В течение десятилетий инженеры-ядерщики придумывали новые формулы, формы и размеры для радиоактивного топлива, которое питает реакторы мировых атомных электростанций (наш величайший источник электроэнергии с нулевым содержанием углерода). Сегодня большая часть того, что используется для реакторного топлива, — это обогащенный уран. В будущем топливные композиции могут сместиться в сторону весьма перспективного элемента тория.
Потенциальный прорыв: Министерство энергетики США (DOE), Национальная лаборатория Айдахо (INL) и Центр ядерной инженерии и науки в Техасе A & M заключили партнерство с компанией Clean Core Thorium Energy (CCTE) для производства нового типа ядерного топлива, получившего название «Advanced Nuclear Energy for Enriched Life», или ANEEL.
С помощью запатентованной комбинации тория (Th) и урана (U), особенно «высокообогащенного урана высокого анализа» (HALEU), топливо ANEEL может решить несколько проблем, которые беспокоят ядерную энергетику – стоимость, распространение и отходы. Кроме того, это топливо, произведенное в Америке, позиционирует его как главного кандидата на экспорт на развивающиеся ядерные рынки.
За последние несколько лет ученые-климатологи все больше сходятся во мнении, что ядерная энергия имеет решающее значение для смягчения наихудших последствий глобального потепления. Страны и государства переходят от мандатов в области возобновляемых источников энергии к технологически нейтральным стандартам чистой энергии, которые включают ядерную энергию.
Но в развивающихся странах эта потребность является неотложной. Большинство из них не имеют инфраструктуры для природного газа, ветроэнергетики или солнечных батарей. Кроме того, многие из них не имеют достаточного рельефа и речного стока для гидроэнергетики. Так что это либо уголь, либо атомная энергия.
Поэтому разработка новых технологий, особенно передовых видов топлива, имеет решающее значение для этого развертывания. Топливо ANEEL можно использовать в традиционных реакторах с кипящей водой и водой под давлением, но оно действительно хорошо работает в тяжеловодных реакторах, таких как CANDU и PHWR. Что еще более важно, оно может быть разработано и развернуто довольно быстро.
CCTE планирует выйти на рынок с этой технологией к 2024 году.
«Сегодня развивающиеся страны и их граждане, постоянно нуждающиеся в энергии, необходимой для запуска двигателей прогресса и процветания, нуждаются в обильном и бесперебойном источнике чистой базовой мощности. Это решение должно устранить множество ключевых барьеров, включая затраты, эффективность и устойчивость», — говорит Мехул Шах, генеральный директор и основатель CCTE. «Срочность реализации такого видения становится еще более критичной, поскольку время теряется перед лицом ускоряющегося климатического кризиса».
Реакторы CANDU и PHWR
Реактор CANDU (Canada Deuterium Uranium) был разработан в 1950-х годах в Канаде, и совсем недавно в Индии как PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor). Эти реакторы представляют собой реакторы с тяжелым водяным охлаждением и умеренным давлением воды.
PHWRs / CANDUs — это хорошо зарекомендовавшие себя малые и средние реакторы. Все 20 канадских ядерных реакторов имеют конструкцию CANDU. Другие страны с реакторами CANDU включают Аргентину, Китай, Индию, Южную Корею, Пакистан и Румынию. В Индии есть 18 PHWR, основанных на дизайне CANDU. Почти 50 реакторов CANDU и PHWR составляют примерно 10% реакторов во всем мире.
С другой стороны, есть 30 стран, рассматривающих, планирующих или начинающих ядерные программы, и еще 20 стран, большинство из них развивающиеся, которые выразили заинтересованность в запуске ядерной программы в будущем. CANDU / PHWR — это оптимальный выбор реактора для развивающихся стран, если он оснащен правильным топливом.
CANDU / PHWRs обычно используют природный оксид урана (0,7% U-235) в качестве топлива, поэтому им нужен более эффективный замедлитель (материал, который замедляет скорость нейтрона, чтобы он попал в следующее ядро с нужной скоростью для его расщепления или деления). В этом случае в этих реакторах используется тяжелая вода (D2O). Дейтерий — это водород с одним нейтроном в ядре.
Кроме того, торий имеет более высокую температуру плавления и более низкую рабочую температуру, что делает его по своей сути более безопасным, чем прямой U, и более устойчивым к расплавлению сердечника.
Топливо ANEEL имеет очень высокую скорость выгорания — около 55 000 МВт/т (мегаватт-день на тонну топлива) по сравнению с природным урановым топливом, используемым в настоящее время в действующих PHWR/CANDUs с выгоранием около 7000 МВт/т.
Более высокое выгорание означает, что топливо остается в реакторе дольше и получает больше энергии из того же количества топлива. Кроме того, при использовании топлива образуется больше нейтронных ядов, в том числе Pu-240,241,242, что делает отработанное топливо непомерно трудным для превращения в оружие.
