Ядрената технология в услуга на човека. Физико-технологичен институт за ядрени технологии, ръководител на катедрата по ядрени технологии, Игор Владимирович Шаманин

А. Б. Колдобски

Ядрената експлозия е уникално физическо явление, единственият метод, усвоен от човечеството за мигновено освобождаване на колосални, наистина космически количества енергия спрямо масата и обема на самото устройство. Би било нелогично да се предположи, че подобно явление ще остане незабелязано от учени и инженери.

Първите научни и технически публикации по този проблем се появяват в САЩ и СССР в средата на 50-те години. През 1957 г. Комисията за атомна енергия на САЩ прие научно-техническата програма „Plowshare“ за мирно използване на ядрени експлозивни технологии (NET). Първата мирна ядрена експлозия по тази програма - "Gnome", с мощност 3,4 kt - е извършена на полигона в Невада през 1961 г., а на 15 януари 1965 г. експлозия с изхвърляне на почвата с мощност около 140 kt, извършени в коритото на реката. Чаган, на територията на полигона Семипалатинск, откри съветската „Програма N 7“.

Последният съветски мирен ядрен взрив Рубин-1 е извършен в Архангелска област на 6 септември 1988 г. През това време в СССР са извършени 115 подобни взрива (РФ - 81, Казахстан - 29, Узбекистан и Украйна - по 2, Туркменистан - 1). Средната мощност на използваните в случая устройства е 14,3 кт, а без двата най-мощни взрива (140 и 103 кт) - 12,5 кт.

Защо точно са извършени мирни ядрени експлозии? Въпреки цялата „екзотика“ на този въпрос, на него трябва да се отговори по същество; идеята за тях като почти аматьорско „забавление“ на ядрените учени, безполезно, а по-скоро всичко и много вредно за природата и обществото.

И така, от 115 мирни ядрени експлозии, 39 са извършени с цел дълбоко сеизмично сондиране на земната кора за търсене на минерали, 25 - за интензификация на находища на нефт и газ, 22 - за създаване на подземни резервоари за съхранение газ и кондензат, 5 - за гасене на аварийни газови фонтани, 4 - за създаване на изкуствени канали и резервоари, по 2 - за раздробяване на руда в кариерни находища, за създаване на подземни резервоари - колектори за отстраняване на токсични отпадъци от химическо производство и за изграждането на насипни язовири, 1 - за предотвратяване на скални удари и газови емисии в подземни въглищни мини, 13 - за изследване на процесите на самозаравяне на радиоактивни вещества в централната зона на експлозията. Най-значимите клиенти са Министерството на геологията на СССР (51 експлозии), Мингазпром (26) и Министерството на петролната и газовата промишленост (13). Всъщност по поръчка на Министерството на средното машиностроене са извършени 19 мирни ядрени експлозии.

Без да обсъждаме тук индустриалната и икономическа ефективност на експлозиите за различни цели (ще се върнем частично към това по-долу), въз основа на казаното трябва да направим очевидно заключение: имаме работа с технология, която със сигурност е опасна, но в много случаи много ефективни и понякога, както ще видим, няма технически алтернативи. И следователно технологиите за ядрени експлозии трябва да се обсъждат именно като такива, а не като някакъв атрибут на Сатана, толкова неразделен, колкото миризмата на сяра, опашка и вила.

Що се отнася до опасността... Няма достоверни данни за нанесените щети за живота и здравето на поне един човек в резултат на експлозията, нито един участник в работата или жител няма надеждно регистрирана причина- и-ефектна връзка между свързаното с възрастта влошаване на здравето и факта на експлозията. Да говорим в тези условия за „особената опасност” от технологиите за ядрени експлозии, знаейки за Бопал (1500 загинали наведнъж), Севесо и Минамата, за ужасяващия брой смъртни случаи във въглищни мини, автомобилни катастрофи и т.н. някак си неловко. В същото време авторът изобщо не иска да изглежда като противник на химическата промишленост или автомобилния транспорт, той само би искал да привлече вниманието на читателя към простия, но, уви, понякога избягващ вниманието на „природозащитниците“ че няма безопасни технологии, че технологичният риск е неизбежна цена за постигнатото ниво на развитие на цивилизацията и че пълното отхвърляне на този риск е равносилно на отхвърляне на самите технологии, което веднага ще върне човечеството в кожи, пещери и каменни брадви. Ако „особената опасност“ от ядрено-експлозивните технологии в представянето на някои медии се дължи само на факта, че те са ядрено-експлозивни, тогава разговорът преминава в друга равнина, която е извън обхвата на тази статия - има малко компетентност и истинска загриженост за благополучието на външната среда, но обикновено много партийна политика.

По същество трябва да се проведе разумно обсъждане на всички технологии (ако имаме предвид само техническите, икономическите и екологичните аспекти на въпроса) в целевия четириъгълник „ефект-щета-цена-алтернатива“. В случая с ядрената война това обаче не е достатъчно, тъй като „четириъгълникът” се превръща, образно казано, в „куб”, ако имаме предвид изключителното значение на политическите и на първо място правните аспекти. на проблема.

Това означава, че, разбира се, е безсмислено да се обсъждат ядрени оръжия, абстрахирайки се от факта на съществуването на Договора за всеобхватна забрана на ядрените опити, параграф 1 на чл. 1 от които пряко забранява на участваща държава (включително Русия) да произвежда каквито и да било ядрени оръжия, независимо от тяхното предназначение и предназначение. Вземайки предвид това, авторът би желал ясно да дефинира своята позиция: той по никакъв начин не призовава за преразглеждане на Договора, още по-малко за неговото нарушаване. Смисълът на предлагания от него подход е чрез безпристрастен и разумен анализ на възможностите на ядрените оръжия да се отговори на въпроса за целесъобразността на използването им в определени случаи; а именно в случаите, когато такова използване от икономическа, екологична, социална гледна точка е обективно най-доброто решение на някакъв важен проблем и следователно има право да разчита на международно разбиране и съгласие (разбира се, дори намеци за възможността за получаване на всякакви военни придобивки). И ако отговорът на формулирания въпрос по същество е положителен, то положете усилия за безупречното легализиране на такова сключване в рамките, предвидени за това от споменатия Договор - за който става дума по-долу.

Връщайки се към обсъждането на ядрените оръжия като такива, отбелязваме, че от самото начало на изпълнението на „Програма № 7“ се основаваше на принципа, че предпоставка за използването на ядрени оръжия е или липсата на „традиционни“ технология или икономическата и/или екологична нецелесъобразност на нейното използване. Впоследствие тези изисквания станаха още по-строги:

„1. При никакви обстоятелства не трябва дори да се обмислят ядрени експлозии, които биха могли да изхвърлят измерими количества радиоактивни продукти в достъпни за хората зони на околната среда. Това са всички видове така наречени външни експлозии, които водят до видими промени на земната повърхност - изграждане на резервоари (Чаган), канали (съоръжение Тайга, Пермска област), насипни язовири (Кристал, Саха-Якутия) , провалени кратери (“ Галит“, Казахстан). Трябва да се има предвид, че в тези случаи почти винаги има технологична алтернатива (язовир, канал или резервоар могат да бъдат изградени по традиционни методи).

