Полезные заметки/Ядерная энергетика

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

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.

По конструкции реакторы делятся на водо-водяные (PWR), кипящие (BWR) и различную экзотику, типа реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, газоохлаждаемых реакторов и так далее. В водо-водяном реакторе (а именно такие наиболее распространены и активно строятся в настоящее время) охлаждение активной зоны идет в три этапа. 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, 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. И наконец, пар из второго контура уже охлаждается либо за счет остывания в градирне, либо водой из расположенного рядом с АЭС пруда-охладителя. В кипящих реакторах парообразование происходит непосредственно в ядерном котле, так что такие реакторы малость дешевле (нет дополнительного охлаждающего контура, нет дополнительных насосов, нет труб, которые должны держать перегретую воду под давлением в десятки атмосфер), но слава у них… чернобыльско-фукусимская. У газоохлаждаемых (ноу-хау англичан с их «Магноксами»), тяжеловодных (а это ноу-хау канадцев, а с их подачи и индусов) и жидкометаллических (отечественная серия БН и французский реактор «Феникс») реакторов имеется свой плюс — в них нет воды, эффективно тормозящей образующиеся при делении атомов быстрые нейтроны, так что такие реакторы могут работать чуть ли не на природном уране или дожигать отработанное ядерное топливо.

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 (в особенности СИУР — старший инженер управления реактором, человек, под чьим началом работает вся команда, обслуживающая установку). 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). Такие реакторы называются реакторами на медленных ( или тепловых) нейтронах. К этому виду относится подавляющее большинство существующих промышленных реакторов. Недостатком этого типа реакторов является то, что они могут работать только на уране-235, который является довольно редким изотопом. Да и запасы его, по некоторым оценкам, совсем небольшие - лет на 400. Но в некоторых конструкциях реакторов с ними можно делать более интересные вещи. Такие реакторы называются реакторами на быстрых нейтронах. 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, запасы которого, к тому же, на порядки больше, чем запасы урана-235. А ещё в реакторах на быстрых нейтронах можно дожигать отработанное ядерное топливо после тепловых реакторов, хранение и утилизация которого составляет серьёзную проблему ядерной энергетики.

Что может пойти не так

• 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 (либо конструкционных элементов, выполненных из циркония) с водой может произойти мгновенное разложение воды и выделение огнеопасного водорода (пароциркониевая реакция). 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. Из-за этого любой реактор нормально работает лишь на полной мощности; попытки работать «на тормозах» сравнимы с попытками ехать на велосипеде со скоростью меньше, чем у неторопливого пешехода: можно, но рулём придётся крутить лихорадочно, чтобы не шлёпнуться. А уж нештатный разгон реактора до полной мощности после её снижения — и вовсе занятие сродни жонглированию включенными бензопилами на велосипеде, который едет по канату со скоростью улитки. В апреле 1986 года в Чернобыле на четвёртом реакторе СИУР оказался плохим жонглёром.

Радиоизотопный генератор

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.

Что может пойти не так

• Любопытный чукча или бомж-охотник за цветметом разберет РИТЭГ и облучится;

Термоядерный реактор

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 рекорд взят британскими учёными на экспериментальном реакторе JET, которые добились и относительно длительного выхода за критерий, и высокого энерговыделения при реакции.

Что может пойти не так

• 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. Собственно, из-за нестабильности реакции мы пока и не имеем промышленных термоядерных реакторов: плазма затухает даже от косого взгляда, а на её поддержание пока энергии требуется больше, чем получается в ходе самой реакции.
• Теоретически при нестабильности шнура плазма может пробить бланкет — внутреннюю оболочку камеры, где идёт реакция. Но и в этом случае получится только дырка в стальной или титановой конструкции и затухший плазменный шнур.