В Китае хотят ввести в эксплуатацию первый ядерный реактор на ускорителе. По словам разработчиков, этот запуск откроет Поднебесной "путь к созданию источника энергии, способного работать тысячу лет". Применяемая новая технология на ускорителе должна сократить время распада ядерных отходов примерно на 99,9%. Подобной технологией занимаются и американские учёные, заявившие о своём проекте ADS.
Буквально в феврале учёные из США представили установку, использующую ядерные отходы для выработки электроэнергии. Новая технология позволит сократить время распада ядерных отходов на 99,7%.
В начале марта теперь уже Китай представил свои наработки в этой области с тем отличием, что более новая технология позволит снизить время распада на 99,9%.
До текущих событий лично я знал об отечественной технологии по переработке ядерных отходов. В отличие от американских и китайских инноваций, российская ГК "Росатом" была и остаётся единственной организацией, обладающей работающим предприятием по переработке ядерных отходов. Отечественная переработка позволяет вернуть обратно в работу 96% ядерного топлива от общей массы поступивших отходов. В этом случае лишь 4% приходиться захоранивать.
Что же такого интересного изобрели китайцы, возможно, взяв за основу созданное немногим ранее американскими учёными? И чем отличается эта разработка он технологии, разработанной отечественными физиками-ядерщиками?
Что придумали американцы?
Перед тем, как поговорить о китайском изобретении, давайте посмотрим на изобретение учёных из США. Кстати, китайский образец очень похож на американский.
Американские исследователи из Национального ускорительного комплекса имени Томаса Джефферсона при Министерстве энергетики США поставили перед собой две цели: получение дополнительной безуглеродной электроэнергии из отработанного ядерного топлива при значительном сокращении срока его радиоактивного распада. Работа получила название Accelerator-Driven Systems - ADS и затрагивает вопросы оптимизации ускорителя частиц.
На эту разработку Министерство энергетики США выделило исследователям 8,17 миллиона долларов. Исследование представляют собой переход от захоронения отработанного ядерного топлива к его применению в качестве источника энергии. Странно конечно, что власти США не заключили с Росатомом договор на переработку их ядерных отходов. Это бы сняло головную боль "вновь нашим западным партнёрам", а Росатом смог бы на этом неплохо заработать.
Тем не менее, работа весьма интересная. Американские учёные хотят "заставить" распадаться ядерные отходы невероятно быстро - с невероятной скоростью. Описываемая ими технология говорит о сокращении распада примерно на 99,7%.
Если говорить простым языком, не вдаваясь глубоко в ядерную физику, то технология ADS построена на системе ускорителя частиц, используемого для бомбардировки мишени, например, жидкой ртути, заряженными частицами с высокой кинетической энергией. Такие частицы ещё называют протонами высокой энергии. Простым примером разгона таких частиц является современный ускоритель - коллайдер, позволяющий получить энергию частицы вплоть до 300 ГэВ. В результате такой бомбардировки запускается процесс "расщепления", высвобождающий поток нейтронов, которые взаимодействуют с нежелательными долгоживущими изотопами в ядерных отходах. Так происходит эффективное "сжигание" наиболее опасных компонентов отходов.
На мой взгляд, как опыт и тем более результат этого опыта интересен только физикам-ядерщикам.
Дело в том, что обычные среднестатистические ядерные отходы остаются опасным в течение примерно 100.000 лет. Технология ADS сокращает этот срок до 300 лет = примерно 4-е человеческих поколения. Для меня, как для простого обывателя, разницы никакой. Другое дело, если эта бомбардировка с разделением позволит получать дешёвую энергию, а остатки ядерного топлива переработает Росатом. Тогда, возможно, ADS будет выгодна всем.
Итак, что получили от ADS американцы?
Как оказалось, при описанном процессе выделяется значительное количество тепла, которое можно использовать для выработки электроэнергии.
Это уже хорошо, потому что сама ADS потребляет во время работы заметное количество энергии. Для достижения сверхпроводящих температур в традиционных ускорителях частиц требуются массивные и дорогостоящие системы криогенного охлаждения.
Чтобы сократить расходы на оборудование американские изобретатели покрыли внутреннюю поверхность резонаторов из чистого ниобия оловом.
Эти ниобий-оловянные резонаторы теперь могут работать при более высоких температурах, используя для охлаждения не крупномасштабные криогенные установки, а стандартные коммерческие холодильные установки. Такие установки стоят дешевле и энергии потребляют меньше.
Другой компонент установки - это магнетрон - весьма дорогая составляющая. Её американские инженеры тоже решили доработать. Простой пример магнетрона используется в микроволновых печах. Только магнетрон американской ADS требует гораздо больше энергии.
Основная сложность заключается в том, что частота энергии должна точно соответствовать частоте ускорителя — 805 мегагерц. Видимо, на эту часть задачи и будет потрачена основная часть суммы выделенных денег.
По сути, американские учёные приступили к разработке коллайдера для коммерческих целей. В разрабатываемой установке хотят переработать все ядерные отходы, которые есть в постоянных геологических хранилищах США.
