Alexander Vitkovski (alev_biz) wrote,
Alexander Vitkovski
alev_biz

Categories:

Китайская «волшебная палочка» из тория

Тория на Земле много больше урана, но уран пока дешевле. А еще в ториевых реакторах требуется растворение топлива в экзотических прозрачных солях и ряд других необычных технологических решений. И все же Китай пробует свои силы в этой технологии.

Китайская «волшебная палочка» из тория
Прототип американского реактора на расплавах солей, работавшего на уране-233, итоговом продукте ториевого топливного цикла

Причина — надежда на то, что она решит ключевую проблему ядерной энергетики, резко снизив цену ее киловатт-часа. Но, вне зависимости от технического итога эксперимента, ториевые реакторы не будут успешны. Попробуем разобраться почему.

Если остановить первого попавшегося человека на улице и спросить его: в чем главная проблема атомной энергетики? Он почти наверняка скажет «аварии и ядерные отходы».



Две главных проблемы


На самом деле, во всех ядерных авариях АЭС за всю историю погибло четыре тысячи человек — столько же, сколько в США XXI века гибло от выхлопов ТЭС в месяц. Даже солнечные батареи на крышах домов убивают больше людей на киловатт-час выработки, чем атомные реакторы. Хотя бы потому, что они требуют огромного числа установщиков, часть из которых неизбежно срывается и гибнет ежегодно — а у АЭС авария с летальным исходом была вообще всего один раз (на Фукусиме, вопреки мифам, от аварии так никто и не погиб). Ядерные отходы тоже трудно назвать такой уж крупной проблемой (скорее, речь о крупной возможности).

Так что аварии и ядерные отходы не самые главные сложности атомной энергетики, есть две других, посерьезнее. Первая и самая важная из них — цена. Дело в том, что атомные реакторы — крупные объекты, и строить их дешево можно, только если делать это постоянно и большими сериями, как в 1960-х. Тогда они получались дешевыми, и вырабатываемое на них электричество стоило как угольное. Сегодня все совсем не так: реакторы строят редко, больших серий нет, и поэтому они выходят действительно дорогими. Электричество от новых АЭС даже в России стоит 5,1 рубля за киловатт-час, а от новых ТЭС — 3,6 рубля за киловатт-час. В западных странах этот разрыв много выше. Да и то, в теории, потому что из строящихся с нуля АЭС на Западе в XXI веке не смогли достроить еще ни одной, хотя попытки и идут с 2005 года. А если их нет. то и цены на них пока остаются все еще теоретическими.

Китайская «волшебная палочка» из тория
Одна из типичных АЭС первого поколения. Размеры сооружения легко оценить невооруженным взглядом.

Китай в этом смысле ближе к России: в отличие от современного Запада, он уже показал в этом столетии умение вводить в строй АЭС. Однако и у него стоимость атомного электричества выше, чем от ТЭС. Это огромная проблема: китайцы серьезно страдают от угольного загрязнения воздуха их городов, теряя от него, как видно из прошлогодней публикации в The Lancet, сотни тысяч жизней в год. КНР параллельно активно развивает солнечную и ветровую энергетику, но эти источники энергии хороши только как дополнительные. Попытки использовать их как основные в умеренных широтах приведут к остановке экономического роста, на что Компартия Китая добро никогда не даст.

Вторая заметная проблема АЭС: психологическая. Сегодня общественное мнение целого ряда стран мира настроено против атомной энергетики, в особенности на Западе. В Китае эту проблему решать не нужно, ее там и не было в силу некоторой изолированности медийного пространства от антиатомных — впрочем, как и антивакцинаторских, и антиГМО — настроений, распространенных во внешнем мире.

Однако у Поднебесной серьезные планы на экспорт услуг по строительству своих АЭС за рубежом. В Пакистане она уже начала, в Британии пока только ведет переговоры. Определенно, чтобы проще было строить реакторы на Западе, Пекину было бы неплохо провести ребрендинг: показать, что теперь он использует технологически принципиально новые реакторы, которые нет смысла ассоциировать со старыми, давшими Чернобыль и Фукусиму.

