По технологическим характеристикам, уровню безопасности, эффективности и экономичности ядерные реакторы подразделяются на четыре поколения. В разработке этой классификации участвовали эксперты МАГАТЭ, NEA и Форума по ядерным технологиям IV поколения (GIF), а также крупнейших атомно-энергетических корпораций, включая «Росатом».
Таблица 4
Поколения ядерных реакторов
В 2002 г. в рамках Форума по ядерным технологиям IV поколения (GIF) были выбраны шесть инновационных ядерных систем, которые рассматривались как наиболее перспективные для будущего развития. Отметим, что под термином «система» понимается как сам реактор, так и обслуживающая его технология переработки ядерного топлива.
Среди наиболее перспективных атомных систем будущего следует выделить:
● SFR – РБН с натриевым теплоносителем и замкнутым ядерным циклом, обеспечивающим эффективное обращение с актинидами и воспроизводство делящегося материала. К этому типу можно отнести:
■ БН–800 (Россия), работает на Белоярской АЭС, используется для отработки технологий замкнутого топливного цикла;
■ PFBR (Индия), планируется ввод в эксплуатацию на площадке Кальпаккам;
■ TerraPower Natrium (США), проектируется при поддержке правительства.
● LFR – РБН со свинцовым или свинцово-висмутовым жидкометаллическим теплоносителем и замкнутым ядерным циклом. К этому типу можно отнести:
■ БРЕСТ-ОД–300 (Россия), строится в Северске, планируемый запуск – конец 2020-х гг.
● GFR – РБН с гелиевым теплоносителем и замкнутым ядерным циклом.
● VHTR – высокотемпературный реактор с графитовым замедлителем, гелиевым теплоносителем и открытым урановым топливным циклом. К этому типу можно отнести:
■ HTR-PM (Китай) – первая пара модульных реакторов уже введена в эксплуатацию в 2021 г.;
■ SCWR – высокотемпературный реактор с водным теплоносителем под высоким давлением, работающий выше термодинамической критической точки воды;
■ MSR – генерирует энергию за счет реакции деления при надтепловом спектре, с циркуляцией теплоносителя и топлива в виде смеси расплавленных солей и полным выжиганием актинидов.
В дополнение к разработкам, ведущимся под эгидой GIF, следует упомянуть Международный проект по инновационным ядерным реакторам и топливным циклам (ИНПРО), запущенный МАГАТЭ в 2000 г. и реализуемый в горизонте планирования до 2050 г. В отличие от GIF, задачей которого является прежде всего объединение усилий разработчиков, ИНПРО ориентируется на запросы потребителей инновационных систем.
При обсуждении атомно-энергетических технологий будущего нельзя не упомянуть термоядерный синтез. В ходе этого процесса выделяется кратно больше энергии, чем при делении атомных ядер. Это дает все основания называть термоядерную энергетическую установку искусственным солнцем.
В настоящее время разрабатываются два типа установок.
В токамаках (тороидальная камера с магнитными катушками) управляемость термоядерного синтеза достигается с помощью электрического тока, пропускаемого через плазму и создающего замкнутое магнитное поле.
В стеллараторах плазма удерживается только за счет внешних магнитных катушек сложной формы.
Токамаки лучше поддерживают высокую температуру плазмы, а стеллараторы лучше обеспечивают ее стабильность.
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) – крупнейшая в мире экспериментальная установка типа «токамак» (рис. 43). Она призвана продемонстрировать возможность промышленного производства энергии с использованием ядерного синтеза.
Рис. 43
Сборочный цех ITER
Фото: © Rob Crandall / Shutterstock
К началу 2025 г. на ITER завершена установка ключевых компонентов, включая магнитные катушки и вакуумную камеру. Ведется работа по тестированию систем охлаждения и управления плазмой. Ожидается, что первые результаты будут получены в конце десятилетия. Полноценные эксперименты с термоядерной реакцией намечены на 2035 г., а коммерческие термоядерные реакторы могут появиться не ранее 2050 г. При этом расходы на реализацию проекта уже превышают €23 млрд. Неслучайно учредители ITER выражают готовность делиться полученными наработками с частными термоядерными компаниями.
Переходным звеном между ITER и коммерческими термоядерными реакторами должен стать демонстрационный термоядерный энергетический реактор (DEMOnstration Power Plant, DEMO). В рамках реализации этого проекта будет построена электростанция, источником питания которой и станет термоядерный синтез. DEMO будет по размерам на 15% больше ITER, а плотность нагреваемой плазмы – выше на треть. Первый этап конструирования реактора и электростанции планируется завершить в середине 2040-х гг.
В ходе испытаний на термоядерном полигоне Кorea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) в Южной Корее в 2024 г. удалось «разогреть» до 100 млн °C и на этой температуре поддерживать плазму в течение 48 секунд, что на 17 секунд превышает предыдущий рекорд. Команда KSTAR стремится продлить время удержания плазмы до 300 секунд к 2026 г.
Германия и Япония отдают предпочтение стеллараторам – это соответственно Wendelstein 7–X и Large Helical Device (LHD).
В России в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий» на базе МИФИ в 2024 г. был запущен первый на постсоветском пространстве учебный токамак «Мифист».
Кроме того, на базе Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) строится токамак Т–15МД. На данный момент проектируются магнитная система, вакуумная камера и криостат.
