Este posibil să se creeze un reactor microatomic pentru nevoile casnice? China intenționează să construiască cel mai mic reactor nuclear din lume Cel mai mic reactor nuclear

Poate o clădire să se asigure pe deplin cu energie electrică, căldură, apă caldă și, în același timp, să vândă o parte din excesul de energie în lateral?

Cu siguranță! Dacă ne amintim de atomul vechi și bun și ne dotăm casa cu un reactor nuclear în miniatură. Dar ecologie și siguranță? Se pare că aceste probleme pot fi rezolvate folosind tehnologii moderne. Este exact ceea ce cred experții de la Departamentul de Energie al SUA, implicați în implementarea așa-numitului concept. reactor „sigilat”.

Însăși ideea de a crea un astfel de dispozitiv a apărut în urmă cu aproximativ zece ani, ca o rețetă pentru aprovizionarea eficientă cu energie a țărilor în curs de dezvoltare. Elementul său cheie este reactorul autonom transportabil și etanș mic (SSTAR), dezvoltat la Laboratorul Național Lawrence Livermore. Lawrence (California).

O caracteristică specială a acestui produs este imposibilitatea completă a extragerii substanței radioactive (ca să nu mai vorbim de posibilitatea scurgerii acesteia). Aceasta trebuia să fie condiția principală pentru furnizarea de dispozitive către așa-numitele state. lumea „a treia”, pentru a elimina tentația de a-și folosi conținutul pentru a crea arme nucleare. O carcasă complet etanșă, echipată cu un sistem de alarmă fiabil în cazul încercării de a o deschide, iar în interiorul ei se află un reactor cu generator de abur, sigilat ca un geniu într-o sticlă.

Pe măsură ce contradicțiile de pe piața globală a energiei se adâncesc, piața dictează din ce în ce mai mult cererea pentru sisteme autonome de alimentare cu energie. Din punct de vedere legal, utilizarea pe scară largă a reactoarelor de dimensiuni mici în țările dezvoltate promite mult mai puține dificultăți decât furnizarea acestora către țările în curs de dezvoltare. Ca urmare, visul unei centrale micro-nucleare este din ce în ce mai mult transformat în ideea de a crea un generator de energie punctual folosind combustibil „etern”.

Tehnologiile SSTAR existente nu permit reîncărcarea de bază, iar durata de viață continuă estimată este de 30 de ani. După această perioadă, se propune pur și simplu înlocuirea întregului bloc cu unul nou. Rețineți că un reactor cu o putere de 100 de megawați se potrivește într-o „sticlă” de 15 metri înălțime și 3 metri în diametru.

Acești indicatori, foarte modesti pentru o centrală electrică, par încă semnificativi când vine vorba de alimentarea cu energie a instalațiilor individuale. Cu toate acestea, dezvoltarea creativă a proiectului a arătat posibilitatea reducerii semnificative a caracteristicilor de greutate și dimensiune cu o reducere adecvată a puterii.

În viitor, designerii intenționează să continue lucrările de miniaturizare a unității de alimentare și îmbunătățirea sistemelor de control. Un alt domeniu important este extinderea duratei de viață a „tabletei nucleare” la 40-50 de ani, pentru care este planificată instalarea unor sisteme de ecranare suplimentare în interiorul acesteia.

Deci, este posibil ca în viitorul apropiat să fie posibilă instalarea unei surse aproape eterne de energie direct în subsolul fiecărei case.

Recent, conceptul de alimentare autonomă cu energie a fost din ce în ce mai dezvoltat. Fie că este o casă de țară cu turbinele eoliene și panourile solare pe acoperiș sau o fabrică de prelucrare a lemnului cu un cazan de încălzire care funcționează cu deșeuri industriale - rumeguș, esența nu se schimbă. Lumea ajunge treptat la concluzia că este timpul să renunțe la furnizarea centralizată de căldură și electricitate. Încălzirea centrală nu se mai găsește practic în Europa, casele individuale, zgârie-norii cu mai multe apartamente și întreprinderile industriale sunt încălzite independent. Singura excepție o constituie anumite orașe din țările nordice - unde încălzirea centralizată și cazanele mari sunt justificate de condițiile climatice.