„2. Не трябва да се използват ядрени експлозии, в резултат на което радиоактивни продукти, въпреки че не влизат директно в човешката среда (вътрешни експлозии или камуфлажни експлозии), ще бъдат в контакт с продукти, използвани от хората (образуване на съоръжения за съхранение на газ и кондензат, руда трошене, интензификация на нефтени и газови находища). Въпреки че често няма технологична алтернатива на такива експлозии, обикновено има целенасочена алтернатива (вместо интензифициране на изчерпаните полета, усилията могат да бъдат насочени към проучване и разработване на нови). В допълнение, практиката разкрива нежелани радиационни последици: замърсяване на промишлени обекти по време на пробиване („пробиване“) на такива кухини, загуба на техния работен обем и притискане на радиоактивни солеви разтвори към повърхността по време на експлоатация на газови хранилища, създадени в пластове каменна сол и т.н.).

„3. Всякакви ядрени камуфлажни експлозии трябва да бъдат „замразени“, ако не са единственото – бързо и ефективно – решение, съизмеримо с мащаба на проблема (например аварийни газови фонтани).

Първото потискане е извършено в газовото находище Урта-Булак в Узбекистан, където на дълбочина 2450 m е открит газов резервоар с налягане над 300 атм. На 11 декември 1963 г. се появи изпускане на газ, което предизвика авариен фонтан със среден дневен дебит от 12 милиона m3 - това би било достатъчно за захранване на град като Санкт Петербург. В допълнение към икономическите загуби, екологичните щети бяха наистина колосални - газът съдържаше значително количество силно токсичен сероводород, чието дългосрочно въздействие върху дивата природа може да доведе до непредвидими последици, а полученият пожар добави към това въглеродни оксиди. Авторът, самият участник в по-късни произведения от този вид, никога няма да забрави вонящия сероводороден дъх на аварийния газов фонтан.

Опитите за справяне с това бедствие с помощта на традиционни методи, които продължиха почти три години, бяха неуспешни, през което време бяха загубени около 15,5 милиарда m3 газ. Ядрените учени се заеха с работата. Под ръководството на тогавашния министър на МСМ Е. П. Славски е разработен оригинален метод за елиминиране на изпускането, базиран на пробиване на наклонен кладенец от повърхността на Земята до ствола на аварийния кладенец и детониране на специален ядрен заряд (с мощност 30 kt) на дълбочина над 1500 m и на разстояние около 40 m от ствола. Идеята беше, че огромното - десетки хиляди атмосфери - налягане в зоната на компресия ще пререже ствола на аварийния кладенец като ножица.

След експлозията (30 септември 1966 г.) изпускането на газ от аварийния кладенец спря след 25 секунди (!). Не е имало изпускане на радиоактивни продукти на повърхността и не е имало усложнения при по-нататъшната експлоатация на находището.

По подобен начин са укротени още четири аварийни газови фонтана (в Узбекистан, Туркменистан, Украйна и Русия). В случая са използвани устройства с мощност от 4 до 47 kt, детонирани на дълбочини от 1510 до 2480 м. Не се наблюдава нито ранно следдетонационно, нито късно изпускане на радиоактивни продукти на земната повърхност. Трябва да се отбележи, че при две находища използването на традиционните методи за елиминиране на взрива беше напълно невъзможно, т.к. при липса на ясно изразено устие на аварийния кладенец, интензивно разпределение на налягането на газ се наблюдава по протежение на горните пропускливи геоложки хоризонти с образуването на газови грифони на голяма площ (в радиус до километър от устието).

Въпреки многообразието и различията в сценариите за бъдещо развитие на енергетиката, има редица положения, които са непоклатими за правене на прогнози в тази област:

нарастване на населението и глобалното потребление на енергия в света;
Засилваща се конкуренция за ограничени и неравномерно разпределени ресурси от изкопаеми горива;
нарастваща зависимост от нестабилната ситуация в районите на страните износителки на петрол;
увеличаване на екологичните ограничения;
нарастващата разлика в потреблението на енергия между най-богатите и най-бедните страни.

В тези условия нараства ролята на ядрената енергетика (ЯЕ) като стабилизиращ фактор в енергетиката и обществено-политическото развитие.

Въпреки всичките си проблеми, „ядрената“ Русия си остава велика сила както по отношение на военната мощ, така и по отношение на икономическото развитие (ядрените технологии в руската икономика).

Именно руският президент говори в ООН на срещата на върха на хилядолетието (септември 2000 г.) с инициативата за осигуряване на енергийна стабилност на развитието, основано на ядрени технологии. Тази инициатива се оказа изключително навременна и намери подкрепа от световната общност: четири резолюции на Генералната конференция на МААЕ и две резолюции на Общото събрание на ООН приветстват инициативата на руския президент като отговор на стремежите на развиващите се страни и като начин за хармонизиране на отношенията между индустриалните и развиващите се страни.

Инициативата на президента на Руската федерация е политическа акция, а не технически проект. Така че това беше прието от световната общност и беше отразено в международния проект на МААЕ INPRO - за разработването на иновативна концепция за атомни електроцентрали и ядрения горивен цикъл (NFC), изключвайки използването на най-„чувствителните“ материали и технологии в глобалния енергиен сектор - „свободен” плутоний и високообогатен уран, и отваряне на фундаментално нови перспективи за живот пред света” (септември 2000 г.).

Изпълнението на международния проект INPRO даде възможност да се обединят усилията на експерти от 21 страни-членки на МААЕ и да се разработят изисквания и критерии за развитие на атомни електроцентрали, атомни електроцентрали и ядрени горивни цикли.

Акцентът върху съдържанието на предложенията на президента като политическа инициатива направи възможно „по-здравословната“ атмосфера на МААЕ, разглеждана от западните страни като организация с полицейски функции, ориентирайки МААЕ към ролята на световен форум за обсъждане на място на ядрената енергия в света, и по-специално, за развиващите се страни - в съответствие с инициативата президент. Освен това инициативата на президента на Руската федерация предполага предаване на нови иновативни ядрени технологии за атомни електроцентрали и ядрени горивни цикли на ново поколение учени и инженери - като наследство от нашите знания и опит. Новата програма на МААЕ в областта на „съхраняването на знанията“ е фокусирана върху запазването на знанията и опита в най-напредналата и ключова за бъдещото развитие (но не търсена днес) област на ядрената енергия - реактори на бързи неутрони в затворен ядрен горивен цикъл.

Съхраняването и предаването на знания на ново поколение се припокрива със задачата на глобалното сътрудничество в областта на ядрената енергетика: „Запад – Изток” и „Север – Юг”; да пренася знания както във времето, така и в пространството - в нови региони (предимно в развиващите се страни, където живее 4/5 от населението на планетата и се използва по-малко от 1/25 от капацитета на ядрената енергия).

Това беше причината да се издигне инициативата за създаване на Международен ядрен университет (по инициатива на МААЕ, подкрепена от Световната ядрена асоциация (WNA) и Световната асоциация на ядрените оператори (WANO)) - логично развитие на инициативите на президента на Руската федерация.

