САЩ разполагат с най-много атомни електроцентрали в света. Въпреки това обаче темата продължава да бъде спорна, като хората изглежда я приемат или отхвърлят в еднаква степен. В тази статия няма да се впускаме в този спор, а ще разгледаме относително простите научни принципи, стоящи в основата на ядрените реактори, за какво могат да се използват и как функционират те.
Добър начин да започнем е като разгледаме това, което вероятно е най-известното уравнение в света – E=mc². Това уравнение обяснява защо ядрените реактори могат да произвеждат толкова много енергия от сравнително малко гориво.В това уравнение E означава енергия, m означава маса, а c означава скоростта на светлината. Тъй като квадратът на скоростта на светлината е огромно число, дори и най-малката маса съдържа огромно количество енергия. Ядрените реактори използват тази енергия, като разцепват атомите и освобождават енергията, заключена в тяхната маса. Това е простата част от науката (относително казано).
Освобождаването на цялата тази енергия по контролиран и предсказуем начин обаче е мястото, където нещата започват да стават сложни. По-късно ще обсъдим по-подробно как работи това и как различните видове реактори оползотворяват тази енергия. В общи линии ядреният реактор използва процес на верижна реакция, наречен ядрен разпад. Той разцепва атомите в горивните пръти на реактора и освобождава енергията, съхранена в тях, съгласно уравнението на Алберт Айнщайн. Освободената топлинна енергия произвежда пара, която задвижва турбина за генериране на електроенергия и в крайна сметка може да зареди телефона ви.
Как функционират ядрените реактори
В основата на всеки ядрен реактор стои една и съща физика. В сърцевината на реактора горивните таблетки (предимно от уран) са подредени в горивни пръти. Ключът към освобождаването на енергията е верижната реакция на ядрено делене. Деленето се случва, когато субатомни неутрони се сблъскват с атоми на уран. Когато неутронът удари атома, той го разцепва на два по-малки атома и освен това освобождава допълнителни неутрони. Те от своя страна удрят други уранови атоми, създавайки верижната реакция. Конкретните резултати от разцепването на атома могат да варират, но при типична реакция атомът на уран-235 може да се разцепи на ядра на барий и криптон, като след това се освобождават още два или три неутрона.
На този етап не искаме тази реакция да продължи безконтролно. Има два основни начина за контролиране на това. Първият е чрез използването на регулиращи пръти. Те са изработени от материал, който абсорбира излишните неутрони и може да се използва за ускоряване, забавяне или дори спиране на реакцията в зависимост от това колко от него е изложено на ядрото. Често използваните материали включват бор и сребро. Водата също действа както като регулатор, така и като охладител, като отвежда излишната топлина.
Тези основни принципи важат за всички ядрени реактори – начинът, по който се управлява водният кръг определя двата основни типа търговски реактори, използвани в САЩ, а и не само, които ще разгледаме подробно по-нататък. Въпреки това, независимо от типа, една от спорните части на процеса са проблемите, свързани с обработката на отработените горивни пръти. Те остават силно радиоактивни, а безопасното им съхранение е едно от най-големите предизвикателства, пред които е изправен секторът.
Различните типове ядрени реактори
Съществуват два основни типа търговски реактори – реактори с вода под налягане (PWR) и реактори с кипяща вода (BWR). Основната разлика между тях се състои в начина, по който се управлява водата в реактора и в парния контур.
Най-разпространени са PWR. Както подсказва името, в този тип реактор водата се поддържа под високо налягане в затворен контур, за да не заври. Водата се нагрява от ядрената реакция и след това циркулира през топлообменник. Топлообменникът прехвърля топлината към вторичен воден контур, а парата от този контур се използва за задвижване на турбините и производство на електроенергия.
Реакторите от тип BWR също използват нагрята вода за задвижване на турбините. Вместо две отделни „водни вериги“ обаче, реакторите от тип BWR изпомпват водата директно в ядрото на реактора и използват система от тръби, за да подават парата от водата директно към турбините. Всяка останала пара се кондензира и се изпомпва обратно в ядрото.
Също така си заслужава да се обърне внимание на разликите между тях и типовете реактори, които захранват ядрените кораби на Военноморските сили на САЩ. Кораби като „USS Gerald R. Ford“ – най-големият самолетоносач в света – използват за захранване PWR с намален мащаб. Въпреки това, за разлика от търговските реактори, които използват нискообогатен уран (LEU), самолетоносачите и подводниците използват високообогатен уран (HEU). Последният има значително по-висока енергийна плътност от LEU, което означава, че американските кораби с ядрено задвижване могат да плават десетилетия наред без презареждане. Така че, макар презареждането на самолетоносач с ядрено задвижване да отнема години, това е процес, който обикновено се извършва само веднъж през експлоатационния живот на кораба.