Хоча атомна енергетика не є на сьогоднішній день повністю безпечною, реакторів і електростанцій по всьому світу більше будується, ніж закривається. Так у Сполучених Штатах Америки кількість діючих реакторів тільки-но перевалило за сотню, у Франції (друге місце за кількістю мирного атома на планеті) – близько 60, і вони забезпечують майже 80 % від виробленого в країні електрики.
Паливом для ядерного реактора служить ТВЕЛ. Це елемент, в якому безпосередньо протікає керована ціп’яка реакція. Як влаштовані «дрова» атомного котла, як вони виготовляються і що відбувається з паливом в серці електростанції?
Що таке ланцюгова ядерна реакція
Відомо, що ядра атомів складаються з протонів і нейтронів. Наприклад, в ядрі атома урану міститься 92 протони і 143 або 146 нейтронів. Сила відштовхування між позитивно зарядженими протонами в ядрі урану просто величезна, близько 100 кгс в одному (!) атомі. Однак розлітатися ядру не дають внутриядерные сили. При попаданні в ядро урану вільного нейтрона (тільки нейтральна частинка здатна наблизитися до ядра) останнім деформується і розлітається на дві половинки плюс два-три вільних нейтрона.
Ці самі вільні нейтрони атакують ядра інших атомів, і т. д. Таким чином, кількість зіткнень збільшується в геометричній прогресії і в частки секунди вся маса радіоактивного металу розпадається. Цей розпад супроводжується розльотом на близькосвітлових швидкостей у всі сторони осколків, їх зіткнення з молекулами навколишнього середовища викликають нагрівання до кількох мільйонів градусів. Це картина звичайного ядерного вибуху. ТВЕЛ це явище направляє в мирне русло. Як це відбувається?
Керована ядерна реакція
Щоб ядерна реакція змогла підтримувати себе сама, стала ланцюговий, необхідно достатня кількість радіоактивного палива (т. зв. «критична маса»). В ядерній зброї це питання вирішується просто: два злитки збройового металу (урану-235, плутонію 239 і т. д.) з масою кожного трохи менше критичної в одне ціле з’єднують за допомогою звичайного вибуху тротилу.
Для мирного використання атома цей спосіб не годиться. На малюнку схематично показано пристрій найпростішого атомного реактора. Кожен ТВЕЛ (тепловиділяючий елемент − уранове паливо) по масі менше критичної, сумарний ж їх вага перевищує цю позначку. Перебуваючи в безпосередній близькості один від одного, Твели «обмінюються» вільними нейтронами. Завдяки такій взаємній нейтронної бомбардування в реакторі підтримується ланцюгова ядерна реакція. Графітові стрижні відіграють роль своєрідних «гальм» ядерного процесу. Графіт – хороший поглинач нейтронів, реакція згасає, коли стрижні з цього матеріалу поміщаються між ТВЕЛ. Це повністю зупиняє обмін вільними нейтронами.
Таким чином, реакція знаходиться під постійним контролем автоматики. Розпад супроводжується рухом в середовищі теплоносія уламків ядер урану, які розігрівають його до необхідної температури.
Як виробляється електроенергія
Подальше пристрій атомної електростанції мало чим відрізняється від звичайної теплової, що працює на газі, мазуті або вугіллі. Різниця полягає в тому, що ТЕЦ тепло виходить при спалюванні викопних вуглеводнів, АЕС ж теплоносій нагрівається ТВЕЛ ядерних реакторів.
Доведений до температури в 500-800 °C теплоносій (в його ролі можуть виступати перегріта вода, розплави солей, і навіть рідкі метали) в спеціальному теплообміннику розігріває воду, перетворюючи її в сухий пар. Пар обертає турбіну, посаджену на один вал з генератором, у якому і виробляється електричний струм.
Які вони бувають
Першими ядерними реакторами були гомогенні пристрою. Вони представляли собою котли, в яких знаходилося ядерне паливо (частіше рідке, рідше газоподібне). Це розплав солей урану або слабо збагаченого урану, іноді суспензії уранової пилу і т. д. Процес регулювався введенням в активну зону сповільнювача у вигляді пластин або стрижнів з матеріалу, який добре уповільнює вільні нейтрони. Тепло передавалося воді допомогою розташованих прямо в активній зоні теплообмінників, зразок колосників у вугільної печі.
На нашому малюнку зображений гетерогенний ядерний реактор, яких зараз в світі абсолютна більшість. Такі «атомні котли» легше обслуговувати, міняти в них паливо, ремонтувати, вони безпечніше і надійніше старих гомогенних.
Ще одним бонусом використання уранових Твелів є генерація в них в результаті опромінення нейтронами ядер урану такого елемента, як плутоній 239, який потім використовується як паливо для малогабаритних ядерних реакторів, а так само в якості збройового металу.
Де береться паливо для атомних електростанцій
Уран добувають у багатьох країнах світу відкритим (кар’єрним) або шахтним способом. Спочатку в руді міститься навіть не сам уран, а його оксид. Виділення металу з оксиду – складна ланцюг хімічних перетворень. Далеко не кожна країна світу може дозволити собі придбати підприємствами з виробництва ядерного палива.
Подальше завдання − збагачення видобутого урану. Менше 1 % урану 235 міститься в природному матеріалі, решта – 238 ізотоп. Розділити ці два елементи надзвичайно важко. Центрифуги зі збагачення урану – це складні пристрої.
Щоб уран став високозбагаченим (вміст ізотопу 235 підвищилася до 20 %) йому належить, перетворившись на газ, пройти до тисячі ступенів переробки.
Як влаштований ТВЕЛ
В руки інженерів потрапляє інженерів збагачений уран, але це поки ще на ядерне паливо. Виробництво цього палива схоже порошкової металургії. Порошкоподібний метал (або його хімічних сполук) пресується в невеликі таблетки діаметром близько сантиметра.
Вироби з металевого урану краще пристосовані витримувати пекельні умови всередині реактора, але чистий елемент дуже дорогий у виробництві. Набагато дешевше діоксид урану, але щоб він не розсипався від величезних тиску і спека доводиться запікати під величезним тиском при температурі більш 1000 °C.
ТВЕЛ – це набір таких шайб довжиною близько 2-4 метрів, поміщений в трубку зі сталі, сплавів заліза з молібденом. Самі Твели набираються в пучок з декількох десятків або навіть сотень. Такий набір називають тепловиділяючої складанням (ТВЗ).
ТВЗ встановлюються безпосередньо в серці атомного реактора. В одному реакторі їх кількість може сягати кількох сотень. По мірі розпаду урану Твели втрачають свою здатність проводити тепло, тоді їх замінюють. Але один кілограм технічного урану, збагаченого до вмісту ізотопу 235 4%, за своє життя в атомному реакторі встигає зробити стільки ж енергії, скільки вийшло б при спалюванні 300 стандартних двухсотлитровых бочок топкового мазуту.
