Сколько бы мы ни радовались успехам альтернативной энергетики, её доля в мире пока ничтожна, а крупномасштабные перспективы довольно сомнительны. Обеспечить большую мощность ценой адекватных затрат пока могут только традиционные направления, среди которых важная роль отводится ядерной энергетике. В последние годы интерес к ней возрос в связи с разговорами о скором исчерпании запасов урана-235 и необходимости освоения нового типа реакторов. Как наиболее оригинальную указывают модель, в которой активная зона заполнена расплавом фторидов и соединениями тория. Подобная концепция предлагалась ещё полвека назад. Почему мы пошли другим путём, и есть ли смысл сейчас вспоминать хорошо забытое старое?

Зал управления АЭС в штате Северная Каролина (фото: The Herald Weekly)
Зал управления АЭС в штате Северная Каролина (фото: The Herald Weekly)

Во время экскурсий даже по старым АЭС у посетителей обычно захватывает дух от грандиозности сооружений и невероятного технического уровня. Впечатление довольно обманчивое, так как сложность в основном касается систем управления, контроля и безопасности. Сам же основополагающий принцип работы атомной электростанции – чистой воды стимпанк.

Источником энергии на АЭС служат тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Они объединяются в сборки, которые при помещении в реактор активируются – начинается деление ядер урана или плутония.

Новые ТВЭЛ в топливной сборке (фото: Руслан Кривобок/РИА
Новые ТВЭЛ в топливной сборке (фото: Руслан Кривобок/РИА «Новости»)

Энергия ядерного распада вызывает нагрев теплоносителя (сейчас это в основном расплавы металлов). Он циркулирует по первому замкнутому контуру, отдавая тепло воде. Образующийся водяной пар своим давлением приводит в движение лопасти турбины, и генератор вырабатывает электрический ток.

Радиоактивная вода циркулирует только по второму контуру и никак не сообщается с внешней средой. Совершивший работу пар охлаждается и превращается обратно в воду. Для этого требуется постоянный теплообмен с водой из внешнего источника (озера, реки). В контуре охлаждения вода не контактирует с радиоактивными материалами и лишь немного подогревает водоём, на берегу которого расположена станция.

АЭС "Секвойя" в штате Теннесси (фото: enformable.com)
АЭС «Секвойя» в штате Теннесси (фото: enformable.com)

При всей концептуальной простоте сегодня такая схема гораздо эффективнее любых других вариантов выработки электроэнергии в промышленных масштабах. ТВЭЛы работают по несколько лет. Всего один стержень диаметром около сантиметра и длиной три метра даёт в итоге примерно такое же количество энергии, как две сотни тонн угля. Представьте, для сравнения, сопутствующие объёмы сажи и общее влияние на атмосферу угольной КЭС. Между тем только в одной тепловыделяющей сборке количество стержней может измеряться сотнями, а общее число активированных на одной АЭС – тысячами.

Если принять во внимание все стадии различных способов получения электроэнергии, то по влиянию на окружающую среду атомные станции окажутся самыми дружелюбными. При штатной работе и грамотной утилизации отходов они скорее облагораживают близлежащие районы, давая им возможность развиваться. Вокруг атомных станций растут современные города, в которых уровень жизни высок, а радиации – настолько низок, что не превышает фоновый. Подогретая вода из контура охлаждения используется для разведения рыбы, а незамерзающие озёра становятся местом отдыха жителей и туристов.

Ровенская АЭС у реки Стыр, Украина (фото: В.Л. Дьяков)
Ровенская АЭС у реки Стыр, Украина (фото: В.Л. Дьяков)

По совокупности параметров лидером атомной энергетики в мире сегодня можно считать Францию. На территории этой маленькой страны работают девятнадцать АЭС, обеспечивающих три четверти потребности государства в электроэнергии. В абсолютных значениях США производят почти вдвое больше, но доля атомной энергии в Америке составляет всего одну пятую. Россия пока ещё входит в пятёрку лидеров по абсолютной шкале, но низкий процент вклада АЭС отбрасывает нас на двадцатое место.

Ториевый период

Как можно изменить ситуацию? Один из вариантов – развивать другие направления ядерной энергетики. Ещё в начале пятидесятых годов XX века предлагались различные конструкции более безопасных ядерных реакторов на тории. Однако уран был выбран потому, что лучше сочетался с программами разработки ядерного оружия.

