Toshiba corporate blog
Popular science
Energy and batteries
Ecology
1 October 2019

Мирный атом не в каждый дом: неожиданные варианты радионуклидных источников энергии



Радиоизотопы в середине XX века казались почти бесконечным источником дешёвого электричества — вот-вот реакторы придут в самолёты, автомобили и даже дома, думали тогда. Но это случилось только в мире игры Fallout. Почему ядерная энергетика в тупике и застанем ли мы её закат? В этой статье мы рассказываем о неудачных попытках сделать мирный атом ближе к людям — продолжаем серию постов об источниках энергии.

Мирный атом мог сыграть очень важную роль в снижении выбросов углекислого газа без уменьшения мировой выработки электроэнергии. Но не сыграл.

После Чернобыльской катастрофы энтузиазм относительно АЭС поутих — перспектива маловероятного, но возможного радиоактивного заражения целых регионов никому не нравилась. Фукусимская катастрофа только ускорила отказ от атомной энергетики на территории Европы. В Евросоюзе, где от границы до границы, грубо говоря, «рукой подать» любая утечка ядерного топлива накроет сразу несколько стран.

В Италии последняя АЭС встала в 1990 году. С 2000 года Германия начала планомерно отказываться от ядерной энергетики, а после аварии на Фукусиме разом были отключены восемь из 17 реакторов в стране. Бельгия остановит все семь своих реакторов до 2025 года. Швейцария заглушит реакторы к 2034 году. Страны Америки, Ближнего Востока и Азии не торопятся останавливать свои АЭС и даже строят новые, но вместе с ними активно развивают «зелёную» энергетику. А в Германии в 2019 году объем электроэнергии, полученной от солнца, ветра, воды и биомассы превысил таковой от электростанций на ископаемом, и в том числе ядерном, топливе.


Доля атомной энергетики в странах. Через 10 лет исчезнут зелёные пятна на территории Европы. И даже Китай вложил $380 млрд в строительство ветряных и солнечных станций. Источник: PRIS — Country Statistics / Wikimedia

На АЭС приходится около 10% всей электроэнергии мира, и их доля медленно снижается. А на возобновляемые источники — 20%, причём наибольший рост демонстрирует ветроэнергетика (в 4,5 раза за 10 лет) и солнечные станции (в 25 раз за 10 лет). Конечно, пока рано хоронить АЭС, но кто знает, что нас ждёт в следующие 20 лет. В конце 1990-х никто и подумать не мог, что ветряки и солнечные панели будут занимать хоть сколько-нибудь весомую часть в мировой энергетике.

Во времена золотого века атома учёные пытались сделать эти технологии безопасней, доступней и понятнее людям, но ряд нерешённых и нерешаемых проблем похоронил перспективные идеи или сузил до минимума сферу их применения. Вот некоторые из этих идей.

Летающий реактор, который «не взлетел»


В 1950-х годах, когда романтический флёр относительно ядерного будущего ещё не развеялся, атомные реакторы в порядке эксперимента пытались ставить куда только можно. Не секрет, что главным заказчиком и инвестором учёных в США является Министерство обороны, и тогда оно было готово финансировать самые безумные проекты.

В самом начале 50-х в воздухе уже витали разговоры о неизбежной войне с СССР, причём войне ядерной. Со средствами доставки ядерных зарядов в то время была беда: ракетостроение находилось в зачаточном состоянии, а первые послевоенные бомбардировщики просто не успевали добраться до территории вероятного противника в случае конфликта. Нужно было, чтобы военные самолёты постоянно находились в воздухе как можно ближе к местам предполагаемого сброса бомб. Значит, нужен такой авиадвигатель, который сможет работать дни и недели без дозаправки.

Программа по установке ядерного реактора в самолёт стартовала в США ещё в 1946 году. Два крупнейших разработчика авиационных двигателей, General Electric и Pratt & Whitney, представили свои варианты прямоточного ядерно-воздушного двигателя. Принцип их работы был до гениального прост: после взлёта на обычном топливе поступающий в воздухозаборники воздух попадал в реактор, проходил сквозь тысячи нагретых свыше 1000 °C каналов и на выходе создавал реактивную тягу.


