Содержание
Ториевые реакторы и термоядерный синтез — возможен ли зеленый вечный двигатель?
По мере своего развития, человечество все чаще задумывалось о том, как получить дешевый и бесконечный источник энергии. Уголь, нефть, газ — все это были вехи на пути освоения наиболее энергоемких и дешевых ресурсов. Но даже АЭС по мощности были далеки до термоядерных процессов, которые идут в недрах звезд. В условиях глобального экологического кризиса к этим требованиям добавилось еще одно — энергия должна быть чистой: выбросы парниковых газов при её генерации должны быть сведены к минимуму, а еще лучше к нулю.
Ничего подобного системы традиционной генерации предложить не могут. Атомные электростанции оставляют после себя слишком большой мусорный след в виде отработанного топлива, которое требует особого подхода, мощностей для переработки и захоронения. Остаются только возобновляемые источники, которые массово вводятся в европейский энергобаланс. Но и у них есть недостатки: из-за низкой удельной мощности они требуют больших площадей, а генерация на их основе сильно зависит от погоды.
Теперь у нас есть альтернатива — атомная энергетика на основе ториевых реакторов и термоядерная энергетика. Считается, что оба варианта лишены недостатков традиционной энергетики. Действительно ли это так? Давайте разберемся.
Будущее ядерной энергетики?
Торий — сейчас об этом металле как о ядерном топливе будущего, не говорит только ленивый. Оптимизму нет конца, и он подогревается вполне реальными достижениями. В 2021 году в пустыне Гоби китайские ученые построили тестовый вариант жидкосолевого ядерного реактора, топливной основой для которого послужил торий, а не уран. В планах соорудить на его основе коммерческий вариант, а потом начать строительство новых реакторов в разных странах в рамках программы «Один пояс, один путь».
Преимущества ториевого реактора потенциально должны понравиться любому человеку, озабоченному проблемами радиационной безопасности.
Расплавы тория не требуют жидкого охлаждения — только воздушное. Они быстро затвердевают на воздухе, поэтому радиоактивные утечки исключены. Так что ториевые АЭС можно строить в пустынных местностях, подальше от крупных городов.
Но на этом их преимущества, как свидетельствуют многочисленные газетные заметки, не исчерпываются. Аварии по типу Чернобыльской с такими реакторами фактически не возможны. Радиоактивные отходы ториевого реакторы в массе своей имеют период полураспада в районе 500 лет, а нередко и 100 лет, что удобно в плане захоронения.
К тому же, тория в природе как минимум в три раза больше, чем урана. То есть, у нас огромные залежи безопасного топлива, которые только и ждут, когда их пустят на выработку энергии. Но как это часто и бывает, у такого замечательного решения есть свои темные стороны.
Мифы ториевой энергетики
Начнем с самого простого. Торий — это ядерный яд. То есть, сам по себе он не способен запустить цепную реакцию — торию в реакторе нужен инициирующий элемент.
Таким может послужить только уран, в первую очередь изотоп уран-235, или плутоний-239.
Таким образом, уже в рамках проектирования реактора понадобятся урановые сборки. Отказаться от обогащения урана и его добычи не получится. Однако его количество будет в 3-10 раз меньше, чем для традиционных АЭС. А это означает, что нынешний уровень потребления урана — более 65 килотонн ежегодно, можно резко сократить.
Второй важный момент — проблема с повторным использованием отработанного ядерного топлива, которого накопилось очень много. Ториевому реактору просто не нужно такое количество урана и плутония. Так что получается палка о двух концах: да, мы снизим потребление урана и плутония, но от их переработки и захоронения ядерных отходов мы не сможем отказаться. Это отдельная проблема, которая не решается в рамках нового направления ядерной энергетики.
Третий фактор связан с запасами тория. Дело в том, что торий добывают из монацита, минерала, содержание фосфата тория в котором составляет 6-7%.
Монацит содержится в магматических и других породах, но самые высокие его концентрации находятся в россыпных отложениях, сконцентрированных с другими тяжелыми минералами. То есть без коммерческого извлечения редкоземельных элементов производство тория сейчас нерентабельно. Экономически выгоднее добывать уран. Так что ториевые реакторы не имеют никаких экономических преимуществ перед традиционной АЭС. Единственная страна, в которой этот фактор не работает — Индия. В стране большие запасы тория, перевод местных АЭС на торий может оказаться прибыльным. Тем более, что Индия испытывает настоящий энергетический голод. И по мере превращения страны из аграрной в урбанистическую, энергии будет нужно всё больше. Но «Усовершенствованный тяжеловодный реактор» (AHWR) индийского производства, работающий на торий-урановых и торий-плутониевых сборках, до сих пор не закончен.
