На этой неделе мои мысли полностью заняты атомной энергетикой.
Принципы работы атомных электростанций всегда меня завораживали. Это гигантские, технически сложные установки, работающие на чем-то вроде магии (расщепление атома – какая концепция!). Однако в последнее время мой интерес достиг нового уровня, поскольку я погрузился в тему передовых ядерных технологий.
«Передовая атомная энергетика» — это довольно расплывчатая категория, включающая все, что отличается от коммерческих реакторов, используемых сегодня, поскольку они, как правило, следуют одному и тому же общему принципу. А ведь существует целый мир потенциальных возможностей.
Я сосредоточился в основном на разработке компании Kairos Power для собственного материала (который был опубликован сегодня, обязательно ознакомьтесь!). Но я также углубился в изучение других потенциальных вариантов будущих АЭС. Поэтому в сегодняшнем выпуске мы заглянем в меню вариантов передовых ядерных технологий.
Основы
Прежде чем перейти к усовершенствованиям, давайте кратко вспомним основы.
Атомные электростанции вырабатывают электроэнергию посредством реакций деления, при которых атомы распадаются, выделяя энергию в виде тепла и радиации. Нейтроны, высвобождаемые в результате этих распадов, сталкиваются с другими атомами и расщепляют их, создавая цепную реакцию.
На современных АЭС есть две абсолютно незаменимые составляющие. Во-первых, топливо, которое питает реакции. (Понятно, почему это важно.) Во-вторых, критически важно, чтобы цепные реакции протекали контролируемо, иначе можно столкнуться с угрозой ядерного расплавления. Поэтому вторая незаменимая часть АЭС — это система охлаждения, которая не дает всей установке перегреться и вызвать проблемы. (Есть еще замедлитель и миллион других компонентов, но остановимся на двух, чтобы вы не читали этот выпуск весь день.)
В подавляющем большинстве реакторов, работающих сегодня в энергосистеме, эти два компонента следуют одной и той же общей схеме: топливом является обогащенный уран, спрессованный в керамические таблетки, загруженные в металлические трубки, которые затем располагаются в активной зоне реактора. А система охлаждения прокачивает воду под давлением вокруг реактора для контроля температуры.
Однако по целому ряду причин компании начинают работать над изменением этой проверенной временем формулы. По словам Джессики Ловеринг, соучредителя и соисполнительного директора Good Energy Collective — аналитической организации, выступающей за использование атомной энергии, — в США около 70 компаний работают над проектами передовых ядерных реакторов, причем шесть или семь находятся на достаточно продвинутом этапе, чтобы взаимодействовать с регуляторами, как сообщает Джессика Ловеринг.
Многие из этих так называемых передовых технологий были изобретены и даже продемонстрированы более 50 лет назад, до того, как отрасль остановилась на стандартных конструкциях с водяным охлаждением. Но сейчас наблюдается возобновление интереса к запуску альтернативных ядерных реакторов. Новые проекты могут помочь повысить безопасность, эффективность и даже снизить затраты.
Теплоноситель
Альтернативные теплоносители могут повысить безопасность по сравнению с конструкциями на водной основе, поскольку их не всегда требуется поддерживать под высоким давлением. Многие из них также могут достигать более высоких температур, что позволяет реакторам работать эффективнее.
Расплавленная соль — один из ведущих кандидатов на роль альтернативного теплоносителя, используемый в проектах Kairos Power, Terrestrial Energy и Moltex Energy. Эти конструкции могут использовать меньше топлива и производить отходы, с которыми легче обращаться.
Другие компании рассматривают жидкие металлы, включая натрий и свинец. Сегодня в эксплуатации находится несколько натрий-охлаждаемых реакторов, в основном в России, и эта страна также является лидером в разработке свинцово-охлаждаемых реакторов. Металлоохлаждаемые реакторы имеют многие потенциальные преимущества в плане безопасности, свойственные конструкциям с расплавленной солью. Гелий и другие газы также могут использоваться для достижения более высоких температур, чем в системах с водяным охлаждением. Компания X-energy разрабатывает высокотемпературный газоохлаждаемый реактор с использованием гелия.
Топливо
Большинство реакторов, использующих альтернативный теплоноситель, также применяют альтернативное топливо.
TRISO, или триструктурное изотропное топливо в виде частиц, является одним из самых популярных вариантов. Частицы TRISO содержат уран, заключенный в керамические и углеродные слои. Это удерживает топливо внутри, сохраняя все продукты реакции деления, и позволяет топливу противостоять коррозии и плавлению. Kairos и X-energy планируют использовать топливо TRISO в своих реакторах.
