Ядерный микрореактор
Ядерный микрореактор — это ядерный реактор типа «подключи и работай», который можно легко собрать и транспортировать автомобильным, железнодорожным или воздушным транспортом. [1] Микрореакторы в 100–1000 раз меньше обычных ядерных реакторов , и по сравнению с малыми модульными реакторами (ММР) их мощность составляет от 1 до 20 мегаватт, тогда как мощность ММР находится в диапазоне от 20 до 300 мегаватт. [2] Благодаря своим размерам их можно размещать в таких местах, как изолированные военные базы или населенные пункты, пострадавшие от стихийных бедствий . Он может работать как часть сети, независимо от сети, или как часть небольшой сети для производства электроэнергии и тепловой обработки. [3] Они предназначены для обеспечения отказоустойчивости, отсутствия выбросов углекислого газа и независимого энергоснабжения в сложных условиях. [4] Источником ядерного топлива для большинства проектов является «высокопробный низкообогащенный уран », или HALEU. [5]
История
[ редактировать ]Ядерные микрореакторы возникли в рамках проекта атомной подводной лодки ВМС США , который был впервые предложен Россом Ганном из Исследовательской лаборатории ВМС США в 1939 году. [6] Эта концепция была адаптирована адмиралом Хайманом Риковером для запуска американской программы атомных подводных лодок в 1950-х годах. Первой построенной атомной подводной лодкой США был USS Nautilus , спущенный на воду в 1955 году. На ней был установлен Westinghouse компании реактор S2W — реактор с водой под давлением, который выдавал мощность 10 мегаватт. [7]
Дизайн
[ редактировать ]Эти реакторы предназначены для использования на небольших территориях, где было бы неэффективно устанавливать более крупную электростанцию, но все еще существуют энергетические потребности, непригодные для генераторов. Ядерные микрореакторы, подкатегория малых модульных реакторов (ММР), представляют собой развивающийся тип атомной электростанции, предназначенный для выработки электроэнергии в меньших масштабах, чем традиционные ядерные реакторы. Эти микрореакторы обычно имеют мощность 20 мегаватт или меньше и спроектированы как модульные и транспортабельные, что делает их пригодными для электроснабжения небольших населенных пунктов, отдаленных районов и таких отраслей, как опреснение воды и производство водородного топлива . [8]
Одним из основных преимуществ ядерных микрореакторов является то, что они оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем ископаемое топливо. Они не выделяют парниковых газов, таких как CO 2 и метан. Однако отходы, которые они производят , радиоактивны , что создает проблему безопасного обращения и утилизации. Одним из нынешних методов утилизации является захоронение отходов в глубоких подземных хранилищах, таких как Онкало , расположенное в Финляндии . [9] Кроме того, они могут работать непрерывно до 10 лет без необходимости дозаправки. [10]
Микрореакторы используют ядерное деление для выработки тепла, которое затем используется для производства электроэнергии с помощью паровой турбины. Активная зона реактора окружена толстым щитом, защищающим работников и окружающую среду от радиации . Активная зона также содержит топливные стержни, содержащие уран или другие делящиеся материалы. Когда топливо подвергается делению, оно выделяет энергию в виде тепла, которое затем передается теплоносителю, циркулирующему через реактор. Охлаждающей жидкостью обычно является вода или жидкий металл, например натрий или свинец , который поглощает тепло и передает его теплообменнику. Затем теплообменник передает тепло вторичному хладагенту, который используется для выработки пара и электроэнергии. [11]
Микрореакторы и SMR отражают широкий спектр технологий, включая легководные реакторы (LWR), высокотемпературные газовые реакторы (HTGR) и усовершенствованные конструкции реакторов, такие как быстрые жидкометаллические реакторы (FR), жидкосолевые реакторы (MSR) и реакторы с тепловыми трубками (ТТ). Конструкции могут различаться в зависимости от топлива, материалов, хладагентов, инверторов, технологий производства (например, аддитивного производства) и теплообменников. [12]
Конструкция реактора с тепловой трубкой представляет собой простейший микрореактор, который улучшает передачу энергии и позволяет избежать использования насосов для циркуляции теплоносителя. В микрореакторах, основанных на технологии ВТГР, используется трехструктурное изотропное топливо (ТРИЗО), такое же, как и в более крупных конструкциях ВТГР. Для технологий FR, обеспечивающих компактность и энергоэффективность, доступны проверенные оксидные виды топлива, более экспериментальные металлы или нитридные виды топлива. Ожидается, что экспериментальное топливо будет более эффективным для микрореакторов, поскольку время пребывания топлива в активной зоне реактора намного дольше, чем в обычных реакторах, что приводит к более высокому радиационному воздействию. [12]
Одной из ключевых особенностей ядерных микрореакторов является их небольшой размер и модульность. SMR можно изготавливать на заводах и отправлять в конечный пункт назначения, что сокращает затраты и время на строительство. Их можно устанавливать под землей, под водой или в других удаленных местах, что делает их идеальными для электроснабжения небольших населенных пунктов, промышленных объектов, военных объектов и других специализированных мест. Кроме того, модульная конструкция обеспечивает легкую масштабируемость , позволяя добавлять дополнительные микрореакторы для увеличения выходной мощности по мере необходимости. [3]
Воздействие сокращения выбросов парниковых газов на окружающую среду и возможность выработки малой мощности (менее 100 МВттепл.) вызвали глобальный интерес к ядерным микрореакторам, которые потенциально могут принести пользу компаниям с меньшими потребностями в контроле. Дополнительные преимущества могут включать расширенную адаптируемость в отношении размещения, улучшенное обеспечение безопасности; сокращение времени разработки; и уменьшились прямые потребности в венчурных предприятиях. [13]
