Удосконалення ядерних технологій відбувається завдяки розробкам безпечніших конструкцій реакторів і нових типів палива, включаючи малі модульні реактори. Атомна енергетика також знаходить підтримку у боротьбі зі зміною клімату.
Все більше зростає підтримка досліджень та розробок передових ядерних технологій з боку державних та приватних інвестицій. У будівництві сучасних великих реакторів лідирують Китай та Росія. Невеликі гнучкі та масштабовані проекти забезпечують більш швидке встановлення реакторів та нижчі витрати на будівництво.
Більшість великих реакторів, що працюють сьогодні, - це реактори II покоління. Однак, в даний час в експлуатацію вводиться все більше реакторів ІІІ (і ІІІ+) покоління, а реактори ІV покоління проходять випробування. Венчурні компанії, очолювані американськими мільярдерами Біллом Гейтсом та Уорреном Баффеттом, підтримують невеликі реактори. TerraPower, підтримувана Гейтсом, об'єдналася з PacifiCorp, енергетичною компанією Berkshire Hathaway Баффета, та GE Hitachi Nuclear Energy у розробці технології малих реакторів нового покоління, в яких використовуватиметься нове паливо для реакторів.
«Безумовно, термоядерна енергія та SMR [ММР, малі модульні реактори] очолюють список найбільш перспективних ядерних технологій», - сказав Чак Гуднайт, партнер компанії Arthur D. Little, який очолює групу з ядерної енергетики США в рамках глобальної практики фірми з енергетики . Гуднайт повідомив, що незабаром з'явиться кілька ядерних проектів IV покоління. Як приклад можна навести проект Xe-100 компанії X-energy з гальковим шаром і реактор на хвилі компанії TerraPower, що біжить».
Гуднайт вважає, що ці конструкції «унікальні тим, що паливо фактично переміщується всередині реактора у процесі роботи, що оптимізує його використання. Ще одна перспективна технологія IV покоління – реактори на розплавлених солях. Розвиток нових технологій позитивно впливає на ядерну галузь, тому незабаром суспільство матиме широкий вибір варіантів ядерної енергії, що відповідають будь-яким вимогам».
1. Продовжується будівництво на майданчику АЕС «Аккую», першої атомної електростанції в Туреччині. Ліцензію на будівництво четвертого енергоблоку було видано у жовтні 2021 року. Турецькі офіційні особи заявили, що це найбільший будівельний майданчик для атомної енергетики у світі, на якому щодня працює близько 12 000 осіб, а також перебуває понад 1000 одиниць будівельної техніки та транспортних засобів, у тому числі 70 будівельних кранів.
Деякі нові великі реактори розраховані на потужність, що генерує, більше 1600 МВт; наприклад, блок №3 АЕС "Олкілуото" у Фінляндії, який виробляє електроенергію з грудня 2021 року. Однак цей блок, як і багато інших сучасних великих реакторів, будувався занадто довго (будівництво блоку №3 почалося в 2005 році). Його будівництво супроводжувалося «постійними дискусіями про непомірне перевитрату коштів, а також дебатами про роль ядерної енергетики у зв'язку з переходом на відновлювані джерела енергії та відмови від теплової генерації».
SMR у центрі уваги.
Більшість перспектив ядерного сектора пов'язана з SMR, які забезпечують гнучкість, масштабованість і впроваджуються швидше та економічніше, ніж великомасштабні блоки. До малих реакторів зазвичай відносять реактори потужністю 300 МВт і менше, а також «дуже малі реактори» потужністю 15 МВт або менше, доступні для розгортання у віддалених населених пунктах часто як частина установок розподіленої генерації. Уряди низки країн, включаючи навіть Канаду, підтримують використання SMRs.
