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, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Игровая Игровая

Краткий курс «Где найти нормального мужика?»

SNC
«Главное, чтобы был найден баланс между свободой и регулированием» «Главное, чтобы был найден баланс между свободой и регулированием»

Руководитель Mail.Ru.Group Дмитрий Гришин о своем пути в IT.

Forbes
Он точно не такой Он точно не такой

Думала, что “пикаперы” – комичный пережиток 2000-х? Не тут-то было!

Cosmopolitan
15 мыслей Изабель Юппер 15 мыслей Изабель Юппер

Французская актриса получила «Золотой глобус» и оскаровскую номинацию за роль в фильме «Она».

GQ
Атака Павлова Атака Павлова

Почему основатель сети магазинов Zenden шьет обувь в Крыму и Сирии.

РБК
Мартовские гиды Мартовские гиды

Что подарить женщине на Восьмое марта, если она совсем ненормальная?

Maxim
“Личное пространство необходимо каждому из нас” “Личное пространство необходимо каждому из нас”

Чего мы ждем от пары, от семьи, от жизни в обществе?

Psychologies
Огненная леди Огненная леди

Актриса из ка­на­ды Сара Гадон до­ка­зы­ва­ет: нет ни­че­го сек­су­аль­нее ин­тел­лек­та и ни­че­го бо­лее ин­три­гу­ю­ще­го, чем ум­ное кино с де­тек­тив­ным сю­жетом.

Vogue
Кирилл Рихтер Кирилл Рихтер

Карьера Кирилла Рихтера как композитора и исполнителя началась в 2016-м

Esquire
Как рукой сняло Как рукой сняло

Иван Глушков — о научном подходе к похмелью.

GQ
Как уходят герои Как уходят герои

Супергерои редко умирают навсегда и ещё реже уходят на покой.

Мир Фантастики
Идеальная тарелка Идеальная тарелка

Геннадий Иозефавичус — о раздражающей привычке фотографировать еду.

GQ
Пенелопа Крус: “Мы все – одни из многих” Пенелопа Крус: “Мы все – одни из многих”

Пенелопа Крус – самая «домашняя» из кинозвезд

Psychologies
Продавать запрещено Продавать запрещено

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

CHIP
Двигатель прогресса Двигатель прогресса

Рубен Варданян — сооснователь «Сколково», бизнесмен и филантроп.

GQ
“C трех лет я знала, чего хочу, остальное было неважно” “C трех лет я знала, чего хочу, остальное было неважно”

История счастливой любви длиной в жизнь

Psychologies
Ева Ева

Ева Лонгория – самая “отчаянная” актриса Голливуда

Cosmopolitan
Брак или партнерство? Брак или партнерство?

Замужем, не замужем – может, и правда, нет никакой разницы?

Cosmopolitan
100 самых стильных - 2017. International 100 самых стильных - 2017. International

Вглядитесь в сотню избранных и заставьте их потесниться в следующем году.

GQ
Сергей Кущенко Сергей Кущенко

Президент Единой лиги ВТБ Сергей Кущенко знает, как заработать на спорте.

GQ
Каждый охотник желает Каждый охотник желает

Как поддерживать мужской интерес в длительных отношениях?

Cosmopolitan
Том первый Том первый

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

GQ
В тени «Пересвета» В тени «Пересвета»

Кто виноват в крахе банка РПЦ.

РБК
Без пилота Без пилота

О том, как автомобиль будет обходиться без водителя

Популярная механика
Алена Хмельницкая Алена Хмельницкая

Алена Хмельницкая: "Главное - нравиться себе самой"

Караван историй
Жизнь и роли Патрика Стюарта Жизнь и роли Патрика Стюарта

Бывают актёры одной роли, а Патрик Стюарт — актёр двух ролей, в каждой из которых неподражаем.

Мир Фантастики
Хиппи vs хипстеры Хиппи vs хипстеры

Почему вслед за практичными миллениалами-хипстерами нам стоит ждать появления поколения новых хиппи?

Elle
Прорабы империи Прорабы империи

Кто застраивал Русь и Россию до революций 1917 года.

Forbes
Alfa Romeo Giulia Quadrifoglio Alfa Romeo Giulia Quadrifoglio

Настал момент истины для топовой версии итальянского седана.

Quattroruote
Спроси себя, как часто у тебя болит голова? Спроси себя, как часто у тебя болит голова?

Из-за чего может болеть голова?

Cosmopolitan
Открыть в приложении