0 просмотров

Меньше, безопаснее, дешевле: одна компания стремится заново изобрести ядерный реактор и спасти нагревающуюся планету

Сокращая свои реакторы, NuScale Power стремится конкурировать с дешевым природным газом.

  • 21 фев 2019
  • Адриан Чо

Имитация диспетчерской в ​​Корваллисе, штат Орегон.

Делиться:

КОРВАЛИС, ОРЕГОН.Миру, столкнувшемуся с реальной угрозой глобального потепления, ядерная энергетика кажется спасательным кругом. Сторонники говорят, что ядерные реакторы, компактные и способные обеспечивать стабильную безуглеродную энергию, являются идеальной заменой ископаемого топлива и способом сокращения выбросов парниковых газов. Однако в большинстве стран мира атомная промышленность отступает. Общественность по-прежнему не доверяет ему, особенно после того, как в 2011 году в результате аварии на АЭС «Фукусима-дайити» в Японии расплавились три реактора. Страны также продолжают сомневаться в том, что делать с радиоактивными отходами реакторов. Самое главное, что с новыми реакторами стоимостью 7 миллиардов долларов и более атомная промышленность изо всех сил пытается конкурировать с более дешевыми формами энергии, такими как природный газ. Таким образом, несмотря на то, что глобальные температуры бьют один рекорд за другим, за последние 20 лет в Соединенных Штатах был запущен только один ядерный реактор.В глобальном масштабе атомная энергетика обеспечивает всего 11% электроэнергии по сравнению с 17,6% в 1996 году.

Статья в тему:  Так будет разворачиваться ядерная война с Северной Кореей

Хосе Рейес, инженер-ядерщик и соучредитель компании NuScale Power со штаб-квартирой в Портленде, штат Орегон, говорит, что он и его коллеги могут возродить атомную энергетику, если будут мыслить масштабно. Рейес и 350 сотрудников NuScale разработали небольшой модульный реактор (ММР), занимающий 1% площади обычного реактора. В то время как типичный коммерческий реактор вырабатывает гигаватт мощности, каждый SMR NuScale будет генерировать всего 60 мегаватт. Приблизительно за 3 миллиарда долларов NuScale может поставить до 12 SMR бок о бок, как пивные банки в упаковке из шести штук, чтобы сформировать электростанцию.

Но размер сам по себе не панацея. «Если я просто уменьшу масштаб большого реактора, я, несомненно, проиграю», — говорит 63-летний Рейес, тихий уроженец Нью-Йорка и сын гондурасских и доминиканских иммигрантов. Чтобы сделать свои реакторы более безопасными, инженеры NuScale упростили их, отказавшись от насосов, клапанов и других движущихся частей и добавив меры безопасности в конструкцию, которая, по их словам, будет практически невосприимчивой к расплавлению. Чтобы удешевить свои реакторы, инженеры планируют изготавливать их целиком на заводе, а не собирать на строительной площадке, что позволяет снизить затраты настолько, чтобы конкурировать с другими видами энергии.

Созданная здесь в 2007 году рядом с Университетом штата Орегон (OSU), NuScale потратила более 800 миллионов долларов на свой дизайн — 288 миллионов долларов от Министерства энергетики (DOE), а остальная часть в основном от покровителя NuScale, глобальной проектной и строительной фирмы Fluor. . В настоящее время проект проходит лицензирование в Комиссии по ядерному регулированию (NRC), и компания нашла первого заказчика, энергетическую ассоциацию, которая хочет начать строительство завода в Айдахо в 2023 году.

Статья в тему:  Что за ведомство США, которое управляет ядерными ракетами

NuScale далеко не одинока. С аналогичными проектами в Китае и России компания находится на волне глобального интереса к ММР.«МСМ как класс могут изменить экономику», — говорит Роберт Рознер, физик из Чикагского университета в Иллинойсе, который в 2011 году стал соавтором отчета о них. В Соединенных Штатах NuScale — единственная компания, стремящаяся получить лицензию и создать SMR. Рознер с оптимизмом смотрит на его перспективы. «NuScale доказала, что у них это получится, — говорит Рознер.

