Малые реакторы приближают атомную энергетику к обещанному будущему

Атомные электростанции не появлялись в США массово. Первый коммерческий реактор XXI века заработал в стране лишь в 2016 году — это был второй энергоблок АЭС Уоттс-Бар в Теннесси, построенный спустя два десятилетия после первого.

Однако этот застой, как и похожая пауза в Европе, похоже, подходит к концу. В 2023 и 2024 годах в эксплуатацию ввели два реактора возле города Бакстли в Джорджии, а правительства и частные инвесторы по всему миру проявляют интерес к вложениям в разработчиков атомных станций. Часть из них делает ставку на традиционные реакторы с водой под давлением — единственный тип, коммерчески используемый сейчас в США. Но значительная доля усилий и финансирования направляется на разработку нового класса малых реакторов, работающих на других видах топлива и теплоносителей, что потребует создания новых конструкционных материалов.

Такие установки получили название малых модульных реакторов (SMR) и способны выдавать до 300 мегаватт электрической мощности (МВт·э) — этого хватит для питания около 300 000 домов. Это значительно меньше 1000 МВт·э, характерных для обычных реакторов с водой под давлением, зато SMR должны быть дешевле и проще в строительстве. Существующие коммерческие реакторы «очень эффективны, хороши для энергосети, но очень дороги в строительстве», отмечает Якопо Буонджорно, ядерный инженер, руководитель Центра перспективных ядерных энергетических систем при Массачусетском технологическом институте в Кембридже.

Часть преимущества SMR заключается в их модульности. Вместо возведения целой электростанции с нуля значительная часть системы будет изготавливаться на заводе и доставляться на площадку для сборки. Буонджорно сравнивает это с конструктором Lego: «У меня есть заготовленные блоки, и я соединяю их, чтобы собрать реактор».

В марте 2025 года Министерство энергетики США (DoE) объявило о выделении 900 миллионов долларов на грантовую поддержку внедрения SMR. Год спустя Европейская комиссия заявила о готовности инвестировать до 200 миллионов евро (228 миллионов долларов) в строительство таких реакторов.

Критики утверждают, что SMR не обязательно экономичнее крупных атомных станций. Эдвард Лайман, физик и директор по ядерной безопасности некоммерческой организации Union of Concerned Scientists в Кембридже (Массачусетс), указывал, что из-за меньшей выходной мощности заводам придётся выпускать десятки модульных реакторов, чтобы те стали выгоднее традиционных. Он также считает, что некоторые конструкции SMR могут оказаться опаснее существующих реакторов из-за иных видов топлива и теплоносителей.

Несмотря на эти опасения, перспектива более быстрого и дешёвого строительства — а также растущий спрос на чистую энергию, в том числе со стороны дата-центров, обслуживающих системы искусственного интеллекта, — делает разработку модульных реакторов коммерчески привлекательной. Компания Kairos Power из Аламеды (Калифорния) строит тестовый реактор Hermes 1 в Ок-Ридже (Теннесси) и в апреле начала строительство демонстрационной станции Hermes 2 мощностью 50 МВт·э. Компания рассчитывает начать коммерческую эксплуатацию в 2030 году и уже заключила договор на поставку энергии Google.

Исправляя топливо

Hermes 1 — первый реактор не на воде, одобренный Комиссией по ядерному регулированию США (NRC) за последние более чем 50 лет. Реакторы с водой под давлением, узнаваемые по градирням, охлаждаются водой и обычно работают на керамических таблетках диоксида урана, упакованных в трубки из циркониевого сплава — тепловыделяющие элементы. Hermes 1, напротив, работает на топливных «шариках» TRISO (tristructural isotopic) — частицах урана размером с маковое зерно, заключённых в углеродно-керамическую оболочку. Охлаждает реактор не вода, а расплавленная соль FLiBe — смесь фторида лития и фторида бериллия.

TRISO-топливо — самый старый и наиболее изученный пример того, что исследователи называют аварийно-стойким топливом, отмечает Николас Браун, ядерный инженер из Университета Теннесси в Ноксвилле. Ядро диоксида урана диаметром 350–600 микрометров окружено оболочкой из пористого углерода, которая улавливает продукты деления, вышедшие из ядра. Вокруг неё расположен более плотный слой углерода, который, в свою очередь, заключён в слой карбида кремния, выполняющий роль миниатюрного защитного контейнера.

Тысячи таких частиц упаковываются в каждую графитовую гранулу размером с мяч для гольфа. Когда гранулы собираются внутри реактора, происходит деление, и выделяющееся тепло передаётся теплоносителю. Отработанные гранулы обычно вытекают из реактора подобно шарикам из автомата с жвачкой, а свежие добавляются сверху. Это позволяет проводить дозаправку без остановки реактора.

