IV поколение, бъдещето на ядрената енергетика

Въпреки че ядрената енергия остава спорна, нови реактори се строят в изненадващи количества и те ще осигурят втория по големина дял от безвъглеродната енергия в света. Това също е индустрия, която претърпява бързи промени, тъй като новите технологии идват на линия. И така, как ще изглежда ядрената енергия през следващите десетилетия?

На 2 декември 1942 г., под футболния стадион Stagg Field на Чикагския университет, Chicago Pile 1 (CP-1) е активиран, превръщайки се в първия ядрен реактор в света. Днес, 78 години по-късно, 440 реактора генерират над 10 процента от електроенергията в света, като други 50 са в процес на изграждане.

Въпреки това ядрената енергетика страда от много лоша репутация. Както много неща в живота, това се дължи на редица сложни фактори. Ядрената енергия все още е загадъчно нещо за много хора. Той е свързан с ядрени оръжия и все още е под бремето на десетилетия на пропагандата на Студената война, както и на три изключително високопрофилни аварии на реактори в САЩ, СССР и Япония.

На Запад строителството и развитието на реакторите се забавиха до пълзене през последните десетилетия на 20-ти век, но индустрията може да е на ръба на ренесанса. Въпреки репутацията си, ядрената енергия има редица предимства. Той е не само без въглерод, но и без емисии. Той произвежда огромно количество енергия с много малка площ. Може да бъде разположен във всеки регион. И изненадващо, той има най-ниската смъртност на киловат от всеки енергиен източник.

Цената на ядрената енергия

Ядрената енергия обаче има един голям проблем и това е цената. С инсталациите, струващи до 15 милиарда щатски долара, изграждането на реактор рядко е печелившо. Вместо това по-голямата част от приходите на строителя идват от зареждане с гориво и обслужване на реакторите.

Основната причина за високата цена на изграждането на атомни електроцентрали не е защото те са ядрени, а защото са големи, често еднократни строителни проекти, които са малко и далеч между тях и може да отнеме до 20 години, за да се реализират на линия. Вместо фабрично масово производство се изграждат заводи на полето. Те също така изискват сложен процес на лицензиране, като дизайнът на централата се тества, модифицира и претества при уникален набор от изисквания за качество, безопасност и сигурност, както и операторът трябва да поеме всички разходи за изхвърляне на отпадъци.

Всичко това не само води до превишаване на разходите, но и необходимото време означава, че има и много възможности за загуба на опит, когато инженерите остаряват и се пенсионират. Това води до странности като Великобритания, която беше един от пионерите в ядрената енергетика, която трябваше да отиде в чужбина за помощ при изграждането на най-новите реактори в страната.

Има редица начини за намаляване на разходите, включително използване на стандартизирани проекти, изграждане на достатъчно инсталации за запазване на уменията и опит, използване на различни мерки за рационализиране на управлението и, най-важното, чрез атакуване на най-големите строителни разходи. Ядрените реактори и турбинните острови не доминират в разходите за тези модерни системи, а по-скоро са строителните работи, конструкции и сгради; монтаж на електрическо оборудване; и други непреки разходи за тази работа на място.

Поради това ядрената индустрия търси нови проекти на реактори, някои от които се разработват от десетилетия, за да не само намалят разходите за строителство и експлоатация, но и да подобри безопасността и ефективността, като същевременно намали риска от разпространение на ядрени оръжия.

Бъдещи проекти на реактори

Днес ядрената индустрия е в поколение III или III+. Първото поколение е белязано от прототипните реактори от края на 40-те, 50-те и началото на 60-те, а второто от първите търговски реактори с лека вода от средата на 60-те до средата на 1990-те. Те бяха последвани от поколение III, които също са реактори с лека вода, но включват нови технологии като по-надеждни горива, пасивни охладителни системи и реакторни ядра, които са по-малко податливи на повреда. Поколение III+, което ще бъде построено до 2030-те, са най-новите реактори и са проекти от поколение III с допълнителни подобрения.

Това, което следва, ще бъде поколение IV, което е семейство от много по-напреднали и разнообразни дизайни, насочени към правене на ядрени централи не само по-евтини, но и по същество много по-безопасни чрез включване на нови реакторни технологии, както и нови материали и нови производствени техники.

