Китайская «волшебная палочка» из тория

[censored]
Прототип американского реактора на расплавах солей, работавшего на уране-233, итоговом продукте ториевого топливного цикла

Если остановить первого попавшегося человека на улице и спросить его: в чем главная проблема атомной энергетики? Он почти наверняка скажет «аварии и ядерные отходы».

Две главных проблемы

На самом деле, во всех ядерных авариях АЭС за всю историю погибло четыре тысячи человек — столько же, сколько в США XXI века гибло от выхлопов ТЭС в месяц. Даже солнечные батареи на крышах домов убивают больше людей на киловатт-час выработки, чем атомные реакторы. Хотя бы потому, что они требуют огромного числа установщиков, часть из которых неизбежно срывается и гибнет ежегодно — а у АЭС авария с летальным исходом была вообще всего один раз (на Фукусиме, вопреки мифам, от аварии так никто и не погиб). Ядерные отходы тоже трудно назвать такой уж крупной проблемой (скорее, речь о крупной возможности).

Так что аварии и ядерные отходы не самые главные сложности атомной энергетики, есть две других, посерьезнее. Первая и самая важная из них — цена. Дело в том, что атомные реакторы — крупные объекты, и строить их дешево можно, только если делать это постоянно и большими сериями, как в 1960-х. Тогда они получались дешевыми, и вырабатываемое на них электричество стоило как угольное. Сегодня все совсем не так: реакторы строят редко, больших серий нет, и поэтому они выходят действительно дорогими. Электричество от новых АЭС даже в России стоит 5,1 рубля за киловатт-час, а от новых ТЭС — 3,6 рубля за киловатт-час. В западных странах этот разрыв много выше. Да и то, в теории, потому что из строящихся с нуля АЭС на Западе в XXI веке не смогли достроить еще ни одной, хотя попытки и идут с 2005 года. А если их нет. то и цены на них пока остаются все еще теоретическими.

Китай в этом смысле ближе к России: в отличие от современного Запада, он уже показал в этом столетии умение вводить в строй АЭС. Однако и у него стоимость атомного электричества выше, чем от ТЭС. Это огромная проблема: китайцы серьезно страдают от угольного загрязнения воздуха их городов, теряя от него, как видно из прошлогодней публикации в The Lancet, сотни тысяч жизней в год. КНР параллельно активно развивает солнечную и ветровую энергетику, но эти источники энергии хороши только как дополнительные. Попытки использовать их как основные в умеренных широтах приведут к остановке экономического роста, на что Компартия Китая добро никогда не даст.

Вторая заметная проблема АЭС: психологическая. Сегодня общественное мнение целого ряда стран мира настроено против атомной энергетики, в особенности на Западе. В Китае эту проблему решать не нужно, ее там и не было в силу некоторой изолированности медийного пространства от антиатомных — впрочем, как и антивакцинаторских, и антиГМО — настроений, распространенных во внешнем мире.

Однако у Поднебесной серьезные планы на экспорт услуг по строительству своих АЭС за рубежом. В Пакистане она уже начала, в Британии пока только ведет переговоры. Определенно, чтобы проще было строить реакторы на Западе, Пекину было бы неплохо провести ребрендинг: показать, что теперь он использует технологически принципиально новые реакторы, которые нет смысла ассоциировать со старыми, давшими Чернобыль и Фукусиму.

АЭС кажутся дорогими, а ТЭС — дешевыми. А это не так

Самый очевидный напрашивающийся вывод — попробовать сделать атомные реакторы настолько проще и дешевле, чтобы они вырабатывали электричество по цене ТЭС, даже если эти самые реакторы не строить крупной серией.

Современный атомный реактор — это настоящая громадина. Возьмем один из типичных, российский ВВЭР-1000 (и его модификации). Корпус из непростой стали весит примерно 325 тонн — и это единая деталь. Неудивительно, что огромный завод работает над ним минимум полгода. Над корпусом есть еще верхний блок, вокруг него множество других систем. Все это нужно закрыть герметичным железобетонным контайнментом — и в итоге речь идет о конструкции титанических масштабов.

В нашей стране стране добыть точные цифры по интересным гособъектам сложно, поэтому заменим их данными по зарубежным аналогам. В США типичный гигаваттный реактор 1970-х требовал 40 тысяч тонн стали и 215 тысяч тонн бетона. Чем больше материалов, тем больше труда нужно на стройке — и труд этот в итоге стоит даже больше материалов.

