Newswise — Ядерное деление — явление производства энергии, которое происходит, когда атом расщепляется и производит энергию — происходит безопасно и эффективно внутри ядерных реакторов США на протяжении десятилетий. Эти реакторы, все с водяным охлаждением, производят чистую, зеленую энергию, используя базовый подход: инициировать и контролировать цепную реакцию деления и использовать полученную энергию для питания турбин, производящих электричество.

Сегодня 93 ядерных реактора производят около 20% всей электроэнергии, потребляемой в США. Из чистой электроэнергии страны на атомную энергетику приходится около 50%. По данным Управления ядерной энергетики (DOE-NE) Министерства энергетики США (DOE), это источник электроэнергии с высокой плотностью энергии. И хотя не существует источника энергии, который бы производил ноль углерода и отходов в течение своего срока службы, ученые полагают, что передовые ядерные разработки могут приблизиться к этому. Новые захватывающие исследования в области передовых ядерных технологий являются основной причиной, по которой ядерная энергия считается центральной опорой усилий США по борьбе с изменением климата и удовлетворению растущего спроса на электроэнергию.

«После каждого совещания по обзору программы быстрых реакторов я оглядываюсь назад и поражаюсь тому, насколько эффективным является руководство Аргонны. Они превосходно видят проблемы отрасли и устраняют препятствия за много-много лет до того, как отрасль их достигнет». — Пэт Эверетт, Окло

«Мы всегда пытаемся думать о будущем», — сказал Бо Фэн, национальный технический директор программы по быстрым реакторам Министерства энергетики США и менеджер группы анализа реакторов и топливного цикла Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Действующие в настоящее время ядерные реакторы в США работают очень хорошо, но мы хотим сделать все еще лучше, особенно в отношении устойчивости ресурсов и управления отходами. Реакторы на быстрых нейтронах будут играть решающую роль в сокращении выбросов углекислого газа в нашей стране и одновременном минимизации ядерных отходов».

В технологии быстрых реакторов вместо воды для отвода тепла, выделяемого при делении, используется жидкий натрий, свинец или другие теплоносители. (Это тепло ядерные реакторы используют для создания пара, который вращает турбины для выработки электроэнергии.) Технология быстрых реакторов позволяет повторно использовать ядерное топливо, а это означает, что быстрые реакторы могут производить больше топлива, чем потребляют. В конечном итоге это производит меньше отходов.

Лабораторные исследования и разработки (НИОКР) DOE-NE, включая программу реакторов на быстрых нейтронах, имеют важное значение для поддержки промышленной демонстрации этих усовершенствованных реакторов.

«Благодаря инвестициям в наши национальные лаборатории в рамках программ исследований и разработок Министерства энергетики мы разработали обширный портфель опыта проектирования, программного обеспечения, экспериментальных данных и испытательных установок для многих типов передовых реакторных технологий», — сказала Каатрин Эбботт, менеджер Программа быстрого реактора DOE-NE. «Основной целью является завершение проектирования, лицензирования, строительства и начала эксплуатации демонстрационного быстрого реактора к концу этого десятилетия».

По словам Фэна, программа по быстрым реакторам направлена ​​на предвидение, подтверждение и разработку технических элементов, необходимых для обеспечения и поддержания успешной крупномасштабной коммерциализации быстрых реакторов. Каждое отдельное мероприятие в области НИОКР, включенное во все более важную программу, сосредоточено на трех областях: методы, моделирование и проверка; развитие технологий; и современные материалы. Эти три технические области необходимы для поддержки коммерческого лицензирования, снижения капитальных затрат или того и другого.

Наука: больше энергии, меньше отходов

Все коммерческие реакторы в нынешнем парке США являются легководными реакторами (LWR). Легкая вода относится к обычным H₂O, который используется для отвода тепла от топливных стержней ядерного топлива. Легкая вода также замедляет нейтроны, рождающиеся в результате деления. В быстрых реакторах вода не используется. Вместо этого для охлаждения ядерных топливных стержней используются жидкие металлы, такие как натрий или свинец. В быстрых реакторах нейтроны способны поддерживать очень высокие скорости, поэтому быстрые реакторы и получили свое название.

