Информационный центр по атомной энергии
Найди свой город
Какое явление возникает при взаимодействии солнечного ветра с верхними слоями атмосферы?
Полярное сияние
Как вы думаете, какой длины будет цепочка из ДНК всех клеток человеческого тела, если их раскрутить?
16 миллиардов км – это от Земли до Плутона и обратно
Как вы считаете, в чём заключалась уникальная особенность духов «Шанель №5», на которой настаивала Коко Шанель?
Это искусственный аромат, созданный химиком
У какого наземного животного самый большой мозг?
У слона – из-за размеров тела
Существует ли «одежда» для реактора и где у него можно найти «юбку» и «тюбетейку»?
Это неформальные названия верхней и средней части контейнмента
Как вы думаете, существуют ли животные, способные выжить в открытом космосе?
Это тихоходки, побывавшие на внешней стороне МКС
Знаете ли вы, какие звёзды сопоставимы по размеру с земными городами?
Это нейтронные звёзды с диаметром 10-20 километров
А знаете ли вы, какой из элементов считается самым дорогим в мире, а его мировой запас составляет 8 граммов?
Калифорний-252 стоит 10 млн.
долларов за грамм
Какую знаменитую фразу
Игорь Курчатов произнёс
Обнинской АЭС?
«С лёгким
паром!»
В каких частях мозга вырабатываются нейромедиаторы дофамин и серотонин, обеспечивающие нам позитивные эмоции?
В голубом пятне и чёрной субстанции
Действительно ли с помощью радиационных технологий можно изменить цвет драгоценных камней?
Да, в НИИАРе так производят голубые топазы
А вы знали, что все натуральные продукты содержат небольшое количество радиоактивных изотопов?
Например, средний банан содержит 0,42 грамма калия
Что сделали физики Константин Петржак и Георгий Флёров в 1940 году на московской станции метро «Динамо»?
Экспериментально доказали спонтанное деление ядер урана
От названия какого животного произошло слово «вакцина»?
Коровы.
В переводе с латинского «vaccinia» – «коровья»
Какие животные смогли пройти «зефирный тест»: отказаться от угощения ради получения чего-то более вкусного позже?
Многие приматы, собаки, вороны и каракатицы
Сколько топлива в сутки потребляют атомные ледоколы?
От 4,5 до нескольких десятков грамм
Правда ли, что мечехвосты живут на Земле уже 300 миллионов лет, у них 10 глаз и голубая кровь?
Да. Их кровью проверяют чистоту медицинских препаратов
Новости
Все новости
Новости твоего города
Наши форматы
Все форматы
Команда ИЦАЭ
Информационные центры
по атомной энергии присутствуют в19 городах России
Найди свой город
Найди свой город
Эксперты ИЦАЭ
Все эксперты
ПОДПИШИСЬ НА РАССЫЛКУ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫХ
СОБЫТИЙ ТВОЕГО ГОРОДА
Вечная энергия.
Российские ядерщики запустили замкнутую реакциюНедавно в атомной энергетике произошло событие, которое можно сравнить разве что с созданием вечного двигателя: четвертый энергоблок Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-800 полностью перевели на инновационное МОКС-топливо. Практически это означает начало реализации в промышленных масштабах замкнутого ядерного топливного цикла. О том, какие это открывает перспективы, — в материале РИА Новости.
Реакторы быстрые и медленные
Сердце любой атомной электростанции — ядерный реактор. Это устройство, в котором идет управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер. Первый такой аппарат — CP-1, названный “Чикагской поленницей” (Chicago Pile-1) — построили в 1942-м в США ученые из Чикагского университета под руководством Энрико Ферми. Он состоял из графитовых блоков, между которыми располагались шары из природного урана и его диоксида. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер изотопа урана-235, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления.
Первый в СССР и Европе реактор Ф-1 заработал в декабре 1946-го в Москве, в Лаборатории № 2 АН СССР (сейчас — НИЦ “Курчатовский институт”). Проект по его созданию возглавлял Игорь Курчатов.