Газовая ТЭС — это по сути гигантская горелка с парой турбин и системой отвода тепла, никакого реактора там нет. Поэтому на гигаватт она потребует ~ 3,3 тысяч тонн стали и 65 тысяч тонн бетона В дюжину раз меньше стали, в 3,3 раза меньше бетона. Разумеется, АЭС работает более 90% всего времени в году, а ТЭС — в среднем вдвое меньше, но даже при этом атомная энергетика в момент постройки кажется в разы более материалоемкой, чем тепловая. Откуда и обозначенная выше разница в цене их киловатт-часа.

Почему мы пишем “в момент постройки”? Все просто: основная часть стоимости электричества газовой (да и любой) ТЭС — это топливо. Поэтому киловатт-час со временем станет только дороже, ведь ископаемое топливо на длинных отрезках всегда растет в цене.

А вот АЭС через 12 лет «отобьет» свои капиталовложения. Дальше останутся только текущие расходы — при этом топливо у нее составляет всего 5% стоимости киловатт-часа. Разумеется, что-то менять надо и на АЭС, но куда меньше, чем на ТЭС: турбины атомной электростанции работают при меньшей температуре, и в более стабильном режиме, поэтому у них выше ресурс.

В результате всего этого старые АЭС дают энергию дешевле газовых ТЭС. И делают это подолгу: срок работ новых атомных станций 60 лет, а для некоторых старых рабочую жизнь уже продлили до 80 лет. Скорее всего, то же самое будет и со станциями новой постройки. ТЭС до полной смены оборудования работают заметно меньше. И да, если пересчитать материалоемкость АЭС на все 60 лет ее работы, то на киловатт-час выработки она требует меньше стали и бетона, чем ТЭС. Как видно из таблицы ниже — даже меньше, чем СЭС, ВЭС или ГЭС.

Но все эта дешевая энергия и сверхдолгий срок работы будут когда-то потом, за горизонтом 12 лет. А финансистам энергетических проектов интересны только ближайшие годы. Именно ближайшие годы им нужно обеспечить красивую отчетность, высокую прибыль и все, что положено для хорошего послужного списка. А через дюжину лет они будут работать уже на другом проекте, и будущая — за горизонтом все тех же 12 лет окупаемости — дешевизна атомного киловатт-часа им не особо интересна. С точки зрения интересов общества АЭС, может, и дешевле, но те, кто принимают решения об их строительстве, действуют по принципу «нам эти деньги были нужны еще вчера».

Более половины такой кажущейся высокой стоимости атомного киловатт-часа в первые годы работы АЭС — именно огромные капиталовложения в ее постройку. Чтобы радикально снизить ее стоимость, хорошо бы научиться делать гигаваттные реакторы из тысяч тонн стали и из десятков тысяч тонн бетона. А не из десятков и сотен тысяч, как сегодня.

Как сделать дешевой даже малосерийную АЭС

Шанхайский институт прикладной физики создает в городе Увэй реактор совсем иного типа: всего на 2 «тепловых» мегаватта. Его электрическая мощность — сотни киловатт, то есть пока речь о чисто экспериментальной конструкции. Если с ней все пойдет по плану, в 2020-х построят 373-мегаваттный реактор на том же принципе.

Согласно ряду источников, проект реактора — повтор американского жидкосолевого экспериментального реактора (в рамах MSRЕ). Он работал в США в 1965-1969 году, и технически был весьма необычным. В типичном реакторе твердые «таблетки» топлива помещают в металлические стержни, которые погружают в корпус реактора. Там стержни омывает вода, отбирая у них тепло, и затем уходящая перегретая вода нагревает второй контур теплоносителя, а уже водяной пар из второго контура вращает турбину, давая электричество.

Ториевый реактор на жидких солях использует как топливо уран-233, получаемый из тория-232. Пластины из тория должны устанавливать за стенкой работающего реактора, чтобы вылетающие из последнего нейтроны превращали атомы тория в атомы урана-233. Затем пластину убирают, извлекают из нее получившийся уран и загружают его в реактор. Если реактор жидкосолевой, это происходит без остановки его работы: простым добавлением в рабочий солевой раствор.

В жидкосолевом реакторе американского типа топливо растворено в тетрафторберилляте лития — соли, которая при 459 градусах становится прозрачной. Особенность соли: огромная теплоемкость, заметно выше, чем у воды. Это позволяет сделать активную зону реактора небольшой: емкий теплоноситель все равно успешно отводит тепло от делящегося топлива. Внутри реактор заполнен солью, от распада ядер атомов топлива соль нагревается и отдает свое тепло второму контуру В ходе работы реактора 1960-х в нем использовали два вида топлива: уран-235 и уран-233.

