Ядерные инновации

Первые усовершенствованные ядерные реакторы третьего поколения эксплуатируются в Японии с 1996 года. С тех пор технология быстро развивалась. Более новые, усовершенствованные модели, которые строятся в настоящее время, имеют более простую конструкцию, что снижает их производственные и эксплуатационные расходы. Они также более эффективны и безопасны. Кроме того, уже строятся реакторы меньшей мощности, до 300 МВт, что через несколько лет может вызвать много путаницы на атомном рынке.

Технология ядерных реакторов развивается уже несколько десятков лет (см. также:). Модели первого поколения были разработаны в 1950-1960 годах. Конструкции второго поколения преобладают сегодня в мощных атомных флотах США и Франции. Они также широко распространены во многих странах мира. В классификациях выделяют и третье поколение (и третье+), хотя его отличие от «двойки» остается вполне условным.

Стоит иметь в виду, что более 85% электроэнергии в мире, вырабатываемой на атомных электростанциях, приходится на реакторы, которые разрабатывались на основе преимущественно военных проектов.

Это имеет большие последствия для мировой атомной энергетики, в том числе негативные. Есть надежда, что они были разработаны реакторы четвертого поколения это будут гражданские проекты в строгом смысле этого слова, но пока они только на стадии НИОКР или самой концепции.

Желаемый номер четыре

Современные реакторы третьего поколения имеют более стандартизированную конструкцию, чем реакторы предыдущих поколений, что ускоряет процесс утверждения, снижает затраты и время строительства, а также имеет более простую, прочную и безопасную конструкцию с более длительным сроком службы, обычно шестьдесят лет.

Эти типы реакторов также лучше используют топливо, оставляя меньше отходов. Реакторы четвертого поколения должны развить все желаемые черты самых современных блоков, хотя спецификации, международные стандарты и требования к ним еще не доработаны. Наиболее известными и перспективными конструкциями являются реакторы с натрием (SFR) или расплавом солей (MSR) в качестве теплоносителя.

Реактор с солевым охлаждением был впервые успешно введен в эксплуатацию еще в 1954 году, но США все же остановили свой выбор на моделях с водяным охлаждением и прекратили поддержку альтернативных проектов. В настоящее время, например, Россия с 2016 года производит электроэнергию на усовершенствованном реакторе SFR, который сжигает радиоактивные отходы.

Существуют и другие концепции охлаждения на этапе исследований и строительства испытательных установок. Для четвертого поколения выделяют шесть – помимо упомянутых выше натрия и соли есть идеи использования сверхкритической воды (СКВР), газ (СКФ) и привести (LBE). Шестая концепция – высокотемпературные реакторы (ВХТР) с графитом в качестве замедлителя, прототип которого построили китайцы, заключив радиоактивное топливо в графитовые сферы.

Из шести возможных дизайнов последнего поколения, как правило, наибольшее доверие вызывает реактор на расплаве солей (MSR) с жидким топливом. В качестве хладагента используются расплавленные соли фтора или хлорида.

Поскольку топливом является торий, производство плутония и других долгоживущих актинидов остается очень низким, поскольку этот процесс следует цепочке распада. ²³²Th вместо ²³⁸U. Кроме того, для инициирования тория можно использовать плутоний и другие трансурановые отходы. Это означает, что ядерные отходы могут использоваться как часть топливной смеси в МСР.

Расплавленные соли обладают отличными свойствами теплопередачи, высокой температурой кипения, высокой теплоемкостью и низким радиационным повреждением. Поэтому реактор этого типа может работать при гораздо более безопасном давлении, чем другие конструкции, и более эффективно отводит тепло от активной зоны, а также предотвращает плавление и взрыв. Кроме того, топливо в МСР используется даже на 90 %, по сравнению с 3-4 % для популярных водяных реакторов.

После попадания нейтронов высокой энергии трек превращается в делящийся ²³³U, который производит меньше долгоживущих радиоактивных отходов, чем z ²³⁵U, которые в настоящее время используются на атомных электростанциях. Он еще не использовался в ядерной энергетике, поскольку традиционно ассоциировался с исследованиями ядерного оружия, урана и плутония.

Трасса не привлекательна для военных. Недавно NRG, Центр ядерных исследований Петтена (1) на побережье Северного моря в Нидерландах, в сотрудничестве с Европейской комиссией начал использовать трек в качестве топлива и расплавленную соль в качестве хладагента (SALIENT).

