Перспективы развития ядерной энергетики через термоядерный реактор

Перспективы развития ядерной энергетики в мире зависят от сегодняшних реалий в необходимости безопасного и постоянного удаления ядерных отходов высокого уровня и риск непреднамеренных радиоактивных выбросов. Перспективные новые типы ядерных реакторов направлены на устранение или, по крайней мере, снижение одного или нескольких из этих рисков.

К числу проблем, стоящих перед нынешними тепловыми реакторами, относится и нехватка расщепляющегося материала. Перспективы развития ядерной энергетики предусматривают развитие новых термоядерных реакторов.

Термоядерные реакторы

Многие недостатки реакторов деления, будь то тепловые или реакторы-размножители на быстрых нейтронах, хорошо известны из-за их обширного опыта эксплуатации.

Термоядерные реакторы, поскольку пока они существуют только как возможность, не страдают от реальных негативных последствий.

Термоядерная энергия образуется путем слияния двух легких атомов, например дейтерия и трития, двух относительно редких изотопов водорода.

Термоядерный синтез – это то, что приводит в движение огромную энергию Солнца, и условия, подобные тем, что в ядре Солнца, будут необходимы для успешного синтеза.

Одно из преимуществ термоядерного синтеза перед реакторами деления состоит в том, что радиоактивное излучение намного меньше.

Существуют основные три проблемы для термоядерной энергетики как:

  • нагрев большого объема (возможно, 1000-3000 м3) плазмы до температуры свыше одного миллиона ºC. Сверхгорячая плазма должна храниться в “магнитной бутылке”, называемой токамак, чтобы предотвратить ее соприкосновение со стенками реактора и охлаждение
  • доказательство того, что материалы, выбранные для стенок реактора, достаточно прочны, чтобы выдержать интенсивный поток нейтронов и высокие температуры
  • обеспечение того, чтобы неизбежно сложная система могла работать непрерывно без поломок.
Перспективы развития ядерной энергетики

Перспективный экспериментальный термоядерный реактор

Международный экспериментальный реактор токамак (ITER) был разработан, чтобы помочь обеспечить решения этих проблем, и работа по подготовке площадки началась в Кадараше на юге Франции. Но уже сейчас стоимость проекта удвоилась по сравнению с оценкой 2006 года в 7 миллиардов долларов США, а предполагаемая дата проведения первых экспериментов, способных подтвердить термоядерный синтез, была перенесена с 2018 на 2025 год. Эти ожидаемые задержки и инфляция издержек еще раз иллюстрируют утверждение некоторых ученых о чрезмерном оптимизме в отношении перспективы развития ядерной энергетики.

Некоторые исследователи выступили с еще более фундаментальной критикой термоядерной энергии.

Вторя более раннему замечанию Эйнштейна, но, возможно, с большим количеством доказательств в поддержку некоторых точек зрения, что в настоящее время нет интереса со стороны коммунальных компаний к горячему синтезу, и что эта ситуация  вряд ли изменится в обозримом будущем.  Только деньги налогоплательщиков будут доступны для развития термоядерного синтеза на многие десятилетия вперед. При этом частные инвесторы не заинтересованы в такого типа проектах. Коммерческие реакторы деления последовали за атомными бомбами всего лишь на несколько лет, термоядерная (водородная) бомба начала 1950-х годов после более чем полувека не была заменена коммерческой термоядерной энергией. Физики утверждают, что  объяснение имеет больше общего с инженерией, чем с физикой.

Термоядерная электростанция потребует объема активной зоны примерно в 150 раз больше, чем реактор деления со сравнимой мощностью. Это, в свою очередь, требует очень большой площади (и объема) окружающего материала, чтобы поглотить нейтроны высокой энергии, выпущенные реакцией дейтерия и трития. Из-за нейтронной бомбардировки дорогостоящие покровные материалы станут хрупкими и потребуют регулярной замены в течение всего срока службы реактора. В результате облучения, демонтаж, снятие и замена одеяла должны будут производиться дистанционно.

