Усовершенствованные ядерные реакторы 101

Изучая технологические характеристики, экономические препятствия для реализации передовых ядерных вариантов и варианты политики для поощрения внедрения, этот объяснитель подробно описывает перспективы будущего развития передовых ядерных источников энергии.

Ядерная энергия вырабатывается путем расщепления атомов урана в контролируемой операции, называемой делением. Традиционно ядерная энергия вырабатывается с использованием легководных ядерных реакторов для нагрева воды и создания пара для привода турбины; однако несколько новых реакторных технологий находятся в разработке. Эти современные ядерные реакторы выходят за рамки традиционных реакторов, предлагая возможность более безопасного, дешевого и эффективного производства безэмиссионной электроэнергии, а также тепла для промышленных процессов. В настоящее время почти вся ядерная энергия в мире вырабатывается неусовершенствованными реакторами, при этом несколько усовершенствованных реакторов активно используются для производства энергии. Изучая технологические характеристики, экономические препятствия для реализации передовых ядерных вариантов и варианты политики для поощрения внедрения, этот объяснитель подробно описывает перспективы будущего развития передовых ядерных источников энергии.

Как работают ядерные реакторы

Всемирная ядерная ассоциация предоставляет исчерпывающий обзор того, как работают ядерные реакторы, на этой странице «Основы». Вот несколько ключевых терминов, описывающих работу ядерного реактора, которые особенно полезны для этого объяснения.

Деление: Реакции ядерного деления сегодня производят всю ядерную энергию. При делении нейтрон сталкивается с атомом урана, расщепляя его на два меньших атома и производя больше нейтронов. Это запускает цепную реакцию, когда выпущенные нейтроны сталкиваются с другими атомами урана, расщепляя их в другой реакции деления. Каждое столкновение высвобождает энергию в виде тепла по пути.

Слияние: Реакции ядерного синтеза включают два меньших атома, сталкивающихся с образованием одного большего атома. Этот процесс высвобождает большое количество энергии, но не продвинулся до уровня коммерческого использования.

Охлаждающая жидкость: Теплоноситель отводит тепло от активной зоны реактора и помогает предотвратить перегрев реактора.Хладагент улавливает энергию, высвобождаемую в результате ядерных реакций, и переносит ее на генерирующую установку, где она используется для выработки электроэнергии.

Модератор: Замедлитель — это материал, используемый в ядерном реакторе для замедления нейтронов, вызывающих реакции деления, что позволяет ядерной реакции протекать с относительно небольшим количеством топлива.

Тепловые реакторы: В тепловых реакторах нейтроны замедляются замедлителем (обычно водой), что увеличивает вероятность того, что каждый нейтрон вызовет реакцию деления.

Быстрые реакторы: Быстрые реакторы не снижают скорость нейтронов; в отличие от тепловых реакторов, которые замедляют нейтроны, быстрые реакторы позволяют нейтронам оставаться на скорости, с которой они появляются в результате реакций деления. В некоторых случаях они могут использовать урановое топливо более эффективно, чем тепловые реакторы.

Реакторы-размножители: Хотя все реакторы потребляют топливо, некоторые реакторы также производят топливо, оставляя дополнительное топливо, которое можно использовать для выработки энергии. Эти реакторы-размножители могут быть либо быстрыми, либо тепловыми реакторами.

Типы перспективных ядерных реакторов

Типы перспективных ядерных реакторов классифицируются по-разному. Представленная здесь классификация разработана Исследовательской службой Конгресса, которая выделяет три основные категории: усовершенствованные реакторы с водяным охлаждением, реакторы без водяного охлаждения и термоядерные реакторы.

Усовершенствованные реакторы с водяным охлаждением

Усовершенствованные водоохлаждаемые реакторы работают аналогично традиционным ядерным реакторам: они вырабатывают энергию за счет реакций деления и используют воду в качестве теплоносителя и замедлителя. Однако они могут быть проще, меньше и эффективнее традиционных реакторов. Например, в реакторах со сверхкритической водой в качестве теплоносителя используется вода, нагретая и сжатая до сверхкритического состояния. Многие усовершенствованные реакторы с водяным охлаждением отличаются от традиционных реакторов только размерами; они называются малыми модульными реакторами (ММР) и микрореакторами.ММР представляют меньший риск, чем более крупные проекты на легкой воде, благодаря преимуществам, описанным в таблице 2. ММР и микрореакторы могут входить в категорию усовершенствованных реакторов с водяным охлаждением, хотя они также могут входить в другие категории, поскольку для каждого из них можно использовать множество технологий. из них.

