Безопасный источник энергии на тысячу лет. Ядерные реакторы IV поколения

В 2027 году Китай запускает первый в мире мегаваттный ADS (Accelerator-Driven System), управляемый ускорителем подкритический реактор на отработанном ядерном топливе.

Система ADS совмещает в себе ускоритель и реактор, близкий к технологиям IV поколения. Часть вырабатываемой энергии запитывает ускоритель, а тот поддерживает реакцию деления.

Самое главное, что ADS принимает топливо на основе радиоактивных отходов, тория-232, природного урана-238. Так мы получаем сразу несколько преимуществ и решаем главные проблемы современной ядерной энергетики:

2. Утилизация отходов от обычных АЭС.

3. Огромный запас топлива. Запасы тория в земной коре в 3–4 раза превышают запасы урана, а природные изотопы составляют более 99% запасов урана и сейчас не используются напрямую. Грубо говоря, ADS в сто раз увеличит коэффициент использования уранового топлива и обеспечит энергопотребление человечества на тысячу лет.

4. Сильно уменьшается риск неконтролируемой цепной реакции, поскольку эффективный коэффициент размножения нейтронов меньше единицы: .

Китайский реактор разработан исследователями Китайской академии наук (CAS) совместно с государственными ядерными предприятиями. Посмотрим, как он работает.

Что такое ADS

Управляемый ускорителем подкритический реактор — это реактор, в конструкцию которого входит активная подкритическая зона ядерного реактора и высокоэнергетический линейный ускоритель протонов (линеак). Такой ядерный реактор в качестве топлива может использовать торий.

Слово «подкритический» означает, что нейтронная мощность реактора после затухания переходных процессов будет уменьшаться. Другими словами, реактор не способен самостоятельно поддерживать цепную реакцию деления атомов, его . Такому реактору нужен дополнительный источник нейтронов, для чего и используется ускоритель. Концепция достаточно простая:

Для примера, так выглядит проект японской жидкометаллической ядерно-энергетической установки JAEA-ADS:

Большинство ADS предполагают использование протонных ускорителей, которые обеспечивают непрерывные пучки с энергией около 1 ГэВ. Ускоритель может быть линейным или циклическим. В реальных проектах (см. ниже) используются обычно линейные протонные ускорители мощностью до 100 МВт и КПД до 50%.

Протоны выводятся на спаляционную мишень для производства нейтронов (spallation target на схеме). Мишень состоит из тяжёлого металла в твёрдом или жидком состоянии. На каждый падающий протон спалляционные реакции в мишени выпускают несколько десятков нейтронов, которые используются для управления подкритическим ядром.

ADS может быть спроектирован для работы как с тепловыми, так и с быстрыми нейтронами.

Преобразование энергии в ядерной энергетической системе с ускорителем аналогична обычной электростанции. Но в системе c ускорителем энергия, которая возвращается в ускоритель, снижает чистую электрическую эффективность. Для ADS с коэффициентом размножения нейтронов 0,95 снижение составляет около 12%. Это означает, что система с ускорителем выбрасывает больше тепла в атмосферу, чем обычная АЭС такой же мощности.

Тем не менее, основными преимуществами ADS считаются повышенная безопасность и экологичность, в том числе низкая радиоактивность отходов с меньшим периодом полураспада. И самое главное преимущество — огромный избыток топлива (урановая руда и торий) «на тысячи лет», как говорится в официально-презентационных статьях.

Эти преимущества относятся ко всем видам ADS, в том числе реакторам с трансмутацией долгоживущих отходов, а также реакторам на тории. Упомянутый китайский реактор относится к первому типу, но есть и другие проекты.

Нужно признать, что у ADS есть ряд технических и эксплуатационных недостатков. Есть проблемы, связанные с сопряжением ускорителя и реактора, потерей мощности пучка и др. Особое внимание следует уделить мишени и особенно окну пучка, так как эти компоненты подвергаются сложным условиям напряжения, коррозии и облучения, которые не встречаются в обычных реакторах. А ещё сверхпроводящие резонаторы, прецизионные магниты, различное электронное оборудование. На обычных АЭС такого нет.

Однако техническая сложность ADS перекрывается его достоинствами.

По состоянию на 2022 год в мире насчитывалось девять проектов ADS в стадии проектирования или строительства:

Все проекты отличаются по конструкции линейного ускорителя и прочим характеристикам:

На схеме три самых продвинутых проекта ADS в мире, которые ближе всех приблизились к стадии реального запуска. Среди них CiADS активно движется к этапу физического пуска демонстрационной установки, европейский MYRRHA перешёл к созданию первой фазы ускорительного комплекса, а для японского JAEA-ADS пока только производят и тестируют отдельные компоненты.