По принцип тези реактори Gen IV се характеризират със своите охлаждащи течности, които могат да бъдат вода, хелий, течен метал или разтопена сол. Те също се различават по това къде в неутронния спектър работят. Тоест в спектъра на топлинните неутрони или в спектъра на бързите неутрони. При последния неутроните, които причиняват делене, се генерират от ядрената реакция и не се забавят, така че реакторът работи при много високи неутронни енергии, докато в първия реакторът използва модератор за забавяне на реакцията, която се случва при по-ниски неутронни енергии.

Нека да разгледаме някои реактори от Gen IV. Това в никакъв случай не е изчерпателен списък, но включва основните претенденти, които вероятно ще се появят в средата на 21-ви век.

Малък модулен реактор (SMR)

Малките модулни реактори (SMR) са реактори с лека вода, които са основно усъвършенствани версии на реакторите, които се използват днес, с изключение на това, че са по-малки и могат да се произвеждат масово като автомобили. Те имат за цел да намалят разходите за ядрена енергия чрез въвеждане на фабрични производствени техники. По същество идеята е да се създадат малки, стандартизирани реактори с капацитет под 300 MWe всеки.

За разлика от конвенционалните реактори, SMR не са големи строителни проекти, чиито пускане онлайн може да отнеме 20 години и още 20, за да донесат печалба. Вместо това, както подсказва името, SMR се основават на по-малък, по-опростен дизайн, съставен от модули не само на реактора, но и на повечето от поддържащите компоненти.

Това позволява електроцентралите да се изграждат във фабрики или корабостроителници като здрави модули, след което да се изпращат до обекта за монтаж. Целта е не само да се намалят разходите, но и да се ускори радикално изграждането на завода и сертифицирането, за да започне работа.

Друго предимство на SMR е, че конфигурацията на инсталацията може да бъде адаптирана, за да отговори на нуждите на различни клиенти. Малките, относително изолирани общности могат да поръчат инсталации с един реактор, които могат да обслужват, например, няколко хиляди домове и бизнеси, докато големите градове могат да имат централи с множество реактори, които могат да осигурят електричество на милиони. Тъй като са малки, SMR могат да се използват за специализирани приложения като проучване на нефт или обслужване на военни бази. В допълнение, модулите могат да бъдат проектирани така, че да бъдат транспортирани с най-подходящите средства, включително с баржа, кораб, камион, влак или дори дирижабъл.

SMR също се отличават с включването на системи за пасивна безопасност, които изискват малко или никакво електричество за работа и осигуряват охлаждане, ако възникне авария. Те също така са по-лесни за екраниране, без да се изискват масивни бетонни конструкции, тъй като могат лесно да бъдат инсталирани под земята или на борда на кораби или морски платформи, където се намират под водната линия, която ги защитава по същия начин като реактора на подводница.

Високотемпературен реактор с газово охлаждане (HTGR)

Високотемпературният реактор с газово охлаждане (TGR) е графитно-модериран реактор с хелий, който работи при температури, два или три пъти по-високи от тези на конвенционалните реактори, но с по-ниска плътност на мощността. Концепцията се разработва от 40-те години на миналия век, но едва през последните години технологията започна да узрява.

Основата за HTGR е, че той работи с TRi-структурно изотропно (TRISO) гориво от частици. Вместо да се формира в пръчки, горивото TSRIO е направено от частици с размер на маково семе, състоящи се от уран, въглерод и кислород, запечатани в три слоя въглерод или керамични материали, за да съдържат ядрени отпадъци.

Тези частици се образуват в цилиндрични пелети или сфери с размер на билярдна топка, наречени „камъчета“. Това прави горивото много здраво. Той е по-устойчив на неутронно облъчване, корозия, окисляване и високи температури от конвенционалните горива. Това означава, че камъчетата няма да се стопят в реактора, който може да работи при по-високи температури. В допълнение, камъчетата могат бавно да циркулират през реактора, като отработените камъчета се отстраняват от дъното на реактора, докато свежите камъчета се въвеждат, за да ги заменят отгоре.

Бърз реактор с газово охлаждане (GFR)

Бързите реактори с газово охлаждане (GFR) също се охлаждат с хелий, но работят при по-висока плътност на мощността от HTGR. Първоначално те са разработени като реактори за размножаване, които произвеждат повече гориво, отколкото изгарят чрез превръщане на изотопи на торий или неделящ се уран в плутоний или делящи се уранови изотопи, като се използват бързи неутрони вместо бавните неутрони, произведени от конвенционалните реактори.

