В США больше всего атомных электростанций в мире. Однако, несмотря на это, эта тема по-прежнему вызывает разногласия, и люди, похоже, в равной степени либо принимают ее, либо избегают. Мы не будем здесь вдаваться в этот аргумент, а разрушим относительно простую науку, лежащую в основе ядерных реакторов, то, как они работают и для чего их можно использовать.
Хороший способ начать это — рассмотреть, наверное, самое известное уравнение в мире — E=mc². Это уравнение объясняет, почему ядерные реакторы могут производить так много энергии из относительно небольшого количества топлива. В этом уравнении E обозначает энергию, m обозначает массу, а c обозначает скорость света. Поскольку квадрат скорости света представляет собой огромное число, даже небольшое количество массы содержит огромное количество энергии. Ядерные реакторы используют эту энергию, расщепляя атомы и высвобождая энергию, заключенную в их массе.
Это простая часть науки (условно говоря). Однако с высвобождением всей этой энергии контролируемым и предсказуемым образом все становится сложнее. Позже мы обсудим, как это работает и как различные типы реакторов используют эту энергию, но по сути ядерный реактор использует процесс цепной реакции, называемый ядерным делением. Согласно уравнению Альберта Эйнштейна, это расщепляет атомы в топливных стержнях реактора и высвобождает накопленную в них энергию. Высвободившаяся тепловая энергия производит пар, который вращает турбину для выработки электроэнергии и, в конечном итоге, может зарядить ваш телефон.
Как работают ядерные реакторы
Одна и та же физика лежит в основе каждого ядерного реактора. Внутри активной зоны реактора топливные таблетки (в основном урановые) расположены в твэлах. Ключом к высвобождению энергии является цепная реакция деления; деление происходит, когда субатомные нейтронные частицы сталкиваются с атомами урана. Когда нейтрон сталкивается, он разделяет атом на два более мелких атома, а также высвобождает дополнительные нейтроны. В свою очередь, они воздействуют на другие атомы урана, создавая цепную реакцию. Особенности того, что образуется при расщеплении атома, могут различаться, но типичная реакция может расщепить атом урана-235 на ядра бария и криптона с высвобождением двух или трех дополнительных нейтронов.
Чего мы не хотим на данном этапе, так это того, чтобы эта реакция продолжалась беспрепятственно. Есть два основных способа контролировать это. Первый — за счет использования стержней управления. Они изготовлены из материала, который поглощает лишние нейтроны и может использоваться для ускорения, замедления или даже остановки реакции в зависимости от того, какая ее часть попадает в активную зону. Обычно используемые материалы включают бор и серебро. Вода также действует как замедлитель и охлаждающая жидкость, отводя избыточное тепло.
Эти основы применимы ко всем ядерным реакторам; именно то, как они управляют водным контуром, определяет два основных типа коммерческих реакторов, используемых в США, о которых мы подробно поговорим далее. Однако, независимо от типа, одной из спорных частей процесса являются проблемы, связанные с обращением с отработавшими топливными стержнями. Они остаются высокорадиоактивными, и их безопасное хранение является одной из самых больших проблем, стоящих перед отраслью.
Различные типы ядерных реакторов
Существует две основные конструкции коммерческих реакторов — реакторы с водой под давлением (PWR) и реакторы с кипящей водой (BWR). Определяющее различие между ними заключается в том, как они обращаются с водой внутри реактора и парового контура.
Наиболее распространенными из них являются PWR, на долю которых приходится около 65% коммерческих реакторов США. Как следует из названия, в реакторах этого типа вода поддерживается под высоким давлением в замкнутом контуре, чтобы предотвратить ее кипение. Вода нагревается в результате ядерной реакции, а затем проходит через теплообменник. Теплообменник передает тепло во вторичный водяной контур, а пар из этого контура используется для привода турбин и выработки электроэнергии.
BWR также используют нагретую воду для привода турбин. Однако вместо двух отдельных «водяных контуров» BWR закачивают воду непосредственно в активную зону реактора и используют систему труб для подачи пара из воды непосредственно в турбины. Оставшийся пар конденсируется и закачивается обратно в активную зону.
Также стоит посмотреть на различия между ними и типами реакторов, которыми оснащены атомные корабли ВМС США. Такие корабли, как USS Gerald R. Ford, крупнейший в мире авианосец, используют в качестве энергии уменьшенные PWR. Однако в отличие от коммерческих реакторов, использующих низкообогащенный уран (НОУ), авианосцы и подводные лодки используют высокообогащенный уран (ВОУ). Последний имеет гораздо более высокую плотность энергии, чем НОУ, а это означает, что американские атомные корабли могут десятилетиями обходиться без дозаправки. Таким образом, хотя дозаправка атомного авианосца может занять годы, обычно этот процесс происходит только один раз за срок службы корабля.