Сейчас ядерная гонка потеряла актуальность. Запасы урана-235 и объёмы его производства падают, а Чернобыль и Фукусима превратились в главные страшилки. Параллельно за прошедшие полвека были опробованы маломощные реакторы на тории. Сегодня это уже довольно зрелое ответвление и начинать с нуля не придётся — смотрите краткую презентацию.

В качестве ядерного топлива торий потенциально обладает рядом преимуществ. Во-первых, его запасы в земной коре в разы больше, чем урана (не считая изотопа урана-238, неспособного к самоподдерживающейся цепной реакции). В малых количествах этот тяжёлый и слаборадиоактивный металл обнаруживается в большинстве горных пород. Для промышленной добычи представляют интерес месторождения двенадцати минералов, главными из которых являются монацит и торит.

Во-вторых, после добычи торий можно практически сразу (без обогащения) загружать в реактор. В-третьих, торий утилизируется более полно, а после ряда промежуточных реакций из него получается уран-233, также являющийся отличным ядерным топливом.

Трансмутация тория-232 в торий-233 с дальнейшим образованием урана-233 через протактиний-233 (схема: ThoriCorp.com)
Трансмутация тория-232 в торий-233 с дальнейшим образованием урана-233 через протактиний-233 (схема: ThoriCorp.com)

За весь многостадийный цикл из одной тонны тория можно получить примерно в двести раз больше энергии, чем из тонны урана. Дополнительно в ториевых реакторах возможна переработка оружейного плутония.

Сейчас Индия, Норвегия и Китай стремятся дать вторую жизнь идее американского физика-ядерщика Элвина Мартина Вайнберга (Alvin Martin Weinberg). Ещё в шестидесятых годах он предложил вариант ториевого реактора LFTR (произносится «lifter — Liquid Fluoride Thorium Reactor). Оксид тория вводится в расплав солей фторидов. Поддержание реакции в активной зоне требует источника нейтронов — это открывает широкие возможности для управления и позволяет остановить основную реакцию в любое время.

Преимуществом реактора типа LFTR является обратная масштабируемость. Впервые станет выгодно создавать малые атомные электростанции с мощностью в единицы мегаватт. Расчётный срок работы ториевых АЭС составляет от сорока лет до века. Среди плюсов реактора типа LTFR указывают и тот факт, что его активная зона работает при нормальном или даже пониженном давлении, а проблема безопасности решается за счёт отрицательной обратной связи. При повышении давления увеличивается объём смеси и понижается её плотность, что ведёт к замедлению ядерной реакции и прекращению нарастания давления. Взрыв такого реактора исключается самими физическими законами. Более подробно плюсы и минусы ториевых АЭС обсуждаются в этом видео.

Поскольку оксид тория более тугоплавкий, чем оксид урана, системы охлаждения можно сделать проще и надёжнее. Одним из оригинальных вариантов пассивной защиты является идея размещения под активной зоной реактора бака с охлаждаемой пробкой из тех же фторидов. При отказе системы охлаждения пробка расплавляется и перегретая смесь удаляется из активной зоны, стекая в бак. Различные ториевые реакторы строятся и испытываются сейчас во многих странах. Проекты разрабатываются компаниями Thor Energy, Thorium Power, Transatomic Power и другими.

Запуск первой ториевой АЭС в Норвегии планируется в 2017 году. Экспериментальный маломощный реактор в Индии уже сейчас вырабатывает порядка тринадцати мегаватт на АЭС «Калпаккам» (также известной под названием Madras Atomic Power Station). Строительство ряда LFTR включено правительством Индии в план пятилетки 2011 – 2016 гг.

На это же время намечено строительство первых ториевых электростанций в Китае, где инициатива ещё более масштабная и долгосрочная. Поднебесная также начала активную программу модернизации ядерной энергетики в 2011 году и распланировала её до 2050 года. Вероятно, Индии всё-таки удастся выиграть первый этап ториевой гонки – сейчас почти готов к запуску опытный реактор AHWR-300-LEU.

Практически одновременный запуск десятков ториевых АЭС по всему миру приведёт к снижению себестоимости электроэнергии. У России сейчас есть неплохие шансы занять выгодные позиции в новой области ториевой атомной энергетики. Наша страна входит в первую десятку по мировым запасам тория. Их хватит ещё на сотни лет. Главное, чтобы инициатива в его отношении не ограничивалась банальной добычей и экспортом.