Мир ФантастикиHi-Tech

Реакция под контролем

Перспективы ядерной энергетики

Уважаемый редактор!
Может, лучше  — про реактор?
Про любимый лунный трактор?

Владимир Высоцкий «Письмо в редакцию»

В наши дни фантасты неохотно включают ядерную энергетику в картину грядущего  — ну разве что в качестве источника радиации, необходимой для размножения мутантов. Много копий было сломано в спорах, нужен ли вообще человеку хоть и мирный, но совсем не безопасный атом. Между тем количество ядерных энергоблоков, с конца восьмидесятых годов прошлого века остававшееся почти неизменным, в 2013 году снова начало быстро расти. Посмотрим, что предлагает ядерная энергетика сейчас и в ближайшем будущем.

Цепная реакция

По хитрым законам квантовой механики в некоторых атомных ядрах протоны и нейтроны образуют дружный коллектив, способный существовать вечно, другие же ядра нестабильны и в случайный момент времени спонтанно распадаются. В одном случае нестабильное ядро покидает альфа-частица  — неразлучная компания из двух протонов и двух нейтронов (это называется альфа-распад), во другом же излучается только электрон (бета-распад). Но существуют и нестабильные вещества, ядра которых при распаде разрушается полностью, разбрасывая как крупные осколки, так и отдельные свободные нейтроны. Те поглощаются соседними ядрами, что провоцирует их распад по такому же сценарию. Этот процесс называется цепной реакцией.

Вещества, способные поддерживать цепную реакцию, называются ядерным горючим. От природы нужными свойствами обладает только изотоп (разновидность химического элемента с другим количеством нейтронов в ядре) уран-235, составляющий 0,7 % всей массы урана. Повысить его содержание в общей массе металла можно с помощью обогащения. Процесс это непростой и затратный  — но ядерное горючее отличается от любого другого тем, что самовоспроизводится при сжигании. Более распространённый (99,3 % массы) уран-238, находясь в зоне цепной реакции, поглощает свободные нейтроны и превращается в плутоний-239, также пригодный в качестве ядерного топлива. К аналогичной метаморфозе способно и ядро 90-го элемента  — тория. Нейтронное облучение превращает этот металл в ядерное горючее  — уран-233.

С середины прошлого века за ураном закрепилась репутация металла ценного и чрезвычайно редкого. Но к концу XX столетия выяснилось, что 92-й элемент периодической таблицы в природе встречается так же часто, как, например, свинец. Тория на нашей планете ещё больше. Однако получение нужных изотопов — задача трудоёмкая.

Виды энергетических реакторов

Если оставить цепную ядерную реакцию без должного контроля, интенсивность распада будет нарастать по экспоненте, что в итоге приведёт к ядерному взрыву. В случаях, когда такой исход представляется нежелательным, применяется ядерный реактор  — благодаря этому устройству можно удержать интенсивность реакции на постоянном уровне. Обуздать протекающие в ядерном горючем процессы позволяют замедлитель, поглотитель и теплоноситель.

Замедлитель  — вещество, которое «притормаживает» рождающиеся при распаде ядер нейтроны, чтобы они не покидали зону реакции слишком быстро. Лучше всего с этой задачей справляются элементы из первых строк Периодической таблицы: по закону сохранения импульса при столкновении с ядром свинца нейтрон отдаст ему всего 1 % своей энергии, а ядру водорода пожертвует сразу половину. Но водород, даже жидкий, недостаточно плотен для замедлителя. Поэтому для таких целей используют воду или графит.

Поглотитель вступает в игру, когда интенсивность распада требуется понизить, убрав из активной зоны лишние нейтроны. Чаще всего для этой цели применяют бор. Точнее, его стабильный изотоп бор-10, охотно захватывающий нейтроны с образованием изотопа бор-11, также нерадиоактивного.

Наконец, теплоноситель необходим для отвода избыточного тепла из зоны реакции. Задача лишь кажется простой: от теплоносителя требуются исключительная радиационная стойкость, высокая температура кипения, проницаемость для нейтронов, хорошая теплоёмкость и химическая инертность. Вещество, в полной мере отвечающее всем требованиям, пока не найдено, поэтому чаще всего используется вода  — как самый дешёвый из неидеальных вариантов.

Реакторы различаются между собой комбинацией замедлителя и теплоносителя. Наилучшую репутацию и наибольшее распространение имеет водо-водяной реактор. Из действующих энергоблоков к этому типу относятся 65%, а среди 60 строящихся  — 50 водо-водяные. Вода в таком реакторе служит замедлителем и теплоносителем одновременно. Устройство представляет собой сверхпрочный стальной котёл. При затоплении горючего замедленные водой нейтроны разжигают реакцию. Чтобы её контролировать, в теплоноситель впрыскивают раствор борной кислоты. Перегретая до 322 градусов Цельсия, но всё-таки не кипящая (давление в системе достигает 160 атмосфер) жидкость передаёт тепло второму контуру охлаждения. Там тоже течёт вода, но она не проходит через ядерное пламя и не становится радиоактивной. Превращаясь в пар, она крутит турбины, которые вырабатывают электроэнергию.

Кипящий реактор можно считать упрощённой версией водо-водяного котла. В нём пар образуется прямо в активной зоне. Понижение рабочего давления до 70 атмосфер позволяет удешевить производство, но сильно осложняет эксплуатацию, так как турбины включены в первый  — радиоактивный  — контур охлаждения.