Быстрые реакторы с жидкометаллическим охлаждением Повреждение защитной оболочки Хранение отработанного топлива Термоядерные реакторы Ядерные взрывы Атомная энергетика

Ядерные реакторы

Термоядерные реакторы

Прежде чем термоядерный реактор станет реальностью после получения демонстрационной реакции, ему, так же как и ядерному реактору, предстоит долгий путь развития. Давайте посмотрим, каким бы мог быть такой реактор.

На рис. 9.10 изображена схема D-Т-термоядерного реактора в виде сечения тора. В своей основе термоядерный реактор будет напоминать луковицу, состоящую из многих слоев. В центральной части реактора будет находиться плазма. Она будет заключена внутри основной тороидальной вакуумной камеры, имеющей диаметр около 20 м. Радиус плазмы будет составлять примерно 2 м. Эта камера будет окружена бланкетом с литием или с одним из его соединений, в котором кинетическая энергия нейтронов преобразуется в тепло и одновременно производится тритий. Следующий слой представляет собой радиационную защиту. Она служит для предохранения внешних конструкций, особенно сверхпроводящих катушек, которые создают магнитное поле, удерживающее плазму. Бланкет и защита будут иметь толщину до 2 м. Тепловая мощность такой установки может быть от 1 до 5 ГВт. Тепловой поток через стенки вакуумной камеры оказывается при этом значительным (от 1 до 10 МВт/м2), близким к тепловому потоку из топливных элементов быстрого реактора. Он будет ограничиваться: способностью отводить тепло, выделяющееся за счет нейтронов, поглощенных в бланкете, и повреждениями, образующимися из-за облучения высокоэнергетическими нейтронами тонкостенного стального корпуса.

Создание такого реактора требует решения большого числа технических и инженерных задач, многие из которых относятся к области теплофизики. Были предложены различные виды теплоносителей для отвода тепла из бланкетов в теплообменники для производства пара. Для этого можно использовать сам литий либо другой жидкий металл, хотя сильные магнитные поля вызывают в потоке очень большие перепады давления, а это, в свою очередь, приводит к потерям на прокачку теплоносителя. Другим способом является использование газового теплоносителя, но при этом ограничивается допустимая плотность энергии через стенку вакуумной камеры.

Рис. 9.10. Дейтерий-тритиевый термоядерный реактор и процессы, в нем происходящие:

1 - дейтерий и тритий нагреваются вместе в камере до очень высокой температуры; 2 - эти изотопы соединяются и образуют гелий с выделением энергии; 3 - энергия в основном выделяется с высокоэнергетичными нейтронами; 4 - получившийся гелий отсасывается; 5 - нейтроны разлетаются и попадают в литиевый бланкет, размещенный вокруг области реакции; 6- в этом бланкете нейтроны реагируют с литием с получением трития и гелия, нагревают бланкет: 7 - тепло отводится для производства пара, используемого при получении электроэнергии; 8 - дейтерий; 9 - экстракт трития; 10 - вывод гелия; 11 - тритий, полученный в бланкете, возвращается в систему в качестве топлива; 12 - турбина и генератор; 13 - парогенератор; 14 - электроэнергия

Решения этих и других инженерных проблем ищутся и будут использованы в проектах последующих поколений токамаков. Из-за масштабности экспериментов все основные страны, развивающие термоядерные программы, участвуют в совместных работах по проектированию реактора INTOR (International Tokamak Reactor - Международный Реактор Токамак).

С точки зрения воздействия на окружающую среду термоядерные реакторы имеют некоторые преимущества перед ядерными реакторами. Отходом реакции синтеза является гелий - газ не активный, поэтому проблемы, связанные с сильно радиоактивными веществами, не возникают. Конструкции самого реактора будут сильно радиоактивными и потребуют дистанционного обслуживания. Но эта радиоактивность исчезнет через сотни, а не через десятки тысяч лет. Тритий, используемый в реакторе, представляет биологическую опасность, а так как он является изотопом водорода, то требует тщательного хранения и защиты от аварий, связанных с пожарами.