În ceea ce privește industria de energie autonomă, totul se îndreaptă către aceasta - populația cumpără în mod activ turbine eoliene și panouri solare. Întreprinderile caută modalități de a utiliza rațional energia termică din procesele tehnologice, construind propriile centrale termice și, de asemenea, cumpărând panouri solare cu turbine eoliene. Cei care se concentrează în special pe tehnologiile „verzi” plănuiesc chiar să acopere acoperișurile atelierelor fabricilor și hangarelor cu panouri solare.

În cele din urmă, acest lucru se dovedește a fi mai ieftin decât achiziționarea capacității energetice necesare de la rețelele electrice locale. Totuși, după accidentul de la Cernobîl, toată lumea a uitat cumva că cea mai ecologică, ieftină și accesibilă modalitate de a obține energie termică și electrică este încă energia atomică. Și dacă de-a lungul existenței industriei nucleare, centralele cu reactoare nucleare au fost întotdeauna asociate cu complexe care acoperă hectare de suprafață, țevi uriașe și lacuri pentru răcire, atunci o serie de evoluții din ultimii ani sunt concepute pentru a sparge aceste stereotipuri.

Mai multe companii au anunțat imediat că intră pe piață cu reactoare nucleare „acasă”. Stațiile miniaturale, de la o cutie de garaj la o clădire mică cu două etaje, sunt gata să furnizeze de la 10 la 100 MW timp de 10 ani fără realimentare. Reactoarele sunt complet autonome, sigure, nu necesită întreținere și, la sfârșitul duratei de viață, sunt pur și simplu reîncărcate pentru încă 10 ani. Nu este un vis pentru o fabrică de fier sau un rezident comercial de vară? Să aruncăm o privire mai atentă la acelea dintre ele ale căror vânzări vor începe în următorii ani.

Toshiba 4S (Super sigur, mic și simplu)

Reactorul este proiectat ca o baterie. Se presupune că o astfel de „baterie” va fi îngropată într-un puț de 30 de metri adâncime, iar clădirea de deasupra ei va măsura 22 de metri. 16 11 metri. Nu mult mai mult decât o casă de țară frumoasă? O astfel de stație va necesita personal de întreținere, dar acest lucru încă nu se compară cu zeci de mii de metri pătrați de spațiu și sute de muncitori de la centralele nucleare tradiționale. Puterea nominală a complexului este de 10 megawați timp de 30 de ani fără realimentare.

Reactorul funcționează pe neutroni rapizi. Un reactor similar a fost instalat și operat din 1980 la CNE Beloyarsk din regiunea Sverdlovsk din Rusia (reactor BN-600). Este descris principiul de funcționare. În instalația japoneză, sodiul topit este folosit ca lichid de răcire. Acest lucru face posibilă creșterea temperaturii de funcționare a reactorului cu 200 de grade Celsius în comparație cu apa și la presiune normală. Utilizarea apei în această calitate ar crește presiunea din sistem de sute de ori.

Cel mai important, costul de generare a 1 kWh pentru această instalație este de așteptat să varieze între 5 și 13 cenți. Variația se datorează particularităților impozitării naționale, costurilor diferite de procesare a deșeurilor nucleare și costului dezafectării centralei în sine.

Primul client al „bateriei” de la Toshiba pare să fie micul oraș Galena, Alaska, din SUA. Documentația de autorizare este în prezent coordonată cu agențiile guvernamentale americane. Partenerul companiei în SUA este cunoscuta companie Westinghouse, care a furnizat pentru prima dată ansambluri de combustibil alternativ la TTEL rusești centralei nucleare din Ucraina.

Hyperion Power Generation și Hyperion Reactor

Acești americani par să fie primii care au intrat pe piața comercială a reactoarelor nucleare miniaturale. Compania oferă instalații de la 70 la 25 de megawați care costă aproximativ 25-30 de milioane de dolari pe unitate. Instalațiile nucleare Hyperion pot fi utilizate atât pentru producerea de energie electrică, cât și pentru încălzire. De la începutul anului 2010, au fost deja primite peste 100 de comenzi pentru stații de diferite capacități, atât de la persoane fizice, cât și de la companii de stat. Există chiar planuri de mutare a producției de module finite în afara Statelor Unite, construind fabrici în Asia și Europa de Vest.