Усъвършенстваните версии на GFR използват сърцевина, изработена от керамично ураново монокарбидно гориво, за да му позволят да работи при високи температури. Горивото също е конфигурирано така, че има висока плътност на урановите атоми на обем гориво.

Натриев бърз реактор (SFR)

Друг бърз реактор е натриевият бърз реактор (SFR), който се охлажда от течен натрий, който има много добра способност за отвеждане на топлина. Това са малки реактори, защото това позволява присъщи и пасивни функции за безопасност, които не работят много добре в по-големите натриеви реактори. В Съединените щати използваното гориво е метална сплав от уран и цирконий, покрита със стомана, докато в Русия, Франция и Япония се предпочитат горива с уранов оксид. Тези горива имат ниска термична плътност, така че ако активната зона на реактора стане твърде гореща, тя се разширява, което води до естествено затихване на ядрената реакция.

Ядрото също е много компактно, тъй като SFR има затворен горивен цикъл. Тоест, уранът и плутоният се рециклират вътре в активната зона като част от ядрената реакция, което позволява на реактора да работи десетилетия между зареждането с гориво.

Оловно охладен бърз реактор (LFR)

Оловно-охлаждащият бърз реактор (LFR) се основава на конструкция на реактора, разработена за руски ядрени подводници и, както подсказва името, използва олово като охлаждащ елемент. Последните версии работят с уранов нитрид вместо уранов диоксид. Както при натрия, оловото осигурява подобна система за пасивна безопасност, която автоматично регулира ядрената реакция, ако започне да излиза извън контрол.

Флуоридно охладен високотемпературен реактор (FHR)

Охлажданите с флуорид високотемпературни реактори (FHR) са високотемпературни реактори, които се охлаждат от разтопена смес от соли на литиев флуорид и берилиев флуорид вместо хелий. Тези реактори имат до 10 пъти по-голяма плътност на мощността от HTGR, използвайки TRISO-частична горивна технология. Флуоридните соли позволяват на реактора да работи при по-ниски температури в сравнение с реакторите с хелийно охлаждане и бъдещите проекти ще използват камъче горива.

Реактор с разтопено солено гориво (MSR)

Реакторът с разтопено солено гориво (MSR) е малко по-двоен, където разтопената сол е едновременно охлаждащата течност и горивото. Вместо да се образува в пръчки, пелети или камъчета, горивото се смесва с флуоридната сол, която преминава през графит или подобен модератор, който генерира бавни неутрони и контролира реакцията.

MSR могат да работят при по-високи температури, въпреки че това създава проблеми с корозия, така че дизайните са склонни към по-хладни версии. Въпреки това, чрез комбиниране на охлаждащата течност и горивото, премахването на отпадъците и въвеждането на ново гориво е много по-лесно, отколкото в конвенционалните реактори.

Отвъд Gen IV

Тъй като търсенето на безвъглеродна енергия води до изграждане на повече ядрени централи по целия свят, ще видим тези реактори от поколение IV да се пускат онлайн. Тъй като са проектирани да бъдат по-евтини и по-бързи за изграждане, много вероятно ще станат много често срещани много бързо. Но какво ще дойде след поколение IV? Какво ще бъде поколение V?

В много отношения те ще бъдат по-усъвършенствани версии на реакторите от поколение IV, основаващи се на уроците, научени от предишното поколение, но също така е вероятно да видим нови ядрени централи за нови нишови приложения. Вече има планове за изграждане на малки реактори за използване на Луната и се работи по технологии като ядрено гориво, което гори като свещ, като реакцията започва от единия край и се придвижва към другия, докато постепенно изяжда горивото.

Може също да видим преразглеждане на други подходи към проектирането на ядрени реактори, които се основават на експерименти, проведени преди десетилетия, но бяха изоставени в полза на по-обещаващи решения. Някои от тях бяха толкова изоставени, че дори експертите в тази област имат само мъгляво разбиране за тях. Сега те отново се разглеждат. Може би ще има ден, когато терминът „ядрено гориво“ ще означава не само уран и плутоний, но и по-малко известни такива като торий.

Разбира се, ако ядреният синтез някога стане практичен, тогава всички залози ще бъдат отхвърлени, тъй като ядреното делене вероятно ще мине по пътя на локомотива, работещ с въглища.