Мы познакомились с ядерными реакциями и выяснили, что при делении тяжёлых ядер и синтезе лёгких ядер выделяется огромная энергия. Человек научился использовать эту энергию для получения электроэнергии. Область науки и техники, занимающаяся использованием ядерной энергии, называется ядерной энергетикой.

Ядерная энергетика — это отрасль энергетики, использующая ядерную энергию (энергию деления тяжёлых ядер) для производства электрической и тепловой энергии.

Принцип работы ядерного реактора

Основным устройством ядерной энергетики является ядерный реактор. Это установка, в которой осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления.

Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления тяжёлых ядер.

В качестве ядерного топлива в большинстве реакторов используется уран-235 (²³⁵₉₂U). В природном уране содержание урана-235 составляет всего около 0,7%, поэтому его обогащают до 3–5%.

Реакция деления урана-235 происходит под действием нейтронов:

Основные элементы ядерного реактора:

• Активная зона — место, где происходит цепная реакция. В ней находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) с ядерным топливом.
• Замедлитель — вещество (вода, графит), замедляющее быстрые нейтроны до тепловых скоростей, чтобы они могли эффективно вызывать деление урана-235.
• Регулирующие стержни — устройства из материала, хорошо поглощающего нейтроны (бор, кадмий). С их помощью можно регулировать скорость реакции и даже полностью её останавливать.
• Теплоноситель — вещество, отводящее тепло из активной зоны (вода, газ, жидкий металл).
• Защита — бетонная оболочка вокруг реактора, защищающая от радиоактивного излучения.

Управление реактором

Для стабильной работы реактора необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов k был равен 1. Если k становится больше 1, реакция ускоряется, и мощность растёт. Если k меньше 1, реакция затухает.

Регулирование осуществляется с помощью стержней, поглощающих нейтроны. Когда стержни опускают в активную зону, они поглощают больше нейтронов, и мощность снижается. Когда стержни поднимают, мощность увеличивается.

Типы ядерных реакторов

В зависимости от используемого топлива, замедлителя и теплоносителя ядерные реакторы делятся на различные типы. Наиболее распространены:

• Водо-водяные реакторы (ВВР) — замедлитель и теплоноситель — обычная вода. Наиболее распространённый тип в мире.
• Уран-графитовые реакторы — замедлитель — графит, теплоноситель — вода.
• Реакторы на быстрых нейтронах — не используют замедлитель. В них можно использовать уран-238, которого в природе значительно больше, чем урана-235.

Ядерная энергетика в мире и России

Первая в мире атомная электростанция (Обнинская АЭС) была запущена в СССР в 1954 году. Она проработала почти 50 лет и была остановлена в 2002 году.

Сегодня ядерная энергетика обеспечивает около 10% мирового производства электроэнергии. В некоторых странах (например, во Франции) доля ядерной энергетики достигает 70%.

В России действует несколько крупных АЭС: Балаковская, Курская, Ленинградская, Смоленская, Калининская и другие. Россия также является одним из мировых лидеров по строительству АЭС за рубежом.

АЭС в мире

Преимущества и недостатки ядерной энергетики

Преимущества

• Высокая энергоёмкость: 1 кг урана-235 выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 2,5 тысяч тонн угля.
• Отсутствие выбросов парниковых газов в атмосферу.
• Относительная дешевизна топлива и стабильность цен на него.
• Компактность отходов по сравнению с отходами тепловых электростанций.

Недостатки и риски

• Проблема утилизации радиоактивных отходов, которые остаются опасными тысячи лет.
• Риск аварий с выбросом радиоактивных веществ (например, катастрофы на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году).
• Высокая стоимость строительства и вывода из эксплуатации АЭС.
• Распространение ядерных технологий может привести к их использованию для создания ядерного оружия.

Будущее ядерной энергетики

Учёные и инженеры работают над созданием новых, более безопасных и эффективных ядерных технологий. Среди перспективных направлений:

• Реакторы на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом, позволяющие использовать уран-238 и сокращать количество отходов.
• Термоядерные реакторы (например, проект ИТЭР), в которых используется реакция синтеза, как на Солнце. Это более безопасный и обеспеченный топливом путь, но реализация пока не достигнута.
• Малые модульные реакторы — более безопасные и экономичные установки.