Обложка статьи

Атомная энергетика: светофоры, цепочки и плавучие реакторы

Атомная энергетика покрывает около 10 % мирового потребления электричества, но изначально никто не верил в успешность такого источника энергии. Что изменило развитие ядерной энергетики? Как выглядел первый реактор? Зачем нужны плавучие АЭС?

Атомный реактор — основа любой атомной электростанции. Внутри него проходят цепные реакции, общий механизм которых сформулировал еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн. Две стабильные молекулы взаимодействуют с нестабильной. В результате от них откалываются частицы, которые в свою очередь реагируют с исходными веществами, что запускает весь процесс заново.

Развитие ядерной энергетики началось в 1919 году, когда физик Эрнест Резерфорд  выявил потенциал энергии получаемой в ядерной реакции. Два атома сталкиваются между собой или с элементарной частицей с последующим изменением их состава и строения. Эрнест не предал значимости эксперименту, утверждая, что исследование этого источника энергии — пустая трата времени.

Как светофор связан с ядерной реакцией?
В ядерной реакции выделяется в 10 миллионов раз больше тепла, чем при сгорании угля или взрыве тротила. Физик Лео Силард в 1933 году задумался о том, как использовать этот факт в промышленном масштабе. Ожидая на одном из лондонских перекрестков зеленого света, Лео осознал, что для постоянного получения такой энергии нужна цепная ядерная реакция.

Позже в патенте он описал некое подобие атомной бомбы, или сердцевины реактора, с абстрактным изложением принципа ее работы без упоминания конкретных химических элементов. Разработка была далека от производственного прототипа. Но сама идея, что в результате реакции образуются осколки, которые взаимодействуют с последующими ядрами, выделяя гигантские количество энергии, опережала научные открытия своего века.

Как выглядел первый реактор?
Первый нейтронный реактор Chicago Pile-1 был создан в США в 1942 году в лаборатории Чикагского университета. Chicago разрабатывали в рамках Манхэттенского проекта, цель которого — опередить фашистов в изобретении ядерного оружия. Реактор представлял из себя стопку из сорока тысяч графитовых блоков, объединенных в деревянном каркасе, семь с половиной метров в ширину и шесть метров в высоту. Внутри одной половины блоков были отверстия, содержащие небольшое количество окиси урана, внутри другой — самородки из рафинированного, или очищенного уранового металла.

Единственной инструкцией у ученых были непроверенные теории и расчеты, а защитой от радиации — комплект стержней управления из кадмия, который моментально останавливал ядерную реакцию. Ни университет, ни городские власти не знали, что эксперимент проводят в центре второго по величине города США — Чикаго. Реактор проработал 35 минут на мощности около 200 Вт — чуть больше необходимой для современной электрической лампочки энергии.

После окончания войны Чикагский университет установил бронзовую мемориальную доску в память о Chicago Pile-1. На ней написано: «2 декабря 1942 года человек впервые осуществил здесь самоподдерживающуюся цепную реакцию, чем положил начало освобождению ядерной энергиии». Пресс-директору университета отказали в предложении добавить в конец фразу: «к лучшему или худшему».

 

Как ядерная энергия преобразуется в электричество?

Современные АЭС работают за счет вырабатываемой в реакторе теплоты. С ее помощью нагревают жидкость или газ, которые испаряясь и ускоряясь вращают турбины генератора электричества.

Зачем нужны плавучие АЭС?
Первую плавучую АЭС выпустили в эксплуатацию в 1967 году. За 17,2 миллионов долларов, что на 2020 год эквивалентно 150 миллионам долларов создали реактор для нее. Его установили в Sturgis, переоборудованный корабль SS Charles H. Cugle. До 1976 году судно использовали для выработки электроэнергии для военных и гражданских нужд на Панамском канале. Сам корабль и реактор разобрали только лишь в период с 2015 по 2019 год.

Какие есть типы реакторов?

Существуют несколько видов реакторов: охлаждаемые водой, газом или жидким металлом. Первые — самые дешевые для производства и самые популярные. Вторые эксплуатируют только в экспериментах и пока что не используют в коммерческом секторе из-за новизны. Третьи применяют по большей части в субмаринах, благодаря их компактности.

