Nuklearna inovacija

Prvi napredni nuklearni reaktori treće generacije rade u Japanu od 1996. godine. Od tada se tehnologija brzo razvija. Noviji, napredniji modeli koji se trenutno proizvode imaju jednostavniji dizajn, što smanjuje njihove troškove proizvodnje i održavanja. Također su učinkovitiji i sigurniji. Osim toga, već se grade manji reaktori, do 300 MW, što bi za nekoliko godina moglo izazvati veliku pomutnju na nuklearnom tržištu.

Tehnologija nuklearnih reaktora razvijala se nekoliko desetljeća (vidi također:). Modeli prve generacije razvijeni su 1950.-1960. Dizajni druge generacije danas dominiraju moćnim američkim i francuskim nuklearnim mornaricama. Također su rašireni u mnogim zemljama svijeta. U klasifikacijama se također razlikuju treća generacija (i treća +), iako je njezina razlika od "dvije" prilično proizvoljna.

Vrijedno je imati na umu da više od 85% svjetske električne energije proizvedene u nuklearnim elektranama dolazi iz reaktora koji su razvijeni na temelju uglavnom vojnih projekata.

To ima velike posljedice za globalnu nuklearnu industriju, uključujući i one negativne. Nadamo se da su razvijeni reaktori četvrte generacije to će biti civilni projekti u užem smislu te riječi, ali zasad su tek u fazi istraživanja i razvoja odnosno samog koncepta.

Željeni broj četiri

Suvremeni reaktori treće generacije imaju standardiziraniji dizajn od reaktora prethodne generacije, što ubrzava proces odobravanja, smanjuje troškove i vrijeme izgradnje, te ima jednostavniji, jači i sigurniji dizajn s duljim vijekom trajanja, obično šezdeset godina.

Ove vrste reaktora također bolje iskorištavaju gorivo, ostavljajući manje otpada. Reaktori četvrte generacije trebali bi razviti sve željene karakteristike najsuvremenijih blokova, iako specifikacije, međunarodni standardi i zahtjevi za njih još nisu finalizirani. Najpoznatiji i najperspektivniji dizajni su reaktori s natrijem (SFR) ili rastaljenom soli (MSR) kao rashladnim sredstvom.

Reaktor hlađen solju prvi put je uspješno pušten u rad već 1954. godine, ali su se SAD ipak odlučile za modele hlađene vodom i prestale podržavati alternativne dizajne. Trenutačno, primjerice, Rusija od 2016. proizvodi električnu energiju u naprednom SFR reaktoru koji sagorijeva radioaktivni otpad.

Postoje i drugi koncepti hlađenja u fazi istraživanja i izgradnje ispitnih objekata. Za četvrtu generaciju izdvaja se šest - osim gore spomenutih natrija i soli, postoje ideje za korištenje superkritične vode (SKVR), plin (SCF) i donesi (ELB). Šesti koncept su visokotemperaturni reaktori (VKHTR) s grafitom kao moderatorom, čiji su prototip izgradili Kinezi tako što su radioaktivno gorivo zatvorili u grafitne kuglice.

Od šest mogućih dizajna, najnovija generacija obično je najvjerodostojnija. reaktor rastaljene soli (MSR) s tekućim gorivom. Kao rashladno sredstvo koriste se rastaljene soli fluora ili klorida.

Budući da je gorivo torij, proizvodnja plutonija i drugih dugovječnih aktinoida ostaje vrlo niska jer proces slijedi lanac raspadanja. ²³²Th umjesto ²³⁸U. Osim toga, plutonij i drugi transuranijski otpad mogu se koristiti za iniciranje torija. To znači da se nuklearni otpad može koristiti kao dio gorive smjese u MSR-u.

Rastaljene soli imaju izvrsna svojstva prijenosa topline, visoko vrelište, visok toplinski kapacitet i nisko oštećenje zračenjem. Stoga ova vrsta reaktora može raditi pri mnogo sigurnijem tlaku od ostalih dizajna i učinkovitije uklanjati toplinu iz jezgre te također sprječavati taljenja i eksplozije. Osim toga, gorivo u MSR-u koristi se čak 90%, u usporedbi s 3-4% za popularne vodene reaktore.

