороны, нейтроны деления тщательно замедляются, прежде чем достигнут другого топливного стержня, что означает, что нейтронам требуется больше времени, чтобы переместиться из одной части реактора в другую. Таким образом, если цепная реакция ускоряется в одном участке реактора, изменение будет распространяться на остальную часть активной зоны только медленно, что даст время для реагирования в аварийной ситуации. Независимость энергии нейтронов от используемого ядерного топлива позволяет использовать такую гибкость топлива в реакторе CANDU, поскольку каждый топливный элемент будет испытывать одинаковые условия и оказывать влияние на своих соседей одинаковым образом, независимо от того, является ли делящимся материалом уран-235, уран-233 или плутоний. Канада разработала конструкцию с замедлителем тяжелой воды в послевоенный период для изучения ядерной энергии, не имея доступа к обогатительным предприятиям. Обогатительные системы военного времени были чрезвычайно дорогими в строительстве и эксплуатации, в то время как решение с тяжелой водой позволило использовать природный уран в экспериментальном реакторе ZEEP. Более дешевая обогатительная система была разработана, но Соединенные Штаты засекретили работы по более дешевому процессу газовой центрифуги. Поэтому реактор CANDU был разработан для использования природного урана.
Особенности безопасности
CANDU включает в себя ряд активных и пассивных систем безопасности в своей конструкции. Некоторые из них являются побочным эффектом физической компоновки системы. Конструкции CANDU характеризуются положительным коэффициентом парообразования, а также небольшим температурным коэффициентом мощности, что обычно считается нежелательным в реакторостроении. Это означает, что пар, образующийся в теплоносителе, увеличивает скорость реакции, что, в свою очередь, приводит к образованию большего количества пара. Это одна из многих причин, по которым масса модератора в каландрии поддерживается при более низкой температуре, поскольку даже серьезный паровой инцидент в активной зоне не окажет существенного влияния на общий цикл замедления. Значительное влияние возникнет только в случае закипания самого модератора, а большая тепловая масса обеспечивает медленное развитие этого процесса. Намеренно “инертная” реакция процесса деления в CANDU дает операторам больше времени для диагностики и устранения проблем. Топливные каналы могут поддерживать критическое состояние только при условии их механической целостности. Если температура топливных сборок возрастает до точки их механической неустойчивости, их горизонтальное расположение приводит к прогибу под действием силы тяжести, изменению расположения сборок и снижению эффективности реакций. Поскольку исходное расположение топлива оптимально для цепной реакции, а природный уран обладает низкой избыточной реактивностью, любая значительная деформация прекратит реакцию деления между топливными таблетками. Это не остановит тепловыделение от распада продуктов деления, которое продолжит обеспечивать значительную тепловую мощность. Если этот процесс еще больше ослабит топливные сборки, то давление в трубке, в которой они находятся, в конечном итоге приведет к ее изгибу до соприкосновения с трубкой каландрии, что позволит эффективно передавать тепло в резервуар с модератором. Резервуар модератора обладает значительной теплоемкостью и обычно поддерживается в относительно прохладном состоянии.
Топливный цикл
Конструкция с тяжелой водой позволяет поддерживать цепную реакцию при более низкой концентрации делящихся атомов, чем в водо-водяных реакторах, что дает возможность использовать альтернативные виды топлива; например, "восстановленный уран" (RU), полученный из отработавшего топлива LWR. Реактор CANDU был разработан для использования природного урана с содержанием всего 0,7% 235U, поэтому переработанный уран с содержанием 0,9% 235U является относительно обогащенным топливом. Это позволяет извлечь еще 30–40% энергии из урана. На китайском реакторе Qinshan CANDU использовался восстановленный уран. Разрабатываемый процесс DUPIC (прямое использование отработавшего топлива PWR в CANDU) позволяет перерабатывать его даже без повторной переработки. Топливо спекается на воздухе (окисляется), а затем в водороде (восстанавливается) для получения порошка, из которого затем формируются топливные таблетки для CANDU. Реакторы CANDU также могут воспроизводить топливо из более распространенного тория. Индия изучает эту возможность, чтобы использовать свои природные запасы тория. В отличие от водо-водяных реакторов, CANDU может использовать смесь оксидов урана и плутония (MOX-топливо), плутоний для которого может быть получен как из демонтированного ядерного оружия, так и из отработавшего реакторного топлива. Изотопный состав переработанного плутония не пригоден для создания оружия, но может использоваться в качестве топлива (вместо того, чтобы оставаться ядерными отходами), а использование плутония оружейного качества снижает риск распространения. Если целью является использование плутония или других актинидов из отработавшего топлива, то для более эффективного использования, чем MOX, предлагаются специальные инертные матричные топлива. Поскольку они не содержат урана, эти виды топлива не производят дополнительный плутоний.
