Атомная энергетика: пути развития

Атом вполне подходит на роль святого Грааля энергетики. Атомные электростанции, в частности, никак не влияют на климат, они работают очень долго на ничтожном количестве топлива. Фантастические романы середины XX века изобиловали атомными звездолетами, атомными грузовиками и легковушками — чуть ли не атомными чайниками... 31 Июль 2015, 14:33

Ядерные реакторы: проблемы и возможные решения

Несмотря на прогнозы, сделанные в 50–60-х годах прошлого века, современная атомная энергетика составляет лишь 6% в мировом энергобалансе и она так и не стала серьезным конкурентом другим типам электростанций. Причина этому — шесть тяжелых аварий, одна из которых, Чернобыльская, стала наиболее масштабной в истории техногенной катастрофой. Она фактически остановила развитие атомной энергетики в мире, а потом, когда та все-таки начала вновь развиваться, еще один удар по ней нанесла авария на АЭС «Фукусима-1».
Другая проблема, связанная с мирным атомом, — отработанное ядерное топливо. На сегодняшний день в мире накоплено порядка 300 тыс. тонн таких отходов, из них около 20 тыс. тонн — в России. Хранение отработанного топлива требует больших расходов и сложной инфраструктуры. В Советском Союзе была принята стратегия «отложенного решения», в рамках которого ядерное топ­ливо отправлялось на временное хранение на 50–100 лет — до создания мощностей по переработке и извлечению из него плутония и другого ценного сырья. Однако в целом разрастание объема ядерных отходов создавало серьезную экономическую нагрузку и делало атомную энергетику значительно менее конкурентоспособной.
Проблему ядерных аварий специалисты предлагают решить путем создания реакторов с так называемой естественной безопасностью. В существующих сегодня от аварий предохраняют сложные многоступенчатые системы защиты, авторы же «естественной» концепции предлагают создать реакторы, которые в принципе не могут перейти в такие режимы, при которых возможна авария с выбросом радиоактивных веществ, — в этом случае они автоматически глушатся. 
Так, причиной большинства крупных ядерных аварий были проблемы с отводом тепла из активной зоны реактора. В частности, на Фукусиме после удара волны цунами вышли из строя генераторы аварийной системы энергоснабжения, прокачка воды через реактор прекратилась, после чего произошел взрыв водорода, а активная зона реактора расплавилась.
Концепция естественной безопасности подразумевает, что в реакторе в качестве теплоносителя используется не вода, а высококипящий жидкометаллический теплоноситель — например, свинец. Такой теплоноситель не станет источником взрывоопасного водорода. Кроме того, система рассчитана таким образом, что для охлаждения активной зоны достаточно естественного теплоотвода, при этом отпадает необходимость в насосах для прокачки теплоносителя.
Проблему же с ядерными отходами предполагается решить за счет создания замкнутого топливного цикла на основе реакторов на быстрых нейтронах. Ядерная реакция в существующих реакторах, например водо-водяных типа ВВЭР или «чернобыльского» типа РБМК, идет на «медленных» нейтронах. В них энергия нейтронов, возникших при распаде тяжелых ядер урана, снижается с помощью замедлителя — воды и специальных управляющих стержней, что повышает вероятность их поглощения ядрами урана. Тем самым поддерживается устойчивая цепная реакция. В этом случае в реакции участвует лишь изотоп
уран-235, а уран-238, из которого почти на 90% состоит ядерное топливо, работает только как замедлитель.

Крупнейшие аварии ядерных реакторов

Масштабные аварии на атомных электростанциях и предприятиях, повлиявшие на отношение мировой общественности к атомной энергетике, можно пересчитать по пальцам. При этом во многом они произошли из-за ошибок обслуживающего персонала, хотя конструктивные недоработки и недостаточная исследованность некоторых процессов тоже послужили их причинами.
10 октября 1957 года на одном из реакторов по выработке оружейного плутония (графитовый с воздушным охлаждением) атомного комплекса «Селлафилд» (Англия) произошел пожар и выброс радиоактивных веществ. Из-за ошибки персонала и отсутствия контрольно-измерительных приборов процесс отжига графита для восстановления его структуры, измененной бомбардировкой нейтронами в ходе эксплуатации реактора, пошел нештатно. После безуспешных попыток выгрузить твэлы и охладить реактор углекислым газом его затопили водой и перевели в холодное состояние. Жертв удалось избежать.

