Расщепляя атом: как устроена АЭС

Загрузка ядерного топлива. Фото: Cook Nuclear Plant, cookinfo.com

Чтобы не допустить перегрев, в урановый пучок вставляют регулирующие стержни из материала, поглощающего нейтроны. Они могут подниматься и опускаться с помощью специального механизма. Это позволяет контролировать скорость ядерной реакции. Когда оператор хочет, чтобы активная зона производила больше тепла, он дает команду с пульта управления, и стержни поднимаются из топливных трубок, поглощая меньше нейтронов. Для уменьшения нагрева их опускают в урановый пучок. Можно погрузить их и полностью, чтобы остановить реактор в случае аварии или заменить топливо.

Хотя все ядерные реакторы работают по похожей схеме, существует несколько их разновидностей.

Есть схематические иллюстрации к каждому типу, каждая картинка подписана в названии.

Самый массовый в мире – реактор с водой под давлением. Сейчас активны 304 энергетических реакторов такого типа, и еще несколько десятков таких стоит на военных кораблях и ледоколах. Изначально его разработали как компактный источник энергии для атомных подводных лодок, но наибольшее применение он нашел именно на АЭС. В активную зону закачивают воду под давлением, чтобы она не могла превратиться в пар. При пуске реактора ее разогревают до 250–300 градусов и с помощью циркуляционных насосов по теплопроводящим трубкам подают в парогенератор – резервуар с водой, не связанный напрямую с первым контуром. Вода там закипает и вращает лопасти электрогенератора. Главное преимущество такой конструкции в том, что радиоактивная вода никогда не вступает в контакт с турбиной, что значительно упрощает обслуживание станции.

А это – реактор с кипящей водой. В мире сейчас действуют 62 такие установки. В них активная зона превращает в пар воду первого контура, с которой находится в непосредственном контакте. Пар вращает турбину, конденсируется в воду и возвращается к топливным стержням. Такие типы реакторов обладают рядом преимуществ. Во-первых, их корпус работает при более низком давлении, а во-вторых, в этой схеме нет парогенератора. Но проще – не значит лучше. Корпус такого реактора примерно в два раза больше, да и управлять им сложнее.

Графито-водные реакторы сегодня используются в странах СНГ. Сейчас активны 8 энергоблоков. Они отличаются тем, что в качестве замедлителя нейтронов вместо воды используют графитовые цилиндры. Их погружают в глубокую бетонную шахту вместе с топливными стержнями. Вода парогенераторов циркулирует по технологическим каналам и не соприкасается с ураном, поэтому топливо можно менять без остановки реактора. По такой схеме были сделаны первые экспериментальные и промышленные атомные установки. Сердце первой в мире атомной электростанции тоже было уран-графитовым. Самый известный реактор такого типа – РБМК-1000 – был установлен в четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС. После аварии конструкцию модернизировали, что повысило его безопасность.

В наши дни в мире действуют всего два реактора-размножителя на быстрых нейронах, оба – на Белоярской АЭС в Свердловской области. Теплоносителем на них служит жидкий металл, а замедлителя и вовсе нет. Но главная его «фишка» в том, что он… размножает собственное топливо! Вот как это происходит: в активной зоне в пылу ядерной реакции делятся уран (U-235) и плутоний (Pu-239). Они окружены в кольцо зоной воспроизведения – цилиндром, стены которого наполнены обедненным диоксидом урана. В нем содержится много низкорадиоактивного урана-238. Нейтроны, вылетающие из активной зоны, поглощаются зоной воспроизведения, благодаря чему образуется плутоний, который после переработки используется в качестве топлива.

Пятый и шестой энергоблоки Ленинградской АЭС-2 с реакторами ВВЭР-1200. Фото: Росатом, atomic-energy.ru

За пределами реактора

Атомная электростанция – это не только ядерный реактор. Правда, как только вы его покинете, разница в принципе работы между атомной и электростанцией, работающей на угле или мазуте, будет незначительной. За исключением того, что источник тепла, используемый для создания пара на АЭС, радиоактивен. Поэтому здесь требуются дополнительные меры предосторожности.

Посмотрите на фотографию Ленинградской АЭС. В этом корпусе находится активная зона и оборудование, которое работники станции используют для дозаправки и обслуживания реактора.

Уже по фото легко понять, что бетон играет важную роль в сдерживании радиоактивных материалов. Первая его прослойка сохраняет корпус реактора под давлением. Сверху она покрыта стальной оболочкой, которая защищает от утечки радиоактивных газов или жидкостей. Последний слой – внешнее бетонное здание. Оно спроектировано, чтобы выдержать серьезное землетрясение или даже крушение самолета.

