Торій і збагачений уран можуть змінити атомну енергетику: результат здивував навіть розробників

Американська компанія Clean Core Thorium Energy повідомила про завершення масштабних випробувань свого нового ядерного палива ANEEL – Advanced Nuclear Energy for Enriched Life. Тести проводилися впродовж двох років на базі реактора Advanced Test Reactor в Національній лабораторії Айдахо у США.

Чи може торій змінити майбутнє атомної енергетики?

За словами розробників, паливо продемонструвало у понад вісім разів вищий показник вигоряння порівняно з традиційним паливом для важководних реакторів під тиском. Саме цей параметр визначає, скільки енергії можна отримати з певної кількості ядерного палива.

ANEEL є сумішшю торію та високоаналізованого низькозбагаченого урану – HALEU. Такий уран містить більшу концентрацію ізотопу урану-235, який відповідає за підтримку ланцюгової ядерної реакції. Сьогодні більшість звичайних реакторів використовує паливо зі збагаченням до 5% урану-235.

Водночас важководні реактори працюють зовсім інакше. Вони використовують так звану "важку воду" – оксид дейтерію – для охолодження та контролю реакції. У таких системах зазвичай застосовується майже незбагачений уран із вмістом урану-235 близько 0,72%.

За даними Idaho National Laboratory, саме це суттєво обмежує ефективність традиційного палива для таких реакторів.

Випробування стартували у травні 2024 року, пише Gizmodo. Дослідники завантажили до реактора 12 експериментальних паливних стрижнів ANEEL. Для них встановили три цільові показники вигорання – 20, 40 та 60 гігават-днів на метричну тонну урану.

Вже торік вісім стрижнів успішно досягли перших двох цілей, а нещодавно решта чотири перевищили максимальний показник у 60 гігават-днів на метричну тонну. У компанії наголошують, що умови всередині реактора Advanced Test Reactor були значно жорсткішими, ніж ті, з якими паливо зіткнулося б у реальних комерційних реакторах. Це дозволило отримати дані про поведінку палива під час прискореного моделювання тривалої експлуатації.

Рентгенівський знімок декількох опромінених капсул, що демонструє цілісність палива / Фото CCTE

Генеральний директор Clean Core Thorium Energy Мехул Шах заявив, що головною метою компанії було практичне впровадження торію в сучасний ядерний паливний цикл без необхідності створювати абсолютно нові типи реакторів.

За його словами, якщо паливо ANEEL зможе забезпечити рівень генерації енергії, співставний із легководними реакторами, це відкриє шлях до більш ефективної атомної енергетики з меншим обсягом довгоживучих радіоактивних відходів, підвищеною безпекою та кращим використанням палива.

Наразі експериментальні паливні стрижні проходять післяреакторне дослідження у лабораторіях Idaho National Laboratory. Наступним етапом мають стати демонстраційні випробування ANEEL вже на комерційних атомних електростанціях.

Безпека й ризики торієвого палива ANEEL

Розробники ANEEL називають однією з головних переваг палива підвищену безпеку. Торій має вищу температуру плавлення та кращі теплові характеристики порівняно з традиційним урановим паливом, і це підтверджують дослідження на сайтах ScienceDirect та ResearchGate.

Це означає, що паливні елементи теоретично краще витримують перегрівання та аварійні режими роботи реактора. Дослідження також вказують на вищу "проліфераційну стійкість" торієвого циклу – тобто меншу придатність для створення ядерної зброї.

У випадку ANEEL додатковою перевагою є те, що паливо створювали як "drop-in replacement" – заміну для існуючих важководних реакторів без необхідності повного перепроєктування енергоблоків. Це потенційно знижує технічні ризики під час впровадження, пише CNL.

Втім, торієве паливо не є повністю безпечним або "безвідходним". Міжнародне агентство з атомної енергії наголошує, що торієвий паливний цикл все ще потребує складної інфраструктури для переробки, контролю та зберігання відпрацьованого палива.

Крім того, деякі ізотопи, що утворюються під час роботи реактора, залишаються радіоактивними та вимагають довготривалого контролю.

Що буде з відходами?

Одна з головних причин інтересу до торію – значне скорочення кількості довгоживучих радіоактивних відходів. У традиційних уранових реакторах утворюються великі обсяги плутонію, америцію та інших трансуранових елементів, які можуть залишатися небезпечними десятки тисяч років.

У торієвому паливному циклі таких елементів виникає набагато менше. За даними профільного дослідження і Австралійської ядерної асоціації, відпрацьоване торієве паливо має нижчу радіотоксичність уже через кілька сотень років, тоді як класичні уранові відходи залишаються небезпечними значно довше.

Для енергетики це важливо одразу з кількох причин.

• По-перше, зменшується навантаження на сховища ядерних відходів і витрати на їх довгострокове зберігання.
• По-друге, це частково вирішує одну з найбільших суспільних проблем атомної енергетики – страх перед накопиченням радіоактивного сміття.

Саме питання відходів десятиліттями залишається одним із ключових аргументів критиків АЕС.

Нагадаємо , що Clean Core Thorium Energy заявляє, що ANEEL дозволяє значно ефективніше "спалювати" паливо завдяки високому показнику вигоряння. Це означає, що для виробництва тієї ж кількості електроенергії потрібно менше паливних збірок і, відповідно, утворюється менший обсяг відпрацьованого матеріалу.

Чи буде таке паливо вигідним для енергокомпаній?

Економічний потенціал ANEEL є однією з головних причин зацікавленості галузі. Розробники наголошують, що нове паливо можна використовувати в існуючих важководних реакторах без масштабної модернізації станцій. Це критично важливо для енергокомпаній, адже будівництво нових реакторів коштує мільярди доларів і займає роки.

Однак є і стримувальні фактори. Торієвий паливний цикл досі не має масового комерційного застосування, а отже, галузі ще потрібно створити нові виробничі ланцюги, системи ліцензування та логістику для такого палива. Також залишається проблема доступності HALEU – високоаналізованого низькозбагаченого урану, виробництво якого наразі обмежене.

Чи має таке паливо перспективи для України?

Для нас розвиток нових типів ядерного палива може бути особливо важливим. До повномасштабної війни атомна енергетика забезпечувала приблизно половину виробництва електроенергії в країні, а українська енергосистема й надалі значною мірою залежить від АЕС.

Водночас Україна використовує реактори типу ВВЕР – це легководні реактори радянського проєктування, а не важководні системи, для яких зараз створюється ANEEL. Тому пряме впровадження такого палива в українських енергоблоках наразі малоймовірне.

Проте сама ідея ефективнішого ядерного палива з меншим обсягом відходів може стати актуальною для майбутньої модернізації української атомної енергетики. Особливо на тлі післявоєнної відбудови та інтересу до малих модульних реакторів, які Україна вже розглядає як один із напрямів розвитку енергосистеми.

Окремим фактором залишається питання ядерної безпеки. Ситуація навколо Запорізької АЕС показала, наскільки критичною є стабільність систем охолодження та електропостачання атомних станцій під час війни. Нещодавно у день річниці Чорнобильської катастрофи Запорізька АЕС на короткий час залишилася без зовнішнього електропостачання, про що повідомляло видання Reuters.

Міжнародне агентство з атомної енергії неодноразово попереджало про ризики втрати зовнішнього живлення та потенційної аварії.