Hiina kavatseb ehitada maailma väikseima tuumareaktori. Kas on võimalik luua majapidamisvajaduste jaoks mikroaatomiareaktor? Väikseim tuumareaktor

Hiina tuumaohutuse tehnoloogia instituudi teadlased on alustanud tööd tuumaelektrijaamaga, mis saab olema maailma väikseim. Sellest teatati.

Tuumaelektrijaam on kiire neutronreaktor. Teadlased ise nimetasid seda "kaasaskantavaks tuumapatareiks". See konstruktsioon võimaldab reaktoril töötada 5 aastat ilma keeruliste hooldustingimusteta. Jahutamiseks kasutatakse sula pliid.

Väike elektrijaam suudab toota kuni 10 megavatti elektrit. Pealegi on selle mõõtmed vaid 2 meetrit laiad ja 6 meetrit kõrged. Nagu teadlased märkisid, suudab see energiat tarnida umbes 50 tuhandele kodule. Sellest hoolimata valisid teadlased uue reaktori esimeseks töökohaks Lõuna-Hiina meres asuva magestamisüksuse.

Hiina võimud kavatsevad sellised "kaasaskantavad tuumapatareid" kasutusele võtta järgmise 5 aasta jooksul.

Viimasel ajal on autonoomse toiteallika kontseptsioon saanud hoogu juurde. Kas see on maamaja, mille tuuleturbiinid ja katusel asuvad päikesepaneelid või puidutöötlemistehas, mille küttekatel töötab tööstusjäätmetel - saepurul, olemus ei muutu. Maailm on tasapisi jõudmas kohale, et on aeg loobuda tsentraliseeritud soojus- ja elektrivarustusest. Keskkütet Euroopas praktiliselt enam ei leidu, üksikuid maju, mitme korteriga pilvelõhkujaid ja tööstusettevõtteid köetakse iseseisvalt. Ainsad erandid on mõned põhjamaade linnad - seal on tsentraliseeritud küte ja suured katlamajad kliimatingimuste tõttu õigustatud.

Mis puutub autonoomsesse energiatööstusesse, siis kõik suundub selle poole - elanikud ostavad aktiivselt tuuleturbiine ja päikesepaneele. Ettevõtted otsivad võimalusi tehnoloogilistest protsessidest saadava soojusenergia otstarbekaks kasutamiseks, oma soojuselektrijaamade ehitamiseks ja tuulegeneraatoritega päikesepaneelide ostmiseks. Need, kes on eriti keskendunud rohelistele tehnoloogiatele, plaanivad isegi tehaste saalide ja angaaride katused päikesepaneelidega katta.

Lõpuks osutub see odavamaks kui vajaliku võimsuse ostmine kohalikest elektrivõrkudest. Pärast Tšernobõli õnnetust unustasid kõik kuidagi, et kõige keskkonnasõbralikum, odavam ja taskukohasem viis soojus- ja elektrienergia saamiseks on endiselt tuumaenergia. Ja kui kogu tuumatööstuse eksisteerimise ajal on tuumareaktoritega elektrijaamad alati olnud seotud kompleksiga hektari kohta, jahutamiseks tohutute torude ja järvedega, siis on mitmed viimaste aastate arengud kavandatud nende stereotüüpide purustamiseks.

Mitmed ettevõtted teatasid korraga, et sisenevad turule koduste tuumareaktoritega. Miniatuursed jaamad, mille suurus ulatub garaažiboksist väikese kahekorruselise hooneni, on võimelised 10 aasta jooksul toiteallikaid andma 10–100 MW. Reaktorid on täiesti autonoomsed, ohutud, ei vaja hooldust ja pärast tööea lõppu laaditakse neid lihtsalt veel 10 aastat. Kas see pole unistus rauavabrikust või majanduslikust suvisest elanikust? Vaatleme üksikasjalikumalt neid, mille müük algab lähiaastatel.

Toshiba 4S (üliohutu, väike ja lihtne)

Reaktor on konstrueeritud patareina. Eeldatakse, et selline "aku" maetakse 30 meetri sügavusesse kaevandusse ja selle kohal asuvasse hoonesse jääb 22 16 11 meetrit. Mitte palju muud kui kena maamaja? Selline tehas vajab hoolduspersonali, kuid seda ei saa ikkagi võrrelda kümnete tuhandete ruutmeetrite pindalaga ja sadade töötajatega tavapärastes tuumaelektrijaamades. Kompleksi nominaalvõimsus on 10 megavatti 30 aastat ilma tankimiseta.

