Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики


i0 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики


В наши дни фантасты неохотно включают ядерную энергетику в картину грядущего — ну разве что в качестве источника радиации, необходимой для размножения мутантов. Много копий было сломано в спорах, нужен ли вообще человеку хоть и мирный, но совсем не безопасный атом. Между тем количество ядерных энергоблоков, с конца восьмидесятых годов прошлого века остававшееся почти неизменным, в 2013 году снова начало быстро расти. Посмотрим, что предлагает ядерная энергетика сейчас и в ближайшем будущем.


i1 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Первый, построенный в 1942 году в США исследовательский реактор — «Чикагская поленница» — представлял собой штабель графитовых блоков, между которыми располагались выточенные из урана шары

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ


По хитрым законам квантовой механики в некоторых атомных ядрах протоны и нейтроны образуют дружный коллектив, способный существовать вечно, другие же ядра нестабильны и в случайный момент времени спонтанно распадаются. В одном случае нестабильное ядро покидает альфачастица — неразлучная компания из двух протонов и двух нейтронов (это называется альфа-распад), во другом же излучается только электрон (бета-распад). Но существуют и нестабильные вещества, ядра которых при распаде разрушается полностью, разбрасывая как крупные осколки, так и отдельные свободные нейтроны. Те поглощаются соседними ядрами, что провоцирует их распад по такому же сценарию. Этот процесс называется цепной реакцией.

Вещества, способные поддерживать цепную реакцию, называются ядерным горючим. От природы нужными свойствами обладает только изотоп (разновидность химического элемента с другим количеством нейтронов в ядре) уран-235, составляющий 0,7% всей массы урана. Повысить его содержание в общей массе металла можно с помощью обогащения. Процесс это непростой и затратный — но ядерное горючее отличается от любого другого тем, что самовоспроизводится при сжигании. Более распространённый (99,3% массы) уран-238, находясь в зоне цепной реакции, поглощает свободные нейтроны и превращается в плутоний-239, также пригодный в качестве ядерного топлива. К аналогичной метаморфозе способно и ядро 90-го элемента — тория. Нейтронное облучение превращает этот металл в ядерное горючее — уран-233.


С середины прошлого века за ураном закрепилась репутация металла ценного и чрезвычайно редкого. Но к концу XX столетия выяснилось, что 92-й элемент периодической таблицы в природе встречается так же часто, как, например, свинец. Тория на нашей планете ещё больше. Однако получение нужных изотопов — задача трудоёмкая.



ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ



i3 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Отдельный ТВЭЛ слишком легко сломать. Поэтому 312 циркониевых тростинок собираются в пучок — «тепловыделяющую сборку» (ТВС)


В активной зоне реактора горючее размещается внутри ТВЭЛов — тепловыделяющих элементов: изготовленных из циркония или (в случае газоохлаждаемых реакторов) магния трубок диаметром 9 миллиметров и длиной 4,5 метра. Само же горючее представляет собой таблетки из похожей на камень двуокиси урана. Это касается и синтетического MOX-топлива, только в нём уран содержит примесь плутония.

По центру у каждой таблетки большое отверстие, так как по мере выгорания топливо разбухает из-за меньшей плотности образующихся при распаде урана химических элементов. Но, несмотря на эту предосторожность, срок службы ТВЭЛов составляет лишь один, максимум полтора года. Тепловые нагрузки очень велики. Контакт с раскалённым теплоносителем при высоком давлении вызывает коррозию. Кроме того, в активной зоне реактора все материалы подвергаются радиационному разрушению. Разлетающиеся нейтроны, застревая в кристаллической решётке, превращаются в водород, альфа-частицы — в гелий. Газы скапливаются внутри трубок и даже образуют пузырьки внутри металлических деталей — с очевидными последствиями для их прочности.

ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ


Если оставить цепную ядерную реакцию без должного контроля, интенсивность распада будет нарастать по экспоненте, что в итоге приведёт к ядерному взрыву. В случаях, когда такой исход представляется нежелательным, применяется ядерный реактор — благодаря этому устройству можно удержать интенсивность реакции на постоянном уровне. Обуздать протекающие в ядерном горючем процессы позволяют замедлитель, поглотитель и теплоноситель.

Замедлитель — вещество, которое «притормаживает» рождающиеся при распаде ядер нейтроны, чтобы они не покидали зону реакции слишком быстро. Лучше всего с этой задачей справляются элементы из первых строк Периодической таблицы: по закону сохранения импульса при столкновении с ядром свинца нейтрон отдаст ему всего 1% своей энергии, а ядру водорода пожертвует сразу половину. Но водород, даже жидкий, недостаточно плотен для замедлителя. Поэтому для таких целей используют воду или графит.

Поглотитель вступает в игру, когда интенсивность распада требуется понизить, убрав из активной зоны лишние нейтроны. Чаще всего для этой цели применяют бор. Точнее, его стабильный изотоп бор-10, охотно захватывающий нейтроны с образованием изотопа бор-11, также нерадиоактивного.

Наконец, теплоноситель необходим для отвода избыточного тепла из зоны реакции. Задача лишь кажется простой: от теплоносителя требуются исключительная радиационная стойкость, высокая температура кипения, проницаемость для нейтронов, хорошая теплоёмкость и химическая инертность. Вещество, в полной мере отвечающее всем требованиям, пока не найдено, поэтому чаще всего используется вода — как самый дешёвый из неидеальных вариантов.

Реакторы различаются между собой комбинацией замедлителя и теплоносителя. Наилучшую репутацию и наибольшее распространение имеет водо-водяной реактор. Из действующих энергоблоков к этому типу относятся 65%, а среди 60 строящихся — 50 водо-водяные. Вода в таком реакторе служит замедлителем и теплоносителем одновременно. Устройство представляет собой сверхпрочный стальной котёл. При затоплении горючего замедленные водой нейтроны разжигают реакцию. Чтобы её контролировать, в теплоноситель впрыскивают раствор борной кислоты. Перегретая до 322 градусов Цельсия, но всё-таки не кипящая (давление в системе достигает 160 атмосфер) жидкость передаёт тепло второму контуру охлаждения. Там тоже течёт вода, но она не проходит через ядерное пламя и не становится радиоактивной. Превращаясь в пар, она крутит турбины, которые вырабатывают электроэнергию.

Кипящий реактор можно считать упрощённой версией водо-водяного котла. В нём пар образуется прямо в активной зоне. Понижение рабочего давления до 70 атмосфер позволяет удешевить производство, но сильно осложняет эксплуатацию, так как турбины включены в первый — радиоактивный — контур охлаждения.

Остальные три типа распространённых энергоблоков используют твёрдый замедлитель — графит. И, соответственно, имеют иную — канальную — конструкцию. Теплоноситель проходит через активную зону, заполненную горючим и блоками замедлителя, по множеству труб. При необходимости в зону вводится поглотитель — стержни из бористой стали. Такое устройство проще в изготовлении и позволяет дозаправлять реактор в процессе работы, но снижает его надёжность и особенно безопасность. Раз уж есть трубы, то они иногда текут. А то и прорываются.

Канадские тяжеловодные реакторы — единственные из канальных, строящиеся до сих пор. Главная их особенность — тяжёлая вода в качестве теплоносителя. В состав её молекул вместо водорода входит его изотоп дейтерий. Такая вода, в отличие от обычной, нейтроны почти не поглощает. И это позволяет загружать в тяжеловодный реактор «естественный» (не обогащённый) уран. На выходе получается огромное количество радиоактивных отходов — и немного очень дешёвой электроэнергии.

