Забытый эксперимент США: как Китай возродил ториевый реактор

В последние годы Китай активно развивает ядерные технологии нового поколения, включая реакторы на расплавленной соли, работающие на тории. Это направление сочетает в себе высокую безопасность, долгий ресурс и высокую эффективность. Хотя концепция появилась ещё в США во второй половине XX века, именно Китай впервые довёл её до практической реализации, опираясь на рассекреченные материалы Национальной лаборатории Оук-Ридж. Сегодня ториевые реакторы рассматриваются в Поднебесной как один из ключевых инструментов энергобезопасности на десятилетия вперёд.

Эксперименты в США

Идеи использования жидких солей как топлива появились в 1940-х годах в Оук-Ридже. Юджин Вигнер и его коллеги предлагали применять фторидные соли для высокотемпературных реакторов, изначально — в военных целях. Одним из первых серьёзных проектов стал Aircraft Reactor Experiment (ARE), запущенный в 1954 году. Эта компактная установка мощностью 2,5 МВт работала на солях урана при температуре около 900 °C и за девять дней произвела около 100 МВт·ч энергии. Несмотря на перегревы и утечки газов, эксперимент доказал возможность безопасной работы жидкого топлива при очень высоких температурах.

Следующим этапом стал MSRE — Molten-Salt Reactor Experiment, запущенный в 1965 году. В этом реакторе мощностью 7,4 МВт использовалась смесь LiF-BeF₂-ZrF₄-UF₄ и графитовый замедлитель. Сначала он работал на уране-235, затем — на уране-233, полученном из тория. MSRE продемонстрировал тысячи часов стабильной работы, онлайн-дозаправку и выработал свыше 92 ГВт·ч энергии. Он выдержал 225 отключений, связанных в основном с засорами и работой насосов, но подтвердил устойчивость солевого топлива.

Несмотря на успехи, к 1969 году программа была закрыта. В начале 1970-х предлагались крупные проекты разводящих ториевых реакторов, но США переключили ресурсы на быстрые реакторы для производства плутония — более востребованные в условиях холодной войны. Хотя в программу MSR вложили более миллиарда долларов (около 7 млрд в пересчёте на сегодня), результаты оказались забыты и десятилетиями лежали в архивах.

Принципы работы реакторов на расплавленной соли

Солевые реакторы принципиально отличаются от традиционных. В них топливо — жидкая смесь фторидов лития, бериллия и тория-232 с добавлением делящегося материала. Под действием нейтронов торий превращается в протактиний-233, а затем в уран-233, который и даёт энергию. Твердотопливные сборки не требуются: соль служит одновременно и топливом, и теплоносителем, циркулируя под атмосферным давлением.

Системы работают при 600-700 °C, обеспечивая КПД более 40 %. Реакторы допускают онлайн-очистку — удаление газов и выделение протактиния для увеличения эффективности. В ториевом цикле Th-U из одного килограмма тория можно получить энергии в десятки раз больше, чем из топлива легководных реакторов, а остатки топлива перерабатываются прямо на месте.

Преимущества и ограничения технологии

Ториевые MSR обладают важными преимуществами: торий распространён в земной коре в 3-4 раза чаще урана, а цикл его преобразования даёт минимум долгоживущих отходов. Реакторы производят в десятки раз меньше актинидов и имеют высокий уровень безопасности благодаря отрицательному температурному коэффициенту реактивности. При перегреве реакция замедляется сама, а в аварийной ситуации расплавленная соль стекает в дренажные резервуары, где застывает.

Такие реакторы способны сжигать трансурановые элементы и адаптируются к изменению нагрузки за минуту, что делает их гибкими для современных энергосистем. При этом уран-233, получаемый из тория, содержит примеси, препятствующие военному использованию.

Однако есть и сложности. Солевые смеси вызывают коррозию, требуют специальных материалов типа Hastelloy-N; тритий проникает через стенки и должен улавливаться; графитовый замедлитель быстро деградирует; а переработка солей усложняет обслуживание. Эти проблемы снижали доступность MSRE до 40 % в 1960-х, хотя современные материалы значительно улучшают ситуацию.

Китайский прорыв

Китай начал полномасштабные исследования MSR в 2011 году, инвестировав около 3 млрд юаней. Специалисты Шанхайского института прикладной физики изучили рассекреченные материалы Оук-Риджа и адаптировали их к современным условиям. В 2021 году был запущен TMSR-LF1 — первый в мире жидкотопливный ториевый реактор мощностью 2 МВт, расположенный в пустыне Гоби.

В 2025 году в него впервые добавили свежую соль без остановки, а затем добились конверсии тория-232 в уран-233. Реактор работает при 600 °C и обеспечивает энергией около 2000 домохозяйств, полностью используя китайские технологии. В планах — 10-МВт станция к 2029 году и демонстратор на 100 МВт к 2035-му. В регионе Wuwei строятся подземные установки по 12 МВт для тестирования новых материалов.

Национальный обзор 2020 года обнаружил 233 зоны с залежами тория. Комплекс Байянь-Обо содержит до миллиона тонн, а отходы добычи железа дают сырья, достаточного для энергоснабжения США тысячу лет, а Китая — порядка 60 000 лет. Торий часто сопутствует редкоземельным металлам, что упрощает его добычу и делает производство экономически привлекательным.

Глобальные перспективы

Успехи Китая привлекают внимание других государств. В Европе развиваются проекты SAMOSAFER и EVOL, в Канаде — модульные MSR для переработки отходов, а Япония продвигает проект FUJI. Для Китая такие реакторы — важный инструмент достижения углеродной нейтральности к 2060 году, а в западных регионах планируется строительство нескольких десятков солевых станций.

На международном уровне технология рассматривается как перспективная не только для наземной энергетики, но и для судостроения и даже будущих лунных баз. Компактность, безопасность и гибкость ториевых MSR делают их одной из самых обсуждаемых технологий ядерной энергетики XXI века.