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

Як працююють атомні станції? - М.В. Рамана та Саджан Сайні

Перекладач: Inna Fedorenko Утверджено: Khrystyna Romashko

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

Одного грудневого вечора в Чикаго під час другої Світової війни

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

учені розщепили атомне ядро в середині атома урану,

and turned nuclear mass into energy over and over again.

і раз за разом почали перетворювати ядерну масу в енергію.

They did this by creating for the first time

Вперше вони зробили це завдяки створенню

a chain reaction inside a new engineering marvel:

ланцюгової реакції всередині нового інженерного дива:

the nuclear reactor.

атомного реактора.

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

Відтоді здатність добувати велику кількість енергії з атому урану

has led some to bill nuclear power

затвердило статус атомної енергії

as a plentiful utopian source of electricity.

як утопічного джерела електрики.

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

Сучасний атомний реактор створює із одного кілограма палива вдосталь електрики,

to power an average American household for nearly 34 years.

щоб живити американські будинки протягом 34 років.

But rather than dominate the global electricity market,

Але замість того, щоб панувати на глобальному ринку електрики,

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

кількість атомної енергії знизилась з 18% в 1996

to 11% today.

до 11% сьогодні.

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

Наступні десятиліття очікується подальше зниження.

What happened to the great promise of this technology?

Що сталось із великими обіцянками цієї технології?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

Виявляється, що на шляху атомної енергії стоїть чимало перепон

including high construction costs

від високих фінансових затрат будівництва

and public opposition.

до громадського протесту.

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

Але ці проблеми приховують ряд особливих проблем з конструкцією.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

Ядерна енергія залежить від ділення ядер урану

and a controlled chain reaction

та контрольованої ланцюгової реакції,

that reproduces this splitting in many more nuclei.

яка і повторює це розщеплення в інших багатьох-багатьох ядрах.

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

У ядро атома щільно запаковані протони та нейтрони,

bound by a powerful nuclear force.

пов`язані могутньою ядерною силою.

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

Більшість атомів урану в цілому мають 237 протонів та нейтронів,

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

але приблизно в кожному 140-вому не вистачає трьох нейтронів,

and this lighter isotope is less tightly bound.

отже цей легкий ізотоп менш тісно скріплений.

Compared to its more abundant cousin,

Порівняно з його повнішим братом

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

удар нейтрона легко розщеплює ураніум-235,

into lighter, radioactive elements called fission products,

перетворивши його на легший радіоактивний елемент -- продукт розпаду,

in addition to two to three neutrons,

а ще на два чи три нейтрони,

gamma rays,

гамма-промені

and a few neutrinos.

та кілька нейтрино.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

Протягом розщеплення певна ядерна маса перетворюється на енергію.

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

Частка новоствореної енергії живить швидкі нейтрони,

and if some of them strike uranium nuclei,

і якщо котрийсь із них ударяється об атомне ядро,

fission results in a second larger generation of neutrons.

результатом розщеплення стає друге більше покоління нейтронів.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

Якщо це друге покоління нейтронів удариться об більше число ядер,

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

результатом більшого щеплення стане ще більше третє покоління і так далі.

But inside a nuclear reactor,

Та всередині атомного реактора

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

ця спіральна ланцюгова реакція стримується контрольними стержнями,

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

зробленими з елементів, що утримують зайві нейтрони і тримають сталою їх кількість.

With a controlled chain reaction,

При контрольованій реакції

a reactor draws power steadily and stably for years.

реактор стабільно виробляє енергію роками.

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

Керована нейтронами ланцюгова реакція це процес, що живить ядерну енергію,

but there's a catch that can result

але існує особливість, що може бути використана

in unique demands on the production of its fuel.

для особливих вимог при виробництві такого палива.

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

Більша частина вивільнених нейтронів має занадто багато кінетичної енергії

to be captured by uranium nuclei.

для того, щоб їх захопили ядра урану.

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

Швидкість поділу занадто низька і ланцюгова реакція вичерпує себе.

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

Перший ядерний реактор, збудований в Чікаго, використовував графіт як сповільнювач,

to scatter and slow down neutrons just enough

щоб розкидати та сповільнити нейтрони

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

настільки, щоб ураній міг їх спіймати та збільшити швидкість ділення.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

Сучасні реактори повсюди використовують очищену воду як сповільнювач,

but the scattered neutrons are still a little too fast.

але розкидані нейрони не дуже збільшили свою швидкість.

To compensate and keep up the chain reaction,

Для заміщення та підтримки ланцюгової реакції

the concentration of U-235 is enriched

концентрація уранію-235 збільшилася

to four to seven times its natural abundance.

з чотирьох до семи разів від його природної кількості.

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

Збагачення часто здійснується шляхом проходження через газоподібну суміш урану

through centrifuges

через центрифугу

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

для розділення легшого ураніуму-235 від важчого ураніуму-238.

