Атомная энергетика – более основательная альтернатива углю, нефти и газу, чем солнечная или ветроэнергетика. Однако для многих атомные станции ассоциируются скорее с авариями, чем с новыми технологиями. Американские энергетики мечтают вдохнуть в идею мирного атома новую жизнь.
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.
"