Проблемы
[ редактировать ]Несмотря на эти преимущества, ядерные микрореакторы по-прежнему сталкиваются с проблемами. Одной из основных проблем является одобрение регулирующих органов. ММР должны пройти обширные испытания и сертификацию, прежде чем их можно будет развернуть, и во многих странах действуют строгие правила, регулирующие использование ММР, например, те, которые установлены Комиссией по ядерному регулированию США (NRC). [14] Наиболее серьезной проблемой для микрореакторов является стоимость кВтч, поскольку микрореакторы теряют преимущества масштаба для экономической эффективности. Затраты на проектирование, эксплуатацию и техническое обслуживание могут сделать эти маломощные ядерные реакторы непомерно дорогими. [13] Экономический анализ показывает, что, несмотря на более низкие капитальные затраты, микрореакторы не могут конкурировать по стоимости с крупными атомными электростанциями из-за эффекта масштаба. Тем не менее, они могут конкурировать с технологиями аналогичного размера и применения, такими как дизельные генераторы в небольших сетях и возобновляемые источники энергии. [3]
Кроме того, общественное восприятие ядерной энергетики часто бывает негативным, вызывая обеспокоенность по поводу безопасности и утилизации ядерных отходов. Доступность топлива из низкообогащенного урана высокой пробы ( HALEU ) на коммерческом рынке невелика, что создает проблему для жизнеспособности действующих микрореакторов, даже если будет получено одобрение регулирующих органов. Другие проблемы включают более высокие риски безопасности и распространения по сравнению с крупными атомными электростанциями, а также лицензионные требования для небольших реакторов, которые еще предстоит установить. [3] Кроме того, меньший размер ядерного микрореактора и использование в нем топлива HALEU также подвергают его повышенному риску кражи. Уран в ядерном микрореакторе легче переработать в оружейный, что делает его идеальным активом для ядерного терроризма и распространения ядерного оружия. [15]
Текущее развитие
[ редактировать ]Микрореакторы для гражданского использования в настоящее время находятся на самых ранних стадиях разработки, а отдельные конструкции находятся на разных стадиях зрелости. Соединенные Штаты поддерживают разработку любой формы малых или средних реакторов (SMR) с 2012 года. Настоящая работа сосредоточена на возможности комбинирования теплоносителей, обычно рассматриваемых для применений в быстрых реакторах, таких как натрий, расплавленная соль и свинец. охлаждающие жидкости с промежуточными продуктами и особое внимание к расплавленной соли с точки зрения базовой конструкции. Будущая работа будет сосредоточена на оптимизации базовой конструкции и выполнении совместных 3D-расчетов, таких как теплогидравлика, характеристики топлива и нейтронно-физика, для определения подробного поведения и работы. [13]
С 2010 года также растет интерес к мобильным плавучим атомным электростанциям, которые считаются ядерными микрореакторами. Двумя недавними примечательными примерами являются: российский завод «Академик Ломоносов», на котором используются два реактора мощностью 35 МВт, и китайский завод ACPR50S, на котором используется реактор мощностью 60 МВт, классифицированный как морской реактор с водой под давлением. Помимо завода «Академик Ломоносов» в России прорабатываются несколько новых проектов автономных источников энергии. [13]
В 2018 году НАСА успешно продемонстрировало микрореактор мощностью в киловатт, основанный на технологии Kilopower . [16] [17] Он разрабатывается для поддержки миссий по исследованию человеком Луны и Марса. [18] Он использует уникальный технологический подход для охлаждения активной зоны реактора (размером с рулон бумажного полотенца): герметичные тепловые трубы передают тепло реактора двигателям, которые преобразуют это тепло в электричество. [19] Подход к обнаружению топлива-теплоносителя, используемого для активных зон реактора, был найден посредством серии предварительных расчетов, в которых использовались корпус реактора и внутренние размеры, с последующими расчетами вибраций и гипотетических аварий с разрушением активной зоны. [13]
В апреле 2022 года Министерство обороны США объявило об одобрении проекта «Пеле» — инициативы Министерства обороны США по снижению выбросов углекислого газа за счет инвестиций в ядерные технологии. Бюджет проекта составляет 300 миллионов долларов на разработку миниатюрного реактора, способного вырабатывать 1,5 мегаватт в течение как минимум трех лет. [20] Для достижения этой цели в июне 2022 года Министерство стратегических возможностей США заключило партнерское соглашение с BWXT Technologies. BWXT Tech разработала высокотемпературный реактор с газовым охлаждением (HTGR), который будет генерировать мощность от 1 до 5 МВт и будет транспортироваться в транспортных контейнерах. Он будет работать на топливе TRISO , особой конструкции топлива из высокопробного низкообогащенного урана ( HALEU ), которое может выдерживать высокие температуры и имеет относительно низкие экологические риски. [21]
энергетики США Министерство в настоящее время также планирует разработку реактора мощностью 100 кВт в Айдахо под названием «Реактор для проверки и оценки приложений микрореактора» (MARVEL). [22]
Министерство обороны США прогнозирует сроки и сложности развертывания первого малого реактора к концу 2027 года. Номинальное время от подачи заявки на получение лицензии до коммерциализации оценивается в 7 лет. [3]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Что такое ядерный микрореактор?» . Energy.gov.ru . Проверено 21 ноября 2020 г.
