Мирный атом: ядерная энергетика

      Комментарии к записи Мирный атом: ядерная энергетика отключены

Мирный атом: ядерная энергетика

    Путь от первого ядерного котла до АЭС был практически в четыре раза дольше, чем дорога к ядерной бомбе Офицер охраны Дэен Филипс несет охрану на АЭС Diablo Canyon Пульт управления ядерной электростанцией Как устроен ядерный реактор АМ (Атом Мирный) Спустя пяти десятилетий по окончании собственного рождения ядерная энергетика занимает заметную долю в мировом производстве электричества Перезагрузка: техники следят за выключением реактора. По окончании открытия крышки в реактор загрузят новое горючее

«Я до сих пор изумляюсь, в то время, когда наблюдаю на ядерный реактор». Нильс Бор (Москва, 1961 г.)

В небольших частичках вещества — ядрах атомов — скрыта большая энергия. Судите сами. В ядерном реакторе, что поставляет электричество для круглосуточного свечения 10 миллионов стоваттных лампочек, за год работы исчезает всего 1 килограмм ядерного топлива из нескольких десятков тысячь киллограм.

Казалось бы, вот оно — энергетическое изобилие. В августе 1945 года американский журналист Джон О Нейл, вдохновленный мощью ядерной бомбы, написал в одной из собственных статей: «Производство ядерной энергии, без сомнений, будет очень недорогим В отечественных машинах со временем покажутся ядерные энергетические установки и нам не требуется будет заправляться горючим В относительно маленькие сроки мы сможем прекратить добычу угля».

Но время продемонстрировало, что американский журналист был чересчур оптимистичен. Потребовались десятилетия работы, лучшие научные умы и сложные инженерные ответы, дабы откусить мелкий кусочек от этого необъятного природного пирога. Лишь девять лет спустя первый реактор с символическим заглавием «Атом мирный» был подключен к мирной энергосети.

Это случилось неподалеку от Москвы, в маленьком поселке Обнинске на реке Протве, и с того времени 27 июня 1954 года считается днем рождения ядерной энергетики.

Окно в ядерную эру

Прямой путь к овладению ядерной энергией указало одно ответственное открытие, сделанное во второй половине 30-ых годов двадцатого века германскими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они нашли деление ядер урана под действием нейтронов. Не прошло и месяца по окончании того, как эта потрясающая новость достигла всех ведущих физических лабораторий, а на конференции в Вашингтоне ученые уже полушутя-полусерьезно заговорили о высвобождении ядерной энергии (см. врезку о цепной реакции деления ядер).

Но прежде нужно было ответить на принципиальный вопрос: какое количество в каждом акте деления получается новых нейтронов? Достаточно ли их для цепной реакции? Начались кропотливые опыты, и в итоге предположения подтвердились: было найдено, что при делении одного ядра урана высвобождается в среднем пара нейтронов — что-то порядка одного, двух либо трех.

Итак, предпосылки для цепной реакции были отысканы. Дальше стало известно, что главный компонент природного урана — уран-238 — в основном поглощает нейтроны, чем делится ими. А основной делящийся компонент — уран-235 — образовывает всего 0,7% в естественной смеси изотопов.

И не смотря на то, что при делении урана-235 образуется хватает нейтронов, большая часть из них исчезает напрасно, сталкиваясь с бессчётными ядрами главного изотопа. Как совладать с данной проблемой? Первый очевидный метод — обогащение урановой руды и выделении чистого изотопа урана-235.

Но по тем временам разделение изотопов урана в промышленных масштабах было чересчур трудоемким, а несложнее говоря, практически неисправимым делом. Более того, тогда еще никто точно не знал и не имел возможности сосчитать, сколько килограммов либо десятков (быть может, и сотен) килограммов этого продукта пригодится для запуска цепной реакции.

Второй путь предполагал применение естественной смеси изотопов урана и опирался на результаты опытов, каковые свидетельствовали, что более медлительно летящие (так именуемые тепловые) нейтроны значительно действеннее дробят ядра урана-235 и значительно меньше поглощаются ядрами урана-238. Следовательно, замедлив нейтроны, возможно уменьшить паразитное поглощение и расширить возможность деления. Замедлители также были известны: легкие вещества типа воды, углерода либо бериллия.

Первый ядерный «котел»

Потому, что нейтроны — главные участники цепной реакции, не страно, что опыты по сооружению первого ядерного «котла» возглавил основной по тем временам эксперт по нейтронам и лауреат Нобелевской премии Энрико Ферми, что эмигрировал из фашистской Италии и трудился в Колумбийском университете. Тут в первой половине 40-ых годов двадцатого века и начали строить пробную установку. В качестве замедлителя выбрали несложной и дешёвый много материал — углерод в форме графита.

