Энергетика сегодня и завтра

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.

В СССР разработаны и сооружены еще более мощные реакторы. Устроены они несколько по-другому. Трубочки с топливом, в реакторной технике они называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами), размещены в отдельных каналах — циркониевых трубах. Каналы проложены в графитовых блоках. Из этих блоков можно собрать реактор очень большой мощности и размеров.

Ведь для него не нужно массивного металлического корпуса, несущего давления. Такой реактор типа РБМК (реактор большой мощности, канальный) установлен на Игналинской АЭС в Литве. Его мощность 1,5 миллиона киловатт.

В конце концов атомные станции будут работать не только в режиме постоянной, но и переменной нагрузки, отдавая разную мощность в течение суток и недели. Ночью останавливается работа части заводов и фабрик, засыпают города, и потребность в электроэнергии падает.