Reactorul funcționează pe același principiu ca majoritatea reactoarelor moderne din centralele nucleare. Citit . Cele mai apropiate în principiu de funcționare sunt cele mai comune reactoare rusești de tip VVER și centrale electrice utilizate pe submarinele nucleare Proiect 705 Lira (NATO - „Alfa”). Reactorul american este practic o versiune terestră a reactoarelor instalate pe aceste submarine nucleare, de altfel - cele mai rapide submarine din vremea lor.

Combustibilul folosit este nitrura de uraniu, care are o conductivitate termică mai mare în comparație cu oxidul de uraniu ceramic, tradițional pentru reactoarele VVER. Acest lucru permite funcționarea la temperaturi cu 250-300 de grade Celsius mai mari decât instalațiile apă-apă, ceea ce crește randamentul turbinelor cu abur ale generatoarelor electrice. Totul este simplu aici - cu cât temperatura reactorului este mai mare, cu atât temperatura aburului este mai mare și, ca urmare, cu atât eficiența turbinei cu abur este mai mare.

O topitură de plumb-bismut, similară cu cea de pe submarinele nucleare sovietice, este folosită ca „lichid” de răcire. Topitura trece prin trei circuite de schimb de căldură, reducând temperatura de la 500 de grade Celsius la 480. Fluidul de lucru pentru turbină poate fi fie vapori de apă, fie dioxid de carbon supraîncălzit.

Instalația cu combustibil și sistem de răcire cântărește doar 20 de tone și este proiectată pentru 10 ani de funcționare la o putere nominală de 70 de megawați fără realimentare. Dimensiunile miniaturale sunt cu adevărat impresionante - reactorul are doar 2,5 metri înălțime și 1,5 metri lățime! Întregul sistem poate fi transportat cu camion sau pe calea ferată, deținând recordul mondial comercial absolut pentru raportul putere-mobilitate.

La sosirea la fața locului, „butoiul” cu reactorul este pur și simplu îngropat. Accesul la acesta sau orice întreținere nu este deloc așteptat. După expirarea perioadei de garanție, ansamblul este dezgropat și trimis la fabrica producătorului pentru reumplere. Caracteristicile răcirii cu plumb-bismut oferă un avantaj uriaș de siguranță - supraîncălzirea și explozia nu sunt posibile (presiunea nu crește odată cu temperatura). De asemenea, atunci când este răcit, aliajul se solidifică, iar reactorul în sine se transformă într-un semifabricat de fier izolat cu un strat gros de plumb, care nu se teme de stresul mecanic. Apropo, imposibilitatea funcționării la putere scăzută (din cauza solidificării aliajului de răcire și a opririi automate) a fost motivul refuzului de a utiliza în continuare instalațiile de plumb-bismut pe submarinele nucleare. Din același motiv, acestea sunt cele mai sigure reactoare instalate vreodată pe submarinele nucleare din toate țările.

Inițial, centralele nucleare în miniatură au fost dezvoltate de Hyperion Power Generation pentru nevoile industriei miniere, și anume pentru procesarea șisturilor bituminoase în petrol sintetic. Rezervele estimate de petrol sintetic în șisturi bituminoase disponibile pentru prelucrare folosind tehnologiile actuale sunt estimate la 2,8-3,3 trilioane de barili. Pentru comparație, rezervele de petrol „lichid” din puțuri sunt estimate la doar 1,2 trilioane de barili. Cu toate acestea, procesul de rafinare a șistului în petrol necesită încălzirea acestuia și apoi captarea vaporilor, care apoi se condensează în petrol și produse secundare. Este clar că pentru încălzire trebuie să obțineți energie de undeva. Din acest motiv, producția de petrol din șist este considerată nerealizabilă din punct de vedere economic în comparație cu importul acestuia din țările OPEC. Astfel, compania vede viitorul produsului său în diferite domenii de aplicare.

De exemplu, ca centrală electrică mobilă pentru nevoile bazelor militare și aerodromurilor. Există și perspective interesante aici. Astfel, în timpul războiului mobil, când trupele operează din așa-numitele puncte forte din anumite regiuni, aceste stații ar putea alimenta infrastructura „de bază”. La fel ca în strategiile computerizate. Singura diferență este că, atunci când sarcina din regiune este finalizată, centrala electrică este încărcată într-un vehicul (avion, elicopter de marfă, camioane, tren, navă) și dusă într-o nouă locație.