Nakon što udari u neutrone visoke energije, staza se pretvara u fisijsku. ²³³U, koji proizvodi manje dugoživućeg radioaktivnog otpada od z ²³⁵Utrenutno se koristi u nuklearnim elektranama. Još se nije koristio u nuklearnoj energiji, jer se tradicionalno povezivao s istraživanjem nuklearnog oružja, urana i plutonija.

Trasa nije atraktivna vojsci. Nedavno je NRG, Petten Nuclear Research Center (1) na obali Sjevernog mora u Nizozemskoj, u suradnji s Europskom komisijom, počeo koristiti gusjenicu kao gorivo i rastaljenu sol kao rashladno sredstvo (SALIENT).

1. Reaktor rastaljene soli s gusjenicom kao gorivom u Pettenu u Nizozemskoj.

Brzi reaktori hlađeni natrijem (SFR) prikladni su za obradu visokoradioaktivnog otpada, posebno plutonija i drugih aktinoida. Kao rashladno sredstvo umjesto vode koristi se tekući metal (natrij). To omogućuje rashladnoj tekućini da radi na višim temperaturama i nižim tlakovima od postojećih reaktora, poboljšavajući učinkovitost i sigurnost sustava.

SFR također koristi spektar brzih neutrona, što znači da se neutroni mogu fisirati bez prethodne moderacije, kao što je slučaj u reaktorima koji rade.

Reaktor vrlo visoke temperature (VHTR) hlađen protokom plina i dizajniran za rad na visokim temperaturama, pružajući izuzetno učinkovitu proizvodnju električne energije. Plin visoke temperature također se može koristiti u energetski intenzivnim procesima koji trenutno koriste fosilna goriva kao što su proizvodnja vodika, desalinizacija, daljinsko grijanje, rafiniranje nafte i proizvodnja amonijaka.

Sklopivi reaktori kao Lego

Ako se žele graditi nove nuklearne elektrane, one moraju biti znatno jeftinije nego dosad.

Energetske tvrtke prisiljene su tražiti učinkovitija nuklearna rješenja nakon priča poput propalih ulaganja u konvencionalnu nuklearnu elektranu u Južnoj Karolini, SAD. Troškovi izgradnje povećali su potrošačima račune za struju za petinu, a nakon što je potonula 9 milijardi dolara, izgradnja elektrane je zaustavljena. Slični događaji dogodili su se iu drugim zemljama, poput Velike Britanije. U Finskoj izgradnja novog reaktora u elektrani Olkiluoto već kasni osam godina i premašuje proračun za više od 6,5 milijardi dolara.

Čini se da je ovih šest koncepata učinkovitiji i sigurniji od trenutnih standarda, uvelike smanjujući troškove implementacije, ali stručnjaci žele više - žele modularne reaktore izrađene od prefabriciranih, tvornički sastavljenih lego kockica i malih reaktora (SMR) koji su mnogo fleksibilniji za korištenje.

Mnogo je startupa koji rade na minijaturnim dizajnima. Mnogi obećavaju, poput Okla, sustave spremne do 2025. Poznatija tvrtka NuScale smatra se vodećim u mini-nuklearnoj tehnologiji i ima za cilj izgraditi desetak reaktora od 2026 megavata do 60. godine s tvrtkom Utah's Associated Municipal Power Systems.

MIT Tech Review, međutim, hladi optimizam i napominje da je prije manje od deset godina mali proizvođač modularnih reaktora sličan NuScaleu već obećao takve stvari, ali je plan propao nakon što nije uspio pronaći dovoljno kupaca.

Još jedna inovativna tvrtka, TerraPower, koju je osnovao Bill Gates, nada se lansirati prototip u 20-ima.napredni valni reaktor"(DVR). TWR koncept postoji već desetljećima. Umjesto da se oslanjamo samo na obogaćeni uran, osiromašeni uran, posebno otpad koji je ostao iz postrojenja za obogaćivanje, trebao bi se koristiti kao gorivo za punjenje.

