Классическая энергетика оказывается под угрозой из-за того, что объем ресурсов постепенно иссякает, экологическое законодательство ужесточается, а население Земли растет. Согласно прогнозам, к 2030 году спрос на электроэнергию увеличится на 33%. В связи с этим исследователи и правительства обращаются к возможностям атомной энергетики.
В ноябре 2021 года в Еврокомиссию поступило обращение от группы стран во главе с Францией с просьбой признать атомную энергию низкоуглеродной. В настоящее время 26% от всей производимой в ЕС электроэнергии уже поставляется АЭС.
Основной акцент делается на том, чтобы получить более компактные, безопасные и автономные установки, которые могли бы работать вне классических АЭС. Исследователям уже удалось разработать прототипы атомных батареек, которые в перспективе можно было бы встраивать в бытовую электронику.
Малая атомная энергетика
Ядерная или атомная энергетика позволяет производить электрическую и тепловую энергии путем преобразования ядерной. Как правило, для получения ядерной энергии в специальном защищенном энергоблоке используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235. Ядра делятся после того, как в них попадает нейтрон, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Эти элементы обладают большой кинетической энергией. Данная энергия быстро преобразуется в тепло.
Другой метод получения ядерной энергии, управляемый ядерный синтез, многообещающий, однако пока не усовершенствован. При нем ядерная энергия высвобождается со взрывом как в результате ядерного синтеза, так и ядерного деления.
Ядерный синтез — это процесс, при котором ядерные реакции между легкими элементами образуют более тяжелые элементы. Огромный энергетический потенциал ядерного синтеза был впервые использован в термоядерном оружии или водородных бомбах, которые были разработаны в следующее десятилетие после окончания Второй мировой войны. Ядерная энергия в настоящее время производится в атомных электрических станциях, а также используется на атомных ледоколах и атомных подводных лодках.
Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) определяет энергоблоки мощностью менее 300 МВт как «малые» (SMR), а до 700 МВт — как «средние». В отдельную подкатегорию выделяют очень малые реакторы — vSMR — для блоков мощностью менее 15 МВт. При этом средняя мощность реакторных установок на АЭС составляет 1600 МВт. Тепловая мощность энергоблоков на АПЛ и ледоколах достигает 190 МВт.
Рассматриваются четыре основных варианта реализации малых реакторов: легководные, реакторы на быстрых нейтронах, высокотемпературные реакторы с графитовым замедлителем и различные виды реакторов на расплавах солей (MSR). Первый тип имеет наименьший технологический риск, а вот второй может быть меньше в размерах, иметь более простую конструкцию и более длительный цикл работы до дозаправки. Только в США разработкой подобных реакторов занимается более 50 компаний.
Малые модульные реакторы, как правило, проектируются с использованием модульной технологии. Их потенциал, по данным Всемирной ядерной ассоциации, определяется следующими факторами:
- возможность конструирования в заводских условиях и установки модуля за модулем;
- перспективы эксплуатации в странах с меньшим опытом использования ядерной энергии из-за малых размеров и пассивных функций безопасности;
- меньший объем финансирования по сравнению с АЭС из-за размера, скорости строительства и систем пассивной безопасности;
- сокращение затрат из-за возможностей серийного производства для конкретной конструкции.
Батареи для космонавтики
Ядерные установки уже не первое десятилетие применяются не только на Земле, но и в космосе. Это радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) — устройства, которые преобразуют тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов в электричество.
РИТЭГ включает источник тепла с радиоактивным изотопом, а также твердотельные термопары, которые преобразуют тепловую энергию распада радиоактивного элемента в электричество. Распад происходит самостоятельно, и таким генератором невозможно управлять. РИТЭГ загружают топливом, а затем он годами вырабатывает электричество, при этом постепенно деградируя.
В связи с этим для питания РИТЭГ требуются радиоактивные изотопы, которые имеют большой период полураспада и высокую объемную активность. Кроме того, у них должен быть удобный для утилизации тип ионизирующего излучения. Предпочтительным для РИТЭГ является альфа-излучение, так как гамма-излучение, нейтроны и электроны бета-распада склонны уносить часть энергии и требуют специальных мер по предотвращению утечек. Наиболее часто в РИТЭГ используют плутоний-238.
Основной проблемой использования РИТЭГ является их низкий коэффициент полезного действия. В связи с этим генераторы пытаются усовершенствовать. Так, если классические РИТЭГ на термопарах в среднем переводят только 7% тепловой энергии в электрическую, то РИТЭГ на двигателях Стирлинга — уже около 26%. Генератор радиоизотопов Стирлинга представляет собой двигатель, приводимый в действие разностью температур, создаваемой радиоизотопом. Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга находился в стадии разработки НАСА, но проект отменили в 2013 году из-за перерасхода средств.
В настоящее время РИТЭГ активно применяют для космических спутников и зондов. На этих генераторах работали все советские спутники «Пионер», а также американские «Вояджеры» и марсоход Curiosity.