АЭС кажутся дорогими, а ТЭС — дешевыми. А это не так


Самый очевидный напрашивающийся вывод — попробовать сделать атомные реакторы настолько проще и дешевле, чтобы они вырабатывали электричество по цене ТЭС, даже если эти самые реакторы не строить крупной серией.

Современный атомный реактор — это настоящая громадина. Возьмем один из типичных, российский ВВЭР-1000 (и его модификации). Корпус из непростой стали весит примерно 325 тонн — и это единая деталь. Неудивительно, что огромный завод работает над ним минимум полгода. Над корпусом есть еще верхний блок, вокруг него множество других систем. Все это нужно закрыть герметичным железобетонным контайнментом — и в итоге речь идет о конструкции титанических масштабов.

В нашей стране стране добыть точные цифры по интересным гособъектам сложно, поэтому заменим их данными по зарубежным аналогам. В США типичный гигаваттный реактор 1970-х требовал 40 тысяч тонн стали и 215 тысяч тонн бетона. Чем больше материалов, тем больше труда нужно на стройке — и труд этот в итоге стоит даже больше материалов.

Китайская «волшебная палочка» из тория
У Китая около полусотни обычных атомных реакторов, подобных этому. Но вот реакторов на тории у него до сих пор не было.

Газовая ТЭС — это по сути гигантская горелка с парой турбин и системой отвода тепла, никакого реактора там нет. Поэтому на гигаватт она потребует ~ 3,3 тысяч тонн стали и 65 тысяч тонн бетона В дюжину раз меньше стали, в 3,3 раза меньше бетона. Разумеется, АЭС работает более 90% всего времени в году, а ТЭС — в среднем вдвое меньше, но даже при этом атомная энергетика в момент постройки кажется в разы более материалоемкой, чем тепловая. Откуда и обозначенная выше разница в цене их киловатт-часа.

Почему мы пишем “в момент постройки”? Все просто: основная часть стоимости электричества газовой (да и любой) ТЭС — это топливо. Поэтому киловатт-час со временем станет только дороже, ведь ископаемое топливо на длинных отрезках всегда растет в цене.

А вот АЭС через 12 лет «отобьет» свои капиталовложения. Дальше останутся только текущие расходы — при этом топливо у нее составляет всего 5% стоимости киловатт-часа. Разумеется, что-то менять надо и на АЭС, но куда меньше, чем на ТЭС: турбины атомной электростанции работают при меньшей температуре, и в более стабильном режиме, поэтому у них выше ресурс.

В результате всего этого старые АЭС дают энергию дешевле газовых ТЭС. И делают это подолгу: срок работ новых атомных станций 60 лет, а для некоторых старых рабочую жизнь уже продлили до 80 лет. Скорее всего, то же самое будет и со станциями новой постройки. ТЭС до полной смены оборудования работают заметно меньше. И да, если пересчитать материалоемкость АЭС на все 60 лет ее работы, то на киловатт-час выработки она требует меньше стали и бетона, чем ТЭС. Как видно из таблицы ниже — даже меньше, чем СЭС, ВЭС или ГЭС.

Если учесть более длительный срок работы атомных реакторов и то, что они работают практически постоянно, то их удельная материалоемкость, на киловатт-час выработки окажется ниже чем у конкурентов. Правда, крупные ГЭС все равно покажут меньшую стоимость: бетон стоит дешево, а металлов ГЭС требуют очень мало.

Но все эта дешевая энергия и сверхдолгий срок работы будут когда-то потом, за горизонтом 12 лет. А финансистам энергетических проектов интересны только ближайшие годы. Именно ближайшие годы им нужно обеспечить красивую отчетность, высокую прибыль и все, что положено для хорошего послужного списка. А через дюжину лет они будут работать уже на другом проекте, и будущая — за горизонтом все тех же 12 лет окупаемости — дешевизна атомного киловатт-часа им не особо интересна. С точки зрения интересов общества АЭС, может, и дешевле, но те, кто принимают решения об их строительстве, действуют по принципу «нам эти деньги были нужны еще вчера».