Но в практическото изпълнение на програмата за развитие на ядрената енергетика в страната и в реализацията на техническите ни проекти на международния пазар все по-ясно се забелязват негативни тенденции. Първият звънец вече прозвуча: загубата на търга във Финландия, което за специалистите означава практическа загуба на шансове за място на пазара не само в Европа, но и (по същите причини като във Финландия) намаляване на шансове за успех през следващите десетилетия в Китай, както и в други азиатски страни. Освен това в близко бъдеще ситуацията на международния пазар ще стане много по-неблагоприятна поради следните причини:

извеждане от експлоатация на енергоблокове на АЕЦ, на които Росатом (концернът ТВЕЛ) доставя гориво (АЕЦ Игналина, редица блокове на Козлодуя и др.);
присъединяване към Европейския съюз на страните от Източна Европа - собственици на АЕЦ с реактори тип ВВЕР;
прекратяване на доставките на ядрено гориво за Съединените щати по договора HEU-LEU след 2013 г.;
въвеждане в експлоатация на завод с центрофужна технология в САЩ след 2006 г.;
създаване на транснационални корпорации в ядрения сектор (концентрация на ресурси, намаляване на разходите);
изпълнение на нови конкурентни проекти за атомна електроцентрала, разработени от САЩ (AR-1000,
HTGR) и други страни (EPR).

Освен това съществуват редица вътрешни трудности, усложняващи развитието на ядрената индустрия (заедно с липсата на инвестиционни средства):

извеждане от експлоатация на атомни електроцентрали в края на експлоатационния им живот;
затваряне на три промишлени реактора в Железногорск и Северск;
намаляване на запасите от евтини уранови суровини, натрупани през предходни години;
ограничения на правата на държавните унитарни предприятия;
несъвършена инвестиционна и тарифна политика.

Дори при максимално възможно използване на собствените средства на концерните (в съответствие с енергийната стратегия на Русия), приносът на атомните електроцентрали в енергийния баланс на страната ще бъде много скромен, въпреки огромния технологичен и кадрови потенциал на „ядрената“ енергетика. .

Ситуацията се влоши значително напоследък поради реформата на руския ядрен комплекс и трансформацията на мощния държавен орган Минатом в агенция Росатом. В началния етап от успешното развитие на ядрения отбранителен и енергиен комплекс ролята на държавата беше решаваща във всички отношения: организационни, финансови и научни, т.к. този комплекс определяше суверенната власт и бъдещата икономика на страната. За специалистите е очевидно, че ядреният щит на страната и глобалните ядрени технологии са две страни на единен научно-технологичен комплекс. Без рентабилното мирно използване на ядрените технологии „ядрен щит“ или ще срине руската икономика, или ще се превърне в „щит“, който не гарантира пълната сигурност на страната.

В същото време основният механизъм и основа на суверенитета на Русия – ядреният комплекс – се оказа извън сферата на пряко влияние на държавния глава – президента на Русия.

В резултат на това липсата на яснота в реалната стратегия за ядрена енергия води до загуба на приемственост между поколенията. По този начин Русия, най-напредналата страна в развитието на реактори на бързи неутрони и в областта на висшето ядрено образование, в момента няма национална програма за запазване на ядрените знания и опит, както няма национална програма за участие в Световния ядрен университет.

ПО-НАТАТЪШНО РАЗВИТИЕ НА ЯДРЕНАТА ЕНЕРГЕТИКА

По-нататъшното ефективно развитие на ядрените технологии поради тяхната специална „чувствителност“ е невъзможно без тясно международно сътрудничество. В същото време е много важно правилно да се идентифицира онази технологична и „пазарна“ ниша, където местните разработки все още имат приоритет.

На световния пазар на традиционна ядрена енергия в близко бъдеще ще има по-нататъшно разширяване на европейския енергиен реактор (EPR), който спечели търга във Финландия, както и американските AR-1000 и азиатските (корейски и японски) реактори.

Липсата на завършен технически проект и несигурността с времето на еталонната демонстрация на ново поколение ВВЕР (ВВЕР-1500), както и липсата на „стандартен“, напълно завършен проект ВВЕР-1000, прави позицията на Русия в уязвим външен пазар на традиционни енергийни агрегати. За да се избере програма за действие, е необходимо преди всичко да се извърши сравнителен анализ на основните показатели на вътрешните проекти VVER-1000 и VVER-1500 с техните западни конкуренти по време на изпълнението.

В тези условия, като се вземат предвид договорните задължения в Китай и Индия, е необходимо да се концентрират средства за завършване и демонстрация за вътрешни и външни пазари на стандартен конкурентен ВВЕР-1000 и внедряване на технически проект на ВВЕР-1500, сравним с условия на изпълнение на EPR.

Пазарът (вътрешен и външен) за иновативни малки атомни електроцентрали може да бъде потенциално благоприятен за Русия. Огромният вътрешен опит в разработването и създаването на атомни електроцентрали за военноморския и ледоразбивачния флот (повече от 500 ядрени реактора) и уникалността на битовите атомни електроцентрали с вода-вода и течен метал (Pb-Bi) атомни електроцентрали, заедно с потенциално огромният енергиен пазар на развиващите се страни, прави тази област приоритет за вътрешния и външния пазар. Русия е идеална изпитателна площадка за демонстриране на хармоничното развитие на традиционни атомни електроцентрали (с блокове ВВЕР-1000) и иновативни разработки на малки атомни електроцентрали (електричество, обезсоляване, отопление). В същото време може да се демонстрира възможността за доставка на лизинг на „продукт“ (ядрен енергиен блок, гориво), а не на технология, което е една от възможностите за решаване на проблема с „неразпространението“.

Решаващо тук може да бъде създаването на малки транспортируеми атомни електроцентрали (например плаващи) с период на непрекъсната работа (без претоварване през целия период на експлоатация) от ~ 10–20 години.

Ролята на бързите неутронни реактори за бъдещото развитие на ядрената енергетика като основа за решаване на проблема с доставките на гориво, използвайки както уран-плутониеви, така и торий-уранови затворени горивни цикли, е общопризната.

Важна е ролята на разработването и внедряването на ново поколение реактори за размножаване на ядрено гориво с бързи неутрони и нови методи за преработка на ядрено гориво за затваряне на ядрения горивен цикъл и решаване на проблема с практически неограничените доставки на гориво за ядрената енергия. Признатото напреднало ниво на технология за бързи реактори в Русия, единствената страна, която разполага с комерсиален реактор от този тип, съчетано с опит в преработката на ядрено гориво, ще позволи на Русия в дългосрочен план да претендира за ролята на един от лидерите в световната ядрена енергетика , предоставяйки услуги за производство и преработка на ядрено гориво на много страни по света, като същевременно намалява риска от разпространение на ядрени оръжия, включително чрез енергийно използване на плутоний с „оръжеен клас“.

Необходимо и задължително условие за решаването на този проблем е, на първо място, разработването на напълно затворен цикъл на ядрено гориво, което ще изисква доста сериозни инвестиции в:

комплекс за производство на плутониево гориво за бързи реактори и МОКС гориво за реактори ВВЕР;
комплекс за обработка на плутониево гориво;
комплекс за производство и преработка на ториево гориво.

Въпросът за изграждането на атомна електроцентрала с БН-800 в момента е трудно разрешим. Строителството изисква много разходи. Като аргументи в полза на необходимостта от бързото изграждане на БН-800 са посочени:

преработка на уран-плутониево гориво;
енергийно оползотворяване на „излишния“ оръжеен плутоний;
запазване на знания и опит в развитието на бързи реактори в Русия.

