Не производят ядерные отходы, дольше работают и безопаснее: какими будут ядерные реакторы в 2020-х годах

7 февраля 2019

Атомные реакторы, разработанные за всю историю атомной энергетики, принято относить к трём поколениям. К первому поколению относятся опытные образцы энергетических реакторов, на основе которых были построены и эксплуатировались некоторые АЭС (например ВВЭР-440/230). Продолжительность работы АЭС первого поколения — 30–40 лет.

Ко второму поколению относят ядерные реакторы, созданные до конца 1990-х годов. Реакторы обладают улучшенной системой безопасности и могут работать до 60 лет.

В АЭС третьего поколения была улучшена топливная технология, повышена эффективность, что привело к снижению эксплуатационных расходов. В реакторы встроена пассивная система безопасности. Продолжительность работы реакторов третьего поколения — 80 лет.

Сейчас как в России, так и за рубежом разрабатываются ядерные реакторы четвёртого поколения.

Сегодня существуют десятки различных типов реакторов, которые отличаются друг от друга топливом, замедлителем и теплоносителями. В странах с развитой атомной наукой и техникой (в России, США, Франции, Великобритании и других) совершенствуют проекты существующих АЭС и разрабатывают новые реакторы.

В 1990-е годы основные усилия в атомной энергетике были направлены на повышение безопасности реакторов и внедрение пассивных систем безопасности. Последние введённые в строй реакторы относятся к поколению 3+. Сейчас акцент делается на создание реакторов четвёртого поколения.

В России это поколение представляют реакторы на быстрых нейтронах с металлическим теплоносителем, например БН, БРЕСТ. (Такие реакторы безопаснее реакторов третьего поколения и позволяют использовать в качестве топлива не только уран-235, который используется в ядерных реакторах сейчас, но и уран-238, которого в природе значительно больше, а также торий и другие радиоактивные материалы, — vc.ru.)

Есть и другие инновационные российские разработки — например, проекты высокотемпературных газовых реакторов различного назначения и уровня мощности, ториевые реакторы и так далее.

Terrestrial Energy

При разработке реакторов первого поколения было создано множество прототипов этих устройств, работающих на различных принципах: водные реакторы, реакторы на расплавах солей и так далее. Каждый из них обладал как преимуществами, так и недостатками.

В итоге наибольшее распространение получили реакторы с водным охлаждением, потому что в те годы решить проблемы, возникающие с реакторами на расплавах солей, не удалось. Однако реакторы такого типа безопаснее водных и могут использовать в качестве топлива не только редкий уран-235, но и другие виды радиоактивных материалов.

В связи с развитием науки и техники некоторые проблемы жидкосолевых реакторов стало возможным разрешить, поэтому в последнее время появилось немало проектов реакторов такого типа.

Реактор на расплавах солей (жидкосолевой реактор, ЖСР, MSR) — один из видов ядерных реакторов, в которых в качестве основы охлаждающей жидкости используется смесь расплавленных солей. Эта смесь может работать при высоких температурах, оставаясь при этом при низком давлении.

Основные плюсы такого реактора — низкое давление в корпусе, возможность замены горючего без остановки реактора, высокая топливная эффективность, меньший радиоактивный износ материалов конструкции и так далее.

Недостатки — необходимость организовать переработку топлива на АЭС, высокая коррозия от расплавов солей, которая требует разработки новых конструкционных материалов для реакторов.

Проект реактора на расплавах солей разрабатывает канадская компания Terrestrial Energy, созданная в 2013 году. Кодовое название проекта — IMSR-400. Мощность реактора — 400 МВт (для сравнения: мощность современных водных реакторов превышает 1000 МВт). Реакторы IMSR-400 будут модульными, чтобы при необходимости на АЭС можно было поставить сразу несколько реакторов.

Компания Terrestrial Energy была основана Дэвидом Лебланом, профессором Карлтонского университета Оттавы (Канада), экспертом в области реакторов на расплавах солей. Генеральным директором компании является Саймон Айриш, ранее работавший в нескольких инвестиционных фондах.

В случае аварии на водных АЭС вода, охлаждающая реактор, может вытечь, и предотвратить расплавление реактора будет невозможно, что приведёт к радиоактивному заражению местности.

Соль в реакторе, который намеревается построить Terrestrial Energy, при нагревании расширяется, расталкивая атомы урана и замедляя реакцию (чем дальше атомы урана друг от друга, тем меньше вероятность того, что пролетающий нейтрон разделит их, запустив следующую цепочку реакций). Поэтому, по словам Саймона Айриша, даже если операторы отключат системы безопасности и уйдут, соль продолжит охлаждать АЭС.

