Разработчики передовых реакторов расширяют варианты продажи атомной энергии. Разработчики реактора на расплавах солей полагают, что находятся очень близко от решения проблемы затрат на атомную энергетику.
Башни из бетонных блоков высотой с небоскребы, подъемник на склоне горы, подземные пещеры - поиск новых способов поддержки растущего количества ветряной и солнечной энергии в сети стимулирует инвестиции в ряд необычных технологий.
Способность обслуживать «чистую», но переменчивую сеть становится частью технологии, которая существует уже несколько десятилетий, но все еще стремится к доступности коммерциализации.
Жидкосолевые реакторы, которые в течение многих лет продвигались такими инвесторами, как Билл Гейтс, который считает, что новая версия атомной энергии необходима для обеспечения безуглеродной энергии «по требованию».
Разработчики так называемых «усовершенствованных реакторов» используют конструкции, принципиально отличающиеся от легководных реакторов, составляющих существующий парк энергетических реакторов США.
К таким видам использования относятся отслеживание нагрузки, чтобы энергосистема могла справляться с прерывистой возобновляемой энергией; способность обеспечивать электроэнергией, когда отсутствует подключение к внешним линиям электропередачи.
Разработчики усовершенствованных реакторов полагают, что дополнительные возможности обеспечат снижение высоких затрат, что сделает строительство новых энергетических реакторов мене сложным в обозримом будущем для Северной Америки и Европы.
Реактор на расплавах солей - это всего лишь один тип ядерной конструкции; но, благодаря способности расплавленной соли удерживать и хранить тепло при чрезвычайно высоких температурах, он особенно хорошо подходит для энергосистемы будущего.
«Возможность продавать вспомогательные услуги, возможность продавать тепло на стороне - это действительно помогает экономике реактора», - сказал в интервью директор по внешним службам TerraPower Джефф Навин.
Разработчик из Великобритании и Канады, компания Moltex Energy, занимается проектом «Стабильный солевой реактор», который сможет сохранять энергию на протяжении 8 часов в течение суток, а не 4-х часов, которые обычно обеспечивают литий-ионные батареи
Различные разработчики уже несколько лет работают над тем, чтобы снять с производства легководные реакторы (например, TerraPower была основана Гейтсом в 2006 году).
Технология TerraPower позволяет реактору на расплавах солей стать «гигантской тепловой батареей».
Такие реакторы необходимы для сокращения использования углерода в промышленности и транспортном секторе по мере продвижения мира к безуглеродной экономике.
Несмотря на энтузиазм в отношении технологии, коммерциализация проекта может быть достигнута только через много лет.
По словам Якопо Буонджорно, профессора ядерных наук и технологий TEPCO в Массачусетском технологическом институте, у реакторов на расплавах солей по-прежнему есть некоторые технические проблемы, которые необходимо решить, прежде чем они могут быть приняты в энергетике.
«Открытые вопросы касаются самого реактора, а не среды хранения», - сказал Буонджорно в интервью Utility Dive.
Исследование Энергетической инициативы MIT показало, что, «более зрелые концепции», такие как конструкция легководного ММР, разрабатываемая NuScale Power , готовы к коммерциализации уже в течение этого десятилетия. Менее зрелые концепции реакторов, включая свинцовые быстрые реакторы, реакторы на быстрых нейтронах с газовым охлаждением и системы на расплавах солей, станут коммерчески доступны не ранее 2050 года.
Прогноз на 2050 год предназначен для реактора «n-го рода», что означает коммерческий продукт, который поставляется после небольшого демонстрационного проекта и полномасштабного прототипа, называемого «первым в своем роде».
Некоторые разработчики реакторов на расплавах солей нацелены начало 2030-х годов для первого коммерческого развертывания своей технологии - не обязательно «в своем роде», но реактора, который будет продан покупателю.
Но, по словам Буонджорно, даже пропуск демонстрации или первого в своем роде шага, скорее всего, не приведет к увеличению производства до 2040 года.
Одной из самых больших проблем, которая продлевает временные рамки, является определение конструкционных материалов, которые попадают в активную зону реактора с солевой жидкостью и могут сильно отличаться от материалов, используемых сейчас в обычных реакторах, из-за совершенно другой химической среды.
В 1960-х годах Национальная лаборатория Ок-Риджа эксплуатировала экспериментальный реактор на расплавах солей в течение нескольких лет для исследований, а не для производства энергии, поэтому он лишь частично решал вопросы, необходимые для определения того, как реактор с расплавленной солью может работать.
«Мы пока точно не знаем, как долго прослужат материалы, используемые для реакторов с расплавленными солями, прежде чем они корродируют», - сказал Буонджорно.
«Другим важным вопросом, который необходимо решить, является доступ и обслуживание компонентов реактора во время энергетических операций и отключений, поскольку расплавленные соли могут стать очень радиоактивными».
Как может работать хранилище ядерной энергии?
В обычных реакторах в качестве основного теплоносителя используется вода, а в реакторах с расплавленной солью - жидкая соль.
Разница сред сильно влияет на температуру, при которой может работать энергетический реактор.
Расплавленная соль поглощает огромное количество тепла.
Легководные реакторы безопасно работают только при температуре около 300 градусов Цельсия (572 по Фаренгейту), в то время как реакторы на расплавленных солях могут работать при температуре выше 700 ° С.
Поглощенное тепло может затем использоваться в качестве тепловой энергии для ряда различных применений.