В същото време специфичните капиталови инвестиции и цената на доставяната електроенергия за BN-800 значително надвишават тези на атомните електроцентрали с реактори ВВЕР.

Освен това изглежда скъпо да се извърши целия комплекс от производство, за да се затвори горивният цикъл и да се използва само за един BN-800.

Невъзможно е да се реализират напълно ползите от ядрената енергия без нейното участие в производството на изкуствено течно гориво за транспортни и други индустриални приложения. Създаването на атомни електроцентрали с високотемпературни хелиеви реактори е начин за използване на ядрената енергия за производство на водород и широкото му използване в ерата на водородната икономика. За постигането на тази цел е необходимо да се завърши разработването на проекта и да се създаде демонстрационен блок за разработване на високотемпературни реактори с хелиево охлаждане, способни да генерират топлина при температури до 1000 ° C, за производство на електроенергия с висока ефективност в цикъла на газовата турбина и за доставяне на високотемпературна топлина и електричество за процеси за производство на водород, както и технологични процеси за обезсоляване на вода, химическа, нефтопреработваща, металургична и други индустрии.

Повечето анализатори признават, че иновационните предизвикателства на ядрената енергия трябва да бъдат разгледани през следващите две десетилетия, за да се гарантира търговското въвеждане на нови технологии през тридесетте години на този век.

По този начин днес сме изправени пред спешна необходимост от разработване и внедряване на технологични иновации, които осигуряват дългосрочно и широкомащабно развитие на ядрената енергетика на страната, ядрени технологии, които гарантират изпълнението на тяхната историческа роля в бъдещето на Русия. Решаването на този проблем е невъзможно само. Необходимо е активно сътрудничество със световната ядрена общност. Тази световна общност обаче показва намерението си да ни остави отстрани на ядрения път.

Разработването на иновативни ядрени технологии е трудна, капиталоемка задача. Решението му е извън силите на една държава. Поради това в световната общност се заражда сътрудничество в разработването на иновативни ядрени технологии - както на междуправителствено ниво, така и на ниво индустриални компании. Показателно е за това

във връзка със Споразумението за развитие на ядрени енергийни системи от ново поколение, подписано на 28 февруари 2005 г. от САЩ, Англия, Франция, Япония и Канада: бърз хелиев реактор; бърз натриев реактор; бърз оловен реактор; реактор с разтопена сол; леководен реактор със свръхкритични параметри; свръхвисокотемпературен реактор. Русия, която има уникален опит в някои от тези технологии, не участва в това партньорство. Какво е това: временно отлъчване или стабилна позиция на нашите западни партньори?

НЕОБХОДИМИ ДЕЙСТВИЯ

Необходима е активна държавна политика в горивно-енергийния комплекс на страната, насочена към осигуряване на ускорено развитие на ядрените технологии: с концентрация на усилия и средства за увеличаване на държавната подкрепа в инвестиционната политика и в иновативни проекти в ядрената енергетика.

Необходимо е да се формират финансово-икономически механизми за подпомагане и стимулиране на иновационни дейности в областта на ядрената енергетика.

Очевидно е, че пазарът, без допълнителни мерки за държавно регулиране, не води икономиката на страната към траекторията на високотехнологично развитие, а ядрената енергия и ядреният горивен цикъл са една от областите на структурна промяна в икономиката на страната и пробив технологии на 21 век.

Изглежда необходимо да се възстановят ефективните корпоративни връзки по веригата „наука – проект – индустрия“, основани на икономически методи, като същевременно се засили ролята на водещите държавни научни центрове, които са и ще бъдат „колективни експерти“, гарантиращи компетентността на решенията на държавните структури в областта на ядрените технологии.

Необходимо е да се даде приоритет на иновативни проекти (включително с активното участие на руски експерти в международния проект INPRO на МААЕ), да се концентрират усилията (финансови и организационни) върху технологии и постижения, които могат да осигурят на Русия достойно място на международния пазар на ядрени технологии. и разширяване на експортните възможности на страната. Необходимо е да се установи международно сътрудничество за разработване на ядрени системи от ново поколение.

Необходимо е да се осигури натрупването, съхраняването и трансферът на знания и опит в ядрената област, с активното включване на изследователите в ядрената индустрия чрез икономически (финансови и др.) и организационни стимули за студенти, специализанти и привличане на водещи инженери, изследователи и учени да работят в „водещите“ ядрени университети и катедри на страната: MEPhI, OIATE, MVTU, MPEI, MIPT, MAI, MSU и др. Практическото изпълнение на задачата за запазване на ядрените знания и опит може да бъде постигнато чрез разработването, одобрението и прилагането на „национална програма“ в тази област, създаването на Руския ядрен център за знания и технологии (интегриран научен и образователен център).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дългосрочните интереси на енергетиката и националната сигурност на Русия, както и устойчивото развитие на страната изискват увеличаване на дела на ядрената енергия в производството на електроенергия, водород, промишлена и битова топлина. Огромният технологичен опит и научно-техническият потенциал, натрупан за 50 години ядрена енергетика в страната, позволяват на Русия, при подходящи условия и иновационна политика, да достигне „ядрената челна позиция“ и да стане един от лидерите на следващата ядрена ера в полза на своите хора, както и водещ доставчик на ядрени технологии, оборудване, знания и опит за развиващите се страни.

Основни ядрени технологии Ядрените технологии са технологии, базирани на протичане на ядрени реакции, както и технологии, насочени към промяна на свойствата и обработка на материали, съдържащи радиоактивни елементи или елементи, върху които протичат ядрени реакции Технологии за ядрена енергия: - Технологии на ядрени реактори, използващи топлинни неутрони -Технологии на ядрени реактори с бързи неутрони -Технологии на високо- и свръхвисокотемпературни ядрени реактори

Ядрено-химични технологии: - Технологии на ядрени суровини и ядрено гориво - Технологии на материали за ядрена технология Ядрени технологии за изотопно обогатяване и производство на моноизотопни и високочисти вещества: - Газодифузионни технологии - Центрофужни технологии - Лазерни технологии Ядрени медицински технологии

Нарастването на населението и световното потребление на енергия в света, остър недостиг на енергия, който ще се увеличава само с изчерпването на природните ресурси и нарастването на търсенето на нея; Засилваща се конкуренция за ограничени и неравномерно разпределени ресурси от изкопаеми горива; изостряне на комплекс от екологични проблеми и увеличаване на екологичните ограничения; нарастваща зависимост от нестабилната ситуация в регионите на страните износителки на петрол и прогресивното нарастване на цените на въглеводородите; Разпоредби, които са неизменни за правене на прогнози в областта на бъдещи сценарии:

Нарастващата разлика в нивото на потребление на енергия на най-богатите и най-бедните страни, разликата в нивата на потребление на енергия на различните страни, създавайки потенциал за социален конфликт; жестока конкуренция между доставчиците на технологии за атомни електроцентрали; необходимостта от разширяване на обхвата на приложение на ядрените технологии и широкомащабното използване на енергийни технологии на ядрени реактори за производствени зони; необходимостта от извършване на структурни промени и реформи в суровите условия на пазарна икономика и др. Разпоредби, които са непоклатими за правене на прогнози в областта на бъдещите сценарии:

Дялове на страните в глобалните CO 2 емисии САЩ - 24,6% Китай - 13% Русия - 6,4% Япония - 5% Индия - 4% Германия - 3,8%. Атомна електроцентрала с електрически капацитет от 1 GW спестява 7 милиона тона емисии на CO 2 годишно в сравнение с топлоелектрическите централи, работещи с въглища, и 3,2 милиона тона емисии на CO 2 в сравнение с топлоелектрическите централи, работещи с газ.

