Есть ли перспективы у малой ядерной энергетики

Традиционная энергетика оказалась под ударом из-за ухудшения мировой экологической ситуации и иссякания объема природных ресурсов. По прогнозам, к 2030 году спрос на электроэнергию вырастет на 33%. В конце 2021 года группа стран во главе с Францией обратилась в Еврокомиссию с просьбой признать низкоуглеродной атомную энергию, и это было сделано. Акцент — на получении более безопасных, компактных и автономных реакторных установок, которые могли бы работать вне обычных АЭС.

Малая атомная энергетика

Атомная энергетика обеспечивает производство тепловой и электрической энергии за счет запуска цепной реакции и деления ядер. Есть и другой потенциальный способ производства ядерной энергии — высвободить ее со взрывом, в результате как деления, так и синтеза.

Ядерный синтез — это процесс, во время которого легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые за счет кинетической энергии их теплового движения. Потенциал процесса впервые использовали при создании водородных бомб и термоядерного оружия. Сейчас атомная энергия производится на АЭС, используется на атомных подлодках и ледоколах.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) определяет энергоблоки как «малые» (SMR), если их мощность меньше 300 МВт. С мощностью до 700 МВт — как «средние». Есть и очень малые реакторы (vSMR), которые предназначены для блоков мощностью менее 15 МВт. При этом реакторные установки на атомных электростанциях имеют среднюю мощность около 1,6 тыс. МВт. Тепловая мощность энергетических блоков на ледоколах и подводных лодках составляет около 190 МВт.

Реактор — это устройство, которое действует за счет различных реакций. В энергетике он вырабатывает энергию за счет расщепления атомов. Существует четыре варианта реализации малых реакторов:

Легководные обладают наименьшим технологическим риском, а реакторы на быстрых нейтронах могут иметь меньший размер, упрощенную конструкцию и более длительный цикл от одной заправки до другой.

По данным Всемирной ядерной ассоциации, малые модульные реакторы имеют высокий потенциал благодаря возможности объединения в сеть нескольких модулей. Такие генераторы можно использовать в странах, у которых мало опыта в обращении с ядерной энергией. Кроме того, малые реакторы требуют меньший объем финансирования на организацию серийного производства и технического обслуживания.

Батареи для космонавтики

Ядерные установки уже давно используют, в том числе в космосе. Эти устройства (радиоизотопный термоэлектрический генератор, РИТЭГ) преобразуют в электричество тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов. Устройством невозможно управлять, распад происходит самостоятельно. Для непрерывной работы в течение нескольких лет ему достаточно одной заправки топливом.

Однако РИТЭГ имеют низкий КПД, поэтому их стараются усовершенствовать. Например, замена РИТЭГ на двигатель Стирлинга позволила преобразовывать уже 26% тепловой энергии в электрическую, а не 7%, как это было раньше. Сейчас РИТЭГ используют для зондов и космических спутников. В 2021 году NASA обратилось к министерству энергетики США с просьбой о помощи в разработке надежного источника энергии в глубоком космосе. Разработки концептуальных проектов начались в 2022 году, в будущем они смогут использоваться на Луне.

Развитие технологий позволит применять на нашей планете РИТЭГ в труднодоступных местах, а также там, где затруднено использование солнечных батарей. Например, развитие ядерной энергетики позволит питать метеостанции, маяки и арктические станции.

Атомные батарейки для бытового применения

Исследователи уже давно пытаются найти способ применения энергии атома в малых формах. Например, есть батареи, которые вырабатывают электричество из ядерной энергии, не используя цепную реакцию. Принцип их работы заключается в преобразовании радиоактивного бета-излучения в электрический ток. При этом реакция абсолютно контролируемая, не несет никакой угрозы окружающим, уровень излучения не превышает естественного фона земли. Такие батареи имеют высокую стоимость, но у них очень долгий срок службы, а также высокая плотность энергии. Поэтому такие аккумуляторы можно использовать для оборудования, которое будет долгое время работать без участия человека.

В 2020 году британская компания Arkenlight представила прототип батареи, потенциал работы которой достигает несколько десятков тысяч лет. В планах — выпускать батарейку в популярных размерах: АА, ААА, CR2032, 18650 и других. Сейчас инновация тестируется на предприятиях, которые работают с продуктами ядерного топлива, а также на оборонных и аэрокосмических производствах. Вполне возможно, что скоро такие батарейки поступят в широкую продажу.