Прямоточный атомный двигатель General Electric HTRE-3. Источник: Federal Government of the United States / Wikimedia

Идея была потрясающей: даже по скромным оценкам самолёт с таким двигателем мог находиться в воздухе неделями — пока хватает запасов еды и воды у экипажа. На практике обнаружились проблемы, о которых вы, наверное, уже догадались. Во-первых, реактор создавал шлейф ионизирующего излучения и тем самым заметно портил территорию, над которой пролетал. Избавиться от выхлопа можно было с помощью двухконтурной системы, как в АЭС, но тогда эффективность двигателя сильно падала — самолёт с трудом смог бы нести сам себя без полезной нагрузки. Во-вторых, биологическая защита экипажа была не идеальной, а квалифицированный военный лётчик, тем более пилот стратегического бомбардировщика, — это золотой ресурс. В-третьих, падение такого самолёта на любой территории (кроме вражеской) вело бы к международному скандалу и экологической катастрофе. В общем, реактор на самолёт поставили, но только на один — единственным экспериментальным бортом стал NB-36H (на самом первом фото в этом материале), да и на нём двигатели не были подключены к реактору.

Экипаж защитили конструкцией из свинца и резины, которая добавила к массе самолёта 11 тонн, но всё же не смогла полностью оградить людей от излучения. На борту бомбардировщик нёс реактор с водяным охлаждением мощностью 1 МВт массой 16 тонн. Самолёт налетал 215 часов, из которых 89 часов с работающим реактором, испытания проводились исключительно над пустынными районами Техаса и Нью-Мексико.

От идеи атомолёта отказались в 1961 году по указу президента Кеннеди на фоне «оттепели» в отношениях двух сверхдержав. Но это не означало, что США полностью похоронили программу атомных двигателей для воздушных судов.


Двигатели General Electric HTRE-2 и HTRE-3 на 35 МВт теперь открыто стоят на парковке Национальной лаборатории Айдахо, где проводились их испытания. Источник: Wtshymanski / Wikimedia

Аналогичные проекты, как нетрудно догадаться, существовали и в СССР — по обе стороны планеты тенденции в военном деле были схожими. В 1955 году началась работа над созданием ядерной авиационной силовой установки, а самолёты для неё должны были разработать КБ Туполева и Мясищева. Для испытаний был взят перспективный стратегический бомбардировщик Ту-95М (кстати, до сих пор стоит на вооружении). Уже к 1958 году был готов самолёт Ту-95ЛАЛ с реактором в грузовом отсеке. За лето 1961 года самолёт-лаборатория совершил 34 полёта. Так же, как и в американском проекте, для взлёта самолёта предполагалось использовать обычные турбовинтовые двигатели НК-12М, а реактор подключался уже на высоте.

В отличие от американцев советские инженеры экранировали экипаж перегородками из полиэтилена и церезина с присадкой карбида бора, которые были эффективней и гораздо легче резины со свинцом.

Проект получил имя Ту-119, а сам бомбардировщик в целом был вполне жизнеспособен. Но вслед за США разработку советского атомолёта остановили в начале 1960-х. Не исключено, что по тем же причинам: «оттепель», развитие ракетостроения и опасность крушения. И, конечно, цена: доведение Ту-119 до серийного производства обходилось в 1 миллиард советских рублей.


Рассекреченная схема Ту-119 наглядно показывает расположение реактора. Источник: КБ Туполева

1960-е стали периодом смены военных приоритетов с бомбардировщиков на межконтинентальные ракеты. И тут как раз летающие реакторы были бы очень к месту — в ракете нет людей, которым нужна защита от излучения, еда и вода, ракета может летать месяцами, а в нужный момент совершить манёвр и доставить ядерные приветы с другого берега океана.

Начатый в 1957 году в США проект «Плутон» ставил своей целью создание ракеты с ядерной боеголовкой и с атомным реактором в качестве двигателя, аналогичным тому, что безуспешно пытались приделать к бомбардировщикам.

Изделие, получившее имя SLAM (Supersonic Low Altitude Missile, сверхзвуковая низковысотная ракета) должно была лететь на высоте до 300 метров со скоростью 4200 км/ч. Но и этот проект не был реализован: ракета даже в теории получалась неприемлемо дорогой и «грязной» (подробнее об этом проекте рассказано здесь).

