Создан «миниатюрный» ядерный реактор. он в 100 раз меньше существующих

Исследование: как сделать киноиндустрию устойчивой

Британский институт кино (British Film Institute, BFI) подсчитала, что за время съемок одного блокбастера в воздух попадает 2,84 тыс. т углекислого газа. Половина всех выбросов приходится на транспорт, еще 34% — на электричество и газ, 15% — на дизельные генераторы. В рамках исследования BFI проанализировал данные о 19 фильмах, снятых в Великобритании и США с 2015 по 2020 год. Чтобы сделать индустрию более устойчивой, эксперты посоветовали киностудиям:

• повторно использовать декорации и закупать материалы у компаний, которые следят за экологичностью производства;
• использовать меньше воды и электричества;
• арендовать нужный реквизит или помещения, переоборудовать павильоны, а не строить новые без необходимости;
• тщательно планировать съемки.

Конструкции реакторов

Были предложены многочисленные конструкции реакторов. Известные конструкции SMR:

 Дизайн  Лицензирование  В разработке  Оперативный  Отменено  В отставке

Т-1000, «Терминатор-2: Судный день», 1991

В 2029 году «Скайнет» выпустил киборга, сконструированного с применением мимикрирующего полисплава. Основа — жидкометаллический сплав с добавлением нанороботов.

(Роберт Патрик в роли T-1000, образ полицейского)

Робот способен принимать облик любого человека вплоть до одежды, для чего требуется контакт с копируемым. Перевоплощение занимает малое время из-за перенапряжения энергосистемы. Конечности способны видоизменяться по желанию робота (превращаться в острия, крюки, лезвия). Огнестрельное оружие вреда не причиняет. Составные части, разрушенные физическим воздействием, способны соединяться в единый организм на расстоянии до 12 км.

Характеристики:

• Рост: 170-185 см;ц
• Передвижение: Высокая скорость перемещения — до 40 км/ч;
• Способности: мимикрировать, изменять голос;
• Устойчивость: к ударам, любым огнестрельным попаданиям, пламени;
• Востанавливаемость: кратковременная дезориентация (баллистический шок) при физическом воздействии, быстрая способность к восстановлению

Уязвимости:

• концентрированная кислота;
• попадания крупнокалиберных пуль;
• экстремально высокая либо низкая температура.

Актеры, сыгравшие Т-1000: Роберт Патрик, Ли Бенхон. Фильмы: «Терминатор 2: Судный день», «Терминатор: Генезис».

Ленинградская АЭС. Первые РБМК

Теперь перейдем к самым крупным АЭС, с серийными блоками гигаваттной мощности. Начнем по хронологии и с реакторов РБМК.

Ленинградаская АЭС и ее энергоблоки. Графика автора

Именно на реакторах РБМК СССР планировал масштабно развивать атомную энергетику в 1970-е годы для удовлетворения энергодефицита в европейской части страны, поскольку технологию изготовления корпусов гигаваттных ВВЭР осваивать не успевал. А активная зона реактора РБМК собирается как из кубиков, изготовление компонентов для нее было освоено промышленностью. Поэтому, например, ее можно масштабировать и увеличивать. Например, на Игналинской АЭС построили два РБМК мощностью уже 1500 МВт, хотя и в тех же габаритах. Но были проекты и с увеличенной мощностью и активной зоной, до 2400 МВт. Вообще, сам реактор РБМК-1000  — это один из крупнейших в мире реакторов, там только диаметр активной зоны более 11 м.

Верхняя плита реактора РБМК — одного из самых больших реакторов в мире

У РБМК есть ряд преимуществ перед ВВЭР. Например, он не требует остановки для перегрузки топлива, его можно перегружать, отключая отдельные каналы прямо на работающем реакторе.  Из-за этого он позволяет облучать в каналах отдельные сборки-мишени и нарабатывать полезные изотопы, как, например, Co-60, который сейчас и производят на Ленинградской АЭС.

Но есть и ряд недостатков. Это, например, и сложность управления, и отсутствие защитной оболочки-контейнмента, и другие недостатки конструкции, которые не были своевременно устранены из-за гонки масштабного строительства АЭС в СССР в 1970-е и 1980-е. Все это привело к главной трагедии, сделавшей реактор РБМК печально известным на весь мир – Чернобыльской катастрофе. Именно такие реакторы были на этой АЭС. После аварии 1986-года реакторы РБМК доработали и модернизировали, устранив большинство недостатков. Поэтому сегодняшние РБМК все же существенно отличаются от дочернобыльских.

