От расплавленной соли до топлива TRISO: вот как технологические достижения могут перевернуть устоявшуюся технологию энергоснабжения.
Все промышленные ядерные реакторы работают примерно одинаково. Атомы радиоактивного материала расщепляются, испуская нейтроны. Эти нейтроны сталкиваются с другими атомами, расщепляя их и вызывая испускание новых нейтронов, которые сталкиваются с другими атомами, продолжая цепную реакцию.
В результате этой реакции выделяется тепло, которое можно использовать напрямую или использовать для превращения воды в пар, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Сегодня такие реакторы обычно используют одно и то же топливо (уран) и теплоноситель (воду), и все они примерно одинакового размера (массивны). На протяжении десятилетий эти гиганты поставляли электроны в энергосети по всему миру. Их популярность резко возросла в последние годы, поскольку опасения по поводу изменения климата и энергетической независимости вытеснили опасения по поводу расплавления активной зоны реактора и радиоактивных отходов. Проблема в том, что строительство атомных электростанций — дорогостоящий и медленный процесс.
Новое поколение технологий атомной энергетики может кардинально изменить внешний вид и принцип работы реактора. Сторонники надеются, что новые технологии смогут обновить отрасль и помочь заменить ископаемое топливо без выбросов парниковых газов.
Во всем мире растет спрос на электроэнергию. Повышение температуры и рост экономики приводят к увеличению количества кондиционеров. Усилия по модернизации производства и сокращению выбросов парниковых газов меняют тяжелую промышленность. Бум искусственного интеллекта приводит к появлению все большего числа энергоемких центров обработки данных.
Атомная энергетика могла бы помочь, но только если новые электростанции будут безопасными, надежными, дешевыми и смогут быть быстро введены в эксплуатацию. Вот как может выглядеть это новое поколение.
Уменьшение размера
Каждая современная атомная электростанция, по сути, является индивидуальной, спроектированной и построенной для конкретного места. Но малые модульные реакторы (ММР) могли бы упростить разработку ядерных реакторов, сделав их более компактными. Уменьшая размеры проектов, компании могли бы строить больше таких реакторов, а затраты могли бы снизиться за счет стандартизации процесса.
Если это сработает, малые модульные реакторы (ММР) могут также открыть новые возможности применения ядерной энергии. Военные базы, изолированные объекты, такие как шахты, или отдаленные населенные пункты, нуждающиеся в электроэнергии после стихийных бедствий, могли бы использовать мобильные реакторы, подобные тому, который разрабатывается американской компанией BWXT в партнерстве с Министерством обороны. Или промышленные предприятия, которым требуется тепло для таких целей, как химическое производство, могли бы установить небольшой реактор, как планирует сделать один химический завод в сотрудничестве с ядерным стартапом X-energy.
Связанная статья
Сегодня в Китае и России работают две электростанции с малыми модульными реакторами (ММР), и, вероятно, другие первые энергоблоки последуют их примеру и начнут поставлять электроэнергию в сеть. В Китае ведется строительство демонстрационного проекта Linglong One на площадке, где уже работают два крупных реактора. Ввод в эксплуатацию ММР ожидается к концу года. В США компания Kairos Power недавно получила разрешение регулирующих органов на строительство Hermes 2, небольшого демонстрационного реактора. Его ввод в эксплуатацию запланирован на 2030 год.
Один из главных вопросов при проектировании небольших реакторов — насколько конвейерный подход действительно поможет снизить затраты. Хотя малые модульные реакторы сами по себе не являются специализированными, они все равно будут устанавливаться на разных площадках, и планирование на случай землетрясений, наводнений, ураганов или других специфических условий на площадке все равно потребует дорогостоящей доработки.
Заправка
Когда речь идет об уране, действительно важным показателем является концентрация урана-235, типа, способного поддерживать цепную реакцию (большая часть урана представляет собой более тяжелый изотоп, U-238, который не может этого делать). Природный уран содержит около 0,7% урана-235, поэтому для его использования необходимо обогатить его, концентрируя этот изотоп.
