Ядерная энергия. Управление цепными реакциями. Обеспечение безопасности и заправка топливом

Ядерная энергия (энергия атомных ядер)-наиболее концентрированная форма энергии, используемой человеком. Когда ядра тяжелых атомов делятся на две части, происходит выделение энергии - мгновенное, или взрывное, в атомных бомбах и медленное, управляемое-в ядерных реакторах. В природе имеется только один самопроизвольно делящийся элемент-уран. Урановая руда состоит из трех изотопов: урана-234, урана-235 и урана-238; только уран-235 может делиться самопроизвольно. (Изотопы-это атомы элемента с различными массами и другими физическими свойствами, но с одинаковыми химическими свойствами.) В руде содержится не более 0,7% урана-235. Количество изотопа увеличивается в процессе, называемом обогащением, до примерно 90% урана-235.

Для того чтобы урановое топливо и вредные Для человека продукты деления не отравляли окружающую среду, его заключают в тонкие, похожие на карандаш оболочки [5]-тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ). ТВЭЛы обычно устанавливаются вертикально, чтобы поток воды или газа, протекающий между ними, принимал тепло, выделяемое при делении. Проходя между горячими ТВЭЛа- ми, охлаждающее вещество нагревается, выводится наружу и используется для получения пара, необходимого для привода турбогенераторов ТЭЦ.

Реактор с оболочкой, работающей под давлением,-это стальная колонка с толщиной стенки 20-30 см, плакированная нержавеющей сталью.

Управление цепными реакциями. Большинство реакторов нуждается не только в топливе и охлаждении. Деление ядер урана-235 вызывается нейтронами, которые, соударяясь с ядрами, возбуждают их настолько, что ядра делятся надвое. В процессе деления ядро выделяет два-три новых нейтрона, которые разлетаются и, соударяясь с другими ядрами урана-235, вызывают цепную реакцию деления.

Ядерные реакторы [1] должны управляться так, чтобы нейтрон, получаемый в результате деления (один и только один) мог участвовать во втором делении. Лишь в этом случае реактор будет работать устойчиво и с постоянной скоростью. Если в среднем при каждом делении будет получаться более одного нейтрона, необходимого для второго деления, то реактор превратится в атомную бомбу; если же средний выход меньше одного нейтрона, то реактор будет постепенно терять мощность, пока не остановится.

Нейтроны, получаемые при каждом делении, движутся чрезвычайно быстро-со скоростью около 16000 км/с. Поэтому они вылетают из реактора, не успев вызвать следующего деления. Чтобы реактор работал, нейтроны должны быть замедлены. Это достигается применением так называемого замедлителя. Замедлитель увеличивает возможность столкновений нейтронов с другими ядрами урана - 235 и продолжения последующих делений.

Ядерные реакторы производят электроэнергию за счет тепла от деления атомов урана или плутония. Тепло используется так же, как в ТЭС, но его источником служат ядерные реакции. В качестве теплоносителей применяются жидкий натрий или вода под высоким давлением. Реакторы, использующие воду высокого давления, получили наибольшее распространение.

Основные части этих крайне сложных установок: высоконапорные водяные трубы [1); корпус реактора [2]; турбинный зал [3]; турбина высокого давления [4]; турбина низкого давления [5]; генератор [6]; противопожарная стена [7]; трансформаторы [8]; главный трансформатор [9]; рубильник [10]; вывод охлаждающей воды [11]; конденсатор [12]; ввод охлаждающей воды [13]; комната управления [14]; мостовой подъемник для извлечения использованных ТВЭЛов [15]; лифт для новых ТВЭЛов [16]; хранилище использованных ТВЭЛов [17]; барабан отработанного топлива [18]; загрузочный барабан [19]; оболочка реактора [20]; дегазационная шахта [21]; склад нового топлива [22]; загрузочный отсек [23]; люк подачи топлива [24]; барабан отработанного топлива [25]; топливный кран [26]; насос охлаждения реактора [27]; загрузочный помост [28]; камера высокого давления [29]; генератор пара [30]; хранилище барабанов [31]; помещение зарядки барабанов отходами [32]; слив охлаждающей воды [33]; вспомогательная вентиля ция [34]; канал, отводящий отработанную воду [35]; насосная станция для морской воды (36); канал, подающий воду к турбинам (37); водонасосная станция для подачи охлаждающей воды (38); входной туннель для морской воды (39)

В качестве замедлителей используются легкие атомы; сталкиваясь с ними, нейтроны постепенно замедляют скорость движения. Обычно используются три типа замедлителей: вода, графит и тяжелая вода (в такой воде атомы обычного водорода - протия замещены атомами тяжелого водорода - дейтерия).