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

Той же самий процес може збагатити ураніум-235

up to 130 times its natural abundance

в 130 раз більше його природної кількості,

and create an explosive chain reaction in a bomb.

та створити вибухову ланцюгову реакцію

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

Такі методи, як обробка в центрифузі, потрібно добре контролювати,

to limit the spread of bomb-grade fuel.

щоб обмежити поширення вибухового палива.

Remember, only a fraction of the released fission energy

Пам'ятайте, лише частка виділеної внаслідок поділу енергії

goes into speeding up neutrons.

пришвидшує нейтрони.

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

Більшість атомної енергії живить кінетичну енергію продуктів поділу.

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

Вони є замкненими всередині реактора, як, наприклад, тепло від теплоносія,

usually purified water.

зазвичай це очищена вода.

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

Це тепло використовується для парового живлення турбінного генератору

just outside the reactor.

поза реактором, зовні.

Water flow is critical not only to create electricity,

Потік води є вирішальним не тільки для вироблення електрики,

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

але і для захисту від найжахливішого виду інцидентів в реакторі,

the meltdown.

плавлення.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

Якщо води припиняє текти, бо ламається труба

or the pumps that push it fail,

чи насоси,

the uranium heats up very quickly and melts.

ураній дуже швидко нагрівається і плавиться.

During a nuclear meltdown,

Протягом ядерного плавлення

radioactive vapors escape into the reactor,

радіоактивні випари вивільняються в реактор,

and if the reactor fails to hold them,

і якщо йому не вдається утримати їх,

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

сталевий та бетонний захисний корпус стають останньою лінією оборони.

But if the radioactive gas pressure is too high,

Та якщо тиск радіоактивного газу стає занадто високим,

containment fails and the gasses escape into the air,

захисний корпус руйнується і гази вилітають в повітря,

spreading as far and wide as the wind blows.

поширючись з вітрами.

The radioactive fission products in these vapors

Продукти радіоактивного поділу в цих випарах

eventually decay into stable elements.

врешті розпадуться на стабільні елементи.

While some decay in a few seconds,

Деяким для цього потрібно кілька секунд,

others take hundreds of thousands of years.

деяким сотні чи тисячі років.

The greatest challenge for a nuclear reactor

Найбільшою проблемою ядерного реактора

is to safely contain these products

є безпечне зберігання цих продуктів,

and keep them from harming humans or the environment.

щоб вони не зашкодили людям та природі.

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

Зберігання не втрачає своєї важливості навіть після закінчення палива.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

Фактично, це стає навіть більшою проблемою.

Every one to two years,

Кожен рік чи два роки,

some spent fuel is removed from reactors

відпрацьоване паливо забирають з реактора

and stored in pools of water that cool the waste

та кладуть до резервуарів з водою, щоб охолодити надлишок

and block its radioactive emissions.

та зупинити його радіоактивні викиди.

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

Опромінене паливо - це суміш урану, не здатного до ділення,

fission products,

продуктів поділу

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

та плутонію, радіоактивного матеріалу не природнього походження.

This mix must be isolated from the environment

Цю суміш ізолюють від навколишнього середовища,

until it has all safely decayed.

доки вона безпечно не розпадеться.

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

Чимало країн пропонують довгострокові сховища, вириті глибоко під землею,

but none have been built,

але ще жодна такого не збудувала,

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

бо немає гарантії його довгострокової безпеки.

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

Як нація, котра існує лише кілька сотень років,

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

може охороняти радіоактивне напівжиття плутонію

of 24,000 years?

24 тисячі років?

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

Сьогодні чимало атомних станцій буквально сидять на своїх відходах,

storing them indefinitely on site.

замість того, щоб безстроково зберігати їх на місці.

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

Окрім радіоактивності відпрацьоване паливо таїть в собі більшу небезпеку.

Plutonium can sustain a chain reaction

Плутоній може підтримувати ланцюгову реакцію,

and can be mined from the waste to make bombs.

і його можна вилучити з відходів, щоб зробити бомбу.

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

Зберігання відпрацьованого палива - це не тільки небезпека для природи,

but also a security risk for nations.

але і ризик для країни.

Who should be the watchmen to guard it?

Хто повинен бути його охоронцем?

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

Науковці футурологи ще на початку атомного віку

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

були ініціаторами пуску неймовірної кількості енергії

inside an atom -

всередині атома --

as an explosive bomb

у якості бомби

and as a controlled power source with incredible potential.

та у якості контрольваного джерела енергії з неймовірним потенціалом.

But their successors have learned humbling insights

Та їх послідовники вивчили гіркий урок

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

про не таку утопічну промислову обмеженість технології.

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

Видобуток на субатомному рівні є складним, дорогим та ризикованим проектом.