На начальном этапе все реакторы были либо экспериментальными, либо оружейными — то есть предназначенными для наработки оружейного плутония из уранового топлива. В 1951-м в США впервые попробовали использовать тепло, получаемое в контуре охлаждения экспериментального реактора для электрогенерации. А в 1954-м в СССР построили первую в мире атомную электростанцию мощностью пять мегаватт — Обнинскую АЭС в Калужской области. Научным руководителем проекта тоже был Курчатов, а главным конструктором реактора — Николай Доллежаль.
Здание, в котором расположен реактор первой в мире Обнинской АЭС. В 2002 году АЭС выведена из строя, в настоящее время в здании расположен Музей атомной энергетики
Реакторы, подобные СР-1, где деление происходит под действием медленных нейтронов, называют тепловыми.
А установки, в активной зоне которых нет замедлителей нейтронов, — реакторами на быстрых нейтронах. Подавляющее большинство энергоблоков АЭС во всем мире сегодня используют реакторы первого типа.
“С самого начала отцы-основатели понимали, что у “быстрых” реакторов, в которых нейтроны сразу вызывают повторное деление, есть свои преимущества. И главное из них — возможность наработки нового топлива, — рассказывает заместитель директора Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Георгий Тихомиров. — Были попытки построить аппараты такого типа. Но в 1950-1960 годах атомная энергетика двигалась по пути развития реакторов на тепловых нейтронах — их проще изготавливать, они экономичнее, ими легче управлять. Однако о реакторах на быстрых нейтронах никогда не забывали. В СССР создали цепочку прототипов малой мощности, которая позже завершилась строительством реакторов серии БН: БН-350, БН-600, а затем и Бн-800. Похожие проекты реализовывали в США, Франции, Германии, Японии..jpg)
Правда, там они не пошли по разным причинам, в основном связанным с экономикой: там много элементов, которые приводят к удорожанию энергии. Были и технологические трудности. Мы их преодолели и создали надежные мощные аппараты. Теперь на нашем опыте учатся другие страны — подобные реакторы строят в Китае и Индии”.
Профессор НИЯУ МИФИ Георгий Тихомиров
© НИЯУ МИФИ
Сейчас в мире действует всего два энергетических ядерных реактора на быстрых нейтронах большой мощности — БН-600 и БН-800. Оба работают на Белоярской АЭС в Свердловской области. Капитальные затраты на их строительство примерно в полтора раза больше, чем для тепловых реакторов аналогичной мощности. Но ученые уверены: за ними будущее.
© www.rosatom.ruРеактор БН-800 Белоярской АЭС
© www.rosatom.ruБелоярская АЭС
1 / 3
Реактор БН-800 Белоярской АЭС
© www.rosatom.ru
2 / 3
Реакторный зал четвертого энергоблока Белоярской АЭС
3 / 3
Белоярская АЭС
© www.rosatom.
ru
Неисчерпаемый ресурс
Лишь один природный изотоп способен эффективно делиться, взаимодействуя с нейтронами, — уран-235. В урановой руде его очень мало — около 0,7 процента, а ее запасы, пригодные для экономически эффективной добычи, ограниченны. Поэтому ученые ищут пути создания искусственных изотопов, поддерживающих цепную реакцию. Самый перспективный из них — плутоний-239. Он образуется в том же самом реакторе АЭС при захвате нейтрона ураном-238, составляющим основную массу уранового топлива.
Отработавшее ядерное топливо содержит около одного процента урана-235 (невыгоревшие остатки) и примерно столько же новообразованного плутония. Повторное использование этих изотопов даже в классической схеме с реакторами на тепловых нейтронах позволило бы, по оценкам ученых, сэкономить до 30 процентов урана.
При включении в схему реакторов на быстрых нейтронах теоретически возможно создать процесс, при котором искусственно нарабатываемый делящийся материал будет полностью покрывать потребности АЭС, а необходимость в добыче урана отпадет если не навсегда, то на долгие годы.
Физики называют это замкнутым топливным циклом.
© Инфографика
“МАГАТЭ регулярно публикует отчеты, из которых видно, что на существующих запасах урана действующие тепловые реакторы смогут проработать около 150 лет. То есть говорить о масштабном развитии в этом направлении нельзя. А если мы замкнем ядерный топливный цикл, если научимся перерабатывать ядерное топливо и повторно его использовать, то вопрос сырья для атомной энергетики будет решен на ближайшие несколько тысяч лет”.
