Стоящие перед нами проблемы

В 2015 году Организация Объединенных Наций приняла цели в области устойчивого развития (ЦУР) для всего мира. Обобщая, их можно cформулировать следующим образом: искоренить нищету, обеспечить доступ к пище, чистой воде, энергии, здравоохранению и образованию по всему миру, достичь гендерного равенства, гарантировать достойную работу для всех, построить стойкую инфраструктуру, сократить неравенство доходов, содействовать развитию городов, рациональному потреблению и производству, найти решение проблемы изменения климата, сохранить океаны, предотвратить обезлесение, а также сформировать структуры, необходимые для достижения этих целей, включая глобальное партнерство, содействующее устойчивому развитию.

Это, безусловно, масштабные цели. Однако встает вопрос, как Организация Объединенных Наций и ее государства-члены будут подходить к решению этих проблем, а также как определить относительную значимость потенциальных решений.

На мой взгляд, развитие малых модульных жидкосолевых реакторов (ЖСР), включая реакторы, работающие на денатурированном ядерном топливе, может способствовать достижению нескольких ЦУР одновременно.

 

Концепции атомной энергетики

Использование ядерной энергетики может оказаться одним из вариантов решения этих насущных проблем, как бы маловероятным это ни казалось. Но для этого необходимо пересмотреть методы её применения. В основе производства атомной энергии лежит сила, которая удерживает части атома вместе. Если атом нестабилен, он будет стремиться перейти в более стабильное состояние путем расщепления. Нестабильность атома может быть естественной — или же вызвана добавлением дополнительных нейтронов в ядро.

Когда атом становится более стабильным и выбрасывает частицы, высвобождается огромное количество энергии, которое в закрытой системе может быть использовано для выработки тепла, достаточного для приведения в движение турбины. Радиация, представления о которой часто искажены, происходит по большей части в силу естественных причин. Существует несколько типов радиации, и все они имеют различные последствия и возможности применения.

Опасения относительно атомной энергетики касаются трех основных аспектов: ядерные боеголовки и их распространение, расплавление активной зоны ядерного реактора и сбои системы, а также ядерные отходы. Опасения по каждому из этих пунктов являются обоснованными, но связанные с ними проблемы можно решать путем принципиального и фундаментального переосмысления методов производства атомной энергии.

 

Малые модульные жидкосолевые реакторы: современное решение

Разработка ЖСР в Соединенных Штатах  происходила в основном в 1950—1970-х гг. В отличие от реакторов, используемых сегодня, в ЖСР были предусмотрены уникальные решения для ряда проблем, возникающих при эксплуатации обычных реакторов.

  • Соли уже находятся в расплавленном состоянии, поэтому «расплавление активной зоны ядерного реактора» невозможно. Если система перегревается, соли пассивно сливаются в охлаждающую емкость.
  • Радиоактивные материалы образуют в системе прочные взаимосвязи. Летучие материалы постоянно удаляются из системы.
  • Жидкосолевые реакторы работают при атмосферном давлении, что делает невозможным повторение инцидента, имевшего место на АЭС «Фукусима-1» в Японии в 2011 году.
  • Многие  ЖСР сконструированы таким образом, что имеющиеся ядерные отходы расщепляются прямо в реакторе-конверторе. 
  • Системы ЖСР могут использовать расщепляющийся материал гораздо эффективнее, чем обычные атомные реакторы.
  • Можно использовать ЖСР в режиме, обусловленном нагрузкой; избыточная реактивность предотвращается благодаря сильному отрицательному паровому коэффициенту и температурному коэффициенту реактивности.
  • Тория - материала, который используется в обогащённом виде для работы ЖСР - в земной коре в три раза больше чем урана. В настоящее время торий считается лишь побочным продуктом добычи редкоземельных ресурсов и его коммерческая ценность сравнительно невелика, но его можно добывать путем землечерпальных работ (в отличие от более инвазивных способов) или даже из океана.
  • Теоретически системы ЖСР могут работать на денатурированном ядерном топливе; такие системы более безопасны с точки зрения ядерного нераспространения по сравнению с обычными жидкосолевыми или реакторами других более традиционных конструкций.
  • Подобные установки могут эксплуатироваться в полностью замкнутом режиме с использованием турбины, работающей по циклу Ренкина или Брайтона, что позволяет исключить необходимость их расположения около крупных водных объектов, как в случае с современными реакторами.
  • Возможно расширение применения этой технологии, в основу которой входит модульная система. Если использование ЖСР поставить на коммерческую основу, им можно найти самое широкое применение. 

 

 

Базовая конструкция ЖСР выглядит следующим образом:

 

Существует множество вариантов данной конструкции, но именно эта модель подвергалась наибольшему количеству исследований и экспериментов. 

Одна из конструкций, которую следует изучить подробнее, — это жидкосолевой реактор с использованием денатурированного топлива. Он может быть бесперебойным источником электроэнергии в течение нескольких лет, не требуя вмешательства человека. Это обеспечит возможность более быстрого и безопасного внедрения данной технологии по всему миру с меньшим риском утечки материалов для создания ядерного оружия.

