Китайские ученые, работающие в Институте технологий безопасности ядерной энергетики, начали работу над созданием атомной электростанции, которая станет самой маленькой в мире. Об этом сообщает .
Атомная электростанция будет представлять собой реактор на быстрых нейтронах. Сами ученые назвали ее «портативный ядерный аккумулятор». Такая конструкция позволит проработать реактору без сложных условий обслуживания на протяжении 5 лет. Для охлаждения будет использоваться расплавленный свинец.
Электростанция небольших размеров сможет производить до 10 мегаватт электроэнергии. При этом ее размеры составят всего лишь 2 метра в ширину и 6 метров в высоту. Как отмечают ученые, она сможет поставлять энергию примерно в 50 тысяч домов. Несмотря на это, первой точкой эксплуатации нового реактора ученые выбрали установку для опреснения воды, которая находится в Южно-Китайском море.
Власти Китая намеренны ввести такие «портативные ядерные аккумуляторы» в эксплуатацию в течение ближайших 5 лет.
1. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга работает от нагревания «атомным паром» 2. Индукционный генератор дает около 2 Вт электроэнергии для питания лампы накаливания 3. Характерное голубое свечение — это черенковское излучение электронов, выбитых из атомов гамма-квантами. Может служить в качестве отличного ночника!
Для детей от 14 лет Юный исследователь сможет самостоятельно собрать пусть и маленький, но настоящий ядерный реактор, узнать, что такое мгновенные и запаздывающие нейтроны, и увидеть динамику разгона и торможения цепной ядерной реакции. Несколько простых опытов с гамма-спектрометром позволят разобраться с наработкой различных продуктов деления и поэкспериментировать с воспроизводством топлива из модного ныне тория (кусочек сульфида тория-232 прилагается). Входящая в комплект книга «Основы ядерной физики для самых маленьких» содержит описание более 300 опытов с собранным реактором, так что простор для творчества огромен
Исторический прототип Набор Atomic Energy Lab (1951) давал возможность школьникам приобщиться к самой передовой области науки и технологии. Электроскоп, камера Вильсона и счетчик Гейгера-Мюллера позволяли провести множество интереснейших опытов. Но, конечно, не настолько интересных, как сборка действующего реактора из российского набора «Настольная АЭС»!
В 1950-х годах, с появлением атомных реакторов, перед человечеством, казалось бы, замаячили блестящие перспективы решения всех энергетических проблем. Инженеры-энергетики проектировали атомные электростанции, судостроители — атомные электроходы, и даже автоконструкторы решили присоединиться к празднику и использовать «мирный атом». В обществе возник «атомный бум», и промышленности стало не хватать квалифицированных специалистов. Требовался приток новых кадров, и была развернута серьезная образовательная компания не только среди студентов университетов, но и среди школьников. Например, A.C. Gilbert Company выпустила в 1951 году детский набор Atomic Energy Lab, содержащий несколько небольших радиоактивных источников, необходимые приборы, а также образцы урановой руды. Этот «наисовременнейший научный набор», как было написано на коробке, позволял «юным исследователям провести более 150 захватывающих научных экспериментов».
Кадры решают все
За прошедшие полвека ученые получили несколько горьких уроков и научились строить надежные и безопасные реакторы. И хотя сейчас в этой области наблюдается спад, вызванный недавней аварией на Фукусиме, вскоре он вновь сменится подъемом, и АЭС по‑прежнему будут рассматриваться как чрезвычайно перспективный способ получения чистой, надежной и безопасной энергии. Но уже сейчас в России чувствуется дефицит кадров, как ив 1950-х. Чтобы привлечь школьников и повысить интерес к атомной энергетике, Научно-производственное предприятие (НПП) «Экоатомконверсия», взяв пример с A.C. Gilbert Company, выпустила образовательный набор для детей от 14 лет. Разумеется, наука за эти полвека не стояла на месте, поэтому, в отличие от своего исторического прототипа, современный набор позволяет получить намного более интересный результат, а именно — собрать на столе самый настоящий макет атомной электростанции. Разумеется, действующий.
Грамотность с пеленок
«Наша компания родом из Обнинска- города, где атомная энергия знакома и привычна людям чуть ли не с детского сада, — объясняет «ПМ» научный руководитель НПП «Экоатомконверсия» Андрей Выхаданко. — И все понимают, что бояться ее совершенно не надо. Ведь по‑настоящему страшна лишь неизвестная опасность. Поэтому мы и решили выпустить этот набор для школьников, который позволит им вдоволь поэкспериментировать и изучить принципы работы атомных реакторов, не подвергая себя и окружающих серьезному риску. Как известно, знания, полученные в детстве, самые прочные, так что выпуском этого набора мы надеемся значительно понизить вероятность повторения Чернобыля или
Фукусимы в будущем».