Благодаря быстродвижущимся нейтронам быстрый реактор может безопасно извлечь значительно больше энергии из того же количества добытого урана, чем LWR. Они используют гораздо меньше добытого урана, чем LWR, и могут уменьшить количество использованного ядерного топлива, требующего хранения. Они могут позволить перерабатывать неиспользованный уран (которого в отработанном топливе LWR осталось на удивление много) в новое топливо.

«Быстрые реакторы обеспечивают топливную эффективность, в 60 раз превышающую эффективность легководных реакторов, и оснащены автоматическими функциями, которые безопасно отключают реактор в случае аварии», — сказал Эбботт.

Быстрые реакторы также могут по-новому использовать отработанное топливо, которое было выброшено старыми реакторными технологиями и надежно хранилось с 1940-х годов.

Общая история экспериментов

Одна из причин, по которой Аргонн возглавляет программу создания быстрых реакторов, заключается в том, что Аргонн был пионером в разработке быстрых реакторов. Все началось в 1951 году с проектирования, строительства и эксплуатации экспериментального реактора-размножителя (EBR-I), конструкции быстрого реактора, который впервые произвел электричество из ядерной энергетической системы.

В то же время атомная отрасль получила федеральную поддержку на разработку и строительство атомных электростанций с использованием технологии LWR. Технология легководного реактора была выбрана для коммерческих электростанций США не потому, что она была лучшим вариантом на суше, а потому, что у федеральных агентств и промышленности были данные, доказывающие ее успешность, безопасность и эффективность на подводных лодках США. В результате другие технологии, в том числе быстрые реакторы с натриевым охлаждением, были ограничены лабораторными программами исследований и разработок и зарезервированы как варианты на будущее.

Эти лабораторные программы, включая EBR-I, EBR-II и проект Интегрального быстрого реактора, незаметно (и чрезвычайно успешно) продемонстрировали возможности безопасности и переработки топлива в быстрых реакторах. Сегодня возродившаяся индустрия быстрых реакторов, эксперты из Аргонна и другие участники программы быстрых реакторов работают вместе, чтобы заполнить пробелы, оставшиеся после остановки экспериментов.

Партнеры в стремлении к прогрессу

Ученым и представителям промышленности необходимо доказать, что следующее поколение ядерных реакторов заслуживает мощной федеральной и нефедеральной поддержки. Один из способов сделать это — сохранить, разработать и проверить экспериментальные данные и программное обеспечение для быстрых реакторов для поддержки лицензирования и развертывания новых коммерческих быстрых реакторов.

«В этой стране у нас есть очень сильный и независимый ядерный регулятор, Комиссия по ядерному регулированию (NRC), и она работает над модернизацией своей нормативной базы в ожидании заявок на строительство и эксплуатацию не-LWR», — сказал Фэн. «Мы все хотим, чтобы реакторы продолжали работать безопасно. Национальным лабораториям, таким как Аргонн, предлагается использовать свой опыт работы с быстрыми реакторами, наследие и новые данные, а также экспериментальную инфраструктуру, чтобы облегчить лицензирование коммерческих быстрых реакторов, одновременно сокращая затраты».

Например, эти лаборатории проектируют, строят и эксплуатируют инновационные современные установки для тестирования натрия, такие как Аргоннский испытательный цикл для разработки механизмов (METL) и несколько испытательных циклов для натриевых материалов. МЕТЛ — это современная экспериментальная установка, способная тестировать передовые компоненты и технологии на натрии в условиях, аналогичных реакторным. Он был построен и запущен в 2018 году в рамках программы «Реактор на быстрых нейтронах» и в настоящее время работает в рамках Национального инновационного центра реакторов — программы, которая ускоряет испытания и демонстрацию передовых ядерных технологий за счет предоставления доступа к национальным лабораторным активам и опыту. Хотя METL не производит энергию за счет ядерного деления, он имитирует горячую натриевую среду внутри настоящего быстрого реактора. Данные его экспериментов могут помочь промышленности предвидеть и сократить капитальные и эксплуатационные затраты, а ее натриевые сосуды также можно использовать для тестирования новых промышленных технологий. Это важный и перспективный шаг на пути к восстановлению экспериментальной инфраструктуры реакторов на быстрых нейтронах.