18 января 1970 года на судостроительном предприятии «Красное Сор­мово» (Нижний Новгород, СССР) произошел несанкционированный запуск ядерного реактора подводной лодки К-320, стоявшей на стапеле. В течение 15 секунд работы на запредельной мощности произошло радиационное заражение цеха, в котором находилось около 1000 рабочих. Трое из них скончались через неделю от острой лучевой болезни. К январю 2005 года из присутствовавших тогда в цехе в живых оставалось 380 человек.
28 марта 1979 года на АЭС Три-Майл-Айленд (США) произошла авария, при которой активная зона реактора второго блока станции была повреждена, а часть ядерного топлива расплавилась. Началось все с отказа насосов контура охлаждения, вследствие чего сработала аварийная система, но вода в контур не поступила из-за того, что задвижки на выкиде насосов были закрыты — их не открыли после планового ремонта, закончившегося несколькими днями ранее.
Тушение энергоблока на Чернобыльской АЭС
Крупнейшая и самая известная в истории атомной энергетики авария произошла 26 апреля 1986 года на четвертом блоке Чернобыльской АЭС. Во время испытаний оборудования перед плановым отключением энергоблока с целью проведения планового ремонта из-за цепочки ошибок операторов и конструктивных особенностей систем реактора произошел взрыв и разрушение здания энергоблока с последующим сильнейшим радиоактивным заражением значительной территории. Несколько десятков человек погибло, 134 человека перенесли лучевую болезнь.
 
Непродолжительный контакт с металлическим ураном ничем  не грозит для здоровья

Быстрые нейтроны

Реакцию выделения из ядерного топлива нейтронов можно проводить и без замедления, однако в этом случае топливо должно быть более высокой степени обогащения, а реактор оборудован отражателями нейтронов (которые возвращают их в активную зону); кроме того, в таких реакторах нельзя использовать в качестве теплоносителя воду, которая работает как замедлитель.
Реакторы на быстрых нейтронах могут «сжигать» уран-238, превращая его в плутоний, который, в свою очередь, после переработки может работать как топливо. Это позволит использовать в качестве ядерного топлива накопленные запасы ядерных отходов, в основном состоящих из урана-238 и ряда других радиоактивных элементов. Кроме того, быстрые реакторы могут вовлечь в оборот уран-238 из отвалов обогатительных фабрик. В результате объем ядерных отходов может быть кардинально уменьшен.
С 1980-х годов в России на Белоярской АЭС работает т. н. быстрый реактор БН-600, который сейчас является единственным промышленным реактором этого типа (небольшие исследовательские быстрые реакторы сейчас работают в Индии, Японии и Китае). По соседству с ним построен реактор БН-800, в который в феврале началась загрузка топ­лива.

Реактор БН-800
Корпорация «Росатом» в рамках проекта «Прорыв» планирует уже через 10 лет запустить в городе Северске опытно-демонстрационный комплекс с быстрым реактором по концепции БРЕСТ («быстрый реактор со свинцовым теплоносителем») и пристанционным топливным циклом, который предусматривает переработку отработанного топлива на месте, без его перевозки.
Схема реактора БРЕСТ-ОД-300:
1 — активная зона, 2 — парогенератор, 3 — насос, 4 — перегрузочная машина, 5 — шахта реактора, 6 — система расхолаживания.
Впрочем, на пути распространения в мире быстрых реакторов могут возникнуть только политические преграды: в них нарабатывается плутоний — сырье для ядерного оружия. Ядерные державы вряд ли будут заинтересованы в том, чтобы значительное количество плутония оказалось в руках «неядерных» стран.
Кроме того, может сыграть свою роль общественное мнение. Сколько бы специалисты атомной отрасли ни говорили о надежности своих технологий, о беспочвенности атомной фобии (в одном из рекламных фильмов, подготовленных при участии «Росатома», главные герои держат в подвале дома небольшой атомный реактор, который обеспечивает жильцов электричеством и теплом), воспоминания о Чернобыле и Фукусиме могут оказаться сильнее их доводов. Многие страны, в частности Германия, уже заявили о сворачивании атомной энергетики.