Основные характеристики проектов:

Китайский CiADS продвинулся дальше всех. Его запуск назначен на 2027 год.

Китайский проект CiADS

Китайская установка China initiative Accelerator Driven System (CiADS) станет первым в мире прототипом системы мегаваттного класса, сообщило официальное издание Китайской академии наук Science and Technology Daily в феврале 2026 года.

Исследовательский центр CiADS строят в городе Хуэйчжоу провинции Гуандун на юге Китая. На момент публикации статьи на площадке выполнялись установка сверхпроводящего ускорительного блока и ввод в эксплуатацию первого китайского криогенного холодильника на жидком гелии c холодопроизводительностью 18 кВт, а также интегрированного устройства для проверки неядерных процессов в реакторе на быстрых нейтронах на свинце и висмуте.

Однако из-за чрезвычайно высокой технической сложности ни один ADS промышленного уровня в мире ещё не запущен. Китайский CiADS может стать первым.

Строительство CiADS началось с ускорителя. После десяти лет разработки в 2021 году физики наконец-то запустили прототип сверхпроводящего линейного ускорителя ADS (расчётная энергия 20 МэВ), впервые в мире достигнув непрерывного ускорения протонного пучка с током 10 мА и стабильной работы на мощности 100 кВт в течение 100 часов. Это был первый случай, когда интенсивность тока сверхпроводящего ускорителя достигла уровня, пригодного для промышленного применения. В том же году началось строительство CiADS в Хуэйчжоу.

Ускоритель CiADS разгоняет более 300 трлн протонов в секунду до 0,8 скорости света, бомбардируя жидкий сплав свинца и висмута, чтобы произвести огромное количество нейтронов, которые превращают уран-238 в плутоний-239.

Перед установкой сверхпроводящая полость ускорителя и сверхпроводящие магниты проходят множество процессов для достижения «идеальной» чистоты поверхности: химическое травление, электрохимическая полировка, ультразвуковая очистка, промывка сверхчистой водой под давлением 100 атмосфер и, наконец, сборка в сверхчистом помещении. Чтобы предотвратить поднятие пылинок, монтажники работают очень медленно, как в замедленной киносъёмке.

Ядерные реакторы IV поколения

ADS принадлежит к числу ядерных реакторов IV поколения. По классификации Всемирной ядерной ассоциации, сюда относятся шесть технологий:

• газоохлаждаемый быстрый реактор (GFR);

• быстрый реактор со свинцовым охлаждением (LFR);

• жидкосолевой реактор (MSR);

  • жидкосолевой реактор с быстрыми нейтронами (MSFR);

  • реактор с повышенной температурой (AHTR), также известный как высокотемпературный реактор с охлаждением фторидной солью (FHR);

• быстрый реактор на натриевом охлаждении (SFR);

• реактор с водяным охлаждением в сверхкритическом состоянии (SCWR);

• реактор на очень высоких температурах (VHTR).

В качестве топлива всё активнее используется торий. Сейчас в мире работает несколько экспериментальных ториевых реакторов. В основном это жидкофторидные реакторы типа LFTR. К ним примыкает китайский жидкосолевой реактор TMSR-LF1 на 2 МВт тепловой мощности, где в качестве топливной соли используется литий-бериллиевый фторид с фторидами циркония, урана и тория.

Среди экспериментов на торие и обеднённом уране можно упомянуть эксперимент Molten Chloride Reactor Experiment (MCRE) в Национальной лаборатории Айдахо (США).

В процессе формирования топлива более 90% уранового сырья (обеднённый уран) превращается в пригодную для использования топливную соль. Реактор MCRE должен начать работу в 2028 году.

Что имеем в итоге

Считается, что ADS и другие реакторы IV поколения — ключ к преодолению существующих узких мест ядерной энергетики:

1. Более 99% природного урана не используется напрямую.

2. Большое количество трудноутилизируемых «ядерных отходов».

ADS решает эти проблемы. С одной стороны, нейтроны из ускорителя запускают реакцию деления в природном уране. С другой стороны, долгоживущие высокорадиоактивные нуклиды из ядерных отходов преобразуются в короткоживущие, низкорадиоактивные и стабильные нуклиды. Это идеальный подход к созданию ядерного топлива и обработке отходов.

Возможно, будущее всё-таки за ядерной энергетикой. Всё-таки реактор — более стабильный источник энергии, чем солнечные и ветряные станции. Но придётся строить много ускорителей, так что профессия ядерного физика станет очень актуальной.