Как вспоминал Ферми, физики, покрытые тёмной пылью окиси и графита урана, перетаскивали многокилограммовые блоки, и, сжалившись над ними, декан разрешил нанять для данной работы студентов-футболистов. Дело пошло радостнее — они значительно легче справлялись с упаковками уранового порошка весом по 20−40 кг. Но в то время, когда решетчатая конструкция из банок с окисью урана и приблизительно 30 т графита была наконец готова, результаты измерений обескуражили — нейтронов было не хватает для цепной реакции.

Подвело уровень качества материалов. В том месте, где любой нейтрон на счету, каждая примесь, поглощающая нейтроны, сводит все усилия на нет.

В первой половине 40-ых годов XX века команда физиков под управлением Ферми переехала в Чикаго, в Металлургическую лабораторию, где были сконцентрированы все главные научные силы по изучению цепной реакции. Опыты продолжились. Промышленность под давлением армейских неспешно повышала уровень качества поставляемого графита и обогащенного урана, и в итоге, если судить по экспериментальным данным, оно стало достаточным для осуществления цепной реакции.

Потому, что к октябрю 1942 года участок, приобретённый для лаборатории в Аргоннском лесу, был еще совсем не готов, возводить «котел» решили прямо в центре громадного города — на кортах для игры в сквош в спортгородке Университета Чикаго. Трудились целыми сутками, в две смены, укладывая слои графита и урановых блоков, причем самое качественное горючее — как возможно ближе к центру.

По окончании укладки каждого слоя проводились измерения, Ферми делал расчеты и давал указания по поводу следующего слоя. Меньше чем за месяц собрали конструкцию в форме эллипсоида размером приблизительно 3х4 метра из 385 тонн урана и 46 тонн графита. В ней были сделаны щели для древесных стержней, обитых кадмиевой жестью (кадмий очень сильно поглощает нейтроны и может остановить цепную реакцию).

Стержни вынимали лишь на время измерений, а после этого вводили в котел и закрывали на висячий замок, ключи от которого были лишь у глав смен.

Решающий момент наступил 2 декабря 1942 года. Согласно расчетам было собрано хватает слоёв для начала самоподдерживающейся цепной реакции. На опробовании находилось около 40 человек.

Это главенствовали образом физики, собиравшие установку. На всякий случай в конструкции предусмотрели аварийные стержни — достаточно было легко перерезать веревку, и они падали в котел, а пара добровольцев находились наверху с ведрами раствора кадмиевой соли, готовые при необходимости вылить его вовнутрь сооружения. Удалили все кадмиевые полосы, не считая одной, а после этого начали неспешно выдвигать и ее.

По окончании каждого шага измеряли количество нейтронов, и Ферми делал расчет на логарифмической линейке. В 2 часа 20 мин. дня, в то время, когда вынули 2,5 метра полосы, интенсивность начала расти все стремительнее и стремительнее, пока не стало ясно, что она может сделаться вечно большой. Тогда кадмиевые стержни вернули на место.

Первое опробование длилось 28 мин., котел удерживали при мощности не более полуватта, дабы свести к минимуму радиоактивное облучение, поскольку никакой защиты предусмотрено не было. По окончании остановки котла распили бутылку кьянти, а успешный финал опробований робко отметили у Ферми дома (не смотря на то, что супруга его так и осталась в неведении о обстоятельствах торжества). А на спортивных кортах университета, в том месте, где человеку в первый раз удалось осуществить управляемую цепную реакцию, сейчас стоит медный монумент.

Оловянно-керамический кристаллизатор

Путь от первого ядерного котла до АЭС был практически в четыре раза дольше, чем дорога к ядерной бомбе. Первыми промышленными установками с управляемой цепной реакцией деления стали реакторы чтобы получить плутоний-239 (что образуется при поглощении нейтронов ураном-238). Затем пришла очередь малых энергетических установок для подводных лодок, а в первой половине 50-ых годов XX века на умелой американской станции в Айдахо удалось кроме того взять мало электричества — его хватило, дабы зажечь целых четыре лампочки.

Неприятность заключалась в том, что для функционирования полноценной энергетической установки, аналогичной по мощности с тепловыми станциями, требовались совсем другие температурные и мощностные режимы. Дабы перевоплотить четыре лампочки в миллионы, необходимо не просто второе количество — второе уровень качества. Нужно организовать теплообмен при высоких высоких давлениях и тепловых потоках — вопросы эти были слабо изучены.