Суть идеи заключается в том, что в реакторах на быстрых нейтронах коэффициент воспроизведения делящегося материала — больше единицы.
“Другими словами, если в “быстрый” реактор поставить топливо, состоящее из урана-238, который сам по себе не поддерживает цепную реакцию, и плутония, играющего роль катализатора, то в отработавшем топливе плутония окажется больше, чем в исходном. В результате переработки из него удаляют продукты деления и излишки плутония, а на их место добавляют природный (или отвальный) уран.
Полученное новое топливо собирают в ТВС и снова ставят в реактор. И это можно повторять если не до бесконечности, то довольно долго”.
По мнению ученых, такой способ не только снимет сырьевые ограничения за счет вовлечения в процесс переработки отработавшего топлива и отвалов обогатительных производств, но и позволит решить проблему хранения ядерных отходов. Но чтобы “быстрые” реакторы стали “вечными”, нужно изготовить специальное топливо.
Перспективная смесь
Ядерное топливо производят в виде небольших таблеток, помещенных в герметично закрытые трубки из сплавов циркония — тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), объединенные в тепловыделяющие сборки (ТВС). Таблетки, используемые в тепловых реакторах, как правило, состоят из диоксида урана различной степени обогащения.
“Когда начали делать первые сборки, тестировали разные варианты, в том числе металлический уран. Оказалось, что при накоплении продуктов деления он быстро теряет форму, деформируется. Стали искать новые виды уранового топлива.
Пробовали оксидное, нитридное, карбидное. Остановились на оптимальном по соотношению “цена — качество — надежность” диоксиде урана”.
Первым шагом на пути перехода к замкнутому ядерному циклу стало создание МОКС-топлива (от англ. Mixed-Oxide fuel) — смеси оксидов нескольких металлов. Чаще всего его изготавливают путем добавления плутония из отработавшего ядерного топлива к обедненному урану, который состоит в основном из изотопа уран-238.
Такой подход позволяет извлечь из природного урана примерно в сто раз больше энергии, чем при классической схеме, а количество радиоактивных отходов, подлежащих специальной обработке и захоронению, уменьшается кратно. Кроме того, при производстве смешанного топлива можно утилизировать излишки оружейного плутония, постепенное накопление которого — серьезная проблема.
МОКС-топливо начали использовать в тепловых реакторах еще в 1980-х. Сейчас его доля от всего производимого ядерного топлива в мире составляет пять процентов, а во Франции — десять.
“В основном его применяют как дополнительное топливо для тепловых реакторов. Это позволяет увеличить ресурс существующей энергетики не больше чем в два раза и проблем, связанных с открытым ядерным циклом, не решает. Для старта полномасштабной атомной энергетики нужны реакторы на быстрых нейтронах. И приоритет в разработке таких аппаратов принадлежит России”.
Цикл замкнулся
В СССР первый промышленный реактор на быстрых нейтронах БН-350 запустили в 1973-м в городе Шевченко (ныне Актау) и эксплуатировали до 1999-го. Планировали, что он будет работать на МОКС-топливе, но такого тогда не производили. В итоге весь срок использовали диоксид урана.
Мангышлакский атомный энергокомбинат в городе Шевченко (Актау). Пульт управления АЭС. Фото 1977 года
Реактор БН‑800 на Белоярской АЭС с самого начала проектировали под МОКС-топливо. Но загружали его постепенно. В 2014-м начали с обычного урана, в январе 2021-го после очередной перегрузки доля МОКС-топлива выросла до трети, а в январе 2022-го — до двух третей.
Только в сентябре 2022-го реактор впервые вывели на полную мощность, на сто процентов загрузив смешанным оксидным уран-плутониевым топливом. Это, безо всякого преувеличения, можно считать началом эры “вечной энергии”.
“Для решения задачи замыкания ядерного цикла нужны две вещи. Первая — реактор, который работает не на обогащенном уране, а на МОКС или любом другом топливе, где основной делящийся материал — плутоний. Вторая — налаженное производство самого топлива. До этого никому не удавалось в промышленном масштабе реализовать замкнутый ядерный цикл с быстрым реактором, хотя попытки были. И это большая победа российской науки”.