Два энергоблока с ВВЭР-1200 на Ленингрдаской АЭС-2. Один уже сдан (справа), второй строится.

Два энергоблока первой очереди Ленинградской АЭС заработали в 1973 и 1975 годах, они уже отработали по 45 лет и остановлены в 2018 и 2020 годах. Им на смену были построены и синхронно с отключением старых блоков были подключены два новых энергоблока с реакторами ВВЭР-1200. Так что теперь Ленинградская АЭС – единственная российская, где одновременно работают реакторы разных типов – РБМК-1000 и ВВЭР-1200. Кстати, при этом мощность АЭС выросла на 400 МВт, и теперь это самая мощная АЭС России. Сейчас ЛАЭС обеспечивает электроэнергией Ленинградскую область более чем на 50%, а также частично снабжает теплом ближайший город атомщиков — Сосновый бор.

Мне дважды доводилось бывать на ЛАЭС-2, поэтому я видел новые энергоблоки и в строящемся виде, и тут же впервые побывал на уже работающем энергоблоке с ВВЭР-1200. 

Лицензирование

Основным препятствием для внедрения SMR является процесс лицензирования. Он был разработан для обычных реакторов, изготовленных по индивидуальному заказу, что предотвращает простое развертывание идентичных блоков на разных площадках. В частности, процесс лицензирования Комиссией по ядерному регулированию США сосредоточен в основном на обычных реакторах. Технические требования к конструкции и безопасности, требования к персоналу и лицензионные сборы были ориентированы на реакторы с электрической мощностью более 700 МВт.

SMR привели к переоценке процесса лицензирования. На одном семинаре в октябре 2009 г. и на другом в июне 2010 г. рассматривалась эта тема, после чего в мае 2010 г. состоялись слушания в Конгрессе . Несколько агентств США работают над определением лицензирования SMR. Однако некоторые утверждают, что ослабление правил безопасности для стимулирования разработки SMR может свести на нет их повышенные характеристики безопасности.

Ожидается, что программа демонстрации усовершенствованных реакторов США поможет лицензировать и построить два прототипа SMR в течение 2020-х годов с государственным финансированием в размере до 4 миллиардов долларов.

Т-Х (Terminator X), «Терминатор 3: Восстание машин», 2003

Более усовершенствованная версия T-800 получила название T-X. В отличие от киборга «Железного Арни», вместо живой плоти в металлический каркас интегрирован жидкий металл, как у «тысячной» модели. Может изменять внешность, лишен способности принимать любые формы. Отлично вооружен, был главным злодеем в третьей части «Терминатора».

(Кристанна Локен в роли T-X)

Характеристики:

• Тип: гиноид;
• Рост: 190 см;
• Вооружение: встроенные огнемет, плазмоизлучатели, холодное оружие;
• Неуязвимость: к баллистическим ударам крупнокалиберных пуль.

«Терминатрикс» в «Восстании машин» сыграла американская актриса Кристанна Локен. Главное отличие, от предшественника T-1000, который мог только пользоваться внешним оружием, T-X способен руками самостоятельно принимать форму любого оружия, более подвижен, гибок и имеет меньше времени на баллистический шок и быстрый цикл восстановления после любого физического воздействия.

Нововоронежская АЭС. Сухопутная колыбель ВВЭР

Нововоронежская АЭС — вид с пруда-охладителя ночью

Как и Белоярская АЭС, это одна из старейших АЭС страны. Первый ее энергоблок заработал в том  же 1964 году, всего через полгода после пуска АМБ-1. Но в отличии Белоярской АЭС, где отрабатывали технологию канальных уран-графитовых реакторов с ядерным перегревом пара, а затем технологии быстрых реакторов, в Нововоронеже занимались и занимаются освоением другого направления – водо-водяных реакторов. Здесь были построены все первые, головные блоки энергетических реакторов ВВЭР мощностью от 210 МВт, 440, 1000 и сейчас 1200. Всего на этой АЭС построено 7 энергоблоков – максимальное количество на российских АЭС.

Первый в мире энергоблок с ВВЭР-1000 на Нововоронежской АЭС

В настоящее время из них работают 4. Это один ВВЭР-440, один ВВЭР-1000 и два первых в нашей стране и мире ВВЭР-1200. Получается, что каждый из этих реакторов – самый первый в своем роде. В том числе и нынешний флагманский продукт отечественной атомной промышленности – энергоблок с реактором ВВЭР-1200, которые активно приходят на замену старых блоков на АЭС в России и строится для зарубежных заказчиков. В России их уже построено 4, и в разной стадии строительства за рубежом еще более 10 штук. 

