Китай стартира първият напълно защитен от аварии реактор с деление на ядрата

Първата в света широкомащабна ядрена електроцентрала в Китай, работеща на принципа на ядреното делене, е напълно защитена от опасно разтопяване дори в случай на пълно спиране на тока. Нейните ядрени реактори, познати като „модулни високотемпературни реактори с топчест слой“, са проектирани да работят без проблеми при много високи температури и да се охлаждат пасивно в случай на авария. Първите тестове за безопасност на двата реакторни модула са успешно завършени.

Ядрената енергия от ядрен разпад понастоящем е в центъра на стратегиите за декарбонизация на енергийния сектор поради ниските си въглеродни емисии. Тя намалява зависимостта от изкопаемите горива и намалява тежестта върху биомасата, без да възпрепятства прехода към други зелени енергийни технологии.

Въпреки това широкото му разпространение е възпрепятствано от опасения за безопасността, както показват сериозните аварии в Чернобил (1986 г.) и Фукушима Даичи (2011 г.). Последиците за околната среда от тези аварии са толкова големи, че само няколко държави в света използват (или планират да използват) енергия от ядрено делене – да не говорим за проблемите с утилизацията на ядрените отпадъци.

За да се избегне подобна катастрофа, понастоящем научните изследвания са насочени към разработването на безопасни по своята същност реактори за ядрено делене. Това са реактори, чиято безопасност не се основава на човешка намеса или електромеханични устройства, а на физически или химически процеси, които се задействат по естествен път в случай на проблем.

Сред предлаганите устройства са високотемпературните реактори (HTR). Това са реактори с хелиево охлаждане, в които графитът се използва като забавител и структурен материал. Горивото се състои от няколко хиляди частици, покрити с TRISO (който предотвратява отделянето на продуктите на делене дори при високи температури) и затворени в сферична или призматична матрица. Топлината от разпадането, която е основната причина за разтопяването на активната зона в реакторите на делене, може да се отделя в околната среда по естествен път чрез топлопроводимост, дори и без резервни охладителни системи (пасивно охлаждане).

Високотемпературните модулни реактори със сачмен слой (HTR-PM) биха осигурили по-голяма безопасност, като използват същия принцип на пасивно охлаждане, но по-надеждно. Ефективността и безопасността на този тип реактори обаче досега са тествани само в малък мащаб. HTR-PM, разработен от екип от китайския университет „Цинхуа“, е първият, който ще бъде използван в търговски мащаб.

„Постигането на вътрешна ядрена безопасност в търговски мащаб е мечтата на всички ядрени учени и инженери, където основното предизвикателство е да се елиминира топлината на разпада, без да се налага активна намеса“, обясняват изследователите в новото си проучване, публикувано наскоро в списание Joule.

Пасивно охлаждане дори в случай на пълно прекъсване на захранването

Реакторите HTR-PM, разработени за първи път в Германия, използват хелий като топлоносител, което означава, че физичните му свойства позволяват пренасяне на топлината от една точка в друга. Реакторите работят при много високи температури и съдържат графитни сфери с хиляди топчета ураново гориво, откъдето идва и наименованието „сачмен слой“.

Китайската HTR-PM централа се състои от два реактора, всеки от които има парогенератор и система за хелиев контур. Активната зона на всеки реактор е разположена до парогенератора. Системата е свързана с хоризонтален газопровод, който пренася студения хелий през цялата система. Циркулацията на охладения газ се улеснява и от кладенци, разположени около всеки реактор.

Чрез сложен динамичен процес газът циркулира през слоя от топчета и цикли, за да улавя топлината. Горивните топчета са с диаметър 6 сантиметра и съдържат около 12 000 уранови частици с TRISO покритие, затворени в графитна матрица. При процеса на топлообмен се получава прегрята пара, която след като попадне в парната турбина, се използва за производство на електроенергия.

Изследователите изчислиха, че работните параметри на всеки от реакторите позволяват да се генерира до 200 мегавата електроенергия за всеки от тях. Средната плътност на мощността се оценява на около 3,2 MW/m3. Работейки с номинален капацитет, централата може да генерира около 1,4 милиарда киловатчаса електроенергия годишно, което е равносилно на нуждите от електроенергия на 2 милиона жители. Освен това тя ще намали емисиите на въглероден диоксид с 900 000 тона.

По време на тестовете за безопасност електрозахранването на централата бе напълно спряно, за да се гарантира, че топлината от разпадането може да бъде правилно разсеяна. Данните за енергията и температурата от различните конструкции на реакторите показаха, че те са в състояние да се охлаждат по естествен начин без активна намеса. Това означава, че облицовката TRISO успешно е предотвратила отделянето на продуктите на делене дори при максимална температура от 1620 °C.

Тези резултати за първи път показват, че в промишлен мащаб могат да бъдат изградени безопасни по своята същност реактори с ядрено делене. Въпреки това цената на горивото и компонентите на реактора може да представлява допълнително предизвикателство за широкомащабното внедряване на технологията. Въпреки това изследването показа, че разходите могат да бъдат намалени при масовото производство на този тип реактори, което е потенциално осъществимо предвид размера на китайския пазар.

Наистина много важен експеримент, който показва, че е напълно възможно да бъдат изграждани на практика съвсем безопасни ядрени реактори, работещи на принципа на ядреното делене.