Reaktor töötab kiiretel neutronitel. Sarnane reaktor on paigaldatud ja töötab alates 1980. aastast Venemaa Sverdlovski oblastis Beloyarski tuumaelektrijaamas (reaktor BN-600). Kirjeldatakse tööpõhimõtet. Jaapani käitises kasutatakse jahutusvedelikuna naatriumsulamit. See võimaldab tõsta reaktori töötemperatuuri 200 kraadi Celsiuse järgi, võrreldes veega ja normaalrõhul. Vee kasutamine sellises mahus suurendaks rõhku süsteemis sadu kordi.

Kõige tähtsam on see, et selle paigaldise 1 kWh tootmiseks kulub eeldatavasti vahemikus 5–13 senti. Leviku põhjuseks on riikliku maksustamise iseärasused, tuumajäätmete töötlemise erinevad kulud ja tehase enda tegevuse lõpetamise kulud.

Toshiba "aku" esimene klient näib olevat USA-s Alaskas asuv väikelinn Galena. Praegu peetakse USA valitsusasutustega läbirääkimisi kinnitusdokumentatsiooni üle. Ettevõtte partner USA-s on tuntud Westinghouse'i ettevõte, kes tarnis esimest korda Venemaa TVEL-i alternatiivina Ukraina tuumaelektrijaamale kütuseagregaate.

Hyperioni elektritootmine ja Hyperioni reaktor

Need ameeriklased tunduvad olevat esimestena miniatuursete tuumareaktorite kaubaturule sisenenud. Ettevõte pakub installatsioone 70–25 megavatti maksumusega umbes 25–30 miljonit dollarit ühiku kohta. Hyperioni tuumajaamu saab kasutada nii elektrienergia tootmiseks kui ka kütmiseks. 2010. aasta alguse seisuga oli erineva mahutavusega jaamades juba laekunud üle 100 tellimuse nii eraisikutelt kui ka riigiettevõtetelt. Valminud moodulite tootmine on plaanis koguni viia USA-st väljapoole, Aasias ja Lääne-Euroopas tehaseid ehitama.

Reaktor töötab samal põhimõttel nagu enamus tänapäevaseid tuumaelektrijaamade reaktoreid. Lugema . Tööpõhimõtteliselt kõige lähedasemad on projekti 705 "Lira" (NATO - "Alfa") tuumaallveelaevadel kasutatavad kõige tavalisemad Vene VVER-i reaktorid ja elektrijaamad. Ameerika reaktor on muide kindlaksmääratud tuumaallveelaevadele paigaldatud reaktorite maapealne versioon, muide - oma aja kiireimad allveelaevad.

Kütusena kasutatakse uraaninitriidi, mille soojusjuhtivus on suurem kui keraamilise uraanoksiidi puhul, mis on VVER-i reaktorite puhul tavapärane. See võimaldab töötada temperatuuril 250-300 kraadi Celsiuse järgi kõrgem kui vesi-vesi rajatised, mis suurendab elektrigeneraatorite auruturbiinide efektiivsust. Siin on kõik lihtne - mida kõrgem on reaktori temperatuur, seda kõrgem on auru temperatuur ja sellest tulenevalt on ka auruturbiini efektiivsus kõrgem.

Jahutusvedelikuna kasutatakse plii-vismuti sula, sarnaselt Nõukogude tuumaallveelaevadele. Sulam läbib kolme soojusvahetusringi, vähendades temperatuuri 500 kraadi Celsiuse järgi 480 ° C-ni. Turbiini töövedelik võib olla nii veeaur kui ka ülekuumendatud süsinikdioksiid.

Kütuse- ja jahutussüsteemiga seade kaalub vaid 20 tonni ja on ette nähtud kasutamiseks 10 aastat töötamiseks nimivõimsusega 70 megavatti ilma tankimiseta. Tõeliselt miniatuursed mõõtmed on muljetavaldavad - reaktor on vaid 2,5 meetrit kõrge ja 1,5 meetrit lai! Kogu süsteemi saab vedada veoauto või raudteega, saavutades võimsuse ja liikuvuse suhte absoluutse kaubandusliku maailmarekordi.

