Джерело: WirtschaftsWoche

Засновник Microsoft Білл Гейтс інвестує мільярди, але не тільки він – уряди по всьому світу також покладаються на нові типи реакторів: маленькі, «чисті» та безпечні. Це реально?

Дебати між прихильниками та противниками ядерної енергетики зазвичай відбуваються за однією схемою: одні стверджують, що так енергія з низьким викидом CO2 доступна навіть взимку та під час несприятливих погодних умов, коли відновлюваних джерел енергії недостатньо. Інші не заперечують цього, але вказують на недоліки, такі як ризик найгіршого сценарію та ядерні відходи. Аварія як на Чорнобильській АЕС (1986) чи Фукусімі (2011) мала б непередбачувані наслідки для густонаселеної Німеччини. І сховища для відходів Німеччина досі не має – після десятиліть інтенсивних пошуків. Ядерні відходи випромінюють радіацію протягом 30 000 років, тому ховати їх необхідно глибоко в соляних куполах.

Але що, якби була нова ядерна енергетична технологія, яка мала б переваги нинішніх реакторів і мінімізувала б їхні ризики? Відповідні звіти неодноразово підживлюють надію на такі прориви. Китай, наприклад, наприкінці 2021 року ввів в експлуатацію так званий дослідницький реактор четвертого покоління. Для реактора не потрібен дефіцитний або дорогий уран; Кажуть, що він працює на торії – дешевому і доступному у великій кількості, оскільки він належить до відходів гірничої промисловості. Так, навіть цей новий диво-реактор все ще виробляє ядерні відходи. Але вони набагато менш небезпечні, ніж звичайні, і їх випромінювання триває лише близько 300 років.

Як працюють реактори?

Звучить надто добре, щоб бути правдою. І якщо розглянути питання при денному світлі, принаймні поки що так і є. Зараз працюють реактори третього покоління. Фізичний принцип той самий, що й у першого та другого покоління, лише системи безпеки були вдосконалені після аварії на Чорнобильській АЕС: атоми урану бомбардуються нейтронами, поки не розщепляться. Це вивільняє енергію – і під час розпаду з'являються нові нейтрони, які вдаряють по іншим атомам урану і розщеплюють їх. Це призводить до контрольованої ланцюгової реакції. Інтенсивне тепло від процесу розкладання створює водяну пару, яка приводить в рух турбіни для виробництва електроенергії, що не дуже відрізняються від турбін на газовій або вугільній електростанції. За тим же принципом працюють водно-водяні ядерні реактори на трьох інших німецьких АЕС: Isar 2, Neckarwestheim 2 і Emsland.

Щоб процес розпаду не вийшов з-під контролю, ядерний поділ потрібно охолоджувати у другому циклі. Зараз для цього застосовується вода. Однак воді властиво значно нагріватися та надзвичайно розширюватися під час випаровування. Тиск може спричинити протікання в системах охолодження. У разі аварії на водно-водяному або «киплячому» реакторі раптовий викид забрудненої води спричиняє найвище радіаційне опромінення в цьому районі. На Фукусімі охолоджуюча вода навіть поділилася на водень і кисень під впливом сильного нагрівання; вибухнув водень. Якщо водяне охолодження не спрацює, найгіршим сценарієм стане розплавлення ядра при температурі понад 1000 градусів за Цельсієм. Після цього процес уже неможливо зупинити, і виділяється велика кількість радіоактивності. Як сталося на Чорнобильській АЕС.

Завдяки новій технології реакторів четвертого покоління людство зможе позбутися всіх цих ризиків, вважають його прихильники, від президента Франції Еммануеля Макрона до засновника Microsoft і мультимільярдера Білла Гейтса.

Що може четверте покоління?

Дослідницька організація Generation IV International Forum, в якій беруть участь 14 промислово розвинутих країн, включаючи Німеччину, підсумовує шість концепцій під загальним терміном «четверте покоління». Двома найбільш важливими є так звані реактори з розплавленою сіллю та натрієві реактори. У цих реакторах, як і раніше, великі, важкі атоми, такі як уран або плутоній, повинні бути бомбардовані нейтронами; замість води розщеплення охолоджуватиметься рідкими солями, такими як фторид літію (у реакторі розплавленої солі) або рідкий натрій (у натрієвому реакторі). Розщеплюваний матеріал в них би і розчинявся, наприклад, у вигляді солі урану. Оскільки паливо вже є рідким (а не твердим паливом, як у випадку сучасних атомних електростанцій), розплавлення активної зони більше не є можливим.

Ризик витоків або вибухів також уникає, кажуть їхні розробники, тому що реактори з розплавленою сіллю все ще працюють при нормальному тиску навіть при високих температурах близько 1000 градусів, а не, як сьогоднішні водно-водяні реактори, при надлишковому тиску 150 бар. Ще одна перевага полягала б у тому, що можна спалити набагато більше розщепленого урану, ніж у реакторах третього покоління. Тому що нові реактори, щойно запущені з ураном або плутонієм, постійно виробляли б новий матеріал, що розщеплюється, наприклад торій. Тому їх ще називають плідниками.

