Что для нас сделали бы ядерные батареи?

Совсем немного. В энергетических системах будущего важно не только то, что меньше — это лучше, но и то, что меньше — это существенно. Большие централизованные системы, такие как электростанции с обширными физическими сетями для передачи энергии, неэффективны. Было бы здорово начать – мы могли бы воспользоваться преимуществами экономии от масштаба.

Едва ли треть содержания первичной энергии в большинстве источников преобразуется в полезную энергию. Солнечная энергия и ветер ограничены физикой. Но в ископаемом топливе и ядерной энергетике большая часть потерь происходит из-за того, что мы используем энергию для единственной цели, такой как производство электричества или тяги, отбрасывая оставшиеся две трети в качестве отработанного тепла. Только парогазовые (~60%) или комбинированные теплоэнергетические (~80%) технологии используют более 40% своего тепла. Помимо этого, при хранении электроэнергии до 30% всех хранимых киловатт-часов теряется, а еще 5% теряется во время передачи электроэнергии от завода к конечному пользователю.  

Централизованная энергосистема должна учитывать самый высокий потенциальный спрос в любом месте и в любое время, поэтому только 40-50% мощности сети используется для питания всей системы. Остальное находится в резерве на короткие периоды высокого летнего или зимнего спроса. Это приводит к значительному недоиспользованию мощностей и неамортизированной задолженности. Перебои в генерации только усугубляют проблему.

В других сферах концепция централизации уже устарела. Старая телефонная система с телефонами, подключенными за сотни миль к центральной станции, укомплектованная тысячами операторов коммутаторов, уступила место автономности портативного устройства, подключенного через гибкие сети к распределенным серверам, маршрутизаторам и автономным спутникам в космосе, что позволило системам динамически распределять и обрабатывать значительные колебания потребностей в обмене данными.

Ядерная батарея микрореактора eVinci от Westinghouse

Это, в свою очередь, привело к появлению новых рынков, новых возможностей и даже новых отраслей. Нет никаких причин, почему те же самые факторы и мотивы, которые привели к цифровой революции в области коммуникаций и средств массовой информации, не должны привести к аналогичной революции, в ходе которой энергия становится маленькой, мобильной, безопасной, чистой и доступной. Изменения в энергетических и промышленных системах и рынках вскоре могут стать зеркальным отражением масштаба изменений, которые мы наблюдаем в беспроводной связи и средствах массовой информации.

Эта технология вскоре будет существовать в виде микрореактора или ядерной батареи.  Исследователи из Массачусетского технологического института собрали объединение представителей промышленности, национальных лабораторий и ученых под названием Advanced Nuclear and Production Expert Group (ANPEG) для разработки ядерной батареи, которая будет вписываться в этот современный рынок — заводское производство, доставка модульной упаковки, минимальная площадь подготовка и стандартизованная совместимость с процессами, которые могут использовать тепло и/или электричество для производства товаров и услуг на месте непосредственно для местного потребления и торговли, без необходимости в топливных трубопроводах и крупных сетях. 

Ядерная батарея — это обтекаемый объект размером с большой автомобиль, который помещается в стандартный двадцатифутовый (6-метровый) контейнер ISO. 

«Как и новые автомобили, ядерная батарея сойдет с автоматизированной сборочной линии, одной из тысяч серийно выпускаемых в промышленном масштабе», — говорит соучредитель ANPEG Норман Фостер. «Ее типичная выходная мощность 10 МВт, подключенная к преобразовательному модулю аналогичного размера, может обеспечить электроэнергией 8 000 домов или группу небоскребов, центр обработки данных среднего размера или опреснительную установку на 150 000 человек. Остаточное тепло можно было бы использовать локально для отопления зданий или производства продуктов питания, а не выбрасывать. Передающая сеть будет иметь наноразмер и углублена — больше не будет никаких опор и воздушных кабелей, которые могут выйти из строя во время экстремальных погодных явлений».

Такая локальная гибкость является ключевым фактором для развивающихся стран. Эти ядерные батареи могут быть доставлены в любое городское, сельское или даже морское место и почти сразу же введены в эксплуатацию для обеспечения электроэнергией, чистой водой и другими важными для общества услугами.

По словам Иэна Макдональда, также соучредителя ANPEG, «ядерная батарея является фундаментальным энергетическим достижением как по форме, так и по функциям, меняя то, как ядерная энергия воспринимается общественностью и заинтересованными сторонами, и отличая ее от всех других источников энергии в ее способности решать проблемы адаптации к изменению климата и уровня жизни в одной чистой системе».

Не то чтобы это было что-то новое.  Westinghouse уже приступила к выпуску своей ядерной батареи WEC eVinci TM. С 1960-х годов военные перевозили небольшие ядерные реакторы на грузовиках. Они также находились под водой на подводных лодках и в открытом космосе, питая спутники.