В конце 2021 года NASA в рамках лунной программы Artemis попросило министерство энергетики США помочь в разработке надежного источника ядерной энергии в глубоком космосе. Агентство отметило, что при наличии постоянной базы на Луне или Марсе энергетическая система должна быть достаточно мощной, компактной и надежной. В июле 2022 года NASA уже заключило контракты с тремя компаниями на разработку концептуальных проектов ядерных энергетических систем для использования на Луне.
На Земле РИТЭГ потенциально можно применять в труднодоступных местах и там, где сложно использовать солнечные батареи. В частности, они могли бы питать арктические станции, маяки и метеостанции.
Атомные батарейки для бытового применения
Исследователи уже не первое десятилетие пытаются найти способ применения атомной энергии в малых форматах. Они разрабатывают различные варианты атомных или ядерных батареек — устройств, которые используют энергию распада радиоактивного изотопа для выработки электроэнергии. Как и ядерные реакторы, они вырабатывают электричество из ядерной энергии, но отличаются тем, что не используют цепную реакцию. По сравнению с другими устройствами они очень дороги, но имеют чрезвычайно долгий срок службы и высокую плотность энергии, поэтому могут использоваться в качестве источников питания для оборудования, которое должно работать без участия человека в течение длительного периода времени (космические корабли, кардиостимуляторы, подводные системы, автоматизированные научные станции).
Современные разработчики при создании атомных батареек опираются на бета-вольтаический эффект, который позволяет преобразовать альфа- или бета-излучение в электрический заряд напрямую при помощи полупроводниковых преобразователей. Плотность энергии на единицу массы и объема в ядерных батарейках в 100–1000 раз выше, чем в химических, при этом они бесшумны и способны долго и стабильно работать. Период энерговыделения в зависимости от выбранного изотопа может варьироваться от нескольких лет (прометий-147) до веков (никель-63).
В 2020 году американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи. Ее потенциал работы достигает тысячи лет. Разработка имеет специальный корпус из синтетических алмазов, внутрь которого помещен радиоактивный центр. Он работает на переработанных ядерных отходах углерода-14, а бета-излучение изотопов преобразуется в электрический ток. Испытания показали, что радиационный фон остается в норме. При этом стержень «фонит» до 28 тыс. лет, и именно столько может работать батарейка. Nano Diamond Battery намерена выпускать батарейку в популярных форм-факторах, в том числе АА, AAA, 18650, CR2032 и других. Пока же разработку будут тестировать предприятия, которые производят, обслуживают и утилизируют продукты ядерного топлива, и компании аэрокосмической, оборонной и охранной продукции.
Специалисты из НИТУ «МИСиС» разработали аналогичную батарейку на никелевом бета-гальваническом элементе. Она состоит из полупроводникового преобразователя и радиоактивного вещества. Энергия радиоизотопа никель‑63 преобразуется в электрический ток. Никель‑63 представляет собой чистый источник энергии без вредного гамма-излучения. Период полураспада изотопа составляет 100 лет. Разработка преобразователя обошлась всего в 300 рублей, однако сам никель‑63 стоит около $4 тыс. за грамм, поэтому желающих наладить массовое производство батареек пока не нашлось.
В МИСиС считают, что потенциально батарейки можно применять в космонавтике для питания приборов, а также в ядерной медицине для питания кардиостимуляторов, в освоении Арктики и так далее.
Атомное будущее транспорта и плавучие мини-АЭС
Атомную энергию активно применяют во флоте. Работы по ядерным морским силовым установкам начались в 1940-х годах, а в наши дни атомный флот США, России и других стран насчитывает около 150 судов. Большинство из них работают на высокообогащенном уране. Мощность реакторов современных АПЛ достигает 190 МВт, а авианосцев — около 700 МВт. Атомный флот включает в себя не только подлодки и крейсеры, но и ледоколы, которые прокладывают морские пути у берегов Арктики. У него длительный срок службы реактора (зоны цепной реакции деления), так что дозаправка требуется только через 10 и более лет, а новые активные зоны рассчитаны на 50 лет работы в авианосцах и на 30-40 лет — на большинстве подводных лодок.
Разработка атомных торговых судов началась в 1950-х годах, но в целом не имела коммерческого успеха из-за дороговизны их эксплуатации. На этих судах использовались реакторы с топливом из низкообогащенного урана.
Но сегодня, учитывая, что все большее внимание уделяется выбросам парниковых газов из-за сжигания ископаемого топлива, интерес к морским ядерным силовым установкам снова растет. В 2018 году Международная морская организация (ИМО) поставила цель сократить выбросы парниковых газов от судоходства на 50% к 2050 году по сравнению с 2008 годом. По оценкам, на судоходство приходится 2,6% мирового выброса CO2. Ядерная энергия позволит судам сократить выбросы вредных веществ до нуля. Помимо этого и экономии топлива, корабли с ядерными двигателями идут примерно на 50% быстрее, чем их аналоги того же размера, работающие на жидком топливе. Согласно анализу, проведенному исследователями из Penn State, для судоходной отрасли увеличение количества рейсов в год и увеличение прибыли, по-видимому, более чем компенсируют увеличение эксплуатационных расходов на атомную энергетику.
