Ядерная энергия деления в настоящее время находится в центре стратегий по декарбонизации энергетического сектора благодаря низкому уровню выбросов углерода. Она снижает зависимость от ископаемого топлива и уменьшает нагрузку на биомассу, не препятствуя переходу к другим технологиям «зеленой» энергетики.
Однако его широкомасштабному внедрению мешают проблемы безопасности, что подтверждают серьезные аварии на Чернобыльской АЭС (1986) и АЭС «Фукусима-1» (2011). Экологические последствия этих аварий настолько велики, что лишь несколько стран в мире используют (или планируют использовать) энергию деления — не говоря уже о проблемах утилизации ядерных отходов.
Чтобы избежать подобной катастрофы, в настоящее время исследования сосредоточены на разработке безопасных по своей сути реакторов деления ядер. Это реакторы, безопасность которых основана не на вмешательстве человека или электромеханических устройств, а на физических или химических процессах, которые запускаются естественным образом в случае возникновения проблемы.
Среди предлагаемых устройств — высокотемпературные реакторы (HTR). Это реакторы с гелиевым охлаждением, в которых в качестве замедлителя и конструкционного материала используется графит. Топливо состоит из нескольких тысяч частиц, покрытых покрытием TRISO (которое препятствует выходу продуктов деления даже при высоких температурах) и заключенных в сферическую или призматическую матрицу. Тепло распада — основная причина расплавления активной зоны в реакторах деления — может выделяться в окружающую среду естественным путем за счет теплопроводности, даже без резервных систем охлаждения (пассивное охлаждение).
Высокотемпературные модульные реакторы с шаровым слоем (HTR-PM) обеспечили бы большую безопасность за счет использования того же принципа пассивного охлаждения, но более надежного. Однако эффективность и безопасность этого типа реакторов пока что была проверена лишь в небольших масштабах. HTR-PM, разработанный командой из китайского Университета Цинхуа, является первым, который будет развернут в коммерческих масштабах.
«Достижение внутренней ядерной безопасности в коммерческих масштабах — мечта всех ученых и инженеров в области ядерной энергетики, где ключевой задачей является устранение тепла распада без активного вмешательства«, — объясняют исследователи в своем новом исследовании, недавно опубликованном в журнале .
Пассивное охлаждение даже в случае полного отключения электроэнергии
В реакторах HTR-PM, впервые разработанных в Германии, гелий используется в качестве теплоносителя, то есть его физические свойства позволяют переносить тепло из одной точки в другую. Реакторы работают при очень высоких температурах и содержат графитовые сферы с тысячами шариков уранового топлива, отсюда и название «шаровой слой».
Китайская установка HTR-PM состоит из двух реакторов, каждый из которых оснащен парогенератором и системой гелиевого контура. Активная зона каждого реактора расположена рядом с парогенератором. Система соединена горизонтальным газоходом, который транспортирует холодный гелий через всю систему. Циркуляции охлажденного газа также способствуют скважины, расположенные вокруг каждого реактора.
В результате сложного динамического процесса газ циркулирует через слой шариков и циклически улавливает тепло. Топливные шары имеют диаметр 6 сантиметров и содержат около 12 000 урановых частиц с покрытием TRISO, заключенных в графитовую матрицу. В процессе теплообмена образуется перегретый пар, который, попадая в паровую турбину, используется для выработки электроэнергии.
По оценкам исследователей, рабочие параметры каждого реактора позволяют им генерировать мощность до 200 мегаватт каждый. Средняя плотность мощности оценивается примерно в 3,2 МВт/м3. Работая на номинальной мощности, станция могла бы производить около 1,4 миллиарда киловатт-часов электроэнергии в год, что эквивалентно потребностям в электричестве 2 миллионов жителей. Кроме того, она позволит сократить выбросы углекислого газа на 900 000 тонн.
Во время испытаний на безопасность подача электроэнергии на станцию была полностью приостановлена, чтобы убедиться, что тепло распада может быть рассеяно должным образом. Данные об энергии и температурах в различных конструкциях реактора показали, что они способны охлаждаться естественным образом без активного вмешательства. Это означает, что оболочка TRISO успешно предотвращала выход продуктов деления даже при максимальной температуре 1620 °C.
Эти результаты впервые демонстрируют возможность создания безопасных по своей сути ядерных реакторов деления в промышленных масштабах. Однако стоимость топлива и компонентов реактора может стать дополнительной проблемой для широкомасштабного внедрения технологии. Тем не менее, исследования показали, что стоимость может быть снижена по мере массового производства реакторов этого типа, что потенциально осуществимо, учитывая размер китайского рынка.