![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
Entry tags:
Будущее атомных реакторов
Прекрасная статья в журнале, когда есть куча конкретных деталей, видна чёткая логика того, что хочет сказать автор, и при этом то, что он хочет сказать — одновременно новое для меня и понятное. При этом авторы однозначно за атомную энергетику, это их специальность.
Начинают с того, что атомная Энергия предоставляет в настоящее время порядка 10% от всего вырабатываемого человечеством электричества, 5% от всей вырабатываемой энергии. То есть да, она вся из себя такая экологическая, но если мы хотим воспользоваться ею для снижения выбросов парниковых газов, то это автоматически приводит к увеличению потребления ядерного топлива в разы. А то и десятки раз, если мы учтём возможный рост потребления энергии жителями «третьих стран». И тут авторы переходят к заинтересовавшей меня теме: а что, собственно, является ядерным топливом?
1. Подавляющее большинство атомных реакторов работают на реакции распада урана-235 (235U). Он редкий, в природном уране его всего 0.7%, остальные 99.3% — другой изотоп, 238U. Реакция распада 235U запускается после попадания в него нейтрона: она выделяет энергию и ещё несколько нейтронов для обеспечения цепной реакции.
2. Проблема в том, что 238U с удовольствием поглощает нейтроны, которые необходимы были бы для цепной реакции. Способность его к поглощению нейтронов зависит от скорости последних, и если сильно замедлить нейтроны, то они будут чаще разбивать 235U, чем поглощаться 238U. «Сильно» замедлить — это потерять 9 нулей, если брать скорость нейтронов, вылетающих после распада 235U.
3. Замедлять нейтроны можно, наполнив пространство между атомами урана какими-то лёгкими молекулами, с которыми будет сталкиваться нейтрон, постепенно передавая им свою кинетическую энергию. Большинство работающих реакторов использует для этого обычную воду — она же отводит и энергию распада 235U. В этой конфигурации для поддержания реакции достаточно, чтобы 235U было 4% от общей массы урана.
4. Параграф в духе «ну что, кроты, посчитаем?»
Распад одной молекулы урана выделяет порядка 3×10-11 джоуля. Для сравнения, сгорание одной молекулы метана выделяет 10-18 джоуля, на 7 порядков меньше. Типичная атомная электростанция вырабатывает 1 гВт электричества. Учитывая 33% КПД, распад урана должен выделять 3 гВт энергии. 3 гВт = 3×109 джоуля / секунду = 1017 джоуля / год = 3×1027 молекул / год = 5 000 моль урана / год = 1 тонна 235U / год. В реактор засовывают топлива на 3-4 года, то есть порядка 80 тонн топлива, в котором 4% 235U. А добыча топлива на 1 год требует 200 тонн породы, которую потом «обогащают» до тех самых 4%, получая 27 тонн топлива и 173 тонны «обеднённого» урана (там остаётся 0.25% 235U).
Этот параграф нужен авторам, чтобы подвести читателя к мысли о жуткой неэффективности процесса, а также к желанию что-нибудь улучшить :-)
5. Дальше они рассказывают о варианте регенерации урана. Что происходит с 238U, после того, как он поглощает нейтрон? Он достаточно быстро превращается в плутоний: 238U + n => 239U => 239Np => 239Pu
Что происходит с этим плутонием? У него тоже два варианта: либо распад с выделением энергии и нейтронов (потенциальная база цепной реакции), либо захват нейтрона с превращением в 240Pu, который в дальнейшей работе реактора участвовать не будет. Соответственно, можно представить себе систему, состоящую из 238U и 239Pu, в которой происходит постепенный распад плутония с выделением такого количества нейтронов, чтобы хватило и на поддержание цепной реакции, и на производство плутония из 238U. То есть, количество плутония в этой системе будет оставаться постоянной. Формально мы используем его распад, но если смотреть на реактор как на чёрный ящик, то потребляется только 238U.
6. Что получается? Вместо расхода 200 тонн природного урана в год для производства 1 гВт электричества, есть вариант вырабатывать всё тот же 1 гВт из 1 тонны природного урана. Более того, на территории Франции уже есть 330 000 тонн 238U, поэтому на ближайшие 5000 лет можно не заморачиваться вопросами добычи топлива. Но всё это работает только при условии, что у нас была начальная масса плутония для запуска этой системы. Такое же количество плутония у нас так и остаётся, но для запуска оно необходимо.
7. Очевидно, не всё так просто, иначе бы все давно так и сделали. В описанной схеме один распадающийся атом плутония генерит в среднем 2.9 нейтронов, на которые у нас было сразу два плана: поддержать цепную реакцию плутония и генерировать новые атомы плутония из урана. И тут возникает ситуация обратная той, что описана в п.2 — если замедлять нейтроны, то практически все они будут поглощены плутонием — это произведёт тепло эффективно, но недолго.