На данный момент реакторы NuScale существуют в основном в виде компьютерных моделей. Но в промышленной зоне к северу от города компания построила полноразмерный макет верхней части реактора. Серый цилиндр высотой 8 метров, украшенный трубами, не совсем маленький. Он напоминает боевую рубку подводной лодки, которая каким-то образом вынырнула из пыльного грунта. NuScale построила его, чтобы проверить, смогут ли рабочие протиснуться внутрь для осмотра, говорит Бен Хилд, проектировщик реактора NuScale. «Это отличный маркетинговый инструмент».

Однако не все думают, что NuScale совершит переход от макета к реальности. Появлялись и исчезали десятки усовершенствованных конструкций реакторов. И даже если NuScale и другие стартапы преуспеют, атомная промышленность не сможет построить достаточное количество станций достаточно быстро, чтобы иметь значение в борьбе с изменением климата, говорит Эллисон Макфарлейн, профессор государственной политики и геолог из Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия, которая возглавляла NRC с 2012 по 2014 год. «Nuclear ничего не делает быстро», — говорит она.

Статья в тему:  Где находится мегаполис во вселенной dc

Ядерный реактор — это прославленный котел. Внутри его активной зоны висят ряды топливных стержней, обычно заполненных таблетками оксида урана. Атомы радиоактивного урана спонтанно расщепляются, высвобождая энергию и нейтроны, которые продолжают расщеплять новые атомы урана в цепной реакции, называемой делением. Тепло от цепной реакции в конечном итоге кипятит воду для привода паровых турбин и выработки электроэнергии. Конструкции различаются (см. врезку), но 85% из 452 энергетических реакторов в мире обеспечивают циркуляцию воды через активную зону для ее охлаждения и передачи тепла к парогенератору, который приводит в движение турбину.

Вода играет вторую роль безопасности. Энергетические реакторы обычно используют топливо с небольшим количеством делящегося изотопа урана-235. Разбавленное топливо поддерживает цепную реакцию, только если нейтроны замедляются, чтобы увеличить вероятность того, что они расщепят другие атомы. Сама охлаждающая вода служит для замедления или замедления нейтронов. Если эта вода теряется в результате аварии, деление прекращается, предотвращая безудержную цепную реакцию, подобную той, которая взорвалась в 1986 году на Чернобыльской АЭС в Украине.

Однако даже после прекращения цепной реакции тепло от радиоактивного распада ядер, образующихся в результате деления, может расплавить ядро. Это произошло на Фукусиме, когда цунами затопило аварийные генераторы, необходимые для прокачки воды через реакторы станции.

Дизайн NuScale позволит снизить такие риски несколькими способами. Во-первых, в случае аварии маленькие активные зоны будут выделять гораздо меньше остаточного тепла. Инженеры NuScale также отказались от насосов, которые подают охлаждающую воду через активную зону, вместо этого полагаясь на естественную конвекцию. По словам Эрика Янга, инженера NuScale, в этой конструкции отсутствуют движущиеся части, которые могут выйти из строя и привести к аварии. «Если его нет, он не может сломаться», — говорит он.

Статья в тему:  Где в НАСА отслеживают астероиды

Новые корпуса реакторов NuScale обеспечивают дополнительную защиту. Обычный реактор находится в железобетонной защитной оболочке диаметром до 40 метров. Каждый реактор NuScale шириной 3 метра помещается в собственную стальную защитную оболочку шириной 4,6 метра, которая благодаря своему гораздо меньшему диаметру может выдерживать давление в 15 раз большее. Корабли погружены в огромный бассейн с водой: окончательная линия обороны NuScale.

Например, в аварийной ситуации операторы могут охладить активную зону, отводя пар от турбин к теплообменникам в бассейне. Во время нормальной работы пространство между реактором и защитной оболочкой поддерживается под вакуумом, как в термосе, чтобы изолировать активную зону и позволить ей нагреваться.Но если реактор перегреется, предохранительные клапаны откроются, чтобы выпустить пар и воду в вакуумное пространство, где они будут передавать тепло бассейну. По словам Рейеса, такие пассивные функции гарантируют, что практически при любой мыслимой аварии активная зона останется неповрежденной.

Чтобы доказать, что реактор будет вести себя так, как предполагалось, инженеры NuScale построили модель в масштабе одной трети. Семиметровый клубок труб, клапанов и проводов скрывается в углу лаборатории на факультете ядерной техники ОГУ. По словам Янга, цель модели не в том, чтобы работать точно так же, как в реальном реакторе, а в том, чтобы проверить компьютерные модели, которые NRC будет использовать для оценки безопасности конструкции. По словам Янга, ядро ​​модели нагревает воду не ядерным топливом, а 56 электрическими нагревателями, как в щипцах для завивки. «Это похоже на большой перколятор», — говорит он. «Мы устроили тест и наблюдали за приготовлением кофе в течение 3 дней».