Ещё одно преимущество связано с теплоносителем FLiBe, который использует Hermes 1. Вода закипает при 100 °C, поэтому, чтобы оставаться жидкой при температурах 250–325 °C, характерных для реакторов на воде, требуется давление около 150 атмосфер. Расплавленная соль Hermes 1, напротив, закипает примерно при 1430 °C — значительно выше рабочей температуры реактора в 650 °C. Это означает, что реактор может работать при нормальном атмосферном давлении, что снимает необходимость в дорогостоящих защитных корпусах. А в случае утечки нет давления, которое могло бы выбросить теплоноситель и радиоизотопы в воздух. Кроме того, реакторы с расплавленной солью в качестве теплоносителя могут работать при более высоких температурах, что повышает эффективность производства энергии.

Безопасность «ушёл — и не думай»?

Топливо не плавится при температурах, достижимых в этих реакторах. В одном из испытаний TRISO выдержало более 12 дней при 1800 °C — намного жарче, чем могла бы создать даже авария по худшему сценарию. Это делает топливо тем, что в атомной отрасли называют «walk-away safe» — безопасным настолько, что можно уйти и не беспокоиться. «Можно выбросить ключи, уйти и не переживать о развитии событий по сценарию тяжёлой аварии вроде Фукусимы или Чернобыля», — говорит Браун.

Проблема с TRISO в том, что оно требует высокообогащённого низкообогащённого урана (HALEU), в котором содержание урана-235 составляет около 15–20%. В январе Министерство энергетики выделило в общей сложности 2,7 миллиарда долларов трём компаниям на создание внутренних мощностей по обогащению HALEU. Пока эти мощности не построены, производство TRISO будет медленным и дорогим, отмечает Браун.

Учёные работают и над другими видами топлива — как для обычных реакторов, так и для SMR. Группа Брауна исследует 3D-печатную вставку из молибдена, которая могла бы размещаться в центре таблетки диоксида урана. Поскольку молибден хорошо проводит тепло, такая вставка способна на порядок улучшить теплоотвод от топливной таблетки, снижая вероятность её расплавления и возникновения аварии.

Другое сочетание топлива и теплоносителя лежит в основе реактора Natrium, который строит компания TerraPower в Кеммерере (Вайоминг). Мощность Natrium в 345 МВт·э немного превышает границу, обычно считающуюся пределом для SMR, отмечает Эрик Уильямс, инженер-механик, главный операционный директор компании в Белвью (Вашингтон). Топливом служит сплав урана с цирконием. В качестве теплоносителя используется жидкий элементарный натрий с температурой кипения около 900 °C — значительно выше рабочей температуры реактора в 500 °C. Деление нагревает жидкий натрий, который, в свою очередь, нагревает расплавленный хлорид натрия. Эта расплавленная соль накапливает тепло при низком спросе на электричество, а затем кипятит воду для приведения в действие турбин при росте спроса.

Поскольку топливо, окружающая его оболочка, жидкий натрий и сам корпус реактора выполнены из металла, система отлично проводит тепло, поясняет Уильямс. Даже после остановки реактора радионуклиды, образовавшиеся в результате деления, продолжают распадаться, выделяя дополнительное тепло, изначально эквивалентное примерно 7% мощности реактора на полную нагрузку. Цельнометаллическая конструкция упрощает отвод этого остаточного тепла. «Мы можем охлаждать корпус снаружи просто за счёт естественной циркуляции воздуха», — говорит Уильямс. Разумеется, жидкий натрий способен гореть при контакте с воздухом или водой, но в компании утверждают, что предусмотрены дополнительные барьеры и датчики, предотвращающие такое развитие событий.

Когда в 2011 году АЭС «Фукусима-дайити» в Японии вышла из строя после цунами, операторы пытались закачивать морскую воду для охлаждения реакторов. Но землетрясение, вызвавшее цунами, повредило и энергосеть, и большую часть резервных источников питания станции. В результате охладить реакторы в достаточной степени не удалось, и радиоактивные материалы попали в окружающую среду. Поскольку реактор TerraPower охлаждается воздухом, охлаждение может продолжаться бесконечно долго без необходимости что-либо закачивать.

Есть и ещё одна встроенная функция безопасности, связанная с использованием жидкого натрия в качестве теплоносителя, добавляет Уильямс. Среди самых опасных радиоактивных побочных продуктов деления — цезий-137 и йод-131. Оба элемента высокорадиоактивны и в случае утечки могли бы попасть в воду и пищевую цепочку. Но натрий связывается с обоими элементами, поэтому теплоноситель на основе натрия удерживает их внутри бака. «Даже если бы всё топливо вышло из строя и весь образовавшийся цезий и йод попали в натрий, они останутся в натрии», — говорит Уильямс.

Обычные реакторы с водой под давлением не обязательно опаснее SMR вроде реактора TerraPower, отмечает Ралука Скарлат, ядерный инженер из Калифорнийского университета в Беркли. Атомные станции могут оснащаться самыми разными системами безопасности: активными — например, электрическими насосами для подачи теплоносителя к реактору, и пассивными резервными — использующими силу тяжести для сброса воды из бака на крыше или слива топлива из реактора. Но у некоторых конструкций SMR больше встроенных защитных механизмов, опирающихся на физику, а не на инженерные решения, — например, способность работать при атмосферном давлении, — что также открывает больше возможностей для проектирования пассивных систем безопасности.

Разные характеристики безопасности некоторых SMR означают, что вокруг них могут потребоваться меньшие санитарно-защитные зоны. Это связано как с тем, что менее мощные станции неизбежно производят меньше радиоактивного материала, так и с тем, что их конструкция снижает вероятность утечки такого материала в принципе. В США для реакторов на воде под давлением давно установлена зона экстренного планирования радиусом 16 километров, где людям пришлось бы немедленно эвакуироваться или укрываться после аварии, а также зона планирования по попаданию радиации в организм радиусом 80 километров, где радиация может проникнуть в почву и грунтовые воды. В 2023 году NRC выпустила правило, согласно которому зоны планирования для SMR могут устанавливаться индивидуально, в зависимости от технологии. Меньшие зоны позволили бы размещать атомные станции ближе к местам потребления энергии, отмечает Уильямс.

Сила соли

У расплавленной соли есть применения помимо теплоносителя или средства накопления энергии. Смешивание радиоактивного элемента, например урана или тория, с солью создаёт жидкость, способную одновременно выступать и топливом, и теплоносителем. Собственно, термин «реактор на расплавленной соли» часто относится именно к конструкциям, использующим такую жидкую топливную смесь. Хотя TerraPower сосредоточена на коммерциализации своей технологии Natrium, которая не является реактором на расплавленной соли, компания также участвовала в проекте Molten Chloride Reactor Experiment в Национальной лаборатории Айдахо Министерства энергетики в Айдахо-Фолс, работающем на смеси расплавленного натрия и хлорида урана.

И хлоридные, и фторидные соли перспективны для топливных смесей, отмечает радиохимик Патрисия Павье, руководящая исследованиями DoE по реакторам на расплавленной соли.

«Мы любим их за то, что это более высокая температура, более высокая эффективность, — говорит Павье. — Мы любим их за то, что это низкое давление, а значит, сценарии аварий, связанных с давлением, просто не произойдут»

Подобно реактору на гранулах Hermes 1 компании Kairos Power, реактор на расплавленной соли можно дозаправлять без остановки: отработанное топливо сливается, а новое закачивается прямо во время работы. Ещё одно преимущество перед реакторами на воде — актиниды (радиоактивные элементы, образующиеся в ходе ядерной реакции) могут служить топливом для последующих реакций. В реакторах на расплавленном хлориде цепная реакция деления поддерживается более высокоэнергетическими нейтронами. В реакторах на воде, напротив, вода выступает замедлителем, снижая скорость нейтронов. В результате реакторы на расплавленном хлориде способны сжигать актиниды в качестве дополнительного топлива, чего реакторы на воде делать не могут.

Реакторы на расплавленной соли, как хлоридные, так и фторидные, также дают возможность минимизировать отходы, отмечает Павье. Отработанное топливо реактора на воде содержит около 95% урана и 1% плутония. У Франции и России есть развитые программы переработки, но США не перерабатывают ядерные отходы вовсе — отчасти потому, что дешевле просто их захоронить. Обрабатывать жидкое топливо проще, чем изготавливать или разбирать твёрдое, поясняет Павье.

Присутствие солей в машинах, работающих при экстремально высоких температурах, поднимает вопрос коррозии. Скарлат утверждает, что, если системы спроектированы так, чтобы не допускать попадания воды и кислорода, окисление не должно стать проблемой. Но даже при соблюдении этого условия есть и другие механизмы, способные ослабить конструкционные материалы реактора. Например, расплавленные соли склонны растворять хром — элемент, который добавляют в сталь, чтобы сделать её нержавеющей. Это означает, что детали реактора не должны содержать более примерно 7% хрома, отмечает Стивен Цинкл, ядерный инженер и материаловед из Университета Теннесси в Ноксвилле.

Конструкционные материалы этих новых высокотемпературных реакторов также должны выдерживать воздействие радиации, которая способна создавать дефекты, выбивая атомы из их положений. Высокие температуры облегчают миграцию таких дефектов и образование кластеров, из-за чего материал становится более хрупким. По словам Цинкла, из тысяч известных сплавов лишь шесть сертифицированы Американским обществом инженеров-механиков для использования в высокотемпературных реакторах. И, по его словам, ни один из них не сертифицирован для реактора с самой высокой температурой, которую хотели бы использовать разработчики.

Цинкл руководит финансируемым Министерством энергетики проектом по разработке новых сплавов для реакторов. Один из них — магнитная сталь, другой — сплав на основе ванадия. Оба упрочнены методом дисперсионного твердения — процессом, использующим повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения для формирования внутри более крупной структуры мелких частиц, которые блокируют дефекты и, как показано, обеспечивают устойчивость к радиации. Другие материаловеды пытаются инженерно управлять границами зёрен в кристаллической структуре материала, чтобы те служили ловушками для дефектов.

Разработка новых материалов, видов топлива и конструкций реакторов — медленный процесс, требующий терпения, говорит Браун. Но он считает, что результат оправдает усилия.

Атомная энергетика «очень важна для будущего страны и всего мира. Это очень безопасная технология. Это по-настоящему источник энергии следующего поколения, который позволит нам уйти от ископаемого топлива»