Энергия на тысячу лет: как работают ядерные реакторы IV поколения

К 2027 году КНР планирует запустить первую в мире мегаваттную установку класса ADS (Accelerator-Driven System) — подкритический ядерный реактор, функционирующий на отработанном топливе под управлением ускорителя.

В архитектуре ADS объединены ускорительный комплекс и реакторная установка, приближенная к стандартам IV поколения. Часть генерируемой электроэнергии направляется на питание самого ускорителя, который, в свою очередь, стимулирует и поддерживает процесс деления.

Ключевое достоинство концепции заключается в возможности использовать в качестве сырья радиоактивные отходы, торий-232 и природный уран-238. Такой подход позволяет одновременно преодолеть несколько фундаментальных трудностей современной атомной индустрии:

2. Эффективная переработка побочных продуктов традиционных АЭС.

3. Колоссальная ресурсная база. Запасы тория в недрах Земли превосходят урановые в 3–4 раза, тогда как свыше 99% природного урана составляют изотопы, которые сегодня не задействованы напрямую. Иными словами, технологии ADS способны нарастить коэффициент использования уранового сырья почти в сто раз, обеспечив человечество энергоресурсами на тысячелетие вперёд.

4. Минимальная вероятность возникновения неконтролируемой цепной реакции, поскольку эффективный коэффициент размножения нейтронов поддерживается на уровне ниже единицы: .

Инновационный реактор создан силами специалистов Китайской академии наук (CAS) в партнерстве с ведущими государственными предприятиями атомной отрасли. Рассмотрим принцип его работы.

Что представляет собой ADS

Подкритический реактор с ускорителем состоит из активной зоны в подкритическом состоянии и мощного линейного ускорителя протонов (линеака). Подобная установка способна работать на ториевом топливе.

Термин «подкритический» означает, что после затухания переходных процессов интенсивность нейтронного потока в реакторе плавно снижается. Иными словами, система не способна автономно поддерживать цепную реакцию деления ядер, поскольку ее . Для стабильной работы ей необходим внешний генератор нейтронов, роль которого и выполняет ускоритель. Сама схема выглядит довольно наглядно:

Для наглядности приведем макет японской жидкометаллической энергетической установки JAEA-ADS:

Большинство конфигураций ADS базируются на протонных ускорителях, формирующих непрерывные пучки с энергией около 1 ГэВ. Ускорительные комплексы могут выполняться как в линейном, так и в цикличном исполнении. Практические инсталляции обычно задействуют линейные протонные ускорители, чья мощность достигает 100 МВт при коэффициенте полезного действия до 50%.

Потоки протонов направляются на специальную мишень (spallation target), где в результате реакций скалывания генерируются нейтроны. Сама мишень изготавливается из тяжелых металлов в твердом либо расплавленном агрегатном состоянии. В процессе бомбардировки каждый протон инициирует выброс нескольких десятков нейтронов, которые поступают в подкритическую зону для управления реакцией.

Архитектура ADS позволяет проектировать установки как для работы на тепловых, так и на быстрых нейтронах.

Процесс генерации энергии в таких комплексах во многом схож с традиционными электростанциями. Однако затраты энергии на работу самого ускорителя неизбежно снижают общий электрический КПД станции. Так, для конфигураций с коэффициентом размножения 0,95 падение эффективности составляет порядка 12%. Это значит, что комплекс с ускорителем рассеивает в окружающую среду больше тепла, нежели классическая АЭС аналогичной мощности.

Тем не менее, ключевыми аргументами в пользу ADS остаются беспрецедентная безопасность и экологическая чистота, выраженная в минимальной радиоактивности отходов и сокращенном периоде их полураспада. Самым же важным преимуществом эксперты называют колоссальный запас топливных ресурсов (уранового сырья и тория), способный обеспечить нужды цивилизации на протяжении тысячелетий, как подчеркивается в тематических публикациях.

Указанные достоинства справедливы для всех разновидностей ADS, включая установки для трансмутации долгоживущих отходов и ториевые реакторы. Рассматриваемый китайский проект ориентирован на первое направление, хотя существуют и альтернативные разработки.

Справедливости ради следует отметить и ряд технических сложностей. Инженерам приходится решать проблемы сопряжения реактора с ускорителем, предотвращать просадки мощности пучка и справляться с другими вызовами. Особого внимания требуют мишень и узел входного окна для пучка, поскольку эти элементы подвергаются колоссальным механическим нагрузкам, радиационному повреждению и агрессивной коррозии, неизвестным в классической атомной энергетике. Добавьте к этому прецизионные электромагниты, криогенные сверхпроводящие резонаторы и сложную электронику, которые не используются на обычных АЭС.

Тем не менее, технологические преимущества ADS с лихвой перекрывают сопутствующие трудности.

По состоянию на 2022 год в мире насчитывалось девять проектов ADS, находившихся на стадии проектирования или возведения:

Все инициативы различаются конструктивными особенностями линейных ускорителей и прочими параметрами:

На иллюстрации представлены три наиболее передовых мировых проекта, максимально близко подошедших к реализации. Китайский CiADS активно движется к физическому пуску демонстрационной станции, европейская установка MYRRHA приступила к реализации первой очереди ускорительного комплекса, тогда как японская JAEA-ADS пока ограничивается созданием и испытанием отдельных узлов.

Базовые параметры проектов сведены в таблицу:

Лидером гонки остается китайский проект CiADS, запуск которого запланирован на 2027 год.

Китайская инициатива CiADS

Установка China initiative Accelerator Driven System (CiADS) станет первым в мире промышленным прототипом мегаваттного класса, о чем сообщило профильное издание Китайской академии наук Science and Technology Daily  

Источник