Ядерный торий с климатическим потенциалом.

На территории Китая насчитывается более 50 АЭС с так называемыми легководными реакторами. Но есть одна, которая не просто представляет собой новую модификацию, но и символизирует новые перспективы энергетической отрасли страны.

Речь идёт о первой экспериментальной ториевой электростанции в Увэй, испытания которой начнутся буквально со дня на день. Завершение её строительства на окраине пустыни Гоби (по данным правительства провинции Ганьсу) было намечено на конец августа, а пробные запуски – на сентябрь. Объект необычен тем, что основой циркулирующей по нему охлаждающей жидкости выступает не вода, а расплавленные соли. А самое приятное – он может производить относительно безопасную и дешёвую ядерную энергию с гораздо меньшим сопутствующим процессу выбросом очень долгоживущих радиоактивных отходов.

Почему именно торий.

Торий – это слаборадиоактивный серебристо-белый блестящий мягкий металл-пирофор (склонный к самовозгоранию на воздухе), легко воспламеняющийся при нагревании и горящий ярко белым пламенем. Встречается он в 3-4 раза чаще урана, преимущественно в составе горных пород и – в сравнении со многими другими металлами – в настоящее время мало используется в производстве, хоть частично и стал незаменимым в некоторых областях. Несмотря на то, что его участие бывает просто необходимо в металлургии, авиа- и приборостроении, оптике и химической промышленности, стоит признать следующий парадоксальный факт: в сегодняшнем Китае ториевые вкрапления в породах воспринимаются как отходы растущей промышленности по добыче редкоземельных элементов.

Однако перспективы применения в ядерной энергетике делают его привлекательной альтернативой импорту в страну урана, запасы которого начнут иссякать уже на рубеже веков, а то и раньше. 

«Тория гораздо больше, чем урана, и поэтому было бы очень полезно иметь эту технологию через 50 или 100 лет», – говорит Линдон Эдвардс, инженер-ядерщик из Австралийской организации ядерной науки и технологий в Сиднее. – Но для реализации этой технологии потребуются многие десятилетия, так что нам нужно начинать сейчас».

Понимая это, Китай запустил свою программу реакторов на расплаве соли ещё в 2011 году, и, как следует со слов Рицуо Йошиока, бывшего президента Международного форума по расплавленным солям тория (Ойсо, Япония), который тесно сотрудничал с китайскими коллегами, проект потребовал около 3 млрд юаней инвестиций, что эквивалентно почти полумиллиарду долларов США. И пусть сегодняшний первенец, управляемый Шанхайским институтом прикладной физики (SINAP), рассчитан на выработку только 2 мегаватт тепловой энергии, достаточной для питания всего лишь 1000 домов, но, в случае успеха, у Китая появится проверенная технология для возведения к 2030 году новой АЭС мощностью 373 МВт. А она сможет питать уже сотни тысяч домов.

«Эти реакторы относятся к числу «совершенных технологий», которые помогут Китаю достичь цели по нулевому выбросу углерода примерно к 2050 году», – говорит специалист по моделированию энергии Цзян Кэцзюнь из Института энергетических исследований Национальной комиссии по развитию и реформам в Пекине.

КПД и безопасность.

Встречающийся в природе изотоп торий-232 содержит чётное число протонов и чётное же – нейтронов и поэтому не может делиться последними, что уже само по себе делает его неподходящим на роль ядерного топлива. Однако он может быть облучён, вследствие чего поглотит чужие нейтроны и преобразуется в уран-233. А он-то как раз и является делящимся материалом, выделяющим тепло.

Мысли об атомной энергетике на основе тория не новы. Этот металл был испытан в качестве топлива в США, Германии и Великобритании и в других странах, на станциях с несколько отличающимися типами реакторов. Он также является частью ядерной программы в Индии, но эксперты говорят, что попытка Китая коммерциализировать эту технологию прецедентов не имеет.

Почему? Да потому, что до сих пор её КПД не вывел эти проекты в ранг рентабельных затей, ведь часто добыча тория обходится дороже добычи урана и, в отличие от некоторых природных изотопов последнего, торий-232 сперва нужно преобразовать в делящийся материал, а уже потом можно рассчитывать на получение энергии из него.