Ядерная алхимия

В мире есть ряд специалистов, которые считают, что для термоядерных реакций не нужна температура в миллионы градусов. Хотя среди приверженцев «холодного термояда» псевдоученых значительно больше, чем настоящих исследователей, небольшие группы, работающие в этой сфере, даже получают гранты.
Идея холодного термояда захватила внимание публики в 1989 году, когда Стенли Понс (Stanley Pons) и Мартин Флейшман (Martin Fleischmann) заявили, что им удалось обнаружить признаки протекания термоядерной реакции (избыточное тепло) в процессе электролиза тяжелой воды с помощью палладиевых электродов. Однако последующие многочисленные попытки воспроизвести этот эффект никакого результата не дали.
Относительно недавно — в 2012 году — изобретатель Андреа Росси (Andrea Rossi) объявил о создании прибора ECat (Energy Catalyzer), в котором якобы протекает реакция синтеза меди при слиянии ядер водорода и никеля. Росси получил итальянский патент на изобретение, затем заявил о контрактах с энергокомпаниями, но в итоге никакой действующей установки создано не было.
 

Термоядерная энергетика:
токамаки и стеллараторы

Возможно, выходом из сложившейся ситуации будет реализация мечты 1960-х — термоядерной энергетики. Создание промышленных термоядерных реакторов обещает полностью избавить человечество от угрозы энергетического голода. Запасов топлива для них, тяжелых изотопов водорода, значительно больше, чем урана, а в процессе реакции они не образуют «грязных» радиоактивных отходов.
С другой стороны, для запуска реакции термоядерного синтеза — слияния двух атомных ядер с образованием более тяжелого — требуется значительное количество энергии. Если ядра радиоактивных элементов делятся самопроизвольно и для начала цепной реации достаточно просто «собрать в кучу» определенную массу делящегося материала, то для термоядерной реакции нужно, чтобы два ядра преодолели силу отталкивания (ведь это положительно заряженные ионы, протоны) и сблизились настолько, чтобы в дело вступило сильное ядерное взаимодействие. Скорости ядер должны быть велики, поэтому температура для самоподдерживающейся термоядерной реакции должна составлять миллионы градусов.
Термоядерный реактор, — то есть установку, в которой может протекать термоядерная реакция, — можно собрать буквально на коленке, ведь для этого не нужны делящиеся материалы. Недавно СМИ обошла история 13-летнего британского школьника Джейми Эдвардса, который собрал фузор Фарнсуорта-Хирша, устройство из двух сферических сеток в вакуумной камере, заполненной дейтерием. К этим сеткам прикладывают высокое напряжение, ионы ускоряются в электрическом поле и сливаются: происходит термоядерная реакция. При этом Эдвардс был далеко не первым подростком, который собрал такое устройство в школе. Реакцию слияния можно также обеспечить на ускорителях — например, такой мини-ускоритель работает в составе российского прибора ДАН на борту американского марсохода Curiosity.
Проблема в том, что выход энергии от реакции, проводимой в таких устройствах, значительно меньше, чем затраты на ее поддержание. В 1960-е годы создание промышленных термоядерных реакторов, которые смогут давать энергию, считалось близкой перспективой. В 1954 году советские ученые построили первый т. н. токамак («тороидальная камера с магнитными катушками») — камеру, в которой кольцевой плазменный шнур удерживается мощным магнитным полем. Эта аббревиатура стала общепринятым названием установок подобной схемы.
С тех пор в мире было построено около 300 токамаков, и именно эта идея лежит в основе проекта международного реактора ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), прототипа будущих промышленных термоядерных реакторов.
Реактор ITER в разрезе (фото: www.iter.org)
Этот гигантский проект стоимостью около €13 млрд был запущен в 1985 году, когда лидеры СССР, США, Франции и Великобритании подписали соответствующий документ. Сейчас в проекте участвуют США, ЕС, Россия, Япония, Индия, Китай и Южная Корея. Сама стройка началась во французском Кадараше в 2007 году. Как ожидается, реактор начнет работать с водородной плазмой (то есть без зажигания термоядерной реакции) в 2020 году, а запуск процесса с «рабочей» дейтерий-тритиевой плазмой запланирован на 2027 год.
Как ожидается, коэффициент Q (отношение полученной энергии к затраченной на поддержание реакции) после начала полноценной работы ITERа превысит 10: он будет выдавать 500 мегаватт, а потреблять только 50 мегаватт. При этом температура плазмы должна достичь 150 миллионов градусов, что в 10 раз выше температуры в центре Солнца. Наше светило может обойтись без столь экстремальных температур благодаря высокой плотности плазмы, которая не дает рентгеновскому излучению и нейтронам ее покинуть.
Следом за запуском ITERа должно начаться строительство первого демонстрационного промышленного термоядерного реактора DEMО, проектирование которого будет завершено в 2017 году. Как ожидается, электросети получат первое «термоядерное» электричество в 2040 годах.
Реактор ITER по сравнению с реактором «Игнитор» (фото: www.iter.org)
До сих пор на токамаках не удавалось достичь Q выше 0,7 — такое соотношение было получено в 1997 году на европейском токамаке JET (Joint European Torus) в Великобритании. Хотя годом позже физики, работающие на японской установке JT-60, заявили, что им удалось достичь Q=1,25, этот рекорд был чисто теоретическим: токамак JT-60 работает с дейтерие­вой плазмой. В 1998 году японцам удалось поднять ее параметры до таких значений, что если бы в установке была дейтерий-тритиевая плазма, то энергетический баланс стал бы положительным.
Между тем Россия и Италия планируют к 2017 году построить в подмосковном Троицке меньший по масштабу экспериментальный реактор «Игнитор», в котором зажигания термоядерной реакции добьются только за счет нагрева плазмы током, текущим по плазменному кольцу (омический нагрев), без внешних источников тепла.
Европейцы, в свою очередь, предполагают «реанимировать» неудачливого конкурента токамаков — стелларатор. В этом типе термоядерных установок, придуманном американцем Лайманом Спитцером в 1951 году, плазма также заключена в тор, но с другой конфигурацией магнитного поля: в нем оно «перекручено» и образует сложную спиральную структуру. Кроме того, плазма в стеллараторах удерживается только внешним магнитным полем, в то время как в более простых токамаках удержание достигается за счет баланса внешнего поля и полей, которые порождают электрические токи в плазменном кольце.