Материал, используемый для ядерного оружия, высокообогащен, с концентрацией U-235 более 90%. В современных коммерческих ядерных реакторах в качестве топлива используется гораздо менее концентрированный материал, как правило, с содержанием U-235 от 3% до 5%. Однако в новых реакторах эта концентрация может быть повышена за счет использования класса материалов, называемых высокообогащенным низкообогащенным ураном (HALEU), содержание U-235 в котором колеблется от 5% до 20% (что все еще значительно ниже уровня обогащения, необходимого для создания ядерного оружия).
Более высокая концентрация означает, что высокообогащенный уран может поддерживать цепную реакцию гораздо дольше, прежде чем потребуется дозаправка реактора. (Насколько дольше — зависит от концентрации: чем выше обогащение, тем больше интервал между дозаправками.) Более высокие процентные показатели также позволяют использовать альтернативные топливные архитектуры.
В современных атомных электростанциях обычно используется топливо, спрессованное в небольшие гранулы, которые, в свою очередь, укладываются внутри больших стержней, заключенных в циркониевую оболочку. Однако из урана с более высокой концентрацией можно получить триструктурное изотропное топливо, или TRISO.
ДЖОН МАКНЕЙЛВ установке TRISO используются мельчайшие ядра урана, менее миллиметра в диаметре, покрытые слоями углерода и керамики, которые содержат радиоактивный материал и любые продукты реакций деления. Производители встраивают эти частицы в цилиндрические или сферические гранулы из графита. (Фактическое топливо составляет относительно небольшую часть объема этих гранул, поэтому важно использовать материал с более высоким обогащением.)
Гранулы представляют собой встроенный механизм безопасности, систему герметизации, способную противостоять коррозии и выдерживать нейтронное облучение и температуры выше 3200 °F (1800 °C). Реакции деления происходят безопасно внутри всех этих защитных слоев, которые спроектированы таким образом, чтобы тепло могло выходить наружу, отводиться теплоносителем и использоваться.
Охлаждение
Охлаждающая жидкость в реакторе регулирует температуру и передает тепло из активной зоны туда, где оно используется для образования пара, который затем может генерировать электроэнергию. В большинстве реакторов для этой цели используется вода, которая поддерживается под сверхвысоким давлением, оставаясь в жидком состоянии во время циркуляции. Но новые компании заново изобретают этот процесс, используя другие материалы — газ, жидкий металл или расплавленную соль.
В этих реакторах контуры охлаждения могут работать при гораздо более высоких температурах, чем это возможно с водой — до 500 °C, в отличие от максимума в 300 °C. Это полезно, потому что при высоких температурах легче перемещать тепло, а более горячая среда более эффективно производит пар.
Альтернативные теплоносители также могут способствовать повышению безопасности. Контур водяного охлаждения работает при давлении, более чем в 100 раз превышающем стандартное атмосферное. Поддержание герметичности — сложная, но жизненно важная задача: утечка, позволяющая теплоносителю вытекать наружу, может привести к расплавлению реактора.
С другой стороны, металлические и солевые охлаждающие жидкости остаются жидкими при высоких температурах, но при более управляемом давлении, близком к одной атмосфере. Поэтому в конструкциях следующего поколения не требуется усиленное оборудование для защиты от высокого давления.
Однако эти новые охлаждающие жидкости, безусловно, создают свои собственные сложности. Например, расплавленная соль может вызывать коррозию в присутствии кислорода, поэтому разработчикам приходится тщательно выбирать материалы, используемые для создания системы охлаждения. А поскольку металлический натрий может взорваться при контакте с водой, герметичность имеет ключевое значение в конструкциях, использующих его.
В конечном итоге, реакторы, использующие альтернативные теплоносители или новые виды топлива, должны будут продемонстрировать не только свою способность вырабатывать электроэнергию, но и достаточную надежность для безопасной и экономичной эксплуатации в течение десятилетий.
Источник: www.technologyreview.com
