Ядерная энергетика — кратки над Й
Судя по комментариям к посту о небесной воде, среди читателей есть некое недопонимание вопросов ядерной энергетики. Я хочу внести некую ясность в этот вопрос. Многим то, что я напишу, покажется элементарщиной, но, к сожалению, не всем.
Атомное ядро — весьма сложный объект с точки зрения физики. Настолько сложный, что единой теории, которая описывала бы процессы в ядре пока нет. Тем не менее, существуют теории, которые позволяют использовать энергию ядер во благо человечества.
Портативная ядерная энергия
Существуют и другие способы, например радиоизотопные оптико-электрические и радиоизотопные пьезоэлектрические источники. Подробнее можно прочитать в Википедии: Радиоизотопные источники энергии.
Цепная реакция
В природе из изотопов, подходящих для цепной реакции деления, чаще всего встречается уран-235. Присоединяя медленный нейтрон, ядро урана-235 превращается в ядро урана-236 в возбужденном состоянии. Оно может либо испустить γ-квант, либо распасться на два атома других элементов и два или три быстрых нейтрона. Для того чтобы проложить реакцию нужно замедлить нейтроны.
Атомные электростанции
Таким образом, в реакторе есть четыре необходимых вещества: топливо, замедлитель (нейтронов), управляющие стержни (поглотитель нейтронов) и теплоноситель, для отвода полезного тепла. Часто теплоноситель и замедлитель это одно и то же вещество — вода. Большинство реакторов на электростанциях, точнее все, кроме одного, работают именно по такому принципу. В качестве топлива используется обогащенный уран, с повышенным содержанием изотопа 235. Две трети энергии вырабатывается делением урана-235, которого на земле очень мало, о последней трети чуть позже.
Реакторы на быстрых нейтронах значительно сложнее обычных реакторов. Необходимо достаточное количество быстрых нейтронов, поэтому теплоноситель не должен замедлять нейтроны и, естественно, поглощать их. В настоящее время в качестве теплоносителей применяют расплавленные металлы.
Лучше всего подходит свинец. Во-первых, он практически не взаимодействует с нейтронами, во-вторых, он поглощает γ-излучение, позволяя сделать биологическую защиту реактора тоньше. Недостаток свинца — высокая температура плавления. Что будет с реактором, если свинец застынет, например после автоматического срабатывания защиты? Просто так опять запустить реактор невозможно. Свинец будет плавится медленно и не будет успевать отводить тепло от разогревающегося реактора. В свинец добавляют висмут для снижения температуры плавления. Такие реакторы устанавливают на наши подлодки.
На электростанциях в качестве теплоносителя применяют натрий или эвтектическую смесь натрия с калием. С одной стороны утечка щелочного металла при 450 °С значительно хуже чем утечка свинца с висмутом, с другой стороны температура плавления существенно ниже. Для эвтектики натрия с калием это всего 19 °С.
Ядерная энергетика снаружи
Существует еще одна сложность. Уран-235 — бесперспективное топливо. Его мало и необходимо производить обогащение. Очевидно, что с развитием ядерной энергетики будут преобладать реакторы на быстрых нейтронах. И тут возникает проблема: получить оружейный уран-235 даже из ядерного топлива достаточно сложно — необходимо разделять изотопы одного вещества. В то же время, получить оружейный плутоний-239 сравнительно просто, потому что можно использовать различия химических свойств плутония и урана. Это означает, что строительство современных АЭС во многих странах существенно осложняется.