Kohale jõudes maetakse reaktoriga "tünn" lihtsalt maha. Sellele või muule teenusele juurdepääsu ei eeldata üldse. Pärast garantiiaja lõppemist kaevatakse koost üles ja saadetakse tootja tehasesse uuesti täitmiseks. Pliim-vismutiga jahutamise omadused annavad tohutu turvalisuse eelise - ülekuumenemine ja plahvatus pole võimalik (temperatuur ei tõuse temperatuuri tõustes). Samuti tahkub sulami jahutamisel ja reaktor ise muutub paksu pliikihiga isoleeritud rauatangiks, mis ei karda mehaanilist koormust. Muide, tuumaallveelaevale pliibmututi paigaldamise edasise kasutamise tagasilükkamise põhjuseks oli väikese võimsusega töötamise võimatus (jahutussulami tahkestamise ja automaatse väljalülituse tõttu). Samal põhjusel on need kõigi riikide kõige ohutumad tuumaallveelaevadele paigaldatud reaktorid.

Algselt arendas Hyperion Power Generation miniatuurseid tuumaelektrijaamu kaevandustööstuse vajadusteks, nimelt põlevkivi muundamiseks sünteetiliseks õliks. Põlevkivi sünteetilise õli hinnanguline varu, mida tänapäeval olemasolevate tehnoloogiate abil on võimalik töötlemiseks kasutada, on hinnanguliselt 2,8–3,3 triljonit barrelit. Võrdluseks - kaevudes sisalduva "vedela" õli varu on hinnanguliselt ainult 1,2 triljonit barrelit. Põlevkivi õliks muundamise protsess nõuab selle kuumutamist ja aurude hõivamist, mis seejärel kondenseeruvad õliks ja kõrvalsaadustes. On selge, et kütmiseks peate kuskilt energia viima. Sel põhjusel peetakse põlevkivist õli kaevandamist majanduslikult otstarbekaks, võrreldes selle importimist OPECi riikidest. Nii näeb ettevõte oma toote tulevikku erinevates rakendusvaldkondades.

Näiteks mobiilse elektrijaamana sõjaväebaaside ja lennuväljade vajadustele. Ka siin on huvitavaid väljavaateid. Seega, kui väed tegutsevad teatud piirkondades niinimetatud tugevatest punktidest, võiksid need jaamad liikuva sõjapidamise läbiviimisel toita "baaside" infrastruktuuri. Täpselt nagu arvutistrateegiate puhul. Ainus erinevus on see, et kui ülesanne selles piirkonnas on täidetud, laaditakse elektrijaam sõidukisse (lennuk, kaubahelikopter, veoautod, rong, laev) ja viiakse uude kohta.

Veel üks rakendus sõjaväesfääris on alaliste sõjaväebaaside ja lennuväljade statsionaarne elektrivarustus. Õhurünnaku või raketirünnaku korral jääb tõenäolisemalt töötavaks maa-aluse tuumaelektrijaamaga baas, mis ei vaja hoolduspersonali. Samamoodi on võimalik toita sotsiaalse infrastruktuuri objektide rühmi - linnade toitesüsteemid, haldusrajatised, haiglad.

Noh, tööstuslikud ja tsiviilrakendused - väikelinnade ja külade, üksikute ettevõtete või nende rühmade toitesüsteemid, küttesüsteemid. Lõppude lõpuks toodavad need rajatised peamiselt soojusenergiat ja planeedi külmades piirkondades võivad need moodustada tsentraliseeritud küttesüsteemide tuuma. Samuti peab ettevõte paljutõotavaks selliste liikuvate elektrijaamade kasutamist arengumaade magestamisjaamades.

SSTAR (väike, suletud, transporditav, autonoomne reaktor)

Väike suletud kaasaskantav autonoomne reaktor - projekt on väljatöötamisel USA Lawrence Livermore'i Riiklikus Laboris. Toimimispõhimõte sarnaneb Hyperioniga, kütusena kasutatakse ainult uraani-235. Selle säilivusaeg peaks olema 30 aastat võimsusega 10–100 megavatti.