Чтобы понять, зачем все это нужно, сперва надо уяснить две вещи. Во-первых, каждый раз, когда на пути радиационного излучения встречается барьер, оно передает ему часть своей энергии. Или всю – зависит от барьера и типа радиации. Их три: альфа-излучение – это ядра атомов гелий-4, от них может обезопасить даже обыкновенная одежда; бета-излучение – электроны, которые можно остановить, например, несколькими слоями обычной фольги; и гамма-излучение – самое опасное, какой защитный костюм вы бы ни надели, перед источником гамма-лучей вы точно получите дозу радиации.

Именно для защиты от него реакторы окружают толстыми слоями бетона и металла. Важнейший параметр здесь – это плотность. Слой свинца будет более эффективен, чем такой же толщины бетон. Но свинец в определенной степени токсичен, поэтому сегодня для защиты от радиации предпочитают использовать просто более толстые прослойки бетона, в состав которого на АЭС добавляют свинец и различные его соединения.

Зачем тебе такие большие трубы? А собственное озеро?

Огромные трубы атомных станций – это вовсе не трубы в привычном понимании. Это башенные испарительные градирни, главная цель которых – отдавать миру тепло, выработанное в жерле реактора. Коэффициент полезного действия большинства АЭС – около 30 процентов. То есть непосредственно на производство электричества тратится примерно треть добытого тепла.

Фото: Carol Highsmith, rawpixel.com

Внутри этих огромных, до 170 метров в высоту цилиндров горячая вода распыляется, как в душевой комнате. Только в огромных масштабах! Для того чтобы охладить турбину одного реактора, приходится испарять до полутонны воды в секунду. Но иногда и этого бывает недостаточно.

Вам известно, что чаще всего атомные электростанции строят вблизи озер и рек? А если таковых рядом нет – вырывают искусственные пруды. Все просто: чтобы превратить вращающий турбину пар обратно в воду, его нужно охладить. Для этого на территории АЭС строят конденсаторную станцию. Там пар охлаждают за счет воды из ближайшего водоема, после чего он, уже в виде воды, направляется обратно в парогенератор, где его вновь нагреют, превратят в пар, заставят вращать турбину и вырабатывать электричество для наших квартир.

Где у атомной станции мозги?

Если реактор мы назвали «сердцем» АЭС, то ее «мозг» – это блочный щит управления. На нем отслеживаются все этапы получения электрической энергии из ядерной. Все под контролем компьютеров. Однако круглые сутки здесь посменно дежурят операторы станции. На смене их трое, каждый сидит у своего пульта. Они контролируют все процессы, протекающие в реакторе, работу паровой турбины и всего энергоблока в целом. В случае сбоя компьютерной системы все процессы можно перевести в ручной режим. На панель управления напрямую выведено управление всеми узлами станции.

Кроме того, рядом всегда находится начальник смены или его заместитель. Они напрямую не управляют процессами на станции, а только наблюдают и – при необходимости – отдают распоряжения или вмешиваются в случае непредвиденной ситуации.

Надежность современных АЭС очень высока: автоматические системы защиты многократно дублированы. В принципе, станция вообще может работать в автоматическом режиме. Но контроль – залог безопасности.

Куда девать топливо

Атомная энергетика позиционирует себя как «чистая», потому что АЭС не выбрасывают в атмосферу большое количество парниковых газов, как это делают тепловые электростанции. И это действительно так. Однако существует другая проблема – отходы производства.

Блочный щит управления Ленинградской АЭС. Фото: Росэнергоатом, atomic-energy.ru

Загружаемое в реактор горючее работает 3–4 года. На это время ему требуется около сотни тонн низкообогащенного урана. Для сравнения, тепловая электростанция, которая вырабатывала бы столько же энергии, потребляла бы пять железнодорожных составов угля, но не в год, а… в сутки!

За год работы крупного энергоблока появляется около 150 кубометров твердых радиоактивных отходов и примерно столько же жидких. Хоть это и немного, с ними нужно что-то делать. Свежие урановые таблетки не представляют опасности: их можно держать в руках. Но проблема в том, что их содержимое изменилось в процессе деления. Когда атомы урана расщепляются, образуются побочные продукты – изотопы цезий-137 и стронций-90. Они горячие и очень радиоактивные. В течение 30 лет они, конечно, распадутся на менее опасные формы – это время называется периодом полураспада. Но некоторые атомы урана во время ядерной реакции образуют и более тяжелые элементы. Например, плутоний-239, период полураспада которого составляет ни много ни мало 24 тысячи лет.

Тем не менее, по объему загрязнения АЭС сравнимы с солнечной и ветровой электростанциями. Атомная энергетика не загрязняет атмосферу и не производит парниковых газов, из-за которых стремительно ухудшается климат на нашей планете, загрязняется почва и повышается кислотность океанов. А современные технологии позволяют перерабатывать ядерные отходы и использовать их снова после регенерации, в отличие от золы и шлаков органического топлива.