Обеспечение безопасности и заправка топливом. Реактор управляется стержнями, поглощающими нейтроны, которые по мере необходимости вдвигаются или выдвигаются в активную зону реактора. При выдвижении регулирующих стержней количество поглощенных нейтронов уменьшается, число делений увеличивается и реактор разгоняется [2]. Чтобы остановить его, следует быстро опустить стержни внутрь. Стержни «отсасывают» нейтроны, которые принимали участие в делении, и реактор замедляется.

В графитовом реакторе также получается пар, приводящий в движение турбогенератор. Нейтроны, замедляющиеся в графитовом блоке, расщепляют атомы урана-235.

В продуктах расщепления содержатся нейтроны, которые в свою очередь замедляются и производят дальнейшее деление. Кадмиевые стержни (голубые) опускаются в отверстия для поглощения избытка нейтронов с целью управления реакцией и количеством выделяющегося тепла.

Реактор окружен бетонными и стальными стенами, достаточно толстыми, чтобы предохранить персонал от опасного излучения. Для полной безопасности работы реактор должен иметь аварийную систему, предотвращающую неожиданные неполадки в ТВЭЛах или в системе охлаждения.

Когда ТВЭЛы вырабатывают свой ресурс, их извлекают из реактора и заменяют новыми. Отработавшие элементы, которые еще содержат неиспользованный уран-235, отправляются на регенерацию для извлечения оставшегося топлива [3]. Среди продуктов распада отработанных ТВЭЛов содержится новый созданный человеком элемент-плутоний-239, получаемый при бомбардировке урана-238 нейтронами.

Ядерное топливо используется в замкнутом цикле. Из шахты урановая руда направляется на завод, где ее превращают в оксид урана. После очистки он поступает на обогатительную фабрику, где фторируется, вновь окисляется и становится ядерным топливом. Обогащенное топливо используется в реакторе, а отработанное вновь перерабатывается; восстановленный уран в виде фторида направляется на обогатительную фабрику

Плутоний-239, подобно урану-235, делится самопроизвольно, поэтому его можно использовать для производства атомных бомб или в качестве топлива в новых ядерных реакторах. Первые реакторы были спроектированы и построены как фабрики плутония для производства атомных бомб. Однако плутоний чрезвычайно вреден, и человечество обеспокоено продолжающимся увеличением его количества.

Реактор на быстрых нейтронах (реактор-размножитель). Новейшие реакторы-размножители, или реакторы на быстрых нейтронах [6], проектируются так, чтобы использовать вторичный продукт реакции плутония-239. Они заполняются урановым топливом, а вокруг активной зоны для улавливания вылетающих нейтронов располагаются «пакеты воспроизводства» (отражатели), где уран-238 превращается в плутоний-239. Это устройство настолько эффективно, что плутония производится больше, чем расходуется ядерного топлива.

В реакторе на быстрых нейтронах урановое топливо после распада превращается в плутоний. Жидкий натрий переносит тепло от реактора к теплообменнику, превращая воду в пар, который приводит в движение турбогенераторы.

В конденсаторе отработанный пар превращается в воду, которая попадает в систему рециркуляции. Плутоний используется для обогащения урана или в других реакторах

Все современные реакторы используют реакцию деления, при которой тяжелые атомы расщепляются с выделением энергии. Труднее оказалось «приручить» другую мощную ядерную реакцию-синтез, который используется в водородной бомбе, обладающей колоссальной энергией [7]. При синтезе легкие атомы, нагретые до температуры 2 млн. °С, соединяются, образуя более тяжелые атомы и выделяя при этом огромную энергию.

Ученые пытаются обуздать реакцию синтеза, протекающую в водородной бомбе. При очень высокой температуре взаимодействующие газы, называемые плазмой, удерживаются магнитным полем.