Строящийся стелларатор Wendelstein 7-X
Приверженцы стеллараторов утверждают, что победа более простых токамаков была обсусловлена нехваткой вычислительных средств, отсутствием суперкомпьютеров, способных рассчитать поведение плазмы. Теперь у стеллараторов, возможно, появился второй шанс: в Германии строится установка Wendelstein 7-X, которая должна показать их преимущества над токамаками. Ее разработчики объясняют преимущества выбранной схемы поэтически: стеллараторы держат плазму «твердой рукой», в то время как токамаки пытаются «балансировать ею на пальце». Как ожидается, Wendelstein 7-X будет достроен уже в 2014 году.
Cтелларатор Wendelstein 7-X: 20 сверхмощных магнитных катушек создают магнитное поле, удерживающее плазму, а еще 50 управляют им

Лазеры и термояд

Между тем термоядерный прорыв уже был достигнут с помощью совершенно других технологий — лазерных. В Ливерморской национальной лаборатории в США в 2009 году была создана сверхмощная лазерная установка. В ней 192 луча ультрафиолетового лазера были сосредоточены на капсуле со смесью дейтерия и трития. В феврале 2014 года ученые объявили, что в одном из экспериментов в результате начавшейся термоядерной реакции впервые количество «инвестированной» энергии оказалось меньше выделившейся.
Схема National Ignition Facility
Эксперименты со сверхмощными лазерами проводятся в Ливерморе в основном для того, чтобы воспроизвести эффекты, схожие с происходящими во время ядерного взрыва. Однако задачей National Ignition Facility (NIF) — лазерной установки, расположенной в здании площадью в три футбольных поля — стало зажигание самоподдерживающейся термоядерной реакции. В случае дейтерий-тритиевой плазмы зажигание возможно, если произведение давления на время удержания (критерий Лоусона) будет больше 25. В экспериментах с магнитным удержанием плазмы (например, в токамаках) ученые намерены достичь зажигания при атмосферном давлении за счет длительного времени. На NIF тот же результат рассчитывают получить за счет сверхвысокого давления (1011 атмосфер) и сверхкратного времени удержания (10-10 секунд).
Камера в National Ignition Facility, куда устанавливается дейтерий-тритиевая мишень
Сверхмощная лазерная установка Ливерморской национальной лаборатории (США)
Лазерные лучи установки были сосредоточены на внутренних стенках специального золотого сосуда, который переизлучал их в рентгене — в сторону капсулы размером с миллиметр, на внутренних стенках которой находилась замороженная смесь дейтерия и трития. Энергия лазеров составляла 1,9 мегаджоуля при времени «засветки» 2•10-8 секунд. В результате давление на внешнюю стенку капсулы составило около 98 миллионов атмосфер. Термоядерная реакция дала около 17 килоджоулей при затраченных на входе 10 килоджоулях.