Статья в тему:  Какой самый большой радиус ядерной бомбы

Уменьшение размера реактора имеет и обратную сторону, говорит М. В. Рамана, физик из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Канада. Он утверждает, что реактор меньшего размера будет извлекать меньше энергии из каждой тонны топлива, что приведет к увеличению эксплуатационных расходов. «Есть причина, по которой реакторы стали больше, — говорит Рамана. «По сути, NuScale отказывается от преимуществ экономии за счет масштаба».

Но небольшой размер окупается универсальностью, говорит Рейес. Один маленький реактор может питать завод по опреснению морской воды или обеспечивать теплом промышленный процесс. Индивидуальный завод NuScale может поддерживать меньшую электрическую сеть развивающейся страны. А в развитом мире, где прерывистые возобновляемые источники быстро растут, полный блок из 12 реакторов может обеспечить стабильную мощность, чтобы компенсировать прерывистую выработку ветряных мельниц и солнечных батарей. По словам Рейеса, изменяя количество реакторов, вырабатывающих энергию, электростанция NuScale может «следовать за нагрузкой» и заполнять пробелы.

NuScale действительно доказала, что они смогут это осуществить.

  • Роберт Рознер, Чикагский университет

Такое видение указывает на еще один ключевой аспект планов NuScale: проектировщики хотят кардинально изменить организацию и эксплуатацию атомных электростанций. Согласно правилам NRC, диспетчерская может обслуживать не более двух реакторов, и в этом случае в ней должно быть не менее шести операторов. NuScale хочет получить разрешение на запуск дюжины их более простых и безопасных реакторов из такой диспетчерской. «Люди смеялись надо мной, когда я сказал, что могу управлять этим заводом с шестью людьми, — говорит старший инженер по эксплуатации NuScale Росс Снаггеруд.

Статья в тему:  Почему северная корея хочет ядерное оружие Бен Розен

Чтобы показать, что это возможно, инженеры NuScale построили полностью работающую диспетчерскую для запуска виртуальной электростанции. Диспетчерская, запертая на втором этаже здания NuScale в промышленной зоне вдоль реки Уилламетт, имеет стену из огромных мониторов с высоким разрешением, которые отображают производительность 12 виртуальных реакторов. Недавно Снаггеруд манипулирует сенсорным экраном, чтобы устроить имитацию кризиса. Всплески реактивности в одном из 12 виртуальных реакторов. Стержни управления из карбида бора, которые должны упасть в активную зону, чтобы поглотить нейтроны и остановить реакцию, не реагируют.

Звучит сигнал тревоги. Мигают огни. Температура ядра резко возрастает. Но реактор NuScale легко справляется с кризисом. В течение нескольких минут температура падает, поскольку реактор автоматически отводит тепло в бассейн. Так расплавить ядро ​​невозможно? «Ни один ответственный инженер не скажет «никогда», — говорит Снаггеруд. «Но мы сделали многое правильно, чтобы обеспечить целостность ядра».

Инженеры NuScale должны убедить NRC, что настоящий завод будет работать так же спокойно. Два года назад компания подала заявку на 12 000 страниц, и проверка должна завершиться к сентябрю 2020 года. У команды NuScale большой опыт проведения таких проверок. Пока Рейес работал в OSU, он помог NRC сертифицировать два обычных проекта Westinghouse. В случае одобрения дизайн NuScale станет первым, лицензированным NRC с 2014 года.

NuScale ответила на более чем 1500 официальных запросов о предоставлении дополнительной информации, что составляет примерно треть от обычного числа, говорит Кэрри Фосаэн, специалист по лицензированию в NuScale. «Я думаю, это многое говорит о том, что мы собрали заранее», — говорит она. Тем не менее, Фосаэн говорит: «Наш дизайн настолько отличается, что это вызов даже для людей, которые много лицензировали».

Статья в тему:  Когда закончится ядерная зима

По словам Фосаэна, если их интерпретировать строго, правила NRC подтолкнут инженеров NuScale к созданию миниатюрной версии обычного реактора, а именно к тому, чего они не хотят делать. Поэтому задача, по ее словам, состоит в том, чтобы объяснить регулирующим органам, насколько безопасен дизайн NuScale, не добавляя дополнительные уровни сложности.