8. В таком случае нужна жидкость, которая с одной стороны могла бы эффективно отводить тепло, но при этом не замедлять нейтроны. Самым перспективным для этого сейчас считается жидкий натрий (в статье упоминают ещё варианты с жидким свинцом или с гелием). И вот тут всё снова становится сложно и дорого.
9. Сколько нужно плутония? Расчёты показывают, что для того «типичного» реактора, который вырабатывает 1 гВт, нужно около 40 тонн топлива, 17% которого — плутоний. То есть, для запуска каждого такого реактора нужен первоначальный запас в 8 тонн плутония. Если учесть ещё цикл смены топлива (вытащить старое, выкинуть мусор, отделить плутоний — для запаса топлива, которое позволяет реактору работать 5 лет, этот цикл занимает 7 лет), то нужно порядка 20 тонн плутония.
10. Где взять этот плутоний? В статье прямо не говорят, но кажется, что единственный его источник — это текущие атомные электростанции. То есть, нельзя просто так взять и построить новую станцию (предположим, что все технические вопросы решены), нужно сначала запустить станцию на 235U, сгенерить нужный для старта новой станции плутоний, а потом уже строить новую станцию. И тут самое интересное: подразумевая одинаковые мощности, для выработки нужного количества плутония старая станция должна проработать порядка 60 лет.
То есть, во-первых, нет никакой конкуренции между «старой технологией» и «новой технологией» — вторая без первой невозможна. Во-вторых, казавшееся решение проблемы «конца урана» только частичное: оно позволяет продлить работу атомной энергетики, но без возможности увеличения мощности, которая ограничена всё тем же запасом 235U.
11. Я не стал вдаваться в детали реального мира, потому что там моих знаний совсем уж недостаточно. По статье похоже, что 10% вырабатываемой во Франции атомной энергии уже идёт по этой технологии (хотя и не с идеальным циклом повторного использования плутония). Судя по Википедии, США и Россия тоже работают над аналогичными проектами. А судя по тому, что плутоний имеет и военное назначение, можно помечтать о мире, когда цивилизация из бомбы и электростанции выберет электростанцию.
Статья заканчивается констатацией, что пока что Франция сохраняет статус-кво: пока уран дешёвый, можно не дёргаться, а там разберёмся. Переход на регенеративную систему возможен, если (когда) подорожает уран — то ли потому, что его станет меньше (страны-производители закроются), то ли потому что возрастёт спрос. Но в любом случае этот переход становится возможным только после нескольких десятилетий работы обычных реакторов.
Начинают с того, что атомная Энергия предоставляет в настоящее время порядка 10% от всего вырабатываемого человечеством электричества, 5% от всей вырабатываемой энергии. То есть да, она вся из себя такая экологическая, но если мы хотим воспользоваться ею для снижения выбросов парниковых газов, то это автоматически приводит к увеличению потребления ядерного топлива в разы. А то и десятки раз, если мы учтём возможный рост потребления энергии жителями «третьих стран». И тут авторы переходят к заинтересовавшей меня теме: а что, собственно, является ядерным топливом?
1. Подавляющее большинство атомных реакторов работают на реакции распада урана-235 (235U). Он редкий, в природном уране его всего 0.7%, остальные 99.3% — другой изотоп, 238U. Реакция распада 235U запускается после попадания в него нейтрона: она выделяет энергию и ещё несколько нейтронов для обеспечения цепной реакции.
2. Проблема в том, что 238U с удовольствием поглощает нейтроны, которые необходимы были бы для цепной реакции. Способность его к поглощению нейтронов зависит от скорости последних, и если сильно замедлить нейтроны, то они будут чаще разбивать 235U, чем поглощаться 238U. «Сильно» замедлить — это потерять 9 нулей, если брать скорость нейтронов, вылетающих после распада 235U.
3. Замедлять нейтроны можно, наполнив пространство между атомами урана какими-то лёгкими молекулами, с которыми будет сталкиваться нейтрон, постепенно передавая им свою кинетическую энергию. Большинство работающих реакторов использует для этого обычную воду — она же отводит и энергию распада 235U. В этой конфигурации для поддержания реакции достаточно, чтобы 235U было 4% от общей массы урана.
4. Параграф в духе «ну что, кроты, посчитаем?»
Распад одной молекулы урана выделяет порядка 3×10-11 джоуля. Для сравнения, сгорание одной молекулы метана выделяет 10-18 джоуля, на 7 порядков меньше. Типичная атомная электростанция вырабатывает 1 гВт электричества. Учитывая 33% КПД, распад урана должен выделять 3 гВт энергии. 3 гВт = 3×109 джоуля / секунду = 1017 джоуля / год = 3×1027 молекул / год = 5 000 моль урана / год = 1 тонна 235U / год. В реактор засовывают топлива на 3-4 года, то есть порядка 80 тонн топлива, в котором 4% 235U. А добыча топлива на 1 год требует 200 тонн породы, которую потом «обогащают» до тех самых 4%, получая 27 тонн топлива и 173 тонны «обеднённого» урана (там остаётся 0.25% 235U).