1. Реактор на расплавленной соли с гусеницей в качестве топлива в Петтене в Нидерландах.

Быстрые реакторы с натриевым охлаждением (SFR) они подходят для обработки высокоактивных отходов, в частности плутония и других актиноидов. В качестве хладагента вместо воды используется жидкий металл (натрий). Это позволяет теплоносителю работать при более высоких температурах и более низких давлениях, чем в существующих реакторах, повышая эффективность и безопасность системы.

SFR также использует спектр быстрых нейтронов, что означает, что нейтроны могут делиться без предварительного замедления, как это имеет место в действующих реакторах.

Очень высокотемпературный реактор (VHTR) охлаждается потоком газа и предназначен для работы при высоких температурах, обеспечивая чрезвычайно эффективное производство электроэнергии. Высокотемпературный газ также можно использовать в энергоемких процессах, в которых в настоящее время используется ископаемое топливо, таких как производство водорода, опреснение, централизованное теплоснабжение, переработка нефти и производство аммиака.

Складные реакторы как Lego

Если предстоит строительство новых атомных электростанций, они должны быть намного дешевле, чем раньше.

Энергетические компании вынуждены искать более эффективные атомные решения после таких историй, как неудачные инвестиции в традиционную атомную электростанцию ​​в Южной Каролине, США. Затраты на его строительство увеличили счета потребителей за электроэнергию на пятую часть, а после утопления 9 миллиардов долларов строительство завода было остановлено. Подобные события имели место и в других странах, например, в Великобритании. В Финляндии строительство нового реактора на электростанции Олкилуото отстает от графика уже на восемь лет и превышает бюджет более чем на 6,5 млрд долларов.

Эти шесть концепций кажутся более эффективными и безопасными, чем действующие сегодня стандарты, что значительно снижает затраты на внедрение, но эксперты хотят большего – им нужны модульные реакторы, сделанные из готовых блоков, сделанных в заводских условиях, собранных как Лего, и малые реакторы (ММР), которые намного гибче в использовании.

Есть много стартапов, работающих над миниатюрными конструкциями. Многие обещают, как и Oklo, системы, готовые к 2025 году. Более известная компания NuScale считается лидером в области мини-ядерных технологий и намерена к 2026 году построить дюжину 60-мегаваттных реакторов совместно с Associated Municipal Power Systems штата Юта.

MIT Tech Review, однако, охлаждает оптимизм и отмечает, что менее десяти лет назад подобные вещи уже обещал небольшой производитель модульных реакторов, похожий на NuScale, но план рухнул после того, как не удалось найти достаточное количество клиентов.

Другая инновационная компания TerraPower, основанная Биллом Гейтсом, надеется запустить прототип в 20-х годах.реактор на опережающей волне»(ДВР). Концепция TWR существует уже несколько десятилетий. Вместо того, чтобы полагаться исключительно на обогащенный уран, обедненный уран, особенно отходы, оставшиеся на обогатительных фабриках, должен использоваться в качестве топлива для перезарядки.

Вначале используется обогащенный уран, но потом десятилетиями реакторы могут работать на обедненном уране. Жидкий натрий используется в качестве теплоносителя, передающего тепло от реактора на вращение паровой турбины.

Сторонники TWR говорят, что такие реакторы остаются более безопасными, чем традиционные модели с водяным охлаждением, потому что они работают при более низком давлении и не подвержены взрыву с разбросом топлива, подобному тому, который произошел в 1986 году в Чернобыле. Однако некоторые специалисты считают, что работа с жидким натрием крайне затруднена из-за возможности утечки и высокой химической активности материала.

Другая технология из той же лаборатории, известная как Быстрый реактор с расплавленным хлором (MCFR), не так продвинут в работе, но обещает дальнейшее повышение эффективности и экономичности. Реакторы MCFR будут использовать расплав соли как в качестве теплоносителя, так и в качестве топливной среды.

Однако на данный момент компания Transatomic Power, производящая реакторы на расплавленной соли, приостановила свою деятельность в сентябре 2018 года, полагая, что не может завершить свои проекты. Компании модульных реакторов часто страдают от потери интереса инвесторов. В 2011

У Generation mPower, разработчика малых ММР, были контракты на строительство до шести реакторов типа NuScale, но инвестиции были отложены, а отсутствие заказов в итоге привело к закрытию всего проекта.