Экономика
Нейтронная экономичность замедления нейтронов тяжелой водой и точный контроль за онлайн-заправкой позволяют CANDU использовать широкий спектр топлив, помимо обогащенного урана, например, природный уран, переработанный уран, торий, плутоний и отработавшее топливо LWR. Учитывая стоимость обогащения, это может значительно снизить стоимость топлива. Первоначальные инвестиции требуются в тонны тяжелой воды чистотой 99,75% для заполнения активной зоны и системы теплопередачи. В случае с Дарлингтонской АЭС, стоимость, раскрытая в рамках запроса по свободе информации, оценивает начальную стоимость станции (четыре реактора общей чистой мощностью 3512 МВт) в 5,117 млрд канадских долларов (около 4,2 млрд долларов США по обменному курсу начала 1990-х годов). Общие капитальные затраты, включая проценты, составили 14,319 млрд канадских долларов (около 11,9 млрд долларов США), при этом на долю тяжелой воды пришлось 1,528 млрд долларов, или 11%. Поскольку тяжелая вода менее эффективна, чем легкая вода, в замедлении нейтронов, CANDU требует большего отношения модератора к топливу и большего размера активной зоны для той же выходной мощности. Хотя активная зона на основе каландрии дешевле в строительстве, ее размер увеличивает стоимость стандартных элементов, таких как здание защитной оболочки. В целом, строительство и эксплуатация атомных электростанций составляют около 65% от общей стоимости жизненного цикла; для CANDU затраты на строительство еще более преобладают. Заправка CANDU дешевле, чем у других реакторов, и составляет всего около 10% от общей стоимости, поэтому общая цена за 1 кВт⋅ч электроэнергии сопоставима. Реактор Advanced CANDU следующего поколения (ACR) смягчает эти недостатки, используя легкую воду в качестве теплоносителя и более компактную активную зону с меньшим количеством модератора. Когда CANDU впервые появились, они предлагали значительно лучший коэффициент использования установленной мощности (отношение выработанной мощности к мощности, которая была бы выработана при работе на полной мощности 100% времени), чем LWR аналогичного поколения. Реакторы с легкой водой в среднем тратили около половины времени на дозаправку или техническое обслуживание. С 1980-х годов значительные улучшения в управлении простоями LWR сократили разрыв, при этом несколько блоков достигли коэффициента использования установленной мощности ~90% и выше, а общая производительность американского парка реакторов в 2010 году составила 92%. Реакторы CANDU 6 последнего поколения имеют коэффициент использования установленной мощности 88–90%, но общая производительность в основном определяется старыми канадскими блоками с коэффициентом использования установленной мощности около 80%. Реконструированные блоки исторически демонстрировали низкую производительность, порядка 65%. С тех пор ситуация улучшилась с возвращением в эксплуатацию блоков Брюса A1 и A2, которые после реконструкции (2013+) имеют коэффициент использования установленной мощности 90,78% и 90,38% соответственно. Некоторые АЭС CANDU столкнулись с превышением стоимости строительства, часто из-за внешних факторов, таких как действия правительства. Например, ряд наложенных задержек строительства привели примерно к удвоению стоимости Дарлингтонской АЭС недалеко от Торонто, Онтарио. Технические проблемы и перепроектирование добавили еще около миллиарда к итоговой цене в 14,4 миллиарда долларов. Напротив, в 2002 году два реактора CANDU 6 на станции Qinshan в Китае были завершены в срок и в рамках бюджета, что было достигнуто благодаря строгому контролю над объемом работ и графиком.
