Мирный атом в каждый двор, дом и карман Миниатюрная атомная энергетика на марше

Тренд на миниатюризацию мирного атома имеет давнюю традицию. Такой мощный и надежный источник энергии, как ядерный реактор, хочется иметь везде, где нужно тепло или электричество.

Мы уже писали о «малой атомной генерации» («SMR», small modular reactors ) — малых модульных реакторах, которые гораздо удобнее и компактнее больших АЭС. Но это далеко не предел.

Если атомный реактор можно разместить на ледоколе или подводной лодке, то почему нельзя на автомобиле?

«Мегапауэр»

Самым мощным драйвером технологий, увы, является война. Ничто так не мотивирует человека к прогрессу, как возможность эффективно истребить ближнего своего. Атомная энергетика – самый яркий пример это тенденции, потому что началась она вовсе не с мирного атома. Работы над миниатюризацией ядерной генерации и сейчас, к сожалению, востребованы в первую очередь военными. Если можно сделать атомную бомбу, то почему бы не сделать атомный танк или самолет?

Хорошей иллюстрацией этого тренда стали несколько концепций ядерных реакторов с мощностью менее 10 МВт , которые могут использоваться при развертывании передовых военных баз экспедиционных сил. Военные были бы счастливы — как показывает опыт современных «малых войн», от 70% до 90% объема поставляемых на передовые базы и экспедиционные войска грузов приходилось на топливо. Например, в Ираке и Афганистане это поднимало конечную стоимость бензина для генераторов до $400 за галлон. В общем, военные очень хотят иметь небольшую атомную электростанцию прямо на базе, чтобы не возить туда топливо самолетами.

Один из проектов такого рода стал разрабатываемый Лос-​Аламосской Национальной лабораторией (LANL) реактор «Мегапауэр». Его топливом является оксид урана, обогащенный до 19,5% в уране 235. Этот уровень низкого обогащения с точки зрения распространения считается «не оружейным». Масса топлива инкапсулируется в твердый стальной монолит, образуя субкритический ядерный сердечник, который окружен материалом, отражающим распад нейтронов, исходящих из металлического сердечника урана обратно в ядро, контролируемым образом, вызывая устойчивую ядерную реакцию.

Реактор предназначен для обеспечения 2 МВт электроэнергии и еще 2 МВт тепловой энергии в течение 12 лет непрерывной работы и весит около 35 тонн. Это не так мало, как хотелось бы военным, но уже можно доставить по воздуху или на трейлере. Активная зона реактора и все другое критическое оборудование размещены в специальной броне, которая защищает реакторные системы от внешнего воздействия, а также защищает персонал и окружающую среду от излучения активной зоны во время эксплуатации и транспортировки.

Технически, этот проект реализуем на уровне текущих технологий, но наличие ядерного реактора в потенциальной зоне боевых действий вызывает вполне понятное опасение. Так что на сегодня строить «Мегапауэр» вроде бы не планируют.

Project Pele

Более близким к реализации является Project Pele. Это программа создания мобильного ядерного микрореактора, первый прототип которого взялась построить и испытать Национальная лаборатория Айдахо. Управление стратегических возможностей Министерства обороны США приняло решение запустить его в работу и выделить финансирование.

Разработка началась еще в 2010 году, а в 2020-м Армия США заключила исследовательские контракты на сумму 40 млн долларов с тремя компаниями. Реактор намечено испытать уже в 2024 году, так что это вполне реальное близкое будущее. По текущим оценкам специалистов из Пентагона, один микрореактор Pele сможет сэкономить до 3 тыс. тонн дизельного топлива в год, а это весьма приличные деньги. Кроме того, перспективное лазерное оружие тоже весьма интересно было бы запитать от реактора.

Project Pele — ядерный реактор четвертого поколения: высокотемпературный газовый реактор, работающий на низкообогащенном урановом топливе. Он весит около 40 тонн и адаптирован для доставки по воздуху транспортным самолетом С-17. Его предназначение — быстрое развертывание в зоне боевых действий.