В заключение можно сказать, что хотя потенциальная радиационная опасность за счет термоядерных реакторов будет меньше по сравнению с ядерными реакторами, потребуется тщательная проработка на стадии инженерного проектирования вопросов обеспечения их безопасности.

При освоении термоядерной энергии в дополнение к ядерной, ядерная энергетика дает человечеству практически неограниченный источник энергии. Центральная роль энергетики в нашей экономической структуре ясно проявляет себя на протяжении 10 лет после нефтяного кризиса. Ядерная энергия представляет собой надежный источник на ближайшее будущее, а термоядерная энергия является огромным потенциалом для более отдаленного времени.

Конечно, до сих пор остается много нерешенных проблем, и использование ядерной энергии потребует бдительности и внимания к техническим деталям, если будет продолжено это очень успешное начало. Не последними из этих проблем являются и задачи отвода тепла, выделяющегося в ядерной реакции, и его эффективное использование при производстве электроэнергии.

Таким образом, мы не просим извинения за то, что написали эту книгу с нашей собственной точки зрения, точки зрения инженера-теплофизика.

К тому же, существует огромное количество общественных и организационных проблем, требующих разрешения, прежде чем весь потенциал ядерной энергетики сможет быть реализован. Развитие международного сотрудничества в этой области может послужить примером для других областей человеческой деятельности и сделать более удовлетворительным наше существование на этой прекрасной планете.

Охлаждение бака для хранения высокоактивных жидких отходов Пример. Жидкие отходы с высоким уровнем излучения хранятся в емкости диаметром D = 6 м. Уровень жидкости в емкости составляет 5 м. Тепло, выделяемое при распаде продуктов деления, отводится водой, циркулирующей по змеевику из нержавеющей стали с внешним диаметром 5 см. Змеевик погружен в жидкие отходы. Вода попадает в змеевик при температуре 20 и покидает при 250С. Жидкие отходы за счет распада продуктов деления выделяют тепло с интенсивностью 14 кВт/м3. Температура отходов должна составлять не более 350С для минимизации коррозии.

Потери тепла захороненного блока с отходами Пример. Активные отходы с перерабатывающего завода были остеклованы в виде цилиндров с диаметром D = 0,3 м. Цилиндры были захоронены один за другим в желобе под землей на глубине х = 7 м. Энерговыделение в цилиндрах за счет распада продуктов деления составляет 1 кВт/м тепла. Рассчитайте температуру поверхности цилиндров Т1, предполагая, что температура почвы Т2 составляет 200, а теплопроводность 1 Вт/(м К).

Каким образом нам следует «удерживать» плазму в течение достаточно долгого периода времени, чтобы она при этом не касалась (и не плавила) стенок аппарата, в котором должна проходить реакция? На Солнце и звездах термоядерная плазма удерживается большими гравитационными силами. Очевидно, что на Земле мы не можем использовать эти силы для удержания плазмы ни в каких аппаратах приемлемого размера. Для обеспечения удержания плазмы были испробованы и используются два способа.

Текущее техническое состояние Исследования, направленные на осуществление контролируемой термоядерной реакции, проводятся в США, СССР, Японии и в Европе. До настоящего времени условия поддерживаемой реакции, несмотря на достигнутые успехи, получены не были. Одна из конфигураций магнитного поля оказалась при этом многообещающей. Это так называемая конфигурация токамак

Энергия, выделяемая в реакции синтеза Пример. Рассчитайте энергию, выделяемую при термоядерной реакции синтеза 1 кг водорода с тритием

Среди вопросов, представляющих научный интерес, немногие приковывают к себе столь постоянное внимание общественности и вызывают так много споров, как вопрос о действии радиации на человека и окружающую среду. В промышленно развитых странах не проходит и недели без какой-нибудь демонстрации общественности по этому поводу. Такая же ситуация довольно скоро может возникнуть и в развивающихся странах, которые создают свою атомную энергетику; есть все основания утверждать, что дебаты по поводу радиации и ее воздействия вряд ли утихнут в ближайшем будущем.

В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, называемые нейтронами, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу «нуклидов».


Аварии на ядерных электростанциях