Ядерный реактор. Атомная энергетика

Ядерный реактор – это устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.

Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в уране, чтобы их число оставалось постоянным – в таком случае реакция будет продолжаться столько времени, сколько необходимо, не переходя во взрыв. Рассмотрим принцип действия реактора, в котором в качестве ядерного топлива используется в основном уран-235. В природном уране этого изотопа всего 0.7%, поэтому необходимо провести обогащение урана, то есть увеличить процентное содержание нужного изотопа до 5%. Ядерный реактор, работающий на уране-235, называется реактором на медленных нейтронах. Он так называется, потому что деление ядер урана-235 лучше всего происходит под действием медленных нейтронов. Но при делении ядер урана выделяются в основном быстрые нейтроны, и потом их надо замедлять.

На картинке ниже показана схема ядерного реактора:

В активной зоне реактора находится ядерное топливо в виде урановых стержней (у каждого масса значительно меньше критической, во избежание неожиданностей) и замедлитель нейтронов – в данном случае вода.

Цепная реакция начинается после погружения в активную зону всех стержней – критическая масса набирается после этого.

Активная зона реактора окружена слоем отражателя нейтронов и защитной оболочкой из бетона, задерживающей нейтроны и другие частицы.

Для управления ядерной реакцией служат регулирующие стержни, поглощающие нейтроны. Если регулирующие стержни полностью введены в реактор, цепная реакция идти не будет. Чтобы реакцию запустить, стержни частично выводят из активной зоны.

Нейтроны и осколки ядер разлетаются с большой скоростью, но при столкновении с молекулами воды они передают свою энергию, и вода нагревается (а нейтроны замедляются и становятся более пригодны для деления ядер урана). Активная зона через трубы соединена с теплообменником, где она нагревает через трубы другую воду (второй контур используется, чтобы не гонять радиоактивную воду далеко от активной зоны реактора), а та при испарении крутит турбину электростанции.

На данный момент перед человечеством стоит проблема энергетического голода: если мы будем расходовать полезные ископаемые, как сейчас, то нефти нам хватит на 40 лет, а газа хватит на 60 лет. «Альтернативная» энергетика – то есть та, что не связана со сжиганием топлива, а именно гидроэлектростанции, солнечные, ветряные и геотермальные станции – обеспечивают лишь 5-10% потребности.

Атомная энергетика – другое дело. Если использовать в ядерных реакторах не только уран, но и получающиеся отходы, то ядерного топлива хватит на тысячи лет.

Напомним, что из одного грамма урана можно извлечь столько же энергии, сколько из 2.5 тонн нефти.

Кроме того, атомная энергетика экологически чище, чем основанная на нефти – ядерные реакторы при штатной работе не дают ядовитых выбросов.

С другой стороны, у атомной энергетики есть и проблемы: ядерные отходы сложно утилизировать, возможны аварии на ядерных реакторах, а кроме того, ядерные реакторы в качестве побочного продукта производят оружейный плутоний.