Ще менший реактор потужністю 4 МВт (з виробленням електроенергії близько 1,5 МВт), відомий як Oklo, знаходиться на розгляді Комісії з ядерного регулювання США (NRC). Мікрореактор Oklo – це стартап Кремнієвої долини, який може забезпечити електроенергією бізнес-комплекси, студентські містечка та промислові об'єкти. Минулого року Oklo оголосила про укладання угоди з Міністерством енергетики США (DOE) про розподіл витрат, співпрацюючи з DOE та Аргонський національною лабораторією для розвитку технологій електропереробки з метою виробництва палива для сучасних реакторів. Ця технологія покликана знизити вартість палива для передових реакторів та скоротити кількість відходів за рахунок перетворення використаного палива на паливо для передових реакторів.
Ядерна енергія сприймається як критично важливе джерело енергії з нульовим рівнем викидів вуглецю.
Завдяки її ролі у боротьбі зі зміною клімату зростає підтримка багатьох країн у галузі досліджень та розробок ядерної енергетики.
"Ядерна енергія має вирішальне значення для забезпечення сталого майбутнього", - сказав Гуднайт. «Безумовно, немає абсолютно чистих джерел енергії [через попередні процеси розробки, видобутку ресурсів та будівництва об'єктів], але ядерна енергетика не виділяє парникові гази. Крім того, ядерна енергетика може використовуватися в режимі базового навантаження, тобто може працювати цілодобово, на відміну від відновлюваних джерел енергії, таких як вітряна та сонячна».
Гуднайт продовжив: «Атомні електростанції генерують енергію в екстремальних умовах, включаючи шторми та урагани. Незалежно від того, чи хтось змінює клімат антропоморфним чи ні, ми зобов'язані зберегти нашу планету, тобто зробити все можливе, щоб звести до мінімуму вплив людини на навколишнє середовище. Враховуючи, що ядерна генерація має мінімальний прямий вплив на навколишнє середовище, вона має посідати перше місце у будь-якій стратегії виробництва енергії».
«Вчасно та в рамках бюджету».
Дослідники та розробники передових ядерних технологій згодні з тим, що вартість, безпека та можливість швидкого розгортання є основними факторами розвитку сектора.
"В даний час розробляється безліч відмінних існуючих та нових технологій, які можуть обслуговувати нові ядерні об'єкти по всьому світу", - сказав Джордж Боровас, керівник ядерної практики в Hunton Andrews Kurth і керуючий партнер офісу фірми в Токіо, Японія. «Критичне питання, яке може змінити правила гри для конкретної реакторної технології, - це здатність компанії розгорнути її вчасно та в рамках бюджету».
Боровас сказав, що аргумент «вчасно і в рамках бюджету» допомагає тим, хто працює над проектами малих реакторів, але більші реактори також виграють від модернізації».
«SMR, безумовно, надають більше переваг з погляду швидшого розгортання, нижчої вартості, а також гнучкості з погляду додатків», - сказав Боровас. «Проте великі реактори також мають порівняльні переваги, включаючи досвід будівництва, експлуатації та економії за рахунок ефекту масштабу. Залежно від потреб конкретної країни чи регіону, можна підібрати будь-який варіант. Це один із цікавих аспектів розвитку нової ядерної енергетики у 2020-х роках та в майбутньому: знайти варіант, який задовольнить конкретні потреби».
Міністр енергетики США Дженніфер Гранхольм кліматичної конференції COP26 у Шотландії заявила, що «Адміністрація Байдена з оптимізмом дивиться на перспективи нових ядерних реакторів. Ми вклали багато грошей у дослідження та розробки сучасних ядерних реакторів».
Гранхольм сказала, що «майбутнє чистої енергії для США має містити ядерну енергетику». "Половина чистої енергії Сполучених Штатів зараз - коли я говорю "чиста", я говорю про нульові викиди вуглецю - це ядерний флот", - сказала вона. «Якщо подивитись на загальну потужність, то це близько 20%. У всьому світі 29% чистої енергії посідає атомну енергію».
2. Інтегральний реактор із розплавом солей або IMSR 400, що розробляється компанією Terrestrial Energy, показаний на цьому зображенні конфігурації, запропонованої для Дарлінгтон (Канада).
