Атомный реактор Билла Гейтса
Попытки развитых стран перейти на энергию солнечных и ветряных электростанций проходят не всегда блестяще. Зимой недостаток производства такой «чистой» энергии особенно заметен, и пока его приходится закрывать тепловыми и атомными станциями. Но ТЭС, работающие на ископаемом топливе, в будущее не попадут, а АЭС вне России, Китая и Южной Кореи стоят безумно дорого, регулируются невероятно строго, и строят их мало.
Основанный Биллом Гейтсом стартап TerraPower планирует решить все эти проблемы разом. Для этого он построит в Вайоминге (на месте старой угольной ТЭС) принципиально новую АЭС. При электрической мощности в 345 МВт она будет сравнительно недорогой, и, в теории, сможет стать уникальным стабилизирующим фактором для энергосистемы будущего. Но насколько реальны эти перспективы? Не пропадут ли инвестиции Гейтса — и гранты американского министерства энергетики на сотни миллионов долларов?
Быстрые нейтроны
В ходе ядерных реакций выделяются быстрые нейтроны. Они сталкиваются с новыми ядрами атомов топлива, вызывая их деление. Чтобы эти частицы чаще попадали в ядра урана-235, и реакция проходила стабильно, их нужно замедлить до невысокой «тепловой» скорости. Поэтому в подавляющем большинстве действующих сегодня реакторов используются замедлители, такие как графит или просто вода, которая также нужна и в качестве теплоносителя, выносящего тепло из реактора к парогенераторам.
Однако для урана-238 такие тепловые нейтроны слишком медленны, а ведь этого изотопа в ядерном топливе в разы больше, чем 235-го. В природных рудах эта разница доходит до 140 раз. Неудивительно, что и в России, и за рубежом одним из перспективных направлений атомной энергетики стали реакторы, не использующие замедлитель и способные работать на быстрых нейтронах (РБН). А это значит, что охлаждать тепловыделяющие элементы должна не вода, замедляющая нейтроны, а какой-то другой теплоноситель, который их не тормозит.
В поисках подходящего вещества ученые опробовали свинцово-висмутовые смеси и даже ртуть, но обнаружили, что при высоких температурах они вызывают быструю коррозию стальных труб. В итоге самым перспективным оказался жидкий натрий. «Все работающие в мире сегодня «быстрые» реакторы — натриевые, — рассказал нам инженер-физик, специалист в области радиоэкологии Дмитрий Горчаков. — Точнее говоря, оба: БН-600 и БН-800, работающие в нашей стране и пока единственные быстрые реакторы на АЭС».
Жидкий натрий
Конечно, есть у натрия и недостаток: невероятная химическая активность. Этот щелочной металл воспламеняется даже при контакте с водой и воздухом, из-за чего пришлось закрыть экспериментальный РБН на японской АЭС Мондзю. Однако гейтсовский стартап TerraPower выбрал именно этот теплоноситель, подчеркнув это даже в названии своего будущего реактора: Natrium.
«Дело в том, что на химической активности недостатки натрия практически заканчиваются, а дальше начинаются преимущества, — говорит Дмитрий Горчаков. — В обычных реакторах теплоносителем выступает вода, а ее греть выше 330 °C сложно даже под давлением. Натрий же кипит только при 883 °C. Это позволяет нагревать его в реакторе до 550 °C — куда сильнее воды, и при этом еще остается большой запас до кипения, что важно для безопасности. Поэтому тепловой КПД натриевых реакторов достигает 42% (как у БН-600) против 32–37% у «водяных». Стоит добавить, что в случае Terra Power этот показатель, видимо, должен быть еще выше. Тепловую мощность реактора планируют в 840 МВт, а электрическую — 345 МВт, что указывает на КПД в 44,6%.
Еще одно преимущество натрия перед водой — давление. Воду для водяных реакторов греют под давлением в 160 атмосфер, для чего стенки корпуса приходится делать толстыми, как на линкорах прошлого. Давление не только делает его дороже, но и создает угрозу разрыва при сбоях с охлаждением, как это случилось на АЭС Фукусима-1. Natrium, как и российские РБН, будет держать натрий при давлении, близком к атмосферному.
