Александр Проценко – Энергетика сегодня и завтра (страница 18)
Каким же образом создается искусственное топливо?
Дело в том, что когда в реакторе на быстрых нейтронах сжигается ядерное горючее, то одновременно создается новое в количестве, превышающем сгоревшее. Топливо размножается? Да! Поэтому установку БН-350 и подобные ей стали называть реакторами-размножителями на быстрых нейтронах.
Новое топливо — делящееся ядро плутония-239 — образуется при поглощении нейтрона «сырьевым» ядром урана-238. Этот изотоп почти не делится, но в природном уране его в 140 раз больше, чем делящегося изотопа урана-235. Вот почему его очень выгодно превращать с помощью нейтронов в делящийся изотоп — плутоний-239. Сделать это непросто. Например, для расширенного воспроизводства искусственного ядерного топлива не годятся реакторы на тепловых нейтронах, в которых используется уран-235. В них просто не хватает нейтронов, вызывающих деления ядер, в момент расщепления вылетает всего в среднем 2,5 свободного нейтрона. А в реакторе-размножителе типа БН-350 — их уже 3.
Казалось бы, разница столь незначительна, что вряд ли она играет какую-нибудь роль, тем более что половинок нейтрона вообще нет в природе. Это — статистическая величина: в одном случае при делении вылетит всего два нейтрона, в другом — три, а в среднем — 2,5.
В реакторе на быстрых нейтронах расщепляющееся ядро плутония испускает и два и четыре, но в среднем будет 3.
Предположим, при распаде ядра рождаются три нейтрона. Один из них вызовет деление другого делящегося ядра, и цепная реакция не затухает. Если один из двух оставшихся нейтронов поглотится ядром урана-238, то будет образовано ядро плутония-239 и тем самым осуществится воспроизводство ядерного горючего, так как на каждое «сгоревшее» ядро будет произведено одно новое делящееся. В результате реактор может работать бесконечно долго, потребляя только уран-238.
Но простое воспроизводство нас не удовлетворит, надо добиться воспроизводства расширенного, а для этого создать дополнительно еще одно ядро плутония-239. С помощью последнего — третьего — нейтрона из урана-238 и можно получить дополнительный плутоний.
К сожалению, от 30 до 60 процентов столь нужных «третьих» нейтронов либо улетает из реактора, либо поглощается в различных конструкционных материалах. Зато оставшиеся 40–70 процентов поглощаются ураном-238, производя плутоний-239. Другими словами, каждое сгоревшее в реакторе ядро плутония-239 оборачивается 1,4–1,7 нового делящегося ядра. Так выглядит расширенное воспроизводство ядерного горючего.
Как эффективнее осуществить его?
Оказалось, выгодно активную зону реактора охлаждать натрием, отличающимся сравнительно большим атомным весом — 23. Если же отводить тепло с помощью воды, то ее легкие ядра водорода замедлят быстрые нейтроны до тепловой энергии, и тогда существенно увеличится их вредное поглощение, ухудшится воспроизводство плутония-239.
Создание эффективных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах обеспечивает практически безграничные ресурсы ядерного топлива. Благодаря этому атомная энергетика сможет сыграть важную роль в решении энергетических проблем будущего.
Как почти любой вид промышленной деятельности, работа атомных станций оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду и человека. Особенно настороженно люди относятся к радиоактивному излучению, которое наиболее специфично для атомной энергетики. Безусловно, одна из важных причин необоснованной тревоги — неосведомленность. У многих в памяти ужасы Хиросимы и Нагасаки. И атомная энергетика невольно отождествляется с атомной бомбой.
Между тем защите обслуживающего персонала и населения от вредного влияния излучений уделяется не просто большое, а по сравнению с другими производствами громадное внимание. Но здесь очень важен психологический фактор. Излучения не видно. Оно не пахнет. Его не почувствуешь. В такой ситуации человеку кажется, что он беззащитный.
На самом деле радиация — явление для человека не новое. Всегда люди жили, не зная об этом, в потоках разнообразных лучей. Излучение ядер было открыто на рубеже веков, и долгое время о нем знали только ученые. Но теперь большинство людей, по крайней мере у нас в стране, знают, что излучение электронов, нейтронов, гамма-квантов окружает нас со всех сторон. Достаточно вспомнить рентгеновские установки в больницах, часы со светящимся циферблатом, космические лучи, телевизор, гранитные породы и строительные материалы. Для надежной защиты от излучений следует установить допустимые нормы и обеспечить, чтобы они не превышались.
