Персональный реактор или новая парадигма ядерной энергетики.

Ключевые компоненты концепции ядерной батареи: контрольно-измерительный модуль, реактор и силовой модуль. Изображение предоставлено Массачусетским Технологическим Институтом. 

8 декабря 1953 года, выступая в ООН, в своей речи «Атом для мира» президент США Эйзенхауэр сказал: «…расщепляемые материалы будут предназначаемы для использования в мирных целях человечества. Эксперты будут мобилизованы для использования атомной энергии в сельском хозяйстве, медицине и других мирных целях. Особое внимание будет обращено на то, чтобы предоставить избыток электроэнергии в тех районах мира, где в ней ощущается нужда».

Почти 70 лет прошло с тех пор, и много свершилось удач на этом поприще, но мирный атом так и не стал повсеместной панацеей от энергетического дефицита. Да и в целом человечество не стало более независимым от этого ресурса, а наоборот, лишь всё больше наращивает его потребление. Конечно, архитектура производства и доставки энергии, развивающаяся на протяжении 20 века, заложила основу для значительного экономического роста и повышения уровня жизни, но она централизована. Это значит, что ей не хватает устойчивости, чтобы противостоять вредоносным факторам – будь то возрастающие нагрузки потребления, экологические или другие риски.

Текущее производство и распределение энергии обречено и дальше увеличивать нагрузку на развитые страны, не отвечая при этом потребностям развивающихся. Да к тому же и необходимость заранее адаптироваться к усугублению глобального потепления климата показала себя очевидной и уже актуальной задачей.

И вот недавно исследовательская группа специалистов-ядерщиков сделала амбициозное предположение, что мы, возможно, находимся на пороге новой парадигмы ядерной энергетики.

В журнале Национальной Инженерной Академии США «The Bridge» они заявляют, что подобно тому, как большие, дорогие и централизованные компьютеры со временем уступили место привычным сегодня ПК и ноутбукам, на горизонте появилось новое поколение относительно малогабаритных и недорогих заводских реакторов. Их ключевая особенность – автономная работа по принципу plug-and-play, аналогично крупногабаритной батареи.

Эти новые системы вполне уверенно могут обеспечивать теплом или электричеством промышленные объекты, военные базы или целые жилые районы. Они в состоянии работать без присмотра в течение пяти или даже десяти лет и могут быть перевезены на ремонт и обратно обычным грузовиком. Авторы окрестили своё детище «ядерными батарейками». Они говорят, что благодаря своей простоте в эксплуатации, устройства могут сыграть значительную роль в обезуглероживании мировых энергетических систем, что поможет притормозить катастрофическое изменение климата. Издание MIT News попросило Якопо Бонджурно, профессора ядерных наук и инженерии Массачусетского технологического института и главного автора исследования, описать предложение своей группы.

Для большего понимания отличий этого предложения по ядерным батареям, следует сказать, что сама идея небольших ядерных реакторов обсуждается уже несколько лет. Только вот если раньше речь шла о «больших небольших» мини-станциях на 100 или 300 мегаватт (что в 10 раз меньше, чем у традиционных гигаваттных реакторов), то сегодня команда профессора предлагает миниатюризацию всего до 10 МВт. А это значит, что целиком построенная на заводе электростанция будет умещаться в обычном грузовом контейнере. Идея новой «батарейки», собственно, в том и состоит, чтобы за счёт малых размеров повысить мобильность, простоту использования и безопасность такой электростанции.

Этот подход создаёт несколько экономических преимуществ. С одной стороны, в отличии от предыдущих планов станций на 100 и 300 ГВт, отсутствует необходимость большой строительной площадки для монтажа и эксплуатации. Равно как нет нужды и в персонале – встроенный интеллект и дистанционный мониторинг обеспечивают полуавтономную и удалённо контролируемую работу. А с другой – можно реализовать такой вариант, как «энергия по запросу». Это почти то же самое, как если вам вдруг отключили электричество, но у вас есть в гараже бензогенератор, с которым вы можете продержаться сколь угодно долго. Знай только подвози горючее вовремя.

Ну а тут даже в подвозе топлива особой нужды нет. Конечно, в качестве генератора – «на всякий случай» – в гараж такую махину не поставишь, однако с ней и ваши электросети приобретают куда больший масштаб, чем личные нужды. При весьма скромных относительно старших собратьев габаритах, 10 МВт – это колоссальная мощность. Эта малютка может обеспечить электроэнергией от 7 до 8 тысяч домов или среднего размера центр обработки данных; ну или произвести опреснение воды в количестве, достаточном для более чем 150 000 человек!

Опять же: если вам нужно тепло или электричество на удалённой от традиционной централизованной сетевой инфраструктуры территории, куда передача энергии затруднена или нецелесообразна вследствие больших расстояний, ландшафта или любых других причин, вы можете получить искомые ресурсы в течение нескольких месяцев или даже недель, необходимых на изготовление, доставку, и монтаж этой ядерной малышки. И тогда всё будет по принципу «подключай и работай». 

Кстати, говоря о потенциале применения таких агрегатов, упомянутые 7 или 8 тысяч домов – это не просто число для более наглядного сравнительного представления и понимания пригодности установки. Это действительно одна из реальных возможностей использования «мирного атома» на территориях жилых районов для питания целых кварталов. И залог этого – исключительная надёжность, вызванная, опять же, весьма небольшими размерами.