Облегченный реактор
Стенки такого реактора много тоньше, а главное — в случае ЧП, которое остановит работу насосов охлаждения, Natrium особо ничего не угрожает. «Огромная теплоемкость и высокая теплопроводность натрия, которого довольно много в реакторе, позволят ему долгое время охлаждаться самостоятельно через пассивные системы, сбрасывая тепло в атмосферу», — объясняет Дмитрий Горчаков. И это не только расчеты теоретиков. В 1980-х в США был испытан натриевый РБН IFR: при выключении водяного охлаждения температура в реакторе хотя и поднялась, но осталась много ниже точки кипения натрия и не привела к опасной ситуации.
От нагрева урановое топливо расширилось, а плотность натрия между тепловыделяющими элементами слегка снизилась. В итоге количество нейтронов, захватываемых топливом, упало настолько, что реакция естественным образом замедлилась даже без использования тормозящих стержней. Впрочем, у реактора Natrium такие стержни все равно предусмотрены. В случае отключения питания удерживающие их электромагниты отключатся, и стержни упадут, останавливая реактор за счет быстрого поглощения нейтронов.
Надо сказать, что в целом Natrium будет выстроен по той же схеме, что и IFR за 40 лет до него: тепловыделяющие топливные сборки погружены в «бассейн» с жидким натрием. Как комментирует ситуацию Дмитрий Горчаков, на быстрых реакторах такого типа даже не предусмотрена ловушка расплава, куда должен стекать расплав из активной зоны в случае самой страшной аварии. Расплавление в такой схеме практически невозможно, потому что натриевый теплоноситель, в отличие от воды в обычном реакторе, просто не может перегреться настолько, чтобы металл выкипел и позволил расплавиться активной зоне реактора.
Металлический уран
Еще одно отличие реактора Билла Гейтса от обычных — использование топлива в виде чистого урана, а не его оксида. Получается, что у каждого свободного нейтрона нет шансов ударить в атом кислорода вместо урана, поэтому образующиеся в реакциях частицы расходуются экономнее. При этом уран-238 превращается в плутоний, который может быть использован для новых ядерных реакций. Это значит, что на единицу выработанного электричества понадобится намного меньше исходного урана-235. TerraPower обещает, что экономия достигнет восьми раз.
Дмитрий Горчаков замечает, что и в обычных реакторах на тепловых нейтронах с водяным охлаждением до 30 процентов энергии получается от распада плутония, образовавшегося из урана-238. Но в быстром реакторе за счет сохранения высокой энергии у нейтронов, они могут приводить к делению, а значит использовать в качестве топлива, практически любые изотопы и плутония и урана. За счет этого использовать урановое топливо можно намного полнее.
«В США широкому использованию плутония мешают серьезные бюрократические препятствия, — добавляет Дмитрий. — Из-за опасений возможной утечки ядерных материалов в США практически нет переработки ядерного топлива и извлечения плутония». Однако решения TerraPower в значительной степени обходят эти ограничения. Появляющийся в реакторе плутоний будет «разбавлен» большим количеством урана и других ядер, поэтому использовать его в качестве оружейного нельзя.
Гибридное решение
Билл Гейтс не раз подчеркивал, что сами по себе ни солнечные, ни ветряные электростанции переход к «безуглеродной энергетике» не обеспечат. Во-первых, большая часть энергии сегодня используется в виде тепла, а превращение электричества в тепло — это новые потери. Во-вторых, генерация электричества от Солнца и ветра нестабильна, и чтобы сбалансировать производство и потребление нужны масштабные накопители. И здесь у проекта Natrium есть еще один очень серьезный плюс: он уже включает в себя такой накопитель.
«Фактически, это гибридная система, включающая в себя реактор на быстрых нейтронах и накопитель его тепловой энергии в виде крупной емкости с расплавленной солью», — говорит Дмитрий Горчаков. «С точки зрения технологии такие накопители — достаточно отработанная история, — продолжает он. — Они активно используются на солнечных электростанциях с зеркалами-концентраторами, нагревающими расплавы солей».