Ненужный плутоний
За годы работы множества АЭС скопились тонны так называемого реакторного плутония. Он состоит в основном из оружейного Pu-239, содержащего около 20% примеси других изотопов, в первую очередь Pu-240. Это делает реакторный плутоний абсолютно непригодным для создания ядерных бомб. Отделение примеси оказывается весьма сложным, так как разница масс между 239-м и 240-м изотопами — всего 0,4%. Изготовление ядерного топлива с добавкой реакторного плутония оказалось технологически сложным и экономически невыгодным, так что этот материал остался не у дел. Именно «бросовый» плутоний и использован в «Наборе юного атомщика», разработанном НПП «Экоатомконверсия».
Как известно, для начала цепной реакции деления ядерное топливо должно иметь определенную критическую массу. Для шара из оружейного урана-235 она составляет 50 кг, из плутония-239 — только 10. Оболочка из отражателя нейтронов, например бериллия, может снизить критическую массу в несколько раз. А использование замедлителя, как в реакторах на тепловых нейтронах, снизит критическую массу более чем в десять раз, до нескольких килограммов высокообогащенного U-235. Критическая масса Pu-239 и вовсе составит сотни граммов, и именно такой сверхкомпактный реактор, умещающийся на столе, разработали в «Экоатомконверсии».
Что в сундучке
Упаковка набора скромно оформлена в черно-белых тонах, и лишь неяркие трехсегментные значки радиоактивности несколько выделяются на общем фоне. «Никакой опасности на самом деле нет, — говорит Андрей, указывая на слова «Совершенно безопасно!», написанные на коробке. — Но таковы требования официальных инстанций». Коробка тяжеленная, что неудивительно: в ней находится герметичный транспортировочный свинцовый контейнер с тепловыделяющей сборкой (ТВС) из шести плутониевых стержней с циркониевой оболочкой. Помимо этого набор включает внешний корпус реактора из термостойкого стекла с химической закалкой, крышку корпуса со стеклянным окном и гермовводами, корпус активной зоны из нержавеющей стали, подставку под реактор, управляющий стержень-поглотитель из карбида бора. Электрическая часть реактора представлена свободнопоршневым двигателем Стирлинга с соединительными полимерными трубками, маленькой лампой накаливания и проводами. В комплект также входят килограммовый пакет с порошком борной кислоты, пара защитных костюмов с респираторами и гамма-спектрометр со встроенным гелиевым детектором нейтронов.
Постройка АЭС
Сборка действующего макета АЭС по прилагаемому руководству в картинках очень проста и занимает менее получаса. Надев стильный защитный костюм (он нужен только на время сборки), вскрываем герметичную упаковку с ТВС. Затем вставляем сборку внутрь корпуса реактора, накрываем корпусом активной зоны. Под конец защелкиваем сверху крышку с гермовводами. В центральный нужно вставить до конца стержень-поглотитель, а через любой из двух других заполнить активную зону дистиллированной водой до черты на корпусе. После заполнения к гермовводам подключаются трубки для пара и конденсата, проходящие через теплообменник двигателя Стирлинга. Сама АЭС на этом закончена и готова к запуску, остается лишь поместить ее на специальную подставку в аквариум, заполненный раствором борной кислоты, который отлично поглощает нейтроны и защищает юного исследователя от нейтронного облучения.
Три, два, один — пуск!
Подносим гамма-спектрометр с датчиком нейтронов вплотную к стенке аквариума: небольшая часть нейтронов, не представляющая угрозы для здоровья, все-таки выходит наружу. Медленно поднимаем регулировочный стержень до начала быстрого роста потока нейтронов, означающего запуск самоподдерживающейся ядерной реакции. Остается только дождаться выхода на нужную мощность и на 1 см по меткам вдвинуть стержень назад, чтобы скорость реакции стабилизировалась. Как только начнется кипение, в верхней части корпуса активной зоны появится прослойка пара (перфорация в корпусе не позволяет этой прослойке оголить плутониевые стержни, что могло бы привести к их перегреву). Пар по трубке идет вверх, к двигателю Стирлинга, там он конденсируется и стекает по выходной трубке вниз внутрь реактора. Разность температур между двумя концами двигателя (один нагревается паром, а другой охлаждается комнатным воздухом) преобразуется в колебания поршня-магнита, а тот, в свою очередь, наводит переменный ток в окружающей двигатель обмотке, зажигая атомный свет в руках юного исследователя и, как надеются разработчики, атомный интерес в его сердце.