К счастью, постоянно появляются новые инициативы. Канадская компания Terrestrial Energy планирует построить электростанцию ​​мощностью 190 МВт в Онтарио, где к 2030 году первые небольшие реакторы на расплавленной соли будут производить энергию по стоимости, конкурентоспособной по сравнению с инвестициями с использованием природного газа в ведущей роли.

Мы уже знаем как минимум об одном реакторе четвертого поколения, который вскоре может быть введен в эксплуатацию.

Сообщается, что у государственной Китайской национальной ядерной корпорации есть прототип высокотемпературного реактора. мощность 210 МВткоторый в этом году должен быть подключен к сети в восточной провинции Шантунг. Он охлаждается гелием и может работать при температурах до 1000°С.

Еще один проект из Поднебесной — инициатива Минприроды Китая по строительству малого модульного реактора. ACP100 в Чанцзяне, Хайнань. Она будет введена в эксплуатацию уже в 2025 году, а целевая мощность составит 125 МВт.

После нескольких предыдущих неудачных проектов, включая полный отказ в 2014 году от попыток выхода на рынок ММР, компания Westinghouse, чья ядерная технология серьезно рассматривается польскими властями в контексте внутренних инвестиций в атомную энергетику, которая готовилась годами, объявляет о многомиллионных инвестициях, чтобы продемонстрировать готовность своей микрореактор eVinci (2) мощностью 25 МВт для нормальной эксплуатации уже в 2022 г.

2. Схема микрореактора eVinci от Westinghouse.

Согласно журналу Power Magazine, проект eVinci будет работать автономно. Активная зона реактора представляет собой прочный стальной монолит, в котором расположены каналы для твэлов, замедлителя (металлогидрид) и тепловых труб, расположенных шестигранно, также выполняющих роль теплоносителя между топливными каналами и тепловыми трубами. Последний будет извлекать тепло из активной зоны по технологии, основанной на теплопроводности и фазовом переходе жидкости. Технологическое тепло до 600°C будет использоваться для нефтехимической и других промышленных целей.

Другие лидеры «малой» атомной энергетики, россияне, похоже, делают ставку на плавучие электростанции.

Государственная атомная компания «Росатом» завершила строительство первой промышленной плавучей атомной электростанции, после чего успешно отбуксировала ее до места назначения на Дальнем Востоке России, где доступ к энергии затруднен.

Плавучая электростанция Академический омоносов размещает два 35-мегаваттных реактора по проекту атомной электростанции, расположенных на плавучей платформе и способных по 70 100 кубометров выдавать в город XNUMX МВт электроэнергии. жители.

Эксперименты с малыми модульными реакторами ММР проводятся во многих странах. В Великобритании он работает над этим Rolls-Royce (3), а в Китае вышеупомянутая компания CNNC, которая, как и Россия, хочет ставить аппараты на суда.

3. Rolls-Royce Mini-Actor Vision

Однако эксперты твердо утверждают, что ММР не заменят крупные промышленные реакторы. На единицу полученной мощности инвестиционные затраты на их строительство намного выше, чем на построенных до сих пор атомных электростанциях.

А так как пока это прототипы, точные затраты пока даже не известны. Однако есть подозрение, что эффект масштаба — в данном случае мелкомасштабный — будет работать против них.

По мнению специалистов, в том числе авторов доклада Польского национального центра ядерных исследований, реакторы ММР могут представлять собой ценное дополнение энергетические системы – например, для электростанций, которые до сих пор эксплуатировались в специальных целях.

Теоретически они также могут быть отличным решением для локаций, удаленных от передающих сетей (например, север России, США) или в странах с низкой общей мощностью энергосистемы, где использование больших блоков затруднено из-за баланса в сети.

Временные саркофаги

Разработчики новых типов реакторов часто подчеркивают способность их конструкции «сжигать» или обезвреживать опасные радиоактивные отходы.

Вопрос обращения с такими отходами продолжает оставаться одной из самых серьезных проблем атомной энергетики и основной причиной общественного противодействия дальнейшему развитию атомной энергетики.

Дело вернулось в мировые СМИ несколько месяцев назад с сообщениями об угрозе обвала. Рунит Купол (4) – огромный бетонный купол на Маршалловых островах, в котором хранятся ядерные отходы, в том числе крайне опасный изотоп ²³⁹Pu. Продукты ядерных реакций происходят от 67 взрывов ядерных бомб, которые произошли в период с 1946 по 1958 год. В ядерной могиле содержится целых 110 XNUMX взрывов. м³ радиоактивные материалы.

