В настоящий момент основным, а имея ввиду строящиеся, и практически единственным видом энергетических ядерных реакторов являются зарекомендовавшие себя наилучшим образом водо-водяные. Дубль с водой в названии означает использование этого вещества, как в качестве замедлителя (катализатора цепной реакции), так и в качестве теплоносителя, – для отвода выделяющегося тепла из активной зоны.
Разумеется, помимо водо-водяных, эксплуатируются и другие типы. В том числе «американские» кипящие (то же, что водо-водяные, но вращающий турбины пар образуется прямо в котле, без второго контура охлаждения), «британские», теплоносителем в которых выступает углекислый газ, а замедлителем графит, «канадские» на тяжёлой воде, не поглощающей нейтроны и позволяющей использовать не обогащённое топливо, «советские» (они же «чернобыльского типа») – графито-водяные… Ну и реакторы на быстрых нейтронах, которые ныне смело можно называть «российскими» – ни у кого больше таких нет.
Перечисленные типы реакторов имеют свои достоинства, и свои же, как можно понять по упоминанию Чернобыля, недостатки. Однако, все эти конструкции можно считать «традиционными». Любые из упомянутых реакторов производились достаточно массово, и до сих пор находятся в эксплуатации. Сейчас же речь пойдёт о конструкциях перспективных или экспериментальных.
...Но прежде о смысле экспериментов. Водо-водяной вариант признан лучшим, – в том числе и наиболее безопасным. До Фукусимы считалось, что вывести из строя такой реактор вообще нет способа, – в случае падения на такой реактор начинённого гексогеном авиалайнера пострадают только лайнер и гексоген… Однако, недостатком «воды-воды» является сложность производства. Тут требуется котёл, рассчитанный на давление под 200 атмосфер, причём, изготовленный из очень нетривиальных стальных сплавов. Высокое давление необходимо для получения приемлемого КПД, – вода же, если на неё не давить, кипит уже при 100 градусах и дальше не греется.
Если же воду греть, то при температуре 300 градусов она превращается в растворитель жуткой силы, разрушающий всё с чем соприкасается. В том числе и ТВЭЛы, что сильно удорожает и их производство тоже… Плюс, как замедлитель вода (обычная, не тяжелая) – вариант так себе. Нейтроны она замедляет, но и поглощает, в том числе из-за неизбежного для столь сильного растворителя присутствия примесей, тоже. Соответственно, водо-водяные реакторы требуют существенного обогащения ядерного горючего.
В свете вышеизложенного ясно должно быть, что основным направлением творческого поиска в случае конструирования ядерных реакторов был и остаётся поиск замены воде. Выше уже упоминались такие варианты, как тяжёлая вода (не поглощает нейтроны, но дорого стоит сама, и в прочих отношениях такая же, как обычная вода, гадость) и углекислый газ. Последний химически инертен, не кипит в принципе (ибо уже газ), что позволяет делать дешёвые реакторы с рабочим давление всего 10 атмосфер. Однако, утечка газа более вероятна, чем воды, как замедлитель углекислота не работает (что требует использовать графит и канальную конструкцию со множеством труб), а как теплоноситель работает, сравнительно с водой, плохо.
...И какие могут быть ещё варианты?
Интересные.
Для начала стоит упомянуть экспериментальный немецкий реактор, в конструкции которого роль замедлителя и теплоносителя выполнял гелий. Гелий же – уникальный элемент в принципе не активирующиеся (не образующий радиоактивных изотопов) при бомбардировке нейтронами. Таким образом, не поглощая нейтроны, зато эффективно замедляя их… гелий совершенно не оправдал себя, как теплоноситель, из-за недостаточной теплоёмкости… То есть, формально, на единицу массы, она даже и неплоха, – но гелий имеет низкую плотность и либо массы получается мало, либо требуется очень высокое давление. Связанные с использованием гелия проблемы пытались решить не только немцы, однако, пока без результата.
Другим путём пошли отечественные специалисты, пытавшиеся заменить воду – полимером. Жидкие полимеры отлично замедляют нейтроны, ибо атомов водорода на единицу объёма в их составе больше, чем в жидком водороде. Полимеры также почти инертны химически, и не могут разъедать сталь. К числу их достоинств также можно отнести отличную теплоёмкость и высокую температуру кипения, что позволяет делать дешёвые миниатюрные реакторы с низким рабочим давлением…
Но и тут засада. Разработанный в Советском Союзе мобильный «полимерный» реактор «Арбус» испытания провалил и досрочно был выведен из эксплуатации, ввиду потери работоспособности. Под воздействием радиации в активной зоне на кислород и водород разлагается даже вода. Полимеры же под градом частиц стремительно превращались в шлак, забивающий насосы. Органические теплоносители не обладают необходимой для использования в ядерной энергетике радиационной стойкостью.
Сделав выводы, российские уже разработчики возлагают теперь надежды на жидкий свинец, обладающий теми же достоинствами, что и органика, но безукоризненно стойкий. Однако, строящийся уже БРЕСТ – это отдельная история.
В теплоносителях из жидких металлов нет ничего нового, но используются они реакторами на быстрых нейтронах, – то есть, уже по определению требующих высокообогащённого топлива.
То же касается и варианта реактора вообще без теплоносителя в первом контуре, – жидкосолевого, в котором текут расплавленные соли урана. Метод разом решает массу проблем. Кроме, собственно, одной. Уран требуется не простой, а почти чистый 235-й. Не смотря на российские прорывы в технологиях обогащения, для энергетических реакторов такое горючее пока недоступно по цене.
Прочие варианты пока не дошли до стадии строительства установок, но могут быть весьма интересны и необычны. Например, есть мысль, – раз уж с жидкостями и газами дело не идёт, – использовать твёрдый теплоноситель. В форме катящихся по трубам шариков из жаростойкой керамики, либо металлических сплавов. В данном случае, проблема радиационной стойкости не актуальна, теплоёмкость достижима любая необходимая, химическая инертность абсолютна, что позволит построить реактор вообще без избыточного давления… Котёл из жести, это же мечта… И, опять-таки, «утечка» облучённых шариков – за гранью разумных допущений.
Мысль о твёрдом теплоносителе ядерщики пока думают, но уже сходу ясно, что как поглотитель нейтронов работать он будет, – а вот как замедлитель – не факт. Кроме того, непонятно, как избежать проблем с образованием пыли в результате неизбежного трения шариков о стенки каналов и друг о друга.