U početku se koristi obogaćeni uran, ali potom reaktori mogu desetljećima raditi na osiromašenom uranu. Tekući natrij koristi se kao rashladno sredstvo koje prenosi toplinu iz reaktora na rotaciju parne turbine.

Zagovornici TWR-a kažu da su takvi reaktori i dalje sigurniji od tradicionalnih vodeno hlađenih modela jer rade na nižim tlakovima i nisu podložni eksploziji raspršenog goriva poput one koja se dogodila 1986. u Černobilu. Međutim, neki stručnjaci smatraju da je rad s tekućim natrijem izuzetno težak zbog mogućnosti curenja i visoke kemijske aktivnosti materijala.

Druga tehnologija iz istog laboratorija, poznata kao Brzi reaktor rastaljenog klora (MCFR), nije toliko napredan u radu, ali obećava daljnja poboljšanja učinkovitosti i ekonomičnosti. MCFR će koristiti rastaljenu sol i kao medij za prijenos topline i kao medij za gorivo.

Za sada je, međutim, proizvođač reaktora na rastopljenu sol Transatomic Power obustavio rad u rujnu 2018., vjerujući da ne može dovršiti svoje projekte. Tvrtke koje se bave modularnim reaktorima često pate od gubitka interesa ulagača. U 2011

Generation mPower, razvijač malih SMR-ova, imao je ugovore za izgradnju do šest NuScale reaktora, no ulaganje je odgođeno, a nedostatak narudžbi na kraju je doveo do zatvaranja cijelog projekta.

Srećom, stalno se pojavljuju nove inicijative. Kanadska tvrtka Terrestrial Energy planira izgraditi elektranu od 190 MW u Ontariju, gdje će do 2030. godine prvi mali reaktori na rastopljenu sol proizvoditi energiju po cijeni konkurentnoj ulaganjima koja koriste prirodni plin u glavnoj ulozi.

Već znamo za barem jedan reaktor četvrte generacije, koji bi uskoro mogao biti pušten u rad.

Prijavljeno je da kineska nacionalna nuklearna korporacija u državnom vlasništvu ima prototip visokotemperaturnog reaktora. snage 210 MWkoji bi ove godine trebao biti spojen na mrežu u istočnoj pokrajini Shantung. Hladi se helijem i može raditi na temperaturama do 1000°C.

Još jedan projekt iz Srednjeg kraljevstva je inicijativa kineskog Ministarstva prirodnih resursa za izgradnju malog modularnog reaktora. ACP100 u Changjiangu, Hainan. U rad će biti pušten već 2025. godine, a ciljni kapacitet bit će 125 MW.

Nakon nekoliko prethodnih neuspješnih projekata, uključujući potpuno odustajanje od pokušaja ulaska na tržište MMP-a 2014. godine, tvrtka Westinghouse, čiju nuklearnu tehnologiju poljske vlasti ozbiljno razmatraju u kontekstu domaćih ulaganja u nuklearnu energiju koja se pripremaju godinama, najavljuje ulaganje od više milijuna dolara kako bi demonstrirala spremnost svog eVinci mikroreaktor (2) 25 MW za normalan rad već 2022.

2. Shema mikroreaktora eVinci iz Westinghousea.

Prema Power Magazinu, projekt eVinci radit će autonomno. Jezgra reaktora je čvrsti čelični monolit, u kojem se nalaze kanali za gorive elemente, moderator (metalni hidrid) i toplinske cijevi postavljene šesterokutno, a također djeluju i kao rashladno sredstvo između kanala za gorivo i toplinskih cijevi. Potonji će izvlačiti toplinu iz jezgre koristeći tehnologiju temeljenu na toplinskoj vodljivosti i prijelazu tekuće faze. Procesna toplina do 600°C koristit će se u petrokemijske i druge industrijske svrhe.

Drugi čelnici "male" nuklearne industrije, Rusi, čini se da tipuju na plutajuće elektrane.

Državna nuklearna tvrtka Rosatom dovršila je izgradnju prve industrijske plutajuće nuklearne elektrane, nakon čega je uspješno dotegljena do odredišta na ruskom Dalekom istoku, gdje je pristup energiji otežan.

plutajuća elektrana Akademski homonosov ima dva projektna reaktora nuklearne elektrane od 35 megavata smještena na plutajućoj platformi i sposobna isporučiti 70 MW električne energije gradu. stanovnici.

