|
Еще в 2000 году, когда Кирк Соренсен был инженером NASA, рассматривая ядерно-энергетические варианты будущих колоний на Луне, он наткнулся на книгу, в котором описан реактор на расплавленных солях: источник энергии, в котором ядерное топливо было жидкостью.
Это казалось странным, говорит Соренсен. Каждый реактор, он никогда не слышал использовать некоторые формы твердого топлива уран - начиная с реакторами "легкой воде", которые в настоящее время доминируют в ядерной энергетике. Но книга поясняла, что технология расплавленных солей была разработана около трех десятилетий назад в Окриджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory) в штате Теннесси - и жидкое топлива уран или торий-содержащего предлагали существенные преимущества. Реакторы на расплавленной соль будут невосприимчивы к катастрофическому кризису, например, вместо того, чтобы производить ядерные отходы с добавкой плутония и других долгоживущих радиоизотопов, они могли уничтожить эти изотопы почти полностью.
Список преимуществ был очень большим, говорит Соренсен: идея реактора на расплавленных солях "имела потенциал, чтобы решить практически все проблемы атомной энергетики гораздо более элегантным способом", чем реакторы на легкой воде. "Так почему бы нам не сделать это таким образом, в первую очередь?"
Многие люди спрашивают, что вопрос в последние десятилетия - и не только о расплавленных солей реактора. Это конкретная технология была заброшена в 1976 году, потому что проиграла войну за финансирование в рамках программы исследований США. Но это был лишь один из нескольких альтернативных технологий, чтобы быть в стороне в течение первого пик для коммерциализации ядерной энергетики. Среди других «быстрых» реакторов, которые могли также сжигать ядерные отходы были, так называемые высокотемпературные реакторы, которые могли бы поглотить огромную частьи выбросов парниковых газов путем получения тепла с нулевым выбросом углерода для промышленности. Взятые вместе, эти альтернативные технологии могли бы устранить все или почти все недостатки атомной энергетики. Но они получили лишь небольшое внимание исследователей на протяжении десятилетий, благодаря постоянно меняющейся повестке дня и объемам финансирования.
Теперь, возможно, грядут перемены. За последние десять лет, потребность в безопасном, углерод-свободная энергия - особенно в быстро развивающихся странах, таких как Китай - вызвало заинтересованность правительства в альтернативных ядерных технологий, наряду с коммерческими усилиями по возрождению и продавать некоторые проекты. Оптимисты считают, что даже ядерной катастрофы в Японии в прошлом году, в конечном счете повысит рынка безопасная альтернатива реакторов. Из стартапов, таких как Energy Flibe, которую Соренсен основал в прошлом году в Хантсвилле, штат Алабама, для коммерциализации реактора на расплавленных солях , гиганты индустрии, такие как General Electric-Hitachi Nuclear Energy, которая занимается разработкой коммерческого реактора на быстрых нейтронах, компании надеются что будут готовы начать промышленное производство реакторов.
Возрождение технологий не будет быстрым и легким. Хотя основные проекты были разработаны десятки лет назад, инженеры в надежде положить их на практике должны разработать такие вещи, как радиационно-стойких материалов, более эффективные теплообменники и улучшенных систем безопасности - и должны доказать, надзорным органам, что все эти системы будут работать. "Ядерная энергия очень трудная", говорит Эдвин Лайман, старший аналитик глобальной безопасности Союза обеспокоенных ученых в Кембридже, штат Массачусетс. "Это дорого. Это медленно. И ставки очень высоки, потому что безопасность должна быть на первом месте ".
Во-первых, это не лучший
Реакторы на легкой воде достигли своего господства не потому, что они лучше, а потому, что они были первыми. Первоначально разработанная в конце 1940-х годов в качестве компактного источника питания для атомных кораблей и подводных лодок, свет, вода дизайн был адаптирован и расширены в 1950-х, когда Соединенные Штаты стремились поставить спокойное лицо по атомной энергии путем создания коммерческих ядерных энергетики. "Легкая вода" является обычная H2O, которая проходит через активную зону реактора, поглощает его тепло и передает его в обычную паровую турбину, которая превращает тепло в электричество.
В конце концов, такие реакторы должны были частью большой системы, которая будет компенсировать основную неэффективность: оставить в покое, любой ядерный реактор быстро отравить себя. Как поступлений цепной реакции, топливо накапливается все больше и больше фрагментов, оставшихся после распада атомов урана, который, в свою очередь, поглощают все больше и больше нейтронов, необходимые для поддержания реакции происходит. После 18 месяцев, топливо удалили - хотя оно все еще содержит большую часть своей первоначальной энергии.
