TerraPower представляет
комплекс из натриевого реактора и накопителя энергии

В МИРЕ / #4_2021

Текст: Татьяна ДАНИЛОВА / Фото: Terrapower.com

Разработчик принципиально новых решений TerraPower, штат Вайоминг и энергетическая компания PacifiCorp создают энергосистему из натриевого реактора на быстрых нейтронах и накопителя энергии на расплаве солей. Демонстрационный вариант системы будет работать в комплексе с возобновляемой энергетикой, что придаст ей гибкости. «Мы думаем, что Natrium изменит правила игры в энергетической отрасли», — сказал создатель TerraPower Билл Гейтс на пресс-­конференции, представляя проект.

В мире ежегодно рождается от пяти до 10 концептуальных схем атомных энергетических реакторов. Как правило, это интересные проекты «неклассических», то есть не легководных, реакторов поколения IV. Все они в теории имеют лучшие экономические показатели по сравнению с «классикой» атомной энергетики, улучшенное использование топлива, более высокие рабочие температуры, пригодные для выработки технологического тепла, а также возможность замкнуть топливный цикл.
Некоторые даже предлагают интегрированные системы хранения энергии. Увы, большинство этих проектов не доходят даже до первой фазы проектирования и, несмотря на все теплые слова в их адрес, отправляются на полки архивов.
Натриевый реактор на быстрых нейтронах, разработанный компаниями TerraPower и GE Hitachi Nuclear Energy Americas, выбивается из этой схемы уже потому, что в его создании участвует электроэнергетическая компания PacifiCorp, принадлежащая Berkshire Hathaway Уоррена Баффета, одного из крупнейших инвесторов мира. В состав проектной группы входят также Bechtel, Energy Northwest и Duke Energy.
3 июня 2021 года PacifiCorp объявила, что будет строить быстрый натриевый реактор, который заменит одну из назначенных к закрытию угольных электростанций штата Вайоминг. Это заявление было сделано в ходе презентации проекта Natrium — комплекса из натриевого реактора на быстрых нейтронах и накопителя энергии на расплаве солей. В соответствии с планом взаимодействия с регулирующими органами (REP), который TerraPower направила в Комиссию по ядерному регулированию США (NRC) и обнародовала 16 июня, компания в августе 2023 года подаст заявку на разрешение на строительство, а в марте 2026 года будет ходатайствовать о лицензии на эксплуатацию комплекса в целом.
Для строительства рассматриваются несколько площадок, и прежде всего угольные станции: Уайодэк возле города Джилетт на северо-­востоке штата, Нотон на юго-западе, электростанция «Джим Бриджер» недалеко от Рок-­Спрингс на юго-западе и станция «Дейв Джонстон» возде Гленрока в центральной части штата. Окончательный выбор площадки будет сделан к концу 2021 года.
Все это довольно неожиданно, хотя о TerraPower мир услышал еще в 2015 году, когда компания объявила о разработке реактора на бегущей волне. TerraPower основана венчурными предприятиями Charles River Ventures, Khosla Ventures и принадлежащей Биллу Гейтсу Cascade Investment. Однако это не столько классический стартап, сколько независимый разработчик принципиально новых решений на основе использования ядерных технологий. В компании работают ученые и инженеры из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, Испытательного центра Fast Flux, Microsoft и различных университетов, а также специалисты и управленцы из Siemens AG, Areva NP, проекта ITER, Ango Systems Corporation и министерства энергетики США. Новые решения, как утверждается, должны работать в пользу энергетической независимости, экологической устойчивости и во благо человечества.
Утверждают также, что Б. Гейтс вложил в проект Natrium $ 1 млрд из собственных средств. Кроме венчурных фирм, TerraPower получает частичное финансирование от министерства энергетики США и Лос-­Аламосской национальной лаборатории. В октябре 2020 года министерство энергетики через свою Программу демонстрации усовершенствованных реакторов (ARDP) выделило TerraPower $ 80 млн для начального финансирования демонстрации технологии Natrium.