Некоторые запросы NuScale выделены жирным шрифтом. Компания обратилась к NRC с просьбой исключить потребность в резервном электроснабжении, поскольку ее реакторы могут быть отключены без подачи электроэнергии. Точно так же NuScale хочет избежать требования о создании зоны аварийной эвакуации шириной 32 километра, утверждая, что ее реакторы не представляют риска распространения радиации за пределы станции. Такое изменение правил позволит коммунальному предприятию заменить устаревшую угольную электростанцию ​​на электростанцию ​​NuScale в населенном пункте. «Это то, чего действительно хотят коммунальные службы, — говорит Рейес.

Такие просьбы кажутся одному известному критику высокомерием. Ядерная безопасность зависит от уровней защиты, говорит Эдвин Лайман, физик из Союза обеспокоенных ученых в Вашингтоне, округ Колумбия, и NuScale снимает их, чтобы сократить расходы. «Говорить, что вы так хорошо знаете, как будет работать новый реактор, что вам не нужна зона аварийной эвакуации, это просто опасно и безответственно», — говорит он. Однако Якопо Буонджорно, инженер-ядерщик из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже, говорит, что требования NuScale разумны и, скорее всего, получат одобрение. «Я бы не согласился с тем, что они удаляют функции безопасности», — говорит он. "Наоборот."

Статья в тему:  Как голод в мире влияет на рост населения

Есть много компаний, которые не хотят быть первыми, но явно хотят быть вторыми в очереди.

  • Том Манди, NuScale

Инженеры NuScale жаждут построить настоящий завод. У компании есть предварительное соглашение с Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS), консорциумом из 46 коммунальных предприятий в шести западных штатах, о строительстве завода с 12 блоками в Национальной лаборатории Министерства энергетики в Айдахо недалеко от Айдахо-Фолс в рамках безуглеродной энергетики UAMPS. проект. В качестве ведущей лаборатории ядерной энергетики Министерства энергетики Национальная лаборатория Айдахо будет использовать один модуль для исследований, а другой — для снабжения лаборатории электроэнергией. Остальные 10 модулей будут питать сетку. УАМПС должен в этом году определиться с заводом, который будет построен к 2027 году.

NuScale ожидает, что другие клиенты последуют этому примеру. «Есть много компаний, которые не хотят быть первыми, но явно хотят быть вторыми в очереди», — говорит Том Манди, коммерческий директор NuScale. Согласно отчету Национальной ядерной лаборатории в Селлафилде, Великобритания, за 2014 год, к 2035 году ММР смогут обеспечить от 65 до 85 гигаватт электроэнергии по всему миру, что на строительство может стоить от 320 до 510 миллиардов долларов. Инженеры из Аргентины, Китая, России и Южной Кореи разработали конструкции SMR. Однако из-за качества своей разработки «на международном уровне NuScale станет грозным конкурентом», — предсказывает Рознер.

Статья в тему:  Мультфильмы о глобальном потеплении и о том, как оно влияет на наше здоровье

Чтобы добиться успеха, NuScale придется конкурировать с дешевым природным газом. Компания стремится производить электроэнергию по общей стоимости, включая строительство и эксплуатацию, в размере 65 долларов за мегаватт-час. Это примерно на 20% выше, чем текущая стоимость энергии от газовой электростанции. Однако Рознер говорит: «Цены на газ не будут оставаться низкими вечно». Страны также могут установить цену на выбросы углерода, что повысит стоимость энергии на ископаемом топливе. Фактически, в отчете Массачусетского технологического института за сентябрь 2018 года указывалось, что налог на выбросы углерода может сделать ядерную энергетику конкурентоспособной с газовой.

По словам Раманы, ядерная энергетика может столкнуться с еще более жесткой конкуренцией со стороны возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца, которые становятся все дешевле и дешевле.И, учитывая цифры, Лайман говорит, что ожидает, что NuScale найдет немного клиентов, и это только в том случае, если Министерство энергетики будет субсидировать сделки, как это было в случае с UAMPS. «Я просто не вижу этого цунами малых реакторов по всему миру, — говорит он, — и это потому, что экономика настолько плоха». Но, как и многие эксперты, Рейес утверждает, что энергетическая экономика, основанная на возобновляемых источниках энергии, потребует некоторой формы устойчивой «базовой» энергии — и ядерная энергия, в отличие от газа, может обеспечить ее без выбросов углерода.