Для создания реактора IMSR компания Terrestrial Energy использует наработки Окриджской национальной лаборатории, в которой с 1965 по 1969 год работал исследовательский реактор на расплавах солей тепловой мощностью 10 МВт.

В Канаде Terrestrial Energy намеревается построить реактор в Онтарио. В октябре прошлого года Комиссия по ядерной безопасности Канады (CNSC)начала второй этап лицензионно-разрешительных процедур для этого проекта.

В середине декабря компания заключила соглашение с BWXT Canada (филиал американской корпорации BWXT, имеющей более чем 60-летний опыт в проектировании, производстве, вводе в эксплуатацию и обслуживании оборудования для атомной энергетики) о техническом содействии в сооружении реактора — помощи в разработке и производстве парогенераторов и другого теплообменного оборудования.

В Соединённых Штатах компания намеревается построить реактор в Айдахо.

Это очень волнующее время для атомной энергетики. Мы продвигаемся вперёд в проектировании и разработке регулирующих правил, необходимых для того, чтобы позволить компании вывести реактор IMSR на рынок в 2020-х годах. IMSR будет поставлять конкурентоспособную по стоимости и высококачественную тепловую энергию.

(Саймон Айриш генеральный директор Terrestrial Energy)

По словам экспертов Terrestrial Energy, тепло, производимое их реакторами, можно использовать в производстве аммиака, водорода, при опреснении воды, а также в нефтехимической и горно-химической промышленности.

Компания Terrestrial Energy считает, что стоимость электроэнергии на атомных станциях с реактором IMSR может оказаться не выше $40–50 за 1 МВт∙ч, что позволит конкурировать со станциями, работающими на ископаемом топливе.

Сумма инвестиций, полученная компанией Terrestrial Energy, — $25,5 млн.

Seaborg Technologies

Датская компания Seaborg Technologies, как и Terrestrial Energy, разрабатываетпроект реактора на расплавах солей. Реактор датской компании носит название CUBE. В качестве топлива в реакторе используется радиоактивный материал торий и отработанное топливо водных реакторов.

Компания была основана в 2015 году. Генеральный директор — учёный Троэльс Шенфельдт, до основания стартапа работавший в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиями) и других организациях.

В Дании с 1985 года была запрещена атомная энергетика, но благодаря активности Seaborg Technologies правительство изменило подход к АЭС, и в 2017 году компания получила финансирование от государственной инвестиционной компании Innovation Fund Denmark на разработку реактора.

Основная инновация стартапа — реактор не будет производить отходов ядерного топлива, а напротив, будет «сжигать» отработанное топливо существующих ядерных реакторов. По мнению Seaborg Technologies, разработка составит конкуренцию не только самым распространённым водным реакторам, но и более безопасным и экономичным реакторам на быстрых нейтронах (сейчас промышленные реакторы такого типа существуюттолько в России).

Первый прототип реактора компания надеется запустить к середине или концу 2020-х годов.

Нам предстоит долгий путь. Государственное финансирование планируем потратить на защиту интеллектуальной собственности

(Троэльс Шенфельдт, генеральный директор компании)

Полная стоимость строительства электростанции со стабильным солевым реактором оценивается в 1400 фунтов ($1832) за кВт. Для сравнения: стоимость киловатта энергии в крупных АЭС — $1000–2500, в газовых электростанциях — $500.

В стартап инвестировал Дэвид Хелгасон — основатель ведущей межплатформенной среды для разработки компьютерных игр Unity (за последние два года это его единственное вложение в энергетику). Всего компания привлекла 11,5 млн датских крон (около $1,75 млн) инвестиций от нескольких фондов и частных лиц.

TerraPower

В разработке американской компании TerraPower два типа реакторов. Первыйиз них — ядерный реактор на бегущей волне. В отличие от обычных реакторов, топливо в которых необходимо дозаправлять через несколько лет, реактор на бегущей волне сможет работать на обедненном уране без дозаправки в течение 40–60 лет.

Реактор на бегущей волне (реактор-самоед, реактор Феоктистова) — концепция ядерного реактора на быстрых нейтронах, работающего на уране-238.

Цепная реакция деления происходит не сразу во всей активной зоне реактора, а ограничена определённым участком, который с течением времени перемещается внутри этой зоны. Практической реализации концепция пока не имеет. Первый такой реактор намеревается создать как раз Terra Power.

Компания была создана в 2008 году корпорацией Intellectual Ventures, котораязанимается разработкой и лицензированием интеллектуальной собственности и обладает крупными пакетами патентов.

Одним из инвесторов TerraPower является основатель Microsoft Билл Гейтс. В декабре 2011 года миноритарный пакет акций TerraPower приобрёл индийский холдинг Reliance Industries, который владеет предприятиями в нефтегазовой сфере, энергетике, текстильной промышленности.

