Разработки компактных реакторов и направление движения атомной отрасли в США

Сейчас в западном мире много разговоров о том насколько плоха традиционная энергетика и о ее пагубном влиянии на климат. Однако атомная промышленность США никуда не делась, и чтобы выжить она предлагает техническое решение позволяющее, по крайней мере сгладить тот удар, котрый наносят сейчас сторонники "зеленой " энергетики. В статье, приведенной ниже рассказано о тех технологических решениях, которые могут не дать атомной промышленности США умереть окончательно.

Репутация: как маломощные реакторы спасут репутацию мирного атома

В США много говорят о новом типе реакторов – на порядки менее мощных, чем обычные. Эксперты считают, что будущее энергетики – за гибридной системой, состоящей из традиционных, гигаваттных, и новых, скромных мегаваттных реакторов.

«Раньше, когда требовалась атомная станция, выбора не было: нужно было возводить гигаваттную, – объясняет секретарь по ядерной энергии американского Министерства энергетики Рита Баранвол. – Сейчас, если запросы небольшие, можно построить станцию поменьше». Мегаваттные реакторы (один примерно на 650 домохозяйств) со временем станут дешевле и проще в обслуживании, и тогда их можно будет ставить где угодно. Удаленные поселения, маленькие городки и даже районы мегаполисов смогут выбрать себе ядерный реактор по размеру, заменив им угольные, газовые и дизельные станции, если с другими возобновляемыми источниками энергии в регионе сложно.

Размеры реактора NuScale в 100 раз скромнее, чем у обычного ядерного, а энергии он дает всего в 10 раз меньше

История атомных реакторов началась с установки, которую в 1942 году построил под Чикаго Энрико Ферми. Впоследствии его команда спроектировала еще много разных реакторов – и экспериментальных, и промышленных. Было много оригинальных идей, например реакторы с натриевым и другими теплоносителями. Но как DVD-диски пали перед натиском BluRay, экзотические виды реакторов уступили водяным.

Идею компактного реактора можно проследить до конца 1960-х, когда инженер Ричард Экерт предложил концепцию плавучей АЭС малой мощности. У таких реакторов есть свои преимущества. Во-первых, они дают больше энергии на единицу объема. В 2019 году стартап из Орегона NuScale построил модульный реактор размером всего в 1% от обычного реактора, а энергии вырабатывающий лишь в 10 раз меньше. Во-вторых, в радиусе 15 км от обычного реактора ничего строить нельзя: это буферная зона на случай аварии. Для мегаваттного реактора такую территорию можно вообще не отгораживать. Маленькие размеры и мощность позволяют полностью полагаться на пассивные системы безопасности – такие, которые приводятся в действие не людьми и не автоматикой, а законами физики. В-третьих, к одному маленькому реактору всегда можно добавить второй, третий, десятый – и точно так же уменьшить их число, если потребность в энергии снизится.

Топливо в реакторе USNC загружается в графитовые блоки

Строить атомные реакторы малой мощности планируют многие. Из всех участников энергорынка NuScale – самые большие консерваторы. Их реактор – это традиционная установка с водным теплоносителем, только меньше. К тому же насосы для перекачки охладителя не нужны, а парогенераторы можно спрятать внутри корпуса, а не устанавливать снаружи, как у более мощных аналогов. NuScale утверждает, что такой реактор получается дешевле и проще в эксплуатации, а риски для его операторов ниже, чем для работников обычных АЭС.

При этом энергии здесь вырабатывается больше, чем в других маломощных реакторах. Большинство производителей лицензируют проекты мощностью всего несколько мегаватт, а установка NuScale рассчитана на 60 МВт. Создатели NuScale считают, что лучшее применение их «малыш» найдет в энергосистеме, в которой главную роль будет играть солнечная энергия. В течение дня реактор может работать вполсилы, уступая главную роль солнечным панелям, а ночью включаться на все 100%.

Кэти Хафф из Иллинойсского университета и ее коллеги из Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) предложили еще более компактную конструкцию. Особенность установки в очень малом удельном тепловыделении в активной зоне. «В обычном реакторе этот показатель составляет 20–40 Вт на 1 куб. см, а у нас – от 1 до 3 Вт на тот же объем», – объясняет основатель USNC Лоренцо Виннери. Температура в активной зоне такого реактора будет низкой даже при резкой остановке. Создатели хорошо помнят уроки истории: нестабильность означает риск.

Реактор USNC дает 15 МВт тепловой и 5 МВт электрической энергии

«Топливо для ядерных реакторов разрабатывали с прицелом на подводные лодки, а ведь у них совершенно особые требования к источнику энергии. Разница между атомной подлодкой и АЭС примерно такая же, как между спорткаром и микролитражным автомобилем. Лодке нужно быстро всплывать и погружаться, то есть ей требуется много энергии за короткое время. В обычных АЭС все должно быть иначе».

