В США создали ядерное топливо, которое дает в два раза больше энергии

Ядерная энергетика десятилетиями работает по одному и тому же принципу: урановые стержни загружают в реактор, они постепенно выгорают, а потом их меняют на новые. Казалось бы, схема рабочая и менять ее незачем. Но инженеры из США решили иначе и создали топливо, в котором уран буквально течет. Новый тип жидкометаллического ядерного топлива позволяет извлекать из урановых частиц вдвое больше энергии, чем традиционные твердотельные сборки.

Работа с расплавленным металлом и ураном — тем ещё испытанием для инженеров, но результат того стоит

Что не так с обычным ядерным топливом

Чтобы понять, зачем нужно что-то менять, стоит разобраться, как устроены современные реакторы. Топливо в них — это керамические таблетки из диоксида урана, спрессованные и помещенные в длинные металлические трубки — тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Они собраны в кассеты и стоят внутри активной зоны неподвижно.

Проблема в том, что уран в таких таблетках выгорает неравномерно. Внешние слои «работают» активнее, а внутренние остаются недоиспользованными. Со временем в топливе накапливаются продукты деления, которые поглощают нейтроны и мешают цепной реакции. В итоге стержни приходится менять задолго до того, как весь уран в них будет исчерпан. Типичная степень выгорания топлива в современных реакторах составляет лишь около 5% — то есть 95% потенциальной энергии просто остается в отработанном топливе.

Для сравнения, это все равно что заправить полный бак автомобиля, проехать 50 километров и слить оставшийся бензин, потому что «он уже не тот». Расточительно, мягко говоря.

Тепловыделяющие элементы. Источник изображения: www1.ru

Как устроено жидкометаллическое ядерное топливо

Американские исследователи из национальных лабораторий предложили принципиально другой подход. Вместо того чтобы фиксировать урановые частицы в керамической матрице, они поместили их в жидкий металлический носитель. Проще говоря, крошечные урановые микросферы свободно плавают в расплавленном металле, который одновременно служит теплоносителем.

Главная фишка такой конструкции — топливо постоянно перемешивается. Частицы урана не стоят на месте, а медленно циркулируют внутри активной зоны. Это означает, что каждая частица равномерно облучается нейтронами со всех сторон и выгорает гораздо полнее, чем в статичном стержне.

Кроме того, продукты деления, которые в обычном топливе отравляют реакцию, здесь частично выводятся из зоны вместе с потоком. Оказывается, именно этот эффект и позволяет удвоить количество извлекаемой энергии из того же объема урана. Другими словами, реактор работает дольше на одной загрузке и производит меньше отходов.

Почему текучее топливо безопаснее твердого

Когда речь заходит о ядерной энергии, первый вопрос всегда один и тот же: а это безопасно? В случае с жидкометаллическим топливом ответ довольно оптимистичный.

Дело в том, что жидкий металлический носитель обладает отличной теплопроводностью. Он эффективно отводит тепло от урановых частиц, снижая риск локального перегрева — а именно перегрев топлива был одной из ключевых проблем при авариях на АЭС. В традиционных реакторах, если охлаждение нарушается, керамические таблетки начинают плавиться, и ситуация выходит из-под контроля.

В новой системе жидкий металл играет роль встроенного предохранителя. При повышении температуры он расширяется, уменьшая плотность урановых частиц в зоне реакции, и цепная реакция автоматически замедляется. Это так называемая пассивная безопасность, не требующая электроники, насосов или вмешательства оператора.

Есть и еще один бонус: поскольку топливо используется эффективнее, на выходе образуется значительно меньше высокоактивных отходов. А ведь именно проблема утилизации ядерных отходов остается одним из главных аргументов противников атомной энергетики.

Атомные станции будущего могут стать не только мощнее, но и значительно «чище» в плане отходов. Источник изображения: interestingengineering.com

Когда жидкометаллические реакторы появятся на практике

Разумеется, от лабораторных экспериментов до работающей электростанции — дистанция огромного размера. Пока технология находится на стадии испытаний и моделирования. Инженерам предстоит решить целый ряд вопросов: как обеспечить долговечность конструкционных материалов в контакте с агрессивным расплавом, как контролировать поток урановых частиц с нужной точностью и как масштабировать систему до промышленных размеров.

Но есть нюанс. Концепция жидкого топлива не нова — еще в 1960-х годах в Окриджской национальной лаборатории экспериментировали с расплавами солей. Тогда проект закрыли по политическим и экономическим причинам, а не из-за технической несостоятельности. Сейчас, когда мир отчаянно ищет низкоуглеродные источники энергии, интерес к подобным технологиям возвращается с новой силой.

По оценкам разработчиков, первые прототипы реакторов на жидкометаллическом топливе могут появиться в течение ближайших 10–15 лет. Если испытания подтвердят расчетные характеристики, это изменит экономику ядерной энергетики: меньше урана на входе, меньше отходов на выходе и больше электричества на каждый килограмм топлива.

Ядерная энергетика часто воспринимается как что-то застывшее — технология из прошлого века, которая не меняется десятилетиями. Но жидкометаллическое топливо доказывает обратное: даже в самой консервативной отрасли можно найти решение, которое перевернет правила игры. Осталось дождаться, когда уран действительно потечет.