Более половины такой кажущейся высокой стоимости атомного киловатт-часа в первые годы работы АЭС — именно огромные капиталовложения в ее постройку. Чтобы радикально снизить ее стоимость, хорошо бы научиться делать гигаваттные реакторы из тысяч тонн стали и из десятков тысяч тонн бетона. А не из десятков и сотен тысяч, как сегодня.

Как сделать дешевой даже малосерийную АЭС


Шанхайский институт прикладной физики создает в городе Увэй реактор совсем иного типа: всего на 2 «тепловых» мегаватта. Его электрическая мощность — сотни киловатт, то есть пока речь о чисто экспериментальной конструкции. Если с ней все пойдет по плану, в 2020-х построят 373-мегаваттный реактор на том же принципе.

Китайская «волшебная палочка» из тория
Торий-232 до загрузки в реактор слабо радиоактивен, как и уран-235 или уран-238 его безопасно держать в руках

Согласно ряду источников, проект реактора — повтор американского жидкосолевого экспериментального реактора (в рамах MSRЕ). Он работал в США в 1965-1969 году, и технически был весьма необычным. В типичном реакторе твердые «таблетки» топлива помещают в металлические стержни, которые погружают в корпус реактора. Там стержни омывает вода, отбирая у них тепло, и затем уходящая перегретая вода нагревает второй контур теплоносителя, а уже водяной пар из второго контура вращает турбину, давая электричество.

Ториевый реактор на жидких солях использует как топливо уран-233, получаемый из тория-232. Пластины из тория должны устанавливать за стенкой работающего реактора, чтобы вылетающие из последнего нейтроны превращали атомы тория в атомы урана-233. Затем пластину убирают, извлекают из нее получившийся уран и загружают его в реактор. Если реактор жидкосолевой, это происходит без остановки его работы: простым добавлением в рабочий солевой раствор.

В жидкосолевом реакторе американского типа топливо растворено в тетрафторберилляте лития — соли, которая при 459 градусах становится прозрачной. Особенность соли: огромная теплоемкость, заметно выше, чем у воды. Это позволяет сделать активную зону реактора небольшой: емкий теплоноситель все равно успешно отводит тепло от делящегося топлива. Внутри реактор заполнен солью, от распада ядер атомов топлива соль нагревается и отдает свое тепло второму контуру В ходе работы реактора 1960-х в нем использовали два вида топлива: уран-235 и уран-233.

Надо сказать, что последнее топливо почти делало тот реактор «ториевым». Ториевый топливный цикл требует, чтобы в стенку реактора устанавливали пластину из тория-232. Вылетающий из реактора нейтрон захватывается ядрами тория-232 и превращается в уран-233 (изменение на единицу как раз за счет нейтрона). В американском эксперименте пластину из тория решили не ставить. Дело в том, что для эффективного захвата нейтронов ее нужно разместить как можно ближе к источнику нейтронов — иначе эффективного захвата не будет. А в экспериментальном реакторе посчитали более важным замерить поток нейтронов. Поставить приборы для подсчета потока до ториевой пластины не вышло бы: ее пришлось бы отдалить от источника нейтронов, отчего наработка урана-233 стала бы затруднительной. В итоге уран-233 получали обстрелом ториевых пластин уже на других, обычных реакторах. А американский жидкосолевой эксперимент так и остался почти ториевым — но все же не совсем.

Китайская «волшебная палочка» из тория
Соль Li2[BeF4] (тетрафторбериллят лития) имеет температуру плавления в 459 °C, а кипит лишь при 1430 °C. Это основная соль для перспективных ториевых реакторов имеет плотность 1,94 грамма на кубический сантиметр, то есть намного плотнее воды.

Логику КНР, копирующей американский проект полувековой давности, несложно понять. Тория на планете в несколько раз больше, чем урана, и пока он никак не используется. Последний раз его массово применяли в XIX веке, делая из него калильные сетки для газовых ламп. Сейчас Китай получает торий в больших количествах как отходы от добычи редкоземельных элементов. Иными словами, там это почти даровое — особенно в сравнении с ураном-235 — сырье.