Нераспространение ядерного оружия
С точки зрения гарантий против распространения ядерного оружия, CANDU соответствуют аналогичному уровню международной сертификации, как и другие реакторы. Плутоний для первого ядерного взрыва Индии, операции "Улыбающийся Будда" в 1974 году, был произведен в реакторе CIRUS, поставленном Канадой и частично оплаченном канадским правительством с использованием тяжелой воды, поставленной Соединенными Штатами. Помимо двух реакторов PHWR, Индия располагает несколькими защищенными реакторами с тяжелой водой под давлением (PHWR), основанными на конструкции CANDU, и двумя защищенными реакторами с легкой водой, поставленными США. Плутоний извлекается из отработавшего топлива всех этих реакторов; Индия в основном полагается на индийский разработанный и построенный военный реактор под названием Дхрува. Считается, что конструкция была разработана на основе реактора CIRUS, а Dhruva был увеличен для более эффективного производства плутония. Именно этот реактор, предположительно, произвел плутоний для более поздних (1998) ядерных испытаний Индии в рамках операции "Шакти". Хотя тяжелая вода относительно устойчива к захвату нейтронов, небольшое количество дейтерия таким образом превращается в тритий. Этот тритий извлекается на некоторых заводах CANDU в Канаде, главным образом для повышения безопасности в случае утечки тяжелой воды. Газ накапливается и используется в различных коммерческих продуктах, в частности в системах освещения, не требующих внешнего источника питания, и медицинских приборах. В 1985 году Ontario Hydro вызвала споры в Онтарио из-за планов продажи трития в Соединенные Штаты. План, согласно закону, предусматривал продажу только для невоенных целей, но некоторые предполагали, что экспорт мог бы высвободить американский тритий для ядерной программы США. Будущие потребности, по всей видимости, превышают объемы производства, особенно потребности будущих поколений экспериментальных термоядерных реакторов, таких как ITER, для запуска которого требуется до 10 кг трития, а для парка реакторов – десятки килограммов. К 2003 году на сепарационном комплексе Дарлингтон ежегодно извлекалось несколько килограммов трития, незначительная часть которого продавалась. В результате, в 2024 году Канадские ядерные лаборатории объявили о десятилетней программе модернизации существующих заводов CANDU и оснащения их установками для воспроизводства трития. В серии испытаний операции "Шакти" в Индии в 1998 году была включена одна бомба мощностью около сотен килотонн, которую Индия публично назвала водородной бомбой. Неофициальное замечание в публикации BARC "Heavy Water – Properties, Production and Analysis" позволяет предположить, что тритий извлекался из тяжелой воды в реакторах CANDU и PHWR, находящихся в коммерческой эксплуатации. Журнал Janes Intelligence Review цитирует председателя Комиссии по атомной энергии Индии, который признал существование завода по извлечению трития, но отказался комментировать его использование. Индия также способна более эффективно производить тритий путем облучения лития-6 в реакторах.
Производство трития
Тритий, 3H, является радиоактивным изотопом водорода с периодом полураспада 12,3 года. Он образуется в небольших количествах в природе (около 4 кг в год во всем мире) в результате взаимодействия космических лучей в верхних слоях атмосферы. Тритий считается слабоактивным радионуклидом из-за его низкоэнергетических радиоактивных излучений (энергия бета-частиц до 18,6 кэВ). Бета-частицы проходят 6 мм в воздухе и проникают в кожу лишь на 6 микрометров. Биологический период полувыведения трития при ингаляции, проглатывании или абсорбции составляет 10–12 дней. Тритий образуется в топливе всех реакторов; реакторы CANDU производят тритий также в теплоносителе и замедлителе, в результате захвата нейтронов тяжелым водородом. Часть этого трития выходит за пределы герметизации и обычно извлекается; небольшой процент (около 1%) выходит за пределы герметизации и считается обычным радиоактивным выбросом (который также выше, чем у реакторов LWR сопоставимой мощности). Ответственная эксплуатация АЭС типа CANDU включает в себя мониторинг содержания трития в окружающей среде (и публикацию результатов). В некоторых реакторах CANDU тритий периодически извлекают. Типичные выбросы с канадских АЭС типа CANDU составляют менее 1% от национального нормативного предела, основанного на рекомендациях Международной комиссии по радиационной защите (ICRP) (например, максимально допустимая концентрация трития в питьевой воде в Канаде – 7000 Бк/л – соответствует 1/10 предельного значения дозы ICRP для населения). Выбросы трития с других АЭС типа CANDU также невелики. В целом, радиоактивные выбросы атомных электростанций вызывают значительные общественные споры, и для АЭС типа CANDU одной из основных проблем является тритий. В 2007 году организация Greenpeace опубликовала критику выбросов трития с канадских атомных электростанций. Этот отчет подвергся критике Ричарда Осборна.