По данным Ассоциации термоядерной промышленности (Fusion Industry Association, FIA), общий объем финансирования стартапов, занятых в этой сфере, к 2024 г. достиг $7,1 млрд[175]. Из них госинвестиций – $426 млн.
Большинство компаний работает в США (28), 13 – в Европе (из них 5 – в Великобритании), 3 – в Японии, 2 – в Канаде, 1 – в Израиле и 2 – в Австралии и Новой Зеландии.
FIA особо отмечает государственно-частные партнерства: Milestone-Based Fusion Development Program (США), Fusion 2040 (Германия), Moonshot (Япония), Fusion Futures (Великобритания). При этом в марте 2022 г. США анонсировали разработку 10-летнего плана коммерциализации термоядерного синтеза[176]. Эта инициатива ознаменовала собой значительный сдвиг в политике Вашингтона по отношению к соответствующим исследованиям и разработкам.
89% профильных стартапов ожидают, что до конца 2030-х термоядерные установки уже начнут использоваться для выработки электроэнергии. 70% частных разработчиков рассчитывают, что это произойдет уже к 2035 г.
Commonwealth Fusion Systems (США)
Год основания: 2018.
Число сотрудников: более 900.
Привлечено инвестиций: более $2 млрд.
Тип базовой установки: токамак.
Commonwealth разрабатывает магниты, которые позволяют создавать более компактные и дешевые термоядерные системы.
Ведется работа над проектом термоядерной электростанции ARC.
Helion Energy (США)
Год основания: 2013.
Число сотрудников: более 200.
Привлечено инвестиций: $608 млн.
Тип базовой установки: токамак.
В реакторе Helion дейтерий и гелий–3 нагреваются и разгоняются к центру, где и происходит синтез, со скоростью более 1 млн миль/час. Электричество улавливается прямо из реактора.
Helion строит первую в мире термоядерную электростанцию и планирует в 2028 г. начать поставку электроэнергии Microsoft.
Zap Energy (США)
Год основания: 2017.
Число сотрудников: 144.
Привлечено инвестиций: $327 млн.
Тип базовой установки: токамак.
Проблема удержания плазмы решается за счет различных скоростей ее потока. Z-пинч сжатие еще больше активизирует плазму, что приводит к синтезу.
Energy Singularity (Китай)
Год основания: 2021.
Число сотрудников: нет данных.
Привлечено инвестиций: $121 млн.
Тип базовой установки: токамак.
Как и Commonwealth, Energy Singularity фокусируется на уменьшении размера термоядерных установок за счет совершенствования применяемых магнитов. Предполагается, что используемый компанией токамак HH170 будет производить в десять раз больше энергии, чем требуется для выработки плазмы.
Tokamak Energy (Великобритания)
Год основания: 2009.
Число сотрудников: более 250.
Привлечено инвестиций: $261 млн.
Тип базовой установки: токамак.
В 2022 г. была достигнута температура 100 млн °C.
Коммерческие поставки электроэнергии запланированы на 2030-е гг.
Marvel Fusion (Германия)
Год основания: 2019.
Число сотрудников: 64.
Привлечено инвестиций: $200 млн.
Метод Marvel заключается в обстреле гранулы топлива несколькими лазерами. Когда лазер попадает в крошечные стержни внутри гранулы, он удаляет электроны. Оставшиеся положительно заряженные частицы ускоряются и ударяются о топливные части гранулы с такой силой, что происходит синтез.
Xcimer Energy (США)
Год основания: 2022.
Число сотрудников: 50.
Привлечено инвестиций: $105 млн.
Xcimer использует топливную таблетку длиной 1 см, которую обстреливает лазером. Когда лазер попадает в цель, топливо воспламеняется и плавится, запуская процесс синтеза.
Xcimer планирует поставки электроэнергии в течение 2030-х гг.
Type One Energy (США)
Год основания: 2019.
Число сотрудников: 38.
Привлечено инвестиций: $82,5 млн.
Тип базовой установки: стелларатор.
Завершение проектирования реактора намечено к 2030 г.
Стеллараторы также используют Renaissance Fusion, Thea Energy, Gauss Fusion, Helical Fusion и Proxima Fusion.
К перспективным разработкам следует отнести так называемые подкритические реакторы с ускорителями (Accelerator-Driven Systems, ADS). Это гибридные ядерные установки, совмещающие технологии традиционных реакторов и ускорителей частиц.
При подкритическом режиме коэффициент размножения нейтронов k<1, что исключает возможность самоподдерживающейся цепной реакции. Необходимые для ее поддержания нейтроны поступают из внешнего источника. Таким образом, при отключении ускорителя реакция прекращается автоматически, а период распада отходов сокращается с сотен тысяч до сотен лет. Кроме того, в ADS можно использовать торий (Th–232), запасов которого на Земле в 3–4 раза больше, чем урана.
MYRRHA – реализуется Бельгийским центром ядерных исследований. Инвестиции в проект оцениваются в €1,6 млрд[177]. Строительство первой фазы (только ускоритель протонов мощностью 600 мегаэлектронвольт) начнется в ближайшие годы.
CLEAR – разрабатывается Институтом современной физики Китайской академии наук.
ADS – реализуется Японским агентством по атомной энергии.
Коммерческое использование ADS-системы ожидается не ранее 2035–2040 гг. Но интерес к ней уже проявляют американские NuScale Power и TerraPower.