В передовой конструкции ядерного реактора применяются заменяемые сердечники, что помогает предотвратить деградацию жидкой соли. Для получения лицензии на усовершенствованные реакторы необходимы тщательные экспериментальные исследования.
Евгения Васильева
Лаборатория по изучению расплавленной соли в компании Thorizon. Источник: Thorizon
Крупные американские технологические компании инвестируют миллиарды в перспективные ядерные разработки, чтобы снабжать энергией искусственный интеллект, потребляющий огромные объёмы электричества. По другую сторону Атлантики европейские специалисты работают над сложнейшей инженерной проблемой, связанной с этой технологией: созданием коррозионно-агрессивной жидкой соли.
Нидерландский стартап Thorizon объединил усилия с исследовательским институтом TNO. Совместно они запустили программу по разработке экспериментальных материалов.
Задача ясна. Необходимо подобрать металлы, способные безотказно функционировать в реакторах на расплавах солей. Первые испытания уже стартовали в Петтене и Амстердаме.
Растущий интерес к реакторам на расплавах солей
Реакторы на расплавах солей функционируют при давлении, близком к атмосферному, и при отключении электроснабжения опираются на пассивные системы безопасности. Помимо этого, они способны производить значительно меньше долгоживущих отходов, чем стандартные коммерческие реакторы. Эти свойства делают их привлекательными для дата-центров и предприятий тяжёлой промышленности, которым необходимо энергоснабжение в режиме 24/7.
Однако внутренняя среда реактора крайне агрессивна. Жидкие топливные соли разогреваются до очень высоких температур, нередко превышающих 1000 градусов по Фаренгейту. С течением времени эта смесь разрушает конструкционные металлы, а радиация ослабляет их изнутри.
Компания Thorizon намерена не бороться с этой проблемой бесконечно, а обойти её. Стандартные реакторы предполагают использование стационарных корпусов, рассчитанных на полвека эксплуатации. Thorizon применяет модульный подход. Жидкая соль содержится в герметичных картриджах. Операторы будут просто извлекать старые устройства и устанавливать новые каждые пять-десять лет.
«Благодаря нашей конструкции картриджа деградация материала превращается в решаемую инженерную задачу», — заявила Кики Лауэрс, генеральный директор Thorizon. Она отметила, что новые испытания дадут регулирующим органам и операторам точные данные о сроке службы картриджей.
«Эта программа обеспечит независимые доказательства, необходимые для подтверждения надёжности конструкции, и позволит регулирующим органам и операторам быть уверенными в эксплуатационных характеристиках материала и сроке службы картриджа», — добавила Лауэрс.
Экономика проекта зависит от того, насколько точно удастся спрогнозировать ресурс картриджа. Слишком консервативные оценки приведут к частым заменам и росту стоимости эксплуатации, слишком оптимистичные — к риску внеплановых остановок.
Лауэрс отмечает, что модульная схема позволяет операторам постепенно накапливать статистику: первые картриджи будут извлекаться раньше расчётного срока, а их состояние после реальной эксплуатации даст данные, которых не может дать ни один стенд. Такой итеративный подход снижает риск для инвесторов и делает проект привлекательным для промышленных заказчиков, которым нужна предсказуемая цена электроэнергии на десятилетия вперёд.
Проведение стресс-тестов
Регуляторные процедуры в Европе остаются сложными. Чтобы получить лицензию на испытательный реактор PIONEER, компании придётся доказать не только коррозионную стойкость материалов, но и предсказуемость их поведения при аварийных сценариях — перегреве, потере циркуляции, попадании влаги в контур.
Программа TNO специально включает тесты на ускоренное старение, при которых образцы выдерживают в соли при температурах выше номинальных. Полученные данные лягут в основу заявки в нидерландский регулятор ядерной безопасности и будут доступны международным партнёрам — CEA и Объединённому исследовательскому центру Еврокомиссии, что упростит последующую сертификацию Thorizon One за пределами Нидерландов.
