Як працює атомна електростанція
Чудова штука цей ядерний реактор. Ні диму, ні гару, ні ешелонів з вугіллям, ні цистерн з мазутом. Але спеку реактор дає будь здоров. Щоб зрозуміти, звідки цей жар береться, зробимо маленьку екскурсію в атомну фізику. Все різноманіття світу складається з невеликої кількості першоелементів. Стародавні думали, що їх небагато - вогонь, вода, земля, повітря. Вчені наступних століть поправили мудреців минулого: першоелементів дійсно не так вже й багато, але все ж набагато більше, ніж пальців на одній руці.
Що таке першоелементи?
Першоелементів (або просто елементів) на світлі всього трохи більше сотні. Кожен такий елемент представлений типом атома - мікроскопічної, невидимої оку частинки матерії. Атом теж не дуже простий. Він складається з елементарних частинок. Ядро атома «зліплений» з протонів і нейтронів. Навколо ядра по орбітах (або орбіталях) несуться електрони. Тип атома, його приналежність до того чи іншого елементу визначається кількістю електронів і протонів. Ось, наприклад, атоми, в яких ядра складаються з одного протона, а за орбіті бігає один електрон, утворюють елемент водень. Водень - газ. Два атома водню і один атом іншого газу - кисню - складають молекулу води. Інакше кажучи, вода складається з атомів двох різних елементів. Атом алюмінію виглядає складніше. Ядро в ньому складається з 14 нейтронів і 13 протонів, ну і електронів теж 13. Якщо шматок алюмінію покласти в який-небудь контейнер, а потім відкрити цей контейнер через кілька мільйонів років, що виявиться всередині? Алюміній. Його атоми, як і раніше, будуть нараховувати по 14 нейтронів, 13 протонів і 13 електронів. Алюміній, як кажуть вчені, це стабільний елемент. Але не всім елементам «подобається» така стабільна життя. Атоми деяких з них (наприклад, металу урану) з плином часу в певному сенсі «тануть», втрачаючи протони і нейтрони. Ці елементарні частинки, розлітаючись в сторони, створюють явище, зване радіацією, яка, як ви напевно чули, дуже небезпечна для людини. Сам же «полегшений» атом стає атомом іншого елемента. Уран, наприклад, в кінцевому підсумку перетворюється в свинець.
Як працює атомна електростанція?
ядерний більярд
Управління ланцюговою реакцією поділу атомних ядер
Ядерний вибух - не що інше, як некерована цепная реакція розподілу атомних ядер. Для руйнування міст і вбивства сотень тисяч людей така технологія цілком підходить. Але ось для використання атома в мирних цілях довелося придумати, як ланцюговою реакцією управляти. що потрібно для цього зробити? По-перше, потрібно трохи сповільнювати швидкість нейтронів, крушать ядра атомів, як більярдні кулі складену на столі піраміду. По-друге, потрібно мати можливість виводити «з поля бою» частина беснующихся нейтронів. Цим завданням і служить конструкція ядерного реактора.
Ядерне паливо куди входить уран-235 спресовується в спеціальні Гранули, які за формою нагадують великі таблетки. Ці таблетки стовпчиком поміщаються всередину стрижнів, в оболонці яких використовуються матеріали, слабо поглинають нейтрони (алюміній і цирконій). Стрижні ці ще називають ТВЕЛами - тепловидільними елементами. ТВЕЛи збирають в касети, або паливні збірки. Паливну збірку опускають в активну зону реактора. Тут-то все і починається.
атомний кип'ятильник
Є такий найпростіший побутовий прилад - електрокип'ятильників. Складається з вилки, дроти і спіралі нагрівача. Опускаємо спіраль в воду, встромляємо вилку в розетку - і кілька хвилин по тому вода закипіла. Поки навколо кип'ятильника є вода - з ним нічого не станеться. Вода нагрівається до температури кипіння і не дає металу, підігрівається електрикою, досягти більш високої температури. Вона не дасть спіралі перегрітися, відбираючи у кип'ятильника частина тепла, тобто охолоджуючи його. Але як тільки кипляча вода випарується, прилад вже не зможе охолоджуватися. Він перегорить і перестане працювати, а то і вибухне (відомі такі випадки).