Выяснилось, что из-за проникновения соленых вод Тихого океана конструкция начала трескаться. Возможная утечка — грозящая буквально в любой момент — может иметь глобальные последствия, большие, чем Чернобыль или Фукусима. Объект был быстро построен в 1979 году, когда Министерству энергетики США стало известно о катастрофическом воздействии опасных веществ на морскую экосистему. Проблема в том, что тогда не предполагалось, что объект не будет модернизироваться в течение многих десятилетий.

В свою очередь, знаменитый чернобыльский реактор №4 останется небезопасным для ддесятки тысяч лет. В июле 2019 года, через тридцать три года после взрыва, 200 тонн урана, плутония, жидкого топлива и облученной пыли были наконец окружены стальным и бетонным саркофагом площадью 40 1,5 квадратных футов. тонн на сумму XNUMX млрд евро. Новый саркофаг будет благополучно стоять около ста лет, после чего, к сожалению, его состояние начнет ухудшаться, и будущим поколениям придется решать, что делать дальше.

Радиоактивный материал обычно производится в больших количествах на каждом этапе производства ядерной энергии, от добычи и обогащения урана до эксплуатации реакторов и переработки отработавшего топлива.

За восемьдесят лет атомной энергетики построено 450 промышленных реакторов, а также множество экспериментальных станций и десятки тысяч ядерных боеголовок, накоплен большой запас отходов разного уровня.

«Неразрешимая проблема»

По данным Международного агентства по атомной энергии, только около 0,2-3% объема приходится на отходы высокого уровня активности (5). Это опаснейший материал, остающийся радиоактивным десятки тысяч лет.

Он требует постоянного охлаждения и защиты и содержит 95% радиоактивности, связанной с производством ядерной энергии. Еще 7% по объему, известные как отходы средней активностисостоит из элементов реактора и графитовых сердечников.

Это тоже очень опасный набор, но его можно хранить в специальных контейнерах, потому что он не выделяет слишком много тепла. Остальное – огромные суммы так называемого низкоактивные и очень низкоактивные отходы, в основном состоящий из металлолома, бумаги, пластика, строительных элементов и любых других радиоактивных материалов, связанных с эксплуатацией и демонтажем ядерных установок.

Считается, что ок. 22 вида. м³ твердые отходы высокого уровня активности, а также неизвестные количества в Китае, России и на военных базах.

Еще 460 тысяч. м³ захороненные отходы характеризуются умеренной активностью. И около 3,5 млн м³ относятся к низкоактивным отходам. Однако это только официальные оценки. Реальное количество радиоактивных отходов может быть намного больше. В некоторых отчетах говорится, что только в Соединенных Штатах ежегодно производится до 90 XNUMX штук. м³ высокоактивные отходы.

На заре ядерной энергетики практически не рассматривались любые виды отходов. Власти, в т.ч. Затем англичане, американцы и русские сбросили их в море или реки, в том числе более 150 XNUMX человек. тонн низкоактивных отходов. С тех пор были потрачены миллиарды долларов, пытаясь выяснить, как лучше всего сократить объем производства, а затем сохранить его для вечности.

Многие идеи уже появились, но большинство из них было отвергнуто как непрактичное, слишком дорогое или экологически неприемлемое. К ним относятся, в том числе запускать отходы в космос, изолировать их в синтетической породе, закапывать в слои льда, сбрасывать на самые изолированные острова в мире и сбрасывать в самые глубокие океанские впадины в мире.

Предлагаемые решения, основанные не на переработке (например, в реакторах четвертого поколения), а на хранении, можно разделить на две группы: упаковка и размещение в каком-нибудь, желательно отдаленном и уединенном месте, или связывание радиоактивного вещества в виде цемента, соли, стекла, шлака, а также положить в безопасное место.

В США по закону все американские высокоактивные отходы должны отправляться на Юкка Маунтинс в Неваде, примерно в 140 км к северо-западу от Лас-Вегаса — с 1987 г. обозначен как глубокое геологическое хранилище. Однако этот судебный запрет привел к постоянным юридическим, нормативным и конституционным проблемам, став предметом политических разногласий.

Индейцы шошоны, жители Невады и другие группы годами борются против свалки. Несмотря на то, что там был прорублен огромный туннель (6), разрешение на его использование так и не было выдано, и территория в настоящее время практически безлюдна. Неизвестно даже, что с ним делать, хотя администрация президента Трампа хочет вернуться к проекту.