Eksperimenti s malim modularnim SMR reaktorima provode se u mnogim zemljama. U Velikoj Britaniji radi na tome Rolls-Royce (3), au Kini spomenutu tvrtku CNNC koja poput Rusije želi ugrađivati ​​uređaje na brodove.

3. Rolls-Royce Mini-Actor Vision

Međutim, stručnjaci čvrsto tvrde da SMR neće zamijeniti velike industrijske reaktore. Po jedinici proizvedene snage investicijski troškovi njihove izgradnje znatno su veći nego za do sada izgrađene nuklearne elektrane.

A budući da se zasad radi o prototipovima, još se ne znaju ni točni troškovi. Međutim, postoji sumnja da će ekonomija razmjera - u ovom slučaju malog razmjera - djelovati protiv njih.

Prema stručnjacima, uključujući autore izvješća Poljskog nacionalnog centra za nuklearna istraživanja, SMR reaktori mogu biti vrijedan dodatak energetski sustavi – primjerice za elektrane koje su do sada radile za posebne namjene.

Teoretski, oni također mogu biti odlično rješenje za lokacije daleko od prijenosnih mreža (na primjer, sjeverna Rusija, SAD) ili u zemljama s malim ukupnim kapacitetom elektroenergetskog sustava, gdje je korištenje velikih blokova otežano zbog ravnoteže mreže.

Privremeni sarkofazi

Projektanti novih tipova reaktora često ističu sposobnost njihovog dizajna da "spali" ili neutralizira opasni radioaktivni otpad.

Pitanje zbrinjavanja takvog otpada i dalje je jedan od najozbiljnijih problema nuklearne energije i glavni razlog protivljenja javnosti daljnjem razvoju nuklearne energije.

Slučaj se prije nekoliko mjeseci vratio u svjetske medije s izvješćima o prijetnji kolapsa. Runit Dome (4) - ogromna betonska kupola na Maršalovim otocima, koja skladišti nuklearni otpad, uključujući izuzetno opasan izotop ²³⁹Pu. Produkti nuklearnih reakcija potječu od 67 eksplozija nuklearnih bombi koje su se dogodile između 1946. i 1958. godine. Nuklearna grobnica sadrži čak 110 eksplozija. m³ radioaktivni materijali.

Ispostavilo se da je zbog prodora slanih voda Tihog oceana struktura počela pucati. Moguće curenje - koje prijeti doslovno u svakom trenutku - moglo bi imati globalne posljedice, veće od Černobila ili Fukushime. Postrojenje je brzo izgrađeno 1979. godine kada je američko Ministarstvo energetike postalo svjesno katastrofalnog utjecaja opasnih tvari na morski ekosustav. Problem je što se tada nije pretpostavljalo da se objekt neće modernizirati još desetljećima.

S druge strane, poznati černobilski reaktor br. 4 ostat će nesiguran zadesecima tisuća godina. U srpnju 2019., trideset i tri godine nakon eksplozije, 200 tona urana, plutonija, tekućeg goriva i ozračene prašine konačno je okruženo sarkofagom od čelika i betona veličine 40 četvornih stopa. tona u vrijednosti od 1,5 milijardi eura. Novi sarkofag sigurno će stajati stotinjak godina, nakon čega će se, nažalost, njegovo stanje početi pogoršavati, a buduće generacije će morati odlučiti što dalje.

Radioaktivni materijal obično se proizvodi u velikim količinama na svakom koraku u proizvodnji nuklearne energije, od rudarenja i obogaćivanja urana do rada reaktora i ponovne obrade istrošenog goriva.

U osamdeset godina nuklearne energetike izgrađeno je 450 industrijskih reaktora, mnogo eksperimentalnih stanica i deseci tisuća nuklearnih bojevih glava, a nakupljena je i velika zaliha otpada raznih razina.

"Nerješiv problem"

Prema Međunarodnoj agenciji za atomsku energiju, samo oko 0,2-3% volumena je visokoradioaktivni otpad (5). Ovo je najopasniji materijal koji ostaje radioaktivan desecima tisuća godina.