- Источник: enerdata.net
Проблема еще и в том, что ториевый реактор — это сильно корродирующая среда. Помимо этого, в результате реакции в нем образуется изотоп уран-232.
Его продукты распада, висмут-212 и таллий-208, характеризуются жестким гамма-излучением, которое сложно экранировать. Поэтому уровень безопасности и защищенности персонала и электроники для ториевых реакторов по идее должен быть выше, чем на традиционной АЭС.
Однако, проверить эти теоретические выкладки можно только на действующих ториевых реакторах разных моделей. А их пока не так много. Вся надежда на китайскую установку и на то, что данные по ее эксплуатации не будут засекречены.
Россия тоже старается не отстать от ториевого клуба. В ближайшие 15-20 лет запланировано использование тория в уже существующих реакторах типа ВВЭР и БН. А после, в проектируемых реакторах Супер-ВВЭР, в котором значительная часть отработанного ядерного топлива будет использована для производства нового.
Остается вопрос с отходами ториевых реакторов. Согласно исследованию Минэнерго США за 2014 год, отходы торий-уранового цикла имеют такую же радиоактивность на отрезке времени в 100 лет, что и уран-плутониевые топливные циклы, и более высокую радиоактивность отходов на отрезке 100000 лет.
К тому же, если мы знаем как работать с отходами уран-плутониевых циклов, то опыта работы с отходами ториевых реакторов у нас нет.
При всем положительном отношении автора этих строк к новым технологиям в области атомной энергетики, чтобы сказать, что торий — светлое будущее этой области понадобится еще как минимум лет 10. А сейчас здесь больше мифов, маркетинга и попыток найти инвесторов для проектов, которые вовсе не обязательно будут экономически и экологически более выгодными, чем повышение безопасности и технологичности уже использующихся атомных технологий.
Токамак, или как запрячь энергию Солнца
Над тем как заполучить термоядерный реактор, человечество ломает голову еще с середины 20 века. Всё дело в физике процесса. В отличие от атомных реакторов, в которых энергия выделяется за счет деления ядра тяжелых элементов, в термоядерных энергия получается за счет образования более тяжелых элементов из легких.
Для этого внутрь термоядерного реактора запускают дейтерий и тритий и разогревают до температур свыше 150 миллионов градусов Цельсия.
Газ превращается в плазму, которая удерживается с помощью мощных магнитов в тепловом контуре реактора.
Схема реактора типа токамак (тороидальная камера с магнитными катушками).
Сразу решаются проблемы с захоронением отходов, нет нужды развивать промышленность по обогащению урана и его добыче. В качестве топлива должны служить тяжелые изотопы водорода — тритий и дейтерий, а также гелий-3 и бор. Экологическая нагрузка на планету резко снижается. В теории, термоядерные электростанции должны быть в несколько раз эффективней атомных, чище и безопасней. Дело за малым — создать термоядерную электростанцию и получить дешевую энергию. И вот тут нас подстерегают проблемы.
Температура плазмы в токамаках достигает десятков миллионов градусов по Цельсию. Например, в китайском токамаке EAST плазму удалось нагреть до 100 миллионов градусов. Это в 8 раз выше, чем в центре Солнца.
Второй момент: для управления термоядерным синтезом необходимо научиться удерживать плазму.
Китайцам удалось сделать это в течении 101 секунды. Корейцы на токамаке KSTAR в 2020 году удерживали разогретые до 100 миллионов градусов ионы в течение 20 секунд. Это рекордные показатели. Но для полноценной работы реактора плазму необходимо удерживать в течение нескольких минут или даже больше. Пока что человечеству далеко от таких результатов.
Корейский токамак KSTAR. Фото: IsouM, Wikimedia Commons
Следующая проблема — это сам тип термоядерного реактора. Наиболее распространенным на сегодняшний день является токамак тороидальной конструкции («бублик»). Плазма в нем удерживается сверхмощными магнитами, не соприкасаясь со стенками реактора. Это делается как для безопасности — иначе плазма просто прожжет все, до чего дотянется — так и для того, чтобы не было примесей в ионизированном газе.
Такое условие задает определенную планку качества при изготовлении материалов. Оно должно быть выше, чем для АЭС, многие из элементов которых уже освоены промышленностью. Например, для международного термоядерного реактора ITER, который сейчас находится на заключительной стадии сборки конструкций, сверхмощные магнитные катушки, которые удерживают плазму, являются уникальными изделиями.