6. Вход в хранилище ядерных отходов в Маунт-Юкка, Невада.

В Великобритании правительство предлагало деньги местным сообществам, но не смогло убедить какое-либо местное правительство поддерживать постоянное глубокое хранилище отходов.

Массовые протесты против захоронения радиоактивных обломков во Франции и Германии способствовали популярности Партии зеленых и на неопределенный срок задержали или остановили работы над предложенными могильниками. Только Финляндия, похоже, близка к завершению строительства глубокого могильника высокоактивных отходов.

В мае начались работы по «инкапсуляционному» заводу, где отходы будут упаковываться в медные канистры и вывозиться в подземные тоннели глубиной до 500 м. Однако долгосрочная сохранность канистр пока вызывает сомнения.

— пишет Пол Дорфман, основатель Nuclear Consulting Group, группы международных ученых и независимых экспертов в области радиоактивных отходов, ядерной политики и экологических рисков, в The Guardian.

-.

Лазерная трансмутация

Однако поиск осмысленных понятий продолжается. Недавно, вдохновленная гидроразрывом пласта, возникла идея бурения вертикальных скважин глубиной до 5 метров. мне инъекционный в расщелины горных пород неприятного вещества, что-то похожее на трещиноватость в процессе добычи сланцевого газа.

Deep Isolation, основанная Лиз Мюллер и ее отцом Ричардом Мюллером, профессором Калифорнийского университета в Беркли, известна такими проектами. Некоторые ученые говорят, что этот вариант является многообещающим, но возникают сомнения, поскольку извлечение отходов вертикального бурения может оказаться практически невозможным.

Другая технология, известная как трансмутациянаправлен на снижение радиотоксичности за счет использования лазеров для преобразования (трансмутации) атомов в опасные изотопы. Его изучали десятилетиями в Великобритании, США, Швеции и других странах, но без особого успеха.

Однако к этой идее вернулись в декабре 2018 года благодаря французскому физику Жерарда Муру (7), лауреат Нобелевской премии, который в своей лекции по случаю вручения Нобелевской премии рассказал о возможности использования лазерных лучей для нейтрализации радиоактивных атомных ядер.

Муру говорит, что время возникновения аварийной ситуации с радиоактивными отходами потенциально может быть сокращено с тысяч лет до нескольких… минут! Однако он резервирует, что лазерный вариант для радиоактивных отходов, который он и проф.

Тошики Таджима из Университета Ирвина в Калифорнии нуждается в еще многих годах исследований. Муру и Тадзима хотят создать супер быстрый ускоритель управляемый лазером, производящим пучок протонов, который может проникать сквозь атомы. Основная задача — укоротить балку — решить ее непросто.

Возможно, окончательным решением проблем снова станет термоядерный синтез. К 2030 году Китай объявляет о строительстве нового гибридного реактора (8), который сможет «сжигать» радиоактивные отходы путем ядерного синтеза.

8. Визуализация перспективного ядерного гибридного реактора

Традиционные атомные электростанции производят большое количество отходов, основным компонентом которых является уран-238, который нельзя использовать в современных реакторах деления. Предлагаемый гибридный реактор будет использовать ядерный синтез для разложения. ²³⁸Теоретически можно даже перерабатывать отходы традиционных реакторов в новое топливо.

Проект разрабатывается в Китайской инженерно-физической академии в Сычуани, сверхсекретном военном исследовательском центре, который также проводит эксперименты с китайским ядерным оружием. Сердцем предлагаемой гибридной силовой установки будет термоядерный реактор, работающий от электрического тока в 60 триллионов ампер.

Реактор будет закрыт оболочкой, наполненной ураном-238. Высокоскоростные нейтроны, генерируемые синтезом, расщепляют атомы. ²³⁸U, который мог бы производить большое количество энергии для поддержки синтеза и, таким образом, значительно уменьшать количество энергии, поступающей извне. Вся система будет направлена ​​на полное потребление ядерного топлива и предотвращение образования каких-либо радиоактивных отходов.

проф. Ван Хунвэнь, заместитель директора проекта гибридного реактора, в своем заявлении для прессы сообщил, что ключевые компоненты будут разработаны и испытаны уже примерно в 2020 году, а экспериментальный реактор будет завершен к 2030 году. По его мнению, гибридный реактор может быть легче построить отчасти потому, что ему требуется только пятая часть внешней энергии реактора «чистого ядерного синтеза», чтобы поддерживать его работу.