МАЭУ

Наши военные тоже не против атомной генерации на поле боя. Несколько лет назад в России по заказу Минобороны начались работы по новым малогабаритным атомным энергоустановкам (МАЭУ). Они предусматривает создание энергоблоков мощностью 100 кВт и 1МВт, которые должны строиться на буксируемом шасси, обеспечивающем возможность быстрой переброски и развертывания на новом месте. Фактически это атомная станция на большом грузовике, которая может использоваться «для энергоснабжения удаленных объектов военного или гражданского назначения». Также высказывались предположения о возможном использовании МАЭУ в составе перспективных комплексов вооружения с высоким энергопотреблением. Предполагалось, что на разработку МАЭУ уйдет около шести лет, но текущее состояние проекта засекречено.

Проект «Памир»

В истории нашей страны самоходный реактор уже был — это проект «Памир». Первая в мире передвижная атомная электростанция была создана и пущена в 1985 году. Она потребовала создания принципиально нового реактора на основе тетраокиси азота, который выступил одновременно теплоносителем и рабочим телом. Тепловая мощность реакторной установки «Памира» составила 5 МВт, эффективная электрическая мощность — 630 кВт. На одной загрузке топлива «Памир-630Д» мог работать до пяти лет. Для транспортировки элементов проекта «Памир» потребовалось 4 колесных шасси, два из которых — тяжелые тягачи МАЗ-7960, специально разработанные на основе тягача МАЗ-537.

В серию установка не пошла, потому что страны, которой требовались мобильные реакторы, тогда как раз не стало.

ГРЭМ

Несколько лет назад появились сообщения, что входящая в холдинг «Атомэнергопром» компания «НИКИЭТ» ведет разработку транспортабельной энергоустановки малой мощности «ГРЭМ» на основе советских проектов космических источников атомной энергии.

Это газоохлаждаемый реактор со смесью гелия и ксенона в качестве теплоносителя с проектной электрической мощностью 1 МВт, размещенный на шасси грузовика МАЗ, однотипном с колесным тягачом «Ураган». Помимо выработки электрической мощности установка ГРЭМ предназначена также для выработки тепловой энергии.

В России имеется определенный задел по установкам космического базирования. Один из примеров — «Космос-954», советский спутник морской космической системы разведки и целеуказания серии «УС-А» с ядерной энергетической установкой на борту. Он был оборудован ядерной энергетической установкой БЭС-5, известной также под кодовым названием «Бук», от которой питался бортовой радиолокатор бокового обзора. Двухконтурная установка имела реактор на быстрых нейтронах БР-5А и термоэлектрогенератор, теплоноситель обоих контуров — эвтектика натрий-калий.

Текущее состояние проекта «ГРЭМ» неизвестно.

Атомная батарейка

Если говорить о миниатюризации в атомной энергетике, то стоит упомянуть ее вершину – атомные батарейки. Благо, они вполне реальны. Это так называемые бета-гальванические батареи.

В основе технологии лежит принцип преобразования альфа- и бета-излучений радиоактивного вещества в электрический ток. Батарея состоит из радиоактивного сердечника, который выступает в качестве источника изотопов и покрытия специальными синтетическими алмазами, выращенными в лабораторных условиях — они обеспечивают защиту от радиации. Изотопы радиоактивного элемента в процессе так называемого «неупругого рассеяния» взаимодействуют с алмазным покрытием, и в итоге энергия бета-излучения преобразуется в электрический ток.

Первые версии таких элементов питания, пригодные для повседневного использования, могут появиться в течение нескольких лет. Сотрудники НИТУ «МИСиС» в августе 2020 года продемонстрировали собственный прототип такой батареи.

Бета-гальванические батареи могут быть сколь угодно малыми, так что размещение их, например, в телефонах или даже часах вполне возможно. Да, стоят они дорого, но одна такая батарейка может работать до 28 тысяч лет.

Впрочем, кому нужен телефон, работающий тысячи лет, когда каждый год выходит следующая модель?