Немного ядерной физики.
Для
лучшего уяснения принципов работы ядерного реактора и смысла процессов,
происходящих в нем, вкратце изложим основные моменты физики реакторов.
·
Ядерный
реактор - аппарат, в котором происходят ядерные реакции - превращения одних
химических элементов в другие. Для этих реакций необходимо наличие в реакторе
делящегося вещества, которое при своем распаде выделяет элементарные частицы,
способные вызвать распад других ядер.
·
Деление
атомного ядра может произойти самопроизвольно или при попадании в него
элементарной частицы. Самопроизвольный распад в ядерной энергетике не
используется из-за очень низкой его интенсивности.
·
В
качестве делящегося вещества в настоящее время могут использоваться изотопы
урана — уран-235 и уран-238, а также плутоний-239.
·
В
ядерном реакторе происходит цепная реакция. Ядра урана или плутония
распадаются, при этом образуются два-три ядра элементов середины таблицы
Менделеева, выделяется энергия, излучаются гамма-кванты и образуются два или
три нейтрона, которые, в свою очередь, могут прореагировать с другими атомами
и, вызвав их деление, продолжить цепную реакцию. Для распада какого-либо
атомного ядра необходимо попадание в него элементарной частицы с определенной
энергией (величина этой энергии должна лежать в определенном диапазоне: более
медленная или более быстрая частица просто оттолкнется от ядра, не проникнув в
него). Наибольшее значение в ядерной энергетике имеют нейтроны.
·
В
зависимости от скорости элементарной частицы выделяют два вида нейтронов:
быстрые и медленные. Нейтроны разных видов по-разному влияют на ядра делящихся
элементов.
·
Уран-238
делится только быстрыми нейтронами. При его делении выделяется энергия и
образуется 2-3 быстрых нейтрона. Вследствие того, что эти быстрые нейтроны
замедляются в веществе урана-238 до скоростей, неспособных вызвать деление ядра
урана-238, цепная реакция в уране-238 протекать не может.
·
Поскольку
в естественном уране основной изотоп - уран-238, то цепная реакция в
естественном уране протекать не может.
·
В
уране-235 цепная реакция протекать может, так как наиболее эффективно его
деление происходит, когда нейтроны замедлены в 3-4 раза по сравнению с
быстрыми, что происходит при достаточно длинном их пробеге в толще урана без
риска быть поглощенными посторонними веществами или при прохождении через
вещество, обладающее свойством замедлять нейтроны, не поглощая их.
·
Поскольку
в естественном уране имеется достаточно большое количество веществ, поглощающих
нейтроны (тот же уран-238, который при этом превращается в другой делящийся
изотоп - плутоний-239), то в современных ядерных реакторах необходимо для
замедления нейтронов применять не сам уран, а другие вещества, мало поглощающие
нейтроны (например, графит или тяжелая вода).
·
Обыкновенная
вода нейтроны замедляет очень хорошо, но сильно их поглощает. Поэтому для
нормального протекания цепной реакции при использовании в качестве замедлителя
обыкновенной легкой воды необходимо использовать уран с высокой долей
делящегося изотопа - урана-235 (обогащенный уран). Обогащенный уран производят
по достаточно сложной и трудоемкой технологии на горнообогатительных
комбинатах, при этом образуются токсичные и радиоактивные отходы.
·
Графит
хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощает. Поэтому при использовании
графита в качестве замедлителя можно использовать менее обогащенный уран, чем
при использовании легкой воды.
·
Тяжелая
вода очень хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощает. Поэтому при
использовании тяжелой воды в качестве замедлителя можно использовать менее
обогащенный уран, чем при использовании легкой воды. Но производство тяжелой
воды очень трудоемко и экологически опасно.
·
При
попадании медленного нейтрона в ядро урана-235 он может быть захвачен этим
ядром. При этом произойдет ряд ядерных реакций, итогом которых станет
образование ядра плутония-239. (Плутоний-239 в принципе может тоже
использоваться для нужд ядерной энергетики, но в настоящее время он является
одним из основных компонентов начинки атомных бомб.) Поэтому ядерное топливо в
реакторе не только расходуется, но и нарабатывается. У некоторых ядерных
реакторов основной задачей является как раз такая наработка.