TerraPower намеревалась построить первый реактор на бегущей волне в США к 2020 году. Однако от этих планов пришлось отказаться из-за ограничений, установленных требованиями по ядерной безопасности. Тогда в 2017 году компания подписала меморандум с Китайской национальной ядерной корпорацией о строительстве реактора в Китае.

Но в конце 2018 года Билл Гейтс сообщил, что сотрудничество с Китаем будет прекращено из-за запрета правительства США экспортировать в эту страну критически важные технологии (реактор, в частности, будет генерировать плутоний-239, который используется для создания ядерного оружия).

TerraPower, компания, которую я основал десять лет назад, разрабатывает так называемый реактор на бегущей волне, который безопасен, предотвращает распространение ядерного оружия и производит очень мало отходов.

Мы надеялись построить пилотный проект в Китае, но недавние изменения в политике США сделали это маловероятным. Возможно, мы сможем построить реактор в Соединённых Штатах, если произойдут изменения в финансировании и нормативных актах

(Билл Гейтс, основатель Microsoft, инвестор TerraPower) 

Стоимость строительства реактора на бегущей волне, предлагаемого компанией Terra Power, составит от $3 до $5 млрд при электрической мощности 600 МВт. Для сравнения — стоимость второго реактора Бушерской АЭС (Иран) мощностью 1000 МВт оценивается в $10 млрд.

Второй тип реакторов, который разрабатывает TerraPower, — реактор на расплавах солей (кодовое название — MCFR). Проект разрабатывается с участием одной из крупнейших американских электрических и газовых компаний Southern Company.

Участие в работе также принимают Окриджская национальная лаборатория, национальная лаборатория Айдахо, университет Vanderbilt и институт EPRI. В 2019 году планируется начать первые эксперименты. В планах Southern Company и TerraPower — создание опытного реактора и выход на демонстрационный прототип мощностью 1100 МВт(э) к 2030 году.

Полную сумму затрат на разработку своего проекта TerraPower не афиширует, но в 2017 году она получила $40 млн от Министерства энергетики США.

2019 год будет важным для нас и для отрасли. Мы не можем изменить мировую энергетическую систему в одиночку. Нам понадобится активная цепочка поставок, национальная лаборатория и университеты в США, а также прочные фонды в других странах, где мы решаем развиваться.

Успех требует постоянных и непрерывных усилий. Но прогресс возможен, поскольку компании и правительства работают вместе, чтобы внедрить множество новых ядерных технологий и поставлять безуглеродную энергию людям повсюду.

(Крис Левеск, президент и исполнительный директор TerraPower)

ThorCon Power

ThorCon — проект жидкосолевого реактора, предложенный американской корпорацией Martingale. В компании считают, что реактор не требует разработки каких-либо принципиально новых технологий, так как ThorCon — это просто увеличенная копия реактора MSRE, работавшего в 1960-х годах.

Компания предлагает разместить ядерную установку на глубине 30 метров под землёй. Между топливным хранилищем и поверхностью располагается четыре газонепроницаемых барьера. ThorCon работает при давлении, которое практически не отличается от атмосферного. При разрыве основного контура топливо просто стечёт в так называемый сливной бак, где будет охлаждено.

В 2015 году корпорация Martingale заключила соглашение с индонезийской ядерной компанией Indonesia Thorium Consortium о сотрудничестве в строительстве в Индонезии жидкосолевого реактора. Для этого была создана компания ThorCon International.

Проведённое техническое обоснование создаётвозможности для того, чтобы строительство нового реактора стартовало в 2019 году, а к 2025 году началась бы его эксплуатация.

Компания стала договариваться с Индонезией насчёт строительства реактора после того, как было решено отказаться от строительства в Ханфорде (США). По заявлению компании, для получения разрешения в США потребовалось бы от десяти до 20 лет, причём это обошлось бы в сумму от $1 млрд до $2 млрд.

Предварительная стоимость демонстрационного реактора мощностью 250 МВт — около $750 млн. При серийном производстве реакторов их стоимость будет снижаться.

Проект ThorCon предусматривает фабричное изготовление модулей на специализированной верфи, откуда блочные структуры будут доставляться к месту работы. Возможен также вариант размещения двух модулей ThorCon на плавучей станции.

NuScale

Свыше 90% электростанций в мире — малой мощности (меньше 300 МВт). Атомные станции малой мощности не требуют больших площадок для размещения реакторов, огромных капитальных затрат на строительство, они более безопасны, так как в них меньше ядерного топлива, чем в крупных АЭС. Сейчас в мире разрабатывается несколько коммерческих проектов атомных станций малой мощности.