Этот параграф нужен авторам, чтобы подвести читателя к мысли о жуткой неэффективности процесса, а также к желанию что-нибудь улучшить :-)
5. Дальше они рассказывают о варианте регенерации урана. Что происходит с 238U, после того, как он поглощает нейтрон? Он достаточно быстро превращается в плутоний: 238U + n => 239U => 239Np => 239Pu
Что происходит с этим плутонием? У него тоже два варианта: либо распад с выделением энергии и нейтронов (потенциальная база цепной реакции), либо захват нейтрона с превращением в 240Pu, который в дальнейшей работе реактора участвовать не будет. Соответственно, можно представить себе систему, состоящую из 238U и 239Pu, в которой происходит постепенный распад плутония с выделением такого количества нейтронов, чтобы хватило и на поддержание цепной реакции, и на производство плутония из 238U. То есть, количество плутония в этой системе будет оставаться постоянной. Формально мы используем его распад, но если смотреть на реактор как на чёрный ящик, то потребляется только 238U.
6. Что получается? Вместо расхода 200 тонн природного урана в год для производства 1 гВт электричества, есть вариант вырабатывать всё тот же 1 гВт из 1 тонны природного урана. Более того, на территории Франции уже есть 330 000 тонн 238U, поэтому на ближайшие 5000 лет можно не заморачиваться вопросами добычи топлива. Но всё это работает только при условии, что у нас была начальная масса плутония для запуска этой системы. Такое же количество плутония у нас так и остаётся, но для запуска оно необходимо.
7. Очевидно, не всё так просто, иначе бы все давно так и сделали. В описанной схеме один распадающийся атом плутония генерит в среднем 2.9 нейтронов, на которые у нас было сразу два плана: поддержать цепную реакцию плутония и генерировать новые атомы плутония из урана. И тут возникает ситуация обратная той, что описана в п.2 — если замедлять нейтроны, то практически все они будут поглощены плутонием — это произведёт тепло эффективно, но недолго.
8. В таком случае нужна жидкость, которая с одной стороны могла бы эффективно отводить тепло, но при этом не замедлять нейтроны. Самым перспективным для этого сейчас считается жидкий натрий (в статье упоминают ещё варианты с жидким свинцом или с гелием). И вот тут всё снова становится сложно и дорого.
9. Сколько нужно плутония? Расчёты показывают, что для того «типичного» реактора, который вырабатывает 1 гВт, нужно около 40 тонн топлива, 17% которого — плутоний. То есть, для запуска каждого такого реактора нужен первоначальный запас в 8 тонн плутония. Если учесть ещё цикл смены топлива (вытащить старое, выкинуть мусор, отделить плутоний — для запаса топлива, которое позволяет реактору работать 5 лет, этот цикл занимает 7 лет), то нужно порядка 20 тонн плутония.
10. Где взять этот плутоний? В статье прямо не говорят, но кажется, что единственный его источник — это текущие атомные электростанции. То есть, нельзя просто так взять и построить новую станцию (предположим, что все технические вопросы решены), нужно сначала запустить станцию на 235U, сгенерить нужный для старта новой станции плутоний, а потом уже строить новую станцию. И тут самое интересное: подразумевая одинаковые мощности, для выработки нужного количества плутония старая станция должна проработать порядка 60 лет.
То есть, во-первых, нет никакой конкуренции между «старой технологией» и «новой технологией» — вторая без первой невозможна. Во-вторых, казавшееся решение проблемы «конца урана» только частичное: оно позволяет продлить работу атомной энергетики, но без возможности увеличения мощности, которая ограничена всё тем же запасом 235U.
11. Я не стал вдаваться в детали реального мира, потому что там моих знаний совсем уж недостаточно. По статье похоже, что 10% вырабатываемой во Франции атомной энергии уже идёт по этой технологии (хотя и не с идеальным циклом повторного использования плутония). Судя по Википедии, США и Россия тоже работают над аналогичными проектами. А судя по тому, что плутоний имеет и военное назначение, можно помечтать о мире, когда цивилизация из бомбы и электростанции выберет электростанцию.
Статья заканчивается констатацией, что пока что Франция сохраняет статус-кво: пока уран дешёвый, можно не дёргаться, а там разберёмся. Переход на регенеративную систему возможен, если (когда) подорожает уран — то ли потому, что его станет меньше (страны-производители закроются), то ли потому что возрастёт спрос. Но в любом случае этот переход становится возможным только после нескольких десятилетий работы обычных реакторов.
no subject
Ну и надежды на термояд выкидываем?
no subject
no subject
Вообще, первьіе АЄС как раз и бьіли военньіми бридерами плутония, которьіе попутно вьірабатьівали єлектричество.
no subject