Раздел 1. УРАН.
Раздел 2. Тепловые ядерные реакторы.
Часть 3. «Тепловые» ядерные реакторы.
В настоящий момент в мире, за исключением трёх реакторов, все остальные работают на тепловых нейтронах. В тепловых реакторах в большинстве случаев как теплоноситель используется вода. Одновременно замедляя быстрые нейтроны и осуществляя отвод тепла, она, испаряясь, «крутит» турбины энергоблока, которые вырабатывают электричество. Установка с такой технологией использования воды в двойном назначении получила название "Водо-водяной ядерный реактор".
Водо-водяные реакторы - наиболее изученное и отработанное направление ядерной энергетики, потому наиболее распространенное.
Количество коммерческих запасов Урана 235 на Земле таково, что его хватит ещё на 50 лет.
Это те залежи Урановой руды, которые имеют большую её концентрацию.
После исчерпания этих залежей дальнейшая переработка Урана 235 из руды или воды будет столь затратной, что выработка энергии на атомной станции потеряет практический смысл.
А какой смысл развивать столь высокотехнологичную энергетику, с настолько ограниченной ресурсной базой? Правильно – не имеет, лучше найти более перспективное направление с неисчерпаемыми энергетическими ресурсами (Солнце, ветер, или термоядерная энергетика).
И как мы видим сегодня, атомная отрасль начала деградировать и уступать место альтернативной возобновляемой энергетике. В принципе, можно было поставить крест на дальнейшем развитии атомной энергии, если бы не один физический эффект.
Часть 4. Трансмутация Урана 238.
Наш отброс атомной отрасли, Уран 238, прекрасно захватывает нейтроны. Да, он также может разделиться как Уран 235, но с вероятностью 10 миллионов к 1 произойдет «захват нейтрона». Быстрые нейтроны, которые образуются в результате деления ядра Урана 235, отлично подходит для захвата одного из них ядром атома Урана 238.
После того, как Уран 238 захватил нейтрон, образуется ядро Урана 239 в возбуждённом состоянии.
Это возбуждённое ядро с большой долей вероятности начнёт излучать электрон (частица с отрицательным зарядом), то есть произойдет бета-распад ядра Урана 239. В результате такого распада образуется новый элемент - Нептуний 239 с 93 протонами.
Нептуний 239 - искусственно созданный нестабильный элемент. Он также распадается посредством бета-распада, превращаясь в Плутоний 239 с 94 протонами. Новый элемент относительно стабилен, с периодом полураспада более 24 тысяч лет.
Образование Плутония 239 - наиболее вероятный исход захвата нейтрона Ураном 238. Образуются также Плутоний 241, Уран 233 и прочие элементы. Элементы с нечётной атомной массой являются делящимися изотопами. Следовательно, их можно рассматривать как вторичное топливо для Атомных станций.
Искусственно созданный радиоактивный элемент Плутоний 239 по физическим свойствам является аналогом природного Урана 235. Образуется он в активной зоне ядерного реактора (в природе встречается в чрезвычайно малом количестве).
Ядро Плутония 239, провзаимодействовав с тепловым нейтроном, точно также с большей вероятностью разделиться на два изотопа, излучая энергию и быстрые нейтроны. То есть, он ведет себя точно так же, как и Уран 235.
Выходит, по существу, можно в неком ядерном реакторе при делении Урана 235, бомбардировать быстрыми нейтронами Уран 238, получить новый вид топлива, состоящего из Плутония 239, которое будет содержаться в отработанных ядерных отходах. То есть, загрузили Уран 235 с Ураном 238, а в результате ядерных реакций получили Плутоний 239.
Такой процесс действительно происходит, и Плутоний 239 нарабатывается даже в тепловых реакторах. Но наиболее эффективно наработка Плутония 239 происходит на быстрых нейтронах.
Часть 5. Реакторы-размножители.
Появилась концепция, которая захватила умы многих ученых.
Происходит реакция деления ядер Урана 235, избыточные нейтроны поглощаются Ураном 238, и в результате нарабатывается новый вид топлива - Плутоний 239. При этом атомная станция вырабатывает энергию
Но самое интересное, общий баланс процессов таков, что Плутония 239 может получаться больше, чем «сгорает» Урана 235!
Этот коэффициент воспроизводства может доходить до 1,5 единиц в реакции с быстрыми нейтронами (в реальности коэффициент = 1,05-1.2).
Так родилась идея создать атомный реактор на быстрых нейтронах и включить в цепочку ядерных реакций ранее «отвальный» Уран 238, обеспечив таким образом человечество сырьём для атомной энергии на сотни лет.
Сама идея не нова, ведь атомная бомба «Толстяк» работала на основе деления Плутония 239. Так что ещё на заре ядерной эры все эти процессы были известны.
Первый научно-исследовательский реактор на быстрых нейтронах был построен в США, в 1946 году. Там же, в 1951 году был построен первый Быстрый реактор EBR-I, доказавший возможность получать электричество. В дальнейшем, наряду с США, в лидеры вырвались две страны: СССР и Франция, построив реакторы БН-350 и Феникс соответственно.
Аббревиатура БН обозначает не "быстрые нейтроны", а Быстрый Натриевый реактор, так как в роли теплоносителя выступал расплавленный натрий.
В дальнейшем, СССР, в 1980 годах запустили реактор БМ-600, а во Франции - Суперфеникс. США не строили новых промышленных реакторов на быстрых нейтронах, а ограничились научно-техническими исследованиями.
На сегодняшний момент, США свернули свою программу по реакторам на быстрых нейтронах, аргументировав это тем, что Плутоний 239 - сырьё двойного назначения, и может быть использован для создания оружия.
Франция, в ходе эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах, столкнулась с рядом неразрешимых проблем. Некоторые проблемы в эксплуатации реакторов даже не получили объяснения.
В России тоже были аварии на реакторе БН-350, но всё же удалось решить большинство проблем, в результате которых до сих пор работает реактор БН-600. А в 2014 был запушен новый реактор БН-800, мощностью в 880 МВт.