KSTAR — вид изнутри. Фото: pinterest.es
То есть, уже на стадии создания тестовых образцов термоядерные реакторы оказываются сложными и дорогими объектами. Смета международного проекта ITER уже сейчас превысила изначальную оценку в три раза — с 6 миллиардов евро дойдя до 18-22 миллиардов. Пессимистические прогнозы говорят, что в реальности реактор обойдется в 45-65 миллиардов долларов. И это для объекта мощностью 0,5 ГВт. Для сравнения: стоимость сооружения турецкой АЭС Аккую мощностью 4,8 ГВт — около 20 миллиардов долларов. Термоядерный реактор не построен, а уже в несколько раз менее эффективен, чем АЭС. Это не считая сроков сооружения ITER, которые срывались несколько раз. Сейчас пуск назначен на конец 2025 года — если сроки опять не перенесут. При этом речь идет о тестовых установках, на которых ученые и инженеры будут фактически учиться управлять термоядерными процессами. Впрочем, у нас есть вариант сферического токамака от Tokamak Energy. Он меньше по размерам, если его испытания в 2022 году пройдут успешно, то мы ещё на шаг приблизимся к малогабаритному термоядерному реактору.
В России решили пойти своим путем и создать гибрид ядерного и термоядерного реакторов. Плазма вместо урана послужит источником ионов, которым будут бомбардировать ядерное топливо — торий. Так что у нас тут два в одном — торий-термояд.
Но до коммерческой реализации пока все так же далеко, первые образцы мы получим в лучшем случае лет через 20, а то и все 50. Если не случится технологического прорыва.
Топливо для звезды
А вот с топливом для термоядерных реакторов нам повезло. Дейтерий в большом количестве содержится в океанической воде — в каждом кубометре 33 грамма. Ее понадобится очистить, так что заводы по производству тяжелой воды останутся. Производство дейтерия на современном этапе достаточно дешевое, в районе 1 доллара за грамм. Тритий стоит дороже. По оценкам американских военных, в 2017 году производство 1 грамма обходилось в 110-170 долларов. Для реакторов типа ITER, по официальным данным, понадобится 125 кг трития и 125 кг дейтерия. Это очень небольшие объемы, которые в сотни тысяч — десятки миллионов раз меньше, чем нужно для угольных или газовых электростанций.
Более того сейчас речь идет об оптимизации и сокращении даже такого объема. К тому же, тритий теоретически можно будет производить в самом реакторе ITER. Что еще больше снизит потребности в его стороннем производстве.
У реактора ITER есть свой Youtube-канал, где можно наблюдать за ходом работ:
Получается, что хотя сейчас получение электроэнергии с помощью термоядерного реактора — это во многом фантастика, в области топлива, экологичности и безопасности все обстоит гораздо лучше, чем с ториевыми АЭС. Смущает только время реализации — 30-50 лет. Есть ли оно у нас? И не лучше ли сосредоточиться на решении тех проблем, которые у всех на виду — адаптация к экстремальным погодным условиям, снижение углеводородной генерации, охрана природы, переработка и повторное использование отработанных ресурсов и, наконец, восстановление разрушенных или разрушаемых эколандшафтов?
Ответ — эти меры необходимо совместить.
Так как энергетика ответственна за 73% выбросов углерода в атмосферу, замена угольных электростанций в течение 10-20 лет жидкосолевыми реакторами позволила бы радикально сократить эмиссии и высвободила средства на реализацию стратегий адаптации к климатическим изменениям. Если же за это время удастся запустить выработку термоядерной энергии — человечество сорвет джекпот, который даст реальную надежду на выход из экологического кризиса.
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Это действительно вечный двигатель, по крайней мере для современного человека, век которого весьма недолог.
Является ли торий топливом нашего автомобильного будущего?
Автор
Джонатан Бергман
Подобно Ford Nucleon, компания Cadillac несколько лет назад попыталась вступить в ядерную игру, выпустив концепт Cadillac Thorium.
через Ютуб
С приходом автомобильной эры использование бензина в качестве источника топлива было постоянным. Но это не означает, что другие инновационные формы топлива, обещающие большую дальность полета и меньшее воздействие на окружающую среду, не рассматривались в качестве замены. Целая треть автомобилей на дорогах на заре 20-го века были электрическими. Автомобили с ядерными двигателями также были концептуализированы в 50-х годах, поскольку сила атома обещала изменить мир.