С одной стороны, прототип у американцев уже есть, они его испытывают и доводят до ума. Теперь посмотрим, что придумали хитроумные китайцы.
Что придумали китайцы?
Китайские исследователи оказались расторопнее американских и, похоже, первый коммерческий проект придуманной технологии ADS будет запущен не в США, а в Китае. Дело в том, что в начале марта исследователи из Китайской академии наук (КАН) приступили к окончательной установке сверхпроводящих ускорителей частиц на экспериментальной ядерной площадке в провинции Гуандун. Своё творение китайские инженеры называют "масштабным шагом на пути к безграничной чистой энергии".
На испытания и доработку китайцы планируют потратить чуть менее года и уже в 2027 году ввести в эксплуатацию первый реактор для сжигания ядерных отходов мощностью в мегаватт.
Как-то маловато... Но об этом чуть ниже.
Согласно сообщению издания South China Morning Post, заместитель директора Института современной физики при Китайской академии наук господин Хэ Юань заявил, что китайская система, предназначенная для сжигания урана, в 100 раз эффективнее, чем обычные реакторы. Превращая долгоживущие радиоактивные отходы в короткоживущие и менее опасные изотопы, эта технология может сократить срок распада ядерных отходов до одной тысячной от нынешнего.
Согласно отчёту китайских экспертов, разработанная китайская станция может стать стабильным "зелёным" источником энергии, способным удовлетворять потребности человечества в течение следующих 1000 лет.
Китайская ADS получилась гибридной. Это и ядерный реактор, и ускоритель заряженных частиц в едином комплексе.
В отличие от традиционных реакторов, в которых используется самоподдерживающаяся цепная реакция, новая для поддержания активности требует внешнего источника нейтронов.
Процесс расщепления ядерных отходов такой же, как у американцев. Для запуска процесса сверхпроводящие линейные ускорители испускают пучки протонов, движущиеся со скоростью 80 % от скорости света. Затем эти пучки бомбардируют в отличие от американской не ртуть, а жидкий свинцово-висмутовый сплав, создавая мощный поток нейтронов.
Эти нейтроны превращают уран-238, часто считающийся отходами, в плутоний-239. То есть, мусор снова становится топливом. Что интересно, реактор не может поддерживать реакцию без ускорителя, а значит риск неконтролируемого расплавления топлива физически исключен. Следовательно, уровень безопасности такой установки очень высокий.
Так кто первый: американцы или китайцы?
Здесь очень хотелось написать, что Советский союз. Но это не так. Хотя что-то подобное у нас есть. На Белоярской АЭС уже не первый год эксплуатируют замкнутую систему на быстрых нейтронах (БН). Она использует не только уран-235, но и тот самый уран-238. Реактор дожигает самые опасные компоненты из отработавшего топлива. Первый такой реактор на этой АЭС был запущен в 1980 году, второй - в 2016, а к 2034 должен заработать самый мощный - третий. Мощности установок 600 МВт, 800 МВт и 1200 МВт соответственно. Это для сравнения с китайским мегаваттом.
ADS отличаются от системы БН, которая используется на нашей БАЭС подходом к поддержанию цепной реакции. В ADS реактор не работает самостоятельно — без внешней подпитки нейтронами цепная реакция затухает. Система БН построена на принципе образующихся быстрых нейтронах, которые не замедляются ни водой, ни графитовыми вставками. Деление ядер тяжёлых элементов высвобождает большое число энергии и порождает нейтроны, среди которых есть быстрые нейтроны. В обычных реакторах они замедляются. В системах БН - нет. В таком случае в качестве топлива используется не уран-235, а уран-238 и торий. Причём для реакторов на быстрых нейтронах доступен замкнутый, т. е. безотходный топливный цикл. Вместо воды, как теплоносителя, в них используется жидкий металл, например, жидкий натрий.
Концепция систем с ускорителем (Accelerator-driven subcritical systems, ADS) известна ещё с 1980-х годов, но до сих пор ещё не было ни одного её воплощения в реально работающий коммерческий тип.
Вплотную изучением этого проекта Китай озаботился в 2011 году. Что в целом логично. Китай в 2006-2007 годах начал вводить в эксплуатацию энергоблоки своих первых АЭС, следовательно, настало время подумать о ядерных отходах: либо отдавать их в Россию на переработку, либо извлекать из него энергию с использованием технологии ADS.
Стоит признать, что китайцы в этой технологии опередили американцев, выпустив свой первый рабочий прототип ещё в 2021 году. Этот прототип стал первым, достигшим уровня производительности, оправдывающего промышленное использование.
Однако, пока установка вырабатывает только мегаватт энергии, но её симбиоз с атомной станцией оправдывает её работу, тем более, что благодаря ей, цикл использования ядерного топлива получился почти замкнутым.
Заключение.
Китайские и американские инженеры идут верным путём. Хотя их концепция проигрывает технологии БН советских и теперь российских физиков-ядерщиков. Лично я рад только одному, что Росатом остался государственной корпорацией, не превратившись в АО или ООО. Видимо, только благодаря этому корпорация смогла сохранить свою силу и мощь со славных времён СССР и до сих пор остаётся лидером в атомной энергетике.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.