Перетворення уранового палива: світовий перший випадок, Китай випереджає у четвертому поколінні ядерної енергії

Оголошено топ-10 найважливіших наукових досягнень Китаю за 2025 рік. Це досягнення стримано потрапило до списку, але воно змусило нервувати всю глобальну енергетичну спільноту: перетворення Th-U (торій-уран) у торієвому соляному реакторі з розплавною сіллю, виконане під керівництвом Інституту прикладної фізики Китайської академії наук у Шанхаї, стало першою у світі програмою, що реалізувала цей технологічний прорив.

США ще понад півстоліття тому розпочали ці дослідження, але врешті їх було зупинено. Китай, який прийняв естафету технологій, не лише впорався з ключовими проблемами, а й отримав пропуск до перебудови глобального енергетичного ландшафту. Чи справді за цим стоїть лише технологічне наздоганяння? Схоже, що ні, усе набагато складніше.

Схема структури торієвого соляного реактора: ілюстрація циркуляційної системи торієвого соляного реактора з позначенням окремих компонентів

У 1950-х роках Національна лабораторія Оак-Ридж (США) розпочала дослідження торієвих соляних реакторів: у 1965 році було збудовано експериментальний реактор, а робота понад десятки тисяч годин підтвердила здійсненність технології. Але стратегічні коригування під час холодної війни змусили цю розробку різко зупинитися; після цього протягом наступних півтора десятиліття жодна спроба так і не змогла подолати ключову проблему — перетворення палива.

У 2000 році торієвий соляний реактор було внесено до переліку шести основних технологічних напрямів ядерної енергетики четвертого покоління, але у світі він досі залишався на стадії перевірки концепції. Після того як Китай узявся за цю технологію, рівно 14 років тривали роботи, понад сто науково-дослідних установ і понад тисячу експериментів — зрештою вдалося реалізувати перетворення торій-уранового палива всередині реактора, пройшовши весь шлях від експерименту до верифікації.

Стара диспетчерська ядерної електростанції: сцена, де персонал працює зі старими системами керування ядерною електростанцією

Багато людей бачать лише технологічний прорив, але не звертають уваги на інший ключовий факт: рівень локалізації основного обладнання цієї розробки перевищує 90%, а все критичне обладнання повністю реалізовано як власне виробництво. Нікелевий сплав на основі GH3535, який долає проблему корозії в солях, дозволив контролювати обсяг корозії до однієї десятої від міжнародного стандарту, а точність онлайн-системи обробки палива — в межах 1 міліметра.

Це не просто технологічне наздоганяння. Це — створення з нуля цілісної технічної системи на тій траєкторії, яку держави з великою потугою колись залишили.

Щодо запасів торію в Китаї існує два різні підходи до підрахунку. Промислові запаси 280 тис. тонн становлять одну п’яту від світових, а вуглематовий (супутній) торієвмісний рудник у районі Байюнь-Ебобо в Автономному районі Внутрішня Монголія вже розвідано на рівні мільйонів тонн — частка у світі перевищує 60%. Які б не були дані, це означає одну річ: коли Китай розвиває торієві соляні реактори, він має природну ресурсну перевагу.

Ще цікавіше те, що більша частина торію є супутнім мінералом, що видобувається під час розробки рідкоземельних елементів. Як найбільший у світі виробник рідкоземів, Китай не мусить вести окремий видобуток: достатньо витягти паливо з хвостів (відходів) рідкоземельного виробництва — і таким чином одразу формується ресурсний автономний замкнений цикл. Ця природна перевага непорівнянна з можливостями будь-якої іншої країни.

Енергія, що вивільняється під час поділу 1 тонни торію, дорівнює енергії 3,5 млн тонн вугілля; навіть лише на основі наявних промислових запасів Китай може забезпечити свою енергетичну потребу протягом кількох тисячоліть. Якщо цю технологію завершать і масштабують до комерційного застосування, Китай зможе повністю позбутися залежності від імпортного урану — і ще на один рівень зміцниться «підкладка» енергетичної безпеки.

Схема поколінь розвитку атомної енергетики: інфографіка, що демонструє еволюцію технологій п’яти поколінь атомної енергетики

Окрім ресурсної переваги, торієвий соляний реактор має ще дві незамінні переваги порівняно з традиційною атомною генерацією: безпеку та гнучкість у виборі майданчика. Традиційний реактор з водою під тиском потребує високого тиску під час роботи, залежить від значних обсягів водного охолодження й має розташовуватися вздовж узбережжя, а також існує ризик розплавлення активної зони.

Торієвий соляний реактор працює за атмосферного тиску: паливо безпосередньо розчиняється й розплавляється в солі, а коли температура зростає, ядерна реакція природно сповільнюється. У разі екстремальних умов розплав солі автоматично твердне, повністю усуваючи ризик радіаційних витоків. Оскільки не потрібне масове водяне охолодження, це означає, що його можна напряму будувати в глибині країни, у пустельних районах, а завдяки надвисоковольтній електромережі можна здійснювати передавання електроенергії з заходу на схід — і таким чином вирішити проблему нерівномірного енергетичного розподілу в Китаї.