Ученые из НИТУ МИСиС представили аналогичную разработку. Период полураспада веществ, из которых она состоит, составляет 100 лет. При этом разработка имеет низкую себестоимость — всего 300 руб. Однако для запуска массового производства потребуется никель, один грамм которого стоит около $4 тыс. В связи с этим не нашлось компании, которая хотела бы инвестировать в проект.

Плавучие мини-АЭС, атомное будущее транспорта

Во флоте тоже активно используется атомная энергия. На сегодняшний день атомный флот России, США и других стран включает около 150 судов. Причем это не только крейсеры и подводные лодки, но и ледоколы. Дозаправка большинства подлодок требуется раз в 30-40 лет, авианосцев — раз в 50 лет, ледоколов — от 10 лет.

Атомные суда начали разрабатывать в 50-х годах прошлого столетия, но из-за дороговизны эксплуатации данное направление не получило масштабных перспектив развития. Сейчас же интерес к ядерным установкам начинает расти. В основном потому, что использование ядерной энергии позволит сократить до нуля выброс вредных веществ судами. Кроме того, можно будет сэкономить на топливе. Также ядерные суда ходят на 50% быстрее тех, что работают на жидком топливе. А значит, можно будет увеличить количество рейсов и повысить прибыль судоходной отрасли.

Однако исследователи должны будут решить несколько проблем. Например, как минимизировать опасность от ядерных реакций, как сохранить морскую жизнь, которая может погибнуть из-за попадания в воду ядерных отходов. Кроме того, радиация способна накапливаться в организме, а значит, через морепродукты проникать в организм человека. Также нужно обеспечить защиту в воде атомного энергоблока. И конечно, нужно обеспечить дополнительную защиту от радиации пассажиров и персонала судна.

Часть перечисленных проблем можно решить, если использовать реакторы на расплаве солей. Они подходят для массового производства, позволяют снизить затраты. Кроме того, они более безопасны, так как смесь, которая может вытечь из реактора, остывает и затвердевает без взрыва.

Многие компании уже разработали или ведут разработки малых АЭС, мощность которых сопоставима с большими коммерческими судами. Также судно сможет выполнять роль генератора энергии.

В России уже применяют реакторы с ледоколов. Например, в Санкт-Петербурге начали эксплуатацию первой серии плавучих электростанций для дальневосточных и северных территорий, для чего два реактора установили на барже. Заправлять атомные станции придется раз в три-четыре года, а цикл эксплуатации составляет 12 лет, после чего установки вернутся на верфь для капитального ремонта. Еще четыре атомные станции малой мощности будут изготовлены для электроснабжения проекта по добыче меди на Чукотке.

За рубежом тоже реализуют проекты плавучих АЭС. Так, в 2022 году Samsung Heavy Industries совместно с датским разработчиком Seaborg заявила о начале строительства надводной атомной электростанции у побережья Южной Кореи.

Ядерная энергетика без отходов

Ядерный топливный цикл включает в том числе отправку отработанного ядерного топлива (ОЯТ) на хранение для снижения радиоактивности и его захоронение. При этом возможен ущерб экологии, так как в ОЯТ содержатся опасные для окружающей среды вещества.

Радиоактивные и химические компоненты попадают в грунтовые и поверхностные воды, загрязняя экосистему. Кроме того, нарушаются обменные процессы почвы в непосредственной близости от АЭС, происходит изменение микроклиматических характеристик прилегающих районов.

На предприятиях с замкнутым ядерным циклом отработанное топливо перерабатывают, не выгоревшие вещества используют повторно, минимизируют активность ядерных отходов, которые подлежат захоронению. Исследователи работают над тем, чтобы добиться полностью безотходного производства энергии.

Российские разработчики поставили цель — достичь того, чтобы реактор вырабатывал больше активно делящихся изотопов, чем потреблял. Проект госкорпорации «Росатом» называется «Прорыв». Ученые спроектировали реактор, который будет способен работать на подпитке ураном-238 и практически не расходовать топливо. В июне 2021 года в Северске Томской области приступили к строительству опытно-демонстрационной версии комплекса с таким реактором. Строительство планируется завершить к 2026 году.

ЦУР 7

В 2015 году ООН утвердила Цели устойчивого развития (ЦУР), которые необходимо реализовать к 2030 году. В их числе — ЦУР № 7, «Недорогостоящая и чистая энергия». Она предполагает всеобщий доступ к надежному, современному и экологически безопасному энергоснабжению, повышение доли энергии из возобновляемых источников, удвоение глобального показателя повышения энергоэффективности. Сейчас каждый пятый человек в мире не имеет доступа к электроэнергии. А около 3 млрд людей готовят еду и обеспечивают тепло за счет древесины и растительных остатков.

Подписывайтесь на наш канал в Telegram