История
Разработка CANDU прошла четыре основных этапа с течением времени. Первые системы были экспериментальными и прототипными реакторами небольшой мощности. Они были заменены реакторами второго поколения мощностью от 500 до 600 МВт (CANDU 6), серией более мощных реакторов мощностью 900 МВт, и, наконец, привели к разработке CANDU 9 и ACR 1000.
Ранние усилия
Первым реактором с тяжелой водой в Канаде был ZEEP, который начал работу сразу после окончания Второй мировой войны. К ZEEP присоединились несколько других экспериментальных установок, включая NRX в 1947 году и NRU в 1957 году. Эти усилия привели к созданию первого реактора типа CANDU – демонстрационной установки ядерной энергии (NPD) в Рольфтоне, провинция Онтарио. Он был задуман как демонстрация концепции и имел мощность всего 22 МВт, что очень мало для коммерческого энергетического реактора. NPD произвела первую электроэнергию, полученную в результате ядерной реакции, в Канаде и успешно работала с 1962 по 1987 год. Вторым реактором CANDU стал Douglas Point – более мощная версия мощностью около 200 МВт, расположенная недалеко от города Кинкардин, провинция Онтарио. Он был введен в эксплуатацию в 1968 году и работал до 1984 года. Уникальной особенностью Douglas Point среди станций CANDU было наличие окна, заполненного маслом, с видом на восточную сторону реактора, даже во время его работы. Изначально Douglas Point планировался как станция с двумя энергоблоками, но второй блок был отменен из-за успеха более крупных блоков мощностью 515 МВт на станции Pickering. Gentilly 1, расположенный в городе Беканкур, провинция Квебек, недалеко от Трой-Ривьер, также являлся экспериментальной версией CANDU, использующей кипящую легкую воду в качестве теплоносителя и вертикальные каналы давления, но не был признан успешным и был закрыт после семи лет нестабильной работы. Gentilly 2, реактор CANDU 6, начал работу в 1983 году. После заявлений будущего правительства партии Квебек в сентябре 2012 года о закрытии Gentilly, оператор, Hydro Québec, принял решение отменить ранее объявленную модернизацию станции и объявил о ее остановке в конце 2012 года, ссылаясь на экономические причины. Компания начала 50-летний процесс вывода из эксплуатации, который, по оценкам, обойдется в 1,8 миллиарда долларов. Параллельно с классической конструкцией CANDU разрабатывались экспериментальные варианты. WR 1, расположенный в лабораториях AECL в Пинава, провинция Манитоба, использовал вертикальные каналы давления и органическое масло в качестве первичного теплоносителя. Используемое масло имеет более высокую температуру кипения, чем вода, что позволяет реактору работать при более высоких температурах и более низком давлении, чем в традиционном реакторе. Температура на выходе из WR 1 составляла около 490 °C по сравнению с номинальной температурой 310 °C для CANDU 6; более высокая температура и, следовательно, термодинамическая эффективность в некоторой степени компенсируют тот факт, что теплоемкость масел примерно вдвое ниже, чем у воды. Более высокие температуры также приводят к более эффективному преобразованию в пар и, в конечном итоге, в электроэнергию. WR 1 успешно работал в течение многих лет и обещал значительно более высокую эффективность, чем версии с водяным охлаждением.