[censored]

Надо сказать, что последнее топливо почти делало тот реактор «ториевым». Ториевый топливный цикл требует, чтобы в стенку реактора устанавливали пластину из тория-232. Вылетающий из реактора нейтрон захватывается ядрами тория-232 и превращается в уран-233 (изменение на единицу как раз за счет нейтрона) В американском эксперименте пластину из тория решили не ставить. Дело в том, что для эффективного захвата нейтронов ее нужно разместить как можно ближе к источнику нейтронов — иначе эффективного захвата не будет. А в экспериментальном реакторе посчитали более важным замерить поток нейтронов. Поставить приборы для подсчета потока до ториевой пластины не вышло бы: ее пришлось бы отдалить от источника нейтронов, отчего наработка урана-233 стала бы затруднительной. В итоге уран-233 получали обстрелом ториевых пластин уже на других, обычных реакторах. А американский жидкосолевой эксперимент так и остался почти ториевым — но все же не совсем.

Логику КНР, копирующей американский проект полувековой давности, несложно понять. Тория на планете в несколько раз больше, чем урана, и пока он никак не используется. Последний раз его массово применяли в XIX веке, делая из него калильные сетки для газовых ламп. Сейчас Китай получает торий в больших количествах как отходы от добычи редкоземельных элементов. Иными словами, там это почти даровое — особенно в сравнении с ураном-235 — сырье.

Есть у ториевого реактора и другие преимущества. Стандартный атомный реактор сегодня работает с внутренним давлением в 160 атмосфер, поэтому ему требуется сверхпрочный корпус. Жидкосолевой реактор работает при примерно атмосферном давлении: прочный корпус не нужен. Меньше получается и размер здания реактора. Ведь тут нет возможности прорыва корпуса перегретым паром, поэтому здание-контайнмент может быть менее прочным, без метрового слоя железобетона, в сегодняшних его аналогах.

Еще более важный момент: температура закипания этой соли очень высока. Воду в обычном реакторе выше 330 градусов не нагреешь даже под давлением: закипит. Жидкая соль в американском реакторе грелась до 650 градусов и была далека от кипения. Резкий подъем рабочей температуры означает повышение КПД. В обычных современных ядерных реакторах он 33-34%, а при росте температуры теплоносителя до 650 градусов может быть увеличен примерно до 50%. То есть при одинаковых размерах и загрузке топлива, новый реактор будет вырабатывать в полтора раза больше электроэнергии, чем аналогичный обычный.

Все это — несомненные и яркие плюсы для экономики АЭС.

Но у проекта старинного американского реактора есть и недостаток, и пока не ясно, как с ним будут бороться в Поднебесной. Дело в том, что при работе в топливе образуется теллур — от бомбардировки компонентов жидкосолевого раствора нейтронами. Это весьма специфический элемент, вызывающий коррозию даже у того никель-молибденового сплава, из которого был сделан реактор. В проектах ряда западных стартапов нашего времени предлагается решить проблему коррозии, удерживая жидкосолевый раствор с торием/ураном в герметичных трубках, погруженных в реактор. Теллур будет образовываться только в них, а в окружающей соли ядерного топлива не будет, а значит там не возникнет и коррозионоопасный теллур. Вынимать и менять тонкие трубки раз в год-два явно удобнее, чем «лечить» от коррозии реактор в целом. Такая схема была бы заметно проще в длительной эксплуатации.

Если китайский проект удастся реализовать с заявленными характеристиками, то Пекин получит реактор, который может быть не слишком материалоемким — и, как следствие, довольно дешевым.

Нужен ли вообще торий в этой схеме?

При всех плюсах жидкосолевых реакторов к ним есть и весомые вопросы. Во-первых, в мире нет никакого дефицита урана: цены на него ниже средних исторических значений. К тому же в цене атомного киловатт-часа топливо занимает всего 5% — какой смысл всерьез на нем экономить, если куда важнее сделать менее дорогой реактор?

Ведь ничто не мешает создать жидкосолевые реакторы на обычном уране-235 (или даже плутонии-239). Да, Китай до недавнего времени не мог создать такие реакторы, так как не имел достаточного опыта в ядерной отрасли. Россия — из-за отсутствия острой нужды в новых типах реакторов (ее энергопотребление слишком слабо растет). А США и другие западные страны не могли этого сделать потому, что их игроки атомной отрасли испытывали настолько большие проблемы, что им было не до новых конструкций. Но сегодня КНР накопила достаточно опыта в ядерной сфере, и вполне способна реализовать подобный проект. На фоне ториевого направления он выглядит как минимум не менее работоспособным и не требует развертывания новой топливной индустрии: ведь уран получают в нужных количествах уже давно.