То, что в компании называли реактором на бегущей волне (TWR), оказалось реактором на быстрых нейтронах с натриевым охладителем, во многом аналогичным БН‑600, реактору третьего энергоблока Белоярской АЭС (он эксплуатируется с 1980 года и, по-видимому, останется в строю как минимум до 2040 года).
Начнем с накопителя. Технологию хранения энергии с помощью расплава солей уже применяют в солнечных концентраторах-термоэлектростанциях: с помощью системы зеркал солнечные лучи фокусируют и направляют на цилиндрическую башню, заполненную солью. Соль под воздействием температуры плавится, иными словами — расплав накапливает тепло. При потребности в энергии — ночью или в безветренную погоду — горячим расплавом солей можно нагреть теплоноситель и преобразовать тепло в электроэнергию. Солевой расплав остывает крайне медленно, и его можно подогревать излишками «бесплатной» энергии ветра или Солнца, которые зачастую остаются невостребованными энергосетью.
Нобелевский лауреат физик Роберт Лафлин предложил превращать вырабатываемую реактором электроэнергию в тепло солевого расплава. За развитие этой разработки взялась корпорация Malta, ранее входившая в исследовательское подразделение Х корпорации Alphabet. Этот стартап, отделившись от Alphabet, получил финансирование от группы инвесторов Breakthrough Energy Ventures. В эту группу в числе других вошли Джефф Безос, Билл Гейтс и Майкл Блумберг.
В апреле 2019 года Malta получила патент на разработку, в которой используется принцип старого доброго теплового насоса. Электричество, вырабатываемое реактором, создает запас разогретого рабочего тела в момент «зарядки» соли теплом. В нужное время — через день или через неделю — это тепло можно пустить на выработку энергии. Соль (или смесь солей, или эвтектические смеси металлов) не теряет «емкость», недорога, не токсична, не портится, не утекает в окружающую среду, а сама система может прослужить 20–40 лет. Ее экономические показатели исключительно хороши по сравнению с другими предлагаемыми способами хранения энергии.
Итак, натриевый реактор мощностью 345 МВт (эл.) плюс гигаваттный накопитель Malta в сумме дают систему, которую в перспективе можно будет оптимизировать под конкретный рынок. Реактор технологии Natrium вырабатывает тепло, которое можно использовать для производства электроэнергии или хранить в накопителе. Это тепло можно превратить в электричество по запросу от сети в пиковые часы или когда источники энергии недоступны. Такая система позволяет вырабатывать безуглеродную энергию по конкурентоспособной цене и, что еще важнее, готова к интеграции в энергосети с высоким уровнем использования ВИЭ.
Гигаваттный накопитель Malta может увеличить выходную мощность системы до 500 МВт, поддерживая ее таковой в течение более 5,5 часов в периоды пикового спроса или когда недоступна энергия ВИЭ. Предлагаемый комплекс реактора с накопителем придаст сетям, основанным на ВИЭ, ту гибкость, о нехватке которой так долго говорили и сожалели.

TerraPower утверждает, что комплекс Natrium без проблем интегрируется с возобновляемыми ресурсами и может привести к более быстрой и рентабельной декарбонизации производства электроэнергии. Кроме того, новая архитектура технологии разделяет и упрощает основные конструкции, сокращая сложность, стоимость и сроки строительства, обеспечивая при этом безопасное и надежное электроснабжение.
О реакторе Natrium пока ничего толком не известно. В проспекте, адресованном инвесторам, сказано, что Natrium — реактор бассейнового типа с пассивным охлаждением. Компания утверждает, что строительство и эксплуатация энергоблока такой конструкции не требуют выполнения особых требований к объектам атомной энергетики или разрешений регулирующих органов. Строительство Natrium потребует бетона ядерного качества в расчете на 1 Мвт (э) на 80% меньше, чем «классические» реакторы сравнимой мощности на тепловых нейтронах.
Жидкометаллический натрий в качестве теплоносителя для комплекса «реактор — накопитель» в TerraPower выбрали по нескольким соображениям. В процессе эксплуатации температура натриевого теплоносителя (на входе в активную зону — 360 °C, на выходе — 510 °C) намного ниже температуры кипения натрия (882,8 °C). Следовательно, высокое давление не требуется. Теплоноситель под атмосферным давлением означает, что в реакторе можно использовать более тонкие и простые в изготовлении металлические конструкции — еще одна статья снижения затрат.
Высокая плотность энерговыделения в быстром реакторе требует теплоносителя с высоким коэффициентом теплоотдачи, и здесь жидкометаллический натрий вне конкуренции. Его теплопроводность втрое выше, чем у нержавеющей стали — основного конструкционного материала реактора, что важно для скорости теплосъема в активной зоне. Высокая теплоотдача натриевого теплоносителя даже при естественной циркуляции обеспечивает прямой отвод тепла от поверхности корпуса воздухом. Все вместе взятое означает меньший размер систем подачи и отвода тепла.
В TerraPower считают, что из всех современных проектов нелегководных реакторов Natrium находится на самом высоком уровне технологической готовности. Это позволяет достаточно быстро коммерциализировать технологию и ускорить движение к декарбонизации энергетики. В перспективе (и при условии продолжения разработок) технология Natrium сможет обеспечивать технологическое тепло для таких промышленных процессов, как опреснение воды, теплоснабжение жилья, производство водорода, цемента, переработка нефти и металлургия. Эти производства поглощают неимоверные количества ископаемого топлива, но вследствие развития предлагаемой технологии могут существенно «позеленеть».
Демонстрационный проект в Вайоминге будет представлять собой полностью функционирующую электростанцию и предназначен для проверки конструкции и эксплуатационных характеристик технологии Natrium.