Атомные электростанции обладают серьезными плюсами по сравнению с другими видами генерации. В первую очередь, это низкая стоимость выработки электроэнергии на уже построенных мощностях, производство достаточно больших объемов электроэнергии в энергодефицитных регионах, где нет возможности эффективного использования других источников, и наконец, нулевые выбросы СО2.
Однако, атомная промышленность обладает и существенными минусами. Среди них высокая стоимость и долгие сроки строительства, инертность и низкая конкурентоспособность в быстроменяющихся условиях рынка, сложность технологических процессов и, наконец, риски неконтролируемых реакций, которые могут обернуться масштабными разрушениями, а также проблемы утилизации ядерных отходов от деятельности АЭС. Последние факторы привели к крайне негативному отношению населения к атомной энергетике. В массовом сознании (в том числе благодаря 30-летнему мультсериалу The Simpsons, воспитавшему не одно поколение людей на планете) до сих пор живет образ железной бочки с желто-черным символом радиации, из которой вытекает что-то зеленое и светящееся. Авария на АЭС «Фукусима» в Японии в марте 2011 года обернулась для атомной отрасли настоящим кризисом. Многие европейские страны под предлогом угрозы безопасности свернули ядерные программы и отказались от дальнейшего развития этого направления энергетики
Запланированный энергопереход Европы на безуглеродную экономику дает атомной промышленности шанс на ренессанс. Тем более, что многие проблемы отрасли, в том числе и проблемы безопасности, могут быть решены за счет использования вместо урана такого металла как торий.
Громовержец без бомбы
Торий – это мягкий, слаборадиоактивный металл, описанный еще в 1828 году шведским ученым Йенсом Якобом Берцелиусом. Именно он предложил назвать ничем не примечательный серебристый металл в честь грозного норвежского бога Тора – повелителя грома и молний. Непосредственно открыт этот металл был намного позже – в 1882 году Ларсом Фредериком Нильсоном. На текущий момент известно порядка 30 изотопов тория, но период полураспада большинства из них составляет от 10 минут до 30 дней. Наиболее стабильным изотопом с периодом полураспада в 14 млрд лет является торий 232. Именно из него состоит природный торий.
Торий 232 — чётно-чётный изотоп, то есть у него чётное число протонов и нейтронов, поэтому он не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным топливом. Это свойство сначала долго ограничивало использование тория в ядерных реакциях, а потому стало залогом его успеха.
Еще в сороковых годах прошлого века ученые обратили внимание, что при облучении тория-232 нейтронами его атомы распадаются с выделением большого количества энергии. В результате после нескольких промежуточных реакций получается уран-233, который сам по себе является хорошим ядерным топливом, подходящим для всех типов современных реакторов.
Такая технология обладает рядом серьезных преимуществ. Природный торий почти на 100% состоит из тория-232. Это значит, что в отличие от урановой руды, содержащей 0,7% урана, его не надо обогащать с помощью затратных и сложных технологий. Иными словами, в энергетическом выражении 1 тонна добываемого природного тория эквивалентна 200 тоннам урановой руды или 3,5 млн тонн угля.
Природный торий содержится в 12 достаточно распространенных на Земле минералах, его запасы в три-четыре раза превышают запасы урана. Наибольшими запасами обладают Австралия, Индия, Норвегия, США, Канада, ЮАР, Бразилия, Киргизия.
При распаде тория не образуется плутоний и другие продукты с долгим периодом полураспада. Это означает, что при работе ториевых реакторов не выделяются опасные радиоактивные отходы. Как ни странно, именно это свойство тория привело к отказу от его использования в атомной промышленности, так как в основном данные разработки финансировались вооруженными силами. Выбор на несколько десятков лет был сделан в пользу урановых реакторов, вырабатывающий оружейный плутоний.
Единственной страной, которая в течение всей второй половины двадцатого века продолжала работать над ториевыми установками, была Индия. Страна не подписала договор о нераспространении ядерного оружия. Поставки урана в Индию были запрещены, но она обладает значительными запасами тория. В результате был построен экспериментальный реактор по выработке урана 233 из тория мощностью 13 МВт на АЭС “Калпаккам». Однако революции в отрасли он не произвел.