Плюсами — и несомненными — жидкосолевых урановых реакторов было бы отсутствие необходимости отлаживать новый ториевый топливный цикл. Уран-233, который нужно получить из тория-232, содержит примесь урана-232, а это крайне радиоактивный материал. Если уран-235 можно безопасно брать руками, то простое нахождение рядом с ураном-233 способно нанести серьезный вред здоровью за считаные минуты. Пока он в реакторе, это не проблема. Но ведь, чтобы извлечь уран-233 (а с ним и уран-232) из обстрелянной нейтронами ториевой пластины, ее нужно снять, перенести в помещение с разделительным оборудованием и переработать. В каждой из этих операций уран-233 может быть опасен для людей, а работающее с ним оборудование рано или поздно станет источником серьезной наведенной радиации.

Во-вторых, ториевые реакторы при работе дают мало “лишних” нейтронов, поэтому из них выходят не очень хорошие реакторы-размножители. (Размножителями называют реакторы, создающие трансмутацией больше ядерного топлива, чем они расходуют). Урановые и плутониевые реакторы, напротив, могут получать на десятки процентов больше топлива (из “нетопливного” урана-238), чем тратят для своей работы. Такие установки-бридеры способны превратить в ядерное горючее уран-238, которого только в нашей стране накопились многие сотни тысяч тонн.

Уран-238 уже извлечен из земли, это просто отходы при получении урана-235. Но сейчас отходы просто хранятся в ожидании своего часа, лишь реакторы-размножители способны сделать их ценным топливом. Те же российские реакторы на быстрых нейтронах — типа уже построенного БН-800 — можно использовать для превращения урана-238 в плутоний-239. Ториевые реакторы как размножители слабы, поэтому на практике смогут работать только на ископаемом тории. Торий рано или поздно закончится. А нынешних запасов урана-238, уже извлеченных из земли и хранящихся у «Росатома», всему человечеству хватило бы на века — даже при условии отказа от всех неатомных источников энергии.

Внимание, есть еще в-третьих: “урановые” или “плутониевые” реакторы на быстрых нейтронах могут иметь меньший объем активной зоны, чем их “ториевые” собратья. А меньшая активная зона ведет к меньшему реактору, и его меньшей материалоемкости. Цена же, напомним, — главное, ради чего затевается вся эта ториевая история.

Подытожим. Попытка в наши дни воспроизвести американский жидкосолевой проект полувековой давности — бесспорно, все еще инновация. Ведь у таких реакторов есть серьезные потенциальные плюсы перед современными серийными. С высокой вероятностью за жидкосолевыми реакторами серьезное будущее, и тот же «Росатом» планирует построить один такой в ближайший десяток лет (правда, не на тории). Особенно интересным были бы реакторы-размножители на жидких солях: они могли бы быть проще в обращении, чем натриевые, типа современного российского БН-800.

Но вот выбор конкретного вида топлива для китайского жидкосолевого реактора действительно вызывает недоумение. В мире нет недостатка в ядерном горючем — и в обозримые тысячи лет его и не предвидится. Зачем в такой ситуации искать ему довольно непростой в обращении ториевый заменитель?

Возможный ответ на этот вопрос заключается в том, что атомную программу Китая в конечном счете финансируют политики. Если вы — председатель компартии огромной страны, то не можете лично вникать в плюсы и минусы всех ее проектов. Более вероятно, что вы «веерно» профинансируете все новые технологии, обещающие вашему государству остановку сотен тысяч «угольных» смертей в год. А уже потом, после получения опыта их эксплуатации, будете решать, что из новых проектов станет основой энергетики для вашей цивилизации.

Если у Китая получится выбрать верно, он окажется в уникальном положении. Западный мир по ряду причин больше не может поддерживать свою ядерную отрасль в прежней форме. Россия, теоретически, лишена этой проблемы, но ее экономика не растет, а без роста новые электростанции серийно строить не получится. С макроэкономической точки зрения вероятность перехода российской экономики к невосстановительному росту во всем обозримом будущем пренебрежимо мала.

Поэтому очень вероятно, что изо всех серьезных игроков только Пекин имеет шансы на крупносерийное строительство новых атомных реакторов уже в первой половине этого столетия. В этом случае он станет единственной крупной страной мира с экологически чистой энергетикой, не ведущей своих владельцев в экономический тупик.

Что меня всегда удивляет, так это безапелляционность. Есть коллективы ученых по всему миру, работающих над идеями. И почти всегда есть считающий себя умнее всех Вася Пупкин с ресурса с мировым именем, который говорит что ничего не выйдет, и идея говно.