"Было видение, что будет создана инфраструктура для переработанного отработавшего топлива, которая позволит вам восстановить больше энергии топлива", говорит Уильям Магвуд, бывший директор Управления по атомной энергии в Министерстве энергетики США (DOE) и в настоящее время членом американской Комиссии по ядерному регулированию. Всемирная сеть заводов по переработке отработавшего топлива, химически извлечь все еще используемых компонентов - в основном уран-235, а также расщепляющихся плутония-239 образуется при захвате нейтронов по нерасщепляющиеся уран-238, - а затем превратить их в свежее реакторное топливо. В конечном счете, планировалось перейти к новому поколению "заводских" реакторов предназначены для увеличения производства плутония. Только отходов будет сравнительно небольшим остатком высокоактивных продуктов деления, которые распадаются в течение нескольких веков, и могут быть утилизированы, скажем, хорошо продуманная бетонный бункер.
Эта концепция стала доминирующей стратегии США в 1960-х и начале 1970-х годов, говорит, что Магвуд,до точки, в которой власти прекращено большая часть финансирования научных исследований для не-селекционер конструкций реакторов - в том числе расплавленных солей реактора. И схема сработала: из 437 ядерных энергетических реакторов в настоящее время работают во всем мире, 356 - реакторы на легкой воде.
Но тогда, в мае 1974 года Индия провела испытания ядерной бомбы, сделанные с плутония, извлеченного из ядерного топлива. Правительства по всему миру неожиданно пришлось столкнуться с геополитическими реалиями: крупные коммерческие переработке бы пригласить безудержной распространения ядерного оружия. Потому что если каждый завод по переработке будет вырабатывать оружейный плутоний на тоннами, то инспекторы никогда не будут уверены, что никто не украдет 4-6 килограммов необходимых для оружия?
Так в апреле 1977 года президент США Джимми Картер запретил коммерческим структурам переработку ядерных отходов. Президент Рональд Рейган снял этот запрет через несколько лет, но затраты на средства были настолько высоки, что только два коммерческих предприятий по переработке были открыты для реакторного топлива с тех пор, как во Франции. Исследования реакторов в основном прекратились, потому что они, казалось, мало смысла без переработки. И инженеры остались одни со сложной проблемой утилизации: теперь придется выделить десятки тысяч тонн отработанного топлива в течение сотен веков, благодаря 24 100-летний период полураспада плутония-239.
Между тем, 1970-х годов также принес протест на повышение безопасности. Если поток воды через реактор на легкой воде прерывается по какой-либо причине, то тепло становится пойманным в ловушку в ядре. Даже если реактор технически закрыта, продукты деления все еще может производить достаточное количество тепла от радиоактивного распада, чтобы растопить топлива и выхода в окружающую среду. Все реакторы на легкой воде есть чрезвычайных резервных систем охлаждения - но что, если эти системы терпят неудачу? Это опасение подтвердилось в марте 1979 года, когда случайные потери теплоносителя вызвало частичное расплавление в Три-Майл Айленд АЭС вблизи Харрисбурга, Пенсильвания , и повторно подтверждилось на Фукусиме, все увидели страшную катастрофу в марте 2011 года.
Второй шанс
Общественное и политическое недовольство после инцидента Три-Майл-Айленд привело к тому , что энергетические компании сломали свои ядерные планы по расширению и отменили почти все свои заказы реактора. И индустрия стала еще более неохотно исследовать новые технологии.
Небольшой интерес со стороны промышленности и никакой практической надежды на развертывание передовых исследовательских реакторов. "Это очень трудно сделать, планирования и передовые инженерные исследования и разработки , если вы движетевверх и вниз, вверх и вниз", говорит Майкл Коррадини, ядерный инженер из Университета Висконсин-Мэдисон.
Эта картина не менялась до рубежа тысячелетий. "Ядерное строительство началось в Китае и Южной Азии, в любом месте, которое не имеет нефти и газа", вспоминает Чарльз Форсберг, инженер-ядерщик в Массачусетском технологическом институте (MIT) в Кембридже. (В настоящее время 64 реакторов строятся по всему миру, с сотнями больше запланированного.) В Соединенных Штатах, говорит он, "федералы поняли, что, если мы ничего не делаем по ядерной безопасности, мы не будем за столом ». Изменение климата, также возобновило интерес к ядерной технологии в Соединенных Штатах и Европе.
Радикальные инвестиций
Одним из результатов этого Повышенное внимание было Мощность США ядерной программы 2010 года. Объявленный энергетики США в феврале 2002 года, эта правительством и промышленностью совместного несения расходов план был разработан, чтобы помочь производителям разрабатывать и лицензии реакторы на легкой воде с расширенными функциями безопасности, такими как возможность сохранить охлаждающую жидкость движется во время аварии, с использованием силы тяжести и естественной конвекции. Несколько таких реакторов в настоящее время планируется по всему миру, в том числе четыре в стадии строительства в США - первое новые реакторы там в поколение.