Неводяные реакторы

Реакторы без водяного охлаждения по-прежнему вырабатывают энергию, используя реакции деления, но (как следует из названия) они используют охлаждающие жидкости, отличные от воды, для регулирования температуры реактора. Различные теплоносители позволяют реакторам работать с большей безопасностью. Например, в то время как вода должна находиться под высоким давлением, чтобы работать в качестве хладагента, другие хладагенты могут поддерживаться при более низком давлении и более высоких температурах; это снижает риск внезапного выброса химикатов, который может быть вызван охлаждающей жидкостью под высоким давлением.

Реакторы на расплавленной соли (MSR) являются примером реакторов без водяного охлаждения; они используют расплавленную соль в качестве охлаждающей жидкости. Недавно Китай возглавил глобальные исследования технологии MSR, сосредоточив внимание на версиях на основе тория в качестве источника топлива. Высокотемпературный реактор с газовым охлаждением (ВТГР) представляет собой еще один тип реактора без водяного охлаждения. HTGR используют графит в качестве замедлителя и гелий в качестве хладагента для работы при высоких температурах. Быстрые реакторы с натриевым, свинцовым и газовым охлаждением относятся к категории неводяных, а ММР и микрореакторы также могут быть изготовлены с использованием технологии неводяного теплоносителя.

Термоядерные реакторы

Последняя категория передовых ядерных реакторов — это термоядерный реактор. В то время как все другие реакторы, обсуждавшиеся до сих пор, генерировали энергию с помощью реакций деления, в термоядерных реакторах теоретически использовался бы процесс, известный как ядерный синтез (реакция, которая питает солнце и звезды). Вместо расщепления атома в этой реакции участвуют два меньших атома, сталкивающихся для создания одного большего атома, высвобождающего большое количество энергии. Однако эта технология намного дальше от готовности к развертыванию, чем другие типы реакторов.

Статус, преимущества и барьеры

Описанные здесь усовершенствованные ядерные реакторы совершенствуют традиционные ядерные реакторы по нескольким параметрам, частично преодолевая многие барьеры, с которыми сталкивается ядерная энергетика. Как показано в таблице 2, разные типы реакторов имеют разные преимущества и сталкиваются с разными проблемами из-за их размера, материалов, используемых для теплоносителей и замедлителей, рабочей температуры и других факторов. Подробнее см. в отчетах Целевой группы по чистому воздуху, Исследовательской службы Конгресса и организации Third Way.

Преимущества усовершенствованных ядерных реакторов

Преимущества безопасности: Усовершенствованные реакторы могут работать со значительно повышенной безопасностью по сравнению с традиционными легководными ядерными реакторами. Усовершенствованные реакторы часто работают при более низком и безопасном давлении из-за использования в них специальных теплоносителей. Во многих случаях они также могут использовать преимущества пассивных мер безопасности, таких как предохранительные клапаны, вместо того, чтобы полагаться на активные функции безопасности, для работы которых требуется резервный источник питания или вмешательство человека. Эти меры пассивной безопасности позволяют реакторам выдерживать более широкий набор аварийных условий, не причиняя ущерба.

Более низкие затраты: Продолжаются споры о том, будут ли капитальные затраты на усовершенствованный ядерный реактор (первоначальные единовременные затраты на строительство реактора) ниже, чем у современного легководного реактора. Недавние исследования указывают на несколько возможностей для снижения капитальных затрат, в том числе следующие:

• усовершенствования конструкции, которые могут привести к снижению затрат на инфраструктуру безопасности;
• возможность изготовления множества модульных блоков одного типа реактора за пределами площадки; а также
• совершенствование методов управления строительством.

Однако в этом исследовании тщательно отмечается, что эти возможности снижения затрат, вероятно, применимы ко всем типам атомных станций, а не только к усовершенствованным реакторам.

Промышленная декарбонизация: Некоторые современные ядерные реакторы производят высокие температуры, которые можно использовать в промышленных процессах.Многие промышленные процессы в настоящее время основаны на ископаемом топливе для производства необходимого уровня тепла, а усовершенствованные реакторы могут заменить ископаемое топливо в процессах, которые трудно электрифицировать. Таким образом, передовые реакторы могут помочь обезуглерожить отрасли, которые в настоящее время сильно зависят от ископаемого топлива.