В реакторе USNC используется цельнокерамическое микрокапсулированное топливо (Fully Ceramic Microencapsulated, FCM), где гранулы оксида урана введены в керамику. Керамический компонент разделяет и защищает уран, отводит от него тепло. По словам Веннери, низкая удельная мощность топлива в сочетании с замедляющими нейтроны графитовыми блоками дают реактор, в котором топливо в принципе не может расплавиться. А значит, эта система гораздо безопаснее, чем обычная, которая полагается на защитные оболочки.

Калифорнийский стартап Oklo в погоне за безопасностью пошел еще дальше – он вообще отказался от традиционной для Штатов схемы реакторов с водным охлаждением. Разработанный здесь микрореактор мощностью 1,5 МВт охлаждается жидким натрием. По словам создателей, их установку можно рассматривать как большую батарейку: все важные детали размещаются внутри корпуса, а одной загрузки топлива хватит на 20 лет. «В атомной промышленности принято наращивать мощность скачками. Мы предлагаем менее амбициозный подход: для планеты так лучше», – говорит сооснователь и директор Oklo Джейкоб ДеВитте.

В реактор Oklo загружается топливо с обогащением 5−20% (high-assay low-enriched uranium, HALEU). На большинстве американских АЭС используется низкообогащенное топливо, содержащее лишь 3% урана-235, который участвует в реакциях деления. Остальное – неделящийся изотоп U-238. Топливо с большим обогащением позволяет повысить мощность – учитывая малые размеры реактора, это важно.

До официальной регистрации реактору Oklo дальше, чем маломощным установкам с водяным охлаждением. «Мы, как и все, делаем реактор, который использует энергию ядерного распада – но на этом сходство заканчивается. Здесь другой охладитель, другое топливо, другая технология», – объясняет сооснователь Oklo Кэролин Кохран. Она и ДеВитте делают ставку на скромные размеры и низкую стоимость строительства. Демонстрационный образец в Национальной лаборатории в Айдахо занимает крошечную для реактора площадку 10х10 м.

Если уподобить энергетику страны кровеносной системе, то роль артерий и вен в ней играют крупные электростанции. Маломощные реакторы со временем могут стать ее капиллярами – и принести энергию в маленькие городки и на острова. «Большие атомные станции строятся в странах, которым нужно снизить долю углеводородов в энергетике. Это, например, Польша или Китай: они возводят АЭС, каждая из которых заменяет сразу несколько угольных ТЭЦ. Там большие электростанции действительно востребованы. Но государствам с меньшими потребностями атомные гиганты ни к чему – им пригодятся такие реакторы, как NuScale, – 20 м в высоту и 3 м в диаметре», – считает энергетик Westinghouse Electric Company Кен Канаван.

Когда на рынке появятся маломощные реакторы, интерес может вернуться и к большим. В будущем к сети придется подключать огромное количество устройств (особую роль в этом, конечно, сыграют электромобили), а значит, потребность в источниках энергии вырастет. Маленькие дизельные генераторы, которые сейчас снабжают энергией удаленные районы, можно будет заменить на атомные или гибридные системы с ядерными реакторами и солнечными и ветряными генераторами.

Сейчас Oklo, USNC и NuScale ориентируются на ограниченные рынки сбыта. Большие АЭС в США постепенно устаревают, а строительству новых мешают предрассудки и мрачная история аварий. Для того чтобы люди снова поверили в мирный атом, нужно найти востребованные области применения для малых реакторов – например, снабжение энергией маленьких городков, до которых не дотянулась электрификация.

Анализ, проведенный в 2020 году в Университете Сассекса, показал, что с 1990 по 2014 год строительство больших АЭС помешало развитию энергетики на возобновляемых ресурсах. Другие исследования более благосклонны к атому: одно, например, прогнозирует резкий скачок популярности возобновляемых источников, сопровождающийся постепенным ростом интереса к атомной энергии. Иными словами, не все считают, что атом и возобновляемые ресурсы обязательно должны конкурировать – они могут сосуществовать, дополняя друг друга.

Если маломощные реакторы найдут своего покупателя, то примерно к 2040 году на рынке появится много вариантов на любой вкус и кошелек. Друг от друга они будут отличаться и устройством, и размерами, и мощностью. «Сейчас развитие идет в сторону персонализации, – отмечает Канаван, – а в атомной энергетике только одна технология способна гибко подстраиваться под потребителя – это маломощные реакторы».