Миниатюрный ядерный реактор в каждый дом — это реально! (видео). Возможно ли создание микроатомного реактора для бытовых нужд? Самый маленький атомный реактор
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.
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.
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.