Ґранхольм вважає, що ризики, пов'язані з ядерною енергетикою, вирішуються за допомогою нових проектів. «Ці сучасні ядерні реактори та існуючий парк є безпечними», - сказала вона. «Ми маємо золотий стандарт регулювання у Сполучених Штатах. Ядерна енергія – керована, чиста базова потужність».
Саїд Боровас зазначив: «Безпека завжди була наріжним каменем атомної галузі. Ядерна енергія – найбезпечніший вид енергії, з одним із найнижчих показників смертності порівняно з іншими джерелами енергії. Аварія на АЕС «Фукусіма Дайчі» [в Японії у березні 2011 року] справді зробила важливий урок глобальної ядерної галузі».
Нові реактори.
Франція є прикладом країни, де атомна енергетика постійно розвивається: 70% електроенергії генерують атомні станції, на яких працює понад 50 реакторів. Президент Франції Еммануель Макрон у листопаді заявив, що підтримує будівництво нових реакторів, які необхідні для підтримки розумних цін на електроенергію. Макрон сказав: «Франція планує відновити будівництво ядерних реакторів та продовжити розробку відновлюваних джерел енергії. Це необхідно для того, щоб гарантувати енергетичну незалежність Франції, гарантувати електропостачання країни та досягти цілей вуглецевої нейтральності до 2050 року».
Французький мережевий оператор RTE у нещодавньому звіті заявив, що ядерні реактори наступного покоління допоможуть відмовитися від викопного палива, зазначивши: «Будівництво нових ядерних реакторів є економічно виправданим». У звіті RTE розглядаються «способи задоволення зростання споживання електроенергії в країні, а також приклади планів для інших країн, що шукають стратегії декарбонізації, які можуть включати виробництво теплової енергії».
Всесвітня ядерна асоціація (WNA) минулої осені заявила, що близько 30 країн розглядають, планують або розпочинають нові програми розвитку ядерної енергетики, а ще близько 20 «виявили інтерес». До них відносяться країни Європи, Близького Сходу та Африки, а також Центральної та Південної Америки та більшість Азії.
Серед цих країн - Об'єднані Арабські Емірати (ОАЕ), де на майданчику АЕС «Бараку» розташовано чотири удосконалені реактори з водою під тиском корейської розробки, або APR-1400, третього покоління. Перший енергоблок вступив у комерційну експлуатацію минулого року; другий енергоблок був підключений до мережі наприкінці 2021 року. Будівництво третього енергоблоку було завершено у листопаді; введення в експлуатацію цього реактора заплановано на 2023 рік. Після повного введення в експлуатацію АЕС Барака забезпечуватиме чверть електроенергії в ОАЕ.
Триває будівництво першої в Туреччині атомної електростанції (рис. 1), об'єкта «Аккую» із чотирма водно-водними енергетичними реакторами ВВЕР-1200 російського виробництва за технологією III+ покоління. Перший блок буде введено у промислову експлуатацію у 2023 році.
Бангладеш будує свої перші два реактори, а також реактори з ВВЕР-1200. Очікується, що Rooppur-1 буде підключений до мережі в кінці 2023 року, а Rooppur-2 - не пізніше 2025 року.
Міжнародний форум Gen IV, створений у 2001 році, що включає 13 країн, а також групу, що представляє Європейський Союз, зібрав близько 100 експертів для оцінки 130 концепцій реакторів за кілька років, відібрав шість реакторних технологій для подальших досліджень та розробок. Ці шість технологій включають газоохолодний швидкий реактор (GFR), швидкий реактор зі свинцевим охолодженням (LFR), реактор на розплавленій солі (MSR), надкритичний реактор з водяним охолодженням (SCWR), швидкий реактор з натрієвим охолодженням (SFR) та реактор з дуже високою температурою (VHTR).
