Мини-реакторы как будущее американской энергетики

США постепенно отказываются от угольных и газовых заводов, американские инженеры надеются, что новые разработки реакторов помогут исправить положение в ядерной энергетике. Современные небольшие ядерные реакторы упаковывают 10% мощности полноразмерной атомной электростанции всего в 1% пространства. Они также считаются более надежными и безопасными.

Принципы конструкции ядерных реакторов восходят к 1942 году и связаны с экспериментами итальянского физика и нобелевского лауреата Энрико Ферми (Enrico Fermi). Ферми и ряд инженеров предложили и спроектировали множество типов реакторов, например, коммерческие реакторы с кипящей водой и экспериментальные исследовательские реакторы. Но не каждый реактор был удобен и востребован на рынке.

Для современного реактора важнее всего безопасность, рентабельность и адаптируемость.

Идея небольшого, транспортируемого реактора возникла довольно давно. В 1969 году американский инженер Ричард Экерт (Richard Eckert) из компании New Jersey Public Service Electric & Gas Co. разработал сравнительно небольшую плавучую атомную электростанцию.

Мини-реакторы обладают некоторыми преимуществами по сравнению с полноценными электростанциями. Во-первых, они компактнее. Конструкция небольшого модульного реактора 2019 года (от стартапа NuScale в Орегоне) составляет около 1% от размера камеры защитной оболочки традиционной атомной электростанции. Также крошечные редакторы могут работать в ограниченном пространстве с гораздо меньшим риском. Во-вторых, главное преимущество мини-реакторов – их безопасность. Конструкции содержат пассивные системы безопасности и управления рисками. В-третьих, мини-реакторы удобны в эксплуатации. Община, фабрика или город при необходимости смогут просто заказать себе дополнительный реактор.

NuScale Power – американская частная компания, которая разрабатывает и продает небольшие модульные реакторы. NuScale базируется в штате Орегон. Как отмечают аналитики PopularMechanics.com, это самая консервативная из небольших ядерных программ, пытающихся выйти на рынок. Их разработка представляет собой традиционный легководный реактор (ядерный реактор, в котором для замедления нейтронов и/или в качестве теплоносителя используется обычная вода), но меньше и проще в управлении. В конструкции отсутствуют насосы охлаждающей жидкости, внешние резервуары парогенератора. Компания NuScale утверждает, что это позволит сделать реакторы дешевле и упростит обслуживание. Планируется создать реактор на 60 мегаватт энергии. Для сравнения: самая маленькая атомная станция в США производит 600 мегаватт, что это в 100 раз больше силового модуля NuScale.

Свой мини-реактор пытается создать и компания Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC), базирующаяся в Сиэтле и использующая более решительный подход, чем NuScale. Разработка USNC основана на низкой плотности энергии (плотность мощности от 1 до 3 ватт на кубический сантиметр) и низком выделении остаточного тепла, что практически сводит на нет риск расплавления конструкции.

«Топливо для ядерных реакторов было первоначально разработано для атомных подводных лодок, потребности которых полностью отличаются от требований электростанции», – говорит основатель компании USNC Франческо Веннери (Francesco Venneri).

В реакторе компании USNC используется полностью керамическое микрокапсулированное топливо (FCM), в котором композит керамика-углерод и карбид кремния покрывает гранулы оксида урана. Керамика защищает частицы топлива и проводит тепло. Внутри реактора механизм обратной связи останавливает реакцию, когда она превышает безопасную температуру.

Калифорнийский стартап Oklo идёт ещё дальше: компания полностью отказывается от реакторов с водяным охлаждением. Микрореактор Oklо использует натрий как теплоноситель (потому для него и не требуется вода). По словам инженеров компании, 1,5-мегаваттная установка по выработке электроэнергии очень похожа на батарею. Реактор автономен и может работать без дозаправки в течение 20 лет.

В реакторе Oklo используется высокообогащённое низкообогащённое урановое топливо (HALEU) для достижения большей эффективности и удельной мощности. HALEU обогащено от 5 до 20% изотопа U-235, который при расщеплении выделяет тепло в ядерной реакции.

Технический директор Westinghouse Electric Company Кен Канаван (Ken Canavan) утверждает, что большие реакторы устанавливаются в странах, где требуется декарбонизация. По его словам, Китай и Польша заменяют несколько средних или крупных угольных электростанций на одну атомную, потому что обладают подходящими для атомных электростанций условиями. В других странах, где ресурсы для постройки большой атомной электростанции отсутствуют, могут пригодиться реакторы типа NuScale, размеры которых небольшие (всего 20 м в высоту и около 3 м в диаметре).

Пока Oklo, USNC и NuScale ориентируются, прежде всего, на небольшие рынки, так как в США заменить крупные традиционные предприятия всё ещё довольно трудно. Но к 2040 году, если проекты небольших ядерных реакторов будут успешными, энергетический ландшафт США сильно изменится.