Органы безопасности требуют строгих экспериментальных подтверждений перед выдачей лицензии на усовершенствованные конструкции реакторов. TNO проведёт стресс-тесты, смоделирует скорость коррозии и отследит точки отказа, чтобы продемонстрировать, как эти сплавы ведут себя с течением времени.
«Эти инновации могут перейти от стадии разработки к внедрению только при наличии убедительных научных доказательств», — подчеркнул Тьярк Тджин-А-Цой, исполнительный директор TNO.
Полученные результаты будут способствовать получению лицензии на эксплуатацию испытательного реактора PIONEER компании Thorizon в Петтене. Впоследствии они лягут в основу коммерческой модели Thorizon One.
Две нидерландские группы расширяют международную деятельность. Они привлекают таких партнёров, как Делфтский технический университет, NRG PALLAS, Французское агентство по атомной энергии CEA и Объединённый исследовательский центр Европейской комиссии.
Первые результаты программы Thorizon и TNO
Первые результаты программы Thorizon и TNO ожидаются в течение ближайших двух лет. Испытательные стенды в Петтене воспроизводят условия, близкие к реальной эксплуатации: образцы конструкционных сплавов погружают в расплав соли, нагревают до рабочих температур и одновременно облучают, имитируя радиационное повреждение.
Параллельно в Амстердаме ведётся металлографический анализ — специалисты изучают микроструктуру образцов до и после выдержки в агрессивной среде, чтобы зафиксировать момент зарождения трещин и скорость утоньшения стенок. Такой комбинированный подход позволяет отделить эффекты коррозии от радиационно-индуцированного охрупчивания, что важно для прогнозирования ресурса картриджа.
Отдельное внимание уделяется выбору самих сплавов. Речь идёт о жаропрочных никелевых и железоникелевых композициях с повышенным содержанием хрома и молибдена, которые традиционно демонстрируют устойчивость к расплавам фторидных и хлоридных солей.
Однако лабораторные данные, полученные в статических условиях, не всегда воспроизводятся в динамике, когда соль циркулирует через контур. Поэтому часть испытаний проводится на петлевых установках с принудительной циркуляцией, где образцы подвергаются воздействию потока, имитирующего движение теплоносителя. Инженеры Thorizon рассчитывают, что именно эти данные станут основой для расчёта допустимой толщины стенок картриджа и сроков его плановой замены.
Потребность в обеспечении стабильной энергосистемы
Инициатива появилась в тот момент, когда энергосистемы столкнулись с беспрецедентным спросом. Как в Северной Америке, так и в Европе чистая электрификация и цифровая инфраструктура опережают развитие возобновляемых источников энергии, таких как ветряные и солнечные электростанции. Современным энергосистемам по-прежнему нужна стабильная базовая нагрузка, обеспечиваемая круглосуточно.
Чтобы восполнить этот дефицит, Нидерланды планируют к 2050 году построить атомные электростанции общей мощностью 7 гигаватт. В этом плане ключевую роль играют малые модульные реакторы. Власти хотят, чтобы компактные станции подключались напрямую к заводам и серверным фермам.
Международная конкуренция в сегменте реакторов на расплавах солей усиливается. В США несколько стартапов при поддержке крупных технологических компаний продвигают собственные проекты, ориентированные прежде всего на энергоснабжение дата-центров.
Европейская стратегия делает ставку на промышленную декарбонизацию и подключение компактных станций к заводам, что требует иных характеристик — прежде всего высокой готовности к круглосуточной работе и возможности выдавать тепло в дополнение к электричеству.
Если Thorizon удастся подтвердить ресурс картриджей, нидерландская разработка может занять нишу, где важны не столько абсолютные показатели мощности, сколько надёжность и предсказуемость эксплуатации.
Если испытания в Петтене пройдут успешно, то сменная активная зона реактора Thorizon может стать перспективным решением. Доказательство работоспособности материалов может наконец превратить расплавленную соль из лабораторного эксперимента в коммерческую реальность.