Конструкции мощностью 600 МВт
Успехи, достигнутые на NPD и Douglas Point, привели к решению о строительстве первой многоблочной станции в Пикеринге, провинция Онтарио. Пикеринг А, состоящий из блоков с 1 по 4, был введен в эксплуатацию в 1971 году. В 1983 году в работу был введен Пикеринг B с блоками с 5 по 8, что обеспечило полную мощность станции в 4120 МВт. Станция расположена в непосредственной близости от города Торонто с целью снижения затрат на передачу электроэнергии. Серия усовершенствований базовой конструкции Пикеринга привела к созданию конструкции CANDU 6, которая впервые была применена в начале 1980-х годов. CANDU 6 по сути являлась переработанной версией электростанции Пикеринг, предназначенной для строительства в виде отдельных реакторных блоков. CANDU 6 использовалась в нескольких установках за пределами Онтарио, включая Gentilly 2 в Квебеке и атомную электростанцию Point Lepreau в Нью-Брансуике. CANDU 6 составляет основную часть зарубежных систем CANDU, включая проекты, экспортируемые в Аргентину, Румынию, Китай и Южную Корею. Только в Индии эксплуатируется система CANDU, не основанная на конструкции CANDU 6.
900 MWe конструкции
Экономика атомных электростанций обычно хорошо масштабируется с увеличением размера. Это улучшение, достигаемое при больших размерах, нивелируется внезапным поступлением значительных объемов электроэнергии в сеть, что приводит к снижению цен на электроэнергию из-за эффектов спроса и предложения. Прогнозы, сделанные в конце 1960-х годов, предполагали, что рост спроса на электроэнергию компенсирует это снижение цен, что побудило большинство разработчиков внедрять установки мощностью около 1000 МВт. За АЭС «Пикеринг А» последовала аналогичная работа по увеличению мощности для АЭС «Брюс», строительство которой велось поэтапно с 1970 по 1987 год. Это крупнейшее ядерное предприятие в Северной Америке и второе по величине в мире (после Касивадзаки-Карива в Японии), оснащенное восемью реакторами мощностью около 800 МВт каждый, общей мощностью 6232 МВт (нетто) и 7276 МВт (брутто). Другая, менее масштабная модернизация привела к разработке проекта АЭС «Дарлингтон», аналогичного АЭС «Брюс», но обеспечивающего около 880 МВт на реактор на четырехблочной станции. Подобно тому, как проект «Пикеринг» был развит в CANDU 6, проект «Брюс» также был развит в аналогичный CANDU 9. Как и CANDU 6, CANDU 9 по сути представляет собой переработку конструкции «Брюс», позволяющую строить его в виде единого реакторного блока. Реакторы CANDU 9 не были построены.
Проекты поколения III+
В 1980-х и 1990-х годах рынок атомной энергетики пережил значительный спад, и в Северной Америке и Европе было построено немного новых электростанций. Работа над проектированием продолжалась, и были разработаны новые концепции, значительно улучшающие безопасность, капитальные затраты, экономическую эффективность и общую производительность. Реакторы поколений III+ и IV вызвали значительный интерес в начале 2000-х годов, поскольку казалось, что начинается ядерный ренессанс и в течение следующего десятилетия будет построено большое количество новых реакторов. AECL работала над проектом, известным как ACR 700, используя элементы последних версий CANDU 6 и CANDU 9, с проектной мощностью 700 МВт. Для этого проекта также требуется использование слегка обогащенного урана, обогащенного примерно на 1-2%. Основная причина этого – повышение коэффициента выгорания топлива, что позволяет дольше использовать топливные сборки в реакторе и, следовательно, производить лишь треть отработанного ядерного топлива. Это также влияет на эксплуатационные расходы и графики, поскольку снижается частота загрузки свежего топлива. Как и в предыдущих проектах CANDU, ACR 1000 также обеспечивает возможность загрузки топлива в процессе работы реактора.
