Мы на пороге ядерного возрождения, только на этот раз реакторы будут намного компактнее, безопаснее, модульнее и гибче. Эта революция произошла как раз вовремя. Миру нужно как можно больше энергии с нулевым уровнем выбросов углерода, а будущие военные операции, меры по ликвидации последствий катастроф и даже космические миссии требуют огромного количества надёжной энергии на протяжении многих лет. Это следующее поколение ядерной энергетики возглавляется проектом Министерства обороны США (DoD) стоимостью 300 миллионов долларов под названием Project Pele и его предстоящим микрореактором, для завершения которого они привлекли Rolls Royce к 2024 году. Но каким будет этот новый реактор? И как он изменит мир?
Прежде чем мы углубимся в эту блестящую технологию, сначала нужно понять, почему DoD нужны крошечные ядерные реакторы, потому что причины могут быть не такими, как вы думаете.
Во-первых, маленькие ядерные реакторы делают военные операции гораздо более устойчивыми. Военные базы и конвои, находящиеся за линиями противника, нуждаются в постоянной поставке ископаемого топлива. Это топливо поддерживает работу их транспортных средств и обеспечивает энергию через генераторы, а без этой поставки они не могут эффективно сражаться, защищаться или охранять, что создаёт уязвимость. Но если эти базы и конвои будут питаться микрореакторами, им не понадобится эта поставка, и критическое слабое место будет устранено.
То же самое касается ликвидации последствий катастроф. Чтобы оказывать помощь жертвам природных или техногенных катастроф, необходима постоянная поставка ископаемого топлива для питания полевых госпиталей и поисковых машин. Если что-то случится с этой поставкой, помощь будет вынуждена прекратиться, и жизни людей окажутся под угрозой. Но если всё это можно было бы питать микрореактором, проблема была бы решена.
Кроме того, NASA нужны маленькие, компактные и чрезвычайно безопасные ядерные реакторы для будущих пилотируемых миссий на Луну и Марс. У них есть свой проект для этого, но он включает очень похожие компании. Так что можно быть уверенным, что эти проекты будут очень похожи.
Также вооружённые силы США хотят сократить свой углеродный след.
Вот почему DoD нужен компактный, модульный ядерный реактор. Но каким будет этот реактор? И когда он будет введён в эксплуатацию?
Технические характеристики, установленные DoD, чрезвычайно требовательны. Во-первых, один реактор должен весить менее 40 тонн и быть транспортируемым самолётом C7 или грузовиком. Он должен производить 1–5 МВт энергии, что является удивительным показателем для такого небольшого устройства. Он также должен обеспечивать эту мощность не менее трёх лет без дозаправки и собираться в поле не более чем за три дня. Реактор должен быть намного безопаснее всего, что у нас сейчас есть, и выдерживать внешнюю атаку без расплавления или выброса радиоактивных или токсичных материалов. И, наконец, он должен быть завершён и готов к испытаниям к началу 2024 года.
Хотя у DoD есть свои исключительные инженеры, это огромный вызов. Поэтому они привлекли несколько компаний, включая BWX, Westinghouse и Xenergy, для разработки реактора. Но этого было недостаточно, поэтому они привлекли главного игрока в области ядерных технологий — Rolls Royce, чтобы довести проект до конца.
Причина, по которой понадобилось привлечение Rolls Royce, становится очевидной, если взглянуть на конструкцию этого реактора, так как он использует передовые инновации для достижения сумасшедших спецификаций DoD.
Во-первых, это гелиевый охлаждаемый реактор, а не типичные водоохлаждаемые реакторы, которые мы используем сейчас. Гелиевые реакторы не только невероятно лёгкие и компактные, но и имеют ряд замечательных эксплуатационных и безопасных преимуществ. Во-первых, в отличие от большинства ядерных реакторов, им не нужна водоснабжающая система для работы, что делает их гораздо более гибкими в отношении местоположения. Они также гораздо более устойчивы к коррозии, и их системы охлаждения могут оставаться функциональными при гораздо более высоких температурах, что даёт им естественную защиту от перегрева.
Эта работа при высоких температурах также позволяет использовать другой тип ядерной реакции, известной как деление быстрых нейтронов, которое «порождает» новое топливо из неактивных изотопов урана в топливе. Только около 5% урана в ядерном топливе — это уран-235, который может подвергаться делению и производить энергию. Остальное — уран-238, который не является радиоактивным и не может быть разделён, как уран-235. Но быстрый нейтрон может взаимодействовать с ураном-238 и превращать его в делящийся материал, эффективно создавая больше топлива из отходов. Это позволяет реакторам, использующим этот тип реакции, производить гораздо больше энергии из меньшего количества топлива и использовать гораздо меньшее обогащение топлива.
Это увеличивает время между дозаправками, но также делает реактор намного безопаснее. Видите ли, уран-238 нужно «активировать» быстрым нейтроном для деления, и до тех пор он абсолютно безопасен. В результате количество смертельно опасного ядерного топлива, содержащегося в этом типе реактора в любой момент времени, является незначительным, что делает его безопасным для транспортировки на самолётах, грузовиках и даже ракетах.
Чтобы узнать больше о быстрых реакторах, прочитайте мою статью «США могут быть обеспечены энергией на целый век только за счёт своих ядерных отходов.»
К сожалению, мы не знаем, будет ли Project Pele использовать деление быстрых нейтронов. По крайней мере, с концептуальной точки зрения, было бы разумно использовать его.
Но этот реактор всё ещё должен быть ещё безопаснее. Ведь он должен выдерживать прямую атаку и не вызывать экологической катастрофы, если будет уничтожен в атаке. Вот тут и вступает в игру топливо TRISO.
Вы, наверное, слышали о ядерных топливных стержнях и, возможно, даже о ядерных топливных гранулах. Так вот, гранулы TRISO — это топливо следующего поколения. Каждая гранула размером с маковое зерно, но внутри неё содержится ядро уранового топлива, окружённое несколькими слоями углерода и сверхжаростойкой керамики. Эти слои фактически делают топливо TRISO устойчивым к расплавлению, так как даже если уран расплавится, он останется внутри топливной гранулы, что облегчает его удержание и контроль. Более того, все радиоактивные и токсичные продукты деления безопасно хранятся внутри гранулы. Это означает, что даже если реактор будет подвергнут обстрелу и топливо выброшено, оно не загрязнит окружающую среду ядерным материалом. Вместо этого оно будет только слегка облучено, и уборка гранул должна быть относительно лёгкой.
Но гелиевые реакторы и топливо TRISO всё ещё находятся на грани ядерных технологий. Чтобы сделать их надёжными, безопасными и удобными в использовании для DoD, потребуется значительное усилие. Снова, поэтому была привлечена компания Rolls Royce, так как для создания функционального и пригодного к использованию реактора к 2024 году потребуется вся возможная помощь.
Однако, как только этот реактор будет создан, он изменит мир, и не только в руках военных или NASA. Такой мощный, компактный, гибкий и безопасный реактор может революционизировать гражданскую жизнь. По мере перехода к углеродно-нейтральному обществу, ядерная энергия будет играть всё более важную роль в обеспечении наших жизней. Однако ограничения нынешних конструкций реакторов, такие как необходимость в водоснабжении, факторы безопасности, стоимость и время строительства, препятствуют более широкому использованию ядерных реакторов. Но дизайн Project Pele имеет потенциал решить все эти проблемы и ознаменовать новую эру ядерной энергетики.