O altă aplicație militară este alimentarea staționară a bazelor militare și aerodromurilor permanente. În cazul unui raid aerian sau al unui atac cu rachete, o bază cu o centrală nucleară subterană care nu necesită personal de întreținere este mai probabil să rămână capabilă de luptă. În același mod, este posibilă alimentarea unor grupuri de obiecte de infrastructură socială - sisteme de alimentare cu apă ale orașelor, facilități administrative, spitale.

Ei bine, aplicații industriale și civile - sisteme de alimentare cu energie pentru orașe și orașe mici, întreprinderi individuale sau grupuri ale acestora, sisteme de încălzire. Până la urmă, aceste instalații generează în primul rând energie termică și în regiunile reci ale planetei pot forma nucleul sistemelor de încălzire centralizată. De asemenea, compania consideră că utilizarea unor astfel de centrale electrice mobile la fabricile de desalinizare din țările în curs de dezvoltare este promițătoare.

SSTAR (reactor mic, sigilat, transportabil, autonom)

Un mic reactor autonom mobil, sigilat, este un proiect dezvoltat la Lawrence Livermore National Laboratory, SUA. Principiul de funcționare este similar cu Hyperion, doar că folosește uraniu-235 ca combustibil. Trebuie să aibă o durată de valabilitate de 30 de ani cu o capacitate de 10 până la 100 megawați.

Dimensiunile ar trebui să fie de 15 metri înălțime și 3 metri lățime, cu o greutate a reactorului de 200 de tone. Această instalație este inițial concepută pentru a fi utilizată în țările subdezvoltate în cadrul unei scheme de leasing. Astfel, se acordă o atenție sporită incapacității de a dezasambla structura și de a extrage ceva valoros din ea. Ceea ce este valoros este uraniul-238 și plutoniul de calitate pentru arme, care sunt produse pe măsură ce expiră.

La sfârșitul contractului de închiriere, destinatarului i se va cere să returneze unitatea în Statele Unite. Sunt singurul care crede că acestea sunt fabrici mobile pentru producția de plutoniu pentru arme pentru banii altora? 🙂 Totuși, statul american nu a avansat dincolo de munca de cercetare aici și nici măcar nu există încă un prototip.

Pentru a rezuma, trebuie menționat că până acum cea mai realistă dezvoltare este de la Hyperion și primele livrări sunt programate pentru 2014. Cred că ne putem aștepta la un avans suplimentar al centralelor nucleare „de buzunar”, mai ales că alte întreprinderi, inclusiv giganți precum Mitsubishi Heavy Industries, desfășoară lucrări similare pentru a crea stații similare. În general, un reactor nuclear în miniatură este un răspuns demn la toate tipurile de turbiditate mare și alte tehnologii incredibil de „verzi”. Se pare că vom vedea în curând tehnologia militară trecând din nou în uz civil.

1. Un motor Stirling cu piston liber este alimentat prin încălzire cu „abur atomic” 2. Un generator de inducție furnizează aproximativ 2 W de energie electrică pentru a alimenta o lampă cu incandescență 3. Stralucirea albastră caracteristică este radiația Cherenkov a electronilor scoși din atomi de către raze gamma. Poate servi ca o lumină de noapte grozavă!

Pentru copiii de peste 14 ani, un tânăr cercetător va putea să asambla în mod independent un reactor nuclear mic, dar real, să învețe ce sunt neutronii prompti și întârziați și să vadă dinamica accelerării și decelerației unei reacții nucleare în lanț. Câteva experimente simple cu un spectrometru gamma vă vor permite să înțelegeți producția diferitelor produse de fisiune și să experimentați cu reproducerea combustibilului din toriu acum la modă (este atașată o bucată de sulfură de toriu-232). Cartea inclusă „Fundamentals of Nuclear Physics for Little Ones” conține descrieri a mai mult de 300 de experimente cu reactorul asamblat, astfel încât există un spațiu enorm pentru creativitate.

Prototip istoric Setul Laboratorului de energie atomică (1951) le-a oferit școlarilor oportunitatea de a se alătura celor mai avansate domenii ale științei și tehnologiei. Electroscopul, camera Wilson și contorul Geiger-Muller au făcut posibilă realizarea multor experimente interesante. Dar, desigur, nu la fel de interesant ca asamblarea unui reactor de lucru din setul rusesc „Centrale nucleare de masă”!