Исследователям предстоит решить ряд важных эксплуатационных вопросов. Как указывает МАГАТЭ, ядерные реакции могут производить огромную энергию, которая при неправильном обращении приведет к катастрофе. Также ядерные отходы способны вызывать серьезное загрязнение воды, уничтожив морскую жизнь. Еще одна сложность связана с защитой атомного энергоблока в воде. Его деформация может вызвать подъем неконтролируемой волны. Наконец, персоналу и пассажирам на борту такого судна требуется дополнительная защита от радиации.
Часть проблем может решить применение реакторов на расплаве солей, которые могут работать без воды под высоким давлением и подходят для массового производства, снижая капитальные затраты. В технологии используется твердое урановое топливо неоружейного качества, смешанное с хлоридной солью. Она плавится при температуре почти 400 градусов в реакторе без давления. Любая смесь, которая потенциально может вытечь из реактора, остынет и затвердеет без всякого взрыва. По сути, это батарея, которая может работать без дозаправки в течение 25 лет, что составляет примерный срок службы одного судна. При этом генератор может быстро регулировать свою выходную мощность и адаптироваться к внешним требованиям.
Основатель Microsoft Билл Гейтс уже выступил с инициативой, в рамках которой команда инженеров его компании TerraPower пытается объединить технологию хранения тепла с реактором с жидкостным натриевым теплоносителем мощностью 345 МВт.
Кроме того, за последнее десятилетие несколько компаний разработали небольшие ядерные реакторы с мощностью, сравнимой с большими коммерческими судами. Например, Toshiba создала установку мощностью 10 МВт, компания Hyperion сосредоточилась на разработке установки мощностью 25 МВт, а NuScale представила установку мощностью 50 МВт, которую уже сертифицировали в США.
Ключом к освоению ядерной энергии станет «технология хранения тепла». Бортовая технология термоядерного синтеза производит пар, обеспечивающий радиус действия кораблей в несколько сотен миль. Тепловое судно может быть генератором энергии, буксируемым большим кораблем, которому он обеспечивает электроэнергию. Буксируемое судно может также включать в себя небольшой ядерный генератор.
Это решение позволит судам осуществлять судоходство между портами. При этом в большинстве грузовых морских перевозок будет использоваться буксир, толкающий и перемещающий большую баржу.
Пока же в России нашли первое применение реакторам с ледоколов. В Санкт-Петербурге ввели в эксплуатацию первую из серии плавучих электростанций для северных и дальневосточных территорий. Два реактора ледокола с низкообогащенным ураном установили на барже. Интервал их дозаправки составляет 3-4 года, а по окончании 12-летнего цикла эксплуатации вся установка возвращается на верфь для двухгодичного капитального ремонта. Четыре таких установки нового типа уже заказали для снабжения электроэнергией проекта по добыче меди Баимский на Чукотке.
Проекты плавучих АЭС реализуют и за рубежом. В 2022 году Samsung Heavy Industries объявила, что займется строительством у побережья Южной Кореи надводной атомной электростанции совместно с датским разработчиком компактных реакторов на расплавах солей (CSMR) Seaborg. CSMR позволяют эффективно генерировать электричество без выделения диоксида углерода и компактнее обычных атомных реакторов. Samsung планирует разработать плавучую АЭС мощностью до 800 МВт в течение 2022 года.
Ядерная энергетика без отходов
Ядерный топливный цикл — это вся последовательность производственных процессов, начиная от добычи топлива и заканчивая удалением радиоактивных отходов. В разомкнутом ЯЦ, который применяется на АЭС и во флоте, ядерное топливо, которое перестает поддерживать цепную реакцию деления (облученное топливо или ОЯТ), отправляется на хранение для снижения радиоактивности, а затем его захоранивают. Однако этот процесс создает угрозу экологии, поскольку даже в ОЯТ содержатся нептуний, америций и кюрий, опасные для окружающей среды.
В замкнутом ядерном топливном цикле на предприятиях проводится переработка отработанного ядерного топлива, чтобы вернуть в процесс ЗЯТЦ невыгоревший уран-235, почти всю массу урана-238, а также изотопов энергетического плутония, образовавшихся при работе ядерного реактора. При этом активность ядерных отходов, которые нужно захоронить, минимизируется. Современные исследователи стремятся добиться в процессе ЗЯТЦ полностью безотходного производства энергии.
В России запустили проект «Прорыв», разработчики которого поставили цель добиться такого ЗЯТЦ, при котором реактор будет вырабатывать больше активно делящихся изотопов, чем потребляется. Спроектированный ими реактор БРЕСТ-ОД-300 может практически не расходовать топливо и способен работать на подпитке ураном-238. Опытно-демонстрационный комплекс с этим реактором начали строить в июне 2021 года в городе Северск Томской области. Его строительство должно быть завершено в 2026 году.