К тому же когда проект был формально готов, обычные межконтинентальные ракеты уже избавились от детских болезней. Они получились гораздо дешевле, безопасней и проще в обращении. А новое время, похоже, принесло нам российский «Буревестник», но его обзор выходит за рамки этого поста.

Добавим, что если ракеты с ядерным двигателем в XX веке так и не были реализованы, то спутники — вполне. В 1965 году американцы запустили на низкую околоземную орбиту аппарат Snapshot с реактором SNAP-10A. Он должен был «провисеть» там год, генерируя электрическую мощность около 500 Вт. Но на 43-й день полёта бортовой регулятор напряжения засбоил, мощность подскочила до 590 Вт, и реактор был заглушен. Предполагалось, что SNAP-10A пробудет на орбите в роли космического мусора следующие 4000 лет, но уже к 2008 году аппарат разрушился на множество обломков менее 10 см в диаметре. Скорее всего, он столкнулся с другим космическим мусором.


Космический реактор SNAP-10A на 500 Вт. Тот самый, что сейчас летает вокруг Земли в виде обломков. Источник: U.S. DOE / Wikimedia

В СССР ядерные силовые установки малой мощности успешно использовали на космических аппаратах начиная с 1970-го года. В частности, они питали разведывательные спутники системы «Легенда» общим числом около трёх десятков. Но и тут ряд инцидентов положил конец применению ядерных реакторов — по крайней мере на низкой околоземной орбите. А всё потому, что даже если что-то идёт не так в космосе, радиоактивные обломки всё равно прилетают на Землю. В 1978 году случился неприятный инцидент с советским спутником «Космос-954», оборудованным ядерной установкой «Бук»: космический аппарат спустя месяц работы на орбите самопроизвольно отправился домой, на Землю, разрушился в плотных слоях атмосферы и щедро рассыпал над 124 тыс. кв. км канадской Арктики 30 килограммов урана-235. К счастью, малонаселённость Северо-Западных территорий Канады помогла избежать трагических последствий. Поисковые экспедиции собрали 65 кг различных обломков, некоторые из них фонили под 200 рентген/час.

В 1983-м в тёплые воды Индийского океана нырнул с орбиты «Космос-1402». И хотя реактор сгорел в атмосфере, мелкодисперсные остатки урана-235 из него ещё долго фиксировались в осадках.

А когда сломался «Космос-1900» в 1988-м, его удалось автоматически отправить на орбиту захоронения. Но к тому моменту у мирового сообщества сформировалось сильнейшее предубеждение против использования реакторов на космических аппаратах.

Альтернатива компактному летающему реактору — радиоизотопный термоэлектрический генератор, и вот как раз он-то нашёл более широкое применение на практике. Но тоже совсем не такое, на какое надеялись энтузиасты атомной энергии.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ)


В 1912 году британский физик Генри Мозли создал первый радиоизотопный источник питания: в центре стеклянной колбы с посеребрёнными внутри стенками на электроде установлен радиевый источник излучения, испускаемые бета-частицы создают разность потенциалов между серебром и радием, отчего на электродах колбы появляется напряжение.


Генри Мозли с одной из своих колб, используемых для изучения рентгеновских лучей. К сожалению, жизнь перспективного учёного и изобретателя оборвала пуля снайпера в битве при Галлиполи во время Первой мировой. Источник: New York Public Library

При радиоактивном распаде вещество нагревается, иногда до высочайших температур. Образующееся тепло РИТЭГи превращают в электричество с помощью термоэлектрогенераторов.

Термоэлектрогенератор — простая, но очень занятная штука. Два века назад, в 1821 году немец Томас Зеебек обнаружил, что при разнице температур между двумя проводниками вырабатывается электричество за счёт образования разницы потенциалов при течении теплового потока от одного проводника к другому. Кстати, обратный эффект этого явления, открытый в 1834 году Жан-Шарлем Пельтье, лёг в основу процессорных кулеров на элементах Пельтье, которые недолго производились в начале 2000-х: если пустить ток между разнородными проводниками, то один из них нагреется, а другой, наоборот, охладится.