Mõõtmed peaksid olema 15 meetrit kõrge ja 3 meetrit laiad, 200-tonnise reaktoriga. See säte arvutatakse algselt kasutamiseks vähem arenenud riikides liisinguskeemi alusel. Seega pööratakse suuremat tähelepanu suutmatusele konstruktsiooni lahti võtta ja sellest väärtuslikku välja võtta. Väärtuslikud on uraan-238 ja relvakvaliteediga plutoonium, mida toodetakse aegumiskuupäeva lõppedes.

Rendilepingu lõppedes peab saaja selle üksuse USA-sse tagastama. Ainult mulle tundub, et need on kellegi teise raha eest liikuvad taimed relvakvaliteediga plutooniumi tootmiseks? Teisisõnu, Ameerika riik pole siinsetest uurimistöödest kaugemale jõudnud, puudub isegi prototüüp.

Kokkuvõtvalt tuleb tõdeda, et seni on kõige realistlikum areng Hyperionilt ja esimesed tarned on kavas 2014. aastal. Arvan, et võime oodata "tasku" tuumaelektrijaamade edasist rünnakut, eriti kuna teised ettevõtted, sealhulgas sellised hiiglased nagu Mitsubishi Heavy Industries, teevad sarnaseid töid sarnaste jaamade loomisel. Üldiselt on miniatuursed tuumareaktorid väärt vastust igasugustele loodete hägususele ja muudele uskumatult "rohelistele" tehnoloogiatele. Näib, et lähitulevikus saame jälgida, kuidas taas sõjatehnoloogia tsiviilteenistusse üle kantakse.

Kahjuks ei saa olmevajaduste jaoks mõeldud mikroatomaatset reaktorit luua ja see on põhjus, miks. Aatomireaktori töö põhineb Uraan-235 (²³⁵U) tuumade lõhustumise ahelreaktsioonil termilise neutroniga: n + ²³⁵U → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + γ (202,5 \u200b\u200bMeV) + 3n. Lõhustamisahela reaktsiooni joonis on näidatud allpool.

Joon. on näha, kuidas tuumasse sisenev neutron (²³⁵U) erutab seda ja tuum jaguneb kaheks fragmendiks (¹⁴¹Ba, ⁹²Kr), γ-kvantiks, mille energia on 202,5 \u200b\u200bMeV, ja 3 vabaks neutroniks (keskmiselt), mis omakorda võib jagada järgmised 3 uraanituuma nende teele sattunud. Seega eraldub iga lõhustumisprotsessi käigus umbes 200 MeV energiat ehk ~ 3 × 10⁻¹ J J, mis vastab ~ 80 TerraJ / kg ehk 2,5 miljonit korda rohkem, kui vabaneks samas koguses põlevas söes. Kuid nagu Murphy meile juhendab: “kui peaks juhtuma häda, siis see peab ka juhtuma” ja mõned lõhustumise käigus tekkinud neutronid kaotavad ahelreaktsiooni. Neutronid pääsevad aktiivsest ruumist välja (hüppavad välja) või võivad imenduda lisanditesse (näiteks Krypton). Järgmise põlvkonna neutronite arvu ja eelmise põlvkonna neutronite arvu suhet korrutavas neutronikeskkonnas (tuumareaktori tuum) kogu ruumis nimetatakse neutronite korrutusteguriks k. K jaoks<1 цепная реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k>1, toimub plahvatus peaaegu kohe. Kui k on võrdne 1-ga, toimub kontrollitud liikumatu ahelreaktsioon. Tuumakütuse massi ja puhtuse (²³⁵U) suhtes on kõige tundlikum neutronite korrutustegur (k). Tuumafüüsikas nimetatakse lõhustuva aine minimaalset massi, mis on vajalik iseseisva lõhustumisahela reaktsiooni käivitamiseks (k≥1), kriitiliseks massiks. Uraan-235 puhul on see 50 kg. See pole kindlasti mikromõõdus, kuid mitte palju. Tuumaplahvatuse vältimiseks ja ahelreaktsiooni juhtimise võimaluse loomiseks (korrutustegur) tuleb suurendada reaktori kütuse massi ja vastavalt sellele tuleb tööle panna neutronide neeldurid (moderaatorid). Just see reaktori tehniline ja tehniline varustus nõuab ahelreaktsiooni, jahutussüsteemi ja töötajate kiirgusohutuse lisakonstruktsioonide jätkusuutlikku juhtimist ning nõuab suuri mahtusid.