Продажи в Канаде
По большинству показателей, КАНДУ – это "реактор Онтарио". Система была разработана почти целиком в Онтарио, и только два экспериментальных образца были построены в других провинциях. Из 29 коммерческих реакторов КАНДУ, построенных, 22 находятся в Онтарио. Из этих 22 реакторов, некоторые были выведены из эксплуатации. Два новых реактора КАНДУ были предложены для Дарлингтона при финансовой поддержке канадского правительства, но эти планы были прекращены в 2009 году из-за высокой стоимости. AECL активно продвигает КАНДУ в Канаде, но сталкивается с ограниченным интересом. На сегодняшний день в других провинциях построено только два неэкспериментальных реактора, по одному в Квебеке и Нью-Брансуике, в то время как другие провинции сосредоточились на гидро- и угольных электростанциях. Несколько канадских провинций развили значительные объемы гидроэнергетики. Альберта и Саскачеван не располагают обширными гидроресурсами и в основном используют ископаемое топливо для производства электроэнергии. Проявлен интерес в Западной Канаде, где реакторы КАНДУ рассматриваются как источники тепла и электроэнергии для энергоемкого процесса добычи битуминозных песков, который в настоящее время использует природный газ. Energy Alberta Corporation объявила 27 августа 2007 года о подаче заявки на лицензию на строительство новой атомной электростанции в Лак-Кардинал (в 30 км к западу от города Пиc-Ривер, Альберта), с двумя реакторами ACR 1000, которые должны были быть введены в эксплуатацию в 2017 году, производя 2,2 гигаватта (электрической мощности). В 2007 году парламентская комиссия рекомендовала приостановить работы по развитию проекта. Позже компания была приобретена Bruce Power, которая предложила расширить станцию до четырех энергоблоков общей мощностью 4,4 гигаватта. Эти планы не были реализованы, и Bruce Power впоследствии отозвала свою заявку на строительство в Лак-Кардинал, предложив взамен новый участок примерно в 60 км от него. В настоящее время проект фактически заморожен после широких общественных консультаций, которые показали, что хотя около 1/5 населения выразили готовность рассмотреть возможность строительства реакторов, 1/4 были против.
Продажи за рубежом
В 1970-х годах международный рынок ядерных продаж был крайне конкурентным, и многие национальные атомные компании получали поддержку от иностранных посольств своих правительств. Кроме того, темпы строительства в Соединенных Штатах привели к тому, что перерасходы и задержки в завершении проектов в целом прекратились, и последующие реакторы должны были быть дешевле. Канада, относительно новый игрок на международном рынке, имела ряд недостатков в этих усилиях. CANDU был намеренно разработан для снижения потребности в очень крупных механически обработанных деталях, что делало его подходящим для строительства странами, не имеющими развитой промышленной базы. Усилия по продажам имели наибольший успех в странах, которые не могли самостоятельно строить проекты, разработанные другими фирмами. В конце 1970-х годов AECL отметила, что каждая продажа реактора обеспечит работой 3600 канадцев и принесет 300 миллионов долларов дохода в платежный баланс. Эти усилия были направлены главным образом на страны, управляемые диктатурами или подобными режимами, что вызвало серьезную обеспокоенность в парламенте. Эти усилия также привели к скандалу, когда выяснилось, что миллионы долларов были выплачены иностранным торговым агентам, при этом практически отсутствовали записи об их личности или о том, что они сделали для получения этих денег. Это привело к расследованию Королевской канадской конной полиции после вопросов о продажах в Аргентине и введению новых правил о полном раскрытии комиссионных за будущие продажи. Первым успехом CANDU стала продажа ранних конструкций CANDU в Индию. В 1963 году было подписано соглашение об экспорте энергетического реактора мощностью 200 МВт, основанного на реакторе Douglas Point. Успех сделки привел к продаже второго реактора