Как работает реактор: от деления атома до электричества в розетке
Ядерный реактор работает на принципе управляемого деления атомных ядер. Нейтрон попадает в ядро урана-235, ядро раскалывается, выделяет тепло и испускает новые нейтроны, которые расщепляют следующие ядра. Эта цепная реакция поддерживается непрерывно и под строгим контролем, а выделяемое тепло нагревает воду или другой теплоноситель, который затем вращает паровую турбину и вырабатывает электрический ток.
Топливо и активная зона
Основное топливо большинства реакторов — обогащённый диоксид урана. Его прессуют в небольшие таблетки диаметром около 1 см, укладывают в металлические трубки из циркониевого сплава и собирают в топливные сборки. В одном реакторе таких сборок может быть от 150 до 400 штук. Активная зона, где происходит реакция, находится в прочном стальном корпусе реактора, рассчитанном на давление порядка 160 атмосфер.
Концентрация урана-235 в топливе для энергетических реакторов составляет 3–5 процентов. Это значительно ниже, чем в оружейном уране (более 90 процентов), поэтому ядерный взрыв физически невозможен: реакция просто затухнет сама по себе при нарушении условий.
Замедлители и управляющие стержни
Нейтроны, вылетающие при делении, движутся слишком быстро и плохо «попадают» в следующие ядра урана. Для замедления используют воду или графит: нейтроны, столкнувшись с атомами замедлителя, теряют скорость и становятся «тепловыми». Именно эти медленные нейтроны эффективно поддерживают цепную реакцию.
Скорость реакции регулируется управляющими стержнями из бора или гафния. Эти материалы жадно поглощают нейтроны. Когда стержни опускаются в активную зону, они «съедают» лишние нейтроны и реакция замедляется. При полном погружении всех стержней реакция останавливается полностью. Это и есть аварийная защита, которая срабатывает за доли секунды.
Как тепло превращается в электричество
В реакторах типа ВВЭР, которые составляют основу российской ядерной энергетики, используется два контура. Первичный контур: вода под давлением 160 атм проходит через активную зону, нагревается примерно до 320 градусов Цельсия и по трубопроводам поступает в парогенератор. Давление не даёт ей закипеть. Во втором контуре вода давлением ниже, поэтому она превращается в пар прямо в парогенераторе, не смешиваясь с радиоактивной водой первого контура.
Пар под высоким давлением раскручивает лопасти турбины. Турбина соединена с генератором, ротор которого вращается в магнитном поле и вырабатывает переменный ток. После турбины пар охлаждается в конденсаторе, снова становится водой и возвращается в парогенератор. Этот цикл непрерывен.
Защитные барьеры и безопасность
Современный реактор имеет несколько независимых барьеров безопасности. Первый: сама таблетка топлива удерживает большую часть продуктов деления в своей кристаллической структуре. Второй: циркониевая оболочка топливного стержня. Третий: стальной корпус реактора толщиной до 30 см. Четвёртый: железобетонная защитная оболочка в форме купола толщиной 1,2–1,5 метра. Она рассчитана на выдерживание внутренних аварийных давлений и удара воздушного судна снаружи.
Системы аварийного охлаждения активной зоны в современных проектах работают пассивно: заполненные водой баки располагаются выше уровня реактора, и при потере давления вода поступает самотёком, без насосов и электричества. Российские реакторы поколения 3+ с пассивными системами безопасности эксплуатируются на нескольких действующих станциях.
Что происходит с отработавшим топливом
После трёх-четырёх лет работы в реакторе топливные сборки становятся непригодными: накапливаются продукты деления, поглощающие нейтроны, и уран-235 выгорает. Отработавшие сборки остаются высокорадиоактивными и выделяют тепло ещё годами. Сразу после выгрузки их помещают в бассейны с водой прямо на территории станции: вода одновременно охлаждает и защищает от излучения. Спустя несколько лет, когда активность снижается, сборки переводят на долгосрочное хранение в сухие хранилища или отправляют на переработку.
