Человеческая цивилизация достигла такого этапа своего развития, на котором на первый план выходит проблема наличия источников электрической энергии. Природные энергоресурсы, такие как природный газ и нефть, постепенно истощаются, хотя специалисты и предсказывают их наличие в течение как минимум нескольких десятилетий. Но это время пройдёт, поэтому человечество уже в самом разгаре поисков альтернативных источников энергии. Проектов и теорий много, но пока что реальным из них является только ядерная энергетика. Ядерный реактор является эффективным источником энергии на протяжении уже почти 60 лет и пока что, несмотря на весьма опасные издержки и побочные эффекты, равноценной замены ему среди нетрадиционных источников нет.
Принцип работы ядерного реактора: превращение вещества в вещество
Открытие возможности осуществления контролируемой цепной реакции ядер вещества стало одним из главных достижений науки прошлого столетия. Теоретическая база этого механизма была сформулирована в 1920-е – 1930-е годы, однако практическое воплощение, как обычно и бывает, несколько задержалось. Первый ядерный реактор был запущен в декабре 1942 года в США, в Советском Союзе аналогичное устройство заработало четырьмя годами позднее. Впрочем, это были экспериментальные установки, цель которых была не в получении реально значительных величин энергии, а в демонстрации самой возможности контролируемой цепной реакции ядерного деления вещества. Первые полноценные ядерные реакторы начали строить только в 1950-х годах.
Суть работы ядерного реактора состоит в получении в ограниченном масштабе и в контролируемых условиях цепной реакции ядерного деления – когда ядра атомов того или иного вещества делятся и формируют новые ядра, выделяя при этом большое количество энергии. Очень ограниченное количество веществ пригодны для такой реакции, поэтому в ядерных реакторах используются радиоактивные вещества. Для получения энергии из микрочастиц вещества, необходимо сообщить этим частицам которую первоначальную энергию, которая вывела бы их из состояния энергетического равновесия. Есть два варианта это сделать: заставить частицы сталкиваться между собой и «заполучить» их кинетическую энергию или запустить цепную реакцию формирования новых связей между частицами, также проходящую при значительном выделении энергии.
Использовать кинетическую энергию сталкивающихся частиц можно лишь при высокой температуре, которая заставит их двигаться – это термоядерный синтез.
Он доступен только для веществ с самыми лёгкими ядрами. Более широкое распространение получила цепная реакция образования новых связей при делении микрочастиц. Управлять цепной реакций можно за счёт того, что часть образуемых нейтронов появляется с задержкой. Эту задержку можно использовать для помещения в активную зону реактора замедлителей, поглощающих нейтроны и тем самым снижающих скорость протекания реакции и количество выделяемой энергии. Когда мы слышим про графитовые стержни в ядерном реакторе, это и есть те самые замедлители – графит характеризуется высокими показателями поглощения нейтронов.
Типы ядерных реакторов
К настоящему моменту ядерная энергетика достигла такого уровня развития, что при получении энергии посредством контролируемой цепной реакции используются реакторы самых различных типов. По своим функциям реакторы могут быть исследовательскими, экспериментальными, транспортными (предназначенными для транспортных средств – широко используются в космической сфере, в строительстве современных подводных лодок и крупных судов) и энергетическими (собственно для получения тепловой и электрической энергии). Кроме того, реакторы могут различаться по виду топлива (работающие на изотопах урана, плутония, тория) и по степени обогащения используемого урана (природный уран, слабо обогащённый или высоко обогащённый).
Наибольшее значение имеет классификация ядерных реакторов по спектру выделяемых нейтронов и по виду теплоносителя.
В первом случае могут встречаться реакторы на медленных (тепловых) нейтронах, реакторы на быстрых нейтронах, на промежуточных нейтронах и реакторы со смешанным спектром. Так, реактор на медленных нейтронах работает на нейтронах тепловой части спектра, при котором возможна самоподдерживающаяся цепная реакция природного урана. Реактор на быстрых нейтронах имеет свои плюсы – в нём эффективно используется примерно в полтора раза больше нейтронов, чем в реакторе медленных нейтронов. То есть для получения того же количества энергии требуется в полтора раза меньше ядерного топлива.
По виду теплоносителя выделяют водо-водяной реактор (в качестве замедлителя и теплоносителя – обычная вода), графито-газовый реактор (замедлитель – графитовые стержни, теплоноситель - газ), тяжеловодный реактор (замедлитель и теплоноситель – тяжёлая вода). Менее распространены более современные реакторы – с органическим теплоносителем, с жидкометаллическим теплоносителем, с твёрдым теплоносителем, на расплавах солей.
Ядерный реактор холодного синтеза – защита от всех опасностей?
Ядерный реактор это эффективный способ получения энергии, куда менее зависящий от природных ресурсов, нежели традиционные энергоносители. Однако у ядерной энергетики есть свои побочные эффекты – высокая степень опасности для окружающей среды в случае аварии на ядерном реакторе. В результате выброса радиоактивных веществ и загрязнённых материалов (например, воды, используемой для охлаждения реакторов) нарушается биологический баланс, растения и животные оказываются в опасности. Сами же аварии на ядерных реакторах связаны в первую очередь с явлением остаточного тепловыделения.
Даже после остановки активной фазы работы реактора некоторое время, подчас достигающее месяцев и лет, продолжается выделение тепловой энергии. Энергии выделяется существенно меньше, чем в активной фазе, но всё равно это весьма большие значения в абсолютном выражении. Малейшее нарушение техники безопасности может легко привести к тому, что эта избыточная энергия вызовет взрыв ядерного реактора, что приведёт к катастрофе. Среди паранаучной общественности последние годы ведутся споры о возможности осуществления холодного ядерного синтеза, то есть контролируемой ядерной реакции без существенного повышения температуры ядерного топлива. Претворение этой идеи в жизнь на порядок бы увеличило безопасность ядерной энергетики, так как исчез бы основной опасный фактор цепной реакции, большое количество выделяемой тепловой энергии.
Многократно даже появлялись сообщения о том, что ядерный реактор холодного синтеза создан и успешно функционирует. Оставляя за скобками явно неправдоподобные заявления о постройке ядерного реактора в домашних условиях из подручных средств, приходится констатировать, что даже в научных лабораториях такие эксперименты пока что терпели однозначные неудачи. Причина этого заключается в малой вероятности даже теоретического осуществления холодного синтеза. Так как для запуска ядерной реакции необходимо максимально сблизить микрочастицы, для чего требуется огромная энергия, которую без повышения температуры не достигнешь. Поэтому ядерный реактор холодного синтеза остаётся привлекательной, но фактически неосуществимой идеей.
Александр Бабицкий