Дело вот в чём: во-первых, общее количество выделяемого тепла пропорционально мощности (а в данном случае это довольно небольшая величина), но – что более важно – благодаря тем же габаритам мы наблюдаем высокое отношение поверхности к объёму, что значительно упрощает охлаждение при любых обстоятельствах. Здесь важно пояснить: ваша ядерная электростанция пассивно охлаждается до такой степени, что никому не нужно ничего делать. Вам даже не нужно открывать вентиль или что-то в этом роде. Система сама о себе позаботится.

Кроме того, конечно, установка имеет очень прочную защитную конструкцию для предотвращения любого выброса радиации. Однако большой традиционный бетонный купол вам здесь найти не удастся. Вместо него – стальные оболочки, которые в основном заключают в себе всю систему. Что же касается охранной безопасности, то подземное расположение на большинстве участков будет весьма целесообразным решением. Оно обеспечивает некоторую защиту и физическую безопасность от непредвиденных внешних сил и действий злоумышленников.

Да, это трудно представить и уж тем более принять, ведь мы до сих пор не вполне оправились от страшных последствий знаменитых ядерных катастроф, но нужно понимать, что три самых страшных аварии – и на Три-Майл-Айленд, получившей 5 баллов от МАГАТЭ (Международного агентства по атомной энергии), и в Чернобыле, и на Фукусиме, каждая из которых получила по 7 баллов, – состоялись и вообще стали возможны из-за конструктивных особенностей этих АЭС. Но в данной ситуации размеры разработки столь малы, что получить подобные риски практически невозможно. Причём из любой последовательности событий.

Также стоит отметить, что блоки ядерной установки обеспечивают выполнение трёх основных аспектов ядерной безопасности без вмешательства оператора. Во-первых, это быстрое отключение цепной реакции деления в случае аномальных условий; во-вторых, адекватное охлаждение ядерного топлива во время остановки и, наконец, отсутствие неконтролируемого выброса материалов в биосферу. Эти три ступени защиты значительно снижают вероятность аварий, подобных трём величайшим катастрофам в истории.

Более того, поскольку киберуязвимость является потенциальной проблемой для любой автономной системы, неотъемлемые функции цифровой безопасности комплекса таковы, что ни неосторожный оператор, ни даже хорошо осведомлённый злоумышленник-оператор не смогут повредить ядерное топливо или вызвать выброс радиоактивности. Проектные работы не останавливаются в своём развитии, и решения безопасности большинства прорабатываемых конструкций нацелены на физическую невозможность вызвать неконтролируемую реакцию или прерывание отвода тепла от активной зоны. Таким образом, уровни киберзащиты нацелены в первую очередь на обеспечение непрерывности обслуживания.

Вообще, это не единственный проект, представляющий подобный точечный подход к энергообеспечению. Так, НАСА и Лос-Аламосская национальная лаборатория США выполнили аналогичный демонстрационный проект для применений в космических аппаратах, который они назвали микрореактором. 

«От начала проектирования до изготовления и испытаний им потребовалось всего три года, – говорит профессор Бонджурно, – и это обошлось в 20 миллионов долларов. Она была на несколько порядков меньше, чем традиционные крупные атомные электростанции, стоимость которых легко превышала миллиард, а на строительство требовалось десятилетие или больше».

Есть также разные компании, которые сейчас разрабатывают свои собственные проекты, и каждое из этих решений немного отличается. Например, Westinghouse, одна из ведущих электротехнических компаний США, уже работает над своей версией таких ядерных батарей, и планирует запустить демонстрационную установку уже через пару лет.

Следующим шагом команда исследователей наметила строительство пилотной установки в одной из лабораторий, имеющих обширное оборудование для проведения тестирования систем ядерных реакторов. Ею может стать, например, Национальная лаборатория Айдахо. Там есть ряд объектов, которые модифицируются для размещения этих микрореакторов, и у них есть все необходимые и дополнительные уровни безопасности.

«Поскольку это демонстрационный проект, – делятся авторы проекта, – вы хотите быть уверены, что, если что-то случится, чего вы не предвидели, у вас не будет никаких выбросов в окружающую среду».

Затем установку хотелось бы подвергнуть более экстремальным условиям, чем когда-либо при нормальной эксплуатации. Такая ускоренная программа испытаний могла бы пролить свет на недочёты в кратчайшие сроки, или показать, что проект может выдержать все эти внешние нагрузки или ситуации, не превышая пределов отказов. Учёные ещё не начали эти тесты, но уже пребывают в предвкушении, ведь как только работоспособность и безопасность агрегатов будет доказана в жёстких реалиях, массовое использование новой парадигмы условной энергетической «независимости» не заставит себя ждать.

И хоть слово «независимость» мы взяли в кавычки, а само понятие снабдили эпитетом «условно», эти ядерные батареи идеально подходят для создания устойчивости самых разных секторов экономики. И они действительно обеспечивают стабильный надёжный энергопоток для компенсации и сглаживания перебоев с электричеством, получаемым от всё чаще используемых периодически возобновляемых источников энергии вроде солнечной и ветровой. И эти высоко распределённые системы также могут помочь снизить нагрузку на энергосистемы, размещаясь именно там, где требуется их выходная мощность. Это может обеспечить большую устойчивость к любым сбоям в сети и практически устранить проблему потерь при передаче. 

Переоценить значение этой новой парадигмы энергоснабжения в экономическом и технологическом (вспомним космическую отрасль) плане сложно. Это понятно уже сейчас, после объяснения, что называется, «на пальцах». Однако в конце рассказа о батареях журналисту MIT, Якопо Бонджурно делает акцент на экологию: «Если они получат такое широкое распространение, как мы предполагаем, они могут внести значительный вклад в сокращение выбросов парниковых газов в мире».

АРМК, по материалам MIT и NAE