Есть у ториевого реактора и другие преимущества. Стандартный атомный реактор сегодня работает с внутренним давлением в 160 атмосфер, поэтому ему требуется сверхпрочный корпус. Жидкосолевой реактор работает при примерно атмосферном давлении: прочный корпус не нужен. Меньше получается и размер здания реактора. Ведь тут нет возможности прорыва корпуса перегретым паром, поэтому здание-контайнмент может быть менее прочным, без метрового слоя железобетона, в сегодняшних его аналогах.

Еще более важный момент: температура закипания этой соли очень высока. Воду в обычном реакторе выше 330 градусов не нагреешь даже под давлением: закипит. Жидкая соль в американском реакторе грелась до 650 градусов и была далека от кипения. Резкий подъем рабочей температуры означает повышение КПД. В обычных современных ядерных реакторах он 33-34%, а при росте температуры теплоносителя до 650 градусов может быть увеличен примерно до 50%. То есть при одинаковых размерах и загрузке топлива, новый реактор будет вырабатывать в полтора раза больше электроэнергии, чем аналогичный обычный.

Все это — несомненные и яркие плюсы для экономики АЭС.

Но у проекта старинного американского реактора есть и недостаток, и пока не ясно, как с ним будут бороться в Поднебесной. Дело в том, что при работе в топливе образуется теллур — от бомбардировки компонентов жидкосолевого раствора нейтронами. Это весьма специфический элемент, вызывающий коррозию даже у того никель-молибденового сплава, из которого был сделан реактор. В проектах ряда западных стартапов нашего времени предлагается решить проблему коррозии, удерживая жидкосолевый раствор с торием/ураном в герметичных трубках, погруженных в реактор. Теллур будет образовываться только в них, а в окружающей соли ядерного топлива не будет, а значит там не возникнет и коррозионоопасный теллур. Вынимать и менять тонкие трубки раз в год-два явно удобнее, чем «лечить» от коррозии реактор в целом. Такая схема была бы заметно проще в длительной эксплуатации.

Если китайский проект удастся реализовать с заявленными характеристиками, то Пекин получит реактор, который может быть не слишком материалоемким — и, как следствие, довольно дешевым.

Нужен ли вообще торий в этой схеме?


При всех плюсах жидкосолевых реакторов к ним есть и весомые вопросы. Во-первых, в мире нет никакого дефицита урана: цены на него ниже средних исторических значений. К тому же в цене атомного киловатт-часа топливо занимает всего 5% — какой смысл всерьез на нем экономить, если куда важнее сделать менее дорогой реактор?

Ведь ничто не мешает создать жидкосолевые реакторы на обычном уране-235 (или даже плутонии-239). Да, Китай до недавнего времени не мог создать такие реакторы, так как не имел достаточного опыта в ядерной отрасли. Россия — из-за отсутствия острой нужды в новых типах реакторов (ее энергопотребление слишком слабо растет). А США и другие западные страны не могли этого сделать потому, что их игроки атомной отрасли испытывали настолько большие проблемы, что им было не до новых конструкций. Но сегодня КНР накопила достаточно опыта в ядерной сфере, и вполне способна реализовать подобный проект. На фоне ториевого направления он выглядит как минимум не менее работоспособным и не требует развертывания новой топливной индустрии: ведь уран получают в нужных количествах уже давно.

Плюсами — и несомненными — жидкосолевых урановых реакторов бьло бы отсутствие необходимости отлаживать новый ториевый топливный цикл. Уран-233, который нужно получить из тория-232, содержит примесь урана-232 — а это крайне радиоактивный материал. Если уран-235 можно безопасно брать руками, то простое нахождение рядом с ураном-233 может нанести серьезный вред здоровью за считаные минуты. Пока он в реакторе, это не проблема. Но ведь чтобы извлечь уран-233 (а с ним и уран-232) из обстрелянной нейтронами ториевой пластины, эту пластину нужно снять, перенести в помещение с разделительным оборудованием и переработать. В каждой из этих операций уран-233 может быть опасен для людей, а работающее с ним оборудование рано или поздно станет источником серьезной наведенной радиации.

Во-вторых, ториевые реакторы при работе дают мало “лишних” нейтронов, поэтому из них выходят не очень хорошие реакторы-размножители. (Размножителями называют реакторы, создающие трансмутацией больше ядерного топлива, чем они расходуют). Урановые и плутониевые реакторы, напротив, могут получать на десятки процентов больше топлива (из “нетопливного” урана-238), чем тратят для своей работы. Такие установки-бридеры способны превратить в ядерное горючее уран-238, которого только в нашей стране накопились многие сотни тысяч тонн.