Еще более радикальные проекты могли бы найти с открытием совместного несения расходов программы Министерства энергетики малых модульных реакторов развития, начатый в этом году. Цель этой схемы в том, чтобы отойти от текущих несколько гигаватт атомных электростанций, которые могут стоить между $ 10 млрд и $ 15 млрд на строительство, на заводах 250 мегаватт или меньше - достаточно маленький, чтобы массовое производство на заводе и корабль предназначен сайт. Четыре поставщиков реакторов, все с передовой на легкой воде конструкций, боролись за награды, которая 20 ноября пошел на консорциум во главе с Babcock и Wilcox, Северная Каролина.
Но другие проекты также могут воспользоваться преимуществами, говорит Петерсон. "Если мы можем создать рынок для легкой воде небольших модульных реакторов", говорит он, "что делает его гораздо проще развивать рынок для прототипа передового реактора". Мощности компании позволяют экспериментировать с новыми технологиями. Если он работает, мы сделаем большой, говорит Петерсон. Если это не так, не так много было потеряно. "Это понижает их порог весь риск," говорит он.
Основным кандидатом на слайд-модули являются высокотемпературные реакторы, которые делают именно то, что следует из его названия: они генерируют пар при температуре до 1000 ° C, гораздо выше, чем примерно 300 ° С , которые генерируют реакторы на легкой воде. Это требует некоторых радикально новых проектных решений, таких как использование гелия вместо воды для извлечения тепла, и использование термостойких видов топлива из оксидов и карбидов урана.
Такие реакторы не могут расплавиться: ведь топливо является стабильным до 1600 °C, сотни градусов жарче, чем основные стал бы, даже если вся энергия и охлаждающей жидкости были потеряны. Высокая температура сделает реакторы более эффективными в производстве электроэнергии. И они могли бы сократить выбросы углекислого газа на поставку тепла для промышленных процессов. В Соединенных Штатах, примерно 23% всей энергии используется в промышленных применениях, таких как крекинг нефти и пластмассовых изделий, многим из которых нужна температура не менее 700 ° C. В настоящее время эти температуры, как правило, образующиеся при сжигании природного газа, могли бы обеспечить высокотемпературные реакторы, при этом с нулевым выбросом парниковых газов.
Ряд коммерческих высокотемпературных реакторов находятся в стадии разработки по всему миру. Но в этом году консорциум нефтехимических компаний и производителей реакторов согласились поддержать Antares высокой температуры конструкции реактора с французской компанией AREVA, основанный в Париже. "Все, что осталось, это около $ 800 млн. проектных работ и лицензирования усилий, необходимых для получения технологий до точки, где Комиссия по ядерному регулированию может одобрить его," говорит Фред Мур, начальник отдела, который обеспечивает мощность и пара для компании Dow Chemical , со штаб-квартирой в городе Мидленд, штат Мичиган. Он считает, что это должно занять 5-7 лет. Если все пойдет по плану, высокотемпературные системы будут одними из первых усовершенствованных реакторов, которые будут развернуты, начиная с 2020-х годов.
Не отстает бы реакторов на быстрых нейтронах, которые решать проблемы, которые высокотемпературных реакторов не может: отработавшего ядерного топлива. Быстрые реакторы могут потреблять вещи, превращая отходы в энергию и уменьшая проблему захоронения.
Нейтроны деления являются "быстрыми", когда они только что вышли из вновь разделить ядер при средней энергией около 2 млн. электрон-вольт. В реакторах на легкой воде, столкновениях с ядрами водорода в охлаждающей жидкости воды быстро замедлить нейтроны лишь часть электрон-вольт, что делает их более вероятно, чтобы вызвать другой реакции деления. Но медленные нейтроны имеют недостаток: вместо расщепления ядер мишени урана, они часто поглощаются, превращаясь в ядра долгоживущих изотопов плутония, нептуния, америция, кюрия или другие тяжелые элементы - те, которые вместе составляют захоронения отработавшего топлива кошмар. Быстрые нейтроны, напротив, редко поглощаются. Они не поражают свои цели часто, но когда они делают, что цель почти всегда распадается. В результате реакторы на быстрых нейтронах не только избежать проблемы получения долгоживущих изотопов, но может даже уничтожить их в отработанном топливе.
Создание реакторов на быстрых нейтронах сложно, говорит Петерсон, не в последнюю очередь потому, что он должен быть охлажден жидким натрием или другими веществами, которые не будут замедлять нейтроны, как вода. Это может сделать для громоздкого дизайна. "И очень сложно строить теплообменники", чтобы сделать пар для турбин, говорит он, потому что натрий бурно реагирует с влагой, чтобы произвести взрывоопасный водород. Исследователи активно изучают другие, менее реактивные варианты для охлаждения, такие как свинец и сверхкритический диоксида углерода, говорит он.
