Ядерная энергетика существует с 1950-х годов, превращая радиоактивные материалы в энергию посредством сложного процесса. В некоторых случаях ядерная энергетика оказалась невероятно полезной, в то время как в других, таких как ядерные катастрофы в Чернобыле и Фукусиме, все было наоборот. Тем не менее, ядерная энергетика является одним из самых чистых, эффективных и безопасных способов производства энергии в мире, но если вы не инженер-ядерщик, скорее всего, вы не знаете, как все это работает.
Понятно, что АЭС используют какое-то топливо, но что именно используется для производства энергии? Ответ — уран, но это не так просто, как указать на этот элемент в периодической таблице и прекратить дискуссию. Наиболее распространенным топливом, используемым в мировых ядерных реакторах, является U-235, особый тип природного урана, который способен легко поддерживать ядерное деление, что делает его полезным для производства энергии и создания ядерного оружия. Когда элемент является делящимся, это означает, что он может поддерживать цепную ядерную реакцию после захвата медленно движущихся нейтронов.
U-235 является наиболее распространенным топливом, используемым в ядерных реакторах, прежде всего потому, что он легко делится. Это означает, что когда атомы U-235 расщепляются в результате деления, они выделяют много энергии, большая часть которой находится в форме тепла. Он используется для преобразования жидкой воды в пар, приводящий в движение паровую турбину, именно так радиоактивный материал производит энергию. Конечно, это сложнее, но в целом именно так работают ядерные реакторы: они используют расщепляющееся топливо — U-235 — и преобразуют его тепло в электричество с помощью турбины.
U-235 и его использование в производстве электроэнергии
U-235 идеален для ядерных реакторов, но это не самая распространенная форма урана. Это отличие принадлежит U-238, который не очень хорош для ядерной энергетики. Это связано с четным числом протонов и нейтронов в ядре атома, что делает его менее расщепляющимся, чем уран-235, хотя он делится только нейтронами высокой энергии. По этой причине U-238 не является подходящим топливом для реактора. Хотя U-235 является лучшим вариантом, его сложно добывать и перерабатывать.
U-235 назван так из-за общего количества протонов и нейтронов в его ядре, которое составляет 92 и 143 соответственно. Этот элемент имеет период полураспада, то есть время, необходимое для уменьшения его радиоактивности вдвое, — 704 миллиона лет. Чтобы использовать уран-235 в качестве источника топлива, его сначала необходимо добыть и обогатить. Концентрация U-235 настолько мала, что обогащение необходимо для производства пригодного к использованию делящегося топлива, из которого изготавливают топливные стержни. Это металлические трубки, наполненные таблетками оксида урана. Затем это используется в ядерных реакторах для выработки тепла и получения энергии.
Ядерного топлива хватает на некоторое время, но оно со временем разлагается, а атомные электростанции США не перерабатывают и не используют повторно свое топливо. Добыча и переработка недавно приобретенного урана-235 обходятся дешевле, и есть другие способы утилизации отработавшего топлива. Вместо этого отработанное топливо хранится в ходе сложного процесса утилизации, который включает в себя несколько этапов, в зависимости от уровня его радиоактивности, требующих многолетнего управления и обслуживания для обеспечения безопасности, поскольку отработанное топливо содержит около 90% своей первоначальной энергии.