Zahtijeva stalno hlađenje i zaštitu te sadrži 95% radioaktivnosti povezane s proizvodnjom nuklearne energije. Drugih 7% volumena, poznatih kao otpad srednje djelatnostisastoji se od reaktorskih elemenata i grafitnih jezgri.

Ovo je također vrlo opasan set, no može se čuvati u posebnim spremnicima jer ne odaje previše topline. Ostalo su ogromne svote tzv niske i vrlo niske razine otpada, koji se uglavnom sastoji od metalnog otpada, papira, plastike, građevinskih elemenata i svih drugih radioaktivnih materijala povezanih s radom i rastavljanjem nuklearnih postrojenja.

Vjeruje se da je cca. 22 vrsta. m³ kruti otpad visoke razine te nepoznate količine u Kini, Rusiji i vojnim bazama.

Još 460 tisuća kuna. m³ zakopani otpad karakterizira umjerena aktivnost. I oko 3,5 milijuna m³ klasificiraju se kao niskoaktivni otpad. No, to su samo službene procjene. Stvarna količina radioaktivnog otpada može biti puno veća. Neka izvješća navode da se samo u Sjedinjenim Državama godišnje proizvede do 90 XNUMX komada. m³ otpad visoke razine.

U ranim danima nuklearne energije, otpad se praktički nije razmatrao. Vlasti, uklj. Britanci, Amerikanci i Rusi potom su ih bacili u more ili rijeke, a među njima i preko 150 ljudi. tona niskoaktivnog otpada. Od tada su potrošene milijarde dolara pokušavajući pronaći najbolji način za smanjenje proizvodnje i njezino zadržavanje zauvijek.

Već su se pojavile mnoge ideje, no većina ih je odbačena kao nepraktične, preskupe ili ekološki neprihvatljive. To uključuje lansiranje otpada u svemir, njegovo skladištenje u sintetičkom kamenu, zakopavanje u slojeve leda, odlaganje na najizoliranije otoke na svijetu i odlaganje u najdublje oceanske rovove na svijetu.

Predložena rješenja koja se ne temelje na ponovnoj obradi (na primjer, u reaktorima četvrte generacije), već na skladištenju, mogu se podijeliti u dvije skupine: pakiranje i plasman na nekom mjestu, po mogućnosti udaljenom i osamljenom, ili vezanje radioaktivne tvari u obliku cementa, soli, stakla, troske i staviti na sigurno mjesto.

U SAD-u se, prema zakonu, sav visokoradioaktivni otpad mora poslati u Planine Yucca u Nevadi, oko 140 km sjeverozapadno od Las Vegasa - od 1987. označeno kao duboko geološko odlagalište. Međutim, ova je zabrana dovela do tekućih pravnih, regulatornih i ustavnih pitanja, postavši predmet političkih kontroverzi.

Šošoni Indijanci, Nevade i druge skupine godinama se bore protiv odlagališta. Unatoč činjenici da je ondje probijen golemi tunel (6), za njegovo korištenje nije izdana nikakva dozvola, a područje je danas gotovo pusto. Ne zna se ni što s njim, iako se Trumpova administracija želi vratiti projektu.

6. Ulaz u skladište nuklearnog otpada u Mount Yucca, Nevada.

U Ujedinjenom Kraljevstvu vlada je ponudila novac lokalnim zajednicama, ali nije uspjela uvjeriti nijednu lokalnu vlast da održava trajno duboko odlagalište otpada.

Masovni prosvjedi protiv odlaganja radioaktivnog otpada u Francuskoj i Njemačkoj pridonijeli su popularnosti Zelene stranke i na neodređeno vrijeme odgodili ili zaustavili rad na predloženim odlagalištima. Čini se da je samo Finska blizu dovršetka dubokog odlagališta visokoradioaktivnog otpada.

U svibnju su započeli radovi na postrojenju za "inkapsulaciju" gdje će se otpad pakirati u bakrene kanistere i odvoziti u podzemne tunele dubine do 500 m. Međutim, dugoročna sigurnost kanistera još je upitna.