Строение термоэлектрического генератора очень простое и понятное, так что создание РИТЭГов упиралось не в технологические ограничения, а в отсутствие изотопов в нужных количествах. Источник: Wikimedia / Ken Braizer

Если электричество можно так просто получать из тепла, которого на нашей планете предостаточно (солнечная, гидротермальная и петротермальная энергия), то почему нет электростанций на теплоэлектрогенераторах? Потому что КПД у такого генератора, мягко говоря, не очень — около 6-10% от тепловой мощности. Чтобы получить более-менее приличную мощность портативного РИТЭГа, приходится искать радиоизотопы с высоким тепловыделением и большим периодом полураспада.

С другой стороны, даже с таким низким КПД можно жить и работать: радиоизотопного источника хватит, чтобы запитать светодиодное освещение, разнообразные датчики и системы контроля, организовать с его помощью резервное питание. Чем не вариант для индивидуального энергоснабжения домов, которые не останутся без электричества даже в случае стихийного бедствия?

Были изучены свойства очень многих изотопов, но подходящих для РИТЭГов элементов оказалось крайне мало: слишком жёсткими были требования к источникам питания. Например, используемый в космических аппаратах и кардиостимуляторах почти безопасный за счёт низкого бета- и гамма-излучения плутоний-238 выделяет около 0,54 Вт тепла на 1 грамм вещества, а его период полураспада составляет 88 лет. За год РИТЭГ на плутонии-238 будет терять 0,78% от стартовой мощности. Источник на плутонии прослужит долго, но для получения пары сотен ватт придётся загрузить несколько килограммов вещества.

Но только посмотрите на полоний-210, это же настоящая «печка» — целых 140 Вт тепла на 1 грамм, в 2000 раз больше плутония! Да вот проблема, период полураспада полония всего 138 дней. С таким РИТЭГом далеко не улетишь.


Типовая конструкция современного РИТЭГа: изотопный сердечник, множество пар термоэлектрогенерирующих проводников и обязательный радиатор на корпусе, отводящий лишнее тепло. Источник: NASA / Wikimedia

Между открытием Генри Мозли и появлением РИТЭГов прошло полвека — путёвку в жизнь им дали атомные реакторы, на которых можно было добывать изотопы в больших объёмах. Работы по РИТЭГам начались с 1960-х годов, когда в США был создан SNAP-1 (Systems for Nuclear Auxiliary Power — системы дополнительного ядерного питания). SNAP-1 представлял, скорее, «паровую машину» на церии-144, в которой вместо воды использовалась ртуть.

Вслед за SNAP-1 был разработан SNAP-3 с термоэлектрогенератором на плутонии-238. Устройство весило порядка 2 кг и выдавало мощность 2,5 Вт. SNAP-3 питал американские навигационные спутники Transit, предшественники GPS.

Успешный опыт SNAP-3 положил начало эпохе радиоизотопных источников питания в космических аппаратах, где требуются компактные, долгоиграющие и необслуживаемые «батарейки». И да, в серии SNAP были не только термоэлектрогенераторы, но и полноценные ядерные реакторы, о чём мы упомянули выше.

Применение РИТЭГов в космической отрасли — пока что единственный вариант решения энергетической проблемы для небольших межпланетных зондов. Эффективность солнечных панелей падает при удалении от Солнца. NASA наглядно объяснили эту проблему в иллюстрации.

РИТЭГи нашли своё место в аппаратах Voyager (160 Вт), уже вышедших за пределы Солнечной системы, межпланетных станциях Cassini, New Horizons и Galileo (300 Вт), марсоходе Curiosity (110 Вт) и даже в аппаратах лунной программы «Аполлон» (73 Вт). Причём такие источники не только питают, но и обогревают электронику — 90% тепловой энергии уходит в радиаторы.


Серый цилиндр с восемью «крыльями» в центре фото — РИТЭГ SNAP-27, выдающий 75 Вт при 30 В постоянного тока, его использовали на Луне во время миссии «Аполлон-14». Источник: NASA, Alan Shepard / Wikimedia

Впрочем, даже в космосе РИТЭГи используются редко. Перспектива аварии с участием ушедшего в космическое пространство источника радиоактивного излучения население нашей планеты, в общем-то, не волнует, но гораздо хуже, если неприятность с ним произойдёт на Земле, например, от действий чьих-то неспокойных рук. Да и неудачные запуски ракет никто не отменял. Так, в 1964 году американский спутник Transit-5B с РИТЭГ SNAP-9A разрушился при запуске, рассеяв в атмосфере почти килограмм плутония-238. В 1968 году снова американский метеоспутник Nimbus B-1 со SNAP-19B2 не заразил океан, в который упал, только благодаря усовершенствованной конструкции капсулы с 1 кг плутония-238. Наконец, крупный российский исследовательский аппарат «Марс-96» в 1996-м сошёл с орбиты и похоронил на дне Тихого океана 270 грамм плутония-238.