А еще есть торий. Выработка энергии из изотопа тория осуществляется путем деления U-233 , который получается из относительно стабильного, более безопасного и более распространенного тория. Учитывая эти преимущества, он был задуман как возможное топливо для использования в автомобилях. Но представляет ли он собой достойную альтернативу бензину или это просто несбыточная мечта? Давайте взглянем.
Машины с ядерными двигателями… Снова?
через Ютуб
Да, это не первый раз, когда мы видим ядерный двигатель. 19Концепт-кар 57 Ford Nucleon, например, был спроектирован таким образом, чтобы его не приходилось часто заправлять на ближайшей заправочной станции, поскольку в багажнике автомобиля располагался передвижной ядерный реактор. Ядерное топливо будет добавлено в реактор, преобразовано в пар, который затем будет питать автомобиль. Предполагаемый запас хода между дозаправками составлял от 5 000 до 10 000 миль. Но, учитывая опасный характер уранового топлива, широкомасштабное публичное развертывание было сочтено нецелесообразным. Меняющиеся вкусы публики в отношении ядерной энергии также не помогли.
СВЯЗАННЫЙ: Концепция Ford Nucleon с атомным двигателем опередила свое время
Wild Thorium Concepts
через Auto Freak
Подобно Ford Nucleon, компания Cadillac несколько лет назад попыталась войти в игру с ядерной концепцией, выпустив Cadillac World Thorium Concept. Он был задуман не только как празднование столетия Cadillac в 2009 году, но и как технический проект «что, если», призванный очаровать общественное воображение и стимулировать разработку альтернативных видов топлива. Он обещал автомобиль с кажущимся бесконечным запасом хода, способным проехать тысячи миль без дозаправки. Действительно, один грамм тория имеет энергетический эквивалент 7000 галлонов бензина!
Ничего не случится!
через Кадиллак
Нет, конечно нет! Мало того, что общественность, кажется, не приемлет эти довольно токсичные решения, но в мире нет реакторов-размножителей тория, которые необходимы для производства топлива. Количество времени, энергии и разработок, необходимых для создания инфраструктуры, будет огромным. Но мы всегда можем мечтать, не так ли? Пристегнитесь.
Источники: Autofreak, How Stuff Works, Auto Publishers
NEXT: концепция Prophecy предсказывает будущий язык дизайна Hyundai
Китай готовится к испытанию ядерного реактора на ториевом топливе
В Китае более 50 обычных атомных электростанций, таких как эта, но экспериментальный реактор на тории в Увэй будет первым. Фото: Costfoto/Barcroft Media/Getty
Ученые в восторге от экспериментального ядерного реактора, использующего торий в качестве топлива, испытания которого вот-вот начнутся в Китае. Хотя этот радиоактивный элемент и раньше испытывался в реакторах, эксперты говорят, что Китай первым сделал попытку коммерциализировать эту технологию.
Реактор необычен тем, что в нем вместо воды циркулирует расплав солей. У него есть потенциал для производства ядерной энергии, которая является относительно безопасной и дешевой, а также производит гораздо меньшее количество очень долгоживущих радиоактивных отходов, чем обычные реакторы.
Строительство экспериментального ториевого реактора в Увэй, на окраине пустыни Гоби, должно было быть завершено к концу августа, а пробные пуски запланированы на этот месяц, по данным правительства провинции Ганьсу.
Торий — слаборадиоактивный металл серебристого цвета, встречающийся в природе в горных породах и в настоящее время практически не используемый в промышленности. По словам исследователей, это отходы растущей индустрии добычи редкоземельных металлов в Китае, и поэтому он является привлекательной альтернативой импортируемому урану.
Мощный потенциал
«Торий гораздо более распространен, чем уран, и поэтому было бы очень полезно иметь эту технологию через 50 или 100 лет», когда запасы урана начнут иссякать, — говорит Линдон Эдвардс, инженер-ядерщик из Австралийская организация по ядерной науке и технологиям в Сиднее. Но для реализации этой технологии потребуются многие десятилетия, поэтому нам нужно начинать сейчас, добавляет он.
Китай запустил свою программу реакторов на расплавленных солях в 2011 году, инвестировав около 3 миллиардов юаней (500 миллионов долларов США), по словам Рицуо Йошиока, бывшего президента Международного форума по расплавленным солям тория в Ойсо, Япония, который тесно сотрудничал с китайцами. исследователи.