Газоохлаждаемые реакторы изобрели британские учёные (в прошлом репутация у них была получше). В качестве теплоносителя там используется углекислый газ, подающийся под высоким давлением. Его химическая инертность позволяет резко снизить требования к коррозийной стойкости конструкции. Другой хороший вариант — гелий, не образующий радиоактивных изотопов под воздействием нейтронного облучения. Но теплоёмкость углекислоты недостаточна, а гелия — и того меньше, что приводит к снижению мощности установки.


i2 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Первая ядерная электростанция была введена в строй в городе Обнинске в 1954 году


В СССР изобрели графито-водный реактор. Именно такой ещё в 1954 году был введён в эксплуатацию на первой в мире Обнинской АЭС. Но советскому примеру никто последовать не рискнул. Дело в том, что при использовании для охлаждения канального реактора обычной, лёгкой воды её вклад в замедление нейтронов (с этим отлично справлялся графит) оказывался меньше, чем в их поглощение. В результате возникал эффект «положительной реактивности»: в случае перегрева реактора вода выкипала, и реакция разгонялась.


Сам по себе графито-водный реактор опасности не представлял. Он просто не обладал стопроцентной защитой от оператора. Если разом остановить все охлаждающие активную зону насосы, затем отключить систему аварийной защиты и в ручном режиме извлечь стержни поглотителя, реактор мог пойти вразнос… После того, как в 1986 году персонал Чернобыльской АЭС действительно проделал всё вышеперечисленное, графито-водная конструкция была признана морально устаревшей.


РЕАКТОРЫ-РАЗМНОЖИТЕЛИ
Уже полвека назад было ясно: связывать какиелибо надежды с ядерной энергетикой стоит лишь при условии, что удастся наладить стабильное воспроизводство ядерного горючего. Урана-235 мало, и его запасы довольно быстро будут исчерпаны. Атомные электростанции должны работать на плутонии. Но в энергетических реакторах его нарабатывается только 500–800 граммов на килограмм израсходованного урана-235. Для восполнения потерь нужны специальные реакторы-размножители.


i7 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

К настоящему моменту в мире накопилось около 7000 тонн плутония, не считая использованного в военных целях


Установки для производства синтетических изотопов получили название «реакторов на быстрых нейтронах». Нейтроны в них не удерживались замедлителем в активной зоне, а свободно покидали её, бомбардируя «отражатели» — плиты из обеднённого урана, в которых и происходил синтез плутония. Для поддержания цепной реакции в таких условиях требовалось высокое — от 20 до 50% — обогащение ядерного топлива. Поскольку каждый нейтрон был на счету, не использовался и поглотитель. Реактором управляют, двигая урановые стержни и отражатели относительно друг друга. А в качестве теплоносителя применялся жидкий натрий. Благодаря исключительной, вдесятеро большей, чем у свинца, теплоёмкости его требовалось совсем немного.


i8 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Содержащийся в отработанных ТВЭЛах плутоний не пригоден для изготовления ядерного оружия, так как слишком сильно загрязнён изотопами, поглощающими нейтроны


Всего реакторов-размножителей в мире было построено девять: по два в СССР, Англии и Франции и по одному в США, Германии и Японии. Причём японцы почти сразу ухитрились уронить в активную зону своего реактора стрелу подъёмного крана. Прочие же государства, за исключением идущей особым путём России, размножители быстро закрыли.


i4 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

В ядерной энергетике обычно применяется обогащённый уран, с повышенным содержанием 235-го изотопа. Там, где работающий на естественной смеси изотопов реактор даст 100 тонн радиоактивных отходов, обогащение до 3% сократит эту массу до 7 тонн, а до 30% — до 0,7 тонны


А всё потому, что плутоний оказался исключительной дрянью. Этот металл практически не поддавался механической обработке, зато отличался высокой химической активностью, вступая в беспорядочные связи с чем попало, да ещё и обладал высокой радиоактивностью. К тому же чем дольше работал реактор, тем больше «правильный» 239-й плутоний загрязнялся не поддерживающими цепную реакцию изотопами. В результате затраты, связанные с переработкой крайне неудобного сырья, делали всё затею нерентабельной. Полученное топливо, состоящее на 3% из реакторного плутония и на 97% из обеднённого урана, стоило втрое дороже, чем обогащённый до 3% уран.


i5 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Использование необогащённого урана для заправки тяжеловодных и газоохлаждаемых реакторов — верх расточительства, так как при этом выгорает лишь малая часть ценного 235-го изотопа, а остальное становится отходами. Тем не менее такие реакторы используются во многих странах (в Канаде и вовсе только они) и продолжают строиться



Размножители, превращающие драгоценный высокообогащённый уран в сомнительный плутоний, представляли собой экономический нонсенс. Прорыв наметился лишь в 2015 году, когда в России был пущен БН-800 — первый в мире реактор на быстрых нейтронах, работающий именно на плутонии, который, кстати, подходит для размножителя лучше, чем уран. Загружаем опасные отходы, а на выходе получаем их же (в большем количестве) плюс электроэнергию. Это уже совсем другой разговор. Реакторы нового поколения сейчас строятся в Китае и Индии. Причём индусы намерены с помощью своей установки, облучая торий, превращать плутоний в «удобный» уран-233.



i6 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Обеднённый уран, остающийся после извлечения 235-го изотопа, служит дешёвой заменой вольфраму. Урановые детали составляют 1% «сухого веса» Боинга-747

ПРОБЛЕМА БЕЗОПАСНОСТИ


Очевидно, что энергетическое обеспечение устойчивого развития человечества на ближайшие 10 000 лет имеет смысл лишь в случае, если Земля до конца этого периода останется пригодной для жизни. А значит, частоту аварий на АЭС необходимо свести к разумному минимуму. И это отнюдь не тривиальная задача. Водо-водяной реактор, например, долгое время пользовался репутацией абсолютно безопасного устройства. Он мог выдержать прямое попадание авиалайнера, террориста на грузовике, а также пальца оператора не по той кнопке. Но защиту от такого фактора, как «японский авось», конструкция не предусматривала. Собственно, до аварии на Фукусиме-1 в 2011 году никто в мире и не догадывался, что «японский авось» существует.

Тогда случилось сильнейшее землетрясение, за которым последовало цунами. Реактор не пострадал, аварийная защита сработала штатно, но обеспечивающая работу АЭС инфраструктура не была рассчитана на сейсмический толчок такой силы. В результате насосы, подающие в активную зону теплоноситель, остались без питания. А даже в заглушённом реакторе продолжается распад короткоживущих изотопов, наработанных при сгорании топлива. И лишённый охлаждения котёл расплавился, явив миру всю радиоактивную гадость, скопившуюся внутри.

Разработчики новых энергетических блоков ищут способы избавиться от ненадёжных внешних систем. Так, например, российский проект БРЕСТ подразумевает строительство реактора, представляющего собой заполненный расплавленным свинцом бетонный бассейн, в который погружены тепловыделяющие элементы и парогенераторы. Раскалённый до 2000 градусов (что сулит отличный КПД) жидкий металл будет циркулировать сам собой, нагреваясь и «всплывая» возле стержней и опускаясь ко дну по мере охлаждения. Он же возьмёт на себя защитную функцию, так как отлично поглощает радиацию, но сам при этом практически не образует радиоактивных изотопов. К тому же свинец, в отличие от воды и натрия, химически пассивен, что сильно упростит изготовление парогенераторов и тепловыделяющих элементов.


i9 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Обеднённого урана в одних лишь США скопилось 700 тысяч тонн. Этого запаса достаточно, чтобы покрыть потребности человечества в энергии на протяжении века



Поскольку свинец нейтроны не замедляет, БРЕСТ сможет работать как размножитель с коэффициентом 1:1. Синтезирующийся в процессе работы плутоний будет сразу включаться в цепную реакцию, и после извлечения отработавших свой срок тепловыделяющих сборок (только вот реактор останавливать нельзя — свинец застынет!) количество горючего в них останется прежним.

НА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЕ


Идеальной энергетической установкой, «Святым Граалем» ядерщиков считается «реактор на бегущей волне» — некая высокотехнологичная яма, в которую можно просто навалить урана и тория, добавив для затравки реакции небольшое количество делящегося изотопа. После чего на 20 или даже на 100 лет — пока всё это не выгорит — забыть о нём. Основанные на таком принципе АЭС смогут производить энергию почти даром и по безотходному принципу, потому что все отходы останутся внутри реактора. А он за десятилетия работы наверняка устареет и будет признан памятником технической мысли. Останется лишь накрыть его свинцовым стеклом для сохранности.

БРЕСТ — это, безусловно, шаг к идеалу, но только первый. Он включает архаичную деталь — тепловыделяющие элементы, которые периодически требуется извлекать и перерабатывать. А это дорого и небезопасно. Работа над повышением долговечности этих элементов сейчас ведётся. Но условия в активной зоне реактора настолько агрессивны, что на заметные успехи тут рассчитывать не приходится.

Перспективной выглядит концепция гомогенного реактора, в котором топливо, замедлитель, поглотитель и теплоноситель представляют собой однородную смесь. Действующая модель такого реактора — российский «Аргус». Это 22-литровый бак из нержавеющей стали, заполненный водой, в которой растворено два килограмма обогащённого до 90% уранилсульфата. Заправки хватает на 50 лет, а продукты распада удаляются из активной зоны сами, образуя осадок на дне ёмкости.


i12 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

«Естественной безопасностью» обладает реактор бассейнового типа. Один из таких ещё с 1967 года работает в московском МИФИ


«Аргус» едва ли можно рассматривать даже как прообраз энергетической установки: он требует чрезвычайно дорогостоящего топлива, а его мощность всего 20 кВт. Но, будучи по назначению размножителем, он окупает себя благодаря производству ценных изотопов. А значит, «жидкий реактор» теоретически можно перенастроить на «замкнутый цикл», то есть на производство из урана или тория ядерного горючего для себя же. Низкая мощность тоже вполне поправимое дело. Просто воды потребуется намного больше — целая цистерна, а лучше бассейн.


i10 Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики

Изотоп плутония-238, период полураспада которого составляет 88 лет, незаменим для изготовления радиоизотопных источников энергии. Практически ни одна космическая миссия не состоялась бы без него


***

Как известно, запасы нефти и газа истощатся в ближайшие десятки лет. Этот неутешительный прогноз ежегодно повторяют ведущие специалисты. И здравый смысл подсказывает, что рано или поздно они всё-таки угадают. Человечеству лучше подыскать новый источник энергии. Желательно неисчерпаемый, чтобы закрыть вопрос раз и навсегда. Солнце, ветер, приливные течения и жар земных недр отвечают данному требованию, но это крохи, которые совершенно не соответствуют экспоненциально растущим потребностям технической цивилизации. Переход к ядерной энергетике неизбежен: только залежи тяжёлых металлов способны обеспечить планету энергией на тысячелетия. Ну а если с тяжёлыми металлами не сложится, то в резерве остаются лёгкие элементы — дейтерий, тритий и литий. Горючего для термоядерного синтеза на Земле уж точно хватит до конца времён. Правда, в этой области остаётся ещё множество проблем, не решённых даже теоретически. И первый проект термоядерной электростанции наверняка появится не раньше, чем через несколько десятилетий.

Реакция под контролем: перспективы ядерной энергетики, 10.0 out of 10 based on 2 ratings
Найти на unnatural: Реакция под контролем перспективы ядерной энергетики

Нравится

GD Star Rating
loading...

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Последние публикации:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100