Прорыв в новую энергетику
В рамках комплексной программы “Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации до 2030 года” на Белоярской АЭС планируют ввести в строй более мощный реактор на быстрых нейтронах БН-1200. Но еще более интересный, по мнению профессора Тихомирова, — опытный реактор БРЕСТ-ОД-300, который строится в рамках проекта “Прорыв” в Северске Томской области.
“В каком-то смысле это конкурирующее направление. Вместо МОКС-топлива в проекте “Прорыв” используют смесь нитридов урана и плутония. Такое топливо более плотное, что выгоднее. А в качестве теплоносителя вместо натрия, который горит при контакте с водой, — свинец. Сторонники проекта уверены, что свинцовые реакторы обладают так называемой естественной безопасностью. Какие бы события не происходили в их активной зоне, за счет большой массы и хорошей конвекции теплоносителя, выбросы радиоактивных веществ в атмосферу исключены. Расчеты это подтверждают”.
На площадке в Северске планируют создать первый в мире ядерно-энергетический комплекс замкнутого цикла. Он будет включать атомную станцию с реактором на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем и пристанционный завод, где предстоит перерабатывать облученное смешанное нитридное уран-плутониевое топливо, а затем изготавливать из него тепловыделяющие элементы.
© АО “СХК”, ТВЭЛ, ТИТАН-2Доставка опорной плиты для реактора БРЕСТ-ОД-300
1 / 2
Доставка опорной плиты для реактора БРЕСТ-ОД-300
© АО “СХК”, ТВЭЛ, ТИТАН-2
2 / 2
Строительство реактора БРЕСТ-ОД-300
© АО “СХК”, ТВЭЛ, ТИТАН-2
“Задача проекта “Прорыв” — показать, что реакторы на быстрых нейтронах экономически могут конкурировать с тепловыми, а по безопасности даже превосходить их.
Если эта “проба пера” пройдет успешно, за опытным реактором БРЕСТ-ОД-300 последует уже промышленный БР-1200, а затем, возможно, проекты такого типа появятся и в других странах”.
По прогнозам Тихомирова, к 2050-м такие аппараты будут активно строить по всему миру наравне с тепловыми. А когда в связи с нехваткой урана-235 цены на обогащенный уран поползут вверх, возможно, реакторы на быстрых нейтронах станут и экономически более выгодными.
NUCLEAR 101: Как работает ядерный реактор?
Офис Ядерная энергия
29 марта 2021 г.
Ядерные реакторы — сердце атомной электростанции.
Они содержат и контролируют цепные ядерные реакции, которые производят тепло посредством физического процесса, называемого делением. Это тепло используется для производства пара, который вращает турбину для выработки электроэнергии.
Имея более 440 коммерческих реакторов по всему миру, в том числе 92 в Соединенных Штатах, атомная энергетика продолжает оставаться одним из крупнейших доступных источников надежной безуглеродной электроэнергии.
Ядерное деление создает тепло
Основная задача реактора — поддерживать и контролировать ядерное деление — процесс, в котором атомы расщепляются и высвобождают энергию.
Деление и синтез: в чем разница?
Реакторы используют уран в качестве ядерного топлива. Уран перерабатывается в небольшие керамические гранулы и укладывается в герметичные металлические трубки, называемые топливными стержнями. Как правило, более 200 таких стержней связываются вместе, образуя топливную сборку. Активная зона реактора обычно состоит из пары сотен сборок, в зависимости от уровня мощности.
Внутри корпуса реактора топливные стержни погружены в воду, которая действует как теплоноситель и замедлитель. Замедлитель помогает замедлить нейтроны, образующиеся при делении, чтобы поддерживать цепную реакцию.
Затем в активную зону реактора можно вставить управляющие стержни, чтобы уменьшить скорость реакции, или вынуть, чтобы увеличить ее.
Тепло, создаваемое ядерным делением, превращает воду в пар, который вращает турбину для производства безуглеродного электричества.
Типы легководных реакторов в США
Все коммерческие ядерные реакторы в США являются легководными реакторами. Это означает, что они используют обычную воду в качестве теплоносителя и замедлителя нейтронов.
В Америке работают два типа легководных реакторов.