той же конструкции в 1966 году. Первый реактор, тогда известный как RAPP 1 (Атомный энергетический проект Раджастана), начал работу в 1972 году. Серьезная проблема с трещинами в концевом щите реактора привела к длительным простоям, и в конечном итоге мощность реактора была снижена до 100 МВт. Строительство реактора RAPP 2 все еще продолжалось, когда Индия провела первое ядерное испытание в 1974 году, что привело к прекращению ядерного сотрудничества Канады со страной. Частью соглашения о продаже был процесс передачи технологий. После выхода Канады из проекта Индия продолжила строительство реакторов типа CANDU по всей стране. К 2010 году реакторы на базе CANDU работали на следующих площадках: Кайга (3), Какрапар (2), Мадрас (2), Нарора (2), Раджастан (6) и Тарапур (2). В Пакистане Карачинская атомная электростанция мощностью 137 МВт была построена в период с 1966 по 1971 год. В 1972 году AECL представила проект, основанный на заводе Pickering, аргентинской Комиссии по атомной энергии (Comision Nacional de Energia Atomica) в партнерстве с итальянской компанией Italimpianti. Высокая инфляция во время строительства привела к значительным убыткам, а попытки пересмотреть сделку были прерваны военным переворотом в марте 1976 года под руководством генерала Виделы. Атомная электростанция Embalse начала коммерческую эксплуатацию в январе 1984 года. Ведутся переговоры об открытии новых реакторов CANDU 6 в стране, включая сделку 2007 года между Канадой, Китаем и Аргентиной, но на сегодняшний день конкретных планов не объявлено. В 1977 году с Румынией было подписано лицензионное соглашение о продаже конструкции CANDU 6 по цене 5 миллионов долларов за реактор для первых четырех реакторов, а затем по 2 миллиона долларов за каждый из следующих двенадцати. Кроме того, канадские компании должны были поставлять различное количество оборудования для реакторов, примерно 100 миллионов долларов от общей стоимости первого реактора в 800 миллионов долларов, с последующим снижением этой доли со временем. В 1980 году Николае Чаушеску попросил изменить условия поставки, заменив денежные выплаты поставками товаров, в обмен на увеличение доли канадского участия и строительство второго реактора с канадской помощью. Экономические проблемы в стране усугубились на протяжении всего этапа строительства. Первый реактор АЭС "Чернавода" был введен в эксплуатацию только в апреле 1996 года, спустя десять лет после запланированного запуска в декабре 1985 года. Для завершения строительства второго реактора, который был введен в эксплуатацию в ноябре 2007 года, были предоставлены дополнительные кредиты. В январе 1975 года было объявлено о сделке по строительству одного реактора CANDU 6 в Южной Корее, ныне известного как энергетический реактор Wolsong 1. Строительство началось в 1977 году, а коммерческая эксплуатация началась в апреле 1983 года. В декабре 1990 года была объявлена еще одна сделка о строительстве трех дополнительных блоков на той же площадке, которые были введены в эксплуатацию в период с 1997 по 1999 год. Южная Корея также вела переговоры о разработке и передаче технологий с Westinghouse для их передовой конструкции System 80, и вся дальнейшая разработка основана на локально построенных версиях этого реактора. В июне 1998 года началось строительство реактора CANDU 6 на АЭС Циньшань (Qinshan Nuclear Power Plant) в Китае, в рамках третьего этапа (блоки 4 и 5) запланированного комплекса из 11 блоков. Коммерческая эксплуатация началась в декабре 2002 года и июле 2003 года соответственно. Это первые тяжеловодные реакторы в Китае. Циньшань – первый проект CANDU 6, использующий конструкцию реакторного здания с открытым верхом, и первый проект, в котором коммерческая эксплуатация началась раньше запланированной даты. CANDU Energy продолжает маркетинговые усилия в Китае. Кроме того, Китай и Аргентина заключили контракт на строительство реактора CANDU 6 мощностью 700 МВт. Строительство планируется начать в 2018 году на площадке Атуча.