Кроме того, более высокое выгорание топлива ANEEL позволит сократить отходы более чем на 80% и в конечном итоге получить гораздо меньше плутония (Pu), потому что больше Pu сжигается для получения энергии, делая отработанное топливо устойчивым к распространению. Меньшее количество отработанного топлива означает меньшую дозаправку, меньшие затраты, меньшую обработку топлива и меньший объем для утилизации.
Кроме того, реакторы PHWR/CANDU не нужно останавливать для дозаправки, и их можно заправлять на полную мощность. Индийская установка Phwr Kaiga Unit-1 и канадская установка Darlington Unit-1 имеют мировые рекорды непрерывной работы — 962 дня и 963 дня непрерывной работы соответственно.
В существующей системе CANDU / PHWR, использующей природный уран, каждый топливный пучок весит примерно 15 кг. После первых 150 дней эксплуатации в среднем восемь таких пучков должны были бы заменяться ежедневно в течение оставшегося срока эксплуатации реактора, составляющего 60 лет.
При использовании топлива ANEEL каждый пучок топлива весит приблизительно 10,65 кг. После первых 1400 дней эксплуатации в среднем только один такой пучок будет нуждаться в ежедневной замене в течение оставшегося срока эксплуатации реактора,что приведет к значительно меньшему количеству отходов.
Интересное о тории
Как и большинство тяжелых изотопов с четными номерами, Th-232 не делится легко. Но подобно не делящемуся U-238, образующему Pu-239 через сорбцию нейтронов, которые затем делятся для получения энергии, Th-232 также поглощает нейтрон, а затем быстро распадается на U-233, который затем делится для получения энергии.
Доктор Шон Макдивитт, профессор ядерной инженерии и директор Центра ядерной инженерии и науки Техасского университета A&M, отмечает: «Я активно работаю над поведением и применением ядерного топлива уже более 25 лет. Концепция топлива ANEEL, интегрированная с существующей реакторной технологией CANDU/PHWR, использует преимущества превосходных свойств, производительности и изобилия тория для выработки чистой электроэнергии базовой нагрузки с уменьшенным воздействием на окружающую среду».
Texas A&M изготовит топливные гранулы ANEEL в своем ядерном инженерном и научном центре и доставит их в INL. INL проведет испытания топливных гранул ANEEL с высоким выгоранием (до 70 000 МВт/т) на ускоренном испытательном стенде INL на их передовом испытательном реакторе. За этим последует пострадиационная экспертиза и квалификация топлива, и все это в соответствии со строгими руководящими принципами и требованиями обеспечения качества DOE и NRC.
«Мы с нетерпением ожидаем поддержки этих усилий по разработке передовых видов ядерного топлива. Являясь национальным центром исследований и разработок в области ядерной энергетики, INL поддерживает потребности промышленности с помощью уникальных объектов, возможностей и опыта», — говорит Джесс Гехин, доктор философии, главный научный сотрудник INL.
На Земле существует более чем в два раза больше Th, чем U. Индия имеет больше Th, чем U, особенно в виде монацитовых песков, причина, по которой они десятилетиями использовали Th в ядерных реакторах.
Геополитические последствия
Преимущества топлива ANEEL соответствуют нескольким элементам недавно выпущенного Министерством энергетики Соединенных Штатов восстановленного конкурентного преимущества ядерной энергетики Америки, которое гласит, что ядерная энергетика неразрывно связана с национальной безопасностью.
Всякий раз, когда Соединенные Штаты участвуют в ядерной программе другой страны, эта страна подписывает различные соглашения, касающиеся безопасности, нераспространения оружия и ядерных материалов, включая ядерное топливо.
Заключаются соглашения, подобные соглашению 1-2-3, и другие соглашения, обязывающие страну отказаться от внутреннего обогащения урана и переработки отработавшего топлива, а также подписывается дополнительный протокол Международного агентства по атомной энергии, устанавливающий более строгие режимы инспекций.
На сегодняшний день США заключили примерно двадцать три соглашения 1-2-3 с 48 странами, включая Украину, Марокко, Египет и Тайвань.
Но ядерная программа Соединенных Штатов атрофировалась за последние несколько десятилетий. В то же время другие страны укрепились, особенно Россия и Китай, которые имеют государственные предприятия и меньше всего заботятся о безопасности и охране окружающей среды, а также другие, такие как Южная Корея, чья промышленность поддерживается правительством таким образом, что просто не может произойти в Соединенных Штатах.
Таким образом, наличие нового топлива американского производства, которое может быть использовано в реакторах других стран, возвращает Соединенные Штаты к участию в цепочке ядерных поставок и позволяет охватить большее число стран по всему миру.
При нынешнем двустороннем признании в Соединенных Штатах того, что ядерная энергия необходима для чистой базовой энергии, реакторы CCTE на топливе ANEEL PHWR/CANDU можно было бы быстрее развернуть в большем числе развивающихся стран, ослабив озабоченность по поводу распространения и обращения с отходами.
И, может быть, это действительно сможет уменьшить количество сжигаемого угля.