Ядрена еволюция Има около 440 търговски ядрени реактора, работещи по света. Повечето от тях се намират в Европа и САЩ, Япония, Русия, Южна Корея, Канада, Индия, Украйна и Китай. МААЕ изчислява, че поне още 60 реактора ще влязат в експлоатация до 15 години. Въпреки разнообразието от видове и размери, има само четири основни категории реактори: Поколение 1 - реакторите от това поколение са разработени през 50-те и 60-те години на миналия век и са модифицирани и разширени ядрени реактори за военни цели, предназначени за задвижване на подводници или за производство на плутоний Поколение 2 – по-голямата част от реакторите в търговска експлоатация принадлежат към тази класификация. Поколение 3 – реактори от тази категория в момента се въвеждат в експлоатация в някои страни, главно в Япония. Поколение 4 – това включва реактори, които са в етап на разработка и които се планира да бъдат въведени след няколко години.

Ядрена еволюция Реакторите от поколение 3 се наричат „усъвършенствани реактори“. Три такива реактора вече работят в Япония, а други са в процес на разработка или изграждане. В процес на разработка са около двадесет различни типа реактори от това поколение. Повечето от тях са „еволюционни“ модели, разработени на базата на второ поколение реактори, с промени, направени на базата на иновативни подходи. Според Световната ядрена асоциация, поколение 3 се характеризира със следните точки: Стандартизиран дизайн за всеки тип реактор позволява ускоряване на процедурата по лицензиране, намаляване на разходите за дълготрайни активи и продължителността на строителните работи. Опростен и по-здрав дизайн, което ги прави по-лесни за работа и по-малко податливи на повреди по време на работа. Висока наличност и по-дълъг експлоатационен живот - приблизително шестдесет години. Намаляване на възможността от аварии с топене на сърцевината Минимално въздействие върху околната среда. Дълбоко изгаряне на горивото за намаляване на разхода на гориво и производствените отпадъци. поколение 3

Ядрени реактори от трето поколение Европейски реактор с вода под налягане (EPR) EPR е модел, разработен от френския N4 и немския KONVOI, проекти от второ поколение, поръчани във Франция и Германия. Модулен реактор със сферичен слой (PBMR) PBMR е високотемпературен реактор с газово охлаждане (HTGR). Реактор с вода под налягане Налични са следните типове конструкции на големи реактори: APWR (разработен от Mitsubishi и Westinghouse), APWR+ (японски Mitsubishi), EPR (френски Framatome ANP), AP-1000 (американски Westinghouse), KSNP+ и APR-1400 (корейски) компании) и CNP-1000 (Китайска национална ядрена корпорация). В Русия компаниите Atomenergoproekt и Gidropress разработиха подобрен ВВЕР-1200.

Реакторни концепции, избрани за поколение 4 GFR - Бърз реактор с газово охлаждане LFR Бърз реактор с оловно охлаждане MSR - Реактор с разтопена сол: Урановото гориво се разтопява в сол на натриев флуорид, циркулираща през графитните канали на активната зона. Топлината, генерирана в разтопената сол, се отвежда към втория контур Бърз реактор с натриево охлаждане VHTR - Реактор с ултрависока температура: Мощност на реактора 600 MW, активна зона, охлаждана с хелий, графитен модератор. Смята се за най-обещаващата и обещаваща система, насочена към производство на водород. Очаква се VHTR производството на електроенергия да стане високоефективно.

Научните изследвания са в основата на дейността и развитието на ядрената индустрия Всички практически дейности на ядрената енергетика се основават на резултатите от фундаментални и приложни изследвания на свойствата на материята Фундаментални изследвания: фундаментални свойства и структура на материята, нови източници на енергия в ниво на фундаментални взаимодействия Изследване и контрол на свойствата на материалите - Наука за радиационни материали, създаване на структурно устойчиви на корозия, топлоустойчиви, радиационно устойчиви стомани, сплави и композитни материали

Научните изследвания са в основата на дейността и развитието на ядрената индустрия Проектиране, дизайн, технология. Създаване на устройства, оборудване, автоматизация, диагностика, управление (обща, средна и прецизна техника, уредостроене) Моделиране на процеси. Разработване на математически модели, изчислителни методи и алгоритми. Разработване на паралелни изчислителни методи за провеждане на неутронни, термодинамични, механични, химични и други изчислителни изследвания с помощта на суперкомпютри

AE в средносрочен план Очаква се светът да удвои капацитета на ядрената енергия до 2030 г. Очакваното увеличение на капацитета на ядрената енергия може да бъде постигнато въз основа на по-нататъшното развитие на технологиите за реактори с топлинни неутрони и цикъл на ядрено гориво с отворен цикъл Основните проблеми на съвременната ядрена енергия електроцентрала са свързани с натрупването на отработено ядрено гориво (това не са радиоактивни отпадъци!) и риска от разпространение в света на чувствителни технологии на ядрения горивен цикъл и ядрени материали

Задачи за създаване на технологична база за големи атомни електроцентрали Разработване и внедряване на реактори за размножаване на бързи неутрони в атомни електроцентрали Пълно затваряне на ядрения горивен цикъл в атомните електроцентрали за всички делящи се материали Организиране на мрежа от международно ядрено гориво и енергия центрове за предоставяне на набор от услуги в областта на ядрения горивен цикъл Разработване и внедряване на реактори в атомни електроцентрали за промишлено топлоснабдяване, производство на водород, обезсоляване на вода и други цели Внедряване на оптимална схема за рециклиране на силно радиотоксични второстепенни актиниди в ядрената енергетика растения

ПРОИЗВОДСТВО И ПРИЛОЖЕНИЕ НА ВОДОРОД При окисляването на метан върху никелов катализатор са възможни следните основни реакции: CH 4 + H 2 O CO + ZH 2 – 206 kJ CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2 – 248 kJ CH 4 + 0,5 O 2 CO + 2H kJ CO + H 2 O CO 2 + N kJ Високотемпературна конверсия се извършва в отсъствието на катализатори при температури ° C и налягания до 3035 kgf / cm 2, или 33,5 Mn / m 2; в този случай се получава почти пълно окисление на метан и други въглеводороди с кислород до CO и H 2. CO и H 2 се разделят лесно.

ПРОИЗВОДСТВО И ПРИЛОЖЕНИЕ НА ВОДОРОД Редукция на желязо от руда: 3CO + Fe 2 O 3 2Fe + 3CO 2 Водородът е способен да редуцира много метали от техните оксиди (като желязо (Fe), никел (Ni), олово (Pb), волфрам (W), мед (Cu) и др.). Така че, когато се нагрява до температура от °C и по-висока, желязото (Fe) се редуцира с водород от всеки от неговите оксиди, например: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Заключение Въпреки всичките си проблеми, Русия остава велика „ядрена“ сила, както по отношение на военна мощ, така и по отношение на потенциала за икономическо развитие (ядрените технологии в руската икономика). Ядреният щит е гарант за независимата икономическа политика на Русия и стабилността в целия свят. Изборът на ядрената индустрия като двигател на икономиката ще позволи първо машиностроенето, уредостроенето, автоматизацията и електрониката и т.н. да бъдат изведени на прилично ниво, при което ще има естествен преход от количество към качество.

