Ядерная энергия (энергия атомных ядер) – наиболее концентрированная форма энергии, используемой человеком. Когда ядра тяжелых атомов делятся на две части, происходит выделение энергии – мгновенное, или взрывное, в атомных бомбах и медленное, управляемое – в ядерных реакторах. В природе имеется только один самопроизвольно делящийся элемент – уран. Урановая руда состоит из трех изотопов: урана-234, урана-235 и урана-238; только уран-235 может делиться самопроизвольно. (Изотопы – это атомы элемента с различными массами и другими физическими свойствами, но с одинаковыми химическими свойствами.) В руде содержится не более 0,7% урана-235. Количество изотопа увеличивается в процессе, называемом обогащением, до примерно 90% урана-235.
Для того чтобы урановое топливо и вредные для человека продукты деления не отравляли окружающую среду, его заключают в тонкие, похожие на карандаш оболочки – тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ). ТВЭЛы обычно устанавливаются вертикально, чтобы поток воды или газа, протекающий между ними, принимал тепло, выделяемое при делении. Проходя между горячими ТВЭЛа-ми, охлаждающее вещество нагревается, выводится наружу и используется для получения пара, необходимого для привода турбогенераторов ТЭЦ.

Управление цепными реакциями

Большинство реакторов нуждается не только в топливе и охлаждении. Деление ядер урана-235 вызывается нейтронами, которые, соударяясь с ядрами, возбуждают их настолько, что ядра делятся надвое. В процессе деления ядро выделяет два-три новых нейтрона, которые разлетаются и, соударяясь с другими ядрами урана-235, вызывают цепную реакцию деления.
Ядерные реакторы должны управляться так, чтобы нейтрон, получаемый в результате деления (один и только один) мог участвовать во втором делении. Лишь в этом случае реактор будет работать устойчиво и с постоянной скоростью. Если в среднем при каждом делении будет получаться более одного нейтрона, необходимого для второго деления, то реактор превратится в атомную бомбу; если же средний выход меньше одного нейтрона, то реактор будет постепенно терять мощность, пока не остановится.
Нейтроны, получаемые при каждом делении, движутся чрезвычайно быстро – со скоростью около 16000 км/с. Поэтому они вылетают из реактора, не успев вызвать следующего деления. Чтобы реактор работал, нейтроны должны быть замедлены. Это достигается применением так называемого замедлителя. Замедлитель увеличивает возможность столкновений нейтронов с другими ядрами урана-235 и продолжения последующих делений.
В качестве замедлителей используются легкие атомы; сталкиваясь с ними, нейтроны постепенно замедляют скорость движения. Обычно используются три типа замедлителей: вода, графит и тяжелая вода (в такой воде атомы обычного водорода – протия замещены атомами тяжелого водорода – дейтерия).

Обеспечение безопасности и заправка топливом

Реактор управляется стержнями, поглощающими нейтроны, которые по мере необходимости вдвигаются или выдвигаются в активную зону реактора. При выдвижении регулирующих стержней количество поглощенных нейтронов уменьшается, число делений увеличивается и реактор разгоняется. Чтобы остановить его, следует быстро опустить стержни внутрь. Стержни «отсасывают» нейтроны, которые принимали участие в делении, и реактор замедляется.
Реактор окружен бетонными и стальными стенами, достаточно толстыми, чтобы предохранить персонал от опасного излучения. Для полной безопасности работы реактор должен иметь аварийную систему, предотвращающую неожиданные неполадки в ТВЭЛах или в системе охлаждения.
Когда ТВЭЛы вырабатывают свой ресурс, их извлекают из реактора и заменяют новыми. Отработавшие элементы, которые еще содержат неиспользованный уран-235, отправляются на регенерацию для извлечения оставшегося топлива. Среди продуктов распада отработанных ТВЭЛов содержится новый созданный человеком элемент – плутоний-239, получаемый при бомбардировке урана-238 нейтронами.
Плутоний-239, подобно урану-235, делится самопроизвольно, поэтому его можно использовать для производства атомных бомб или в качестве топлива в новых ядерных реакторах. Первые реакторы были спроектированы и построены как фабрики плутония для производства атомных бомб. Однако плутоний чрезвычайно вреден, и человечество обеспокоено продолжающимся увеличением его количества.

Реактор на быстрых нейтронах (реактор-размножитель)

Новейшие реакторы – размножители, или реакторы на быстрых нейтронах, проектируются так, чтобы использовать вторичный продукт реакции плутония-239. Они заполняются урановым топливом, а вокруг активной зоны для улавливания вылетающих нейтронов располагаются «пакеты воспроизводства» (отражатели), где уран-238 превращается в плутоний-239. Это устройство настолько эффективно, что плутония производится больше, чем расходуется ядерного топлива.
Все современные реакторы используют реакцию деления, при которой тяжелые атомы расщепляются с выделением энергии. Труднее оказалось «приручить» другую мощную ядерную реакцию – синтез, который используется в водородной бомбе, обладающей колоссальной энергией. При синтезе легкие атомы, нагретые до температуры 2 млн. °С, соединяются, образуя более тяжелые атомы и выделяя при этом огромную энергию.