- ^ «Микрореакторы» . Национальная лаборатория Айдахо . Проверено 21 ноября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Тестони, Рафаэлла; Берсано, Андреа; Сегантин, Стефано (01 августа 2021 г.). «Обзор ядерных микрореакторов: состояние, возможности и проблемы» . Прогресс в атомной энергетике . 138 : 103822. doi : 10.1016/j.pnucene.2021.103822 . ISSN 0149-1970 .
- ^ Управление подотчетности правительства США (26 февраля 2020 г.). «В центре внимания науки и техники: ядерные микрореакторы» (ГАО-20-380СП).
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Что такое высокопробный низкообогащенный уран (HALEU)?» . Управление ядерной энергии. 7 апреля 2020 г. . Проверено 26 апреля 2022 г.
- ^ «Маленькая книга больших достижений» (PDF) . Лаборатория военно-морских исследований США . 2000. Архивировано из оригинала (PDF) 10 мая 2013 г.
- ^ «Наутилус: первая атомная подводная лодка» . big.stanford.edu . Проверено 21 ноября 2020 г.
- ^ «Микрореакторы» . ИНЛ . Проверено 30 апреля 2023 г.
- ^ «Посива — Репозиторий в ОНКАЛО» . www.posiva.fi . Проверено 30 апреля 2023 г.
- ^ «Что такое ядерный микрореактор?» . Energy.gov.ru . Проверено 30 апреля 2023 г.
- ^ «Микрореакторный неядерный экспериментальный стенд AGile (MAGNET)» . ИНЛ . Проверено 30 апреля 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Блэк, Г.; Шропшир, Д.; Араужо, К.; ван Хик, А. (31 января 2023 г.). «Перспективы ядерных микрореакторов: обзор технологий, экономики и нормативных требований» . Ядерные технологии . 209 (доп1): S1 – S20. Бибкод : 2023NucTe.209S...1B . дои : 10.1080/00295450.2022.2118626 . ISSN 0029-5450 . S2CID 252613488 .
- ^ Jump up to: а б с д и Пикмен, Эйден; Ходжсон, Зара; Мерк, Бруно (01 августа 2018 г.). «Передовые концепции микрореакторов» . Прогресс в атомной энергетике . 107 : 61–70. дои : 10.1016/j.pnucene.2018.02.025 . ISSN 0149-1970 . S2CID 125222876 .
- ^ «Федеральный реестр, том 59, выпуск 27 (среда, 9 февраля 1994 г.)» . www.govinfo.gov . Проверено 30 апреля 2023 г.
- ^ https://www.gao.gov/assets/gao-20-380sp.pdf .
- ^ «NASA TechPort — Данные проекта» . techport.nasa.gov . Проверено 21 ноября 2020 г.
- ^ Поттер, Шон (2 мая 2018 г.). «Демонстрация доказывает, что ядерное деление может обеспечить исследовательскую мощь» . НАСА . Проверено 21 ноября 2020 г.
- ^ «Сервер технических отчетов НАСА (NTRS)» . ntrs.nasa.gov . 4 марта 2017 года . Проверено 21 ноября 2020 г.
- ^ «Крошечные ядерные реакторы могут преобразовать производство электроэнергии для отдаленных населенных пунктов и военных объектов… и миссий на Марс» . Журнал ЭПРИ . 20 июня 2019 г. Проверено 21 ноября 2020 г.
- ^ «Министерство обороны построит мобильный микрореактор проекта Пеле и проведет демонстрацию в Айдахо» . Министерство обороны США . Проверено 30 апреля 2023 г.
- ^ «BWX Technologies, Inc. | Сильные люди, инновации» . www.bwxt.com . Проверено 30 апреля 2023 г.
- ^ «Малые атомные энергетические реакторы – Всемирная ядерная ассоциация» .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- https://www.energy.gov/ne/articles/what-nuclear-microreactor Управление по ядерной энергии США: Что такое ядерный микрореактор?
| |||||||||||||||||||||||||||||||