Стальная капсула с изотопом плутония-238 для метеозонда Nimbus B-1 и она же на дне океана. Источник: NASA

А теперь тревожные новости: РИТЭГи применяют не только в космосе, но и на суше. В XX веке их использовали для питания морских буев и необитаемых маяков в удалённых районах планеты, например, в Арктике. Теперь изношенные буи и маяки собирают и утилизируют, чтобы предотвратить утечку ядерного топлива. Иногда корпуса РИТЭГов повреждаются при обслуживании, транспортировке или просто при эксплуатации — на территории СНГ за последние 36 лет произошло 23 инцидента с ними. Причём в некоторых из них корпус источника питания был разрушен сборщиками цветных металлов. Пилить РИТЭГ с жёстким альфа-излучением опасней, чем разбирать кувалдой фугасный снаряд — снаряд хотя бы может не взорваться, но от излучения урана или плутония не спрятаться никак. Особенно если вандал вдохнёт урановую пыль.

А что, если РИТЭГи станут широко доступны? Так и до «грязной бомбы» недалеко. Оборот радиоизотопов зарегулирован как ничто другое, поэтому не стоит ждать ослабления контроля и появления РИТЭГов где-то, кроме космоса и «оборонки». Единственная область, где радиоизотопные источники питания стали было «ближе к людям», — батарейки для кардиостимуляторов. Да и там их давно заменили литий-ионные аккумуляторы.


Батарея для кардиостимулятора, из которой извлечён плутоний-238. Источник: Oak Ridge Associated Universities

Придомовой реактор малой мощности


Очевидно, что от таких радиоизотопных источников запитать дом не получилось бы при всем желании. Тогда как насчёт своего собственного реактора, который можно было бы разместить за домом? Конечно, чудес уровня компактного Mr. Fusion из фильма «Назад в будущее 2» учёные нам не приготовили. Но некоторые подвижки в области атомных станций малой мощности (АСММ) заметны, правда, даже самые перспективные проекты пока находятся в очень неопределённом статусе.

Строительство маленькой атомной станции на компактном реакторе видится отличным решением для энергоснабжения удалённых небольших городков, в которых нет возможностей для «зелёной» энергетики, а везти ископаемое топливо долго и дорого. Берём какое-нибудь приполярное поселение, где даже пруд-охладитель не организовать, и ставим там крохотную АЭС на 100 МВт — быстро, удобно и даже недорого! С такими мыслями и разрабатывались многочисленные проекты АСММ. Но то, что на бумаге казалось простым и доступным, на деле оказалось дорогим и сложным.

Одной из разработок Toshiba в области энергетики как раз и стали реакторы малой мощности. Проект, получивший название Toshiba 4S, представлял собой модульный необслуживаемый реактор с мощностью от 10 до 50 МВт. 4S — сокращённая аббревиатура от слов Super-Safe, Small and Simple, то есть «сверхнадёжный, компактный и простой». Устройство представляет собой 30-метровый герметичный корпус, внутри которого находится активная зона реактора без управляющих стержней. Вместо стержней по периметру активной зоны установлены панели-отражатели нейтронов, которые поддерживают реакцию, а в случае ЧП останавливают цепную реакцию.


Принцип работы отражателей. Источник: Toshiba

Отсутствие привычных стержней — не единственное отличие этих реакторов от полноразмерных. Для охлаждения вместо воды здесь используется жидкий натрий. Металл не выкипает и не повышает давление внутри реактора, а заодно сохраняет свои свойства при температурах на 200 градусов выше, чем вода — а это ещё +1 к безопасности. Натрий качают электромагнитные насосы. 4S не нужны насосы охлаждения, в случае остановки он сбрасывает тепло через корпус в окружающий холодный грунт. И опять +1 к безопасности — отказ насосов из-за исчезновения питания усугубил аварию на Фукусиме, привёл к перегреву реакторов, расплавлению активной зоны и утечке ядерного топлива.


