Ядерная энергетика сегодня и завтра

Следующий кусок нашего энергетического пирога - мирный атом, на который приходится не менее 18% общемировой генерации. Атомные электростанции основаны на цепной реакции деления атомных ядер короткоживущих элементов. В результате таких реакций за счет т.н. дефекта массы (сумма масс осколков деления атомного ядра всегда меньше массы целого ядра), выделяется огромное количество энергии, в основном в виде излучения. АЭС большой мощности используют это излучение для банального разогрева воды и вращения турбины электрогенератора перегретым паром.

В качестве топлива для реакторов в принципе подойдет любой делящийся элемент, но чаще всего для этих целей используется уран. Но не всякий уран одинаково полезен - достаточное энерговыделение обеспечивает изотоп U-235. Как всегда бывает с полезными и ценными вещами, именно этого изотопа в природе встречается всего 0.7%, остальное приходится на более долгоживущий и инертный U-238. На самом деле, в качестве топлива используется так называемый обогащенный Уран - смесь двух изотопов, в которой концентрация драгоценного U-235 искусственно доводится до 20%.

Соответственно, несмотря на гигантский энергетический выход, мирный атом - это очень даже исчерпаемый источник энергии. Есть вероятность, что уран закончится существенно раньше чем, например, каменный уголь.

В процессе генерации электричества не происходит никаких выбросов в окружающую среду, тем не менее атомная энергетика считается одной из самых грязных. Первая причина - это радиоактивные отходы и проблема их захоронения. В процессе распада ядер урана образуется целый ряд бесполезных, но очень радиоактивных изотопов, которые являются источником альфа- и гамма-излучения. Эти отходы, как правило, идут на регенерацию для последующего использования, но в любом случае в итоге подлежат захоронению. Захоронение радиоактивных отходов существенно повышает стоимость ядерной энергии и провоцирует массовые выступления “зеленых”. Действительно, несмотря на любые мыслимые меры предосторожности, всегда остается риск утечки и попадания в грунтовые воды.

В настоящее время ядерная энергетика переживает не лучшие свои времена, в прямом смысле слова подвергаясь гонениям со стороны правительств европейских стран и Японии. Там, где цена человеческой жизни и здоровья достаточно высока, даже гипотетические риски аварий играют решающую роль в принятии стратегических решений по развитию АЭС.

Помимо атомных станций большой мощности активно используются компактные установки для специфических задач. Прежде всего, это реакторы на субмаринах и больших надводных кораблях. Компактность, большая удельная мощность и долгое время работы без дозаправки делают реакторы незаменимыми в открытом океане.

РИТЭГ “Новые Горизонты”

В открытом космосе реакторам тоже есть место - Радиоизотопные Источники Электроэнергии (РИТЭГ) активно используются на автоматических станциях как на орбите земли, так и на других планетах и даже на границе Солнечной Системы.

Даже на земле, в удаленных районах используются вот такие “бочонки”:

Принцип работы тут несколько другой - энергия распада преобразуется в электрическую при помощи термоэлектрического преобразователя, что обеспечивает практически “миниатюрные” размеры. Для промышленного использования, к сожалению, такие реакторы не годятся из-за малой удельной мощности.

Вот мы постепенно подобрались к главному кандидату на спасение человечества - термоядерному синтезу. Это тоже разновидность ядерной энергетики, пока существующая только на бумаге. В основе лежит так же ядерная реакция, но уже не деления, а синтеза. Это тот самый процесс, который проходит в недрах нашего Солнца.

Макет термоядерного реактора ИТЭР

Термоядерные реакторы существуют достаточно давно, однако заставить их вырабатывать электричество пока не удается. Главная проблема которую надо решить на этом пути - сложность удержания плазмы. Для инициации термоядерного синтеза необходимо разогреть вещество до миллионов градусов в очень ограниченном объеме. При таких температурах вещество переходит в состояние плазмы - облака заряженных частиц, стремящихся разлететься в разные стороны при любом удобном случае. Самый простой способ внести порядок в этот “пчелиный рой” - обеспечить динамическое равновесие. Именно так работают Тороидальные Камеры с Магнитными Катушками (ТОКАМАК) - шнур раскаленной плазмы нарезает круги в тороидальной камере, сжимаемый вдоль оси сильнейшим магнитным полем.

Самый большой перспективный термоядерный реактор - ИТЭР, строится именно в виде ТОКАМАКа. Когда (и если) он будет построен и запущен, можно будет понять хотя-бы теоретические перспективы удержания плазмы в течение нескольких часов, что абсолютно необходимо для генерации электричества в промышленных масштабах.

Есть еще и проблема №2 - теплосъем с плазмы. Для того чтобы пар начал вращать турбину, ему надо передать энергию плазмы. Но конструкция камеры ТОКАМАКа необычайно сложна и громоздка. Пока не совсем понятно, каким образом туда можно пристроить эффективный теплообменник не загубив и без того непростую задачу удержания плазмы.

На заре становления атомной энергетики её без преувеличения считали ключом в энергетический “эльдорадо” для всего мира, и уж точно пророчили скорый упадок углеводородов. Возможно эту мечту приблизит управляемый термоядерный синтез, но эйфории по этому поводу я бы не испытывал.

Подписаться на интересные статьи о науке и космосе можно тут.