Топливные элементы в активной территории должны трудиться в условиях больших температур без разрушения, а конструкционные материалы — выдерживать огромные радиационные нагрузки. И все же в первой половине 50-ых годов двадцатого века в СССР было издано постановление о постройке экспериментальной реакторной установки — агрегата «АМ» (Атом Мирный). Все было засекречено, и в документах тех лет возможно встретить забавные шифрованные обозначения: уран назвали «активным полимером», нейтроны — «нулевыми точками», а уран-графитовый реактор — «оловянно-керамическим кристаллизатором».

Предлагалось пара вариантов конструкции, но окончательный проект, утвержденный академиками И.В. Курчатовым и Н.А. Доллежалем, был таков: строить уран-графитовый реактор с трубчатыми тепловыделяющими элементами, где в качестве теплоносителя употребляется некипящая вода под давлением 100 воздухов.

Проектная мощность реактора — 30 МВт, но не из теоретических мыслей, а из-за в полной мере конкретных событий. В то время, в условиях неспециализированного разрухи и послевоенного дефицита, кроме того на таких приоритетных направлениях довольно часто приходилось ограничиваться имеющимися ресурсами. И вот в отыскивании турбоагрегата в Москве наткнулись на ветхую, снятую с эксплуатации турбину маленькой мощности — порядка 6 МВт, которая в полной мере доходила для умелой ядерной станции.

Характеристики данной турбины и выяснили в конечном счете мощность ядерной установки Первой АЭС.

Целый процесс сооружения ядерной станции, начиная с сентября 1951 года, воображал собой череду испытаний и экспериментов. Разбирая потенциальные аварийные обстановки, заключили , что при определенных параметрах реактора самое страшное — заполнение кладки водой, к примеру, при разрыве канала охлаждения. Тогда возрастает коэффициент размножения нейтронов, и мощность начинает увеличиваться. А при отключении подачи воды, напротив, цепная реакция всецело заканчивается.

Потом оказалось, что эти расчеты проверены самой природой: через 2 десятилетия в Габоне нашли природный ядерный реактор, трудившийся по такому «водяному» принципу.

Пара лабораторий занимались разработкой твэлов — тепловыделяющих элементов. Как раз они содержат ядерное топливо и находятся в самой агрессивной территории реактора. Сперва изготовили твэлы в виде металлических трубок, на каковые насаживались втулки из урана. Температурные опробования продемонстрировали, что эти трубки никуда не годятся — время их работы в рабочих тепловых потоках исчислялось всего несколькими часами.

В то время, когда чистый уран заменили сплавом с 9% молибдена, дела пошли лучше: срок работы увеличился до нескольких сот часов. Но самым успешным выяснилось ответ по диспергированию уранмолибденового сплава в магниевой матрице. Эта конструкция при опробованиях справлялась с тепловыми потоками, больше которых не имела возможности выдержать и сама установка.

В первых числах Мая 1954 года приступили к загрузке активной территории горючим. Первый полный набор ядерного топлива содержал 546 кг урана с 5-процентным обогащением ураном-235. Полтора месяца длились опробования, и вот 26 июня 1954 года в 17 часов 45 мин. пар был подан на турбину и первая в мире АЭС взяла промышленную нагрузку при мощности электрогенератора 1,5 МВт. А на следующий сутки об этом событии сказал ТАСС.

Но, до выхода на проектную нагрузку в 5 МВт сотрудникам и строителям станции еще в течение нескольких месяцев было нужно ликвидировать различные опасные ситуации и неожиданные проблемы, к примеру появление кислорода в кладке реактора. Но неспешно работа наладилась, а собственный экспериментальный темперамент Первая АЭС сохранила на все 48 лет эксплуатации: в центре ее активной территории был предусмотрен особый канал для физических опытов.

По грустной иронии судьбы в осеннюю пору 1954 года, в то время, когда первая мирная АЭС достигла собственной проектной мощности, погиб великий физик Энрико Ферми, которому в первый раз удалось обуздать цепную реакцию. А 29 апреля 2002 года реактор Первой АЭС был остановлен окончательно.

Пятьдесят на пятьдесят

Сейчас, спустя пяти десятилетий с момента собственного рождения, ядерная энергетика занимает заметную долю в мировом производстве электричества. Главная масса энергетических реакторов трудится на тепловых нейтронах с урановым горючим, как и Первая АЭС. В них имеется активная территория, твэлы, замедлитель, теплоноситель. Но на этом сходство и заканчивается.

В различных типах реакторов применяют различные замедлители, различные методы отвода тепла, различные конструкции тепловыделяющих элементов, различную степень обогащения урана. К примеру, канадским реакторам CANDU по большому счету достаточно необогащенного горючего — они смогут трудиться на естественной смеси изотопов урана.

