Поколение с видами на Марс

Ядерные реакторы четвертого поколения или на каком двигателе можно долететь от Луны до Марса

О том, что такое ядерные реакторы четвертого поколения, как с их помощью снизить стоимость электроэнергии и на каком двигателе можно долететь от Луны до Марса, рассказал на фестивале науки «КСТАТИ: горизонт событий» (организован информационным центром по атомной энергии в Новосибирске) доктор физико-математических наук Игорь Шаманин. Предлагаем читателям тезисы из его выступления.

О преобразовании энергии

Сначала немного азов. Ядерные энергетические технологии — это технологии преобразования энергии внутриядерного взаимодействия в утилитарный вид энергии: механическую, тепловую, электрическую. Есть несколько способов такого преобразования. Первый — внутриядерная энергия сначала преобразуется в тепловую, затем тепловая — в кинетическую энергию пара, а кинетическая в механическую энергию вращения ротора турбины, который соединен с электрогенератором. В результате мы получаем электроэнергию. Этот способ реализован на АЭС.

Второй — преобразование внутриядерной энергии в тепловую, а тепловой — в электрическую. «Здесь используется известный эффект Зеебека, или то, что мы называем термоэлектричеством, — поясняет Шаманин. — Цепочка не такая длинная, но есть объективные обстоятельства, которые не позволяют широко использовать такую схему».

Третий — преобразование, при котором происходит не цепная реакция деления, а естественный радиоактивный распад долгоживущих актинидов. Например, альфа-распад, при котором образуются альфа-частицы. Они имеют приличную кинетическую энергию, тормозят в конденсированном веществе, и их кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию вещества, в котором они термолизуются. Вещество греется, и мы можем к нему приложить термопару, в результате чего у нас появится электродвижущая сила.

Справка. Эта технология нашла применение и на земле, и в космосе. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы, РИТЭГи, являются бортовыми источниками электроэнергии. Например, американский марсоход Curiosity оснащен РИТЭГами с плутонием-238, он альфа-радиоактивен.

Четвертый сценарий — бета-вольтаические элементы питания, где бета-излучение радиоактивного изотопа никеля с помощью полупроводника преобразуется в электрическую энергию. Аналог фотоэлектрического эффекта, с той разницей, что образование электрон-дырочных пар в кристаллической решетке полупроводника происходит под воздействием бета-частиц (быстрых электронов), а не фотонов.

О реакторной династии

Сегодня российские ядерные технологии вне конкуренции. После Чернобыля в мире был период резкой потери интереса к ядерной энергетике. Политические решения привели к тому, что в Европе такие серьезные игроки, как Areva (в 2018 году переименована в Orano.— прим.ред.), перестали серьезно вкладываться в атомные технологии и отстали.

«В настоящий момент наши серийные энергоблоки на базе ВВЭР поколения III+ расходятся как горячие пирожки», — утверждает Игорь Шаманин.

Справка. В мире эксплуатируются 454 энергоблока, большинство из них - в Европе и США. В России - 37. Вклад атома в производство электроэнергии - 27,12 %.

Поколение I. Первые ядерные реакторы были неэнергетическими. Их основным назначением была наработка оружейного плутония. Позже появились реакторы двойного назначения, на которые поставили паровую турбину.

Поколение II. К нему относят большинство реакторных установок, которые эксплуатируются сегодня.

Поколение III и III+. Это в большинстве своем реакторы с водой под давлением в районе 160 атмосфер, которая не кипит. Именно такие реакторы строит «Росатом» и в России, и за рубежом.

Поколение IV. Эти реакторные установки в стадии разработки. По ним идут разноплановые исследования, в основном в области материаловедения?— нужны материалы, которые будут функционировать не менее 60 лет при высокой температуре в условиях воздействия потоков нейтронов и гамма-излучения.

Справка. По международной классификации к четвертому поколению относятся, во-первых, реакторы на быстрых нейтронах с газовым, свинцовым (к примеру, российский БРЕСТ-ОД-300) и натриевым охлаждением; во-вторых, реакторы на тепловых нейтронах: высокотемпературный гелиевый реактор с графитовым замедлителем, высокотемпературный реактор с водяным теплоносителем под высоким давлением и реактор на расплавленных солях.

Отдельного внимания заслуживает сверхтемпературная реакторная установка. Ее тепловая мощность доходит до 600 МВт, а в качестве теплоносителя выступает гелий. То есть реактор работает на тепловых нейтронах. Отличительная особенность установки в том, что она позволяет производить водород для промышленного применения.

О плюсах четвертого поколения

В обычной АЭС эффективность преобразования энергии ядерного деления в электрическую не превышает 30 %. В установках четвертого поколения КПД теоретически может достигать 70 %. Понятно, что в таком случае стоимость киловатт-часа будет значительно ниже. Обычный тепловой реактор работает на мощности около 300 эффективных суток.

Потом — плановый останов. Нужно извлечь выгоревшее топливо и загрузить свежее. Простой приводит к экономическим потерям. Продолжительность работы на мощности реакторной установки четвертого поколения может доходить до 3,5 тыс. эффективных суток. Это минимум 10 лет между перегрузками.

Реакторные установки четвертого поколения куда более безопасны, а некоторые концепции предполагают использование обогащенного ядерного материала только на старте, чтобы запустить процесс деления.

О полетах от Луны до Марса

Идут интенсивные работы над ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса для космоса. Ее тоже можно отнести к четвертому поколению, и Россия здесь тоже первая. Чтобы эксплуатировать бортовую ядерную установку, нужно решить проблему биологической защиты, а также обеспечить приемлемые массогабаритные характеристики. Для этого нужно уменьшить плотность потока нейтронов и увеличить концентрацию делящегося материала. Это сложности преодолимые.

В настоящее время ядерная отрасль России оказалась вне конкуренции и догнать ее сложно. «Выбор ядерной индустрии в качестве локомотива экономики позволит сначала подтянуть на достойный уровень машино-, приборостроение, автоматику, электронику и другие смежные отрасли, а там произойдет закономерный переход количества в качество», — убежден Игорь Шаманин.

Подготовил Аревик Акопян Газета "Страна Росатом" № 2 (370) strana-rosatom.ru