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.
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.
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.
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.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #4_2021