Kütusena võib kasutada ka Californian-232, mille kriitiline mass on umbes 2,7 kg. Limiidis on täiesti võimalik viia reaktor mitmemeetrise läbimõõduga kera suuruseks. Tõenäoliselt tehakse seda tõenäoliselt tuumaallveelaevadel. Arvan, et sellistele reaktoritele peaks vältimatu neutronitausta tõttu läheneda väga ohtlikult, kuid sõdalastelt tuleks küsida lisateavet.

California ei sobi oma tohutute kulude tõttu tuumakütusena. 1 gramm California-252 maksab umbes 27 miljonit dollarit. Tuumakütusena kasutatakse laialdaselt ainult uraani. Tooriumil ja plutooniumil põhinevad kütuseelemendid pole veel laialt levinud, kuid neid arendatakse aktiivselt.

Allveelaevareaktorite suhteliselt suure kompaktsuse tagavad konstruktsiooni erinevused (tavaliselt kasutatakse survestatud veereaktorit, VVER / PWR), neile kehtivad erinevad nõuded (muud nõuded ohutusele ja hädaolukorra väljalülitumisele; pardal ei vaja see tavaliselt vastupidiselt maismaal asuvate elektrijaamade reaktoritele palju elektrit). , mis loodi ainult elektrienergia saamiseks) ja erineva raskusastmega kütuse rikastamiseks (uraani-235 kontsentratsioon võrreldes uraani-238 kontsentratsiooniga). Tavaliselt kasutatakse merereaktorite kütusena palju suurema rikastusastmega uraani (Ameerika laevade puhul 20–96%). Samuti, erinevalt maismaal asuvatest elektrijaamadest, kus kütuse kasutamine keraamika (uraandioksiid) kujul on tavaline, kasutatakse avamerereaktorites kõige sagedamini kütusena uraani sulamid tsirkooniumi ja muude metallidega.

Tuuma lagunemise energia kasutamisel elektrivoolu genereerivaid seadmeid on põhjalikult uuritud (alates 1913. aastast) ja nende tootmises on seda pikka aega kasutatud. Neid kasutatakse peamiselt seal, kus on vaja suhtelist kompaktsust ja suurt autonoomiat - kosmoseuuringutes, veealuses sõidukites, hõredalt asustatud ja mahajäetud tehnoloogiates. Nende kasutamise võimalused olmetingimustes on üsna tagasihoidlikud, lisaks kiirgusohule on enamus tuumakütuse liike väga mürgised ja on keskkonnaga kokkupuutel äärmiselt ohtlikud. Hoolimata asjaolust, et ingliskeelses kirjanduses nimetatakse neid seadmeid aatompatareideks ega ole kombeks neid reaktoriteks nimetada, võib neid sellisteks pidada, kuna need läbivad lagunemisreaktsiooni. Soovi korral saab selliseid seadmeid kohandada olmevajaduste jaoks, see võib olla asjakohane näiteks Antarktika oludes.

Radioisotoopide termoelektrilised generaatorid on juba pikka aega eksisteerinud ja vastavad teie soovile täielikult - need on kompaktsed ja piisavalt võimsad. Need töötavad Seebecki efekti tõttu, neil pole liikuvaid osi. Kui see ei oleks vastuolus terve mõistusega, ettevaatusabinõude ja kriminaalkoodeksiga, siis võiks sellise generaatori matta kuskile riigi garaaži alla ja seda toita isegi paari pirni ja sealt sülearvuti abil. Et ohverdada nii-öelda järeltulijate ja naabrite tervist saja-kahe vatti elektri huvides. Kokku toodeti Venemaal ja NSV Liidus üle 1000 sellise generaatori.