Реакторите от поколение 3 се наричат "усъвършенствани реактори". Три такива реактора вече работят в Япония, а други са в процес на разработка или изграждане. В процес на разработка са около двадесет различни типа реактори от това поколение. Повечето от тях са „еволюционни“ модели, разработени на базата на второ поколение реактори, с промени, направени на базата на иновативни подходи. Според Световната ядрена асоциация, поколение 3 се характеризира със следните точки: Стандартизиран дизайн за всеки тип реактор позволява ускоряване на процедурата по лицензиране, намаляване на разходите за дълготрайни активи и продължителността на строителните работи. Опростен и по-здрав дизайн, което ги прави по-лесни за работа и по-малко податливи на повреди по време на работа. Висока наличност и по-дълъг експлоатационен живот - приблизително шестдесет години. Намаляване на възможността от аварии с топене на сърцевината Минимално въздействие върху околната среда. Дълбоко изгаряне на горивото за намаляване на разхода на гориво и производствените отпадъци.

В този случай енергията на свързване на всеки нуклон с други зависи от общия брой нуклони в ядрото, както е показано на графиката вдясно. Графиката показва, че при леките ядра с увеличаване на броя на нуклоните енергията на свързване нараства, а при тежките ядра тя намалява. Ако добавите нуклони към леки ядра или премахнете нуклони от тежки атоми, тази разлика в енергията на свързване ще се освободи като кинетична енергия на частиците, освободени в резултат на тези действия. Кинетичната енергия (енергията на движение) на частиците се трансформира в топлинно движение на атомите след сблъсък на частици с атоми. Така ядрената енергия се проявява под формата на топлина.

Промяната в състава на ядрото се нарича ядрена трансформация или ядрена реакция. Ядрена реакция с увеличаване на броя на нуклоните в ядрото се нарича термоядрена реакция или ядрен синтез. Ядрена реакция с намаляване на броя на нуклоните в ядрото се нарича ядрен разпад или ядрено делене.

Ядрено делене

Ядреното делене може да бъде спонтанно (спонтанно) или причинено от външни влияния (предизвикано).

Спонтанно делене

Съвременната наука смята, че всички химически елементи, по-тежки от водорода, са синтезирани в резултат на термоядрени реакции вътре в звездите. В зависимост от броя на протоните и неутроните, ядрото може да бъде стабилно или склонно към спонтанно разделяне на няколко части. След края на живота на звездите стабилните атоми формираха света, който познаваме, а нестабилните атоми постепенно се разпаднаха, преди да се образуват стабилни. На Земята до днес са оцелели само две такива нестабилни вещества в индустриални количества ( радиоактивен) химични елементи - уран и торий. Други нестабилни елементи се произвеждат изкуствено в ускорители или реактори.

Верижна реакция

Някои тежки ядра лесно прикрепят външен свободен неутрон, стават нестабилни и се разпадат, излъчвайки няколко нови свободни неутрона. На свой ред тези освободени неутрони могат да навлязат в съседни ядра и също да причинят разпадането им с освобождаването на допълнителни свободни неутрони. Този процес се нарича верижна реакция. За да възникне верижна реакция, е необходимо да се създадат специфични условия: да се концентрира на едно място достатъчно голямо количество вещество, способно на верижна реакция. Плътността и обемът на това вещество трябва да са достатъчни, така че свободните неутрони да нямат време да напуснат веществото, взаимодействайки с ядра с голяма вероятност. Тази вероятност се характеризира коефициент на размножаване на неутрони. Когато обемът, плътността и конфигурацията на веществото позволяват на коефициента на размножаване на неутрони да достигне единица, ще започне самоподдържаща се верижна реакция и масата на делящото се вещество ще се нарича критична маса. Естествено, всеки разпад в тази верига води до освобождаване на енергия.

Хората са се научили да извършват верижни реакции в специални структури. В зависимост от необходимата скорост на верижната реакция и нейното генериране на топлина, тези конструкции се наричат ядрени оръжия или ядрени реактори. В ядрените оръжия се извършва лавинообразна неконтролирана верижна реакция с максимално достижим коефициент на размножаване на неутрони, за да се постигне максимално освобождаване на енергия, преди да настъпи термично разрушаване на структурата. В ядрените реактори те се опитват да постигнат стабилен неутронен поток и отделяне на топлина, така че реакторът да изпълнява задачите си и да не се разпада от прекомерни топлинни натоварвания. Този процес се нарича контролирана верижна реакция.

Контролирана верижна реакция

В ядрените реактори се създават условия за контролирана верижна реакция. Както става ясно от значението на верижната реакция, нейната скорост може да се контролира чрез промяна на коефициента на размножаване на неутрони. За да направите това, можете да промените различни конструктивни параметри: плътността на делящото се вещество, енергийния спектър на неутроните, да въведете вещества, които абсорбират неутрони, да добавите неутрони от външни източници и т.н.

Верижната реакция обаче е много бърз лавинообразен процес, почти невъзможно е надеждно да се контролира директно. Следователно за контролиране на верижната реакция голямо значение имат закъснелите неутрони - неутрони, образувани по време на спонтанния разпад на нестабилни изотопи, образувани в резултат на първичните разпади на делящ се материал. Времето от първичния разпад до забавените неутрони варира от милисекунди до минути, а делът на закъснелите неутрони в неутронния баланс на реактора достига няколко процента. Такива времеви стойности вече позволяват регулирането на процеса с помощта на механични методи. Коефициентът на размножаване на неутрони, като се вземат предвид забавените неутрони, се нарича ефективен коефициент на размножаване на неутрони и вместо критичната маса беше въведена концепцията за реактивност на ядрения реактор.

Динамиката на контролираната верижна реакция се влияе и от други продукти на делене, някои от които могат ефективно да абсорбират неутрони (така наречените неутронни отрови). След като верижната реакция започне, те се натрупват в реактора, намалявайки ефективния коефициент на размножаване на неутрони и реактивността на реактора. След известно време настъпва баланс в натрупването и разпадането на такива изотопи и реакторът влиза в стабилен режим. Ако реакторът бъде спрян, неутронните отрови остават в реактора за дълго време, което затруднява рестартирането му. Характерното време на живот на неутронните отрови във веригата на разпадане на урана е до половин ден. Неутронните отрови пречат на ядрените реактори да променят бързо мощността.

Ядрен синтез

Неутронен спектър

Разпределението на неутронните енергии в неутронния поток обикновено се нарича неутронен спектър. Енергията на неутрона определя модела на взаимодействие на неутрона с ядрото. Обичайно е да се разграничават няколко неутронни енергийни диапазона, от които следните са важни за ядрените технологии:

Топлинни неутрони. Наречени са така, защото са в енергийно равновесие с топлинните трептения на атомите и не им предават енергията си при еластични взаимодействия.
Резонансни неутрони. Наречени са така, защото напречното сечение за взаимодействие на някои изотопи с неутрони с тези енергии има изразени неравномерности.
Бързи неутрони. Неутроните с тези енергии обикновено се произвеждат от ядрени реакции.

