Во времена Второй мировой войны ученые осуществили прорыв, превращая ядерную массу в энергию посредством цепных реакций в атоме урана. Это стало реальностью благодаря созданию ядерного реактора. С этого момента энергия, извлекаемая из ядер урана, представлялась многим как бесконечный источник электричества.
Сегодняшний ядерный реактор способен обеспечивать энергией средний дом в России в течение 34 лет, используя всего килограмм топлива. Тем не менее, доля ядерной энергии в мировом энергобалансе упала с 18% в 1996 году до 11% на текущий момент, и предполагается, что этот показатель продолжит снижаться. Каковы причины такого изменения судьбы этой перспективной технологии?
Ядерная энергетика сталкивается с рядом трудностей, среди которых высокие затраты на строительство и общественная неодобрительная реакция. Эти проблемы коренятся в специфических инженерных вызовах. Ядерная энергия основана на процессе деления ядер урана и контролируемых цепных реакциях, расщепляющих больше ядер.
Атомные ядра плотно наполнены протонами и нейтронами, связанными сильной ядерной силой. В большинстве атомов урана присутствует 238 протонов и нейтронов, однако каждый 140-й атом урана имеет на три нейтрона меньше, делая его менее стабильным. Это облегченное ядро U-235 легко расщепляется под воздействием нейтрона, превращаясь в легкие, радиоактивные фрагменты, а также высвобождает дополнительные нейтроны, гамма-излучение и нейтрино.
В процессе деления часть ядерной массы преобразуется в энергию. Эта высвобождающаяся энергия активизирует быстро движущиеся нейтроны, которые, сталкиваясь с ядрами урана, порождают ещё одно поколение нейтронов, более мощное, чем предыдущее. Этот процесс может продолжаться, создавая всё новые и новые поколения нейтронов. В ядерном реакторе эта динамичная цепная реакция строго регулируется с помощью контрольных стержней, которые "ловят" лишние нейтроны, поддерживая их концентрацию на оптимальном уровне. Это позволяет реактору стабильно работать в течение долгих лет.
Но есть и подводный камень: для поддержания реакции требуется особое топливо. Нейтроны, выделяющиеся в ходе деления, обладают высокой кинетической энергией и не могут быть легко захвачены ядрами урана, что снижает эффективность самого деления. Первый реактор, построенный в Чикаго, использовал графит как модератор для замедления нейтронов, что позволило увеличить их захват ядрами урана и ускорить процесс деления.
Современные ядерные реакторы предпочитают использовать очищенную воду в роли модератора. Однако, даже при этом, нейтроны оказываются слишком «быстрыми». Чтобы поддерживать цепную реакцию, содержание U-235 увеличивают в 4-7 раз.
На сегодняшний день обогащение урана часто осуществляется путем пропускания его газообразных соединений через центрифуги, где легкий изотоп U-235 отделяется от тяжелого U-238. Этот же процесс можно продолжить, обогатив U-235 до уровня в 130 раз выше нормы, что позволяет создать взрывную цепную реакцию для ядерного взрывного устройства. Поэтому, методы, вроде центрифугирования, необходимо тщательно контролировать, чтобы исключить распространение материалов, которые можно использовать для создания бомб.
Важно учесть, что лишь малая доля энергии, выделяющейся при делении, используется для активации нейтронов. Основная же часть энергии превращается в кинетическую энергию продуктов деления и затем — в тепло, которое с помощью охладителя (обычно это вода) передается в турбогенератор для производства электроэнергии.
Правильная циркуляция воды необходима не только для производства электричества, но и для предотвращения опасного инцидента в реакторе — расплава. Если подача воды останавливается из-за поломки трубы или отказа насосов, урановое топливо стремительно нагревается и плавится.
При ядерном расплаве радиоактивные пары выбрасываются в реактор, и если он не способен их удерживать, последним барьером на пути паров становится сооружение из стали и бетона. Но если давление радиоактивных газов слишком велико, эта оболочка может быть прорвана, и газы попадут в атмосферу, распространяя радиоактивность.
Со временем деления распада превращаются в стабильные элементы — некоторые за секунды, другие — за сотни тысяч лет. Главной задачей реактора является надежное удерживание этих продуктов для предотвращения воздействия на людей и природу. Важность этого удерживания возрастает после того, как топливо исчерпано. Каждые 1-2 года часть отработанного топлива вынимается и помещается в специальные бассейны с водой, где оно охлаждается, а его радиоактивное излучение блокируется.
Итак, мы имеем дело со смесью несработавшего урана, продуктов деления и плутония — вещества, фактически не встречающегося в природе. Необходимо обеспечить изоляцию этой смеси от окружающей среды до полного распада радиоактивных элементов.
В качестве одного из решений предлагается создание подземных хранилищ, однако ни одно из них пока не реализовано, и существуют сомнения относительно их долговечности и безопасности. Как страны, история которых насчитывает всего несколько столетий, могут гарантировать надежную защиту плутония с периодом полураспада в 24 000 лет?
Сегодня многие АЭС хранят отработанное топливо прямо на территории станции. Однако в отработанном топливе, кроме радиоактивности, скрыта другая угроза: из него можно выделить плутоний, способный поддерживать цепную реакцию и использоваться для создания ядерного оружия. Таким образом, вопрос хранения ядерных отходов становится не только экологической проблемой, но и вопросом национальной безопасности.
Кто должен следить за безопасным хранением этих материалов? Первопроходцы ядерной эры открыли путь к высвобождению огромного количества энергии из атома, однако с течением времени стали очевидными и ограничения, и риски, связанные с этой технологией.
Спасибо за внимание к статье! Если вас увлекла тема ядерной энергетики и вы хотите узнавать больше интересных и актуальных фактов из этой области, подписывайтесь на наш канал! Мы регулярно публикуем полезные и познавательные материалы. Не забывайте ставить лайки и делиться статьями с друзьями. Ваши вопросы и комментарии тоже будут крайне ценны для нас!