Мишень-хольраум, использованная в экспериментах National Ignition Facility
Эксперимент заставил прессу говорить о важном шаге по направлению к созданию импульсных термоядерных установок. Однако до зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции экспериментам на NIF еще очень далеко — для этого требуется увеличить выход энергии примерно в 100 раз. При этом у ученых есть серьезные сомнения в том, сможет ли эта установка в принципе достичь зажигания термоядерной реакции.

Сверхмощный лазер: сделано в Нижнем

В Нижнем Новгороде, возможно, появится свой сверхмощный лазер. Проект XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies) Института прикладной физики РАН предполагает создание установки, способной выдать световой импульс экзаваттной мощности за сотню фемтосекунд. Такая концентрация энергии позволит изучать структуру пространства-времени, но ни о каких термоядерных исследованиях речи здесь не идет.
 

Ядерная энергетика: ближайшие перспективы

В обозримом будущем ископаемое топливо, вероятнее всего, останется важнейшим источником энергии на Земле. При всех усилиях по развитию возобновляемой энергетики — от сжигания выделяющегося на свалках газа до создания ветряных ферм в море — у человечества пока нет другого такого высококонцентрированного и настолько легкого в использовании топлива.
Силовые установки, использующие ископаемые виды топлива, надолго останутся незаменимыми для транспорта и везде, где нужен компактный и легкий источник генерирования мощности. Однако атом может потеснить газ, нефть и уголь в выработке электричества — на мощных электростанциях, если ему не помешает всеобщая атомная фобия.
В 2003 году специалисты Массачусетского технологического института предрекали, что к 2050 году объем выработки электроэнергии с помощью атомных станций вырастет втрое — до 1000 гигаватт, но ее доля увеличится всего на 2% — с 17 до 19%. Однако после аварии на «Фукусиме» и эта скромная оценка может оказаться сильно завышенной.
 
Закладка фундамента токамака проекта ITER в 2013 г. (фото: ITER)
Атомщики по всему миру работают над тем, чтобы избавить атомную энергетику от бремени радиоактивных отходов и снизить риск аварий. Так, российский проект «Прорыв» предполагает, что уже к 2020 году будет запущен новый реактор БРЕСТ, функционирующий в замкнутом цикле, а в 2030 году начнет работать реактор с естественной безопасностью. Авторы этого проекта предполагают, что к концу XXI века на долю атомной энергетики может приходиться 4000 гигаватт из ожидаемых 7000 гигаватт глобальной выработки электроэнергии. При этом 3000 гигаватт будут приходиться на долю «замкнутых» быстрых реакторов.
Однако специалисты из Массачусетса отмечают, что обычные реакторы будут более экономически эффективны — по меньшей мере до тех пор, пока будет доступна урановая руда соответствующего качества.
Что касается термоядерной энергетики, то она впервые сможет подать ток в энергосистему не раньше 2040-х годов. Разработчики реактора ITER заверяют, что с получением энергии в термоядерной реакции нет никаких научных проблем — сейчас это лишь инженерная задача, и в 2027 году ITER сможет дать больше энергии, чем получит. Но финансовые и организационные неурядицы уже не раз сдвигали сроки выполнения проекта, и нельзя исключать, что этого не произойдет в очередной раз.
Термоядерные установки не лишены и собственных «врожденных недостатков»: они не дают высокорадиоактивных отходов, но мощный поток нейтронов при термоядерной реакции заставит через несколько лет «фонить» саму конструкцию, которая будет нуждаться в замене. Кроме того, в силу физики процесса нельзя сделать маленький и маломощный термоядерный реактор — это всегда будут установки не меньше чем на сотни мегаватт, и никаких термоядерных автомобильных двигателей, увы, пока не ожидается (при том, что атомные представить можно — например, марсоход Curiosity путешествует по Марсу благодаря плутониевой термоэлектрической «батарейке»).
 
Установки инерциального термоядерного синтеза (например, с помощью лазеров) пока даже не обсуждаются всерьез как источники энергии. В качестве возможного варианта для энергетики будущего можно рассматривать гибридные реакторы, в которых термоядерная реакция, индуцированная лазером, будет поддерживаться реакцией ядерного распада, — такие реакторы, в частности, смогут перерабатывать ядерные отходы.