Универсальность и гибкость: Из-за заводской конструкции и различных размеров реакторов многие усовершенствованные реакторы могут быть гораздо более гибкими и универсальными, чем традиционные реакторы. Они могут быть установлены в местах, где традиционные реакторы не могут быть установлены, например, в подземных пещерах, где снижается радиационный риск и риски для национальной безопасности. Кроме того, некоторые усовершенствованные ядерные реакторы могут изменять мощность, которую они производят, легче, чем традиционные реакторы, что позволяет им играть более важную роль в балансировке электрических нагрузок. Наконец, многие усовершенствованные реакторы могут работать намного дольше без дозаправки, требуя меньше инфраструктуры и позволяя им оставаться в рабочем состоянии в течение длительных периодов времени без перерыва в выработке энергии.

Повышенная эффективность: Некоторые усовершенствованные реакторы используют топливо намного эффективнее, чем традиционные реакторы, преобразуя до 95 процентов энергии топлива в полезную электроэнергию (традиционные реакторы преобразуют менее 5 процентов). Следовательно, у них есть потенциал для получения энергии с использованием гораздо меньшего количества топлива.

Меньше опасности от отходов: Повышенная энергоэффективность многих передовых реакторов также приводит к меньшему количеству ядерных отходов. Кроме того, образующиеся отходы могут быть менее токсичными и могут оставаться токсичными в течение более короткого периода времени.

Фабричное производство: В то время как традиционные реакторы строятся на месте, многие небольшие усовершенствованные ядерные реакторы могут быть построены в заводских условиях и доставлены на место для быстрой установки.Для некоторых типов реакторов заводское строительство позволит изготавливать и развертывать большое количество реакторов гораздо быстрее, чем традиционные реакторы, что может иметь важное значение для достижения целей по выработке энергии с низким уровнем выбросов углерода.

Низкий риск распространения: Влияние усовершенствований реакторов на риск распространения неоднозначно. Некоторые источники утверждают, что усовершенствованные реакторы производят меньше отходов, чем те, которые традиционно использовались для производства ядерного оружия. Кроме того, усовершенствованные реакторы часто проектируются таким образом, чтобы сделать топливо и отходы менее доступными, чем в традиционных реакторах. Однако усовершенствованные реакторы также часто производят концентрированный плутониевые отходы, которые могут представлять более высокий риск распространения, чем традиционные реакторы. Поскольку риски распространения, как правило, считаются низкими для традиционных реакторов, небольшие различия, связанные с достижениями, могут не создавать значительных преимуществ или недостатков.

Барьеры и проблемы, с которыми сталкиваются перспективные ядерные реакторы

Традиционные ядерные реакторы и электростанции в настоящее время сталкиваются со многими проблемами.

Некоторые проблемы, с которыми приходится сталкиваться, носят экономический характер: в настоящее время электроэнергия, которую они производят, как правило, дороже, чем электроэнергия, вырабатываемая возобновляемыми источниками энергии и природным газом, поэтому атомным станциям сложно конкурировать на рынках электроэнергии. В результате ядерные производители часто полагаются на субсидии от правительства, чтобы оставаться открытыми и прибыльными. Однако стоит отметить, что по мере того, как более масштабная декарбонизация приводит к большему потреблению электроэнергии, стоимость возобновляемых источников энергии может возрасти из-за необходимости хранения и других затрат, что может сделать электроэнергию, вырабатываемую на АЭС, более конкурентоспособной по стоимости.

Другие барьеры, с которыми сталкивается ядерная энергетика, носят политический и социальный характер: многие люди выступают против развития ядерной энергетики, а некоторые хотят, чтобы все существующие атомные станции были закрыты.Эти опасения, как правило, основаны на опасности, связанной с ядерными отходами, и возможности ядерных аварий, таких как катастрофа 2011 года на Фукусиме, Япония, или Чернобыльская катастрофа 1986 года.

Многие передовые реакторные технологии, обсуждаемые в этом объяснении, могут преодолеть барьеры, с которыми сталкиваются традиционные реакторы. Тем не менее, все еще существуют препятствия для развертывания усовершенствованных реакторов. Как правило, наибольшими ингибиторами являются значительные затраты, связанные с разработкой и строительством первых в своем роде реакторов. Эти затраты увеличиваются за счет надбавок за риск — неопределенность из-за отсутствия продуманного развертывания делает первые в своем роде генераторы финансово рискованными инвестициями. Хотя некоторые прогнозы предполагают, что капитальные затраты на зрелые усовершенствованные реакторы будут ниже, чем на традиционные, также возможно, что будут значительные капитальные затраты, связанные с длительными и сложными начальными этапами строительства, что создаст значительные препятствия для внедрения. Наконец, даже после того, как усовершенствованные реакторы будут построены снова, их эксплуатация все еще может быть относительно дорогой.