Стоимость термоядерной энергии будет далеко за пределами конкурентного ценового диапазона, в то время как она должна быть намного ниже, учитывая связанные с этим финансовые риски.

Неопределенное ядерное будущее

Перспективы развития ядерной энергетики имеют большую неопределенность, связанную с рядом вопросов, важных для будущего. Мы плохо представляем себе стоимость новых атомных станций, даже для тепловых реакторов, хотя уже работает более 450 реакторов.

Кроме того, если ядерная энергетика должна играть важную роль в будущей энергетике, то нынешние доминирующие тепловые реакторы являются тупиковой технологией. Вместо этого в больших количествах потребуются реакторы-размножители, которые в принципе могут использовать гораздо более высокую долю энергетического потенциала урана.

Таким образом, перспективы развития ядерной энергетики радикально отличаются от существующих.  Это снижает ценность опыта эксплуатации и проектирования, накопленного за первые полвека существования атомной энергетики. В некоторых из этих предложенных новых конструкций рабочие температуры были увеличены до 1000 ºC, что ставит новые вопросы о характеристиках материалов и безопасности реактора. Даже инновационные конструкции, предлагаемые для новых тепловых реакторов, могут сильно отличаться от существующих конструкций.

Нет единого мнения о рисках, связанных с уровнем радиации

Количество раковых заболеваний, которые уже были вызваны выбросами радиации в Чернобыле, оспаривается. Окончательные последствия еще более неопределенны, потому что раковые заболевания могут развиваться в течение нескольких десятилетий после облучения, как показал опыт выживших в Хиросиме. Расчет дозы, полученной населением от данного выброса различных радиоизотопов, также не является простым вычислением. Это существенно зависит от того, как радиоактивный материал транспортируется через окружающую среду. Были случаи, когда радиоактивные материалы вывозились из районов, недоступных для людей, через птичий и кроличий помет.

Ряд исследований показал, что решение одной проблемы в реакторной технологии часто приводит к появлению нескольких новых. Увеличение выгорания ядерного топлива способствует развитию экономики и сокращению объемов производства урана и отходов. Недостатком является то, что это может отрицательно сказаться на безопасности реактора, поскольку оно также увеличивает радиоактивность и тепловыделение отходов, затрудняя их обработку и окончательное удаление. Как это часто бывает в промышленности, попытки снизить затраты могут привести к компромиссам в области безопасности. Некоторые из предложенных новых конструкций реакторов могут снизить затраты за счет снижения надежности дорогостоящего здания защитной оболочки. Однако прочная железобетонная оболочка предотвратила гораздо более серьезное высвобождение радиоактивности.

Сравнение с другими источниками энергии

Чтобы понять перспективы развития ядерной энергетики и определиться с энергией будущего поучительно сравнить опыт атомной энергетики с другими источниками энергии.

Это правда, как утверждают сторонники ядерной энергетики, что уголь является очень загрязняющим топливом, даже производя некоторую радиоактивность в дополнение к его большим выбросам CO2.

Но опасности, связанные с выработкой энергии на ископаемом топливе, сегодня хорошо известны и не вызывают сомнений. Отвод топлива от электростанции, работающей на ископаемом топливе, – это простая кража, а не вопрос международной безопасности. Сжигание ископаемого топлива также не оставляет отходов, которые должны быть изолированы от контакта с человеком на период более длительный, чем современные люди ходили по земле.

Хотя крупные гидроэлектростанции, как и атомные электростанции, могут строиться годами, это не относится к таким важным источникам энергии, как ветер или солнечная энергия.

Большинство ветряных электростанций и фотоэлектрических установок могут генерировать энергию и давать доход в течение года с момента начала строительства. Оба эти источника модульны и при массовом непрерывном изготовлении их стоимость невелика.

Таким образом, перспективы развития ядерной энергетики достаточно туманны и сильно зависят от развития технологий и происходящих экономических процессов в мире.