Примечание редакции: данная статья опубликована в апрельском номере журнала и является первоапрельским розыгрышем.
Может ли здание полностью обеспечивать себя электричеством, теплом, горячей водой и при этом еще продавать часть лишней энергии на сторону?
Конечно! Если вспомнить о старом, исключительно добром атоме и снабдить дом миниатюрным ядерным реактором. А как же экология и безопасность? Оказывается, и эти проблемы вполне можно решить, используя современные технологии. Именно так считают специалисты Министерства Энергетики США, занятые реализацией концепции т.н. «запечатанного» реактора.
Сама идея создания подобного устройства возникла еще около десяти лет назад в качестве рецепта для эффективного энергообеспечения развивающихся стран. Ее ключевым элементом является «малый запечатанный транспортабельный автономный реактор» (SSTAR), разработанный в Ливерморской Национальной лаборатории им. Лоуренса (Калифорния).
Особенностью этого изделия является полная невозможность извлечения радиоактивного вещества (не говоря уже о возможности его утечки). Это предполагалось основным условием для поставок устройств в государства т.н. «третьего» мира, дабы исключить соблазн использовать его содержимое для создания ядерного оружия. Полностью герметичный корпус, снабженный надежной системой сигнализации при попытке вскрытия, а внутри его – реактор с парогенератором, запечатанные как джинн в бутылке.
По мере углубления противоречий на мировом рынке энергоносителей, рынок все настойчивее диктует спрос на системы автономного энергообеспечения. С правовой же точки зрения широкое использование малогабаритных реакторов в развитых странах обещает гораздо меньше трудностей, нежели их поставки в страны развивающиеся. Как следствие, мечта о микро-АЭС все больше трансформируется в идею создания точечного генератора энергии на «вечном» топливе.
Существующие технологии использования SSTAR не предусматривают перезарядки активной зоны, а предполагаемый срок непрерывной работы составляет 30 лет. По истечении этого периода весь блок предлагается попросту заменять новым. Заметим, что реактор мощностью в 100 мегаватт вполне умещается в «бутылку» высотой в 15 и диаметром в 3 метра.
Эти показатели, весьма скромные для электростанции, представляются все же значительными, если речь идет про энергообеспечение отдельных объектов. Однако творческое развитие проекта показало возможности существенного уменьшения массо-габаритных характеристик при адекватном снижении мощности.
В дальнейшем конструкторы намерены продолжить работы по миниатюризации энергоблока и совершенствованию систем управления. Еще одним важным направлением является продление сроков работы «ядерной таблетки» до 40-50 лет, для чего внутри ее предполагается установка дополнительных экранирующих систем.
Итак, не исключено, что уже в ближайшем будущем практически вечный источник энергии можно будет устанавливать прямо в подвале каждого дома.
Микроатомный реактор для бытовых нужд к сожалению создать нельзя и вот почему. Работа атомного реактора основана на цепной реакции расщепления ядер Урана-235 (²³⁵U) тепловым нейтроном: n + ²³⁵U → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + γ (202.5 МэВ) + 3n. Рисунок цепной реакции расщепления приведен ниже
На рис. видно как нейтрон, попадая в ядро (²³⁵U) возбуждает его и ядро расщепляется на два осколка (¹⁴¹Ba, ⁹²Kr), γ-квант с энергией 202.5 МэВ и 3 свободных нейтрона (в среднем), которые в свою очередь могут расщепить следующие 3 ядра урана, оказавшиеся на их пути. Так в процессе каждого акта расщепления выделяется около 200 МэВ энергии или ~3 × 10⁻¹¹ Дж, что соответствует ~80 ТерраДж/кг или 2,5 миллиона раз больше, чем выделялось бы в таком же количестве горящего угля. Но как наставляет нас Мерфи: "если неприятность должна случиться, то она обязательно случается", и часть нейтронов, рожденных при расщепления, теряется в процессе цепной реакции. Нейтроны могут выйти (выскочить) из активного объёма или поглотиться примесями (например Криптоном). Отношение числа нейтронов последующего поколения к числу нейтронов в предшествующем поколении во всём объеме размножающей нейтронной среды (активной зоны ядерного реактора) называется коэффициентом размножения нейтронов, k. При k<1 цепная реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k>1 почти мгновенно происходит взрыв.При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция. Коэффициент размножения нейтронов (k) наиболее чувствителен к массе и чистоте ядерного топлива (²³⁵U). В ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления (k≥1) называется критической массой. Для Урана-235 она равна 50 кг. Это конечно не микроразмер, но и немного. Чтобы избежать ядерного взрыва и создать возможность управления цепной реакцией (коэффициентом размножения), в реакторе массу топлива надо увеличить и соответственно ввести в строй поглотители (замедлители) нейтронов. Вот именно эта инженерно-техническая оснастка реактора, с целью устойчивого управления цепной реакцией, система охлаждения и дополнительные сооружения для радиационной безопасности персонала, и требуют больших объемов.