Поточні технологічні проекти IV покоління включають проект IMSR 400 компанії Terrestrial Energy (рис. 2), інтегральний реактор на розплавленій солі, що розробляється в Канаді. Китай запустив SMR, HTR-PM, перший у світі високотемпературний газоохолодний реактор з гальковим шаром IV покоління, що має теплову потужність 250 МВт. Інші проекти включають вищезгадані конструкції від TerraPower та X-energy.
Існує ще проект SMR NuScale Power, який першим отримав схвалення Комісії з ядерного регулювання США. Силовий модуль NuScale – це вдосконалений легководний SMR, здатний виробляти 60 МВт електроенергії. Кожна електростанція NuScale може включати до 12 модулів, забезпечуючи загалом 720 МВт.
Паливо майбутнього.
Удосконалення у сфері ядерного палива є більшу частину розробок сектора. Фактично, паливо є способом швидшого розвитку ядерної енергетики щодо тривалого будівництва нових реакторів.
В даний час розробляється кілька нових видів палива для використання як у існуючих реакторах, так і в реакторах нових поколінь. Ці види палива розроблені для того, щоб реактори були більш стійкими до аварій, були довговічнішими і могли забезпечувати більше енергії. Вони також спростять процеси дозаправки, зберігання та утилізації, дозволяючи переробляти раніше використане паливо і, що важливо, будуть менш дорогими у виробництві.
Наталія Нікіпелова, президент Паливної компанії ТВЕЛ, що входить до складу Росатому, заявила: «Опромінення палива в комерційному реакторі - важливий крок для подальшої комерціалізації цього продукту», маючи на увазі перші паливні пучки російського виробництва ТВЕЛ з експериментальними паливними стрижнями Fuel (ATF) (рис. 3). Перші стрижні ATF були завантажені в активну зону реактора ВВЕР-1000 2-го енергоблоку Ростовської АЕС на південному заході Росії у вересні в рамках планового технічного обслуговування та дозаправки енергоблоку. Нікіпелова зазначила: «Розвиток ATF – це найважливіший світовий тренд в атомній енергетиці, який спрямований на те, щоб вивести безпеку атомних станцій на новий рівень, практично виключивши ймовірність аварій та, як наслідок, негативний вплив на навколишнє середовище».
3. Випробувальні стрижні, завантажені на Ростовському енергоблоці №2, містять паливо з діоксиду урану. Половина стрижнів покрита цирконієвим сплавом із хромовим покриттям, а інша половина - хромонікелевим сплавом 42ХНМ.
Розробники вдосконалених реакторів Moltex та Elysium нещодавно заявили, що їхня технологія змінить підхід галузі до утилізації та переробки відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) у рамках розробки реакторів IV покоління. Компанії заявили, що їхні конструкції реакторів, зокрема реактори на розплавах солей, можуть працювати на ВЯП, що вирішує проблему ядерних відходів. Використання розплавлених солей в активній зоні реактора замість води дозволяє підвищити ефективність та безпеку, а також підтримує відстеження навантаження, дозволяючи реактору працювати за більш високих температур.
Канадська компанія Moltex розробляє реактор SSR-W (Stable Salt Reactor – Wasteburner), швидкий реактор, у якому як паливо використовуються перероблені ядерні відходи. Генеральний директор Moltex Рорі О'Салліван сказав агентству Reuters: "Як правило, інші спроби утилізації не були економічними, тому вони і не були продовжені, але, схоже, це життєздатно і має велике економічне значення".
Крім того, постійна увага приділяється термоядерній енергії, яку тривалий час називали "святим Граалем" виробництва електроенергії. "Я звик чути, що до термоядерного синтезу ще як мінімум 50 років", - сказав Гуднайт. "Але часи змінилися, тому я думаю, що зараз ми наближаємося до 10-20-річного горизонту комерційного виробництва електроенергії з термоядерної енергії... Поєднання інвестицій, уваги та останніх технічних розробок дає надію, що термоядерний синтез станеться набагато раніше".