Бързи и забавени неутрони

Верижната реакция е много бърз процес. Животът на едно поколение неутрони (т.е. средното време от появата на свободен неутрон до поглъщането му от следващия атом и раждането на следващите свободни неутрони) е много по-малко от микросекунда. Такива неутрони се наричат бързи. При верижна реакция с коефициент на умножение 1,1 след 6 μs броят на незабавните неутрони и освободената енергия ще се увеличат 10 26 пъти. Невъзможно е надеждно да се управлява такъв бърз процес. Следователно забавените неутрони са от голямо значение за контролирана верижна реакция. Забавените неутрони възникват от спонтанното разпадане на фрагменти от делене, останали след първичните ядрени реакции.

Материалознание

Изотопи

В заобикалящата природа хората обикновено се сблъскват със свойствата на веществата, определени от структурата на електронните обвивки на атомите. Например, именно електронните обвивки са изцяло отговорни за химичните свойства на атома. Следователно преди ядрената ера науката не е разделяла веществата по масата на ядрото, а само по неговия електрически заряд. С навлизането на ядрената технология обаче стана ясно, че всички известни прости химични елементи имат много - понякога десетки - разновидности с различен брой неутрони в ядрото и съответно напълно различни ядрени свойства. Тези разновидности се наричат изотопи на химични елементи. Повечето естествено срещащи се химични елементи са смеси от няколко различни изотопа.

По-голямата част от известните изотопи са нестабилни и не се срещат в природата. Те се получават изкуствено за изследване или използване в ядрените технологии. Разделянето на смеси от изотопи на един химичен елемент, изкуственото производство на изотопи и изследването на свойствата на тези изотопи са едни от основните задачи на ядрената технология.

Делещи се материали

Някои изотопи са нестабилни и се разпадат. Разпадането обаче не настъпва веднага след синтеза на изотопа, а след известно време, характерно за този изотоп, наречено полуживот. От името е очевидно, че това е времето, през което половината от съществуващите ядра на нестабилен изотоп се разпадат.

Нестабилните изотопи почти никога не се срещат в природата, тъй като дори най-дълголетните успяха да се разпаднат напълно през милиардите години, изминали от синтеза на веществата около нас в термоядрената пещ на отдавна изчезнала звезда. Има само три изключения: това са два изотопа на урана (уран-235 и уран-238) и един изотоп на торий - торий-232. В допълнение към тях в природата можете да намерите следи от други нестабилни изотопи, образувани в резултат на естествени ядрени реакции: разпадането на тези три изключения и въздействието на космическите лъчи върху горните слоеве на атмосферата.

Нестабилните изотопи са в основата на почти всички ядрени технологии.

Подпомагане на верижната реакция

Отделно има група нестабилни изотопи, които са много важни за ядрените технологии и способни да поддържат верижна ядрена реакция. За да поддържа верижна реакция, изотопът трябва да абсорбира добре неутроните, последвано от разпадане, което води до образуването на няколко нови свободни неутрона. Човечеството има невероятен късмет, че сред нестабилните изотопи, запазени в природата в индустриални количества, имаше един, който поддържа верижна реакция: уран-235. Два други естествено срещащи се изотопа (уран-238 и торий-232) могат относително лесно да бъдат превърнати в изотопи на верижна реакция (съответно плутоний-239 и уран-233). Технологиите за използване на уран-238 в промишлената енергетика в момента са в опитна експлоатация като част от затварянето на ядрения горивен цикъл. Технологиите за използване на торий-232 са ограничени до изследвания и разработки.

Строителни материали

Неутронни абсорбери, модератори и рефлектори

За да се получи верижна реакция и да се контролира, характеристиките на взаимодействието на материалите с неутроните са много важни. Има три основни неутронни свойства на материалите: забавяне на неутрони, поглъщане на неутрони и отражение на неутрони.

По време на еластичното разсейване векторът на движение на неутрона се променя. Ако обградите ядрото на реактора или ядрения заряд с вещество с голямо напречно сечение на разсейване, тогава с известна вероятност неутронът, излъчен от зоната на верижна реакция, ще бъде отразен обратно и няма да бъде загубен. Също така, вещества, които реагират с неутрони, за да образуват нови неутрони, например уран-235, се използват като отражатели на неутрони. В този случай също има значителна вероятност излъченият от активната зона неутрон да реагира със сърцевината на рефлекторното вещество и новообразуваните свободни неутрони да се върнат в зоната на верижна реакция. Рефлекторите се използват за намаляване на изтичането на неутрони от малки ядрени реактори и повишаване на ефективността на ядрените заряди.

Неутронът може да бъде погълнат от ядро, без да излъчва нови неутрони. От гледна точка на верижна реакция такъв неутрон се губи. Почти всички изотопи на всички вещества могат да абсорбират неутрони, но вероятността (напречното сечение) на абсорбция е различна за всички изотопи. Материали със значително напречно сечение на абсорбция на неутрони понякога се използват в ядрени реактори за контролиране на верижни реакции. Такива вещества се наричат абсорбери на неутрони. Например бор-10 се използва за регулиране на верижната реакция. Гадолиний-157 и ербий-167 се използват като горими абсорбери на неутрони, които компенсират изгарянето на делящ се материал в ядрени реактори с дълги горивни кампании.

История

Отваряне

В началото на 20 век Ръдърфорд има огромен принос в изследването на йонизиращото лъчение и структурата на атомите. Ърнест Уолтън и Джон Кокрофт успяха да разделят ядрото на атом за първи път.

Програми за ядрени оръжия

В края на 30-те години на 20-ти век физиците осъзнават възможността за създаване на мощни оръжия, базирани на ядрена верижна реакция. Това доведе до голям интерес на правителството към ядрените технологии. Първата широкомащабна държавна атомна програма се появява в Германия през 1939 г. (виж Германска ядрена програма). Войната обаче усложнява доставката на програмата и след поражението на Германия през 1945 г. програмата е затворена без значителни резултати. През 1943 г. в САЩ започва мащабна програма с кодовото име „Проектът Манхатън“. През 1945 г. като част от тази програма е създадена и тествана първата в света ядрена бомба. Ядрените изследвания в СССР се провеждат от 20-те години. През 1940 г. се разработва първият съветски теоретичен проект за ядрена бомба. Ядрените разработки в СССР са засекретени от 1941 г. Първата съветска ядрена бомба е тествана през 1949 г.

Основният принос за освобождаването на енергия от първите ядрени оръжия беше реакцията на делене. Независимо от това, реакцията на термоядрен синтез се използва като допълнителен източник на неутрони за увеличаване на количеството на реагиралия делящ се материал. През 1952 г. в САЩ и 1953 г. в СССР са тествани конструкции, при които по-голямата част от освобождаването на енергия се създава от реакцията на синтез. Такова оръжие беше наречено термоядрено. В термоядрените боеприпаси реакцията на делене служи за „запалване“ на термоядрената реакция, без да има значителен принос към общата енергия на оръжието.

Ядрена енергия

Първите ядрени реактори са или експериментални, или оръжейни, т.е. предназначени да произвеждат оръжеен плутоний от уран. Създадената от тях топлина се отделя в околната среда. Ниските работни мощности и малките температурни разлики затрудняват ефективното използване на такава нискокачествена топлина за работа на традиционни топлинни двигатели. През 1951 г. тази топлина е използвана за първи път за производство на електроенергия: в САЩ парна турбина с електрически генератор е инсталирана в охладителната верига на експериментален реактор. През 1954 г. е построена първата атомна електроцентрала в СССР, първоначално проектирана за електрически цели.