În anii 1950, odată cu apariția reactoarelor nucleare, părea că în fața omenirii se profilează perspective strălucitoare pentru rezolvarea tuturor problemelor energetice. Inginerii energetici au proiectat centrale nucleare, constructorii de nave au proiectat nave electrice nucleare și chiar designerii de mașini au decis să se alăture sărbătorii și să folosească „atomul pașnic”. Un „boom nuclear” a apărut în societate, iar industriei a început să aibă lipsă de specialiști calificați. A fost necesar un aflux de personal nou și a fost lansată o campanie educațională serioasă nu numai în rândul studenților, ci și în rândul școlarilor. De exemplu, A.C. Compania Gilbert a lansat trusa pentru copii Atomic Energy Lab în 1951, care conține mai multe surse radioactive mici, instrumentele necesare și mostre de minereu de uraniu. Acest „kit științific de ultimă generație”, după cum spunea în cutie, a permis „tinerilor cercetători să efectueze peste 150 de experimente științifice interesante”.

Personalul decide totul

În ultima jumătate de secol, oamenii de știință au învățat câteva lecții amare și au învățat să construiască reactoare fiabile și sigure. Deși industria se află în prezent într-o scădere din cauza recentului accident de la Fukushima, în curând va fi din nou în creștere, iar centralele nucleare vor continua să fie văzute ca o modalitate extrem de promițătoare de a produce energie curată, fiabilă și sigură. Dar acum în Rusia există o lipsă de personal, la fel ca în anii 1950. Pentru a atrage școlari și a crește interesul pentru energia nucleară, Întreprinderea de Cercetare și Producție (SPE) „Ekoatomconversion”, urmând exemplul A.S. Compania Gilbert a lansat un set educațional pentru copiii de peste 14 ani. Desigur, știința nu a stat pe loc în această jumătate de secol, prin urmare, spre deosebire de prototipul său istoric, setul modern vă permite să obțineți un rezultat mult mai interesant, și anume, să asamblați un model real al unei centrale nucleare pe masă. Desigur, este activ.

Alfabetizare din leagăn

„Compania noastră provine din Obninsk, un oraș în care energia nucleară este familiară și familiară oamenilor aproape de la grădiniță”, îi explică pentru PM Andrey Vykhadanko, director științific al Ecoatomconversion Research and Production Enterprise. „Și toată lumea înțelege că nu este absolut necesar să-ți fie frică de ea.” La urma urmei, doar pericolul necunoscut este cu adevărat înfricoșător. De aceea am decis să lansăm acest set pentru școlari, care le va permite să experimenteze și să studieze principiile de funcționare a reactoarelor nucleare fără a se expune pe ei și pe alții la riscuri serioase. După cum știți, cunoștințele dobândite în copilărie sunt cele mai durabile, așa că, odată cu lansarea acestui set, sperăm să reducem semnificativ probabilitatea repetării Cernobîlului sau

Fukushima în viitor.”

Deșeuri de plutoniu

De-a lungul anilor de funcționare a multor centrale nucleare, s-au acumulat tone de așa-numitul plutoniu din reactor. Constă în principal din Pu-239 de calitate pentru arme, care conține aproximativ 20% amestec de alți izotopi, în principal Pu-240. Acest lucru face ca plutoniul de calitate pentru reactor să fie complet nepotrivit pentru crearea de bombe nucleare. Separarea impurităților se dovedește a fi foarte dificilă, deoarece diferența de masă între izotopii 239 și 240 este de numai 0,4%. Producția de combustibil nuclear cu adăugarea de plutoniu din reactor s-a dovedit a fi complexă din punct de vedere tehnologic și neprofitabilă din punct de vedere economic, astfel încât acest material a rămas neutilizat. Este plutoniul „deșeu” care este folosit în „Ktul tânărului cercetător nuclear” dezvoltat de Ecoatomconversion Research and Production Enterprise.

După cum se știe, pentru ca o reacție de fisiune în lanț să înceapă, combustibilul nuclear trebuie să aibă o anumită masă critică. Pentru o minge din uraniu-235 de calitate pentru arme este de 50 kg, pentru una din plutoniu-239 - doar 10. O carcasă realizată dintr-un reflector de neutroni, de exemplu beriliu, poate reduce masa critică de mai multe ori. Iar utilizarea unui moderator, ca în reactoarele cu neutroni termici, va reduce masa critică de peste zece ori, la câteva kilograme de U-235 foarte îmbogățit. Masa critică a Pu-239 va fi de sute de grame și tocmai acest reactor ultra-compact se potrivește pe o masă care a fost dezvoltată la Ecoatomconversion.

Ce este în piept

Ambalajul setului este proiectat modest în alb și negru și doar pictogramele slabe de radioactivitate cu trei segmente ies oarecum în evidență din fundalul general. „Nu există într-adevăr niciun pericol”, spune Andrey, arătând spre cuvintele „Complet în siguranță!”, scrise pe cutie. „Dar acestea sunt cerințele autorităților oficiale.” Cutia este grea, ceea ce nu este surprinzător: conține un container de transport cu plumb sigilat cu un ansamblu de combustibil (FA) din șase tije de plutoniu cu o carcasă de zirconiu. În plus, setul include un vas exterior al reactorului din sticlă rezistentă la căldură cu întărire chimică, un capac al carcasei cu o fereastră de sticlă și cabluri sigilate, o carcasă de miez din oțel inoxidabil, un suport pentru reactor și o tijă de absorbție de control din carbură de bor. Partea electrică a reactorului este reprezentată de un motor Stirling cu piston liber, cu tuburi polimerice de legătură, o mică lampă incandescentă și fire. Setul include, de asemenea, o pungă de un kilogram de pulbere de acid boric, o pereche de costume de protecție cu aparate respiratorii și un spectrometru gama cu detector de neutroni cu heliu încorporat.

Construcția unei centrale nucleare

Asamblarea unui model de funcționare al unei centrale nucleare conform manualului însoțitor din imagini este foarte simplă și durează mai puțin de jumătate de oră. După ce am îmbrăcat un costum de protecție elegant (este necesar doar în timpul asamblarii), deschidem ambalajul sigilat cu ansamblul combustibil. Apoi introducem ansamblul în interiorul vasului reactorului și îl acoperim cu corpul miezului. În cele din urmă, strângem capacul cu cablurile sigilate deasupra. Trebuie să introduceți tija de absorbție până la capăt în cea centrală și, prin oricare dintre celelalte două, umpleți zona activă cu apă distilată până la linia de pe corp. După umplere, tuburile pentru abur și condens care trec prin schimbătorul de căldură al motorului Stirling sunt conectate la prizele de presiune. Centrala nucleară în sine este acum completă și gata de lansare, nu mai rămâne decât să o plaseze pe un suport special într-un acvariu umplut cu o soluție de acid boric, care absoarbe perfect neutronii și îl protejează pe tânărul cercetător de radiațiile neutronice.

Trei, doi, unu - începe!

Aducem un spectrometru gamma cu un senzor de neutroni aproape de peretele acvariului: o mică parte din neutroni, care nu reprezintă o amenințare pentru sănătate, tot iese. Ridicați încet tija de control până când fluxul de neutroni începe să crească rapid, indicând începutul unei reacții nucleare auto-susținute. Rămâne doar să așteptați până când se ajunge la puterea necesară și să împingeți tija înapoi cu 1 cm de-a lungul semnelor, astfel încât viteza de reacție să se stabilizeze. De îndată ce începe fierberea, va apărea un strat de abur în partea superioară a corpului miezului (perforațiile din corp împiedică acest strat să expună tijele de plutoniu, ceea ce ar putea duce la supraîncălzirea acestora). Aburul urcă prin tub până la motorul Stirling, unde se condensează și curge în tubul de evacuare în reactor. Diferența de temperatură dintre cele două capete ale motorului (unul încălzit cu abur, celălalt răcit cu aerul din cameră) este transformată în oscilații ale pistonului-magnet, care, la rândul său, induce un curent alternativ în înfășurarea care înconjoară motorul, aprinzându-se. lumina atomică în mâinile tânărului cercetător și, se speră, dezvoltatori, interesul atomic este în centrul său.

Nota editorului: Acest articol a fost publicat în numărul din aprilie al revistei și este o glumă a lui Aprilie.