Ядерный реактор

Необходимо иметь в виду, что 0,5 г ядерного топлива по производству энергии эквивалентно 15 вагонам угля, который к тому же при сгорании выбрасывает в атмосферу огромное количество канцерогенных веществ.

Вода выполняет роль охладителя и поглотителя нейтронов (если используется «тяжелая вода», то она только замедляет нейтроны, но не поглощает их, то есть в этом случае можно использовать природный уран. Такой тип реактора использует лишь 1% выделенной энергии).

Существуют ядерные реакторы на медленных и быстрых нейтронах. Реакторы на медленных нейтронах могут охлаждаться обычной водой, как, например, РБМК – реактор большой мощности, канальный; ВВЭР – водо-водяной реактор, либо «тяжелой» водой или газом, как, например, ВТГР – высокотемпературный с гелиевым охлаждением реактор. Реакторы на быстрых нейтронах называются реакторами-размножителями (Р-Р). Если ВВЭР использует 5% ядерного топлива, то реактор на быстрых нейтронах, например БН-600, – до 55%.

Работой реактора, то есть движением стержней в активной зоне относительно вещества, поглощающего нейтроны, управляет оператор или автоматическая система.

Реактор (рис. 5.2) имеет два контура движения воды. В первом контуре (где обеспечивается давление 7 кПа) вода остается в жидком состоянии даже при температуре 330°С и, проходя через теплообменник (парогенератор), отдает тепло воде второго контура.

Первый и второй контуры реактора надежно изолированы друг от друга. Во втором контуре реактора вода находится в парообразном состоянии, поскольку давление здесь атмосферное. Этот пар вращает турбогенератор, который вырабатывает электроэнергию.

В реакторе с гелиевым охлаждением (ВТГР) для замедления нейтронов используют графитовые блоки, а в качестве теплоносителя – углекислый газ или гелий при температуре б70°С (эти газы не допускают коррозии металла). Тепло через теплообменник передается во второй контур, где температура пара достигает 540°С.

Для аварийной остановки реактора его активная зона может быть без вмешательства оператора залита водой с поглотителем нейтронов (бор, либо отличное от воды водородосодержащее вещество) из специального водоема. Такая вода в обычном режиме не смешивается с рабочим теплоносителем, а «глушит» реактор только при резком развитии аварии. (В обычном режиме трубы с водой погружены на определенную глубину.

Для обеспечения защиты на АЭС имеется соответствующая охрана, механические препятствия, электронная охранная сигнализация, электрическое самообеспечение. Чтобы не отстать от мирового сообщества, Россия должна развивать свою атомную энергетику. Перспективы развития АЭС в России показаны в табл. 5.1.

Для получения управляемой термоядерной реакции ученые пошли несколькими путями. Один из них привел к созданию токамака, другой – к схеме реактора с «открытой» ловушкой. В 1968 г. токамак потряс мир многообещающими результатами, и основные средства стали вкладывать именно в это направление.

Но сторонники второго пути считают свою схему предпочтительней: сердцевину реактора с открытой ловушкой изготовить значительно проще (его вакуумную камеру можно выточить на токарном станке); такие реакторы проще ремонтировать (они не требуют разборки, как круглые токамаки); на основе открытой ловушки легче создать реакторы нового поколения (безнейтронные, радиоактивно безопасные).

Ученые Академгородка в Новосибирске продемонстрировали установки ГОЛ-3 – 12-метровую ловушку, где плазма нагревается электронным пучком, и АМБАЛ-М, которая удерживает плазму в продольном направлении за счет электростатического потенциала.

Здесь из-за воздействия нейтронов часть атомов U-238 превращается в атомы Ри-239. Если эту смесь (U-238 и Ри-239) поместить в активную зону, то при ее «сгорании» получится «оружейный» плутоний, так как произойдет обогащение природного урана. Эти циклы можно повторять несколько раз и получить электроэнергии в 40 раз больше, чем в реакторе на медленных нейтронах.

К тому же Р-Р имеет значительно более высокий КПД по сравнению с реактором на медленных нейтронах. Он эффективней использует ядерное топливо, дает меньше РА отходов и работает при более низком давлении, то есть менее вероятна его разгерметизация («утечка»).

Но ему присущ и серьезный недостаток: от воздействия быстрых нейтронов происходит «ослабление» металла (сталь набухает и становится хрупкой). Р-Р «всеядны»: только они способны перерабатывать любое ядерное топливо и отходы, уничтожать высвобождающийся при разоружении плутоний.

Первый в мире промышленный Р-Р был построен в г. Шевченко. Это был БН-350, а на Белоярской АЭС с 1980 г. действует БН-600. Сейчас это единственный в мире реактор, способный превращать оружейный плутоний в электроэнергию. В 1994 г. на Южно-Уральской АЭС планировалось пустить первый из трех запланированных БН-800.

Опыт эксплуатации АЭС показал, что наиболее опасны водо-водяные двухконтурные реакторы – из-за «протечек» в результате дефектов используемого при строительстве материала, в местах соединения, в системе охлаждения, из-за коррозии в парогенераторе, ошибок персонала.

Может быть нарушена герметичность стержней, а также их перегрев, в результате чего выделяющийся из воды водород способен взрываться. Не исключен разрыв реактора из-за огромного давления образовавшегося водяного пара с выбросом РА продуктов ядерной реакции.

Серьезную опасность представляют и хранящиеся на АЭС в жидком состоянии РА отходы, так как гарантийный срок службы бетонных емкостей составляет 40 лет и на многих АЭС он близок к окончанию. РА отходы в тысячи раз вреднее урановой руды, поскольку представляют собой мельчайшую пыль, которая малейшим ветром разносится на огромные площади, заражая их на сотни лет и создавая там высокий уровень радиации.

Для хранения отходов применяют специализированные хранилища. Один реактор мощностью 1000 МВт ежегодно превращает 30 т уранового топлива в РА отходы. С 21 АЭС ФРГ ежегодно снимают 300 т использованных тепловыделяющих элементов. На 1986 г. в США хранил ось более 12 000 т отработанных тепловыделяющих элементов, а к 2000 г. их ожидается до 55 000 т.

Существует много способов захоронения РА отходов, но абсолютно надежного до сих пор не найдено. Только недавно отказались от закачки жидких РА отходов в глубокие скважины (испорчено много артезианских колодцев).

Приходится отказываться от их затопления в морях Тихого, Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Не обеспечивается безопасность и в специальных хранилищах (могильниках, спецполигонах), построенных даже со строго определенным горизонтом грунта и представляющих весьма сложный инженерный комплекс. Контейнеры с РА отходами делают герметичными.

Отправка РА отходов в глубины космоса тоже не выход: авария любой ракеты при выводе на орбиту приведет к распылению плутония, летальная доза которого составляет 0,01 г. Не менее опасны и «мирные» атомные взрывы для строительства газо- и нефтехранилищ, создания озер, поворота рек.