Экономические показатели
Стоимость электроэнергии от любой электростанции может быть рассчитана примерно по одному и тому же набору факторов: капитальные затраты на строительство или платежи по кредитам, привлеченным для финансирования этих затрат, стоимость топлива в расчете на ватт-час, а также постоянные и переменные расходы на обслуживание. В случае ядерной энергетики обычно учитываются две дополнительные статьи затрат: стоимость постоянного захоронения отходов и стоимость вывода станции из эксплуатации по окончании срока ее службы. Как правило, капитальные затраты являются определяющими в цене ядерной энергии, поскольку объем производимой энергии настолько велик, что нивелирует стоимость топлива и обслуживания. По оценкам Всемирной ядерной ассоциации, стоимость топлива, включая все этапы переработки, составляет менее одного цента (0,01 доллара США) за кВт·ч. Информация об экономических показателях реакторов CANDU несколько однобока: большинство реакторов расположены в провинции Онтарио, которая также является наиболее открытой в плане отчетности среди крупных операторов CANDU. Ряд антиядерных организаций, таких как Ontario Clean Air Alliance (OCAA) и Pembina, утверждают, что стоимость каждого проекта CANDU в Онтарио превысила бюджет как минимум на 25%, а в среднем – более чем на 150%. Однако эти утверждения основаны на использовании показателей, выраженных в «текущих долларах», которые не скорректированы с учетом инфляции. С учетом инфляции все станции были построены в рамках бюджета или даже с экономией, за исключением Дарлингтона. Даже с учетом инфляции Дарлингтон значительно превысил бюджет, почти вдвое превысив первоначальную смету, но проект был приостановлен в процессе реализации, что привело к дополнительным процентным выплатам в период высоких процентных ставок – это была особая ситуация, которая вряд ли повторится. В 1980-х годах давление в реакторах Пикеринга А было заменено досрочно из-за неожиданной деградации, вызванной водородным охрупчиванием. Тщательные проверки и техническое обслуживание позволили избежать этой проблемы на более поздних реакторах. В 1999 году все реакторы Пикеринга А и Брюса А были остановлены, чтобы сосредоточиться на повышении эксплуатационной эффективности более новых поколений реакторов в Пикеринге, Брюсе и Дарлингтоне. Перед перезапуском реакторов Пикеринга А компания OPG провела ограниченную программу модернизации. Первоначальные оценки стоимости и сроков, основанные на неполной проработке объема работ, значительно отличались от фактических затрат и сроков, и было принято решение не перезапускать блоки 2 и 3 Пикеринга по экономическим причинам. Аналогичные перерасходы имели место на Брюсе, где блоки 3 и 4 превысили бюджет на 90%, а станция Gentilly 2 была остановлена 28 декабря 2012 года. Исходя из прогнозируемых капитальных затрат и низкой стоимости топлива и обслуживания, в 1994 году прогнозировалось, что электроэнергия, производимая реакторами CANDU, будет стоить менее 5 центов за кВт·ч. В 1999 году компания Ontario Hydro была разделена, а ее генерирующие мощности были реорганизованы в Ontario Power Generation (OPG). Чтобы сделать компании-правопреемники более привлекательными для частных инвесторов, 19,4 миллиарда долларов «застрявшего долга» были переданы под контроль Ontario Electricity Financial Corporation. Этот долг постепенно погашается из различных источников, включая тариф в размере 0,7 цента за кВт·ч на всю электроэнергию, все налоги на прибыль, уплачиваемые операционными компаниями, и все дивиденды, выплачиваемые OPG и Hydro One. По состоянию на октябрь 2022 года Дарлингтон находится на завершающем этапе 10-летнего масштабного проекта модернизации всех четырех блоков, которые достигли расчетного среднего срока службы. Бюджет проекта составляет 12,5 миллиардов долларов, и планируется производить электроэнергию по цене 6-8 центов за кВт·ч. В настоящее время проект реализуется в срок и в рамках бюджета. Блоки 1, 3 и 4 Дарлингтона работали со средним годовым коэффициентом использования установленной мощности 85%, а блок 2 – с коэффициентом 78%. По состоянию на 2010 год модернизированные блоки Пикеринга и Брюса имели коэффициент использования установленной мощности в диапазоне от 59 до 69%. Это включает периоды в несколько лет, когда блоки были остановлены для переоборудования и модернизации. После модернизации коэффициент использования установленной мощности значительно выше: Bruce A1 – 90,78%, Bruce A2 – 90,38% (2013+), Pickering A1 – 71,18% и Pickering A4 – 70,38%. В 2009 году блоки 3 и 4 Bruce A имели коэффициент использования установленной мощности 80,5% и 76,7% соответственно, в год, когда произошел серьезный сбой в работе вакуумного корпуса.