Китайская «волшебная палочка» из тория
Для ториевого топливного цикла также желательно удалить из рабочей соли следы протактиния-233, побочного продукта ториевого топливного цикла. В США в конце 1960-х отработали технологию, использующую для этого жидкий висмут, вступающий в контакт в солью, извлеченной из реактора, в изображенной на фото разделительной колонке.

Уран-238 уже извлечен из земли, это просто отходы при получении урана-235. Но сейчас отходы просто хранятся в ожидании своего часа, лишь реакторы-размножители способны сделать их ценным топливом. Те же российские реакторы на быстрых нейтронах — типа уже построенного БН-800 — можно использовать для превращения урана-238 в плутоний-239. Ториевые реакторы как размножители слабы, поэтому на практике смогут работать только на ископаемом тории. Торий рано или поздно закончится. А нынешних запасов урана-238, уже извлеченных из земли и хранящихся у «Росатома», всему человечеству хватило бы на века — даже при условии отказа от всех неатомных источников энергии.

Внимание, есть еще в-третьих: “урановые” или “плутониевые” реакторы на быстрых нейтронах могут иметь меньший объем активной зоны, чем их “ториевые” собратья. А меньшая активная зона ведет к меньшему реактору, и его меньшей материалоемкости. Цена же, напомним, — главное, ради чего затевается вся эта ториевая история.

Подытожим. Попытка в наши дни воспроизвести американский жидкосолевой проект полувековой давности — бесспорно, все еще инновация. Ведь у таких реакторов есть серьезные потенциальные плюсы перед современными серийными. С высокой вероятностью за жидкосолевыми реакторами серьезное будущее, и тот же «Росатом» планирует построить один такой в ближайший десяток лет (правда, не на тории). Особенно интересным были бы реакторы-размножители на жидких солях: они могли бы быть проще в обращении, чем натриевые, типа современного российского БН-800.

Но вот выбор конкретного вида топлива для китайского жидкосолевого реактора действительно вызывает недоумение. В мире нет недостатка в ядерном горючем — и в обозримые тысячи лет его и не предвидится. Зачем в такой ситуации искать ему довольно непростой в обращении ториевый заменитель?

Возможный ответ на этот вопрос заключается в том, что атомную программу Китая в конечном счете финансируют политики. Если вы — председатель компартии огромной страны, то не можете лично вникать в плюсы и минусы всех ее проектов. Более вероятно, что вы «веерно» профинансируете все новые технологии, обещающие вашему государству остановку сотен тысяч «угольных» смертей в год. А уже потом, после получения опыта их эксплуатации, будете решать, что из новых проектов станет основой энергетики для вашей цивилизации.

Если у Китая получится выбрать верно, он окажется в уникальном положении. Западный мир по ряду причин больше не может поддерживать свою ядерную отрасль в прежней форме. Россия, теоретически, лишена этой проблемы, но ее экономика не растет, а без роста новые электростанции серийно строить не получится. С макроэкономической точки зрения вероятность перехода российской экономики к невосстановительному росту во всем обозримом будущем пренебрежимо мала.

Поэтому очень вероятно, что изо всех серьезных игроков только Пекин имеет шансы на крупносерийное строительство новых атомных реакторов уже в первой половине этого столетия. В этом случае он станет единственной крупной страной мира с экологически чистой энергетикой, не ведущей своих владельцев в экономический тупик.

Автор: Александр Березин





Ссылка на источник

Tags: технологии, энергия
Subscribe

Posts from This Journal “энергия” Tag

promo alev_biz 21:09, wednesday 1
Buy for 10 tokens
Фёдор Мысский из Сморгони имеет сложный диагноз – ДЦП. В марте Феде исполнилось 18 лет, а с наступлением совершеннолетия парень уже считается взрослым инвалидом 1 группы. Состояние Феди – тяжелое. Он не может самостоятельно сидеть, ходить, у него нет навыков самообслуживания,…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment