Полезные заметки/Ядерная энергетика

Материал из Викитропы
Перейти к: навигация, поиск

Ядерная энергетика, а.к.а. «Мирный атом» — использование ядерных реакций для получения полезной энергии. Как и в ядерном оружии, в ядерной энергетике теоретически может использоваться два вида реакций: деление и синтез. Но на практике всё сложнее, поэтому практически используется только деление, а термоядерная энергетика уже много десятилетий остается в планах на будущее.

Ядерный реактор[править]

Идея ядерного реактора достаточно проста: с помощью стрежней из материалов, поглощающих нейтроны, популяция нейтронов в реакторе контролируется таким образом чтобы «рождаемость» нейтронов при распаде ядер была равна их «смертности» при поглощении ядрами. При этом делящийся материал крайне желательно смешать с веществом, замедляющим нейтроны (хорошо идут графит и вода) — чем медленней нейтрон летит по реактору, тем больше у него шансов на попадание в нужное ядро. В результате контролируемого стрежнями деления ядер выделяется тепло. От этого тепла закипает вода, и превращается в пар, а от этого пара работает паровая турбина. Да, ядерный реактор — это по сути паровая машина, только вместо топки с углём — топка с ураном. Прямое преобразование ядерной энергии в электрическую возможно только если энергия в той реакции выделяется в виде быстрых и легких заряженных частиц — это альфа и бета радиоактивный распад и некоторые виды термоядерных реакций. Для таких реакций можно получить электричество сразу из реактора или радиоизотопной батареи за счет того что заряженные частицы поглощаясь в оболочке реактора или радиоизотопной батареи создадут разность потенциалов. Такой принцип генерации используется в радиоизотопных генераторах (не всегда) и может использоваться в термоядерном реакторе на Дейтери и Гелии-3 (на Дейтерии и Тритии не получится ибо там почти всю энергию уносят нейтроны).

Как это работает? Ядерный реактор представляет собой огромный тугоплавкий котёл, в который помещаются два вида стержней: топливные (ТВЭЛ) и управляющие. Топливные представляют собой сборки из таблеток урана и графита (он нужен для того, чтобы замедлять вылетающие нейтроны и облегчать протекание реакции) в трубках из циркония, а управляющие — дрыны из бора, поглощающего нейтроны и замедляющего ядерную реакцию. Хотим погорячее — убираем часть управляющих стержней, хотим похолоднее — вставляем их обратно. Если все управляющие стержни вставлены — реакция не идёт. Если все они извлечены — в реакторе становится настолько горячо, что ему может и вышибить крышку, и проплавить стенки — и тогда об окрестностях реактора много десятилетий будут рассказывать анекдоты про колобка и ёжика.

Ядерный реактор обычно имеет два охладительных контура. Первый контур — это вода, которая непосредственно контактирует с ядром реактора и греется в котле. Поскольку она при этом облучается нейтронами, то становится радиоактивной — поэтому выпускать такую воду наружу никак нельзя. Она циркулирует туда-обратно под высоким давлением, которое позволяет ей перегреваться до 300 градусов. Второй контур — это вода из близлежащей речки, которая в котёл не затекает, а нагревается от первой воды — поэтому она не может стать радиоактивной, это обычная вода. Именно эта вода превращается в пар и крутит турбину. В некоторых конструкциях реакторов в первом контуре не вода, а что-то ещё.

Чтобы ядерный реактор стабильно работал, он не должен остывать настолько, чтобы реакция остановилась, и не должен перегреваться настолько, чтобы реактор разрушился и случился Чернобыль. За этим следят как автоматизированные компьютерные системы, так и люди-операторы. Работа это достаточно сложная, так как в реакции много факторов. Например, некоторые изотопы, выделяющиеся в ходе реакции, могут «отравлять» реактор — мешать протеканию реакции, и нужно не допускать их накопления.

Обычно вылетающие из реактора нейтроны остаются в воде и превращают водород в дейтерий и тритий (это основной способ получения этих изотопов водорода в промышленности). Но в некоторых конструкциях реакторов с ними можно делать более интересные вещи. Например, можно их использовать для превращения бесполезного урана-238 в плутоний, который является ценным ядерным топливом. Либо по отдельности от основного котла (чтобы потом использовать этот плутоний для ядерной боньбы), либо прямо в котле (чтобы он тут же и прогорал, и давал тепло). Если реактор так умеет, то ценный уран-235 ему нужен только для запуска, а дальше он может фурыкать и на дешевом уране-238.

Что может пойти не так[править]

  • Расплавление активной зоны: при перегреве реактора может расплавиться все его содержимое: ТВЭЛы, уран, графит, бор, отходы и всё остальное. В результате получается самонагревающаяся лава, которая называется кориумом. Она может выплавиться за пределы реактора, и тогда наступает локальный ужас и кошмар — эта лава настолько радиоактивна, что к ней опасно для жизни даже приближаться.
  • Взрыв. При перегреве реактора или контакте кориума с водой может произойти мгновенное разложение воды и выделение огнеопасного водорода, все это имеет характер взрыва, который может разметать всё, что осталось от внутренностей реактора, по всей округе.
  • Йодная (она же ксеноновая) яма. То самое отравление реактора продуктами распада, может стать (и один раз стало) причиной первых двух проблем. Суть проблемы в том что образующийся в реакторе короткоживущий Йод-135 распадается с образованием чуть менее короткоживущего, но хорошо захватывающего нейтроны Ксенона-135. Пока реактор работает на полной мощности Ксенон-135 выжигается нейтронами по мере его накопления. Но стоит убавить мощность — он начнет быстро накапливаться. В результате накопления ксенона возврат только что заглушенного реактора на плановую мощность является крайне интересным мероприятием. Накопившийся изотоп в начале не дает разогнать реактор ловя нейтроны вместо вынутых стрежней, а затем выгорает и интенсивность реакции подскакивает. Если не успеть компенсировать выгорание ксенона стрежнями — может случиться бум.

Радиоизотопный генератор[править]

Просто кусок радиоактивного изотопа. Может использоваться в качестве простой грелки, грелки для тепловой машины (в том числе термопары), источника заряженных частиц. Главный минус — дорого. Казалось бы герой предыдущего раздела в изобилии производит всякую радиоактивную гадость, вот только почти вся та гадость либо очень быстро распадается, либо распадается слишком медленно и дает слишком малое выделение мощности. Кроме того реакцией нельзя управлять. Практически идеальный ядерный материал для РИТЭГа — это плутоний-238: период полураспада в 87 лет и хорошо греется, более того, получается как побочный продукт при получении «обычного» плутония, 239-го.

Термоядерный реактор[править]

В термоядерном реакторе всё сильно не так, как в ядерном. Термоядерные реакции не протекают ни в твердой, ни в жидкой фазе — для них нужно только состояние плазмы. Поэтому вся конструкция намного сложнее и капризнее — и в то же время безопаснее.

Термоядерный реактор: это либо устройство на магнитных катушках (токамак или стелларатор), которое позволяет сжимать и нагревать плазму из лёгких элементов (водорода, гелия, лития, бора) до высоких температур, либо вакуумная камера с кучей лазеров по краям, в которую кидают капсулу из тех же легких элементов и нагревают теми лазерами до огромных температур. На сегодняшний день наибольшие успехи достигнуты по первому направлению. При нагреве термоядерного топлива тем или иным способом должен произойти выход за критерий Лоусона — то есть состояние, когда в плазме идет реакция, выделяющая больше энергии, чем затрачено на её создание. Если этот критерий взят — то реактор даёт энергию. В принципе, провести термоядерную реакцию несложно — сложно провести её так, чтобы выйти за критерий и получить больше, чем затрачено. Простейший термоядерный реактор — так называемый фузор Фарнсворта — помещается на столе и может быть собран своими руками, но эта конструкция работает намного ниже критерия и может только поглощать энергию.

На практике критерий Лоусона уже взят. Это произошло в 2007 году на китайском экспериментальном реакторе EAST. Теперь стоит другая проблема: заставить реактор стабильно работать и не гаснуть: пока что удается заставить его гореть максимум минуту-две.

Что может пойти не так[править]

  • Он потухнет. И всё. Тонкий плазменный шнур в термоядерном реакторе — настолько капризная вещь, что малейший чох — и он гаснет. Никакого взрыва не происходит — в нем просто нет необходимого количества топлива.