Тем не менее, около 20 реакторов на быстрых нейтронах должны были работать на протяжении многих лет - многие из них после 1970-х годов заводчик дизайн, который был построен, чтобы максимизировать производство плутония вместо того, чтобы потреблять его - и по крайней мере четыре производители разрабатывают небольшие реакторы на быстрых нейтронах для отработанного топлива. Ярким примером является Super Power реактора инновационных малых модулей (S-PRISM) от General Electric-Hitachi в г. Уилмингтон, штат Северная Каролина. Он призывает к компактным натриевым охлаждением реактора на быстрых нейтронах, интегрированный с переработки подразделение, которое бы отработанного топлива реактора, удалять продукты деления, которые отравляют ядерной реакции, и поставить обновленную топлива обратно в реактор. Ни в одной точке она будет изолировать бомба готова плутония.
Расплавленная соль реакторов
Великая добродетель твердого топлива реактора является его предсказуемым геометрии. Большим недостатком является его сложность. Интенсивность нейтронного облучения, распределения продуктов деления, радиационного повреждения кристаллической структуры топливе: все меняется от точки к точке. Это постоянная головная боль для конструкторов пытаются убедиться, что работа реактора стабильна - и пытаются убедить регуляторов, что даже худший кризис не позволит какой-либо части топлива, чтобы свернуть в критическую массу.
Но все эти проблемы уходят, когда топливо уже жидкость - одна из главных причин, почему Oak Ridge хотел развивать расплавленных солей реактор еще в 1960-х годах. "Расплавленных солей» относится к топливу, обычно тетрафторид урана, который является жидким при рабочих температурах, когда смешивается с "FLiBe": смесь фторида лития и бериллия фторидом, который служит в качестве теплоносителя. "Это горшок - большой, тупой, банк", говорит Форсберг. "Вы бросаете топлива в, это смешанные, а общее изменение состава не на всех".
Жидкое топливо имеет еще большие преимущества, говорит Соренсен: "Вы не должны удалить его из реактора, пока он полностью не выработается. Вместо того, топливо циркулирует через внешний блок утилизации, которая извлекает продуктов деления непрерывно, сохраняя топливо от отравления. Конструкция позволяет также элегантный подход к безопасности, говорит Соренсен: в нижней части реактора отверстие, подключен с куском топлива, которое хранится твердое вещество холодильной установки. Если реактор теряет энергию в чрезвычайной ситуации, охлаждение прекратится, плагин будет таять и топливо благополучно стекают в подземные резервуары холдинга. Наконец, расплавленная соль дизайна могут разместиться различные виды топлива, начиная от обычного уранового сырья для ядерных отходов или торий - элемент, который примерно в три раза более многочисленны, чем уран.
За все, что возрождение расплавленных солей реактора после сорокалетнего перерыва является непростой задачей. "Мы должны восстановить базу знаний, которая в значительной степени ушли", говорит Соренсен. Он основал Flibe энергии, чтобы попробовать, хотя. Компания разрабатывает проект 40-мегаваттного реактора, который может быть использован на военной базе, чтобы они могли работать независимо от сети.
Твердые шансы
В сентябре 2011 года Форсберг, Петерсон, Массачусетский технологический институа Лин-вэнь Ху Цзиньтао и Тодд Аллен, инженер-ядерщик из университета Висконсин-Мэдисон, стали главными исследователями на 3 года, DOE проекта, финансируемого что могло бы стать шагом на пути к расплавленных солей реактора: FLiBe охлаждения высокотемпературных реакторов. "Никто никогда не построит соль реактор на расплавленных солях", говорит Петерсон. Но если проект заработает, активная зона реактора может быть в четыре-пять раз меньше, чем в других конструкциях, а из-за стабильности соли FLiBe, это будет «всегда на сотни градусов ниже, необходимой температуры", говорит он.
Петерсон говорит, что компания может иметь тестовый реактор в течение десяти лет, хотя имеет богатые ресурсы". Это большая предположение: глобальный экономический кризис внес финансирования для всех усовершенствованных реакторов гораздо труднее найти. Кроме того, отмечает Коррадинни, указывая на внезапное изобилие сланцевого газа в Соединенных Штатах, "дешевые виды ископаемого топлива отложили многие из экологически чистых энергетических проектов в Соединенных Штатах, а не только ядерного".
Павел Генуе, директор по разработке политики в Институте атомной энергии торговой группы в Вашингтоне, имеет долгосрочную перспективу. "Мы сделали реакторы на легкой воде, во-первых, начать работать", говорит он. Далее, в 2020-е годы, придут передовые реакторы на легкой воде для повышения безопасности, внимательно следил за высокотемпературных реакторов, которые расширяют нападения на выбросы углекислого газа. "И тогда мы строим реакторы на быстрых нейтронах, чтобы потреблять отходы".
|