Nagu teised osalejad on juba vastanud, on füüsiliste seadustega rangelt piiratud auruturbiine kasutavate "klassikaliste" tuumareaktorite miniaturiseerimise võimalused ning peamisi piiranguid seavad mitte niivõrd reaktori suurus, kuivõrd muude seadmete suurus: katlad, torustikud, turbiinid, jahutustornid. Suure tõenäosusega "leibkonna" mudeleid ei tule. Sellegipoolest arendatakse praegu aktiivselt üsna kompaktseid seadmeid, näiteks on lootustandva NuScale reaktori võimsus 50 MWe mõõtmetega ainult 76–15 tolli, s.o. umbes kaks meetrit 40 sentimeetri võrra.

Tuumasünteesi energiaga on kõik palju keerulisem ja kahemõttelisem. Ühest küljest saame rääkida ainult pikaajalisest perspektiivist. Siiani ei anna isegi suured tuumasünteesireaktorid energiat ja nende praktilisest miniaturiseerimisest lihtsalt ei räägita. Sellegipoolest arendavad mitmed tõsised ja veelgi tõsisemad organisatsioonid termotuumareaktsioonil põhinevaid kompaktseid energiaallikaid. Ja kui Lockheed Martini puhul mõistetakse sõna "kompaktne" kui kaubiku suurust, siis näiteks Ameerika agentuuri DARPA puhul, mis eraldas 2009. eelarveaasta

Kas hoone saab end täielikult varustada elektri, soojuse, sooja veega ja samal ajal müüa osa liigsest energiast väljapoole?

Muidugi! Kui mäletate vana, eriti head aatomit ja varustate maja miniatuurse tuumareaktoriga. Aga kuidas on lood ökoloogia ja ohutusega? Selgub, et neid probleeme saab lahendada kaasaegsete tehnoloogiate abil. See on täpselt see, mida USA energeetikaministeeriumi spetsialistid on kaasatud nn kontseptsiooni juurutamisse. "Suletud" reaktor.

Idee sellise seadme loomiseks tekkis kümmekond aastat tagasi kui arengumaade tõhusa energiavarustuse retsept. Selle põhielement on Livermore'i riiklikus laboris välja töötatud väike suletud transporditav autonoomne reaktor (SSTAR). Lawrence (California).

Selle toote eripäraks on radioaktiivse aine eraldamise täielik võimatus (rääkimata selle lekkimise võimalusest). See pidi olema peamine tingimus seadmete tarnimiseks nn olekutele. "Kolmas" maailm, et kõrvaldada kiusatus kasutada selle sisu tuumarelvade loomiseks. Täielikult suletud ümbris, mis on varustatud usaldusväärse häiresüsteemiga avamisel, ja selle sees on aurugeneraatoriga reaktor, mis on suletud nagu džinn pudelis.

Kuna vastuolud süvenevad ülemaailmsel energiaturul, dikteerib turg üha enam nõudlust autonoomsete energiavarustussüsteemide järele. Juriidilisest seisukohast tõotab väikeste reaktorite laialdane kasutamine arenenud riikides palju vähem raskusi kui nende tarnimine arengumaadele. Selle tulemusel muundatakse unistus mikrotuumaelektrijaamast üha enam ideeks luua "igavesel" kütusel põhinev punktenergiageneraator.

Olemasolevad SSTAR-i kasutamise tehnoloogiad ei näe ette südamiku laadimist ning pideva töö eeldatav kestus on 30 aastat. Pärast seda perioodi tehakse ettepanek kogu plokk lihtsalt uuega asendada. Pange tähele, et 100-megavatine reaktor mahub 15-meetrise ja 3-meetrise läbimõõduga "pudelisse".

Need näitajad, mis on elektrijaama puhul väga tagasihoidlikud, on üksikute rajatiste energiavarustuse osas endiselt olulised. Projekti loominguline areng näitas siiski kaalu ja suuruse omaduste märkimisväärset vähenemist koos piisava võimsuse vähendamisega.

Tulevikus kavatsevad disainerid jätkata jõuseadme miniaturiseerimise ja juhtimissüsteemide parendamisega seotud tööd. Teine oluline valdkond on "tuumatableti" eluea pikendamine 40-50 aastani, mille jaoks on kavas paigaldada selle sisse täiendavad varjestussüsteemid.

Nii on võimalik, et lähitulevikus saab peaaegu igavese energiaallika paigaldada otse iga maja keldrisse.