Почему в качестве топлива для атомных станций используют уран-235? Почему плутониевое топливо редко используют на АЭС? А почему бы и вовсе не использовать водород, ведь его на Земле гораздо больше? Объясняем на принципах бильярда.
Правила игры
«Схема АЭС проста, как самовар: вместо угля горит уран, а пар идёт на вырабатывающую энергию турбину, — говорил научный руководитель проекта первой в мире атомной электростанции в Обнинске Дмитрий Блохинцев. И продолжал: — Но всё гораздо сложнее именно из-за урана, который “горит” совсем по-другому». В этом и кроется главная хитрость атомной станции: уран не горит — его ядра делятся, высвобождая огромную энергию. Этот процесс идёт в реакторе работающей АЭС постоянно.
Представьте бильярдный стол, готовый к игре: в центре аккуратным треугольником расположены шары, которые игрок вот-вот разобьёт одним ударом. Такие шары в реакторе атомной станции — атомы урана-235. Это изотоп урана, который от куда более распространённого в природе урана-238 отличается тем, что в его ядре на три нейтрона меньше. Из-за недостатка нейтронов ядро урана-235 нестабильно. И если наш воображаемый бильярдист разгонит и врежет в такой изотоп нейтрон, ядро урана-235 распадается на части. В этот момент вылетают ещё нейтроны. Они попадают в соседнее ядро урана-235. Тот, в свою очередь, тоже делится — и так по цепочке. Процесс пошёл, игра началась! Это называется управляемой цепной реакцией.
Урановая классика
Топливо атомной станции должно быть способно к цепной реакции, и уран для этой цели — первый выбор. Это единственный природный элемент, изотопы которого способны самостоятельно поддерживать деление.
Именно при исследовании урана учёные впервые открыли управляемую цепную реакцию. В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман облучили ядра урана нейтронами и увидели, что они распадаются. А в 1939 году советские физики Яков Зельдович и Юлий Харитон выяснили, что реакция распада урана — цепная, то есть поддерживает сама себя.
Правда, урановая руда — это только на 0,7% уран-235 и на 99,3% другой изотоп, уран-238. Но этот изотоп по своим свойствам для топлива не подходит: он не способен вступать в реакцию деления. Если представить, что уран-238 — это бильярдный шар, то от попадания в него нейтрона он не покатится дальше, а просто поглотит нейтрон. Никакой игры, никакой энергии.
Быстрая партия
Но и к капризному урану-238 учёные нашли подход. Дело в том, что когда нейтрон «приклеивается» к урану-238, получается уже другой изотоп — плутоний-239. Это искусственный элемент, которого в природе не существует. И вот он как раз делится.
Это свойство урана-238 впервые использовалось при наработке оружейного плутония, именно для этого были построены в СССР первые промышленные ядерные реакторы. Но когда атомная промышленность стала мирной, плутонию нашли другое применение.
Чтобы расщепить плутоний и запустить цепную реакцию, нужен не просто нейтрон, а быстрый, то есть ударный шар потяжелее. Быстрый нейтрон отличается от медленного (его ещё называют тепловым) скоростью, а значит, и силой «удара». Когда быстрый нейтрон врезается в ядро урана-238, тот всё-таки распадается. А дальше всё так же, как с ураном-235: расщеплённое ядро выпускает новые нейтроны, они врезаются в соседние изотопы, те делятся — цепная реакция пошла! Такие реакторы называются быстрыми и работают на уранплутониевом топливе. Например, на промышленных быстрых реакторах это МОКС-топливо.
Достоинство быстрых реакторов в том, что они используют уран-238, которого в природе гораздо больше, чем урана-235. Мало того: быстрый реактор может использовать отработавшее в обычной АЭС ядерное топливо. К тому же быстрый реактор производит топлива больше, чем потребляет сам. Поэтому их называют бридерами — размножителями.
Однако технология быстрых реакторов сложнее, чем тепловых. Первый исследовательский быстрый реактор построили в СССР в 1955 году, потом такие создавали Япония и Франция. Но на сегодня в мире есть только два работающих промышленных быстрых реактора — на Белоярской АЭС. Их называют будущим атомной энергетики, но пока строить их сложнее и дороже обычных.
Энергия Солнца
Источник энергии атомных станций — процесс деления ядра. Однако ещё больше энергии высвобождается, когда ядра не распадаются, а сливаются. Так ведут себя лёгкие атомы, например водород и его изотопы, дейтерий и тритий. Это уже похоже не на бильярд, а на компьютерную «Зуму». Шары-атомы, сливаясь, теряют часть своей массы, и эта разница превращается в энергию. Энергия синтеза превышает энергию деления примерно в четыре раза! Процесс называется термоядерный синтез. Именно так «работает» наше Солнце и все остальные звёзды.
Учёные научились создавать для термоядерного синтеза условия. Но пока до термоядерной электростанции далеко: на создание условий для реакции энергии тратится больше, чем получают от термоядерного синтеза «на выходе».
Технически создать термоядерный реактор гораздо сложнее, чем обычный ядерный. Такой реактор должен выдерживать очень высокую температуру. Дело в том, что заряд у всех ядер одинаковый, положительный, и по привычным нам законам физики они отталкиваются. Чтобы это отталкивание преодолеть и заставить частицы сблизиться, надо их разогнать до высоких скоростей, а для этого нужно нагреть вещество до состояния горячей плазмы. А это тысячи градусов. Нужно и очень высокое давление, ведь водород — это газ, и для реакции синтеза нужно обеспечить его достаточную плотность.
Зато потенциально термоядерный реактор не только мощнее, но и «чище» привычных атомных реакторов. Реакция слияния ядер не производит побочных продуктов, которые образуются при реакции деления.
Построить термоядерный реактор — пока мечта. Но над её воплощением человечество трудится уже более 70 лет. Прообраз термоядерного реактора, токамак (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), изобрели и построили в СССР в 1954 году, пробовали развивать свои проекты и другие страны. В середине 1980-х годов учёные 13 стран мира, в том числе и России, объединились для разработки ИТЭР — международного экспериментального термоядерного реактора. Прежде всего это чистая наука, которая в будущем может привести к перевороту в энергетике нашей планеты.