Развитие наземных АЭС и удачная попытка внедрения реактора в морское судно позволили создать мобильный источник энергии, который можно было бы использовать в отдаленной и неосвоенной местности. В 1990-е годы ядерные баржи стали популярными в развивающихся странах. Основными производителями плавучих АЭС были General Electric (США), Westinghouse (США), Wärtsilä (Финляндия) и MAN (Германия). Эксплуатировали плавучие электростанции в Нью-Йорке (США), Кхулне (Бангладеш), Доминиканской Республике, Бразилии, Эквадоре, Анголе, Нигерии, Таиланде, Гане, а также на Филиппинах, Ямайке, в Кении и Малайзии. 

На сегодняшний день в мире функционирует более 75 ядерных барж. Однако не каждая из них окупается. Например, строительство первой российской плавучей АЭС «Академик Ломоносов» подвергли критике из-за разросшегося бюджета. В 2007 году экономист и глава Сбербанка Герман Греф определил стоимость одного «морского» киловатта в семь раз выше, чем производимого при обычной теплогенерации. Несмотря на это, дальнейшие расходы на производство увеличились примерно в 6 раз и на 2015 год оценивались в 37,3 млрд рублей.

Насколько безопасны АЭС?
В 1972 году Комиссия США по атомной энергии провела крупное исследования по безопасности, составив отчет Reactor Safety Study. Согласно ему реакторы, в которых для охлаждения используют воду, самые безопасные, что объясняет их нынешнее доминирование на рынке. Одна же из основных проблем оценки заключается в том, что ее сложно проверить. Если статисты предсказывают, что за десять тысяч лет в реакторе произойдeт один сбой, то проверить это можно только по истечении этого срока.

Как добывают уран?

Уран, топливо для ядерной энергетики, получают двумя методами: путем шахтной добычи породы или вымыванием из руды. Во втором способе добычи предполагает серную кислоту или щелочь заливают в пробуренные скважины, после чего раствор откачивают на поверхность.

В отличие от угольных электростанций АЭС не влияет на парниковый эффект, а атомная энергетика образует меньше отходов, чем другие виды промышленности. После переработки 96 % использованных радиоактивных материалов остается лишь 4 % сырья, которое помещают в подземные резервуары на глубину не менее 300 метров. Они находятся там до тех пор пока не разложатся на более стабильные элементы. Например, изотоп иттрия, который можно найти в современных светодиодах и дисплеях Спустя лишь тысячелетие уровень радиоактивности отходов снизится до такового от урановых шахт.

Как перерабатывают радиоактивные отходы?
Перед утилизацией все отработанное топливо в течение нескольких лет хранят на территории АЭС в бассейнах на глубине 12 и более метров, так как вода почти полностью поглощает их радиоактивность. Иногда вместо бассейнов используют наземные бочки.

Далее из отходов отделяют уран (сырье), плутоний (продукт реакции) и фрагменты, оставшиеся после деления крупного атомного ядра. Уран и плутоний перерабатывают, а продукты ядерного делений кристаллизуют и упаковывают в герметичные износоустойчивые бочки и погребают в горных хранилищах. Такие места выбраны, потому что они меньше всего подвержены подмыванию грунтовых вод, что снижает риск коррозии. Из плутония также получают отдельный вид топлива — MOX (Mixed-Oxide fuel). Его, так же как и выделенный уран, снова используют для генерации электричества. 

 

Иллюстрации: wikipedia, U.S. Department of Energy, Encyclopedia Britannica

27 октября 2020

Еще почитать по теме

Обложка статьи
Сказки на ночь: история игрушек «Спокойной ночи, малыши!»
В спецвыпуске «Имени языка Эйнштейна» о том, как за 57 лет изменились куклы детской телепередачи
Обложка статьи
Сказки на ночь: история игрушек «Спокойной ночи, малыши!»
В спецвыпуске «Имени языка Эйнштейна» о том, как за 57 лет изменились куклы детской телепередачи