Современное общество развивается семимильными шагами, в связи с чем каждый день нуждается в бо́льших количествах различных ресурсов. Главный ресурс человечества сейчас – энергия. Можете ли вы представить современную жизнь без интернета, новомодных девайсов и гаджетов, современных транспортных средств, неоновых вывесок и освещения? Современная жизнь и энергия стали неразделимыми понятиями.
Основная часть энергии производится путём переработки природных топливных ископаемых. К сожалению, запасы этих ископаемых не вечны и в недалёком будущем они иссякнут. Решением этой проблемы является использование альтернативных источников энергии.
Самая перспективная отрасль энергетики – атомная. Другие виды альтернативной энергетики не смогут в ближайшем будущем обеспечить человечество энергией на все 100%. Их эффективность весьма мала, а стоимость велика. В связи с этим, мы решили представить вашему вниманию 5 трендов атомной энергетики, которые в ближайшем будущем изменят мир.
1. Реактор на быстрых нейтронах.
Реактор на быстрых нейтронах — ядерный реактор, в активной зоне которого нет замедлителей нейтронов и спектр нейтронов близок к энергии нейтронов деления (~105 эВ). Нейтроны этих энергий называют быстрыми, отсюда и название этого типа реакторов. Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы. В 1960—80-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах активно велись в США, СССР и ряде европейских стран.
В реакторе на быстрых нейтронах часть энергии нейтронов идет, как и в обычных реакторах, на поддержание реакции деления основного компонента ядерного топлива, урана-235. А еще часть энергии поглощается оболочкой, сделанной из урана-238 или тория-232. Эти элементы для обычных реакторов бесполезны, но, если в их ядра попадают нейтроны, они превращаются плутоний-239 или уран-233 соответственно, которые используются в ядерной энергетике в качестве топлива. Таким образом топливная база ядерной энергетики значительно расширяется, что делает реактор на быстрых нейтронах очень актуальным.
На данный момент есть лишь два реактора, работающих на данной технологии. Это реактор БН-600 Белоярской АЭС, построенный советскими инженерами и реактор БН-800 той же Белоярской АЭС, построенный российскими инженерами. Аналогичные реакторы в других странах прекратили свою работу из-за того, что не удалось довести до ума конструкцию реактора, а реакторы на тепловых нейтронах оказались проще в сооружении и эксплуатации.
Проблема реакторов на быстрых нейтронах в топливе. Реакторы на быстрых нейтронах работают на смеси обогащенной окиси урана и окиси плутония — это так называемое мокс-топливо. Теоретически оно должно быть дешевле обычного в силу того, что использует плутоний или уран-233 из облученного в других реакторах недорогого урана-238 или тория, но пока мокс-топливо проигрывает в цене обычному. Сейчас российские инженеры ведут работу по созданию нового реактора БН-1200, который будет сопоставим с самыми перспективными мировыми проектами тепловых реакторов.
2. Ядерная электродвигательная установка.
ЯЭДУ иногда путают с ядерным ракетным двигателем, что не совсем корректно, так как ядерный реактор в ЯЭДУ используется только для выработки электроэнергии. Она, в свою очередь, используется для запуска и питания электрического ракетного двигателя (ЭРД), а также обеспечивает электропитание бортовых систем космического аппарата.
В данный момент наиболее распространены химические ракетные двигатели, в которых, в результате экзотермической химической реакции горючего и окислителя (вместе именуемых топливом), продукты сгорания нагреваются в камере сгорания до высоких температур, расширяясь, разгоняются в сверхзвуковом сопле и истекают из двигателя. Они позволяют исследовать лишь ближайшие космические объекты, так как скорость полёта весьма ограничена. Конечно, космический корабль при наличии достаточного количества топлива долетит и до дальних объектов, но на это потребуются столетия. ЯЭДУ станет прорывом в космонавтике, так как реактивная тяга такого двигателя будет в 20 раз выше, чем у химических аналогов. Для сравнения: кораблю на химическом ракетном двигателе потребуется 1,5 года, чтобы совершить полёт на Марс, корабль на ЯЭДУ за 1,5 месяца долетит до Марса и вернётся на Землю.
ЯЭДУ состоит из трёх основных устройств: реакторной установки с рабочим телом и вспомогательными устройствами, электроракетной двигательной установки и холодильника-излучателя. Радиационная безопасность обеспечивается теневой защитой, поэтому реактор закрывают только с одной стороны — с той, где расположено оборудование и полезный груз. Излучение может свободно распространяться вовне защищённой зоны в открытый космос, что позволяет снизить вес защитной конструкции.
Работы по созданию начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем начались в России в 2010 году. По словам директора и генерального конструктора ОАО «НИКИЭТ», которое конструирует реакторную установку, Юрия Драгунова согласно плану ЯЭДУ должна быть готова в 2018 году. На начало 2016 года, завершено эскизное проектирование, проектная документация, завершены испытания системы управления реактором, проведены испытания ТВЭЛ, проведены испытания корпуса реактора, проведены испытания полномасштабных макетов радиационной защиты реакторной установки.
3. Ядерная батарейка.
Коллектив исследователей из Московского института стали и сплавов под руководством заведующего кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков профессора Юрия Пархоменко представил прототипы радиоизотопных батареек, созданных по технологии преобразования энергии бета-излучения в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков.
Такие батарейки часто называют также «ядерными», поскольку в них используется процесс бета-распада, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона. Хотя бета-распад – один из видов радиоактивного излучения, людям нечего бояться. Бета-излучение в данном случае обладает малой проникающей способностью и легко задерживается оболочкой.
Источником в данном мини-аккумуляторе вступит «никель-63» - радиоактивный изотоп никеля, который позволит батарейке работать, как минимум, пятьдесят лет. Причем, в отличие от современных аккумуляторов новая батарейка будет не только намного долгоиграющей – она и по своим габаритам установит настоящий рекорд в миниатюрности. И не стоит пугаться, что эта батарейка работает на атомной энергии, принцип ее функционирования аналогичен фотоэлектрическому эффекту с небольшой разницей замены фотонов на бета-частицы. При этом бета-излучение настолько слабое, что оно не выходит наружу, а поглощается самим процессом внутри мини-аккумулятора.
Чтобы компенсировать малую мощность природного бета-распада, физики используют импульсный режим с накоплением заряда. В этом случае удается обеспечить непрерывную мощность электрического тока 10-100 нановатт с каждого кубического сантиметра устройства. Такой мощности достаточно для питания, например, кардиостимулятора.
Выбор в качестве источника энергии несуществующего в природе изотопа «никель-63» неслучаен. В нашей стране разработана также уникальная технология его выработки в специальных ядерных реакторах и обогащения до необходимых «не ниже 80%». Производство батареек запланировано на Горно-химическом комбинате в Красноярском крае.
Гендиректор ФГУП "НИИ НПО Луч" (предприятие Росатома) Павел Зайцев презентовал ядерную батарейку на международном форуме "Атомэкспо-2017". На сегодняшний день, несмотря на скромные вольт-амперные характеристики, такой источник питания может уже рассматриваться в качестве источника питания для медицинских кардиостимуляторов. Последующие модификации безусловно будут иметь бо́льшую область применения, но ближайшей задачей является запуск массового производства. Уникальные характеристики разработанного устройства, его компактность и безопасность позволяют надеяться на его конкурентоспособность на рынке аналогичных источников питания.
Сегодня единственным препятствием повсеместного распространения «ядерных батареек» выступает их высокая стоимость. По оценкам экспертов, стоимость 1 грамма радиоактивного никеля составляет порядка 4000 долларов, а изготовление одной «батарейки» может обойтись в 4,5 миллиона рублей. Такое затратное производство объясняется сложной технологической цепочкой получения изотопа никель-63, не существующего в природе. Впрочем, если наукоемкие и технологичные устройства успешно апробируют технологию, то и необходимый для них объем будет расти, а себестоимость одной батарейки — падать.
4. Плавучая АЭС.
Впервые плавучие реакторы гражданского назначения использовались в США для обеспечения энергией Панамского канала 1966—1976) и американской исследовательской базы в Антарктике (1962—1972).
В Советском союзе с 1972 года «ОКБМ Африкантов» вело разработки проектов реакторных установок малой мощности, которые позволили бы эффективно решать проблемы обеспечения энергоснабжения удаленных районов с децентрализованным электроснабжением и дорогим топливом.
Одним из примеров таких разработок является плавучий энергоблок (ПЭБ). Это энергетический объект, который целиком создается на судостроительном заводе как несамоходное судно и затем буксируется морским или речным путем к месту его эксплуатации.
ПЭБы разработаны для эксплуатации в труднодоступных районах Арктической зоны и способны выдерживать экстремальные условия окружающей среды. Кроме того, оборудование плавучего энергоблока отвечает всем требованиям по надежности и безопасности, в том числе рекомендациям по ядерной и радиационной безопасности Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).
Таким образом, в России плавучий энергоблок востребован, прежде всего, в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, которые не охвачены единой энергетической системой и нуждаются в надежных и экономически приемлемых источниках энергии. В мире плавучие энергоблоки могут быть востребованы в регионах с регулярными цунами, паводками и некоторыми другими природными катаклизмами. ПЭБ может использоваться в составе водоопреснительного комплекса, в этом случае применяются либо технология обратного осмоса, либо многоступенчатые испарительные установки. Интерес к таким комплексам проявляют многие страны Африки, Азии и Европы, испытывающие острый дефицит пресной воды.
Плавучий энергетический блок «Академик Ломоносов» проекта 20870 – первый ПЭБ предназначенный для работы в составе плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС).
Первая российская ПАТЭС состоит из гладкопалубного несамоходного судна, длиной - 144 метра, шириной - 30 метров, водоизмещением - 21,5 тысячи тонн.
Станция будет оснащена двумя реакторными установками КЛТ-40С, которые способны вырабатывать до 70 МВт электроэнергии и 50 Гкал/ч тепловой энергии в номинальном рабочем режиме, что достаточно для поддержания жизнедеятельности города с населением около 100 тыс. человек. Концерн «Росэнергоатом» в соответствии с графиком строительства береговых сооружений ориентирован на срок ввода плавучей станции в эксплуатацию в 2019 году.
Учитывая, что ПЭБ «Академик Ломоносов» является головным, начало его эксплуатации позволит говорить о практическом использовании атомной энергии для обеспечения теплом и энергией отдаленных районов. В данный момент это самое перспективное решение данной проблемы.
5. Водородное топливо.
Водородная энергетика не имеет прямого отношения к атомной, она определяется как отдельный вид альтернативной энергетики. У данного типа энергетики имеются 2 проблемы: стоимость производства водорода и затрата энергии на это производство. К сожалению, в данный момент нет аккумуляторов электрической энергии большой ёмкости, которые смогли бы обеспечить длительное функционирование электромобиля. Водород же является самым перспективным заменителем бензина на данный момент.
Связь с атомной энергетикой заключается в том, что производство водородного топлива возможно наладить прямо на АЭС с использованием атомной энергии. До создания аккумулятора большой ёмкости для электромобиля, водород станет новым топливом для двигателей внутреннего сгорания. Так как это самый распространённый элемент на Земле, недостатка в топливе не возникнет.
В чем же состоит идея? Известно со школьной скамьи, что небольшие количества водорода можно получать с помощью процесса электролиза, когда под воздействием электрического потенциала молекула воды распадается на водород и кислород. Но в этом случае затраты энергии на производство выше, чем можно будет получить при обратной реакции.
Процесс электролиза становится более эффективным, а значит и более дешевым, если воду разогреть до газообразного состояния, то есть превратить ее в пар. А на АЭС пар в избытке и источник электричества для электролиза находится здесь же. К тому же при отладке производства до промышленных масштабов стоимость водородного топлива заметно снизится, и оно сможет конкурировать с бензином и дизельным топливом. Атомные электростанции нового поколения смогут решить топливную проблему, которая остро станет в ближайшем будущем.
Проблема внедрения водородного топлива заключается в отсутствии инфраструктуры. Так как нехватки нефти в данный момент нет, а обычное топливо дешевле водородного, количество транспортных средств, использующих водородное топливо, очень мало, в сравнении с транспортными средствами, использующими обычное топливо. Из-за этого развитие «водородной» инфраструктуры нерентабельно. Но с каждым годом инфраструктура развивается, производство водорода и «водородных» машин увеличивается. Нет сомнения, что, когда человечество ощутит нехватку нефти и, соответственно, бензина и дизельного топливо, водородный аналог сможет в короткие сроки заменить последние и решить топливную проблему.
5 представленных нами трендов являются ключевыми в атомной энергетике на данный момент и весьма актуальными в мировом масштабе. Мы верим, что в ближайшее время они будут реализованы и упростят жизнь человечества.