Технологии

Ядрено оръжие

Има много начини да навредите на хората, използвайки ядрени технологии. Но държавите приемат само експлозивни ядрени оръжия въз основа на верижна реакция. Принципът на действие на такива оръжия е прост: необходимо е да се увеличи максимално коефициентът на размножаване на неутрони във верижната реакция, така че възможно най-много ядра да реагират и да освободят енергия, преди структурата на оръжието да бъде разрушена от генерираната топлина. За да направите това, е необходимо или да увеличите масата на делящото се вещество, или да увеличите неговата плътност. Освен това, това трябва да стане възможно най-бързо, в противен случай бавното увеличаване на освобождаването на енергия ще разтопи и изпари структурата без експлозия. Съответно са разработени два подхода за изграждане на ядрено взривно устройство:

Схема с нарастваща маса, така наречената оръдна схема. Две субкритични парчета делящ се материал бяха монтирани в цевта на артилерийско оръдие. Едната част беше фиксирана в края на цевта, другата действаше като снаряд. Изстрелът събра парчетата, започна верижна реакция и се получи експлозивно освобождаване на енергия. Достижимите скорости на подход в такава схема бяха ограничени до няколко километра в секунда.
Схема с нарастваща плътност, така наречената имплозивна схема. Въз основа на особеностите на металургията на изкуствения изотоп на плутония. Плутоният е способен да образува стабилни алотропни модификации, които се различават по плътност. Ударна вълна, преминаваща през обема на метала, е в състояние да преобразува плутония от нестабилна модификация с ниска плътност в такава с висока плътност. Тази характеристика направи възможно прехвърлянето на плутоний от подкритично състояние с ниска плътност в суперкритично състояние със скоростта на разпространение на ударната вълна в метала. За да създадат ударна вълна, те използваха конвенционални химически експлозиви, като ги поставиха около плутониевия модул, така че експлозията да притисне сферичния модул от всички страни.

И двете схеми бяха създадени и тествани почти едновременно, но схемата за имплозия се оказа по-ефективна и по-компактна.

Източници на неутрони

Друг ограничител на освобождаването на енергия е скоростта на увеличаване на броя на неутроните във верижната реакция. В подкритичен делящ се материал се получава спонтанно разпадане на атоми. Неутроните от тези разпади стават първите в лавиноподобна верижна реакция. Въпреки това, за максимално освобождаване на енергия е изгодно първо да се отстранят всички неутрони от веществото, след това да се прехвърли в свръхкритично състояние и едва след това да се въведат неутрони на запалване в веществото в максимално количество. За да се постигне това, се избира делящо се вещество с минимално замърсяване от свободни неутрони от спонтанни разпадания и в момента на прехвърляне в суперкритично състояние се добавят неутрони от външни импулсни неутронни източници.

Източниците на допълнителни неутрони се основават на различни физически принципи. Първоначално експлозивните източници, базирани на смесване на две вещества, станаха широко разпространени. Радиоактивен изотоп, обикновено полоний-210, беше смесен с изотоп на берилий. Алфа радиацията от полоний предизвиква ядрена реакция на берилий с освобождаване на неутрони. Впоследствие те бяха заменени от източници, базирани на миниатюрни ускорители, върху мишените на които се проведе реакция на ядрен синтез с добив на неутрони.

В допълнение към източниците на запалване на неутрони се оказа изгодно да се въведат допълнителни източници във веригата, които се задействат от началото на верижна реакция. Такива източници са изградени на базата на реакции на синтез на леки елементи. Ампули, съдържащи вещества като литиев-6 деутерид, бяха инсталирани в кухина в центъра на плутониевия ядрен модул. Потоци от неутрони и гама лъчи от развиващата се верижна реакция нагряват ампулата до температури на термоядрен синтез, а плазмата от експлозия компресира ампулата, подпомагайки температурата с налягане. Реакцията на синтез започна, доставяйки допълнителни неутрони за верижната реакция на делене.

Термоядрени оръжия

Източниците на неутрони, базирани на реакцията на синтез, сами по себе си са значителен източник на топлина. Въпреки това, размерът на кухината в центъра на плутониевия модул не може да поеме много материал за синтез и ако бъде поставен извън плутониевото делящо се ядро, не би било възможно да се получат условията на температура и налягане, необходими за синтеза. Беше необходимо да се обгради веществото за синтез с допълнителна обвивка, която, възприемайки енергията на ядрена експлозия, да осигури ударно компресиране. Те направиха голяма ампула от уран-235 и я монтираха до ядрения заряд. Мощните неутронни потоци от верижната реакция ще предизвикат лавинообразно делене на уранови атоми в ампулата. Въпреки подкритичната конструкция на урановата ампула, общият ефект на гама лъчи и неутрони от верижната реакция на пилотната ядрена експлозия и собственото делене на ядрата на ампулата ще създадат условия за синтез вътре в ампулата. Сега размерът на ампулата с веществото за синтез се оказа практически неограничен и приносът на освобождаването на енергия от ядрения синтез многократно надвишава освобождаването на енергия от възпламеняването на ядрения взрив. Такива оръжия започнаха да се наричат термоядрени.

Въз основа на контролирана верижна реакция на делене на тежки ядра. В момента това е единствената ядрена технология, която осигурява икономически изгодно промишлено производство на електроенергия от атомни електроцентрали.

Въз основа на реакцията на синтез на леки ядра. Въпреки добре познатата физика на процеса, все още не е възможно да се изгради икономически осъществима електроцентрала.

Атомна електроцентрала

Сърцето на атомната електроцентрала е ядрен реактор - устройство, в което се извършва контролирана верижна реакция на делене на тежки ядра. Енергията на ядрените реакции се освобождава под формата на кинетична енергия на фрагменти на делене и се превръща в топлина поради еластични сблъсъци на тези фрагменти с други атоми.

Горивен цикъл

Известен е само един естествен изотоп, който е способен на верижна реакция - уран-235. Промишлените му запаси са малки. Ето защо днес инженерите вече търсят начини за производство на евтини изкуствени изотопи, които поддържат верижната реакция. Най-обещаващ е плутоният, произведен от обикновения изотоп уран-238 чрез улавяне на неутрон без делене. Лесно се произвежда в същите енергийни реактори като страничен продукт. При определени условия е възможна ситуация, когато производството на изкуствен делящ се материал напълно покрива нуждите на съществуващите атомни електроцентрали. В този случай те говорят за затворен горивен цикъл, който не изисква доставка на делящ се материал от естествен източник.

Ядрени отпадъци

Отработеното ядрено гориво (ОЯГ) и конструктивните материали на реакторите с индуцирана радиоактивност са мощни източници на опасни йонизиращи лъчения. Технологиите за работа с тях интензивно се усъвършенстват в посока минимизиране на количеството на депонираните отпадъци и намаляване на периода на тяхната опасност. ОЯГ също е източник на ценни радиоактивни изотопи за индустрията и медицината. Повторната преработка на ОЯГ е необходима стъпка за затваряне на горивния цикъл.