Реактор с выключателем
Вторую жизнь в развитие атомной энергетики на основе тория вдохнул лауреат Нобелевской премии и премии «Глобальная энергия» Карло Руббиа. Он предложил в рамках Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN) в ториевом реакторе использовать ускоритель протонов. Ускоритель разгоняет протоны до скорости в три четверти скорости света. Попадая в атомы тория, протоны вызывают их распад с выделением огромного количества нейтронов, которые используются для стимулирования ядерных реакций. В качестве теплоносителя применяется свинец. В результате этой реакции выделяется большое количество тепловой энергии, которую частично можно преобразовать в электрическую и выдавать в сеть.
Ториевая установка достаточно безопасна, поскольку выключение протонного ускорителя приводит к прекращению работы реактора (не считая распада промежуточных элементов).
Но главный ее плюс – практически полное отсутствие радиоактивных отходов. Вырабатываемый уран используется в дальнейшем как вторичное ядерное топливо. Отходы, которые производит ториевый реактор, в сравнении с урановым составляют менее 1%. Более того, их период полураспада едва превышает 200 лет в отличие урановых отходов, которые могут быть радиоактивными в течение тысячелетий. Такая установка не требует строительства глубоких могильников для захоронения отходов. Кроме того, ториевая установка не производит вредных выбросов в атмосферу, в первую очередь СО2.
Несмотря на огромное количество плюсов, такие ториевые установки пока не получили широкого развития из-за высоких затрат на строительство ускорителя. Кроме того, КПД такой установки остается не очень высоким, так как работа ускорителя остается достаточно энергозатратной.
К.Руббиа несколько раз лично пытался добиться от Евросоюза финансовой поддержки для дальнейшей разработки подобных установок. Но в итоге в 2010 году продал патент ториевого реактора норвежской компании Aker Solutions. Проект строительства реактора ADTR (субкритический реактор с ускорительной системой) оценивается в 3 млрд долларов. Мощность установки может достигать 600 МВт. Реактор планируется разместить под землей, что даст возможность обойтись без мощного железобетонного защитного купола. Предполагается, что на одной загрузке ториевого топлива он сможет проработать несколько лет.
Жидкие реакторы
Еще одним вариантом использования тория является создание реакторов, работающих на жидком топливе – так называемых Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR). Эти реакторы вместо твердых топливных элементов предполагают использовать в качестве теплоносителя расплавы солей — фторидов, в которых хорошо растворяются оксиды тория и урана. Температура в таком реакторе достигает 540 градусов, но атмосферное давление достаточно низкое, что исключает возможностей аварийных взрывов. Система обладает способностью к саморегуляции. Если расплав солей перегревается, он расширяется в объеме, в результате в поле действия источника нейтронов попадает меньше атомов тория, и реакция замедляется. При охлаждении смесь, соответственно, сжимается, что позволяет ускорить реакцию. Таким образом, ториевый реактор не требует наличия сложной системы управления, как на традиционных АЭС.
Проект позволяет организовать непрерывный вывод продуктов деления из зоны реакции и подпитку его свежим топливом. То есть расплав с повышенным содержанием продуктов деления тория можно перекачать в отстойник, где будет происходить его преобразование в уран-233. В случае отключения электроэнергии, как при аварии на «Фукусиме», охлаждение прекращается, «пробка» расплавляется, и смесь стекает в бак, где ядерная реакция прекращается из-за отсутствия источника нейтронов, а расплав остывает.
Процессы в таких реакторах не требуют установок большой мощности, поэтому, по мнению ученых, могут использоваться в качестве городских и даже районных электростанций. Их КПД значительно выше ториевых реакторов на твердых теплоносителях. Кроме того, затраты на строительство таких установок значительно меньше, чем на урановые.
Несмотря на очевидные преимущества ториевых реакторов, их разработка не получила массового распространения. В начале 2000-х Евросоюз исключил их внедрение из своих энергетических планов, в том числе под давлением Франции, обладающей собственной урановой атомной генерацией. Промышленным внедрением ториевых реакторов пока занимаются Индия и Китай. Однако европейский курс на построение пусть дорогой, но чистой энергетики может дать второй шанс развитию ториевой атомной промышленности.