Схема Toshiba 4S. Источник: Toshiba

Но самое важное преимущество Toshiba 4S — его необслуживаемость. Топливо загружается ещё на заводе, после чего реактор работает на одной заправке около 30 лет. Со временем его мощность неизбежно снижается, до полутора раз в конце жизненного цикла первой заправки. Затем реактор демонтируется и на его место устанавливается новый. На самом деле, это не расточительство, а большая экономия. Цена одной тепловыделяющей сборки для реактора ВВЭР-1000, в зависимости от страны производства и контракта колеблется на уровне $0,6-1 млн. А их в ВВЭР 163 штуки, и каждая служит не более 4,5-5 лет. Для сравнения, цена всей АЭС на Toshiba 4S теоретически должна составлять $25-30 млн. Стоимость же постройки АЭС высокой мощности — что-то около $8 млрд, и она сильно разнится в зависимости от страны и числа энергоблоков.

Но тут с практической реализаций дело обстоит ещё хуже, чем в случае с РИТЭГами. Предполагалась установить реактор Toshiba 4S на Аляске рядом с городом Галина, но в 2010 году проект заморозили. Прогресс остановился под беспощадным натиском американского бюрократического катка. Атомные станции — вещь серьёзная и при неграмотном с ними обращении крайне опасная, за примерами далеко ходить не надо. Поэтому любой проект, связанный с атомной энергетикой, в США должен пройти сложнейшую процедуру сертификации в Комиссии по ядерному регулированию (NRC). Сказать, что это чудовищно долгий и чудовищно дорогой процесс — значит, преуменьшить его сложность и стоимость.

Сертификация реактора в NRC требует предоставление массы рабочей документации, которую для ещё нереализованного проекта надо написать с привлечением квалифицированных специалистов. Её объём запросто может превысить 10 тысяч страниц, и каждая будет стоить немалых денег. После подачи заявки комиссия будет рассматривать её в течение… четырёх лет. Мы же помним, что атомная энергетика — это серьёзно. Попытка получения сертификата NRC, который даст реактору пропуск в жизнь, запросто может обойтись в $200 млн — это очень впечатляющая сумма, которую можно выложить, только если быть абсолютно уверенным в коммерческом успехе своего проекта.

А с этим не всё гладко. Одна из прозаических причин обречённости «дешёвых» реакторов — недооценка затрат на их обслуживание. В теории всё выглядит красиво, ведь малые реакторы требуют надзора всего нескольких человек. Но также нужен персонал для остальных обязательных элементов атомной станции, а уж какие деньги нужно вложить в безопасность! Надзорные органы просто не позволят оставить такой привлекательный для террористов объект как АЭС без мощной охраны. Человек за человеком, штат дешёвой АЭС растёт, вместе с ним растёт стоимость вырабатываемой электроэнергии, и в какой-то момент мирный атом проигрывает обычному дизелю. Так и случилось на Аляске, когда после детальных расчётов оказалось, что из-за высоких первичных затрат цена киловатт-часа оказывается даже выше, чем в случае с дизельной электростанцией. Нужно было либо сильно удешевлять производство, либо значительно наращивать мощность.

К сожалению, до получения злосчастного сертификата Toshiba 4S не добрался. В интернете осталась предварительная заявка в NRC с описанием реактора. Но реактор не предали забвению, им заинтересовался Билл Гейтс, являющийся одним из главных инвесторов TerraPower, занятой разработкой реакторов на бегущей волне. Конструкция 4S была взята за основу будущей разработки, уже скоро мир должен увидеть результат коллаборации.

А было бы красиво...


Судя по темпам развития «зелёной» энергетики, атомная энергия уже никогда не станет таким же бытовым явлением, как ветряк или солнечная панель на крыше дома. Не видать нам реакторов вместо дизель-генератора у дома, не владеть смартфонами с почти бесконечными аккумуляторами. Наверное, это даже к лучшему. Опыт поколений показал, что человечеству не всегда удаётся совладать с мирным атомом.

+75
28.1k 60
Comments 154
Top of the day