Можно также в качестве топлива использовать Калифорний-232 с критической массой около 2.7 кг. В пределе довести реактор до размеров шара диаметром в несколько метров вероятно вполне возможно. Скорее всего так и делается наверно на атомных подводных лодках. Думаю подходить к таким реакторам должно быть весьма опасно ☠ из-за неизбежного нейтронного фона, но подробнее об этом надо спросить уже у вояк.
Калифорний не подходит в качестве ядерного топлива в виду его огромной стоимости. 1 грамм калифорния-252 стоит порядка 27 миллионов долларов. В качестве ядерного топлива широко используется только уран. Топливные элементы на основе тория и плутония пока широкого распространения не получили, но активно разрабатываются.
Относительно высокая компактность реакторов подводных лодок обеспечивается разницей в конструкции (обычно используются водо-водяные реакторы, ВВЭР/PWR), разными требованиями к ним (другие требования оп безопасности и аварийной остановке; на борту обычно не нужно много электричества, в отличие от реакторов наземных электростанций, которые только ради электричества и создавались) и применением разной степени обогащения топлива (концентрации урана-235 по отношению к концентрации урана-238). Обычно, в топливе для морских реакторов применяется уран с гораздо более высокой степенью обогащения (от 20% до 96% для американских лодок). Также в отличие от наземных электростанций, где распространено использование топлива в форме керамики (диоксида урана) в морских реакторах чаще всего применяют в качестве топлива сплавы урана с цирконием и другими металлами.
Приборы генерирующие электрический ток в результате использования энергии ядерного распада, хорошо изучены (с 1913 года) и давно освоены в производстве. В основном их используют там, где нужна относительная компактность и высокая автономность - в исследованиях космоса, подводных аппаратах, малолюдных и безлюдных технологиях. Перспективы их применения в бытовых условиях довольно скромные, помимо радиационной опасности большинство видов ядерного топлива имеют высокую токсичность и в принципе крайне небезопасны при контакте с окружающей средой. Несмотря на то, что в англоязычной литературе эти приборы именуются атомными батареями , и реакторами их называть не принято, их вполне можно считать таковыми, ведь в них идет реакция распада. При желании подобные устройства можно адаптировать для бытовых нужд, это может быть актуально для условий, например, Антарктики.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы давно существуют и полностью удовлетворяют вашему запросу - они компактные и достаточно мощные. Работают за счет эффекта Зеебека , движущихся частей не имеют. Если бы это не противоречило здравому смыслу, технике безопасности и уголовному кодексу, такой вот генератор можно было бы закопать где-нибудь под гаражом на даче и даже запитать от него пару лампочек и ноутбук. Пожертвовать так сказать здоровьем потомков и соседей ради сотни-другой ватт электроэнергии. Всего в России и СССР таких генераторов произведено более 1000.
Как уже ответили другие участники, перспективы миниатюризации "классических" реакторов ядерной энергетики с использованием паровых турбин для генерации электроэнергии сильно ограничены законами физики, причем основные ограничения накладывает не столько размеры реактора, сколько размеры прочего оборудования: бойлеров, трубопроводов, турбин, градирен. "Бытовых" моделей скорее всего не будет. Тем не менее достаточно компактные устройства сейчас активно разрабатываются, например перспективный реактор компании NuScale при мощности в 50 МВтэ имеет размеры всего лишь 76 на 15 дюймов, т.е. около двух метров на 40 сантиметров.
С энергетикой ядерного синтеза все гораздо более непросто и неоднозначно. С одной стороны, речь может идти только о дальней перспективе. Пока не дают энергии даже большие реакторы ядерного синтеза и речь об их практической миниатюризации просто не идет. Тем не менее ряд серьезных и еще более серьезных организаций ведут разработки компактных источников энергии на основе реакции синтеза. И если в случае с Локхид-Мартин, под словом "компактный" понимается "размером с автофургон", то, например в случае с американским агентством DARPA, которое выделило в 2009 фискальном году