Реакторы с водой под давлением
Графика Сары Харман | Министерство энергетики США
Более 65% коммерческих реакторов в США являются водо-водяными реакторами или PWR. Эти реакторы закачивают воду в активную зону реактора под высоким давлением, чтобы вода не закипела.
Вода в активной зоне нагревается за счет ядерного деления, а затем перекачивается в трубы внутри теплообменника. Эти трубки нагревают отдельный источник воды для создания пара. Затем пар вращает электрический генератор для производства электроэнергии.
Вода в активной зоне возвращается в реактор для повторного нагрева, и процесс повторяется.
Реакторы с кипящей водой
Графика Сары Харман | Министерство энергетики США
Примерно треть реакторов, работающих в США, являются реакторами с кипящей водой (BWR).
BWR нагревают воду и производят пар непосредственно внутри корпуса реактора. Вода прокачивается через активную зону реактора и нагревается за счет деления. Затем трубы подают пар непосредственно в турбину для производства электроэнергии.
Неиспользованный пар затем конденсируется обратно в воду и повторно используется в процессе нагрева.
Подписывайтесь на нас
Как работает ядерный реактор
Ядерные реакторы — это, по сути, большие котлы, которые используются для нагрева воды для производства огромного количества электроэнергии с низким содержанием углерода. Они бывают разных размеров и форм и могут работать на различных видах топлива.
Атомная электростанция Ringhals с четырьмя реакторами, способными обеспечить 20 % потребности Швеции в электроэнергии (Изображение: Vattenfall) где частица («нейтрон») стреляет в атом, который затем делится на два меньших атома и несколько дополнительных нейтронов.
Некоторые из нейтронов, которые высвобождаются, затем попадают на другие атомы, заставляя их тоже делиться и высвобождая больше нейтронов. Это называется цепной реакцией.
Деление атомов в цепной реакции также приводит к высвобождению большого количества энергии в виде тепла. Вырабатываемое тепло отводится из реактора циркулирующей жидкостью, обычно водой. Затем это тепло можно использовать для производства пара, который приводит в действие турбины для производства электроэнергии.
Чтобы гарантировать, что ядерная реакция протекает с нужной скоростью, в реакторах есть системы, ускоряющие, замедляющие или останавливающие ядерную реакцию и выделяемое ею тепло. Обычно это делается с помощью регулирующих стержней, которые обычно изготавливаются из материалов, поглощающих нейтроны, таких как серебро и бор.
Два примера ядерного деления урана-235, наиболее часто используемого топлива в ядерных реакторах.
Ядерные реакторы бывают разных форм и размеров: в некоторых для охлаждения активной зоны используется вода, в других – газ или жидкий металл.
В наиболее распространенных типах энергетических реакторов используется вода, при этом более 90% мировых реакторов основаны на воде. Дополнительную информацию о множестве различных типов реакторов по всему миру можно найти в разделе «Атомные энергетические реакторы» Информационной библиотеки.
Ядерные реакторы очень надежны в выработке электроэнергии, способны работать 24 часа в сутки в течение многих месяцев, если не лет, без перерыва, независимо от погоды и времени года. Кроме того, большинство ядерных реакторов могут работать очень долго — во многих случаях более 60 лет. В 2019 году блоки 3 и 4 на АЭС «Турки-Пойнт» во Флориде стали первыми реакторами в мире, получившими лицензию на 80 лет эксплуатации.
Заправка реактора (Изображение: Vattenfall)
Что питает реактор?
В качестве топлива для реактора может использоваться ряд различных материалов, но чаще всего используется уран. Уран в изобилии, и его можно найти во многих местах по всему миру, в том числе в океанах.
Можно использовать и другие виды топлива, такие как плутоний и торий.
Большинство современных реакторов содержат несколько сотен тепловыделяющих сборок, каждая из которых содержит тысячи маленьких таблеток уранового топлива. Одна пеллета содержит столько же энергии, сколько содержится в одной тонне угля. Типичный реактор требует около 27 тонн свежего топлива в год. Напротив, угольной электростанции аналогичного размера потребуется более двух с половиной миллионов тонн угля для производства такого же количества электроэнергии.
Таблетки ядерного топлива ненамного больше кусочка сахара (Изображение: Казатомпром)
Как насчет отходов?
