Перспективы ядерной энергетики

Что предлагает ядерная энергетика сейчас и в ближайшем будущем.

Мир ФантастикиHi-Tech

Реакция под контролем

Перспективы ядерной энергетики

Уважаемый редактор!
Может, лучше  — про реактор?
Про любимый лунный трактор?

Владимир Высоцкий «Письмо в редакцию»

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.

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 альфа-частица  — 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.

Первый, построенный в 1942 году в США исследовательский реактор — «Чикагская поленница» — представлял собой штабель графитовых блоков, между которыми располагались выточенные из урана шары
Первая ядерная электростанция была введена в строй в городе Обнинске в 1954 году.
RIA Novosti archive, image #409173 / Pavel Bykov / CC-BY-SA 3.0

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.

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.

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.
Bill Ebbesen / Wikimedia Commons

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.

Авторизуйтесь и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Персона | Ева Грин Персона | Ева Грин

Внимание! Этот текст полон беспардонного восхваления, неприкрытого восхищения, возмутительного восторга и лютого сексизма. В нём подчёркиваются достоинства, выпячиваются идеалы и замалчиваются недостатки. В нём будет много непристойного, масса неприличного и чуть-чуть про актёрское мастерство. Просто это текст о Еве Грин. А о ней иначе нельзя.

Мир Фантастики, сентябрь'16
Как рукой сняло Как рукой сняло

Иван Глушков — о научном подходе к похмелью.

GQ, март'17
Bentley Mulsanne Bentley Mulsanne

Bentley Mulsanne идеально резюмирует ценности, присущие роскошным британским седанам.

Quattroruote, март'17
Продавать запрещено Продавать запрещено

Перепродажа смартфона Google Pixel и другие вещи, за которые Google заблокирует ваш аккаунт навсегда.

CHIP, март'17
Песни о главном Песни о главном

Леонид Агутин о «Голосе» и семейном счастье.

Glamour, март'17
Разговор с режиссёром «Красавицы и чудовища» Биллом Кондоном Разговор с режиссёром «Красавицы и чудовища» Биллом Кондоном

Этого режиссёра называют человеком, возродившим мюзиклы, у него есть «Оскар» за лучший сценарий, а ещё он снял две части «Сумерек». Мы поговорили с Биллом Кондоном о его необычной фильмографии и новом проекте.

Мир Фантастики, март'17
Уравнение со многими неизвестными Уравнение со многими неизвестными

Многомиллиардные госзаказы уходят без тендера таинственным подрядчикам.

Forbes, март'17
Ева Ева

Самая “отчаянная” актриса Голливуда, а еще режиссер, продюсер, лицо марки L'Or al Paris и знаменитая латиноамериканка – это все о Еве Лонгории. Ее собственная жизнь могла бы лечь в основу сценария сериала. А пока все самое интересное ищи в интервью Cosmo.

Cosmopolitan, февраль'17
Не надо меня трогать Не надо меня трогать

“Что с тобой не так? - спросил человек, который хотел на мне жениться. - Я пошел на этот фильм из-за тебя и чуть не плачу, он дико трогательный. А ты... ты выспалась!” Я вздохнула – и не вышла замуж.

Cosmopolitan, февраль'17
Мэрилин Минтер Мэрилин Минтер

Художница Мэрилин Минтер предлагает взглянуть на тело, какое оно есть на самом деле.

Numéro, март'17
Идеальная тарелка Идеальная тарелка

Геннадий Иозефавичус — о раздражающей привычке фотографировать еду.

GQ, март'17
Саша Филипенко Саша Филипенко

Жизнь Саши Филипенко разделена надвое: в одной он писатель, в другой – комик по имени Роман Романович.

Esquire, февраль'17
Властелин кроликов Властелин кроликов

Накануне прошедшего Рождества, 24 декабря 2016 года, не стало Ричарда Адамса — писателя, подарившего нам уникальную книгу «Обитатели холмов» и ещё несколько не менее выдающихся работ. Ричард Адамс прожил долгую, спокойную и счастливую жизнь, которая не могла не отразиться в его историях о животных — произведениях, которые на самом деле о нас с вами.

Мир Фантастики, февраль'17
Маркус Рива: Побольше позитивных мыслей, и все будет хорошо! Маркус Рива: Побольше позитивных мыслей, и все будет хорошо!

Маркус Рива – латышский певец, диджей, ставший известным в России пару лет назад. А совсем скоро мы узнаем, удастся ли нам увидеть Маркуса на «Евровидении».

Лиза, февраль'17
Том первый Том первый

Том Хиддлстон рассказал о новом «Торе» и заплывах в компании акул.

GQ, март'17
Любимчик миллиардера Любимчик миллиардера

Стипендиат Питера Тиля Джеймс Прауд создает гаджет для сна, конкурируя с Google и Apple.

Forbes, март'17
Народный электромобиль Народный электромобиль

Электромобили либо только для богатых, либо на них далеко не уедешь. Модель Ampera-e от Opel призвана разрешить эти противоречия. Нам удалось даже протестировать ее.

CHIP, март'17
Раздвигая границы Раздвигая границы

Кристен Стюарт о фильме «Персональный покупатель».

GQ, март'17
Артем Кухаренко Артем Кухаренко

Прошлой зимой компания Кухаренко победила разработчиков Google на чемпионате по распознаванию лиц и выпустила приложение FindFace.

Esquire, февраль'17
“Я плыву по течению и никогда не загадываю на будущее” “Я плыву по течению и никогда не загадываю на будущее”

Как и большинству девушек, в мужчинах нам очень нравится чувство юмора. Поэтому когда Cosmo выпал шанс взять интервью у Гарика Харламова, мы его не упустили. Резидент Comedy Club рассмешил нас до колик и рассказал о самом сокровенном.

Cosmopolitan, январь'17
Миллиарды на колхозных полях Миллиарды на колхозных полях

Петербургская Setl Group обходит московских девелоперов.

РБК, март'17
Инсайдер Инсайдер

Татьяна Стрекаловская.

L’Officiel, март'17
Без царя в голове Без царя в голове

Что не принято говорить вслух о следующем короле Таиланда.

GQ, март'17
За пригоршню долларов За пригоршню долларов

Полтора века назад продажа Аляски Соединенным Штатам была обдуманным и необходимым шагом.

GEO, март'17
Аглая Шиловская: Люблю смотреть кино, и жанр не имеет значения Аглая Шиловская: Люблю смотреть кино, и жанр не имеет значения

Выучить английский в совершенстве и просыпаться от пения птиц – актриса мечтает о том же, о чем и многие из нас.

Лиза, февраль'17
Прорабы империи Прорабы империи

Кто застраивал Русь и Россию до революций 1917 года.

Forbes, март'17
Давно пора за­вя­зывать Давно пора за­вя­зывать

Актриса Дакота Джонсон о плюсах и минусах работы в самом противоречивом кинопроекте — и немного о Джейми Дорнане.

Glamour, март'17
Kia Sportage Kia Sportage

Длинный ряд проблем не помешал третьему Sportage стать популярным и действительно массовым. Его внешность и харизма с лихвой компенсируют все возможные неурядицы.

АвтоМир, февраль'17
Hyundai Tucson против Mazda CX-5 Hyundai Tucson против Mazda CX-5

Японский кроссовер на четыре года старше своего корейского оппонента, но оба выглядят свежо, современно и востребованы на рынке. Стало быть, разница в возрасте совсем не помеха их очному поединку.

АвтоМир, февраль'17
Когда ты мечтаешь о чем-то всей душой, это становится твоей реальностью Когда ты мечтаешь о чем-то всей душой, это становится твоей реальностью

Мила Йовович верит, что совпадения неслучайны. 15 лет назад она увлеклась компьютерной игрой “Обитель зла” и получила роль в ее киноверсии. А на съемках встретила главную любовь своей жизни. 16 февраля мы увидим шестую часть фильма, ставшего для актрисы настоящим семейным делом.

Cosmopolitan, февраль'17