Энергетика сегодня и завтра

При делении ядер выделяется гораздо больше энергии, чем при соединении атомов: 20 миллионов килокалорий на один грамм разделившегося топлива. Сгорание же одного грамма угля высвобождает только 7 килокалорий — в три миллиона раз меньше. Чтобы получить миллион киловатт электрической мощности, в топку угольной электростанции нужно ежегодно загружать около трех миллионов тонн угля, а для АЭС будет достаточно и тридцати тонн. Правда, если химическая реакция горения начинается и при очень малых количествах топлива, то ядерная цепная реакция не начнется, если в реактор не загрузить достаточной массы расщепляющегося материала. Для типового реактора АЭС эта начальная критическая загрузка составляет около ста тонн урана.

Итак, АЭС расходует гораздо меньше топлива, чем ТЭС. Ее можно разместить в любой точке страны, потому что доставка ядерного горючего не представляет транспортных сложностей. Особый характер протекания ядерной цепной реакции требует и другого принципа управления ядерным реактором.

Сравнительно просто управлять двигателем автомобиля или форсунками, питающими топки котлов. Шофер увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер нажимает на нее. Но увеличение мощности двигателя не будет беспредельным — в конце концов она достигнет максимума. Если шофер вернет педаль газа в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.

В ядерном реакторе все происходит совсем не так. Если вывести из реактора стержень управления (аналог педали газа), то цепная ядерная реакция ускорится и мощность начнет расти практически беспредельно. Чтобы остановить рост мощности, нужно вернуть стержень управления в прежнее положение. Но при этом мощность реактора не вернется к прежней, а останется новой. Хотя принципиальная возможность беспредельного роста мощности существует. Практически в имеющихся типах реакторов безудержное деление ядер блокируется. Существуют механизмы так называемой «обратной связи», благодаря которым при возрастании мощности ухудшаются условия протекания ядерной цепной реакции и мощность падает. «Реактор останавливается», — говорят физики. Требования к системам управления и аварийной защиты ядерных реакторов значительно выше, чем к соответствующим системам котлов на органическом топливе.

Остановимся еще на двух особенностях ядерных реакторов, от которых зависит развитие атомной энергетики.

Атомный реактор невозможно «выключить» совсем и прекратить выделение в нем энергии. Если прервать цепную реакцию, то мощность ядерного котла падает до 6 процентов от той мощности, на которой он работал до остановки. Через час она будет составлять всего 2 процента, а позже еще меньше. Источник выделяющейся энергии — не деление ядер, а радиоактивное излучение осколков деления.

Это очень неприятная особенность. Чтобы после остановки не произошел перегрев конструкций реактора и их разрушение, нужно обеспечить «абсолютно» надежный отвод этого остановочного тепловыделения. Такие надежные системы теплоотвода обходятся достаточно дорого. Соответственно капиталовложения на сооружение АЭС в полтора-два раза выше, чем на строительство тепловой электростанции эквивалентной мощности.

Создают ряд проблем и радиоактивные излучения, испускаемые ядерным топливом во время работы реактора и после его остановки.

Какие же атомные котлы популярны ныне среди энергетиков?

В мире получили распространение примерно десять типов ядерных реакторов. Отличаются они видом теплоносителя — рабочего вещества, выбранного для отвода тепла из реактора. Это может быть вода, газ, органическая жидкость, расплав соли, жидкий металл. Тип реактора определяется и веществом-катализатором цепной реакции. Задача этого вещества — уменьшить энергию нейтронов, вылетающих при делении ядер. Такими веществами — замедлителями нейтронов обычно служат легкие элементы — водород воды, углерод, бериллий, тяжелая вода.

Комбинации различных теплоносителей и замедлителей создают многообразие реакторов. В нашей стране наибольшее развитие до конца века получат реакторы типа ВВЭР — водо-водяные энергетические реакторы.

Что они собой представляют?

Прежде всего в глаза бросается двадцатиметровый металлический цилиндр с диаметром около четырех метров. В нем под давлением 170 атмосфер циркулирует вода, отводящая тепло от активной зоны реактора. Затем это тепло через теплообменник передается воде второго контура, которая превращается в пар и направляется в турбину.

Активная зона — сердце реактора. Здесь происходит цепная реакция деления. В зоне — несколько десятков тысяч герметичных трубочек из циркония, омываемых водой. В трубочках сантиметрового диаметра находится ядерное топливо — двуокись урана. Тепло, выделяющееся в уране, через стенки трубок передается протекающей вдоль них воде.

Реакторы ВВЭР вырабатывают миллион киловатт электрической мощности. Они установлены на Воронежской, Запорожской, Балаковской и многих других АЭС.