На жаль, розробка технології для комерційного використання — справа зовсім не тривіальна. Незважаючи на великі переваги, на сьогоднішній день у Сполучених Штатах було побудовано лише два менші дослідницькі реактори з розплавленою сіллю. Американський стартап TerraPower у Вайомінгу, який найбільше відомий своїм фінансистом Біллом Гейтсом, анонсував ще один у 2021 році. Однак поки TerraPower представила лише одну концепцію.

У Китаї компанія хотіла побудувати пілотний реактор у 2018 році; але проект формально провалився у 2019 році через торговий конфлікт між Вашингтоном і Пекіном; Тодішній президент США Дональд Трамп відкликав схвалення проекту. Імовірно, фінансування тепер означає впровадження в американському штаті Вайомінг. Очікується, що реактор з розплавленої солі коштуватиме близько чотирьох мільярдів доларів і вироблятиме лише близько третини потужності традиційної атомної електростанції. Білл Гейтс не випадково обрав місцем реалізації проекту стару вугільну електростанцію.

Диво науки малий модульний реактор?

Чи витримає реактор те, що обіцяє, можна буде судити лише після завершення його розробки. Техніко-економічне дослідження, проведене на замовлення Федерального відомства Німеччини з безпеки поводження з ядерними відходами, яке досліджувало інші нові концепції на додаток до TerraPower 21, привело до тверезого висновку: масового комерційного застосування слід очікувати не раніше 2060 року, якщо взагалі.

Паризький аналітик ядерної енергетики Майкл Шнайдер, який щороку ретельно перераховує глобальні події в атомній промисловості в 400-сторінковому Звіті про стан ядерної промисловості у світі, також вважає, що реактори четвертого покоління можуть теоретично і фізично працювати, але комерціалізовані будуть «на десятиліття занадто пізно, щоб мати будь-яке вагоме значення для захисту клімату».

Інші критики вказують на досі невивчені ризики. Едвін Лайман, ядерний експерт із Союзу зацікавлених вчених, вільної асоціації незалежних вчених, побоюється, серед іншого, агресивної схильності натрію реагувати з водою, що вимагає спеціальних, дуже дорогих заходів безпеки. Реактор також «аж ніяк не нова концепція», скаржиться Лайман. Дослідники експериментували з ним з 1950-х років. Будівельні проекти завжди припинялися через високу вартість і непередбачувані проблеми безпеки. 

Чи окупаються малі атомні електростанції?

Фінансуючий TerraPower Гейтс у відповідь на це запитання нагадує про потенціал. Вайомінг — це лише початок. Якщо реактор запрацює, Гейтс планує будувати його серіями з дуже спрощеними модулями, як малий модульний реактор, SMR.

Президент Франції Макрон також багато думає про модульну АЕС; він хоче будувати міні-атомні електростанції десятками. Велика Британія також покладає великі надії на SMR: Rolls-Royce розробляє реактор з водою під тиском як SMR; перший запланований на 2029 рік. Ідея: замість великого реактора потужністю до 1,3 гігават (ГВт), який постачає електроенергією мільйон домогосподарств, багато малих SMR мають виробляти електроенергію децентралізованим способом. У разі аварії збитки були б більш керованими, такою є ідея, оскільки кількість розщеплюваного матеріалу в мініатомній електростанції невелика. Такі компанії, як Rolls-Royce і Framatome, обіцяють, що після серійного будівництва загальні витрати також будуть нижчими, ніж витрати на класичні бетонні собори з їх непомірними коштами на будівництво та підтримання безпеки.

Ідея SMR теж не нова, вона вже існувала в 1950-х роках. За іронією долі, у той час саме погана економіка завадила цій концепції прорватися. Лише в мобільному застосуванні, як на підводних човнах, SMR знайшли нішу. «Тоді люди хотіли зробити атомну енергетику більш економічно корисною, тому атомні електростанції ставали все більшими й більшими», — пояснює Хорст-Майкл Прассер, до 2019 року професор ядерних енергетичних систем ETH Zurich.

Можна лише здогадуватися, чи буде економічне застосування нових SMR кращим. Шнайдер каже: «Макрон применшує витрати на розробку та бюджет часу, вони насправді у багато разів вищі, ніж як йдеться в його промовах». Макрон пообіцяв виділити півмільярда євро на проект NUWARD SMR у рамках своєї програми «Франція 2030». «Неможливо розробити реактор з виділенням такої маленької суми, не кажучи вже про створення прототипу», — каже Шнайдер.

SMR, який десять років тому старанно розроблявся до серійної зрілості в Південній Кореї, не знайшов покупця через надзвичайно високу вартість. У випадку американського проекту NuScale, вісім із 21го зацікавленого місцевого постачальника електроенергії вибули; він став для них надто дорогим. NuScale довелося кілька разів переглядати свій облік витрат у бік збільшення. Планується побудувати шість модулів у кожному місці, щоб реактор міг експлуатуватися за прийнятною ціною. Це певною мірою протидіє мінімізації ризику найгіршого сценарію за допомогою малих децентралізованих реакторів. «Згідно з останніми даними NuScale, лише витрати на будівництво зараз становлять близько 20 000 доларів США за встановлений кіловат потужності; Це означає, що SMR вже не дешевший за класичний реактор, а навпаки: він приблизно вдвічі дорожчий за кіловат, ніж найдорожчий водо-водяний реактор нинішнього, третього покоління», — підрахував Шнайдер. Але принаймні: технічно SMR з Орегону працює.