Полевой ядерный реактор ML-1 армии США выгружен с транспортного самолета (слева) и доставлен его макет в поле (справа) в 1961 году

Бывший корабль «Либерти», оснащенный ядерной батареей, питал строительство Панамского канала в 1968-75 годах. Совсем недавно, всего за три года, команда НАСА/Лос-Аламос, возглавляемая членом ANPEG Патриком Макклюром, разработала Kilopower — наноразмерную, доступную ядерную систему деления, которая могла бы обеспечить длительное пребывание на Луне, Марсе и других планетных поверхностях.

В следующий раз, когда вы посетите больницу для МРТ, помните, что это очень маленький ядерный объект.

Как и набор Lego, ядерный энергетический модуль имеет внутри себя меньшие модули, и только один из них, модуль управления, доступен. Остальные запечатаны на заводе с уже интегрированным топливным сердечником, который является низкообогащенным (5%) ураном.

По окончании срока службы от 5 до 10 лет, когда топливо исчерпано, герметичный блок отправляется обратно на центральный объект для дозаправки и ремонта. Большая часть устройства может быть использована повторно. Таким образом, нет никакой необходимости в обращении с радиоактивными отходами высокого уровня и их хранении на объекте пользователя. Временные рамки для установки или замены — это дни, по сравнению с годами, необходимыми для мегаэлектростанции.

Важно отметить, что размер отходов идеально подходит для захоронения в скважине.

Ядерная батарея имеет функции искробезопасности, которые обеспечивают безопасное выключение и предотвращают перегрев без какого-либо вмешательства оператора, говорит Якопо Буонджорно, профессор ядерной инженерии Массачусетского технологического института и еще один из соучредителей ANPEG. Прочная конструкция и малый размер ядерной батареи значительно облегчают ее защиту. И любое преднамеренное повреждение просто требует замены, пока поврежденный блок восстанавливается.

По словам Роба Фреды и Иэна Макдональда, также соучредителей ANPEG, «ядерная батарея является фундаментальным энергетическим достижением как по форме, так и по функциям, изменяя то, как ядерная энергия воспринимается общественностью и заинтересованными сторонами, и отличая ее от всех других источников энергии в ее способности решать проблемы адаптации к изменению климата и уровня жизни в одной чистой системе».

Схема развития гарантирует, что такие устройства станут самым безопасным, чистым, компактным и мощным источником энергии, который мы только можем иметь. По размеру физический след модуля — это крошечное пятнышко по сравнению со следом аналогичной солнечной или ветряной фермы и без какого-либо риска от капризов погоды.

Ядерная батарея может работать 24 часа в сутки, 7 дней в неделю и значительно компактнее, чем другие низкоуглеродные источники энергии.  Сравнение размеров контейнерной ядерной батареи (желтый прямоугольник) с мощностью ветра 10 МВт и солнечной энергии 10 МВт

Недавнее исследование, проведенное энергетической инициативой Массачусетского технологического института, показало, что для решения проблем изменения климата и бедности необходимо быстро расширять ядерную энергетику. Так что тот факт, что мы могли бы производить эти модули быстро, является ключевым.

Ядерные батареи могли бы также сыграть важную роль в решении проблемы бедственного положения неформальных поселений и трущоб. В настоящее время более миллиарда человек не имеют доступа к электричеству для приготовления пищи, освещения и отопления, современной санитарии, чистой воде или адекватному жилью. Если не решить эту проблему, то к 2050 году она может удвоиться.

Чтобы вывести человека из нищеты, требуется около 3000 кВтч на человека в год. Мы вырабатываем 24 трлн кВтч в год, из них более 16 трлн приходится на ископаемое топливо. Таким образом, объем чистой энергии, необходимой нам для искоренения глобальной бедности и смягчения последствий изменения климата, огромен – более 35 трлн кВтч в год к 2040 году, когда население Земли превысит 10 миллиардов.

Миллионы людей живут в неформальных поселениях с низким доходом, известных как фавелы, которые испытывают хроническое пренебрежение со стороны правительства.  Показанная здесь Росинья — самая большая холмистая фавела в Бразилии. Компактные источники энергии, такие как ядерные батареи, изменят их жизнь

Если ядерная энергия будет составлять только треть этого, нам потребуется эквивалент 100 000 таких ядерных батарей. Конечно, более крупные атомные станции порядка 1000 МВт все еще строятся в Китае, на Ближнем Востоке, в России и других местах, в прошлом году были введены в эксплуатацию пять новых больших реакторов. И более 100 крупных атомных станций, действующих сегодня, будут продолжать работать в 2040 году.

Кроме того, в этом десятилетии начнут строиться малые модульные ядерные реакторы различной конструкции, LWR, MSR или другие, и тысячи должны быть подключены к 2040 году. Гибкость SMR и ядерных батарей будет играть жизненно важную роль в развертывании энергии там, где это нужно больше всего.

Так что у нас есть много возможностей использовать ядерную энергию для решения основных мировых проблем. Нам просто нужно это сделать.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