Управляемый Шанхайским институтом прикладной физики (SINAP) реактор Wuwei рассчитан на производство всего 2 мегаватт тепловой энергии, чего достаточно только для снабжения энергией до 1000 домов. Но если эксперименты увенчаются успехом, Китай надеется построить к 2030 году реактор мощностью 373 мегаватта, который сможет питать сотни тысяч домов.
Эти реакторы входят в число «идеальных технологий», которые помогут Китаю достичь своей цели по нулевому выбросу углерода примерно к 2050 году, говорит разработчик энергетических моделей Цзян Кецзюнь из Института энергетических исследований Национальной комиссии по развитию и реформам в Пекине.
Встречающийся в природе изотоп тория-232 не может делиться, но при облучении в реакторе он поглощает нейтроны с образованием урана-233, делящегося материала, выделяющего тепло.
Торий был испытан в качестве топлива в других типах ядерных реакторов в странах, включая Соединенные Штаты, Германию и Соединенное Королевство, и является частью ядерной программы в Индии. Но до сих пор он не доказал свою рентабельность, потому что добывать его дороже, чем уран, и, в отличие от некоторых встречающихся в природе изотопов урана, его необходимо превращать в расщепляющийся материал.
Некоторые исследователи поддерживают использование тория в качестве топлива, потому что его отходы имеют меньше шансов стать оружием, чем отходы урана, но другие утверждают, что риски все еще существуют.
Источник: Министерство энергетики США/Международное агентство по атомной энергии
Взрыв из прошлого
Когда Китай включит свой экспериментальный реактор, это будет первый реактор на расплаве солей, действующий с 1969 года, когда американские исследователи из Окриджской национальной лаборатории в Теннесси закрыли свой. И это будет первый реактор на расплаве солей, работающий на тории. Исследователи, которые сотрудничали с SINAP, говорят, что китайский дизайн копирует дизайн Ок-Риджа, но улучшает его, используя десятилетия инноваций в производстве, материалах и инструментах.
Исследователи в Китае, непосредственно связанные с реактором, не ответили на запросы о подтверждении конструкции реактора и времени начала испытаний.
По сравнению с легководными реакторами на обычных атомных электростанциях, жидкосолевые реакторы работают при значительно более высоких температурах, что означает, что они могут вырабатывать электроэнергию гораздо эффективнее, говорит Чарльз Форсберг, инженер-ядерщик из Массачусетского технологического института в Кембридже.
Китайский реактор будет использовать соли на основе фтора, которые плавятся в бесцветную прозрачную жидкость при нагревании примерно до 450 ºC. Соль действует как охлаждающая жидкость для переноса тепла от активной зоны реактора. Кроме того, в жидкосолевых реакторах вместо твердотопливных стержней также используется жидкая соль в качестве субстрата для топлива, такого как торий, который непосредственно растворяется в активной зоне.
Жидкосолевые реакторы считаются относительно безопасными, поскольку топливо уже растворено в жидкости, и они работают при более низких давлениях, чем обычные ядерные реакторы, что снижает риск взрывных расплавлений.
Йошиока говорит, что многие страны работают над реакторами на расплаве солей — чтобы производить более дешевую электроэнергию из урана или использовать отработанный плутоний из легководных реакторов в качестве топлива — но только Китай пытается использовать ториевое топливо.
Ториевые гранулы в Центре атомных исследований Бхабха в Мумбаи, Индия. Предоставлено: Pallava Bagla/Corbis/Getty
Реакторы следующего поколения
Китайский реактор станет «испытательным стендом, на котором можно многому научиться», говорит Форсберг, от анализа коррозии до определения радионуклеотидного состава смеси по мере ее циркуляции.
«Мы собираемся узнать так много новой науки, — соглашается Саймон Миддлбург, специалист по ядерным материалам из Бангорского университета, Великобритания. «Если бы мне разрешили, я бы летел туда первым же самолетом».
Китайскому реактору могут потребоваться месяцы, чтобы выйти на полную мощность. «Если что-то пойдет не так, вы не сможете продолжать, и вам придется остановиться и начать заново», — говорит Миддлбург. Например, насосы могут выйти из строя, трубы могут заржаветь или может произойти закупорка. Тем не менее ученые надеются на успех.
Жидкосолевые реакторы — лишь одна из многих передовых ядерных технологий, в которые инвестирует Китай. В 2002 году межправительственный форум определил шесть перспективных реакторных технологий, которые должны быть ускорены к 2030 году, включая реакторы, охлаждаемые свинцовыми или натриевыми жидкостями.