Преимущества ядерной энергетики, которые часто рекламируются как более гибкая и мощная альтернатива возобновляемым источникам энергии, не превзошли ее упорную волатильность. Мы чаще ассоциируем ядерные реакторы с катастрофами, чем с инновациями, но, поскольку крупные старны стараются слезть с угольно-газовой иглы, инженеры надеются, что новые концепции реакторов могут исправить положение ядерной энергетики. Больше уже не лучше. Эксперты говорят, что будущее похоже на "многоскоростную" ядерную энергетику — сочетание традиционных крупных электростанций и небольших, более безопасных мегаваттных реакторов.
Рита Баранвал, помощник секретаря по ядерной энергии Министерства энергетики США говорит:
До сих пор у клиентов был только один выбор в пользу атомной энергетики — это была электростанция мощностью в гигаватт. Теперь мы говорим о реакторах мегаваттного масштаба, которые могут гибко удовлетворять потребности потребителей в энергии по мере роста спроса.
Баранвал говорит, что мегаваттные реакторы (один мегаватт обеспечивает мощность около 650 домов) будет дешевле в строительстве и эксплуатации, и их можно будет разместить в любой точке мира. Более зависимая от контекста, локализованная атомная энергетика, в которой малые города, удаленные объекты и большие города находят ядерные решения, адаптированные к их потребностям, могла бы заменить большую часть электростанций, работающих на ископаемом топливе, заполняя инертные, ресурсоемкие простои. оставленные возобновляемыми источниками энергии.
Принципы проектирования ядерных реакторов в США восходят к оригинальному реактору Энрико Ферми 1942 года разработанном в Аргоннской национальной лаборатории недалеко от Чикаго. Ферми и другие инженеры в Аргонне предложили и спроектировали множество типов реакторов, таких как коммерческие реакторы с кипящей водой и экспериментальные исследовательские реакторы, - говорит Кэти Хафф, инженер-ядерщик и исследователь из Иллинойского университета в ядерной, плазменной и радиологической инженерии Урбана-Шампейн. (NPRE) программа. Аргонн возглавил творческий бум в ядерной энергии. Все эти разные реакторы были задуманы одновременно.
Не каждый реактор прошел проверку временем. Подобно тому, как HD DVD вышли из обехода после появления Blu-ray, такие эксперименты, как натриевый реактор в полевой лаборатории Санта-Сусаны и завод Peach Bottom с газовым охлаждением в Пенсильвании, плавно уступают более распространенным легководным реакторам. Даже конструкции ядерных реакторов обязаны некоторым успехом случайности, удобству и рыночной прихоти.
Идеальный реактор по сегодняшним стандартам должен сочетать безопасность, рентабельность и адаптируемость. С тех пор, как в 1969 году инженер Ричард Экерт из New Jersey Public Service Electric & Gas Co. задумал плавучую атомную электростанцию — такую, которую можно было бы построить за пределами площадки, отбуксировать до конечного пункта назначения и эксплуатировать над водой, — возникло новое напревление в ядерной области, которое утверждает, что реакторы меньшего размера являются подходящей формой энергии для будущего. Вот где крошечные атомные электростанции надеются стать конкурентоспособной альтернативой известным нам массивным атомным электростанциям.
Как правило, крошечные реакторы имеют несколько преимуществ перед электростанциями. Во-первых, они более компактны. Конструкция небольшого модульного реактора 2019 года от стартапа NuScale в Орегоне составляет около 1% от размера камеры защитной оболочки традиционной электростанции, хотя она обеспечивает 10% выходной мощности станции. И хотя традиционные атомные станции нуждаются в 10-мильном буфере безопасности во всех направлениях на случай аварии, крошечные реакторы могут работать в тесноте с гораздо меньшим риском. Это второе важное преимущество: безопасность. Некоторые конструкции небольших реакторов включают полностью пассивные системы безопасности и управления рисками, которые полагаются на устойчивые, неизменные законы физики, такие как гравитация или плавучесть, для выполнения функций безопасности, а не действий людей или механического оборудования. Наконец, есть масштабируемость. Многие реакторы малой мощности спроектированы с учетом воспроизводимости.
NuScale — самая консервативная из малых ядерных программ, пытающихся выйти на рынок. Их конструкция представляет собой традиционный легководный реактор, но меньше, проще и, согласно NuScale, более масштабируемо. Конструкция исключает насосы охлаждающей жидкости, внешние резервуары парогенератора и другое оборудование, используемое на существующих установках, поэтому NuScale утверждает, что это дешевле в производстве, с меньшим риском для операторов и проще в обслуживании.
Легководный дизайн дает NuScale преимущество среди аналогов с крошечными реакторами. В то время как другие компании добиваются одобрения реакторов, вырабатывающих всего несколько мегаватт энергии, NuScale рассчитывает на 60 мегаватт. Для сравнения: самая маленькая атомная станция в США производит 600 мегаватт, но это в 100 раз больше силового модуля NuScale.
Реактор NuScale будет стремиться дополнить, а не заменить энергосистему, уже зависящую от возобновляемых источников энергии. В течение дня он может работать с 20-процентным производством энергии, позволяя возобновляемым источникам энергии выполнять работу, до 100-процентного запуска в ночное время, в то время как остальная часть сети находится в режиме простоя солнечной энергии.
Кэти Хафф и UIUC стремятся получить разрешение на строительство своего собственного крошечного реактора на основе проектов Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC), компании, использующей более экстремальный подход, чем NuScale, в стремлении подтолкнуть область к новым стандартам безопасности и более широким возможностям. Предлагаемый дизайн USNC основан на низкой плотности энергии и низком тепловыделении после отключения, что означает меньший риск расплавления. Энергетический стартап помнит, что волатильность обрекала другие ядерные усилия в прошлом. Обычные реакторы имеют удельную мощность от 20 до 40 ватт на кубический сантиметр. USNC находится в диапазоне плотности мощности от 1 до 3 [ватт] на кубический сантиметр.