NuScale — американская компания, которая разрабатывает проекты малых атомных станций с водным реактором — одним из наиболее распространённых типов реакторов.

Компания была основана в 2007 году. Основатели — Пол Лоренцини (в прошлом — один из руководителей энергетической компании PacifiCorp) и Хосе Рейес (учёный-ядерщик, эксперт МАГАТЭ).

Если обычные АЭС выдают 1000–1600 МВт, то проект NuScale — всего 40–45 МВт.

По расчётам разработчиков, стоимость модульного реактора составит $4000–4500 за киловатт мощности (для крупных АЭС — $1000–2500, для газовой электростанции — $500). Однако реактор NuScale может быть построенбыстрее, чем обычная АЭС. Кроме того, его можно разместить в удалённых поселениях, на островах, военных базах.

Один реакторный модуль NuScale представляет собой цилиндр высотой 20 и диаметром 2,7 метра (весом 700 тонн), с возможностью доставки с завода и установки в специальном бассейне на АЭС, который выполняет роль источника аварийного охлаждения.

В 2011 году компания испытывала финансовые трудности, но затем контрольный пакет акций приобрела инженерно-строительная корпорация Fluor и вскоре вложила в развитие проекта $30 млн.

Первый реактор NuScale намеревается построить к середине 2020-х годов

В 2017 году компания передала в американский атомнадзор заявку на лицензирование своей ядерной энергоустановки. Атомнадзор пообещал рассмотреть её за 40 месяцев. Это первая заявка на получение американской лицензии для атомной станции малой мощности.

Компания получила $40 млн в качестве гранта от Министерства энергетики США и $2,6 млн при единственном инвестиционном раунде в 2009 году.

TAE Technologies

Огромный запас энергии человечество получит при реализации управляемой термоядерной реакции, потому что энергию можно будет получать из водорода, который легко выделяется из воды. Решить эту сложную научную и техническую задачу пытаются не только государственные НИИ и международные объединения ученых, но и частные компании.

Реактор для управляемого термоядерного синтеза разрабатывает американская компания TAE Technologies (ранее Tri Alpha Energy). Согласно концепции разработчиков, газ разогревают высокоэнергетическим лазером, он превращается в плазму, и запускается термоядерная реакция.

Управляемый термоядерный синтез — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких, при котором выделяется большое количество энергии. В существующих ядерных реакторах используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра (и выделяется энергия).

Практической реализации управляемый термоядерный синтез пока не получил, потому что он возможен только в условиях плазмы — при весьма высоких температурах. Наиболее трудная задача при этом — изоляция плазмы от стенок реактора.

Компанию создал в 1998 году Норман Ростокер (1950–2014), физик канадского происхождения, работавший в Калифорнийском университете США.

За время своего существования компания использовала несколько генераторов плазмы, с каждым разом увеличивая её температуру и время удержания. В 2017 году был запущен генератор стоимостью около $100 млн. В результате более чем четырёх тысяч экспериментов удалось достичь температуры плазмы до 20 миллионов Кельвин (для стабильной термоядерной реакции требуется свыше 150 тысяч Кельвин).

Новосибирский Институт ядерной физики разработал для TAE Technologies инжектор плазмы.

Компания TAE Technologies предлагает разработки и в смежных областях. Например, совместно с тем же Институтом ядерной физики изготавливает для Китая ускоритель для бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) рака. Установку ускорителя соберут в начале 2019 года.

Поскольку мы продолжаем разрабатывать первый в мире коммерческий генератор термоядерного синтеза, мы уверены, что технологии, которые мы разработали в целях термоядерного синтеза, имеют возможности использования в других секторах.

(Майкл Биндербауэр, генеральный директор TAE Technologies)

По состоянию на 2017 год компания привлекла $500 млн инвестиций. Инвесторами TAE Technologies являются Goldman Sachs, соучредитель Microsoft Пол Аллен, корпорация Vulcan, а также российская компания «Роснано». Анатолий Чубайс входит в совет директоров компании.

Комментарий эксперта

Проекты, представленные в статье, безусловно, заслуживают внимания. Однако от теоретической разработки до осуществления проекта — огромная дистанция, на которой создатели могут столкнуться с конструктивными и технологическими трудностями, требующими значительных усилий для их преодоления.

Проекты, вероятно, нуждаются в дополнительных научных исследованиях, а также в испытаниях на соответствие техническим условиям. Объём таких научно-исследовательских работ и испытаний зависит от степени новизны конструкции. В итоге всё это скажется на экономической конкурентоспособности стартапов.

(Алексей Стратонович Боровик, директор информационного центра по атомной энергии в Ростовской области)