Tuumatehnoloogia inimese teenistuses. Tuumatehnoloogiate Füüsika ja Tehnoloogia Instituut, tuumatehnoloogiate osakonna juhataja Igor Vladimirovitš Šamanin

A. B. Koldobsky

Tuumaplahvatus on ainulaadne füüsikaline nähtus, ainuke meetod, mille inimkond on omandanud, et vabastada koheselt kolossaalsed, tõeliselt kosmilised energiakogused, võrreldes seadme enda massi ja ruumalaga. Oleks ebaloogiline eeldada, et selline nähtus jääb teadlastele ja inseneridele märkamatuks.

Esimesed teaduslikud ja tehnilised väljaanded selle probleemi kohta ilmusid USA-s ja NSV Liidus 50ndate keskel. 1957. aastal võttis USA aatomienergia komisjon vastu tuumalõhketehnoloogiate rahumeelse kasutamise teadus- ja tehnikaprogrammi Plowshare (NET). Esimene rahumeelne tuumaplahvatus selle programmi raames - "Gnome", saagisega 3,4 kt - viidi läbi Nevada katsepaigas 1961. aastal ja 15. jaanuaril 1965 pinnase väljapaiskumise plahvatus, mille saagis oli umbes 140 kt, teostatakse jõesängis. Chagan avas Semipalatinski katsepolügooni territooriumil Nõukogude programmi N 7.

Viimane Nõukogude rahumeelne tuumaplahvatus Rubin-1 korraldati Arhangelski oblastis 6. septembril 1988. Selle aja jooksul korraldati NSV Liidus 115 sarnast plahvatust (RF - 81, Kasahstan - 29, Usbekistan ja Ukraina - kumbki 2, Türkmenistan - 1). Antud juhul kasutatud seadmete keskmine võimsus oli 14,3 kt ja kahte kõige võimsamat plahvatust (140 ja 103 kt) arvestamata - 12,5 kt.

Miks täpselt korraldati rahumeelsed tuumaplahvatused? Hoolimata selle küsimuse kogu "eksootilisusest", tuleb sellele vastata oma olemuslikult; idee, et nad on tuumateadlaste peaaegu amatöörlikud "lõbusad", kasutud, kuid pigem kõik ning loodusele ja ühiskonnale väga kahjulikud.

Nii et 115 rahumeelsest tuumaplahvatusest 39 viidi läbi maapõue sügava seismilise sondeerimise eesmärgil mineraalide otsimiseks, 25 - nafta- ja gaasiväljade intensiivistamiseks, 22 - maa-aluste mahutite loomiseks ladustamiseks. gaas ja kondensaat, 5 - avarii gaasipurskkaevude kustutamiseks, 4 - tehiskanalite ja -reservuaaride loomiseks, 2 iga - maagi purustamiseks karjäärimaardlates, maa-aluste reservuaaride loomiseks - kollektorid kemikaalide tootmisel tekkivate mürgiste jäätmete eemaldamiseks ja puistetammide rajamine, 1 - maa-alustes söekaevandustes kivimite lõhkemise ja gaasiheitmete vältimiseks, 13 - radioaktiivsete ainete enesematmise protsesside uurimine plahvatuse keskses tsoonis. Olulisemad kliendid olid NSVL Geoloogiaministeerium (51 plahvatust), Mingazprom (26) ning Nafta- ja gaasitööstuse ministeerium (13). Tegelikult viidi keskmise masinaehituse ministeeriumi tellimusel läbi 19 rahumeelset tuumaplahvatust.

Arutamata siin erinevatel eesmärkidel toimuvate plahvatuste tööstuslikku ja majanduslikku efektiivsust (selle juurde tuleme osaliselt tagasi allpool), tuleks öeldu põhjal teha ilmselge järeldus: tegemist on tehnoloogiaga, mis on kindlasti ohtlik, kuid paljudel juhtudel väga tõhus ja mõnikord, nagu näeme, pole tehnilisi alternatiive. Ja seetõttu tuleks tuumalõhketehnoloogiatest rääkida just sellistena, kuid üldsegi mitte kui mõnest Saatana atribuudist, nii lahutamatust kui väävlilõhn, saba ja hark.

Mis puutub ohtu... Vähemalt ühe inimese elule ja tervisele plahvatuse tagajärjel tekitatud kahju kohta puuduvad usaldusväärsed andmed ning ühelgi tööl osalejal või elanikul pole olnud usaldusväärselt fikseeritud põhjust. ja-mõju seos vanusega seotud tervise halvenemise ja plahvatuse fakti vahel. Rääkida neis tingimustes tuumalõhketehnoloogiate “erilisest ohust”, teades Bhopalist (1500 hukkunut korraga), Sevesost ja Minamatast, kohutavast hukkunute arvust söekaevandustes, autoõnnetustes jne. kuidagi ebamugav. Samas ei taha autor sugugi esineda keemiatööstuse või autotranspordi vastasena, ta soovib juhtida lugeja tähelepanu lihtsale, kuid paraku kohati “looduskaitsjate” tähelepanu alt kõrvale jäävale. tõsiasi, et puuduvad ohutud tehnoloogiad, et tehnoloogiline risk on saavutatud tsivilisatsiooni arengutaseme vältimatu hind ning selle riski täielik tagasilükkamine on võrdne tehnoloogiate endi tagasilükkamisega, mis toob inimkonna kohe tagasi nahkade, koobaste ja kivikirved. Kui tuumalõhketehnoloogiate “erioht” mõne meedia esituses tuleneb vaid sellest, et tegemist on tuumalõhkeainega, siis liigub jutt teisele tasandile, mis jääb sellest artiklist väljapoole – pädevust ja tõeline mure väliskeskkonna heaolu pärast, kuid tavaliselt palju erakondlikku poliitikat.

Sisuliselt tuleks kõigi tehnoloogiate mõistlik arutelu läbi viia (kui pidada silmas ainult asja tehnilisi, majanduslikke ja keskkonnaaspekte) sihtnelinurgas “mõju-kahju-kulu-alternatiiv”. Tuumasõja puhul sellest aga ei piisa, sest “nelinurk” muutub piltlikult öeldes “kuubiks”, kui pidada silmas poliitilise ja ennekõike juriidilise aspekti erakordset tähtsust. probleemist.

See tähendab, et loomulikult on mõttetu arutada tuumarelvade üle, võttes abstraheerituna üldise tuumakatsetuste keelustamise lepingu artikli 1 lõikest 1. mille 1. lõige keelab otseselt osaleval riigil (sh Venemaal) toota mis tahes tuumarelvi, olenemata nende eesmärgist ja eesmärgist. Seda arvesse võttes soovib autor oma seisukohta selgelt määratleda: ta ei nõua mingil juhul asutamislepingu läbivaatamist ega veelgi vähem selle rikkumist. Tema pakutud lähenemisviisi eesmärk on tuumarelvade võimeid erapooletult ja mõistlikult analüüsides vastata küsimusele nende kasutamise otstarbekuse kohta teatud juhtudel; nimelt neil juhtudel, kui selline kasutamine majanduslikust, keskkonnaalasest, sotsiaalsest vaatenurgast on objektiivselt parim lahendus mõnele olulisele probleemile ja seetõttu on õigus loota rahvusvahelisele mõistmisele ja nõusolekule (loomulikult isegi vihjetele saamise võimalusele). mis tahes sõjalised hüved). Ja kui vastus sõnastatud küsimusele on sisuliselt positiivne, siis tehke jõupingutusi sellise järelduse laitmatuks legaliseerimiseks mainitud lepinguga ette nähtud raamistikus - mida käsitletakse allpool.

Tulles tagasi arutelu tuumarelvade kui sellise juurde, märgime, et “Programmi nr 7” rakendamise algusest peale lähtuti põhimõttest, et tuumarelvade kasutamise eelduseks on kas “traditsioonilise” puudumine. tehnoloogia või selle kasutamise majanduslik ja/või keskkonnaalane ebaotstarbekus. Seejärel muutusid need nõuded veelgi karmimaks:

"1. Mitte mingil juhul ei tohiks isegi mõelda tuumaplahvatustele, mis võivad viia mõõdetavas koguses radioaktiivseid tooteid inimesele ligipääsetavatesse keskkonnaaladesse. Need on kõik nn väliste plahvatuste tüübid, mis toovad kaasa nähtavaid muutusi maapinnal - veehoidlate (Chagan), kanalite (Taiga rajatis, Permi piirkond), muldkehade (Kristall, Sahha-Jakuutia) ehitamine, kraatrite ehitamine (“ Galit”, Kasahstan). Tuleb meeles pidada, et sellistel juhtudel on peaaegu alati olemas tehnoloogiline alternatiiv (tammi, kanali või veehoidla saab ehitada traditsiooniliste meetoditega).

"2. Tuumaplahvatusi ei tohiks kasutada, mille tagajärjel puutuvad radioaktiivsed tooted, kuigi otseselt inimkeskkonda ei satu (siseplahvatused või kamuflaažiplahvatused), kuid puutuvad kokku inimeste poolt kasutatavate toodetega (gaasi- ja kondensaadihoidlate teke, maak nafta- ja gaasiväljade purustamine, intensiivistamine). Kuigi sellistele plahvatustele sageli tehnoloogilist alternatiivi pole, on tavaliselt olemas sihipärane alternatiiv (kurnatud väljade intensiivistamise asemel saab suunata jõupingutused uute uurimisele ja väljatöötamisele). Lisaks on praktikas ilmnenud soovimatud kiirgustagajärjed: tööstusobjektide saastumine selliste õõnsuste puurimisel ("torkamine"), nende töömahu kaotus ja radioaktiivsete soolvee pinnale surumine kivisoolakihtides tekkinud gaasihoidlate töötamise ajal. , jne.).

"3. Kõik tuumakamuflaažiplahvatused tuleks "külmutada", kui need pole ainus - kiire ja tõhus - probleemi ulatusele vastav lahendus (näiteks hädaolukorras kasutatavad gaasipurskkaevud).

Esimene mahasurumine viidi läbi Usbekistanis Urta-Bulaki gaasiväljal, kus 2450 m sügavuselt avastati gaasimahuti rõhuga üle 300 atm. 11. detsembril 1963 toimus gaasi eraldumine, mis põhjustas avariipurskkaevu keskmise ööpäevase vooluhulgaga 12 miljonit m3 – sellest piisaks sellise linna nagu Peterburi varustamiseks. Lisaks majanduslikele kahjudele oli keskkonnakahju tõeliselt kolossaalne - gaas sisaldas olulisel määral väga mürgist vesiniksulfiidi, mille pikaajaline mõju elusloodusele võib viia ettearvamatute tagajärgedeni ning tekkinud tulekahju lisas sellele süsinikoksiide. Autor, kes on ise osaline hilisemates sedalaadi töödes, ei unusta kunagi hädaabigaasi purskkaevu haisvat vesiniksulfiidi hõngu.

Peaaegu kolm aastat kestnud katsed selle katastroofiga traditsiooniliste meetoditega toime tulla ebaõnnestusid ning selle aja jooksul läks kaduma umbes 15,5 miljardit m3 gaasi. Tuumateadlased asusid asja kallale. Tolleaegse MSM-i ministri E. P. Slavsky juhtimisel töötati välja originaalne meetod eraldumise kõrvaldamiseks, mis põhineb kaldkaevu puurimisel Maa pinnalt avariikaevu tüveni ja spetsiaalse tuumalaengu lõhkamisel (koos võimsus 30 kt) üle 1500 m sügavusel ja umbes 40 m kaugusel tüvest. Mõte seisnes selles, et tohutu – kümneid tuhandeid atmosfääre ulatuv – survetsoonis olev rõhk lõikaks avarii tüve nagu käärid läbi.

Pärast plahvatust (30. september 1966) lakkas gaasi eraldumine avariikaevust 25 sekundi pärast (!). Radioaktiivseid tooteid pinnale ei sattunud ja välja edasisel kasutamisel ei esinenud komplikatsioone.

Sarnasel viisil taltsutati veel neli hädaabigaasi purskkaevu (Usbekistanis, Türkmenistanis, Ukrainas ja Venemaal). Antud juhul kasutati seadmeid võimsusega 4–47 kt, mis lõhati sügavusel 1510–2480 m. Ei täheldatud varajast detonatsioonijärgset ega ka radioaktiivsete saaduste hilist eraldumist maapinnale. Tuleb märkida, et kahel väljal oli traditsiooniliste meetodite kasutamine läbipuhumise kõrvaldamiseks täiesti võimatu, kuna avariikaevu selgelt väljendunud suudme puudumisel toimus gaasi intensiivne rõhujaotus piki ülemist läbilaskvat geoloogilist horisonti koos gaasigrifiinide moodustumisega suurel alal (suudmest kuni kilomeetri raadiuses).

Hoolimata tulevase energiaarengu stsenaariumide mitmekesisusest ja erinevustest, on selles valdkonnas prognooside tegemiseks vankumatu hulk sätteid:

rahvastiku ja globaalse energiatarbimise kasv maailmas;
Kasvav konkurents piiratud ja ebaühtlaselt jaotunud fossiilkütuste ressursside pärast;
sõltuvuse suurenemine ebastabiilsest olukorrast naftat eksportivate riikide piirkondades;
keskkonnapiirangute suurendamine;
suurenev erinevus energiatarbimises rikkaimate ja vaesemate riikide vahel.

Nendes tingimustes suureneb tuumaenergia (NE) roll energeetikat ja sotsiaalpoliitilist arengut stabiliseeriva tegurina.

Kõigist probleemidest hoolimata jääb “tuuma-” Venemaa suurriigiks nii sõjalise jõu kui ka majandusarengu (tuumatehnoloogia Venemaa majanduses) mõttes.

Just Venemaa president esines ÜRO-s aastatuhande tippkohtumisel (september 2000) algatusega tagada tuumatehnoloogiatel põhineva arengu energiastabiilsus. See algatus osutus äärmiselt õigeaegseks ja leidis toetust maailma üldsusest: IAEA peakonverentsi neljas resolutsioonis ja kahes ÜRO Peaassamblee resolutsioonis tervitatakse Venemaa presidendi initsiatiivi kui arengumaade püüdlustele vastavat ja võimalust ühtlustada suhteid tööstusriikide ja arengumaade vahel.

Vene Föderatsiooni presidendi algatus on poliitiline aktsioon, mitte tehniline projekt. Nii et maailma üldsus nõustus sellega ja see kajastus rahvusvahelises IAEA projektis INPRO - tuumaelektrijaamade ja tuumakütusetsükli (NFC) uuendusliku kontseptsiooni väljatöötamise kohta, välistades kõige tundlikumate materjalide ja tehnoloogiate kasutamise. globaalses energiasektoris – “vaba” plutoonium ja kõrgelt rikastatud uraan ning avades maailmale põhimõtteliselt uued eluväljavaated” (september 2000).

Rahvusvahelise INPRO projekti elluviimine võimaldas ühendada 21 IAEA liikmesriigi ekspertide jõupingutused ning töötada välja nõuded ja kriteeriumid tuumaelektrijaamade, tuumajaamade ja tuumakütuse tsüklite arendamiseks.

Presidendi ettepanekute sisu rõhutamine poliitilise algatusena võimaldas lääneriikide poolt politseifunktsioonidega organisatsioonina peetava IAEA õhkkonda “tervislikumaks”, orienteerides IAEA-d ülemaailmse foorumi rollile, kus arutletakse tuumaenergia koht maailmas ja eriti arengumaade jaoks - vastavalt algatusel presidendile. Veelgi enam, Vene Föderatsiooni presidendi algatus hõlmab tuumaelektrijaamade ja tuumakütusetsüklite uue uuendusliku tuumatehnoloogia üleandmist uuele teadlaste ja inseneride põlvkonnale - kui meie teadmiste ja kogemuste pärand. IAEA uus programm „teadmiste säilitamise” valdkonnas on keskendunud teadmiste ja kogemuste säilitamisele tuumaenergia kõige arenenumas ja tulevase arengu võtmetähtsusega (kuid täna mittenõutud) valdkonnas – suletud tuumkütusetsüklis olevad kiired neutronreaktorid.

Teadmiste säilitamine ja üleandmine uuele põlvkonnale kattub ülemaailmse tuumaenergeetika valdkonna koostöö ülesandega: “Lääs – Ida” ja “Põhja – Lõuna”; teadmiste edasiandmiseks nii ajas kui ruumis - uutesse piirkondadesse (eeskätt arengumaadesse, kus elab 4/5 planeedi elanikkonnast ja kasutatakse alla 1/25 tuumaenergia võimsusest).

See oli põhjus rahvusvahelise tuumaülikooli loomise algatuseks (IAEA initsiatiivil, mida toetavad Maailma Tuumaassotsiatsioon (WNA) ja Maailma Tuumaoperaatorite Assotsiatsioon (WANO)) - algatuste loogiline edasiarendus. Vene Föderatsiooni presidendi poolt.

Riigisisesel tuumaenergeetika arendusprogrammi praktilisel elluviimisel ja meie tehniliste projektide elluviimisel rahvusvahelisel turul on aga negatiivsed suundumused järjest selgemini ilmnemas. Esimene kell on juba kõlanud: hanke kaotamine Soomes, mis tähendab spetsialistide jaoks praktilist võimalust kaotust turule pääseda mitte ainult Euroopas, vaid ka (samadel põhjustel, mis Soomes) kahanemist. eduvõimalused järgmistel aastakümnetel Hiinas ja ka teistes Aasia riikides. Veelgi enam, lähitulevikus muutub olukord rahvusvahelisel turul palju ebasoodsamaks järgmistel põhjustel:

tuumaelektrijaama jõuplokkide dekomisjoneerimine, millele Rosatom (kontsern TVEL) kütust tarnib (Ignalina TEJ, mitmed Kozloduja blokid jne);
Ida-Euroopa riikide liitumine Euroopa Liiduga - VVER-tüüpi reaktoritega tuumajaamade omanikud;
tuumakütuse tarnete lõppemine USA-sse HEU-LEU lepingu alusel pärast 2013. aastat;
tsentrifuugitehnoloogiaga tehase kasutuselevõtt USA-s pärast 2006. aastat;
riikidevaheliste korporatsioonide loomine tuumasektoris (ressursside koondamine, kulude vähendamine);
USA välja töötatud uute konkurentsivõimeliste tuumaelektrijaamade projektide rakendamine (AR-1000,
HTGR) ja teistes riikides (EPR).

Lisaks on tuumatööstuse arengut raskendavaid sisemisi raskusi (koos investeerimisfondide puudumisega):

tuumaelektrijaamade dekomisjoneerimine nende kasutusea lõpus;
kolme tööstusreaktori sulgemine Zheleznogorskis ja Severskis;
varasematel aastatel kogunenud odava uraanitoorme reservide vähendamine;
riigi ühtsete ettevõtete õiguste piirangud;
ebatäiuslik investeerimis- ja tariifipoliitika.

Isegi kontserni omavahendite maksimaalsel võimalikul kasutamisel (vastavalt Venemaa energiastrateegiale) jääb tuumajaamade panus riigi energiabilanssi vaatamata “tuumaenergia” tohutule tehnoloogilisele ja personalipotentsiaalile väga tagasihoidlikuks. .

Olukord on viimasel ajal oluliselt halvenenud seoses Venemaa tuumakompleksi reformiga ja võimsa valitsusasutuse Minatomi muutmisega agentuuriks Rosatom. Tuumakaitse- ja energiakompleksi eduka arendamise algfaasis oli riigi roll määrav kõigis aspektides: organisatsiooniline, rahaline ja teaduslik, sest see kompleks määras riigi suveräänse võimu ja tulevase majanduse. Spetsialistidele on ilmne, et riigi tuumakilp ja globaalsed tuumatehnoloogiad on ühe teadusliku ja tehnoloogilise kompleksi kaks külge. Ilma tuumatehnoloogia kulutõhusa rahumeelse kasutamiseta kukutab "tuumakilp" kas Venemaa majanduse kokku või muutub "kilbiks", mis ei taga riigi täielikku julgeolekut.

Samal ajal osutus Venemaa suveräänsuse peamine mehhanism ja vundament - tuumakompleks - väljaspool riigipea - Venemaa presidendi - otsese mõjusfääri.

Selle tulemusena põhjustab tegeliku tuumaenergiastrateegia ebaselgus põlvkondadevahelise järjepidevuse kadumise. Seega ei ole kiirete neutronreaktorite arendamise ja tuumaalase kõrghariduse alal kõige arenenumal riigil Venemaal praegu riiklikku programmi tuumaalaste teadmiste ja kogemuste säilitamiseks, nagu ka riiklikku programmi osalemiseks Maailma Tuumaülikool.

TUUMAENERGIA EDASIARENDAMINE

Tuumatehnoloogia edasine tõhus arendamine nende erilise “tundlikkuse” tõttu on võimatu ilma tiheda rahvusvahelise koostööta. Samas on väga oluline õigesti tuvastada see tehnoloogiline ja “turu” nišš, kus kodumaised arendused on endiselt esikohal.

Traditsioonilise tuumaenergia maailmaturul on lähiajal ees Soomes hanke võitnud European Power Reactor (EPR) ning Ameerika AR-1000 ja Aasia (Korea ja Jaapani) reaktorite edasine laienemine.

Valmis tehnilise projekti puudumine ja ebakindlus uue põlvkonna VVER-i (VVER-1500) etalondemonstratsiooni ajastusega, samuti „standardse”, täielikult lõpetatud VVER-1000 projekti puudumine muudab Venemaa positsiooni traditsiooniliste jõuseadmete välisturg haavatav. Tegevusprogrammi valimiseks on kõigepealt vaja läbi viia kodumaiste VVER-1000 ja VVER-1500 projektide peamiste näitajate võrdlev analüüs nende lääne konkurentidega rakendamise ajal.

Nendes tingimustes, võttes arvesse lepingulisi kohustusi Hiinas ja Indias, on vaja koondada rahalised vahendid standardse konkurentsivõimelise VVER-1000 valmimisele ja tutvustamisele sise- ja välisturgudel ning VVER-1500 tehnilise projekti elluviimiseks, mis on võrreldav aastal sooritustingimused EPR-ile.

Innovaatiliste väikeste tuumaelektrijaamade turg (kodune ja väline) võib olla Venemaale potentsiaalselt soodne. Suur kodumaine kogemus mereväe ja jäämurdjate laevastiku (üle 500 tuumareaktori) tuumaelektrijaamade arendamisel ja loomisel ning olmevee-vee ja vedelmetalli (Pb-Bi) tuumaelektrijaamade ainulaadsus tuumaelektrijaamade arengumaade potentsiaalselt tohutu energiaturg, muudab selle valdkonna kodu- ja välisturgude prioriteediks. Venemaa on ideaalne katsepolügoon traditsiooniliste tuumaelektrijaamade (VVER-1000 agregaatidega) ja väikeste tuumaelektrijaamade uuenduslike arenduste (elekter, magestamine, küte) harmoonilise arengu demonstreerimiseks. Samas saab demonstreerida pigem “toote” (tuumaelektriplokk, kütus) pakkumise liisinguvõimalust, mitte tehnoloogiat, mis on üks “relva leviku tõkestamise” probleemi lahendamise võimalustest.

Siin võib otsustavaks osutuda väikeste transporditavate (näiteks ujuvate) tuumaelektrijaamade loomine pideva tööperioodiga (ülekoormuseta kogu tööperioodi jooksul) ~ 10–20 aastat.

Üldiselt tunnustatakse kiirneutronreaktorite rolli tuumaenergeetika edasises arengus nii uraan-plutoonium kui ka toorium-uraan suletud kütusetsüklite abil kütusevarustuse probleemi lahendamise alusena.

Oluline roll on uue põlvkonna kiirneutronite tuumakütuse aretusreaktorite ja uute tuumkütuse ümbertöötlemismeetodite väljatöötamisel ja rakendamisel, et sulgeda tuumkütusetsükkel ja lahendada tuumaenergia praktiliselt piiramatu kütusevarustuse probleem. Kiirete reaktorite tehnoloogia tunnustatud kõrgtase Venemaal, ainsana seda tüüpi kommertsreaktorit kasutavas riigis, koos kogemustega tuumkütuse ümbertöötlemisel võimaldab Venemaal pikas perspektiivis pretendeerida ühele ülemaailmse tuumaenergia liidri rollile. pakkudes teenuseid tuumkütuse tootmiseks ja ümbertöötlemiseks paljudes riikides üle maailma, vähendades samal ajal tuumarelvade leviku ohtu, sealhulgas "relvaklassi" plutooniumi energiakasutuse kaudu.

Selle probleemi lahendamise vajalik ja kohustuslik tingimus on ennekõike täielikult suletud tuumkütusetsükli väljatöötamine, mis nõuab üsna tõsiseid investeeringuid:

kompleks plutooniumkütuse tootmiseks kiirreaktorite ja MOX kütuse tootmiseks VVER reaktorite jaoks;
plutooniumi kütuse töötlemise kompleks;
kompleks tooriumikütuse tootmiseks ja töötlemiseks.

BN-800-ga tuumaelektrijaama ehitamise küsimust on praegu raske lahendada. Ehitus nõuab palju kulusid. Argumentidena BN-800 kiire ehitamise vajaduse kasuks on toodud järgmised:

uraan-plutoonium kütuse töötlemine;
relvade klassi "ülejäägi" plutooniumi energiakasutus;
teadmiste ja kogemuste säilitamine kiirreaktorite arendamisel Venemaal.

Samas ületavad spetsiifilised kapitaliinvesteeringud ja tarnitud elektri maksumus BN-800 puhul oluliselt VVER reaktoriga tuumaelektrijaamade oma.

Lisaks tundub kulukas kogu tootmiskompleks läbi viia kütusetsükli sulgemiseks ja kasutada seda ainult ühe BN-800 jaoks.

Tuumaenergia eeliseid on võimatu täielikult realiseerida, kui see ei osale transpordis ja muudes tööstuslikes rakendustes kasutatava tehisliku vedelkütuse tootmises. Kõrgtemperatuuriliste heeliumireaktoritega tuumaelektrijaamade loomine on viis tuumaenergia kasutamiseks vesiniku tootmiseks ja selle laialdane kasutamine vesinikumajanduse ajastul. Selle eesmärgi saavutamiseks on vaja projekti väljatöötamine lõpule viia ja luua näidisüksus kõrgtemperatuursete heeliumjahutusega reaktorite arendamiseks, mis on võimelised tootma soojust temperatuuril kuni 1000 °C, elektrienergia tootmiseks kõrgel temperatuuril. tõhusus gaasiturbiini tsüklis ning kõrge temperatuuriga soojuse ja elektriga varustamiseks vesiniku tootmisprotsessidesse, samuti vee magestamise, keemia-, naftarafineerimise, metallurgia ja muude tööstusharude tehnoloogilistesse protsessidesse.

Enamik analüütikuid tunnistab, et tuumaenergia innovatsiooniprobleemidega tuleb tegeleda järgmise kahe aastakümne jooksul, et tagada uute tehnoloogiate kaubanduslik kasutuselevõtt käesoleva sajandi kolmekümnendatel.

Seega seisame täna silmitsi tungiva vajadusega välja töötada ja rakendada tehnoloogilisi uuendusi, mis tagavad riigi tuumaenergia pikaajalise ja laiaulatusliku arengu, tuumatehnoloogiad, mis tagavad nende ajaloolise rolli elluviimise Venemaa tulevikus. Selle probleemi lahendamine üksi on võimatu. Vaja on aktiivset koostööd ülemaailmse tuumakogukonnaga. See maailma kogukond näitab aga oma kavatsust jätta meid tuumatee kõrvale.

Uuenduslike tuumatehnoloogiate väljatöötamine on keeruline ja kapitalimahukas ülesanne. Selle lahendus käib ühele riigile üle jõu. Seetõttu on maailma kogukonnas tekkimas koostöö uuenduslike tuumatehnoloogiate arendamisel – nii valitsustevahelisel kui ka tööstusettevõtete tasandil. See viitab sellele

seoses 28. veebruaril 2005 USA, Inglismaa, Prantsusmaa, Jaapani ja Kanada vahel sõlmitud uue põlvkonna tuumaenergiasüsteemide arendamise lepinguga: kiire heeliumireaktor; kiire naatriumireaktor; kiire pliireaktor; sulasoola reaktor; ülekriitiliste parameetritega kergveereaktor; ülikõrge temperatuuriga reaktor. Venemaa, kellel on mõne sellise tehnoloogiaga ainulaadne kogemus, selles partnerluses ei osale. Mis see on: ajutine ekskommunikatsioon või meie läänepartnerite stabiilne positsioon?

VAJALIK TEGEVUSED

Riigi kütuse- ja energiakompleksis on vaja aktiivset riiklikku poliitikat, mis on suunatud tuumatehnoloogia kiirema arengu tagamisele: jõupingutuste ja vahendite koondamisega riigi toetuse suurendamiseks investeerimispoliitikas ja uuenduslikes tuumaenergiaprojektides.

Tuumaenergia valdkonna uuendustegevuse toetamiseks ja stimuleerimiseks on vaja moodustada finants- ja majandusmehhanismid.

On ilmne, et turg ilma täiendavate valitsuse reguleerimise meetmeteta ei vii riigi majandust kõrgtehnoloogilisele arengutrajektoorile ning tuumaenergia ja tuumkütusetsükkel on riigi majanduse üks struktuurse nihke ja läbimurde valdkondi. 21. sajandi tehnoloogiad.

Tundub olevat vajalik taastada tõhusad korporatiivsed sidemed majanduslikel meetoditel põhinevas ahelas „teadus – projekt – tööstus”, tugevdades samal ajal juhtivate riiklike teaduskeskuste rolli, mis on ja saavad olema „kollektiiveksperdid”, mis tagavad riigistruktuuride otsuste pädevuse. tuumatehnoloogia valdkond.

On vaja seada prioriteediks uuenduslikud projektid (sealhulgas Venemaa ekspertide aktiivsel osalusel rahvusvahelises IAEA INPRO projektis), koondada jõupingutused (rahalised ja organisatsioonilised) tehnoloogiatele ja saavutustele, mis suudavad tagada Venemaale väärilise koha rahvusvahelisel tuumatehnoloogia turul. ja laiendada riigi ekspordivõimet. Uue põlvkonna tuumasüsteemide arendamiseks on vaja luua rahvusvaheline koostöö.

Vajalik on tagada tuumavaldkonna teadmiste ja kogemuste kogumine, säilitamine ja edasiandmine, tuumatööstuse teadlaste aktiivne kaasamine läbi majanduslike (rahaliste jne) ja organisatsiooniliste stiimulite üliõpilastele, magistrantidele ja üliõpilaste ligimeelitamisele. juhtivatele inseneridele, teadlastele ja teadlastele tööle riigi "juhtivates" tuumaülikoolides ja osakondades: MEPhI, OIATE, MVTU, MPEI, MIPT, MAI, MSU jne. Tuumaalaste teadmiste ja kogemuste säilitamise ülesande praktiline elluviimine võib saavutada selle valdkonna riikliku programmi väljatöötamise, heakskiitmise ja rakendamise ning Venemaa tuumakeskuse teadmiste ja tehnoloogia (integreeritud teadus- ja hariduskeskus) loomise kaudu.

KOKKUVÕTE

Venemaa energia- ja riigijulgeoleku pikaajalised huvid, aga ka riigi jätkusuutlik areng nõuavad tuumaenergia osakaalu suurendamist elektri, vesiniku, tööstusliku ja kodusoojuse tootmisel. Riigis 50 aasta jooksul kogutud suur tehnoloogiline kogemus ning teaduslik ja tehniline potentsiaal võimaldavad Venemaal asjakohastel tingimustel ja innovatsioonipoliitikal jõuda "tuumavaldkonna esirinnale" ja saada kasuks järgmise tuumaajastu üheks liidriks. oma inimestest, aga ka juhtiv tuumatehnoloogia, seadmete, teadmiste ja kogemuste tarnija arengumaadele.

Põhilised tuumatehnoloogiad Tuumatehnoloogiad on tehnoloogiad, mis põhinevad tuumareaktsioonidel, samuti tehnoloogiad, mille eesmärk on muuta radioaktiivseid elemente või tuumareaktsioone tekitavaid elemente sisaldavate materjalide omadusi ja töötlemist Tuumaenergia tehnoloogiad: - termilisi neutroneid kasutavate tuumareaktorite tehnoloogiad. -Kiireneutronite tuumareaktorite tehnoloogiad -Kõrge- ja ülikõrge temperatuuriga tuumareaktorite tehnoloogiad

Tuumakeemiatehnoloogiad: - Tuumatooraine ja tuumakütuse tehnoloogiad - Tuumatehnoloogia materjalide tehnoloogiad Isotoopide rikastamise ning monoisotoopsete ja kõrge puhtusastmega ainete tootmise tuumatehnoloogiad: - Gaasi difusioonitehnoloogiad - Tsentrifuugitehnoloogiad - Lasertehnoloogiad Tuumameditsiini tehnoloogiad

Rahvastiku ja globaalse energiatarbimise kasv maailmas, terav energiapuudus, mis loodusvarade ammendudes ja nõudluse kasvades selle järele vaid suureneb; Kasvav konkurents piiratud ja ebaühtlaselt jaotunud fossiilkütuste ressursside pärast; keskkonnaprobleemide kompleksi süvenemine ja keskkonnapiirangute suurenemine; suurenev sõltuvus ebastabiilsest olukorrast naftat eksportivate riikide piirkondades ja süsivesinike hindade järkjärguline tõus; Tulevikustsenaariumide valdkonnas prognooside tegemisel muutumatud sätted:

Kasvav erinevus rikkaimate ja vaesemate riikide energiatarbimise tasemes, eri riikide energiatarbimise tasemete erinevus, mis tekitab sotsiaalse konflikti potentsiaali; tihe konkurents tuumaelektrijaamade tehnoloogiatarnijate vahel; vajadus laiendada tuumatehnoloogiate rakendusala ja tuumareaktorite suuremahulist energiatehnoloogia kasutamist tootmispiirkondades; vajadus viia läbi struktuurseid muudatusi ja reforme turumajanduse karmides tingimustes jne. Tulevikustsenaariumide vallas prognooside tegemiseks vankumatud sätted:

Riikide osakaalud globaalses CO 2 emissioonis USA - 24,6% Hiina - 13% Venemaa - 6,4% Jaapan - 5% India - 4% Saksamaa - 3,8%. 1 GW elektrilise võimsusega tuumaelektrijaam säästab aastas 7 miljonit tonni CO 2 emissiooni võrreldes kivisöe soojuselektrijaamadega ja 3,2 miljonit tonni CO 2 heitkoguseid võrreldes gaasiküttel töötavate soojuselektrijaamadega.

Tuumaareng Maailmas töötab umbes 440 kaubanduslikku tuumareaktorit. Enamik neist asub Euroopas ja USA-s, Jaapanis, Venemaal, Lõuna-Koreas, Kanadas, Indias, Ukrainas ja Hiinas. IAEA prognoosib, et 15 aasta jooksul hakkab tööle veel vähemalt 60 reaktorit. Vaatamata erinevatele tüüpidele ja suurustele on reaktoreid ainult neli peamist kategooriat: 1. põlvkond – selle põlvkonna reaktorid töötati välja 1950. ja 1960. aastatel ning need on sõjaliseks otstarbeks modifitseeritud ja suurendatud tuumareaktorid, mis on mõeldud allveelaevade või allveelaevade käitamiseks. plutooniumi tootmiseks 2. põlvkond – valdav enamus kommertskasutuses olevatest reaktoritest kuulub sellesse klassifikatsiooni. 3. põlvkond – selle kategooria reaktoreid võetakse praegu kasutusele mõnes riigis, peamiselt Jaapanis. 4. põlvkond – see hõlmab arendusjärgus olevaid reaktoreid, mis on plaanis kasutusele võtta mõne aasta pärast.

Tuumaareng 3. põlvkonna reaktoreid nimetatakse "täiustatud reaktoriteks". Jaapanis töötab juba kolm sellist reaktorit ja rohkem on arendamisel või ehitamisel. Arendamisel on umbes kakskümmend erinevat tüüpi selle põlvkonna reaktoreid. Enamik neist on "evolutsioonilised" mudelid, mis on välja töötatud teise põlvkonna reaktorite baasil ja mille muudatused on tehtud uuenduslike lähenemisviiside alusel. Maailma Tuumaassotsiatsiooni andmetel iseloomustavad 3. põlvkonda järgmised punktid: Standardiseeritud projekt iga reaktoritüübi jaoks võimaldab kiirendada litsentsimise menetlust, vähendada põhivara maksumust ja ehitustööde kestust. Lihtsustatud ja vastupidavam disain, mis muudab need hõlpsamini käsitsetavaks ja vähem vastuvõtlikuks töö ajal riketele. Kõrge kättesaadavus ja pikem kasutusiga - umbes kuuskümmend aastat. Südamiku sulamisega juhtuvate õnnetuste võimaluse vähendamine.Minimaalne mõju keskkonnale. Sügav kütuse läbipõlemine, et vähendada kütusekulu ja tootmisjääke. 3. põlvkond

Kolmanda põlvkonna tuumareaktorid Euroopa survestatud veereaktor (EPR) EPR on Prantsusmaal ja Saksamaal kasutusele võetud teise põlvkonna N4 ja Saksa KONVOI mudel. Ball Bed Modular Reactor (PBMR) PBMR on kõrge temperatuuriga gaasjahutusega reaktor (HTGR). Surveveereaktor Saadaval on järgmist tüüpi suurte reaktorite konstruktsioonid: APWR (arendaja Mitsubishi ja Westinghouse), APWR+ (Jaapani Mitsubishi), EPR (Prantsuse Framatome ANP), AP-1000 (Ameerika Westinghouse), KSNP+ ja APR- 1400 (Korea). ettevõtted) ja CNP-1000 (China National Nuclear Corporation). Venemaal on ettevõtted Atomenergoproekt ja Gidropress välja töötanud täiustatud VVER-1200.

4. põlvkonna GFR jaoks valitud reaktorikontseptsioonid – gaasjahutusega kiirreaktor LFRPliijahutusega kiirreaktor MSR – sulasoola reaktor: uraanikütus sulatatakse naatriumfluoriidsoolas, mis ringleb läbi südamiku grafiidikanalite. Sulasoolas tekkiv soojus eemaldatakse sekundaarringi Naatriumjahutusega kiirreaktor VHTR - Ülikõrge temperatuuriga reaktor: Reaktori võimsus 600 MW, südamik jahutatakse heeliumiga, grafiidi moderaator. Seda peetakse kõige paljutõotavamaks ja paljutõotavamaks vesiniku tootmiseks mõeldud süsteemiks. VHTR-i elektritootmine peaks muutuma väga tõhusaks.

Teadusuuringud on tuumatööstuse tegevuse ja arengu aluseks Kõik tuumaenergeetika praktilised tegevused põhinevad aine omaduste fundamentaal- ja rakendusuuringute tulemustel. Fundamentaaluuringud: aine fundamentaalsed omadused ja struktuur, uued energiaallikad. fundamentaalsete vastastikmõjude tase Materjali omaduste uurimine ja kontroll – Kiirgusmaterjaliteadus, struktuursete korrosioonikindlate, kuumakindlate, kiirguskindlate teraste, sulamite ja komposiitmaterjalide loomine

Teadusuuringud on tuumatööstuse tegevuse ja arengu aluseks Disain, disain, tehnoloogia. Seadmete, seadmete loomine, automaatika, diagnostika, juhtimine (üld-, kesk- ja täppistehnika, instrumentide valmistamine) Protsesside modelleerimine. Matemaatiliste mudelite, arvutusmeetodite ja algoritmide väljatöötamine. Paralleelarvutusmeetodite väljatöötamine neutroonikate, termodünaamiliste, mehaaniliste, keemiliste ja muude arvutusuuringute läbiviimiseks superarvutite abil

AE keskpikas perspektiivis Aastaks 2030 peaks maailm kahekordistama tuumaenergia võimsust.Tuumaenergia võimsuse eeldatav kasv on saavutatav termiliste neutronreaktorite tehnoloogiate ja avatud ahelaga tuumakütusetsükli edasiarendamise põhjal Kaasaegse tuumaenergia põhiprobleemid elektrijaamad on seotud kasutatud tuumkütuse akumuleerumisega (see ei ole radioaktiivsed jäätmed!) ning tuumakütusetsükli ja tuumamaterjalide tundlike tehnoloogiate leviku ohuga maailmas.

Ülesanded tehnoloogilise baasi loomiseks suuremahulistele tuumaelektrijaamadele Kiirete neutronite aretusreaktorite väljatöötamine ja juurutamine tuumaelektrijaamades Tuumakütuse tsükli täielik sulgemine tuumaelektrijaamades kõikide lõhustuvate materjalide jaoks Rahvusvahelise tuumakütuse ja -energia võrgustiku korraldamine keskused, mis pakuvad mitmesuguseid teenuseid tuumakütuse tsükli valdkonnas. Tööstusliku soojusvarustuse, vesiniku tootmise, vee magestamise ja muudel eesmärkidel reaktorite arendamine ja rakendamine tuumaelektrijaamades. Optimaalse skeemi rakendamine väga radiotoksiliste väikeste aktiniidide ringlussevõtuks tuumaenergias taimed

VESINIKU TOOTMINE JA KASUTAMINE Metaani oksüdeerimisel nikkelkatalüsaatoril on võimalikud järgmised põhireaktsioonid: CH 4 + H 2 O CO + ZH 2 – 206 kJ CH 4 + CO 2 2 CO + 2H 2 – 248 kJ CH 4 + 0,5 O 2 CO + 2H kJ CO + H 2 O CO 2 + N kJ Kõrgtemperatuuriline muundamine toimub katalüsaatorite puudumisel temperatuuril °C ja rõhul kuni 3035 kgf/cm 2 ehk 33,5 Mn/m 2 ; sel juhul toimub metaani ja teiste süsivesinike peaaegu täielik oksüdatsioon hapnikuga CO-ks ja H 2. CO ja H 2 on kergesti eraldatavad.

VESINIKU TOOTMINE JA KASUTAMINE Raua redutseerimine maagist: 3CO + Fe 2 O 3 2Fe + 3CO 2 Vesinik on võimeline redutseerima paljusid metalle nende oksiididest (nt raud (Fe), nikkel (Ni), plii (Pb), volfram (W) , vask (Cu) jne). Seega taandub raud (Fe) temperatuurini °C ja kõrgemale kuumutamisel vesinikuga mis tahes selle oksiidist, näiteks: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Kokkuvõte Vaatamata kõigile oma probleemidele on Venemaa endiselt suur "tuumajõud" nii sõjalise võimsuse kui ka majandusarengu potentsiaali (tuumatehnoloogia Venemaa majanduses) poolest. Tuumakilp on Venemaa sõltumatu majanduspoliitika ja stabiilsuse tagaja kogu maailmas. Tuumatööstuse valimine majanduse mootoriks võimaldab esmalt viia korralikule tasemele masinaehituse, instrumentide valmistamise, automaatika ja elektroonika jne, mille käigus toimub loomulik üleminek kvantiteedilt kvaliteedile.

3. põlvkonna reaktoreid nimetatakse "täiustatud reaktoriteks". Jaapanis töötab juba kolm sellist reaktorit ja rohkem on arendamisel või ehitamisel. Arendamisel on umbes kakskümmend erinevat tüüpi selle põlvkonna reaktoreid. Enamik neist on "evolutsioonilised" mudelid, mis on välja töötatud teise põlvkonna reaktorite baasil ja mille muudatused on tehtud uuenduslike lähenemisviiside alusel. Maailma Tuumaassotsiatsiooni andmetel iseloomustavad 3. põlvkonda järgmised punktid: Standardiseeritud projekt iga reaktoritüübi jaoks võimaldab kiirendada litsentsimise menetlust, vähendada põhivara maksumust ja ehitustööde kestust. Lihtsustatud ja vastupidavam disain, mis muudab need hõlpsamini käsitsetavaks ja vähem vastuvõtlikuks töö ajal riketele. Kõrge kättesaadavus ja pikem kasutusiga - umbes kuuskümmend aastat. Südamiku sulamisega juhtuvate õnnetuste võimaluse vähendamine.Minimaalne mõju keskkonnale. Sügav kütuse läbipõlemine, et vähendada kütusekulu ja tootmisjääke.

Sel juhul sõltub iga nukleoni sidumisenergia teistega tuumas olevate nukleonide koguarvust, nagu on näidatud parempoolsel graafikul. Graafik näitab, et kergete tuumade puhul nukleonide arvu suurenedes seostumisenergia suureneb ja raskete tuumade puhul väheneb. Kui lisate kergetele tuumadele nukleone või eemaldate nukleonid rasketest aatomitest, vabaneb see sidumisenergia erinevus nende toimingute tulemusena vabanevate osakeste kineetilise energiana. Osakeste kineetiline energia (liikumisenergia) muutub pärast osakeste kokkupõrget aatomitega aatomite soojusliikumiseks. Seega avaldub tuumaenergia soojuse kujul.

Tuuma koostise muutumist nimetatakse tuumatransformatsiooniks või tuumareaktsiooniks. Tuumareaktsiooni, millega kaasneb nukleonide arvu suurenemine tuumas, nimetatakse termotuumareaktsiooniks või tuumasünteesiks. Tuumareaktsiooni, millega kaasneb nukleonide arvu vähenemine tuumas, nimetatakse tuuma lagunemiseks või tuuma lõhustumiseks.

Tuuma lõhustumine

Tuuma lõhustumine võib olla spontaanne (spontaanne) või välismõjude põhjustatud (indutseeritud).

Spontaanne lõhustumine

Kaasaegne teadus usub, et kõik vesinikust raskemad keemilised elemendid sünteesiti tähtede sees toimuvate termotuumareaktsioonide tulemusena. Sõltuvalt prootonite ja neutronite arvust võib tuum olla stabiilne või kalduda spontaanselt mitmeks osaks jagunema. Pärast tähtede eluea lõppu moodustasid meile tuntud maailma stabiilsed aatomid ja ebastabiilsed aatomid lagunesid järk-järgult enne stabiilsete tekkimist. Maal on tänapäevani säilinud ainult kaks sellist ebastabiilset ainet tööstuslikus koguses ( radioaktiivsed) keemilised elemendid - uraan ja toorium. Muid ebastabiilseid elemente toodetakse kunstlikult kiirendites või reaktorites.

Ahelreaktsioon

Mõned rasked tuumad seovad kergesti välise vaba neutroni, muutuvad ebastabiilseks ja lagunevad, emiteerides mitu uut vaba neutronit. Need vabanenud neutronid võivad omakorda siseneda naabertuumadesse ja põhjustada nende lagunemist täiendavate vabade neutronite vabanemisega. Seda protsessi nimetatakse ahelreaktsiooniks. Ahelreaktsiooni toimumiseks on vaja luua spetsiifilised tingimused: koondada ühte kohta piisavalt suur kogus ahelreaktsiooniks võimelist ainet. Selle aine tihedus ja maht peavad olema piisavad, et vabadel neutronitel ei oleks aega ainest lahkuda, interakteerudes suure tõenäosusega tuumadega. Seda tõenäosust iseloomustatakse neutronite korrutustegur. Kui aine maht, tihedus ja konfiguratsioon võimaldavad neutronite korrutusteguril jõuda ühtsuseni, algab isemajandav ahelreaktsioon ja lõhustuva aine massi nimetatakse kriitiliseks massiks. Loomulikult viib iga lagunemine selles ahelas energia vabanemiseni.

Inimesed on õppinud ahelreaktsioone läbi viima spetsiaalsetes struktuurides. Sõltuvalt nõutavast ahelreaktsiooni kiirusest ja selle soojuse tekkest nimetatakse neid konstruktsioone tuumarelvadeks või tuumareaktoriteks. Tuumarelvades viiakse laviinilaadne kontrollimatu ahelreaktsioon läbi maksimaalse saavutatava neutronite korrutusteguriga, et saavutada maksimaalne energia vabanemine enne konstruktsiooni termilist hävimist. Tuumareaktorites püütakse saavutada stabiilset neutronivoogu ja soojuse eraldumist, et reaktor täidaks oma ülesandeid ega kukuks kokku liigsetest soojuskoormustest. Seda protsessi nimetatakse kontrollitud ahelreaktsiooniks.

Kontrollitud ahelreaktsioon

Tuumareaktorites luuakse tingimused selleks kontrollitud ahelreaktsioon. Nagu ahelreaktsiooni tähendusest selgub, saab selle kiirust kontrollida neutronite korrutusteguri muutmisega. Selleks saab muuta erinevaid projekteerimisparameetreid: lõhustuva aine tihedust, neutronite energiaspektrit, sisestada aineid, mis neelavad neutroneid, lisada neutroneid välistest allikatest jne.

Ahelreaktsioon on aga väga kiire laviinilaadne protsess, seda on peaaegu võimatu otseselt kontrollida. Seetõttu on ahelreaktsiooni kontrollimiseks suur tähtsus hilinenud neutronitel – lõhustuva materjali esmase lagunemise tulemusena tekkinud ebastabiilsete isotoopide spontaansel lagunemisel tekkivatel neutronidel. Aeg primaarsest lagunemisest hilinenud neutroniteni varieerub millisekunditest minutiteni ning hilinenud neutronite osakaal reaktori neutronite tasakaalus ulatub mõne protsendini. Sellised ajaväärtused võimaldavad juba protsessi reguleerida mehaaniliste meetoditega. Neutronite korrutustegurit, võttes arvesse viivitatud neutroneid, nimetatakse efektiivseks neutronite korrutusteguriks ja kriitilise massi asemel võeti kasutusele tuumareaktori reaktiivsuse mõiste.

Kontrollitud ahelreaktsiooni dünaamikat mõjutavad ka teised lõhustumisproduktid, millest osad suudavad tõhusalt neutroneid neelata (nn neutronimürgid). Kui ahelreaktsioon algab, kogunevad need reaktorisse, vähendades efektiivset neutronite korrutustegurit ja reaktori reaktsioonivõimet. Mõne aja pärast tekib selliste isotoopide kogunemises ja lagunemises tasakaal ning reaktor lülitub stabiilsesse režiimi. Kui reaktor välja lülitada, jäävad neutronimürgid reaktorisse pikaks ajaks, mistõttu on raske taaskäivitada. Neutronimürkide iseloomulik eluiga uraani lagunemisahelas on kuni pool ööpäeva. Neutronimürgid takistavad tuumareaktorite võimsust kiiresti muutmast.

Tuumasünteesi

Neutronite spekter

Neutronite energiate jaotust neutronivoos nimetatakse tavaliselt neutronite spektriks. Neutroni energia määrab neutroni ja tuuma vastastikmõju mustri. Tavapärane on eristada mitut neutronite energiavahemikku, millest tuumatehnoloogiate jaoks on olulised järgmised:

Termilised neutronid. Neid nimetatakse nii, kuna nad on energiatasakaalus aatomite termiliste vibratsioonidega ega kanna neile oma energiat elastse vastastikmõju ajal.
Resonantsneutronid. Neid nimetatakse selliseks, kuna mõnede isotoopide ja nende energiate neutronite interaktsiooni ristlõige on selgelt ebaühtlane.
Kiired neutronid. Nende energiate neutronid tekivad tavaliselt tuumareaktsioonide käigus.

Kiired ja viivitatud neutronid

Ahelreaktsioon on väga kiire protsess. Ühe põlvkonna neutronite eluiga (see tähendab, et keskmine aeg vaba neutroni ilmumisest kuni selle neeldumiseni järgmise aatomi poolt ja järgmiste vabade neutronite sünnini) on palju väiksem kui mikrosekund. Selliseid neutroneid nimetatakse kiireteks. Ahelreaktsioonis korrutusteguriga 1,1 suureneb 6 μs pärast kiirneutronite arv ja vabanev energia 10 26 korda. Nii kiiret protsessi on võimatu usaldusväärselt juhtida. Seetõttu on viivitatud neutronid kontrollitud ahelreaktsiooni jaoks väga olulised. Viivitatud neutronid tekivad primaarsete tuumareaktsioonide järel allesjäänud lõhustumisfragmentide spontaansest lagunemisest.

Materjaliteadus

Isotoobid

Ümbritsevas looduses kohtab inimene tavaliselt ainete omadusi, mis on määratud aatomite elektrooniliste kestade struktuuriga. Näiteks elektronkihid vastutavad täielikult aatomi keemiliste omaduste eest. Seetõttu ei eraldanud teadus enne tuumaajastut aineid tuuma massi järgi, vaid ainult selle elektrilaengu järgi. Tuumatehnoloogia tulekuga sai aga selgeks, et kõigil tuntud lihtsatel keemilistel elementidel on palju – vahel kümneid – sorte, mille tuumas on erinev arv neutroneid ja vastavalt ka täiesti erinevad tuumaomadused. Neid sorte hakati nimetama keemiliste elementide isotoopideks. Enamik looduslikult esinevaid keemilisi elemente on mitme erineva isotoobi segud.

Valdav enamus teadaolevatest isotoopidest on ebastabiilsed ega esine looduses. Neid saadakse kunstlikult uurimiseks või tuumatehnoloogias kasutamiseks. Ühe keemilise elemendi isotoopide segude eraldamine, isotoopide kunstlik tootmine ja nende isotoopide omaduste uurimine on tuumatehnoloogia ühed põhiülesanded.

Lõhustuvad materjalid

Mõned isotoobid on ebastabiilsed ja lagunevad. Kuid lagunemine ei toimu kohe pärast isotoobi sünteesi, vaid mõne aja pärast, mis on sellele isotoobile iseloomulik, mida nimetatakse poolestusajaks. Nimest nähtub, et see on aeg, mille jooksul lagunevad pooled ebastabiilse isotoobi olemasolevatest tuumadest.

Ebastabiilseid isotoope looduses peaaegu kunagi ei leidu, kuna isegi kõige pikema elueaga isotoobid suutsid täielikult laguneda miljardite aastate jooksul, mis on möödunud meid ümbritsevate ainete sünteesist ammu väljasurnud tähe termotuumaahjus. On ainult kolm erandit: need on kaks uraani isotoopi (uraan-235 ja uraan-238) ja üks tooriumi isotoop - toorium-232. Lisaks neile võib looduses leida jälgi ka teistest ebastabiilsetest isotoopidest, mis on tekkinud looduslike tuumareaktsioonide tulemusena: nende kolme erandi lagunemine ja kosmiliste kiirte mõju atmosfääri ülemistele kihtidele.

Ebastabiilsed isotoobid on peaaegu kõigi tuumatehnoloogiate aluseks.

Ahelreaktsiooni toetamine

Eraldi on ebastabiilsete isotoopide rühm, mis on tuumatehnoloogia jaoks väga oluline ja suudab säilitada tuuma ahelreaktsiooni. Ahelreaktsiooni säilitamiseks peab isotoop neutroneid hästi absorbeerima, millele järgneb lagunemine, mille tulemusena tekib mitu uut vaba neutronit. Inimkonnal on uskumatult vedanud, et looduses tööstuslikes kogustes säilinud ebastabiilsete isotoopide hulgas oli üks, mis toetab ahelreaktsiooni: uraan-235. Kaks teist looduslikult esinevat isotoopi (uraan-238 ja toorium-232) saab suhteliselt kergesti muundada ahelreaktsiooni isotoobideks (vastavalt plutoonium-239 ja uraan-233). Tehnoloogiad uraan-238 kaasamiseks tööstusenergiasse on praegu katsetamisel osana tuumakütusetsükli sulgemisest. Toorium-232 kaasamise tehnoloogiad piirduvad teadus- ja arendustegevusega.

Ehitusmaterjalid

Neutronite absorbeerijad, moderaatorid ja reflektorid

Ahelreaktsiooni saamiseks ja selle kontrollimiseks on materjalide ja neutronitega interaktsiooni tunnused väga olulised. Materjalidel on kolm peamist neutronite omadust: neutronite pidurdamine, neutronite neeldumine ja neutronite peegeldumine.

Elastse hajumise käigus neutronite liikumisvektor muutub. Kui ümbritseda reaktori südamik või tuumalaeng suure hajumise ristlõikega ainega, siis mingi tõenäosusega peegeldub ahelreaktsiooni tsoonist eralduv neutron tagasi ega lähe kaduma. Samuti kasutatakse neutroni reflektoritena aineid, mis reageerivad neutronitega, moodustades uusi neutroneid, näiteks uraan-235. Sel juhul on ka märkimisväärne tõenäosus, et südamikust eralduv neutron reageerib reflektoraine tuumaga ja äsja moodustunud vabad neutronid pöörduvad tagasi ahelreaktsiooni tsooni. Reflektoreid kasutatakse väikeste tuumareaktorite neutronite lekke vähendamiseks ja tuumalaengute efektiivsuse suurendamiseks.

Tuum võib neelata neutronit ilma uusi neutroneid kiirgamata. Ahelreaktsiooni seisukohalt on selline neutron kadunud. Peaaegu kõik ainete isotoobid suudavad neelata neutroneid, kuid neeldumise tõenäosus (ristlõige) on kõikide isotoopide puhul erinev. Mõnikord kasutatakse tuumareaktorites ahelreaktsioonide juhtimiseks materjale, millel on märkimisväärne neutronite neeldumise ristlõige. Selliseid aineid nimetatakse neutronite absorberiteks. Näiteks boor-10 kasutatakse ahelreaktsiooni reguleerimiseks. Gadoliinium-157 ja erbium-167 kasutatakse põlevate neutronite absorbeerijatena, mis kompenseerivad lõhustuva materjali põlemist tuumareaktorites pikkade kütusekampaaniatega.

Lugu

Avamine

20. sajandi alguses andis Rutherford tohutu panuse ioniseeriva kiirguse ja aatomite struktuuri uurimisse. Ernest Walton ja John Cockcroft suutsid esimest korda aatomi tuuma poolitada.

Tuumarelvade programmid

20. sajandi 30. aastate lõpus mõistsid füüsikud võimalust luua tuumaahelreaktsioonil põhinevaid võimsaid relvi. See tõi kaasa valitsuse suure huvi tuumatehnoloogia vastu. Esimene ulatuslik riiklik aatomiprogramm ilmus Saksamaal 1939. aastal (vt Saksamaa tuumaprogramm). Kuid sõda muutis programmi pakkumise keeruliseks ja pärast Saksamaa lüüasaamist 1945. aastal suleti programm märkimisväärsete tulemusteta. 1943. aastal sai USA-s alguse laiaulatuslik programm koodnimega Manhattani projekt. 1945. aastal loodi ja katsetati selle programmi raames maailma esimene tuumapomm. NSV Liidus on tuumauuringuid tehtud alates 20. aastatest. 1940. aastal töötatakse välja esimene nõukogude teoreetiline tuumapommi projekt. Tuumaarendusi NSV Liidus on salastatud alates 1941. aastast. Esimest Nõukogude tuumapommi katsetati 1949. aastal.

Põhilise panuse esimeste tuumarelvade energia vabastamisse andis lõhustumisreaktsioon. Sellest hoolimata kasutati termotuumasünteesi reaktsiooni täiendava neutronite allikana, et suurendada reageerinud lõhustuva materjali hulka. 1952. aastal USA-s ja 1953. aastal NSV Liidus katsetati konstruktsioone, milles suurem osa energia vabanemisest tekkis termotuumasünteesi reaktsioonil. Sellist relva nimetati termotuumarelvaks. Termotuuma laskemoonas on lõhustumisreaktsiooni ülesandeks termotuumareaktsiooni süttimine, ilma et see aitaks oluliselt kaasa relva üldisesse energiasse.

Tuumaenergia

Esimesed tuumareaktorid olid kas eksperimentaalsed või relvakvaliteediga, see tähendab, et need olid mõeldud uraanist relvakvaliteediga plutooniumi tootmiseks. Nende tekitatud soojus vabanes keskkonda. Madalad töövõimsused ja väikesed temperatuurierinevused raskendasid sellise madala kvaliteediga soojuse tõhusat kasutamist traditsiooniliste soojusmootorite käitamiseks. 1951. aastal kasutati seda soojust esimest korda elektri tootmiseks: USA-s paigaldati katsereaktori jahutusringi auruturbiin koos elektrigeneraatoriga. 1954. aastal ehitati NSV Liidus esimene tuumaelektrijaam, mis oli algselt mõeldud elektrienergia tootmiseks.

Tehnoloogiad

Tuumarelv

Tuumatehnoloogiat kasutavate inimeste kahjustamiseks on palju võimalusi. Kuid riigid võtsid kasutusele ainult ahelreaktsioonil põhinevad plahvatusohtlikud tuumarelvad. Selliste relvade tööpõhimõte on lihtne: ahelreaktsioonis on vaja maksimeerida neutronite korrutustegurit, et võimalikult palju tuumasid reageeriks ja vabastaks energiat enne, kui tekkiv kuumus hävitab relva struktuuri. Selleks on vaja kas suurendada lõhustuva aine massi või suurendada selle tihedust. Pealegi tuleb seda teha võimalikult kiiresti, vastasel juhul sulab energia vabanemise aeglane suurenemine ja aurustab konstruktsiooni plahvatuseta. Sellest lähtuvalt on tuumalõhkekeha ehitamiseks välja töötatud kaks lähenemisviisi:

Suureneva massiga skeem, nn kahuriskeem. Kaks alakriitilist lõhustuva materjali tükki paigaldati suurtükiväerelva torusse. Üks tükk oli kinnitatud toru otsa, teine toimis mürsuna. Lask viis tükid kokku, algas ahelreaktsioon ja plahvatuslik energia vabanemine. Saavutatavad lähenemiskiirused olid sellise skeemi puhul piiratud paari km/sek.
Suureneva tihedusega skeem, nn implosive skeem. Lähtudes plutooniumi tehisisotoobi metallurgia iseärasustest. Plutoonium on võimeline moodustama stabiilseid allotroopseid modifikatsioone, mis erinevad tiheduse poolest. Metalli ruumala läbiv lööklaine on võimeline muutma plutooniumi ebastabiilsest madala tihedusega modifikatsioonist suure tihedusega modifikatsiooniks. See omadus võimaldas viia plutooniumi madala tihedusega subkriitilisest olekust ülekriitilisse olekusse lööklaine levimise kiirusega metallis. Lööklaine tekitamiseks kasutasid nad tavapäraseid keemilisi lõhkeaineid, asetades need ümber plutooniumisõlme, nii et plahvatus pigistas sfäärilise sõlme igast küljest.

Mõlemad skeemid loodi ja testiti peaaegu samaaegselt, kuid implosiooniskeem osutus tõhusamaks ja kompaktsemaks.

Neutronite allikad

Teine energia vabanemise piiraja on neutronite arvu suurenemise kiirus ahelreaktsioonis. Subkriitilises lõhustuvas materjalis toimub aatomite spontaanne lagunemine. Nendest lagunemistest tulenevad neutronid saavad laviinilaadses ahelreaktsioonis esimesteks. Energia maksimaalseks vabanemiseks on aga kasulik esmalt eemaldada ainest kõik neutronid, seejärel viia see ülekriitilisse olekusse ja alles seejärel viia ainesse maksimaalses koguses süüteneutroneid. Selle saavutamiseks valitakse spontaansest lagunemisest tekkinud vabade neutronitega minimaalse saastumisega lõhustuv aine ning ülekriitilisse olekusse ülemineku hetkel lisatakse neutroneid välistest impulssneutroniallikatest.

Täiendavate neutronite allikad põhinevad erinevatel füüsikalistel põhimõtetel. Esialgu levisid kahe aine segamisel põhinevad plahvatusohtlikud allikad. Radioaktiivne isotoop, tavaliselt poloonium-210, segati berülliumi isotoobiga. Polooniumi alfakiirgus põhjustas berülliumi tuumareaktsiooni neutronite vabanemisega. Seejärel asendati need miniatuursetel kiirenditel põhinevate allikatega, mille sihtmärkidel viidi läbi neutronite saagisega tuumasünteesi reaktsioon.

Lisaks süüteneutronite allikatele osutus soodsaks lisada ahelasse täiendavaid allikaid, mis vallanduvad ahelreaktsiooni alguses. Sellised allikad ehitati valguselementide sünteesireaktsioonide alusel. Plutooniumi tuumasõlme keskel olevasse õõnsusse paigaldati ampullid, mis sisaldavad aineid nagu liitium-6 deuteriid. Arenevast ahelreaktsioonist tekkivad neutronite ja gammakiirte vood kuumutasid ampulli termotuumasünteesi temperatuurini ja plahvatusplasma surus ampulli kokku, aidates temperatuuri tõusta rõhul. Algas termotuumasünteesi reaktsioon, mis varustas lõhustumise ahelreaktsiooni jaoks täiendavaid neutroneid.

Termotuumarelvad

Termotuumasünteesi reaktsioonil põhinevad neutroniallikad olid ise olulised soojusallikad. Plutooniumisõlme keskmes oleva õõnsuse suurus ei mahutanud aga palju sünteesiks vajalikku materjali ning plutooniumi lõhustuvast tuumast väljapoole paigutatuna poleks võimalik saavutada sünteesiks vajalikke temperatuuri- ja rõhutingimusi. Sünteesimiseks mõeldud aine oli vaja ümbritseda täiendava kestaga, mis tuumaplahvatuse energiat tajudes tagaks löögi kokkusurumise. Nad valmistasid uraan-235-st suure ampulli ja paigaldasid selle tuumalaengu kõrvale. Ahelreaktsioonist tulenevad võimsad neutronivood põhjustavad uraani aatomite lõhustumise laviini ampullis. Hoolimata uraaniampulli alakriitilisest disainist, loob piloottuumaplahvatuse ahelreaktsioonist ja ampulli tuumade enda lõhustumisest tekkivate gammakiirte ja neutronite kogumõju tingimused ampulli sees sulandumiseks. Nüüd osutus termotuumasünteesi ainega ampulli suurus praktiliselt piiramatuks ja tuumasünteesist vabaneva energia panus ületas kordades süttiva tuumaplahvatuse energia vabanemise. Selliseid relvi hakati nimetama termotuumarelvadeks.

Põhineb raskete tuumade lõhustumise kontrollitud ahelreaktsioonil. Praegu on see ainus tuumatehnoloogia, mis tagab majanduslikult tasuva tööstusliku elektritootmise tuumaelektrijaamadest.

Põhineb kergete tuumade ühinemisreaktsioonil. Hoolimata protsessi tuntud füüsikast ei ole siiani õnnestunud ehitada majanduslikult otstarbekat elektrijaama.

Tuumaelektrijaam

Tuumaelektrijaama süda on tuumareaktor - seade, milles viiakse läbi raskete tuumade lõhustumise kontrollitud ahelreaktsioon. Tuumareaktsioonide energia vabaneb lõhustumisfragmentide kineetilise energia kujul ja muundatakse soojuseks nende fragmentide elastse kokkupõrke tõttu teiste aatomitega.

Kütusetsükkel

Teada on ainult üks looduslik isotoop, mis on võimeline ahelreaktsiooniks – uraan-235. Selle tööstuslikud varud on väikesed. Seetõttu otsivad insenerid täna juba võimalusi odavate tehisisotoopide tootmiseks, mis toetavad ahelreaktsiooni. Kõige lootustandvam on plutoonium, mida toodetakse tavalisest isotoobist uraan-238, püüdes kinni neutroni lõhustumata. Seda on lihtne toota samades energiareaktorites kõrvalsaadusena. Teatud tingimustel on võimalik olukord, kus tehisliku lõhustuva materjali tootmine katab täielikult olemasolevate tuumajaamade vajadused. Sel juhul räägitakse suletud kütusetsüklist, mis ei nõua lõhustuva materjali tarnimist looduslikust allikast.

Tuumajäätmed

Kasutatud tuumakütus (SNF) ja indutseeritud radioaktiivsusega reaktori konstruktsioonimaterjalid on võimsad ohtliku ioniseeriva kiirguse allikad. Nendega töötamise tehnoloogiaid täiustatakse intensiivselt prügilasse ladetavate jäätmete hulga minimeerimise ja nende ohtlikkuse perioodi vähendamise suunas. SNF on ka tööstuse ja meditsiini jaoks väärtuslike radioaktiivsete isotoopide allikas. SNF ümbertöötlemine on vajalik samm kütusetsükli sulgemisel.