Вскоре после открытия радиоактивности люди начали мечтать о мирном использовании атомной энергии как о практически неисчерпаемом источнике энергии. Фредерик Содди в своей книге “Интерпретация радия”, опубликованной в 1909 году, называет ядерную энергию “истинным богатством мира”. “Очень хочется верить,
что однажды человечество получит энергию для использования в своих собственных целях, – целые фонтаны энергии, – которые сейчас Природа так ревностно сохраняет для будущего”. О возможности получения неиссякаемой ядерной энергии мечтал и Энрико Ферми вскоре после того, как в созданном им реакторе СП-1 2 декабря 1942 года была осуществлена первая реакция управляемого деления.
Промышленное производство ядерной энергии получило значительный импульс, когда президент Эйзенхауэр в своей речи в ООН 8 декабря 1953 года высказался в поддержку программы “Атом для мира”. Хотя ядерная энергетика и не развивалась с той скоростью, которую предрекали в годы президентства Эйзенхауэра, тем не менее она стала составной частью производимой в мире энергии. Сегодня примерно 430 ядерных энергетических реакторов во всем мире вырабатывают почти 20% электроэнергии, снабжая ею около миллиарда человек. В США в настоящее время эксплуатируются 104 реактора. В то же время за последние 20 лет заказов на строительство новых ядерных электростанций в США не было.
Ядерные реакторы создавались и для обеспечения энергией подводных лодок ВМФ под умелым руководством адмирала Хаймана Г. Рикковера. С морских испытаний в январе 1955 года первой ядерной подводной лодки “Наутилус” в США началась реализация программы создания реакторов для ВМФ. Советский Союз не только последовал этому примеру со своей программой ядерных подводных лодок, но построил и многие другие морские суда, включая первый в мире атомный ледокол “Ленин” в 1959 году.
Ядерные реакторы предназначены для проведения цепной реакции деления и для контролируемого получения ядерной энергии. В промышленных реакторах обычно используется топливо, содержащее от 95 до 98% урана-238, при этом остальную часть составляет делящийся изотоп уран-235. “Делящийся” означает, что ядро делится при поглощении нейтронов с любой энергией, в том числе нейтронов с малой энергией, находящихся в тепловом равновесии с окружающей средой (известных как тепловые нейтроны). Воспроизводящие изотопы, которые могут превращаться в делящиеся изотопы, делятся только нейтронами большой энергии. Уран-238 и торий-232 являются воспроизводящими изотопами.
В тепловых реакторах используются тепловые нейтроны, чтобы “сжигать” делящиеся компоненты уранового топлива. Атомы урана-235, поглощающие нейтроны малой энергии, расщепляются на два ядра почти равной массы. Эти продукты деления разлетаются с огромной энергией, основная часть которой превращается в тепло при торможении в топливном стержне. Тепло извлекается теплоносителем (обычно водой), пропускаемым через теплообменник. Вода на другой стороне теплообменника преобразуется в пар, который вращает турбину, соединенную с электрогенератором. Современные большие коммерческие реакторы имеют генерируемую электрическую мощность более миллиарда ватт.
При делении урана-235 в среднем выделяется ~ 2,5 нейтрона. Для поддержания цепной реакции требуется, чтобы лишь один из этих нейтронов был поглощен другим атомом урана-235. Остальные нейтроны поглощаются множеством атомов урана-238, образуя уран-239, который затем распадается с образованием . Поскольку плутоний-239 является делящимся, он также может расщепляться и испускать энергию. В современных реакторах на долю образующегося плутония приходится примерно 30% вырабатываемой энергии.
В гражданском секторе, согласно оценкам, запасы во всем мире в настоящее время составляют более 1000 т – количество, по сравнению с которым запасы оружейного плутония не кажутся большими. В промышленном, или энергетическом, плутонии содержится около 40% неделящихся изотопов. Оружейный же плутоний, производимый в реакторах военного назначения, содержит более 93% плутония-239 и менее 7% других изотопов .
В описанном выше реакторе на тепловых нейтронах за один цикл производства энергии фактически потребляется лишь небольшая часть урана-235 и образовавшегося плутония. Воспроизводящий уран-238, составляющий основную часть топливного стержня, практически инертен, так как его энергетический потенциал реализуется только после того, как он поглотит нейтрон и превратится в делящийся плутоний-239. Таким образом, большая часть энергетического потенциала этого топлива остается неиспользованной. Вскоре после второй мировой войны Ферми и другие ученые нашли способ увеличить производство плутония и получать делящегося топлива больше, чем было затрачено. После сжигания топлива в одном цикле излишний плутоний можно извлечь, отделить от урана-238 и переработать в топливные стержни. Путем “воспроизводства” плутония в пределах замкнутого топливного цикла можно извлекать большую часть ядерной энергии.
Для поддержания цепной реакции в реакторе-размножителе используются нейтроны с высокой энергией (быстрые нейтроны), а не тепловые нейтроны. Сечение деления уменьшается с увеличением энергии нейтронов, так что цепную реакцию поддерживают за счет увеличения количества делящегося вещества (урана-235 или плутония-239). Поскольку при каждом акте деления образуется избыток нейтронов, общий эффект таков, что в пределах реактора имеется много нейтронов, которые участвуют в превращении урана-238 и воспроизводстве плутония.
Управлять реакторами-размножителями намного сложнее и их создание намного дороже по сравнению с реакторами на тепловых нейтронах. В течение нескольких десятилетий в Соединенных Штатах, Советском Союзе и Франции интенсивно проводились работы по программе реакторов-размножителей. Но администрация Картера выступила категорически против реализации программы реакторов-размножителей в США, и она была окончательно прекращена в 1983 году аннулированием программы реактора-размножителя в Клинч-Ривер. Франция, Россия и Япония до сих пор занимаются технологией реакторов-размножителей в надежде на возрождение коммерческого интереса к ним в начале нынешнего столетия.
Другим путем полного использования энергетического потенциала урана является рециклирование или переработка отработавшего топлива. Невыгоревший уран и плутоний, возникший в процессе работы реактора, химически отделяются друг от друга и от радиоактивных продуктов деления (продукты деления, поглощая нейтроны, гасят цепную реакцию, а поэтому их необходимо удалять). В то же время выгода, полученная благодаря рециклированию ядерного топлива, сводится на нет тем, что выделенный плутоний может быть использован для .
В 1977 году президент Картер признал риск распространения ядерного оружия слишком большим и запретил осуществлять рециклирование плутония из отработавшего топлива на промышленных атомных электростанциях США. Он надеялся подать пример, которому последуют другие ядерные государства. Однако они не последовали. Напротив, они предпочли экономический стимул, связанный с переработкой плутония из отработавшего топлива.
Переработанный плутоний можно смешивать с ураном, получая смешанное оксидное топливо (МОХ-топливо). Из одного грамма МОХ-топлива можно получить столько же электричества, как от сжигания одной тонны нефти, а нефть – это предмет потребления, который такие страны, как Франция и Япония вынуждены импортировать. Сегодня МОХ-топливо используется в 32 реакторах Бельгии, Франции, Германии и Швейцарии. Япония также начала сжигание МОХ-топлива.
Назад, в .