Паливна збірка, що опускається в реактор, в чем-то подібна кип'ятильник, якому не можна дати перегрітися. Справа в тому, що ядерне паливо в реакторі знаходиться в так званому сверхкритическом стані. Це означає, що ланцюгова реакція вже йде, і якщо її не сповільнювати, то ТВЕЛи розплавляться, а реактор вибухне подібно бомбі. Як і у випадку з кип'ятильником, саморазогревающіеся уранові стрижні опущені в воду. Вода нагрівається і охолоджує ТВЕЛи, а також заодно уповільнює біг нейтронів. Але, звичайно, однією води для уповільнення реакції недостатньо. В управлінні розподілом ядер беруть участь так звані контрольні стрижні, які зроблені з матеріалу, що поглинає нейтрони. Коли ТВЕЛи сильно розігріваються, оператор атомного реактора опускає вниз контрольні стрижні, що постають між ТВЕЛами і вбирають в себе надлишкові нейтрони. Треба «піддати жару» - контрольні стрижні знову піднімають. Якщо ж контрольні стрижні опустити на всю довжину паливних стрижнів, ланцюгова реакція припиниться. Або, як кажуть, реактор буде заглушений.
Вода гріє воду
Ну тепер, здається все зрозуміло. Ядерний кип'ятильник розігріває воду, вода перетворюється в пар, пар крутить турбіну ... Ні! Така конструкція була б занадто небезпечною. Нейтрони і гамма-випромінювання, що розлітаються у різні боки під час ділення ядер, являють собою смертельну загрозу для людини. Тому треба зробити все, щоб продукти ядерного розпаду не вийшли за межі реактора. Інакше біда! Саме тому реактор обладнаний рефлектором нейтронів, поміщений в міцний металевий корпус і з усіх боків укритий товстенним панциром з бетону. Саме тому радіоактивну воду, яку нагрівають ТВЕЛи, не можна підпускати до турбіни, інакше уникнути витоку радіації буде дуже важко. Насправді нагріта в реакторі вода нагріває ... іншу воду. Поруч з реактором знаходиться заповнений водою котел. Через цей котел проходить труба, а в трубу надходить розігріта до 300 градусів Цельсія вода з реактора. Радіоактивна вода нагріває трубу, а труба нагріває вже саму звичайну воду в котлі. І вже ця вода перетворюється в пар, обертає турбіну, а потім надходить в систему охолодження і знову стає водою. Пар, в'юнкий над величезною охолоджуючої вежею (градирнею), без якої не обходиться жодна атомної електростанції, - це звичайний пар. Радіації в ньому немає, так як радіоактивна вода в цю систему не потрапляє. Залишається останнє питання. Начебто кожен знає, що вода, нагріта до 100 градусів, випаровується. Чому ж вода з реактора має температуру 300 градусів? Все дуже просто. Ця вода знаходиться під великим тиском. Там просто немає місця для утворення пари (тобто перетворення води в газ).
Чим небезпечні атомні електростанції?
Атомні електростанції НЕ чадять, не викидають в атмосферу вуглекислий газ, не споживають вагонами цінні і невідновних корисні копалини, яким можна знайти краще застосування. Так чому ж не відмовитися від електростанцій, що працюють на вугіллі або мазуті, й не замінити їх атомними? Справа в тому, що «мирний атом» не такий вже мирний.
Що прийде на заміну атомним електростанціям?
Що виявиться сильніше - плюси чи мінуси? Час покаже. Поки атомна енергетика продовжує розвиватися, і наприклад, у Франції близько двох третин всієї електроенергії виробляється за допомогою ядерних реакторів. Багато хто вважає, що від атомних електростанцій відмовляться лише тоді, коли люди навчаться управляти термоядерної реакцією. Тієї самої, що відбувається під час вибуху водневої бомби або в надрах Сонця та інших зірок. Термоядерні електростанції стануть куди більш безпечними і екологічно чистими, ніж атомні. Одна біда: їх поява - справа невизначеного майбутнього.