Еще более перспективными считаются реакторы на стремительных нейтронах. Они трудятся без замедлителя, но требуют пара иного топлива — произведенного в простых (тепловых) реакторах плутония. Основное их преимущество с позиций энергетики — свойство в ходе работы не только создавать электричество, но и утилизировать негодный в качестве ядерного топлива уран-238 чтобы получить новые порций плутония.

Практически появляется возможность организовать так называемый «замкнутый топливный цикл». Но, пока природный уран относительно недорог и дешёв, эти технологии мало завлекают инвесторов, и за редким исключением реакторы на стремительных нейтронах — это легко реакторы-размножители для производства плутония и потенциальные установки для сжигания ядерных отходов.

Человек применяет энергию ядра атома уже 50 лет. Это до сих пор значительно сложнее, чем топить печку углем либо сжигать бензин в двигателе внутреннего сгорания. Начинка ядерных электростанций сделана из того же материала, что и ядерная бомба, и все эти долгие годы нас не покидает недоверия и интуитивное ощущение тревоги.

Быть может, еще лет через сто, в то время, когда подойдут к концу простые источники энергии, а возобновляемой замены им так и не найдется, у человечества не будет иного выбора, не считая ядерной энергетики. И будучи реалистом, председатель совета директоров МАГАТЭ Мохаммед эль-Барадеи, выступая в июне 2004 года на конференции в Москве, с опаской сообщил так: «на данный момент, в то время, когда ядерная энергетика отмечает собственный 50-летие, ее будущее — хоть оно, быть может, и делается многообещающим — все же неопределен».

Природный реактор

В первой половине семидесятых годов прошлого века в урановых копях Габона были отысканы следы необыкновенного процесса. По-видимому, два миллиарда лет назад тут функционировала саморегулирующаяся совокупность размером с маленький исследовательский реактор мощностью в 100 кВт. Ученые шепетильно изучили остатки урана, других изотопов и плутония и постарались вернуть картину этого необычного явления природы.

Мешик, Хохенберг и Правдивцева в собственной статье, размещённой в одном из октябрьских номеров издания Physical Review Letters за 2004 год, предположили таковой механизм: при заполнении уранового пласта водой начиналась цепная реакция, вода закипала и через 30 мин. выбрасывалась в виде пара, в отсутствие воды цепная реакция прекращалась, и приблизительно 2,5 часа реактор отдыхал, пока в нем снова не накапливалась вода. И без того длилось приблизительно 150 тысяч лет.

Цепная реакция деления ядер

    Фигурки рабочих, окружающих знак радиоактивности, должны убедить визитёров английской АЭС Calder Hall в полной безопасности

Кое-какие ядра тяжелых элементов имеют свойства разваливаться на части при попадании в них нейтрона. Это явление именуется вынужденным делением. (Не редкость еще спонтанное деление, в то время, когда ядро внезапно самопроизвольно распадается на два фрагмента.) По окончании деления сумма весов фрагментов выясняется меньше массы исходного ядра, и эта отличие в соответствии с известной формулой E=mc2 преобразовывается в энергию перемещения.

В случае если собрать тепло, выделяющееся при торможении движущихся продуктов деления, возможно что-нибудь нагреть, а вдруг процесс деления самовоспроизводится, то он идет до тех пор, пока не кончатся способные к делению ядра (ядерное горючее). Помимо этого освобождаются лишние нейтроны, каковые также летят достаточно скоро (потому и именуются стремительными).

В случае если при начальном делении образуется хватает нейтронов, дабы позвать не одно, а пара новых делений, число образующихся нейтронов и количество актов деления начинает увеличиваться, что и свидетельствует цепную реакцию. Часть появившихся по окончании деления нейтронов может поглотиться вторыми ядрами без всякого деления, в этом случае размножения не происходит. К счастью, среди веществ имеется хорошие поглотители нейтронов, разрешающие остановить цепную реакцию либо осуществлять контроль ее.

Главный изотоп природного урана 238U фактически не делится, а с радостью поглощает нейтроны, преобразовываясь наряду с этим в плутоний — горючее еще более действенное, чем уран.

Современная ядерная энергетика

    Быть может, лет через 100, в то время, когда подойдут к концу простые источники энергии, у человечества не будет другого выбора, не считая ядерной энергетики

Согласно данным МАГАТЭ, ядерная энергетика создаёт на данный момент 16% всемирный электричества, а в развитых государствах и того больше: во Франции — 78%, в Бельгии — 55%, в Германии — 28%, в Японии — 25%, в Соединенных Штатах — 20% и в Российской Федерации — 17%. Всего в мире действуют 442 ядерные станции и около 300 исследовательских реакторов, и порядка 250 судов, подводных лодок, авианосцев и ледоколов с ядерными установками на борту.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№30, апрель 2005).

Ядерная энергия в мирных целях, 1984


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: