How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

Переводчик: Вадим Гузик Редактор: Ростислав Голод

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

Однажды декабрьским вечером в Чикаго, в разгар Второй мировой войны,

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

учёным удалось произвести несколько делений ядра атома урана

and turned nuclear mass into energy over and over again.

и превратить массу атомного ядра в энергию.

They did this by creating for the first time

Впервые в ходе данного эксперимента

a chain reaction inside a new engineering marvel:

была запущена цепная реация внутри нового чуда техники —

the nuclear reactor.

ядерного реактора.

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

С тех пор возможность извлекать огромное количество энергии

из ядер урана послужила поводом для рекламы ядерной энергетики

has led some to bill nuclear power

в качестве фантастического, неисчерпаемого источника электричества.

as a plentiful utopian source of electricity.

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

Современный ядерный реактор из одного килограмма топлива

to power an average American household for nearly 34 years.

способен извлечь столько энергии, что ею можно было бы обеспечивать

среднюю американскую семью в течение 34 лет.

But rather than dominate the global electricity market,

Но вместо лидерства на мировом рынке электричества,

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

доля ядерной энергетики уменьшилась с рекордных 18% в 1996 году

to 11% today.

до сегодняшних 11%.

And it's expected to drop further in the coming decades.

Ожидается, что в грядущие десятилетия её объёмы будут уменьшаться.

What happened to the great promise of this technology?

Что же случилось с грандиозными перспективами данного изобретения?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

Оказалось, что в ядерной энергетике существует немало проблем,

including high construction costs

включая высокую стоимость затрат на строительство реакторов

and public opposition.

и сопротивление общественности.

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

В корне этих сложностей — ряд уникальных инженерных проблем.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

Ядерная энергетика основывается на делении урановых ядер

and a controlled chain reaction

в ходе управляемой цепной реакции,

that reproduces this splitting in many more nuclei.

которая по сути является последовательным делением огромного количества ядер.

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

Атомное ядро состоит из плотно прилегающих протонов и нейтронов,

bound by a powerful nuclear force.

связанных сильным ядерным взаимодействием.

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

Большинство атомов урана имеют в сумме 238 протонов и нейтронов,

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

но примерно один из 140 не имеет трёх нейтронов,

and this lighter isotope is less tightly bound.

и этот более лёгкий изотоп менее стабилен.

Если сравнить его с более устойчивыми соседями,

Compared to its more abundant cousin,

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

при поглощении нейтрона ядро U-235 легко расщепляется

into lighter, radioactive elements called fission products,

на более лёгкие, радиоактивные элементы, которые называются продуктами деления,

а также высвобождается от двух до трёх нейтронов,

in addition to two to three neutrons,

gamma rays,

гамма-излучение

and a few neutrinos.

и несколько нейтрино.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

Во время деления некоторые атомные массы превращаются в энергию.

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

Незначительная часть новообразовавшейся энергии питает

стремительно движущиеся нейтроны, и если некоторые из них

and if some of them strike uranium nuclei,

сталкиваются с урановыми ядрами,

fission results in a second larger generation of neutrons.

то при расщеплении происходит второй, ещё больший, выброс нейтронов.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

Если второй поток нейтронов сталкивается с урановыми ядрами,

more fission results in an even larger third generation, and so on.

опять происходит деление, в третьем потоке их ещё больше и так далее.

But inside a nuclear reactor,

Но внутри атомного реактора

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

эта необузданная цепная реакция ограничивается контрольными механизмами,

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

которые состоят из элементов,

захватывающих лишние нейтроны и ограничивающих их количество.

With a controlled chain reaction,

При контролируемой цепной реакции

a reactor draws power steadily and stably for years.

реактор постепенно и стабильно наращивает энергию в течение нескольких лет.

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

Запускаемая нейтронами цепная реакция — это мощный процесс,

благодаря которому получают энергию, но существует один подвох,

but there's a catch that can result

in unique demands on the production of its fuel.

в связи с которым возникают некоторые требования к ядерному топливу.

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

Оказывается, что у большинства нейтронов, высвобождаемых при делении,

to be captured by uranium nuclei.

слишком много кинетической энергии, поэтому ядра урана не могут их захватить.

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

Скорость деления слишком мала, и цепная реакция сходит на нет.

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

Первый ядерный реактор был построен в Чикаго и работал на графите,

to scatter and slow down neutrons just enough

служившем замедлителем и рассеивателем нейтронов,

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

это позволяло урану захватывать частицы и повышать уровень деления.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

Современные реакторы используют в качестве замедлителя воду,

but the scattered neutrons are still a little too fast.

однако свободные нейтроны по-прежнему слишком быстры.

To compensate and keep up the chain reaction,

Чтобы сдерживать цепную реакцию,

the concentration of U-235 is enriched

концентрация U-235 обогащается

to four to seven times its natural abundance.

от четырёх до семи раз от её природного состояния.

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

Сегодня обогащение часто делается при прохождении газообразного урана

through centrifuges

через центрифуги

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

для того, чтобы отделить лёгкий U-235 от тяжёлого U-238.

But the same process can be continued to highly enrich U-235

Но тот же процесс можно продолжить, если сильно обогатить U-235

up to 130 times its natural abundance

до 130 раз от его природного состояния

and create an explosive chain reaction in a bomb.

и создать взрывоопасную цепную реакцию внутри бомбы.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

Методы, такие как центрифугирование, должны тщательно контролироваться,

to limit the spread of bomb-grade fuel.

чтобы не допустить распространения оружейного топлива.

Remember, only a fraction of the released fission energy

Помните, что всего лишь часть высвобождаемой при делении энергии

goes into speeding up neutrons.

уходит на ускорение нейтронов.

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

Большинство атомной энергии превращается в кинетическую энергию продуктов деления,

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

которые внутри реактора отдают тепловую энергию теплоносителю,

usually purified water.

обычно это очищенная вода.

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

За счёт тепла первичного теплоносителя работает парогенератор,

just outside the reactor.

который устанавливается вне зоны реактора.

Water flow is critical not only to create electricity,

Поток воды необходим не только для выработки электричества,

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

но и для предотвращения наиболее страшной атомной аварии —

the meltdown.

расплавления активной зоны ядерного реактора.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

Если вода прекратит поступать, потому что труба, несущая её, сломается,

or the pumps that push it fail,

или насос, качающий её, откажет,

the uranium heats up very quickly and melts.

уран будет нагреваться очень быстро и в итоге расплавится.

During a nuclear meltdown,

Во время ядерного расплава

radioactive vapors escape into the reactor,

радиоактивные пары́ высвобождаются из реактора,

and if the reactor fails to hold them,

и если реактор не в состоянии их удержать,

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

то сталебетонная гермооболочка — последняя линия защиты.

But if the radioactive gas pressure is too high,

Но если давление радиоактивного газа слишком велико,

containment fails and the gasses escape into the air,

гермооболочка отказывает и газы вырываются в воздух,

spreading as far and wide as the wind blows.

они рассеиваются ветром на огромные расстояния.

The radioactive fission products in these vapors

Продукты деления в этих пара́х

eventually decay into stable elements.

превращаются в стабильные элементы.

While some decay in a few seconds,

Некоторые распадаются за несколько секунд,

others take hundreds of thousands of years.

некоторым требуется сотни тысяч лет.

The greatest challenge for a nuclear reactor

Самая главная задача ядерного реактора —

is to safely contain these products

это безопасно удерживать продукты распада

and keep them from harming humans or the environment.

и не допустить вреда людям и окружающей среде.

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

Однако вопросы нераспространения ядерных материалов

не утрачивают актуальность, когда топливо отработало.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

На самом деле, проблема хранения отработанного топлива куда сложнее.

Every one to two years,

some spent fuel is removed from reactors

Каждый год-два отработанное топливо удаляют из реакторов

and stored in pools of water that cool the waste

и хранят в водяных бассейнах, где отходы охлаждаются,

and block its radioactive emissions.

а их радиоактивное излучение блокируется.

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

Отработавшее ядерное топливо — это смесь стабильного урана,

fission products,

продуктов деления

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

и плутония, радиоактивного элемента, не встречающегося в природе.

This mix must be isolated from the environment

Эту смесь необходимо изолировать от окружающей среды

until it has all safely decayed.

до момента полного распада.

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

Многие страны предлагают хранить топливо в туннелях под землёй,

but none have been built,

но проекты по их строительству ещё не осуществлялись,

and there's great uncertainty about their long-term security.

и существует большие сомнения в их долгосрочной безопасности.

How can a nation that has existed for only a few hundred years

Как может страна, которая существует всего несколько сот лет,

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

планировать охрану плутония в период его радиоактивного полураспада

of 24,000 years?

в течение 24 000 лет?

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

Фактически сегодня многие ядерные реакторы вынуждены хранить

storing them indefinitely on site.

свои отходы в течение неопределённого срока.

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

Кроме радиоактивности, существует ещё бóльшая опасность отработанного топлива.

Plutonium can sustain a chain reaction

Плутоний может поддерживать цепную реакцию,

and can be mined from the waste to make bombs.

и из отходов с его содержанием можно производить оружие.

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

Хранение отработанного топлива представляет не только

but also a security risk for nations.

угрозу для экологии, но и опасность для других стран.

Who should be the watchmen to guard it?

Кому можно поручить его охрану?

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

С ранних лет ядерной эры прогрессивные учёные

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

исследовали вопросы, как можно надёжно извлечь невероятное количество энергии,

inside an atom -

существующей внутри атома,

as an explosive bomb

как для создания опасного оружия,

and as a controlled power source with incredible potential.

так и в качестве контролируемого источника энергии с огромнейшим потенциалом.

But their successors have learned humbling insights

Однако их эксперименты привели к нерадостным выводам для потомков:

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

это изобретение, несмотря на потенциал, имеет свои границы применения.

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

Энергетика на уровне атомов — сложное, дорогое и рискованное занятие.