Инновации в ядрените реактори: малки размери, ново гориво и охлаждане за чиста енергия

Комерсиалните ядрени реактори функционират основно по един и същ начин. Атомите на радиоактивен материал се делят (фисират), излъчвайки неутрони. Тези неутрони удрят други атоми, предизвиквайки техния разпад и отделянето на още неутрони, което поддържа верижната реакция.

Тази реакция отделя топлина, която може да се използва директно или да превърне водата в пара. Парата върти турбина, която произвежда електричество. Днес, повечето реактори използват същото гориво – уран, и охладителна течност – вода, а техният размер е значителен. В продължение на десетилетия тези гиганти доставят електроенергия на мрежите по целия свят. Популярността на ядрената енергия се засили в последните години заради увеличаващата се загриженост за климатичните промени и нуждата от енергийна независимост, които засенчиха страховете от ядрените аварии и радиоактивните отпадъци. Проблемът остава обаче, че изграждането на ядрени електроцентрали е скъпо и отнема много време.

Ново поколение ядрени технологии може да преобрази както дизайна, така и начина на работа на реакторите. Поддръжниците се надяват, че това може да обнови индустрията и да помогне за замяна на изкопаемите горива без емисии на парникови газове.

В Китай, Linglong One е първият в света малък модулен реактор (SMR) със земно базирана комерсиална експлоатация, планиран да започне работа през 2026 година. Основният модул бе инсталиран през август 2023 г.

Търсенето на електроенергия нараства по целия свят. Повишаването на температурите и развитието на икономиките водят до увеличаване на използването на климатици. Промени в индустрията и политики за намаляване на замърсяването влияят върху тежката промишленост. Бумът на изкуствения интелект също стимулира създаването на енергийно интензивни дата центрове. Ядрената енергия може да помогне, но само ако новите централи са безопасни, надеждни, евтини и могат да бъдат изградени бързо.

Компактни размери

Днес всяка ядрена централа е уникална, проектирана за конкретно място. Малките модулни реактори могат да въведат конвейерно производство в ядрената индустрия. Увеличавайки броя на по-малки проекти и стандартизирайки процеса, разходите могат значително да намалеят.

Малките модулни реактори работят по подобен начин като големите, но са много по-компактни и произвеждат по-малко мощност. Ядреното ядро може да бъде високо едва около два метра, което улеснява инсталацията. Благодарение на модулния си характер, могат да бъдат изградени толкова реактори, колкото се нуждае или може да поеме даден обект.

Ако технологията се докаже, SMR могат да намерят нови приложения – на военни бази, в изолирани рудници или отдалечени селища, нуждаещи се от надеждно захранване след бедствия. Мобилни реактори се разработват например от американската BWXT в сътрудничество с Министерството на отбраната. Промишлени предприятия, които се нуждаят от топлина за химическо производство, също могат да инсталират малки реактори, какъвто е проектът на химичен завод съвместно с ядрената компания X-energy.

Два малки реактора вече работят в Китай и Русия, а още подобни ще последват в близко бъдеще. В Китай демонстрационният проект Linglong One се изгражда на площадка, където вече работят два големи реактора и трябва да влезе в експлоатация до края на тази година. В САЩ Kairos Power получи разрешение за изграждане на малък демонстрационен реактор Hermes 2, който се очаква да работи до 2030 г.

Въпросът остава доколко конвейерното производство ще помогне за значително намаляване на разходите, тъй като инсталациите ще са на различни места с различни рискове като земетресения, наводнения и урагани, което налага скъпоструваща адаптация към локални условия.

Ядрено гориво

Ключовата величина при урана е концентрацията на уран-235, изотопът, способен да поддържа верижна реакция. Природният уран съдържа само около 0.7% уран-235, затова той трябва да се обогати.

За ядрени оръжия се използва високообогатен уран с над 90% уран-235, докато съвременните комерсиални реактори използват гориво с обогатяване от 3 до 5%. Новите реактори могат да използват материал, наречен high-assay low-enriched uranium (HALEU) с обогатяване от 5% до 20% – все още далече под оръжейните нива.

По-високата концентрация позволява реакторът да работи по-продължително време без презареждане и предоставя възможност за нови архитектури на горивото. В традиционните реактори горивото е под формата на малки пелети, подредени в пръти, обвити в циркониев обвивен материал. При по-високообогатеното гориво може да се използват частици с триструктурна изотропна (TRISO) обвивка – мрежа от малки горивни ядра, покрити с слоеве въглерод и керамика, които задържат радиацията.

TRISO горивото е много устойчиво на неутронно облъчване, корозия и високи температури, като разполага със собствени защитни слоеве, изолиращи радиоактивните излъчвания и продуктите от делене.

Охлаждаща система

Реакторът използва охладител, за да контролира температурата и да пренася топлината от ядрото до мястото, където се произвежда пара и електричество. До момента повечето реактори използват под високо налягане вода, но ново поколение проекти използват различни охладители: газ, течно метално състояние или разтопена сол.

Тези алтернативни охладители позволяват работа при много по-високи температури (свише 500 °C) спрямо около 300 °C за вода под налягане. Това повишава ефективността при преноса на топлина и производството на пара.

Освен това, за разлика от водата, която се поддържа на налягане над 100 пъти атмосферното, металните и солеви охладители работят при близко до атмосферното налягане, което значително намалява риска от аварии и изискването за тежка предпазна техника.

Разбира се, и тези охладители имат своите специфични предизвикателствa – например, разтопената сол може да корозира материалите при наличие на кислород, а натрий като метален охладител реагира експлозивно с вода, което изисква внимателно инженерно обезпечаване.

Един от проектите, Kairos Power, използва разтопена сол за охлаждане. Техният 50-мегаватов реактор трябва да бъде готов през 2030 г. и да доставя електричество на Tennessee Valley Authority.

Заключение

Ново поколение ядрени реактори с малки размери, усъвършенствано гориво и иновативни охладители обещават по-гъвкави, безопасни и икономични решения за бъдещето на енергетиката. Тези технологии могат да играят ключова роля в намаляване на емисиите и задоволяване на нарастващото търсене на чиста енергия. Въпреки това, предстои да бъде доказана тяхната дългосрочна сигурност и рентабилност в реални условия, за да могат да се превърнат в устойчива алтернатива на традиционните енергийни източници.