Другие реакторы используют HALEU: высокообогащенный уран низкой концентрации. Большинство ядерного топлива, используемого в коммерческих реакторах, содержит от 3% до 5% урана-235. HALEU же содержит от 5% до 20% урана-235, что позволяет реакторам получать больше энергии на меньшей площади.
Размер
Я обещал ограничиться двумя пунктами, но давайте добавим категорию-бонус. Помимо изменения специфики таких элементов, как топливо и теплоноситель, многие компании работают над созданием реакторов различных (в основном меньших) размеров.
Сегодня большинство реакторов, подключаемых к сети, являются крупными, мощностью 1000 мегаватт и более — достаточной для энергоснабжения сотен тысяч домов. Строительство таких гигантских проектов занимает много времени, и каждый из них требует индивидуального подхода. Малые модульные реакторы (ММР) могут оказаться проще в строительстве, поскольку процедура для каждого из них одинакова, что позволяет производить их, по сути, на огромной сборочной линии.
NuScale была одним из лидеров в этой области — их конструкция реактора использует коммерческое топливо и водяное охлаждение, но весь узел уменьшен в масштабе. Однако в последние месяцы у компании дела идут не лучшим образом: ее первый проект практически застопорился, а в начале января компания сократила почти 30% сотрудников. Другие компании продолжают нести факел ММР, в том числе многие, кто одновременно работает над альтернативными видами топлива и теплоносителей.
Если вы жаждете больше новостей о передовой атомной энергетике, ознакомьтесь с моим материалом о Kairos Power. Вы также можете просмотреть некоторые наши недавние материалы из архива.
Сопутствующее чтение
В прошлом году Германия отключила последний из своих ядерных реакторов. Вот обзор борьбы за власть вокруг ядерной энергетики в этой стране.
Массачусетский технологический институт (MIT) управляет небольшим испытательным реактором на своей территории, и мне удалось заглянуть внутрь. Посмотрите, как этот старый реактор может послужить искрой для новых технологий.
Нам обещали меньшие по размеру ядерные реакторы, но пока это обещание, по сути, не материализовалось. В чем дело?
Мы назвали NuScale одной из компаний в сфере климатических технологий, за которыми стоит следить в 2023 году. Учитывая недавние трудности, мы, безусловно,… следим.
Еще кое-что
Суперэффективные солнечные элементы включены в наш список 10 Прорывных Технологий 2024 года. (Если вы еще не видели этот список, его можно найти здесь!) Благодаря созданию тандемных перовскитных солнечных элементов путем наложения других материалов на традиционный кремний, можно добиться снижения затрат на солнечную энергию и выработки большего количества электричества.
Но что на самом деле потребуется, чтобы вывести на рынок солнечное поколение нового типа? Вот обзор нескольких компаний, работающих над тем, чтобы это произошло.
Следим за климатом
Hertz позиционировала себя как лидера в аренде электромобилей (помните ту рекламу с Томом Брэди?). Теперь компания продает треть своего парка электромобилей. (Tech Crunch)
В пустыне Чили скопилась гора одежды. Затем она загорелась. Это увлекательное глубокое погружение в проблему текстильных отходов. (Grist)
Новые урановые рудники станут первыми, начавшими работу в США за восемь лет. Эти рудники могут способствовать поступлению в энергосистему большего количества низкоуглеродной атомной энергии, но они также вызывают резкую критику. (Inside Climate News)
Исследователи из Microsoft и национальной лаборатории США использовали ИИ для поиска нового материала-кандидата для аккумуляторов. В конечном итоге его можно будет использовать в батареях для уменьшения количества лития, необходимого для их сборки. (The Verge)
→ Я обсуждал это и другие научные новости недели на Science Friday. Послушайте! (Science Friday)
Животные постоянно эволюционируют. Некоторым из счастливчиков, возможно, удастся сделать это достаточно быстро, чтобы не отстать от изменения климата. (Hakai Magazine)
Весь этот новый возобновляемый приток в энергосистему помогает сократить выбросы парниковых газов в США. Развитие чистой энергетики привело к снижению выбросов парниковых газов почти на 2% в 2023 году. (Canary Media)
Администрация Байдена оштрафует нефтегазовые компании за избыточные выбросы метана. Штрафы за выбросы этого мощного парникового газа являются частью исторического Закона о климате, принятого в 2023 году. (New York Times)
В Техасе за несколько лет после того, как сильный шторм опустошил штат в 2021 году, было проведено множество модернизаций электросети. Теперь эксперты наблюдают, как сеть выдержит холодную погоду на этой неделе. (Washington Post)