Однако часть учёного мира считает, что, решениям на расплаве соли должна быть под силу намного более эффективная выработка энергии. Инженер-ядерщик Чарльз Форсберг (Массачусетский технологический институт) обуславливает это соображение тем, что, по сравнению с легководными реакторами обычных атомных электростанций, солевые работают при значительно более высоких температурах.

В то же время столь усложнённый процесс имеет и другие достоинства. Одно из них в том, что в пересчёте на изотоп уран-232 отходы синтеза энергии на базе тория имеют меньше шансов стать оружием, чем отходы уранового топлива. Просто отработки такого топлива довольно затруднительны в обращении, что не делает их лакомым куском для создания бомб. Именно по этим причинам некоторые исследователи поддерживают ториевую модель.

Однако сторонники другой точки зрения утверждают обратное: пусть её отходы и менее опасны, но в процессах ториевых реакторов возникают необходимые для создания оружия материалы, в частности – уран-233. То есть беспокойство вызывает не сам факт вредоносных отходов, а общедоступность потенциально опасной технологии. Например, при той же минимальном загрязнении ураном-232, на которое опираются сторонники модели, даже сравнительно небольшие предприятия вполне способны преобразовать торий-232 в уран-233, всего лишь 8 кг которого (следуя глоссарию МАГАТЭ – Международного агентства по атомной энергии) достаточно для создания ядерного боезаряда.

С другой стороны, сама технология является менее аварийно-опасной. Реактор станет гигантской плавильней для солей на основе фторидов. Плавление будет происходить путём нагрева сырья примерно до 450ºC до состояния бесцветной прозрачной жидкости, которая станет теплоносителем, отводящим тепло от активной зоны. Кроме того, в таких решениях жидкая соль также используется в качестве субстрата для топлива. Так что и непосредственно в активной зоне она будет не менее полезна для реакций, заменив собой твёрдые топливные стержни.

Кстати, именно поэтому солевые версии считаются относительно более безопасными – топливо уже растворено в жидкости, и рабочее давление значительно ниже, чем в обычных ядерных станциях, что снижает риск взрывных расплавов.

Значение и перспективы.

Рицуо Йошиока говорит, что сейчас многие страны работают над энергосхемами на расплаве соли – всем нужна более дешёвая электроэнергия. В качестве топлива здесь можно использовать уран или отработанный из легководных реакторов плутоний, но только Китай пытается использовать торий.

Когда запустится экспериментальный реактор Увэй, он будет первым из работающих на расплавленной соли аж с 1969 года, когда американские учёные из Ок-Риджской национальной лаборатории в Теннесси остановили свой такой же. И это будет первый солевой энергоблок Китая. Сотрудничавшие со SINAP учёные говорят, что в целом китайский дизайн копирует дизайн Oak Ridge, но улучшает его, опираясь на десятилетия инноваций в производстве, материалах и инструментах, но сами китайские исследователи, непосредственно связанные с проектом, никак не комментируют эти слухи и не называют точной даты начала испытаний.

Форсберга считает, что объект станет «испытательным стендом, на котором можно будет многому научиться» – от анализа коррозии до определения радионуклеотидного состава смеси в процессе её циркуляции.

«Мы собираемся изучить так много новой науки, – соглашается с ним ядерщик из Бангорского университета в Великобритании Саймон Миддлбург, – Если бы они позволили мне, я был бы там первым же самолётом».

При всём воодушевлении, дело не терпит суеты – для выхода китайского реактора на полную мощность могут потребоваться месяцы. «Если на пути что-то пойдёт не так, вы не сможете продолжить, и вам придётся останавливаться и начинать заново», – поясняет Миддлбург. Например, насосы могут выйти из строя, трубы могут подвергнуться коррозии или произойдёт засорение. Тем не менее учёные надеются на успех.

В заключение можно заметить, что солевые решения – это лишь одна из многих передовых ядерных технологий, в которые инвестирует Китай. В 2002 году межправительственный форум определил шесть перспективных подходов, которые необходимо ускорить к 2030 году. Сюда входят варианты с охлаждением газами свинца или натрия. 

«Некоторые из этих типов реакторов могут заменить угольные электростанции, – говорит Дэвид Фишман, руководитель проекта в гонконгской консалтинговой компании Lantau Group. – По мере того, как Китай движется к углеродной нейтральности, он может снять котлы [с электростанций] и дооснастить их ядерными реакторами».

АРМК, по материалам Nature.