·
Другим
способом решить проблему необходимости замедления нейтронов является создание
реакторов без необходимости их замедлять - реакторов на быстрых нейтронах. В
таком реакторе основным делящимся веществом является не уран, а плутоний. Уран
же (используется уран-238) выступает как дополнительный компонент реакции - от
быстрого нейтрона, выпущенного при распаде ядра плутония, произойдет распад
ядра урана с выделением энергии и испусканием других нейтронов, а при попадании
в ядро урана замедлившегося нейтрона он превратится в плутоний-239, возобновляя
тем самым запасы ядерного топлива в реакторе. В связи с малой величиной
поглощения нейтронов плутонием цепная реакция в сплаве плутония и урана-238
идти будет, причем в ней будет образовываться большое количество нейтронов.
·
Таким
образом, в ядерном реакторе должен использоваться либо обогащенный уран с
замедлителем, поглощающем нейтроны, либо необогащенный уран с замедлителем,
мало поглощающем нейтроны, либо сплав плутония с ураном без замедлителя. О
различных типах ядерных реакторов, реализующих эти три возможности разными
способами, будет говориться дальше.
Сравнение.
Если
подводить итог, то стоит сказать следующее. Реакторы ВВЭР достаточно безопасны
в эксплуатации, но требуют высокообогащенного урана. Реакторы РБМК безопасны
лишь при правильной их эксплуатации и хорошо разработанных системах защиты, но
зато способны использовать малообогащенное топливо или даже отработанное
топливо ВВЭР-ов. Реакторы на тяжелой воде всем хороши, но уж больно дорого
добывать тяжелую воду. Технология производства реакторов с шаровой засыпкой еще
недостаточно хорошо разработана, хотя этот тип реакторов стоило бы признать
наиболее приемлемым для широкого применения, в частности, из-за отсутствия
катастрофических последствий при аварии с разгоном реактора. За реакторами на
быстрых нейтронах - будущее производства топлива для ядерной энергетики, эти реакторы
наиболее эффективно используют ядерное топливо, но их конструкция очень сложна
и пока еще малонадежна.
Факторы опасности ядерных
реакторов.
Факторы
опасности ядерных реакторов достаточно многочисленны. Перечислим лишь некоторые
из них.
·
Возможность
аварии с разгоном реактора. При этом вследствие сильнейшего тепловыделения
может произойти расплавление активной зоны реактора и попадание радиоактивных
веществ в окружающую среду. Если в реакторе имеется вода, то в случае такой
аварии она будет разлагаться на водород и кислород, что приведет к взрыву
гремучего газа в реакторе и достаточно серьезному разрушению не только
реактора, но и всего энергоблока с радиоактивным заражением местности.
Аварии
с разгоном реактора можно предотвратить, применив специальные технологии
конструкции реакторов, систем защиты, подготовки персонала.
·
Радиоактивные
выбросы в окружающую среду. Их количество и характер зависит от конструкции
реактора и качества его сборки и эксплуатации. У РБМК они наибольшие, у
реактора с шаровой засыпкой наименьшие. Очистные сооружения могут уменьшить их.
Впрочем,
у атомной станции, работающей в нормальном режиме, эти выбросы меньше, чем,
скажем, у угольной станции, так как в угле тоже содержатся радиоактивные
вещества, и при его сгорании они выходят в атмосферу.
·
Необходимость
захоронения отработавшего реактора.
На
сегодняшний день эта проблема не решена, хотя есть много разработок в этой
области.
·
Радиоактивное
облучение персонала.
Можно
предотвратить или уменьшить применением соответствующих мер радиационной
безопасности в процессе эксплуатации атомной станции.
Ядерный взрыв ни в одном реакторе произойти в принципе
не может.
Заключение.
Атомная
энергетика - активно развивающаяся отрасль. Очевидно, что ей предназначено
большое будущее, так как запасы нефти, газа, угля постепенно иссякают, а уран -
достаточно распространенный элемент на Земле. Но следует помнить, что атомная
энергетика связана с повышенной опасностью для людей, которая, в частности,
проявляется в крайне неблагоприятных последствиях аварий с разрушением атомных
реакторов. В связи с этим необходимо закладывать решение проблемы безопасности
(в частности, предупреждение аварий с разгоном реактора, локализацию аварии в
пределах биозащиты, уменьшение радиоактивных выбросов и др.) еще в конструкцию
реактора, на стадии его проектирования.
Стоит
также рассматривать другие предложения по повышению безопасности объектов
атомной энергетики, как то: строительство атомных электростанций под землей,
отправка ядерных отходов в космическое пространство.
Целью
настоящей работы было всего лишь рассказать о современной атомной энергетике,
показать устройство и основные типы ядерных реакторов. К сожалению, объем
доклада не позволяет более подробно остановиться на вопросах физики реактора,
тонкостях конструкции отдельных типов и вытекающих из них проблем эксплуатации,
надежности и безопасности.