«Если нет работающих быстрых реакторов, как вы обучаете людей их обслуживать, ремонтировать или реагировать в чрезвычайной ситуации?» — сказал Эбботт. «Разрабатываются инновационные решения, гарантирующие, что эти технологии могут быть развернуты в сроки, которые удовлетворят энергетические потребности нашей страны. В METL, например, они экспериментируют с оборудованием и программным обеспечением расширенной реальности (XR) для создания XR-контента и интеграции его с приложениями для тестирования в METL. Это позволяет пользователям видеть, что происходит с оборудованием и датчиками, погруженными в жидкий натрий, во время проведения испытаний».

По словам Эбботта, без исследований и разработок, проводимых в METL, и других ресурсов, разработанных в рамках программы по быстрым реакторам, такого рода понимание и обучение были бы невозможны. Многие в промышленности с этим согласны.

«Мы разработали обширный портфель опыта проектирования, программного обеспечения, экспериментальных данных и испытательного оборудования для многих типов передовых реакторных технологий. Основная цель — завершить проектирование, лицензирование, строительство и начало эксплуатации демонстрационного быстрого реактора к концу этого десятилетия». — Каатрин Эбботт, DOE-NE

«После каждого совещания по обзору программы реакторов на быстрых нейтронах я оглядываюсь назад и поражаюсь тому, насколько эффективным является руководство Аргонны», — сказал Пэт Эверетт, заместитель старшего директора по продукции в Oklo Inc., частной компании, разрабатывающей реакторы деления нового поколения. Окло работал с Аргонном над несколькими проектами и соглашениями о совместных исследованиях и разработках, часто используя продукты и инфраструктуру исследований и разработок, разработанные в рамках программы быстрых реакторов. «Они превосходно видят проблемы отрасли и устраняют препятствия за много-много лет до того, как отрасль их достигнет».

Например, в одном проекте DOE-NE Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear Nuclear, финансируемом ваучерами, были проверены данные о топливе устаревших быстрых реакторов, относящиеся к конструкции Окло. Данные, собранные в ходе Аргоннской программы интегрального быстрого реактора в 1980-90-х годах, являются частью финансируемой Министерством энергетики базы данных по облучению и физике топлива, созданной в Аргонне. Эти данные теперь служат основой подходов к квалификации топлива для Окло и других, поскольку они изучают, как будет работать их металлическое топливо. Это является ключевым элементом поддержки лицензирования NRC.

Окло также работает с Аргонном над проектами, которые охватывают эксперименты по исследованию теплогидравлических явлений, гидравлические испытания прототипов топливных сборок и переработку топлива, а также получает доступ к опыту и возможностям в области быстрых реакторов благодаря поддержке Министерства энергетики.

TerraPower, компания, строящая быстрый реактор Natrium™ с натриевым теплоносителем рядом с выбывающей угольной электростанцией в Кеммерере, штат Вайоминг, также воспользовалась программой по созданию быстрых реакторов в Аргонне и DOE-NE.

А именно, TerraPower использует опыт и инструменты Argonne для разработки методов, моделирования и проверки, которые поддерживаются и постоянно совершенствуются. Эта работа важна для подтверждения безопасности топливных характеристик компании, механики активной зоны и нейтронной физики.

«Моделирование любой системы, в которой используется любой тип жидкости, очень сложно, независимо от того, моделируете ли вы основной поток жидкостей или тепловой поток внутри жидкости», — объяснила Джоселин Шейнтауб, старший менеджер TerraPower по надзору за национальным лабораторным проектом Natrium. «Мы рассчитываем на то, что Аргонн предоставит нам информацию о тепловом потоке через ядерную зону. Это помогает нам создавать максимально эффективные проекты».

Эффективность является ключевым фактором для атомной энергетики, где время, стоимость и безопасность играют важную роль. Те же темы занимают центральное место в разговорах о том, как США уменьшат зависимость от источников энергии, выделяющих парниковые газы, и декарбонизируют свою экономику.

«Мы не были бы такими продвинутыми, если бы не критически важная работа, которая была проделана в рамках программы по быстрым реакторам в Аргонне и Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Айдахо», — сказал Боб Браун, главный операционный директор ARC Clean Technology, еще одного отраслевого партнера Аргонны, работающего по технологиям быстрых реакторов.

ARC Clean Technology разрабатывает…