Сценарії застосування торієвого соляного реактора виходять далеко за межі наземного виробництва електроенергії. Його природна стабільність робить його оптимальним рішенням для електроживлення в космічних базах.

Цикл «день-ніч» на Місяці триває до 14 днів. Безперервні майже два тижні темряви роблять сонячну енергію повністю непридатною. А торієвий соляний реактор має високу густину енергії та довгий строк служби: один раз із заряджанням палива він може стабільно працювати 20 років. Сам реактор також можна проєктувати як інтегровану конструкцію та відправляти шляхом цілісного підйому й транспорту. Поки зараз американський план «Артеміда» (Artemis) щодо висадки на Місяць ще спирається на сонячну енергію, перевірка ядерної енергетики ще не завершена — а Китай уже випередив у технологічному плані.

Знімок екрана новин: сторінка новин Сіньхуа про перетворення торій-уранового ядерного палива

Ще більш варто звернути увагу на те, що торієвий соляний реактор — це лише краєвид айсберга проривів Китаю в ядерній енергетиці четвертого покоління. Перша у світі атомна станція четвертого покоління з комерційним виробництвом електроенергії — високотемпературний газоохолоджуваний реактор на станції Шидаовань — працює стабільно з моменту введення в експлуатацію в грудні 2023 року. Наразі вже сформовано повний ланцюг постачання й виробництва; технічне рішення на рівні 600 тис. кВт увійшло в стадію розробки креслень для будівництва. Також демонстраційний проєкт швидкого реактора на станції Цзяпу (Jiapu) будується в стабільному темпі.

Від соляних реакторів до високотемпературних газоохолоджуваних реакторів і далі до швидких реакторів: Китай одночасно розквітає на кількох головних магістралях четвертого покоління ядерної енергетики. За цим стоїть узгоджене подолання складнощів у багатьох дисциплінах — матеріалознавство, ядерна фізика, прецизійне виробництво тощо. Такий прорив по всьому ланцюгу в межах глобального масштабу — не знайти другого.

Зараз змагання в атомній енергетиці — це вже не про те, хто першим запропонує концепцію, а про те, хто зможе перегризти найтвердіші інженерні «кістки»; і хто першим зможе створити повні технічні стандарти.

Згідно з опублікованими планами, Китай у 2025 році почне будівництво комерційного торієвого соляного реактора потужністю 10 МВт, а очікується, що до 2029 року його буде підключено до мережі. Це стане першим у світі комерційним проєктом з торієвою електрогенерацією. Якщо до 2030 року збудують демонстраційний проєкт потужністю 100 МВт, Китай отримає право визначати технічні стандарти для торієвої електроенергії.

У галузі зараз точиться дуже цікаве обговорення: багато хто вважає, що комерціалізація торій-орієнтованої атомної енергетики потребує ще десятків років. Але не слід забувати, що високотемпературний газоохолоджуваний реактор на станції Шидаовань від експериментального реактора до комерційної експлуатації пройшов шлях довший ніж за два десятиліття. У наш час технологічне накопичення вже завершене, а темпи інженерного впровадження лише пришвидшаться — швидше, ніж ми собі уявляємо.

Головний пульт управління торієвого соляного реактора: працівники працюють у сучасному головному пульті керування торієвим соляним реактором

Крім того, висотемпературна торієва сіль у торієвому соляному реакторі при 700°C здатна не лише виробляти електроенергію, а й паралельно виробляти водень та забезпечувати тепло для промислових проєктів. Комплексна енергоефективність зростає на 50% порівняно з традиційною атомною енергетикою — і це якраз допоможе енергоємним галузям завершити «зелений» перехід. Така адаптивність до різних сценаріїв — те, чого не може дати традиційна атомна енергетика.

Щодо поводження з ядерними відходами: обсяг ядерних відходів, що утворюються під час виробництва торієвої електроенергії, становить лише одну тисячну від обсягу для традиційних типів реакторів, а період напіврозпаду скорочується до 300 років. Це істотно зменшує екологічне навантаження. Додатково, після комерційної реалізації конкурентоспроможність буде дуже високою — адже вартість становить лише одну десяту від вартості уранової руди.

Це змагання в ядерній енергетиці четвертого покоління, де Китай лідирує, по суті є боротьбою за енергетичну автономність. Коли в наших руках є власна енергія, яку можна використовувати протягом тисяч років, а ключові технології, ключові ресурси й увесь ланцюг усієї галузі міцно перебувають у власних руках, терези глобального енергетичного балансу вже непомітно змінюються.

Справді варто замислитися не лише в тому, скільки часу ця технологія зможе змінити структуру енергопостачання, а в тому, що станеться, коли Китай отримає повноваження й «голос» у ядерній енергетиці четвертого покоління: країни, що залежать від експорту енергоносіїв, опиняться перед якими правилами ціноутворення? Це питання, ймовірно, цікавіше, ніж сам технічний прорив.