Основатель компании Франческо Веннери говорит:
Топливо для ядерных реакторов было разработано для атомных подводных лодок, потребности которых полностью отличаются от требований электростанции. Подводная лодка подобна скоростному спортивному автомобилю: ей нужно очень быстро двигаться вверх и вниз по мощности. Это полная противоположность тому, какой должна быть атомная электростанция для производства энергии.
В концепции реактора USNC используется полностью керамическое микрокапсулированное топливо (FCM), в котором гранулы оксида урана покрыты композитом из керамического углерода и карбида кремния. Керамика защищает частицы топлива, но все же проводит тепло. Когда это топливо используется в среде с низкой удельной мощностью, создается реактор, который, по словам Веннери, не может расплавиться. Внутри реактора механизм обратной связи останавливает реакцию, когда она превышает рабочую температуру, поэтому ничто не может стать достаточно горячим, чтобы расплавиться. По словам Веннери, это противоречит устоявшейся схеме проектирования атомных электростанций.
Такие инженеры, как Веннери, рассчитывают риск как произведение вероятностей и последствий:
Мы обнаружили, что попытки снизить вероятность — проигрышная игра. Мы хотим сохранить низкую вероятность неблагоприятных событий, но в то же время убедиться, что последствия нулевые.
Калифорнийский стартап Oklo идет еще дальше по предотвращению рисков, до такой степени, что они отказываются от американского наследия реакторов с водяным охлаждением. Их усовершенствованный микрореактор деления может использовать натрий в качестве теплоносителя (среди других методов), поэтому для него не требуется вода. По словам Окло, 1,5-мегаваттная установка по выработке электроэнергии очень похожа на батарею. Он автономный и может работать без дозаправки в течение 20 лет.
Джейкоб ДеВитте, соучредитель и генеральный директор Oklo говорит:
В отрасли обычно применяется поэтапный подход к вещам. Но, по нашему мнению, мы должны действовать более радикально, откровенно говоря, ради блага планеты.
В реакторе Окло используется высокообогащенное низкообогащенное урановое топливо (HALEU) для достижения большей эффективности и удельной мощности, учитывая его размер. HALEU обогащен от 5 до 20 процентов изотопа U-235 - изотопа, который при расщеплении выделяет тепло в ядерной реакции — по сравнению с 3-процентным низкообогащенным ураном на типичной электростанции. У этого потенциального новатора впереди больше работы для утверждения, чем у его собратьев с водяным охлаждением, но Oklo делает ставку на его нетребовательный пространственный и финансовый дизайн. Его демонстрационная площадка в Национальной лаборатории Айдахо занимает площадь всего в четверть акра.
Если бы нынешняя инфраструктура ядерной энергетики была системой кровообращения, перекачивались бы только основные вены и артерии — это гигантские электростанции. Но крошечные реакторы могут быть подобны капиллярам, передавая энергию на крайние точки (небольшие города, удаленные промышленные поселки, крошечные острова и определенные городские кварталы) тела ядерной энергетики.
Технический директор Westinghouse Electric Company Кен Канаван комментирует:
Если вы посмотрите на нынешние большие реакторы и места, где они устанавливаются, то увидите, что они попадают в страны, где требуется декарбонизация.
По его словам, такие страны, как Китай и Польша, заменяют несколько средних или крупных угольных электростанций на одну атомную, и в этих странах есть условия, в которых уместны крупные атомные электростанции.
Если вы посмотрите на другие страны, у которых есть сети меньшего размера, у них нет мощности для установки большой атомной станции. Вот где могут пригодиться реакторы, подобные реактору NuScale - всего 20 метров в высоту и 2,5 метра в диаметре.
Канаван, однако, отмечает, что традиционные концепции реакторов могут вернуться после крошечных ядерных ударов в розницу. Он говорит, что крошечная ядерная энергия может разрушить ядерную энергетику сверх того, что мы можем спроектировать сегодня, и в будущем, когда больше вещей будет нуждаться в электроэнергии (не последней из которых будет ваш автомобиль), чем когда-либо, "многоскоростная" или "многомерная" ядерная энергия. рынок может появиться. Здесь любой, кто желает заменить удаленную дизельную микросеть, может найти решение в атомной энергетике или комбинации ядерной и возобновляемой энергии.
На данный момент Oklo, USNC и NuScale ориентируются на небольшие рынки как на точку входа, потому что в США крупные предприятия либо стареют, либо слишком стигматизируются, чтобы их можно было заменить. Поиск общих, но неиспользованных вариантов использования крошечных атомных электростанций, таких как сельские города, будет ключом к возрождению интереса к ядерным энергетическим технологиям, а поиск способов интеграции ядерной энергетики вместе с энергосистемами, ориентированными на возобновляемые источники энергии, будет иметь важное значение для адаптации мира к ядерной энергии. Исследование Университета Сассекса в 2020 году показало, что развитие крупных атомных электростанций остановило значительную часть глобального развития возобновляемых источников энергии в период с 1990 по 2014 год, но другой отчет 2020 года о ближайшем будущем энергетики показал четыре отдельных сценария, демонстрирующих стремительный рост возобновляемых источников энергии наряду со скромным рост ядерной энергетики. Мы рассматриваем эти вещи как конкурентов; они могли сосуществовать.
К 2040 году, если эти проекты небольших реакторов будут успешными, мы сможем увидеть, как на энергетическом ландшафте планеты появится множество реакторов различных размеров, технологий и назначения.