Например, Moltex заключила сделку с New Brunswick Energy Solutions Corp. на строительство демонстрационного реактора мощностью 300 МВт для канадской провинции.
Концепция разработчиков реактора со стабильной солью включает охлаждающую жидкость для реактора в виде расплавленной соли, сопровождаемую набором дополнительных резервуаров для расплавленной соли, которые хранят тепловую энергию реактора.
Тепло, удерживаемое в резервуарах, может затем использоваться турбиной для выработки электроэнергии.
Цель заключается в том, чтобы быть конкурентоспособными по стоимости с существующими, «зрелыми формами хранения энергии», сказал исполнительный директор Moltex Energy в Северной Америке Рори О'Салливан в интервью Utility Dive.
«Не нужно иметь дорогой аккумулятор, если есть тепловая энергия», - сказал он.
Элемент хранилища должен придать проекту реакторно-турбинного комплекса дополнительную гибкость для увеличения или уменьшения производительности, а также обеспечить более чистую сеть, в которой доминируют переменная энергия ветра и солнца.
Обычные реакторы, как правило, работают практически круглосуточно, чтобы максимизировать доходы и покрыть высокие капитальные затраты, а также избежать эксплуатационной неэффективности, возникающей при цикличном увеличении или уменьшении мощности.
NuScale также разрабатывает легководный ММР, чтобы иметь возможность загружать возобновляемую энергию.
Но функция аккумулирования тепловой энергии, включенная в конструкцию, подобную конструкции Moltex, дает еще один рычаг для удовлетворения изменяющихся требований энергосистемы без необходимости замедления реактора.
«Не имеет экономического смысла снижать темп. Это означает, что вы не получаете максимальную МВт-ч на своем заводе», - сказал О'Салливан.
«Вы не можете сделать это с помощью [легкой воды] ядерной энергии, потому что температура недостаточно высока».
В конечном счете, Moltex считает, что полностью коммерческий стабильный солевой реактор мощностью 1000 МВт в сочетании с турбиной мощностью 3000 МВт, приводимой в действие тепловой энергией, вырабатываемой реактором, может иметь совокупные капитальные затраты менее 1000 долларов за кВт.
Блоки 3 и 4, которые строятся на атомной электростанции Vogtle в Грузии, первые совершенно новые энергетические реакторы, построенные в США за последние десятилетия, в настоящее время оцениваются в 25 миллиардов долларов США при общей мощности 2200 МВт или более 11 000 долларов США за кВт.
Конструкция интегрального реактора на расплавах солей (IMSR) компании Terrestrial Energy также использует активную зону реактора с солевым охлаждением.
Тепло улавливается расплавленной солью и циркулирует по трубному контуру для транспортировки тепловой энергии на объекты, расположенные на расстоянии до пяти миль.
Тепло может приводить в движение турбину для обеспечения «черного старта» или отслеживания возобновляемых нагрузок; но также может служить энергоемким отраслям промышленности, использоваться в энергоемких отраслях промышленности, таких как химическое производство, которое может быть размещено рядом с реактором.
По словам ирландцев, у компании нет конкретной оценки потенциальной продолжительности хранения энергии от IMSR.
В отличие от конструкции Moltex, в которой в качестве топлива используются ядерные отходы высокого уровня, в IMSR используется то же урановое топливо, которое используется в действующих реакторах.
Использование традиционного урана означает, что для любой коммунальной компании, которая принимает IMSR, существует одна и та же цепочка поставок топлива.
Разработчик стремится сделать IMSR коммерчески доступным к концу 2020-х годов, и тем временем изучает партнерские отношения, чтобы продемонстрировать варианты использования для сочетания тепла и ядерной энергии.
Компания Terrestrial Energy совместно с Southern Co. работала над проектом по изучению перспектив использования тепла, вырабатываемого ядерной энергией, для более чистого и эффективного производства водорода.
TerraPower также сотрудничает с Southern Co. Начиная с 2019 года, разработчик и коммунальное предприятие начали экспериментировать с испытательным контуром расплавленной соли.
В одной из конструкций TerraPower - быстроходном реакторе с расплавленным хлоридом - расплавленная хлоридная соль используется в качестве топлива и теплоносителя, а также для создания тепла для промышленного использования и накопления тепловой энергии наряду с электричеством.
Существующие примеры систем расплавленной соли уже используются для хранения тепловой энергии.
Например, Cerro Dominador, концентрированная солнечная электростанция и фотоэлектрическая установка с накоплением расплавленной соли, которая в настоящее время разрабатывается в Чили, «должна работать от накопленной энергии в течение 17,5 часов при выработке 110 МВт или чуть менее 2 ГВт».
Коммунальные предприятия используют литий-ионные батареи для резервного копирования возобновляемых источников энергии с целью достижения цели сокращения выбросов, чему способствует снижение их стоимости.
Несмотря на то, что хранение аккумуляторов доступно уже сейчас, TerraPower не ожидает коммерциализации MCFR до конца 2020-х или начала 2030-х годов.
Но чем больше коммунальных служб, городов и штатов принимают цели по достижению нулевого уровня выбросов углерода к 2050 году, тем больше возможностей для резервного копирования возобновляемых источников энергии.
Аккумуляторные средства хранения будут продолжать улучшаться.
Но для всеобщей декарбонизации энергетического сектора в будущем уже сегодня необходима масштабная трансформация.