Ядерная энергетика постоянно повышает безопасность и эффективность атомных станций. В период перехода к чистой энергетике большая часть инвестиций в ядерную отрасль приходится на инновации и робототехнику.
Заявляя о внутренней политике и планах по сокращению выбросов в преддверии крайнего срока Парижского соглашения 2050 года, многие страны Европы, Ближнего Востока, Азии, Центральной и Южной Америки рассматривают ядерную энергию как жизнеспособный вариант для поэтапного отказа от ископаемого топлива.
Так как ядерная энергия является надежной и относительно чистой по сравнению с другими традиционными источниками энергии, то такие страны, как Великобритания, наращивают ее использование и планируют, что к 2050 году доля атомной энергии в энергобалансе составит примерно 40-50% по сравнению с почти 20% сегодня.
Поэтому в настоящее время все больше усилий прилагается для контроля производства ядерной энергии, бережному обращению с ядерными отходами и безопасности сотрудников, занятых в отрасли.
Как меняется отрасль?
После нескольких серьезных аварий в конце 20- го века, отрасль повысила безопасность на АЭС, предлагая «более умные, а не более жесткие» стратегии работы.
Например, реактор с натриевым охлаждением, который в настоящее время разрабатывается в китайской провинции Фуцзянь, планируется подключить к сети к 2023 году, то есть через шесть десятилетий после того, как концепция реактора на быстрых нейтронах была впервые запущена в Китае.
Разрабатываемые проекты реакторов требуют входной энергии 1500 МВт, с выходной мощностью 600 МВт. Они также будут иметь тепловой КПД 41% и два контура натриевого теплоносителя, производящего пар при температуре 480°C.
При среднем сроке эксплуатации в 40 лет, эта конструкция имеет активную и пассивную системы отключения и пассивный отвод тепла распада, что гарантирует в случае потери потока теплоносителя безопасное отключение реактора.
Американская компания TerraPower также работает над ядерной системой с натриевым охлаждением, которая может работать на отработанном топливе или необогащенном уране.
Предлагаемая натриевая АЭС обладает большими преимуществами по сравнению с используемыми сегодня станциями на легководных реакторах. В натриевой установке в качестве источника тепла используется быстрый реактор с натриевым охлаждением, при этом тепло от реактора переносится расплавленной солью изнутри ядерного острова в резервуары для хранения тепла за пределами реактора. Затем его можно использовать для выработки электроэнергии или для других промышленных процессов.
Первая группа таких коммерческих установок будет работать на низкообогащенном уране с высокой пробой, натриевые установки не требуют переработки, и также работают на прямоточном топливном цикле.
Технология в пять раз позволит сократить количество отходов на мегаватт-час производимой энергии без переработки благодаря эффективному способу использования топлива.
В конечном итоге TerraPower планирует построить демонстрационный реактор мощностью 345 МВт (эл.) с интегрированной системой хранения энергии и вывести на рынок последующие коммерческие реакторы аналогичной конструкции и размера.
Малые модульные реакторы и передовые ядерные технологии.
В рамках обеспечения надежного и доступного электричества некоторые страны рассматривают внедрение малых модульных реакторов (ММР, SMR) для получения безопасной и чистой энергии, но при этом более предсказуемой и концентрированной по сравнению с возобновляемой.
«ММР жизненно важны для разработки безопасных и экологически чистых вариантов ядерной энергии. Благодаря повышению эффективности строительства и использованию существующих зрелых технологий ядерная энергетика должна стать экономически эффективным вариантом», - говорит Сайрус Лариджани, менеджер по стратегическому развитию бизнеса в области космоса и ядерной энергетики Национальной лаборатории физики.
Например, Rolls Royce возглавляет британский консорциум по разработке доступной по цене электростанции, вырабатывающей электроэнергию с использованием ММР, чтобы снизить затраты и при этом создать многоуровневую систему предотвращения сбоев с целью обеспечения безопасности технологии во всех режимах работы.
Другая область, тесно связанная с развитием ядерной энергетики, - это передовые ядерные технологии, в которых высокотемпературные усовершенствованные реакторы могут использоваться для производства водорода. Это предполагает использование тепла реактора для непосредственного управления такими процессами, как термическое разложение воды.
«Однако эти технологии еще не доказаны, и именно здесь организации могут сыграть свою роль, предоставляя метрологический опыт, необходимый для создания технологии и обеспечения ее развертывания. Этот процесс требует времени, и важно, чтобы исследовательские лаборатории, промышленность и ученые работали вместе над достижением этой общей цели», - говорит Лариджани.
Чтобы решить эти проблемы, компании, специализирующиеся в этой области, могут также использовать технологии корреляции цифровых изображений для проведения регулярных проверок, нейтронных и температурных измерений, газовой метрологии, а также оценки материалов для решения национальных и глобальных задач перехода к чистой энергии.
Использование роботизированных технологий.
Вывод ядерных объектов после окончания срока эксплуатации и продление срока службы существующей инфраструктуры в секторе является также важной проблемой, требующей пристального внимания, поэтому отраслевые операторы и сосредоточили свои усилия на внедрении робототехники.
Крис Фрауд, старший научный сотрудник в группе электроники, вычислений и физики европейской фирмы по интеллектуальной собственности Withers & Rogers, говорит: «Многие работы по выводу из эксплуатации все еще выполняются людьми. Однако ядерная среда вредна для человека, поэтому сотрудники работают в многослойных костюмах с подачей воздуха и с тяжелыми инструментами - это опасно, утомительно и неэффективно.
«Даже при такой работе остается значительное количество высокоактивных радиоактивных отходов, с которыми человек не может контактировать и с которыми приходится работать дистанционно».
Недавно швейцарская компания Flyability выпустила беспилотный летательный аппарат, предназначенный для работы в ядерных установках.
Дрон оснащен датчиком радиации для проведения инспекций на ядерных объектах, а также спроектирован таким образом, чтобы быть устойчивым к столкновениям, поэтому эту технологию также можно использовать для инспекций в темных и замкнутых пространствах, где вероятность столкновения гораздо выше.
Использование беспилотников в опасных средах снизит риск опасности для сотрудников и повысит эффективность обслуживания при одновременном снижении эксплуатационных расходов.
Фрауд говорит: «В рамках некоторых текущих исследовательских программ изучается возможность использования машинного обучения для того, чтобы роботы могли подбирать и размещать случайные предметы в логистических помещениях или на производственных линиях. Используя аналогичную технологию, можно будет перепрофилировать решения для атомной отрасли. Технологии могут быть заимствованы из других отраслей, которые уже активно изучают удаленные роботизированные решения, например, телехирургия».
В то время как технологии, разработанные для приложений в других отраслях, необходимо будет адаптировать для решения уникальных задач ядерной отрасли, например, для борьбы с высокими уровнями радиации, Фрауд также указывает на возможность переноса технологий, разработанных для ядерного сектора, в другие экстремальные условия.
То есть вкладываются значительные усилия и капитал, чтобы мировая ядерная энергетика оставалась стабильным союзником в процессе перехода к чистой энергии.