Речь пойдет о разновидностях ядерного топлива, их составе, эффективности, особенностях, и тому подобном.
Итак, первый вид ядерного топлива – топливо на основе урана – 235. В природном уране содержится 3 изотопа – уран – 238, уран — 235, уран — 234. В ядерных реакторах (и бомбах) используется только уран — 235, поскольку среди вышеперечисленных изотопов только он может поддерживать цепную ядерную реакцию. В природном уране его очень мало (всего 72 сотых процента), поэтому применяется обогащение урана с целью повышения доли урана – 235. Процесс обогащения происходит в газовых центрифугах, где газообразный фторид урана (VI) раскручивается до огромной скорости (1500 оборотов в секунду), в результате чего более тяжелый уран — 238 отходит к стенке, а более легкий 235-й уран остается ближе к центру. Поскольку одна центрифуга имеет небольшую степень обогащения, несколько центрифуг объединяют в каскад. Так можно получить смесь с очень высокой долей урана – 235.
В разных реакторах используется разное топливо, у каждого определенный процент обогащения. К примеру, РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный) работает на топливе, в котором 1,8 – 3,6% урана-235. ВВЭР (Водо-Водяные Энергетические Реакторы) – целый класс реакторов, в зависимости от модели работал на разном топливе, с содержанием урана от 2 до 5 процентов. Бомбы хоть и не относятся к реакторам, все же упомяну и их, содержание урана – 235 в бомбах может достигать 80-90%. В реакторах, которые работают на низкообогащенном уране, образовывается плутоний — 239 в результате захвата ураном – 238 нейтрона и последующего бета-распада. При продолжении облучения плутония образуются его изотопы с массовыми числами 240, 241, 242. По ряду причин эти изотопы не могут эффективно использоваться для производства боеприпасов или топлива на основе плутония.
Второй вид топлива – так называемое MOX-топливо (Mixed OXide Fuel – топливо из смешанных оксидов). Помимо урана в таком топливе могут использоваться и другие элементы, в основном плутоний. Такой вид топлива позволяет сэкономить уран. Содержания плутония по массе может быть разным, от 2 до 30%.
Плюс использования этого вида топлива в том, что в процессе использования расходуются излишки оружейного плутония, которые в противном случае были бы радиоактивными отходами. Но есть и несколько минусов. Плутоний имеет высокую химическую активность, что усложняет производство ТВЭЛ-ов. Плутоний имеет неприятное свойство самовоспламеняться (особенно при нагреве примерно до 500 градусов по Цельсию). Наконец, плутоний гораздо радиоактивнее того же урана, из чего вытекают следующие проблемы: плутоний быстро загрязняется продуктами распада, при работе с ним требуется повышенная защита. Во-вторых, критическая масса плутония примерно в 4,5 раза меньше, чем у урана – 235. Напомню, критическая масса – минимальная масса вещества, которая нужна для самоподдерживающейся реакции деления. Это означает, что при необходимости работы с плутонием, работать нужно в очень малых количествах. Для работы с МОКС-топливом нужна специальная лицензия. Обычно оно составляет лишь часть от всего топлива в реакторе. Использование же большого количества МОХ в качестве топливе требует значительных изменений в структуре обычного реактора, или же специально спроектированный реактор.
Если учесть все эти факторы, нетрудно понять почему реакторы на МОХ-топливе мало распространены в отличие от реакторов на обычном уране. В Европе лишь 40 реакторов имеют лицензию на использование МОХ-топлива в комбинации с обычным. Сейчас в Японии строится АЭС Ома, 100% используемого топлива в котором будет МОХ-топливом. Уже в 2014 были поданы иски по прекращению работ на данной АЭС. Причина этому – заявление, что возможная авария приведет к большему урону, чем аварии на ЧАЭС и Фукусиме – 1.
Третий вид топлива – топливо для термоядерной энергетики. О ней и об одном строящемся термоядерном реакторе я рассказывал тут Термоядерное топливо – «легкие» атомы – изотопы водорода (дейтерий и тритий), гелий и его изотоп, изотоп лития. Основным препятствием на пути к
развитию термоядерной энергетики является Кулоновский барьер, из-за которого атомным ядрам, заряженным положительно, не удается сблизиться. Для решения проблем необходимо воссоздать «внутризвездные» условия – огромную температуру и давление.
Полноценно действующих термоядерных реакторов в мире ещё нет. В 2025 году планируется запуск ITER (о том, что это, можно прочитать по ссылке выше). В случае успешного запуска ITER будет построен второй реактор, DEMO (DEMOnstration Power Plant). Пока приблизительная дата пуска назначена на 2044 год. Если ITER – своеобразная «проба пера», то DEMO должен стать термоядерным реактором, генерирующим электричество в промышленных масштабах.
Наконец, четвертый вид топлива – топливо для РИТЭГ (РадиоИзотопных ТермоЭлектрических Генераторов). Эта установка преобразует тепловую энергию распада радиоактивных изотопов в электрическую энергию. Используется там, где нужно долгое время получать сравнительно небольшую энергию без какого-либо вмешательства, где нет возможности получать энергию другим способом. К примеру, РИТЭГ используется как источник энергии в космических аппаратах, которые сильно удаляются от Солнца и в которых установка солнечных батарей нецелесообразна. На Земле РИТЭГ-и использовались для навигационных маяков, радиомаяков, метеостанций.
В качестве топлива используют долгоживущие сильноактивные изотопы, например плутоний – 238 (использовался в космических аппаратах, период полураспада – 87,7 лет), стронций – 90 (используется в наземных РИТЭГ-ах, период полураспада – 29 лет), и другие изотопы.
Благодарю за внимание.
