Смогут ли США усмирить атом
Американские специалисты продолжают активно разрабатывать ядерные реакторы нового поколения. Только прошлой осенью появилось сразу несколько перспективных технологий. В частности, это недорогой "зеленый" Dynomak от Вашингтонского Университета, высокоэффективный Helion от Helion Energy и компактная система от компании Skunk Works, являющейся подразделением известной оборонной компании Lockheed Martin.
Последняя уже представила в этом месяце лабораторный прототип реактора Compact Fusion Reactor (CFR). По словам авторов технологии, новый реактор будет безопаснее, чище и мощнее, чем современные крупные ядерные системы, основанные на процессе расщепления атомов с высвобождением энергии. Предполагается, что благодаря своим компактным размерам, CFR получит самое широкое применение, отнюдь не ограничивающееся энергоснабжением домов и объектов инфраструктуры. Его можно будет размещать на борту межпланетных кораблей и коммерческих судов. А если реактор действительно окажется безопасным, на основе CFR построят самолеты на ядерной энергии, которым практически не придется заправляться. В свое время от этой идеи отказались из-за опасностей и сложностей, связанных с реакторами ядерного деления.
Compact Fusion Reactor будет производить гораздо меньше отходов, в первую очередь, благодаря использованию дейтерий-тритиевого топлива. Оно может генерировать почти в 10 миллионов раз больше энергии, чем ископаемое в эквивалентном объеме. Сверхплотный дейтерий, изотоп водорода, добывают в океане, а тритий - из природных месторождений лития. Авторы технологии говорят, что CFR сможет в перспективе работать абсолютно без радиоактивных побочных продуктов.
Топливо для синтеза впрыскивается в вакуумную камеру. Затем добавляется энергия, обычно радиочастотный нагрев, и газ разбивается на ионы и электроны, образуя плазму. Сверхгорячая плазма управляется сильными магнитными полями, которые не позволяют ей касаться стенок сосуда, таким образом, не происходит утечки энергии. В этом процессе создается гелий-4, освобождая нейтроны, которые переносят кинетическую энергию через ограничивающие магнитные поля. Эти нейтроны нагревают стенки реактора, которые с помощью обычных теплообменников приводят в движение турбинные генераторы.
До сих пор большинство систем термоядерного синтеза использовали устройство для управления плазмой типа "токамак". Основной их недостаток в том, что они могут удержать только определенное количество плазмы, то есть имеют так называемый бета-предел. У среднестатистического токамака он довольно низкий, порядка 5% от ограничивающего давления. Если слишком близко подойти, а тем более, превысить этот предел, реактор может взорваться. Кроме того, система токамака предполагает его огромные размеры и высокую стоимость. Так, ИТЭР обойдется приблизительно в $50 млрд и по завершении будет 30 метров в высоту и весом в 23 тыс. тонн.
Серия сверхпроводящих катушек в CFR, вместо того чтобы, как токамак, ограничивать плазму внутри трубчатых колец, генерирует геометрически новое магнитное поле, в котором плазма удерживается в более широких рамках по всей камере. Система сможет саморегулироваться, используя механизм самоотдачи: чем дальше выходит плазма, тем сильнее магнитное поле будет заталкивать ее обратно, чтобы удержать.
Специалисты подсчитали, что при аналогичной производительности CFR может быть в 10 раз меньше, чем токамак. Разумеется, изменение масштаба существенно сократит расходы на строительство реакторов. Рабочая версия CFR должна появиться уже через пять лет. Первые реакторы будут производить порядка 100 МВт, умещаясь на транспортабельных платформах размером всего 7 на 15 метров. CFR можно будет легко внедрить в существующую инфраструктуру и интегрировать в современную сеть. 100-мегаваттный реактор сможет обеспечить энергией 80 тыс. домов.
Compact Fusion Reactor - не единственная новая разработка американских специалистов в сфере ядерной энергетики. Исследователи из американской Национальной лаборатории Ок-Ридж совместно с Институтом прикладной физики в Шанхае работают над созданием нового типа ядерных реакторов FHR (fluoride high-temperature reactor), охлаждаемых расплавленными солями. Это один их самых экономных типов реактора: их содержание обходится в $5 млн в год.
На самом деле, сама технология существует давно: еще в 60-х в США построили первый такой реактор. Он работает и по сей день, являясь единственным в мире образцом охлаждаемой расплавленными солями ядерной системы. Исходя из имеющегося опыта, ученые считают, что FHR - весьма перспективная технология.
Реактор работает при низком давлении и охлаждается за счет расплава солей-фторидов. Конструкция обеспечивает работу оборудования в высокотемпературном режиме, за счет чего увеличивается энергетическая эффективность. А использование пассивных систем безопасности позволяет оперативно ликвидировать любую техническую проблему в автоматическом режиме, без вмешательства человека.
FHR-реакторы интересны еще и тем, что для их нормальной работы требуется весьма незначительное количество воды в системе охлаждения. Это позволит использовать установки для производства электроэнергии в регионах, где наблюдается дефицит водных ресурсов.
Всего на территории США действует сейчас 100 реакторов на 62 атомных электростанциях, которые вырабатывают 20% от всей энергии в стране. В 2001 году американское правительство приняло руководство по новой энергетической политике. В частности, документ предусматривает развитие атомной энергетики путем разработки новых типов реакторов с более высоким коэффициентом экономичности, а также создание новых способов переработки отработанного ядерного топлива.
Всего к 2020 году планировалось построить несколько десятков новых атомных реакторов, общей мощностью в 50 тыс. МВт, а также достичь увеличения мощность существующих АЭС на дополнительные 10 тыс. МВт.
В 2013 году в рамках этой программы были заложены четырех новых реактора: по два на АЭС Vogtle и V.C. Summer NPP. Все они нового типа -АР-1000, построенные компанией Westinghouse. На самом деле, в планах было около двадцати новых ядерных установок, но авария на Фукусиме заставила пересмотреть условия безопасности на большинстве американских станций. Кстати, власти США после аварии на японской АЭС и не подумали отказываться, как это сделала Германия, от "мирного атома".
Очевидно, что даже при наличии дешевого газа, нефти и угля США заинтересованы в развитии пусть и недорогой, но явно небезопасной ядерной энергетики. В ближайшие 20 лет закончится срок действия большинства атомных реакторов страны, а на их замещение понадобятся колоссальные средства. Поэтому Америка и разрабатывает сейчас новые, более экономичные, а одновременно максимально безопасные типы реакторов.
