Американская компания Clean Core Thorium Energy сообщила о завершении масштабных испытаний своего нового ядерного топлива ANEEL – Advanced Nuclear Energy for Enriched Life. Тесты проводились в течение двух лет на базе реактора Advanced Test Reactor в Национальной лаборатории Айдахо в США.
Смотрите также Германия делает ставку на термоядерную энергию: в стране построят реактор Alpha
Может ли торий изменить будущее атомной энергетики?
По словам разработчиков, топливо продемонстрировало более чем в восемь раз выше показатель выгорания по сравнению с традиционным топливом для тяжеловодных реакторов под давлением. Именно этот параметр определяет, сколько энергии можно получить из определенного количества ядерного топлива.
ANEEL является смесью тория и высокоанализированного низкообогащенного урана – HALEU. Такой уран содержит большую концентрацию изотопа урана-235, который отвечает за поддержку цепной ядерной реакции. Сегодня большинство обычных реакторов использует топливо с обогащением до 5% урана-235.
В то же время тяжеловодные реакторы работают совсем иначе. Они используют так называемую "тяжелую воду" – оксид дейтерия – для охлаждения и контроля реакции. В таких системах обычно применяется почти необогащенный уран с содержанием урана-235 около 0,72%.
По данным Idaho National Laboratory, именно это существенно ограничивает эффективность традиционного топлива для таких реакторов.
Испытания стартовали в мае 2024 года, пишет Gizmodo. Исследователи загрузили в реактор 12 экспериментальных топливных стержней ANEEL. Для них установили три целевые показатели выгорания – 20, 40 и 60 гигаватт-дней на метрическую тонну урана.
Уже в прошлом году восемь стержней успешно достигли первых двух целей, а недавно остальные четыре превысили максимальный показатель в 60 гигаватт-дней на метрическую тонну. В компании отмечают, что условия внутри реактора Advanced Test Reactor были значительно жестче, чем те, с которыми топливо столкнулось бы в реальных коммерческих реакторах. Это позволило получить данные о поведении топлива во время ускоренного моделирования длительной эксплуатации.
Рентгеновский снимок нескольких облученных капсул, демонстрирующий целостность топлива / Фото CCTE
Генеральный директор Clean Core Thorium Energy Мехул Шах заявил, что главной целью компании было практическое внедрение тория в современный ядерный топливный цикл без необходимости создавать совершенно новые типы реакторов.
По его словам, если топливо ANEEL сможет обеспечить уровень генерации энергии, сопоставимый с легководными реакторами, это откроет путь к более эффективной атомной энергетике с меньшим объемом долгоживущих радиоактивных отходов, повышенной безопасностью и лучшим использованием топлива.
Сейчас экспериментальные топливные стержни проходят послереакторное исследование в лабораториях Idaho National Laboratory. Следующим этапом должны стать демонстрационные испытания ANEEL уже на коммерческих атомных электростанциях.
Безопасность и риски ториевого топлива ANEEL
Разработчики ANEEL называют одним из главных преимуществ топлива повышенную безопасность. Торий имеет более высокую температуру плавления и лучшие тепловые характеристики по сравнению с традиционным урановым топливом, и это подтверждают исследования на сайтах ScienceDirect и ResearchGate.
Это означает, что топливные элементы теоретически лучше выдерживают перегрев и аварийные режимы работы реактора. Исследования также указывают на более высокую "пролиферативную устойчивость" ториевого цикла – то есть меньшую пригодность для создания ядерного оружия.
В случае ANEEL дополнительным преимуществом является то, что топливо создавали как "drop-in replacement" – замену для существующих тяжеловодных реакторов без необходимости полного перепроектирования энергоблоков. Это потенциально снижает технические риски при внедрении, пишет CNL.
Впрочем, ториевое топливо не является полностью безопасным или "безотходным". Международное агентство по атомной энергии отмечает, что ториевый топливный цикл все еще требует сложной инфраструктуры для переработки, контроля и хранения отработанного топлива.
Кроме того, некоторые изотопы, образующиеся во время работы реактора, остаются радиоактивными и требуют длительного контроля.
Что будет с отходами?
Одна из главных причин интереса к торию – значительное сокращение количества долгоживущих радиоактивных отходов. В традиционных урановых реакторах образуются большие объемы плутония, америция и других трансурановых элементов, которые могут оставаться опасными десятки тысяч лет.
В ториевом топливном цикле таких элементов возникает гораздо меньше. По данным профильного исследования і Австралийской ядерной ассоциации, отработанное ториевое топливо имеет низкую радиотоксичность уже через несколько сотен лет, тогда как классические урановые отходы остаются опасными значительно дольше.
Для энергетики это важно сразу по нескольким причинам.
- Во-первых, уменьшается нагрузка на хранилища ядерных отходов и расходы на их долгосрочное хранение.
- Во-вторых, это частично решает одну из самых больших общественных проблем атомной энергетики – страх перед накоплением радиоактивного мусора.
Именно вопрос отходов десятилетиями остается одним из ключевых аргументов критиков АЭС.
Напомним , что Clean Core Thorium Energy заявляет, что ANEEL позволяет значительно эффективнее "сжигать" топливо благодаря высокому показателю выгорания. Это означает, что для производства того же количества электроэнергии требуется меньше топливных сборок и, соответственно, образуется меньший объем отработанного материала.
Будет ли такое топливо выгодным для энергокомпаний?
Экономический потенциал ANEEL является одной из главных причин заинтересованности отрасли. Разработчики отмечают, что новое топливо можно использовать в существующих тяжеловодных реакторах без масштабной модернизации станций. Это критически важно для энергокомпаний, ведь строительство новых реакторов стоит миллиарды долларов и занимает годы.
Однако есть и сдерживающие факторы. Ториевый топливный цикл до сих пор не имеет массового коммерческого применения, а значит, отрасли еще нужно создать новые производственные цепи, системы лицензирования и логистику для такого топлива. Также остается проблема доступности HALEU – высокоанализированного низкообогащенного урана, производство которого пока ограничено.
Имеет ли такое топливо перспективы для Украины?
Для нас развитие новых типов ядерного топлива может быть особенно важным. До полномасштабной войны атомная энергетика обеспечивала примерно половину производства электроэнергии в стране, а украинская энергосистема и в дальнейшем в значительной степени зависит от АЭС.
В то же время Украина использует реакторы типа ВВЭР – это легководные реакторы советского проектирования, а не тяжеловодные системы, для которых сейчас создается ANEEL. Поэтому прямое внедрение такого топлива в украинских энергоблоках пока маловероятно.
Однако сама идея эффективного ядерного топлива с меньшим объемом отходов может стать актуальной для будущей модернизации украинской атомной энергетики. Особенно на фоне послевоенного восстановления и интереса к малым модульным реакторам, которые Украина уже рассматривает как одно из направлений развития энергосистемы.
Отдельным фактором остается вопрос ядерной безопасности. Ситуация вокруг Запорожской АЭС показала, насколько критической является стабильность систем охлаждения и электроснабжения атомных станций во время войны. Недавно в день годовщины Чернобыльской катастрофы Запорожская АЭС на короткое время осталась без внешнего электроснабжения, о чем сообщало издание Reuters.
Международное агентство по атомной энергии неоднократно предупреждало о рисках потери внешнего питания и потенциальной аварии.