Paul Dorfman, osnivač Nuclear Consulting Group, skupine međunarodnih znanstvenika i neovisnih stručnjaka u području radioaktivnog otpada, nuklearne politike i ekoloških rizika, piše u The Guardianu.

-.

Laserska transmutacija

Međutim, potraga za smislenim konceptima se nastavlja. Nedavno je, inspirirana hidrauličkim frakturiranjem, nastala ideja za bušenje vertikalnih bušotina do 5 metara dubine. meni inʺekcionnyj u pukotine stijena neugodne tvari, nešto poput pukotina u procesu vađenja plina iz škriljevca.

Deep Isolation, koju su osnovali Liz Mueller i njezin otac Richard Muller, profesor na kalifornijskom sveučilištu Berkeley, poznat je po takvim projektima. Neki znanstvenici kažu da je ova opcija obećavajuća, ali postoje sumnje, budući da bi vađenje otpada od vertikalnog bušenja moglo biti praktički nemoguće.

Druga tehnologija poznata kao transmutacijaima za cilj smanjiti radiotoksičnost korištenjem lasera za pretvorbu (transmutaciju) atoma u opasne izotope. Proučava se desetljećima u Velikoj Britaniji, SAD-u, Švedskoj i drugim zemljama, ali bez većeg uspjeha.

No, ova ideja je vraćena u prosincu 2018. zahvaljujući francuskom fizičaru Gerard Moore (7), nobelovca, koji je u svom predavanju povodom dodjele Nobelove nagrade govorio o mogućnosti korištenja laserskih zraka za neutralizaciju radioaktivnih atomskih jezgri.

Muru kaže da bi se vrijeme za pojavu opasnosti od radioaktivnog otpada potencijalno moglo smanjiti s tisuća godina na nekoliko... minuta! No zadržava se da laserska verzija za radioaktivni otpad koju on i prof.

Toshiki Tajima sa Sveučilišta Irvine u Kaliforniji treba još mnogo godina istraživanja. Muru i Tajima žele stvarati super brzi akcelerator kontroliran laserom koji proizvodi snop protona koji može prodrijeti kroz atome. Glavni zadatak je skratiti gredu - nije ga lako riješiti.

Možda će konačno rješenje problema opet biti termonuklearna fuzija. Do 2030. Kina najavljuje izgradnju novog hibridnog reaktora (8) koji će nuklearnom fuzijom moći "spaliti" radioaktivni otpad.

8. Vizualizacija perspektivnog nuklearnog hibridnog reaktora

Tradicionalne nuklearne elektrane proizvode veliku količinu otpada, čija je glavna komponenta uran-238, koji se ne može koristiti u modernim fisijskim reaktorima. Predloženi hibridni reaktor koristio bi nuklearnu fuziju za razgradnju. ²³⁸Teoretski, čak je moguće preraditi otpad iz tradicionalnih reaktora u novo gorivo.

Projekt se razvija na Kineskoj akademiji za fiziku i inženjerstvo u Sichuanu, strogo tajnom vojnom istraživačkom centru koji također provodi pokuse s kineskim nuklearnim oružjem. Srce predložene hibridne elektrane bit će fuzijski reaktor pokretan električnom strujom od 60 trilijuna ampera.

Reaktor će biti prekriven omotačem napunjenim uranom-238. Neutroni velike brzine generirani fuzijom razdvojenih atoma. ²³⁸U, koji bi mogao proizvesti veliku količinu energije za potporu fuzije i time značajno smanjiti količinu energije koja dolazi izvana. Cijeli sustav bit će usmjeren na potpunu potrošnju nuklearnog goriva i sprječavanje stvaranja bilo kakvog radioaktivnog otpada.

prof. Wang Hongwen, zamjenik direktora projekta hibridnog reaktora, rekao je u izjavi za medije da će ključne komponente biti razvijene i testirane već oko 2020. godine, a eksperimentalni reaktor bit će dovršen do 2030. godine. Hibridni reaktor može biti lakše izgraditi, kaže on, djelomično zato što mu je potrebna samo petina vanjske energije reaktora "čiste fuzije" da bi nastavio raditi.