Оценки стоимости накопления тепла в таких расплавах сильно разнятся, но редко поднимаются выше 75 долларов на кВт⋅ч электрической энергии (и 25 долларов за «тепловой» кВт⋅ч) — вчетверо дешевле, чем у литиевых аккумуляторов. Потери тепловых накопителей на расплаве солей составляют лишь 1–5% в сутки, в зависимости от температуры окружающей среды. Кроме того, при разумном использовании хранилище с расплавленной солью исправно проработает десятки лет, тогда как литий-ионные аккумуляторы на такой срок и не рассчитаны.
Тепловой запас
В часы минимального спроса на электроэнергию Natrium будет отдавать в сеть не более 100 МВт, менее трети от его электрической мощности. Остальная энергия будет уходить на нагрев хранилища расплавленной соли, чтобы в период пиковой нагрузки оно смогло «подставить плечо» энергосистеме. АЭС сможет запасать в расплаве солей достаточно тепла, чтобы выдавать в сеть по 500 МВт электрической энергии на протяжении пяти «пиковых» часов подряд. 345 из них будет давать реактор «в режиме реального времени», и еще 155 — электроэнергия, полученная от тепла жидкосолевых накопителей.
Такая интеграция атомных реакторов в энергосистему актуальна не только для США. Мощность АЭС нельзя так просто уменьшить, и по ночам, когда потребление снижается, избыток энергии требуется куда-то тратить, а лучше — сохранять. На сегодня только проект Natrium предлагает решение этой проблемы прямо на территории АЭС. Такой подход не перекладывает ответственность за удовлетворение изменчивого спроса на сетевые компании, как это делается сегодня на большинстве АЭС.
Поэтому в TerraPower смотрят в будущее с оптимизмом: ни один из «атомных» проектов-конкурентов не может похвастаться собственным накопителем, поэтому все они плохо совмещаются с «зеленой» энергетикой будущего. В 2020-х компания рассчитывает закончить первую экспериментальную АЭС в Вайоминге. При электрической мощности в 345 МВт стоить она будет один миллиард долларов.
Приблизительные цены
«Любые оценки стоимости экспериментальных реакторов всегда очень приблизительны. И чем дальше срок их реализации от дня сегодняшнего, тем менее они точны», — говорит Дмитрий Горчаков. По его словам, даже стоимость обычных атомных реакторов может отличаться от запланированной на десятки процентов. Поэтому надежно предсказать цену проекта Natrium вряд ли возможно.
Но даже если оценки TerraPower окажутся точными, ее новый реактор пока не выглядит таким уж дешевым.Киловатт установленной мощности обойдется примерно в 2900 долларов, что в пару раз больше, чем у тепловых или солнечных электростанций. Однако следует учесть, что стартап планирует АЭС, работающую 365 дней в году, с годовой выработкой более 2,7 млрд КВт/ч. Типичная тепловая станция такой мощности в США вырабатывает вдвое меньше, а солнечная — менее 0,7 млрд кВт⋅ч. Следует учесть и то, что станция Natrium уже включает накопитель, позволяющий ей в случае нужды выдавать в сеть до 775 тыс. кВт⋅ч электроэнергии. Литиевые накопители такой же емкости стоили бы порядка 230 млн долларов, что сопоставимо со стоимостью целой новой АЭС.
Трудно предсказать, удастся ли TerraPower реализовать проект с первого раза без существенных технологических проблем. «Советские и российские инженеры на многих и исследовательских и энергетических реакторах (БОР-60, БН-350, БН-600 и др) учились работать с натриевым теплоносителем. Конечно, поначалу были и утечки и прочие сложности, но в итоге с ними научились бороться и технологию освоили, — говорит Дмитрий Горчаков. — Организации, подобные МАГАТЭ, анализируют, обобщают и способствуют обмену опытом разных стран мира в строительстве и эксплуатации таких быстрых реакторов новых поколений. Вряд ли американский стартап, среди учредителей которого есть и GE Hitachi, не сможет реализовать нужные решения. Технически все решаемо».
Ключевая проблема, стоящая перед стартапом Гейтса, в другом. Сумеет ли проект удержать заявленную миллиардную стоимость? Если да, то Natrium действительно сможет дать толчок возрождению атомной энергетики, причем не только в США.