Статья в тему:  Каковы недостатки ядерного синтеза

Хотя NuScale стремится начать работу в США, индикатор ее перспектив может исходить из-за Атлантики. Чтобы сократить выбросы углерода, Соединенное Королевство обязалось к 2025 году закрыть оставшиеся семь электростанций, работающих на угле. Оно могло бы заменить их газовыми электростанциями, но NuScale пытается убедить правительственных чиновников Великобритании сделать более смелый выбор и сделать выбор в пользу свои АЭС. «Мы не концепция, мы не технология, которая все еще находится на чертежной доске», — говорит Манди. «Мы настоящие». Несколько лет должны показать, правда ли это.

* Исправление, 22 февраля, 10:30: Эта история была изменена, чтобы отразить правильный состав управляющих стержней реактора NuScale.

Связанная история

В поисках безграничной энергии

Несмотря на все свои инновации, небольшие модульные реакторы NuScale Power остаются традиционными в одном отношении: они будут использовать обычное коммерческое реакторное топливо, которое предназначено для одноразового использования и безопасной утилизации. Но на протяжении десятилетий инженеры-ядерщики представляли себе мир, в котором будут работать «реакторы на быстрых нейтронах», способные вырабатывать практически безграничные запасы топлива по мере их работы, производя при этом менее долгоживущие радиоактивные отходы. Мечта живет сегодня в десятках проектов усовершенствованных быстрых реакторов, которые должны быть дешевле и безопаснее, чем их предшественники.

Урановое топливо для типичного ядерного реактора содержит менее 5% изотопа урана-235. Его ядра могут расщепляться или делиться с выделением энергии и нейтронов.Разбавленное топливо поддерживает цепную реакцию только в том случае, если нейтроны замедляются замедлителем, обычно охлаждающей водой реактора, чтобы увеличить вероятность того, что они расщепят другие ядра. Напротив, быстрый реактор работает без замедлителя, используя топливо с более высоким содержанием урана-235 или топливо, содержащее плутоний. Оба топлива производят большое количество нейтронов. Они позволяют быстрому реактору производить больше топлива, поскольку нейтроны осыпают ядра урана-238, превращая их в делящийся плутоний-239, который можно восстановить путем переработки топлива.

Статья в тему:  Сколько урана-235 может использовать атомная подлодка

В 1950-х годах, в начале атомной эры, эксперты полагали, что однажды атомная энергия будет обеспечивать большую часть мировой энергетики, что усилило угрозу нехватки уранового топлива и повысило интерес к реакторам на быстрых нейтронах.

Однако эти реакторы сложны и ими трудно управлять. Их необходимо охлаждать такими веществами, как жидкий натрий или расплавленная соль. Химически интенсивный процесс переработки производит большое количество собственных опасных отходов. А замкнутый топливный цикл создаст глобальный рынок плутония, компонента атомного оружия, что вызовет опасения по поводу распространения. Всего когда-либо работало 19 быстрых реакторов, большинство из которых были небольшими исследовательскими реакторами. Сегодня работают только пять: три в России, один в Китае и один в Индии.

Как и в случае с обычными реакторами с водяным охлаждением (см. основную статью), инженеры сейчас делают упор на небольшие модульные конструкции быстрых реакторов. В некоторых конструкциях плутоний вырабатывается, а затем «сжигается» на месте, что устраняет необходимость переработки топлива.

Но некоторые эксперты сомневаются, что быстрые реакторы когда-нибудь станут мейнстримом. «Возможно, проблемы с отходами задушат проекты быстрых реакторов», — говорит Эллисон Макфарлейн, профессор государственной политики и геолог из Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия, и бывший председатель Комиссии по ядерному регулированию.

Возможно, наиболее важным является то, что ядерная энергия обеспечивает всего 11% мировой электроэнергии, а запасы урана больше, чем предполагалось.Миру не грозит исчерпание запасов урана, говорит Якопо Буонджорно, инженер-ядерщик из Массачусетского технологического института в Кембридже. Быстрые реакторы не нужны, говорит он, «уж точно не в США и, вероятно, нигде».

голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Сколько времени во вселенной
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector