Почему один из богатейших людей на Земле инвестирует в АЭС нового типа. Разбираем проект TerraPower Natrium по косточкам, от топлива до цен.

Попытки развитых стран перейти на энергию солнечных и ветряных электростанций проходят не всегда блестяще. Зимой недостаток производства такой «чистой» энергии особенно заметен, и пока его приходится закрывать тепловыми и атомными станциями. Но ТЭС, работающие на ископаемом топливе, в будущее не попадут, а АЭС вне России, Китая и Южной Кореи стоят безумно дорого, регулируются невероятно строго, и строят их мало.

Основанный Биллом Гейтсом стартап TerraPower планирует решить все эти проблемы разом. Для этого он построит в Вайоминге (на месте старой угольной ТЭС) принципиально новую АЭС. При электрической мощности в 345 МВт она будет сравнительно недорогой, и, в теории, сможет стать уникальным стабилизирующим фактором для энергосистемы будущего. Но насколько реальны эти перспективы? Не пропадут ли инвестиции Гейтса – и гранты американского министерства энергетики на сотни миллионов долларов?

Быстрые нейтроны

В ходе ядерных реакций выделяются быстрые нейтроны. Они сталкиваются с новыми ядрами атомов топлива, вызывая их деление. Чтобы эти частицы чаще попадали в ядра урана-235, и реакция проходила стабильно, их нужно замедлить до невысокой «тепловой» скорости. Поэтому в подавляющем большинстве действующих сегодня реакторов используются замедлители, такие как графит или просто вода, которая также нужна и в качестве теплоносителя, выносящего тепло из реактора к парогенераторам.

Однако для урана-238 такие тепловые нейтроны слишком медленны, а ведь этого изотопа в ядерном топливе в разы больше, чем 235-го. В природных рудах эта разница доходит до 140 раз. Неудивительно, что и в России, и за рубежом одним из перспективных направлений атомной энергетики стали реакторы, не использующие замедлитель и способные работать на быстрых нейтронах (РБН). А это значит, что охлаждать тепловыделяющие элементы должна не вода, замедляющая нейтроны, а какой-то другой теплоноситель, который их не тормозит.

В поисках подходящего вещества ученые опробовали свинцово-висмутовые смеси и даже ртуть, но обнаружили, что при высоких температурах они вызывают быструю коррозию стальных труб. В итоге самым перспективным оказался жидкий натрий. «Все работающие в мире сегодня «быстрые» реакторы – натриевые, – рассказал нам инженер-физик, специалист в области радиоэкологии Дмитрий Горчаков. – Точнее говоря, оба: БН-600 и БН-800, работающие в нашей стране и пока единственные быстрые реакторы на АЭС».

Проект экспериментальной АЭС Terrapower / Terrapower

Жидкий натрий

Конечно, есть у натрия и недостаток: невероятная химическая активность. Этот щелочной металл воспламеняется даже при контакте с водой и воздухом, из-за чего пришлось закрыть экспериментальный РБН на японской АЭС Мондзю. Однако гейтсовский стартап TerraPower выбрал именно этот теплоноситель, подчеркнув это даже в названии своего будущего реактора: Natrium.

«Дело в том, что на химической активности недостатки натрия практически заканчиваются, а дальше начинаются преимущества, – говорит Дмитрий Горчаков. – В обычных реакторах теплоносителем выступает вода, а ее греть выше 330 °C сложно даже под давлением. Натрий же кипит только при 883 °C. Это позволяет нагревать его в реакторе до 550 °C — куда сильнее воды, и при этом еще остается большой запас до кипения, что важно для безопасности. Поэтому тепловой КПД натриевых реакторов достигает 42% (как у БН-600) против 32–37% у «водяных»».

Стоит добавить, что в случае Terra Power этот показатель, видимо, должен быть еще выше. Тепловую мощность реактора планируют в 840 МВт, а электрическую — 345 МВт, что указывает на КПД в 44,6%.

Еще одно преимущество натрия перед водой – давление. Воду для водяных реакторов греют под давлением в 160 атмосфер, для чего стенки корпуса приходится делать толстыми, как на линкорах прошлого. Давление не только делает его дороже, но и создает угрозу разрыва при сбоях с охлаждением, как это случилось на АЭС Фукусима-1. Natrium, как и российские РБН, будет держать натрий при давлении, близком к атмосферному.

Реактор на быстрых нейтронах Natrium: активная зона выделена оранжевым цветом / Terrapower

Облегченный реактор

Стенки такого реактора много тоньше, а главное — в случае ЧП, которое остановит работу насосов охлаждения, Natrium особо ничего не угрожает. «Огромная теплоемкость и высокая теплопроводность натрия, которого довольно много в реакторе, позволят ему долгое время охлаждаться самостоятельно через пассивные системы, сбрасывая тепло в атмосферу», – объясняет Дмитрий Горчаков. И это не только расчеты теоретиков. В 1980-х в США был испытан натриевый РБН IFR: при выключении водяного охлаждения температура в реакторе хотя и поднялась, но осталась много ниже точки кипения натрия и не привела к опасной ситуации.

От нагрева урановое топливо расширилось, а плотность натрия между тепловыделяющими элементами слегка снизилась. В итоге количество нейтронов, захватываемых топливом, упало настолько, что реакция естественным образом замедлилась даже без использования тормозящих стержней. Впрочем, у реактора Natrium такие стержни все равно предусмотрены. В случае отключения питания удерживающие их электромагниты отключатся, и стержни упадут, останавливая реактор за счет быстрого поглощения нейтронов.

Надо сказать, что в целом Natrium будет выстроен по той же схеме, что и IFR за 40 лет до него: тепловыделяющие топливные сборки погружены в «бассейн» с жидким натрием. Как комментирует ситуацию Дмитрий Горчаков, на быстрых реакторах такого типа даже не предусмотрена ловушка расплава, куда должен стекать расплав из активной зоны в случае самой страшной аварии. Расплавление в такой схеме практически невозможно, потому что натриевый теплоноситель, в отличие от воды в обычном реакторе, просто не может перегреться настолько, чтобы металл выкипел и позволил расплавиться активной зоне реактора.

Экспериментальная установка для отработки технологий манипуляции топливными сборками / Terrapower

Металлический уран

Еще одно отличие реактора Билла Гейтса от обычных – использование топлива в виде чистого урана, а не его оксида.