 

Применение ЖСР

Существование целого ряда возможностей применения ЖСР является, вероятно, наиболее очевидной причиной, по которой необходимо развивать эту технологию, поскольку с ее помощью можно будет, кроме всего прочего, обеспечивать миллионы людей электроэнергией, водой, изотопами медицинского назначения, вырабатывать энергию, необходимую для производства продовольствия, а также сокращать накопившиеся запасы ядерных отходов и проводить электричество в удаленных районах.

 

Электричество и вода для всех

Учитывая характер насущных проблем планеты, в первую очередь необходимо обеспечить повсеместный адекватный доступ к электричеству, водным ресурсам и санитарии. ЖСР дают уникальную возможность осуществить эти намерения. В работе ЖСР могут быть использованы самые различные виды топлива, при этом эффективность расхода топлива на порядок выше, чем в случае со стандартными урановыми реакторами, а сфера возможного применения технологии крайне широка. Исходя из этого, трудно усомниться в ее потенциале и перспективности для будущего развития человечества.

Кроме того, поскольку в энергоустановке вообще не используются радиоактивные материалы и она работает при температуре, превышающей 100 °C, появляется возможность применения избыточного тепла для очищения воды и стерилизации отходов. Разместив такую установку на побережье океана, например в Калифорнии, возможно будет обеспечить снабжение населения чистой питьевой водой.

 

Ликвидация чрезвычайных ситуаций и микроэнергосистемы

Поскольку эти реакторы могут быть модульными и, соответственно варьироваться в размерах, возможно крупномасштабное производство и применение малых реакторов, с целью обеспечения электроэнергией объектов, не являющихся частью традиционной инфраструктуры. Такие решения могут быть востребованы на военных базах, в развивающихся странах, а также для оборудования сооружений при ликвидации чрезвычайных ситуаций там, где инфраструктура повреждена. Благодаря принципу своей работы эти реакторы вырабатывают количество энергии, требующейся в определённое время и при определённых обстоятельствах, поэтому это идеальное решение для краткосрочной эксплуатации.

 

Производство изотопов медицинского назначения

Медицинские изотопы являются побочным продуктом работы реактора и некоторых цепочек распада топлива. Такие изотопы можно использовать в медицинских целях, в исследованиях перспективного лечения пучком альфа-частиц, для радиографии и в ряде других случаев. В Англии торий уже является предметом исследований. Кроме того, производство радиоизотопов в настоящее время осуществляется в основном в устаревающих реакторах в Южной Африке и Канаде. Местное изготовление этих изотопов может сделать их более доступными и привести к их более широкому применению во множестве стран.

 

Обезвреживание ядерных отходов и предотвращение ядерного распространения

Как было упомянуто ранее, различные ЖСР представляют разные возможности, и некоторые из них чрезвычайно хорошо подходят для утилизации ядерных отходов и предотвращения ядерного распространения. Некоторые компании в Соединенных Штатах активно производят реакторы-сжигатели. Эти системы способны поддерживать более высокую плотность энерговыделения и используют ядерные отходы как топливо для такой реакции. Такая технология позволит сократить имеющиеся скопления ядерных отходов, превратив их в трансурановые элементы с незначительной долей реактивности. Будет больше не нужна добыча, разделение и производство дополнительного топлива; вместо этого можно будет использовать энергию, которая имеется в отработанном топливе и которую обычные реакторы не в состоянии утилизировать .

Другие ЖСР целиком направлены на предотвращение ядерного распространения. В стандартных ЖСР c химической переработкой и двухжидкостным устройством происходит разделение некоторых изотопов для увеличения полезного использования нейтронов в реакторе. Однако при этом можно выделить материал, который используется для производства радиоактивных вооружений. Несмотря на сложность процесса, это возможно. Чтобы снизить риск, в 1979—1980 годах был разработан ЖСР на денатурированном топливе. Систему можно модифицировать так, чтобы в ней использовался единый топливный резервуар, без разделения. Коэффициент преобразования воспроизводящего материала в расщепляющийся был ограничен, и доля денатурированного урана поддерживалась на достаточном уровне для того, чтобы материал был непригоден для создания ядерных бомб. После испытания и завершения работ такую конструкцию можно отправить в любую точку земного шара без опасения, что это приведет к распространению ядерного оружия. Это может помочь обеспечить электроэнергией и водой те страны, которые особенно в них нуждаются.

 

Не только на Земле

Наконец, эту технологию можно применять не только на Земле. ЖСР может быть хорошим вариантом энергетической установки, которую можно использовать для поддержания человеческой жизнедеятельности или автоматических станций, работающих без участия человека, в космосе. Энергетическую систему, систему обогрева и систему очищения воды можно оптимизировать, и реактор теоретически может работать несколько лет без человеческого вмешательства. Сточные воды могут быть переработаны и стерилизованы, что позволяет использовать их в устойчивых системах, поддерживающих жизнедеятельность за пределами Земли.

Перед планетой и ее жителями стоит множество проблем и задач. Поиск решения для любой из них может быть очень непростым, не говоря уже о таких решениях, которые могут одновременно способствовать достижению сразу нескольких целей в области устойчивого развития. Научно обоснованный и рациональный подход к использованию атомной энергетики может спасти жизни и сохранить ресурсы. Настало время фундаментальным образом переосмыслить её применение и продолжать изучать её потенциал в мирных целях. ЖСР представляют собой возрождение старой идеи, которая оказалась одним из лучших способов выработки безопасной, экологически чистой энергии в грядущие тысячелетия.