Излучение природных, естественных источников сопровождало всю предыдущую эволюцию человека как биологического вида. В процессе эволюционного развития и естественного отбора человек «привыкал» к тем уровням излучений, которые существуют в природе. В последнее столетие к естественному излучению прибавилось искусственное, или техногенное, обусловленное деятельностью человека. Каково же соотношение между естественным и техногенным излучением?
В атмосфере, воде, растениях и человеческом организме имеются радиоактивные элементы типа калия-40 и углерода-14. Они образуются под влиянием космического излучения и разными путями попадают в наш организм. Ежеминутно в человеческом теле распадается около полумиллиона радиоактивных ядер. При этих распадах организм облучается гамма-квантами и электронами. Если люди находятся рядом, то один облучает другого.
Сравним его с уровнем техногенного облучения. Один из английских атомников привел такое образное сравнение: «Человек, проживающий вблизи атомной станции, подвергается примерно такому же облучению, которое получит за восьмичасовой рабочий день от сидящего рядом сослуживца». А вот более точные данные по облучению населения ФРГ. В этой стране большие мощности атомной энергетики сочетаются с высокой плотностью населения. В среднем каждый западный немец ежегодно получает за счет естественного облучения дозу 115 миллибэр, а доза техногенного облучения за счет рентгено- и радиоизотопной диагностики, радиоактивности строительных материалов и других источников уже сейчас почти вдвое больше — 225 миллибэр. Если даже мощность германских АЭС достигнет 20 миллионов киловатт, каждый житель ФРГ получит от них дозу облучения всего в 0,25 миллибэра, то есть не более одной десятой процента от общей дозы. Даже авиапутешествие на десятикилометровой высоте чревато большей радиационной опасностью…
Отсюда видно, что радиоактивное излучение работающей АЭС практически безвредно и составляет лишь малую долю того, что человек получает от других источников излучения.
Конечно, это справедливо лишь при работе в нормальном режиме. В случае аварии высвобождение радиоактивности увеличивается многократно и величина облучения может существенно возрасти.
Авария любой сложной и достаточно крупной промышленной системы или отдельного оборудования может приводить к гибели людей, будь то падение пассажирского авиалайнера или взрыв на угольной шахте. Памятна многим авария на химическом заводе в Бхопале, сразу унесшая около двух с половиной тысяч жителей близлежащего города, а сейчас пострадавших уже около 30 тысяч. Это событие будет иметь и генетические последствия.
Авария на Чернобыльской атомной станции также привела к гибели людей, но только из числа тех, кто непосредственно участвовал в ликвидации аварии. Велик и материальный ущерб от этой аварии. Ведь в него входят не только стоимость блока АЭС или потери от недовыработки энергии. Большие затраты будут связаны с захоронением аварийного блока, дезактивацией и отчуждением части территории из пользования, эвакуацией населения.
Конечно, при создании атомной станции должны учитываться возможные поломки оборудования, отказы различных систем, ошибки персонала, и этот учет является обязательным при ее проектировании и проведении конструкторских и научно-исследовательских работ. Рассматриваются различные «потенциальные» аварии и необходимые технические меры по их локализации и предотвращению развития. С этой целью ядерный реактор оборудуется различными аварийными системами: энергопитания, расхолаживания, герметизации. Правила при таком проектировании достаточно строги.
Так в соответствии с этими правилами в качестве первопричины аварии должен рассматриваться не только отказ любой одной системы, но и совпадение этой поломки с еще одной не обнаруженной до аварии поломкой другой системы.
И все же приведшая к взрыву авария на Чернобыльской АЭС показала, что нужно еще более тщательно и строго рассматривать возможные виды «потенциальных» аварий и меры по их локализации.
Работа по повышению безопасности АЭС интенсивно ведется у нас и в других странах мира. Почти в полтора раза возросла за последние десятилетия стоимость АЭС за счет совершенствования и введения дополнительных систем и оборудования, обеспечивающих безопасность.
Наиболее ответственное звено в ядерном топливном цикле — его завершающий этап, захоронение радиоактивных отходов. Для их надежного изолирования разработаны такие способы, как цементирование, битумирование и стеклование.
Эти способы проверены в реальных условиях, в том числе в различных непредвиденных обстоятельствах — например, когда в хранилища проникают грунтовые воды.