В Китае введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция коммерческого масштаба, которая обладает полной защитой от опасных аварий, включая расплавление активной зоны, даже в случае полного отключения электроэнергии. Её ядро — это так называемый модульный высокотемпературный реактор с галечным слоем (HTR-PM). Его уникальная конструкция позволяет ему стабильно работать при экстремально высоких температурах, а в аварийных ситуациях он охлаждается самостоятельно, без вмешательства человека или работы дополнительных систем. Успешное завершение первых испытаний безопасности двух реакторных модулей подтвердило эти характеристики.
Ядерная энергия деления, благодаря крайне низким выбросам углерода, занимает важное место в стратегиях декарбонизации мировой энергетики. Она помогает снизить зависимость от ископаемого топлива, уменьшить нагрузку на ресурсы биомассы и при этом не противоречит развитию других «зелёных» технологий, таких как солнечная и ветровая энергетика.
Однако путь к её широкому внедрению долгое время преграждали серьёзные проблемы с безопасностью, наглядно продемонстрированные катастрофами на Чернобыльской АЭС (1986 год) и «Фукусиме-1» (2011 год). Экологические последствия этих аварий были настолько масштабными, что лишь немногие страны сегодня активно развивают атомную энергетику, не говоря уже о нерешённой проблеме долгосрочного хранения радиоактивных отходов.
Концепция внутренне безопасных реакторов
Чтобы исключить повторение подобных катастроф, современные исследования сфокусированы на создании так называемых внутренне безопасных (или «искробезопасных») реакторов. Их безопасность обеспечивается не человеческим фактором или сложными электромеханическими системами, которые могут выйти из строя, а фундаментальными законами физики и химии. Эти процессы запускаются естественным образом при возникновении нештатной ситуации, предотвращая развитие аварии.
Одним из самых перспективных направлений в этой области являются высокотемпературные реакторы (HTR). Это реакторы с гелиевым охлаждением, где в качестве замедлителя нейтронов и конструкционного материала используется графит. Топливо в них представлено в виде тысяч микроскопических частиц, каждая из которых покрыта многослойной оболочкой TRISO. Эта оболочка удерживает продукты деления даже при температурах выше 1600°C. Частицы заключены в графитовые матрицы сферической или призматической формы. Ключевое преимущество — остаточное тепло от распада, которое является главной причиной расплавления активной зоны в обычных реакторах, здесь может безопасно рассеиваться в окружающую среду за счёт простой теплопроводности, без необходимости в резервных насосах или воде (принцип пассивного охлаждения).
Китайский высокотемпературный модульный реактор с галечным слоем (HTR-PM) развивает эти принципы, предлагая ещё более надёжное решение. До недавнего времени подобные технологии демонстрировались лишь в небольших экспериментальных установках. HTR-PM, разработанный командой из Университета Цинхуа, стал первым в мире реактором такого типа, достигшим коммерческого масштаба.
«Достижение внутренней ядерной безопасности в коммерческом масштабе — это мечта всех учёных и инженеров-ядерщиков. Ключевая задача здесь — обеспечить отвод остаточного тепла без какого-либо активного вмешательства», — поясняют авторы исследования, опубликованного в журнале Joule.
Как работает безопасность HTR-PM
Реактор HTR-PM, концепция которого изначально была предложена в Германии, использует в качестве теплоносителя инертный газ гелий. Активная зона реактора представляет собой «галечный слой» — множество графитовых сфер диаметром 6 сантиметров, каждая из которых содержит около 12 000 урановых топливных частиц с покрытием TRISO.
Китайская электростанция состоит из двух таких реакторных модулей, каждый из которых соединён с парогенератором и системой циркуляции гелия.
Обратите внимание: В течение четырех лет британская компания Vertical Aerospace хочет ввести в эксплуатацию летные такси с дальностью полета до 800 км.
Холодный гелий подаётся в активную зону, проходит через слой шаров, нагревается и отдаёт тепло воде в парогенераторе. Образующийся перегретый пар затем вращает турбину для выработки электроэнергии. Специальные конструкции — горизонтальные дымоходы и колодцы вокруг реактора — способствуют естественной циркуляции газа, усиливая эффект пассивного охлаждения.Мощность каждого реакторного модуля оценивается в 200 мегаватт. В целом станция сможет генерировать примерно 1,4 миллиарда киловатт-часов электроэнергии в год, что достаточно для обеспечения потребностей около 2 миллионов человек. Это также позволит сократить ежегодные выбросы CO2 почти на миллион тонн.
Испытание, подтвердившее безопасность
Во время ключевых испытаний на станции было искусственно смоделировано самое тяжёлое условие — полное отключение электроэнергии (стация blackout). Целью было проверить, сможет ли реактор самостоятельно отвести остаточное тепло распада. Данные по температуре и энерговыделению показали, что реакторы успешно охлаждаются естественным путём, без работы насосов или других активных систем. Оболочки TRISO топливных частиц остались целыми, эффективно удерживая радиоактивные продукты деления даже при достижении максимальной температуры в 1620 °C.
Этот успех впервые в мире доказывает, что внутренне безопасные ядерные реакторы деления могут быть построены и эффективно работать в промышленных масштабах. Конечно, для массового внедрения этой технологии предстоит решить вопросы, связанные со стоимостью топлива и специфических компонентов. Однако, как отмечают эксперты, при серийном производстве, которое вполне возможно на крупном китайском рынке, эти затраты могут быть существенно снижены, открывая путь для новой эры в атомной энергетике.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.