Первые в мире и нашей стране два ВВЭР-1200 на Нововоронежской АЭС

Подробно про водо-водяные реакторы я рассказывал в прошлой статье про Кольскую АЭС. Коротко повторю, что эти реакторы отличаются от канальных графитовых тем что в них нет ни графитовой кладки, ни каналов. Это более компактные реакторы, топливо которых находится внутри прочного толстостенного металлического корпуса. Водо-водяной в названии реактора означает, что вода выступает в нем и замедлителем нейтронов и теплоносителем, который отводит тепло от ядерного топлива. Это реакторы, работающие по двухконтурной схеме, т.е. вода в самом реакторе и первом контуре нагревается до большой температуры – более 300 градусов, но не кипит, т.к. находится при этом под давлением более 150 атмосфер (для чего мощный корпус и нужен). Тепло через теплообменник передается второму контуру, где уже вода кипит, пар идет на турбину, ну и дальше обычная схема. КПД таких установок около 32% и выше.

Такой же тип водо-водяных реакторов используется и на атомных подводных лодках в силу ряда преимуществ, в первую очередь более компактных размеров. Собственно, изначально он для них и разрабатывался, но потом вышел на сушу и прочно обосновался в мирной атомной энергетике.  Сейчас это самый популярный тип реактора в мире. Более чем на 80% энергоблоках АЭС в мире работают водо-водяные реакторы под давлением.

Что из этого следует

Феномен Окло опроверг мнение Энрико Ферми и Петра Капицы о том, что естественным образом ядерный реактор возникнуть не может. Более того, анализ изотопного состава пород Окло дает немало информации для размышления – по поводу того, как образуются ядерные отходы, и как их можно хранить.

По расчетам, сделанным группой Алекса Мешика в 2004 году, реактор в Окло работал около 150 тысяч лет и успел выработать 5×1017 Дж энергии, что сопоставимо с результатом работы 40-ГВт атомной электростанции за четыре года. Вероятно, реактор включался примерно на полчаса, выделял тепло, вода расширялась – и кучность молекул в ней уменьшалась, в результате чего реактор выключался не менее чем на два с половиной часа, пока вода не остынет. Попутно Окло щедро облучал окружающие породы.

При этом Окло не только вырабатывал энергию, но и обогащал уран-238, порождая ту ветку изотопов, которая показана в нижней левой части рисунка 2: уран-238 → уран-239 → нептуний-239 → плутоний 239. Возможно, Окло успел выработать более 2 тонн плутония-239, но этого изотопа давно нет, поскольку период его полураспада составляет 24 000 лет.   

Одним из наиболее интересных побочных продуктов его работы оказался ксенон. Концентрация изотопов ксенона в породах Окло оказалась выше, чем где бы то ни было в живой природе; кроме того, там были найдены экзотические изотопы 129Xe и 136Xe. 129Xe накапливается в результате распада радиоактивного иода 129I, а 136Xe относится к ряду распада плутония-244.

Иллюстрация из Соросовского образовательного журнала, 1997

Период полураспада плутония-244 составляет около 122 миллионов лет, поэтому в настоящее время на Земле его уже не осталось, а вот период полураспада ксенона-136 — 2,165×1021 лет, что значительно превышает возраст Вселенной. Кроме того, поскольку ксенон является благородным газом, он не вступает в химические реакции и остается там, где образовался. В настоящее время некоторое количество тяжелых изотопов ксенона попало в атмосферу в результате работы человеческой атомной энергетики, но атмосферная концентрация ксенона-136, а также более радиоактивных ксенона-135 и криптона-85 все равно выше, чем можно было бы объяснить антропогенными факторами. Это позволяет предположить, что Окло был не единственным реактором в своем роде. Возможно, реликты таких реакторов еще предстоит открыть в Южной Америке (в тех ее районах, которые примыкали к современному Габону до раскола африканской и южноамериканской тектонических плит), а также в зоне восточноафриканского рифта.  

В случае, если кроме Окло на нашей планете существовали иные подобные реакторы, это могло бы означать, что в некоторых регионах Земли естественный радиационный фон был сильно повышен именно на этапе зарождения жизни и запуска эволюции, сохранялся таким достаточно долго, чтобы повлиять на эволюцию. То, что осталось на месте Окло, позволяет заново взглянуть на подходы к захоронению ядерных отходов. Так, радиоактивный ксенон в Окло (образовавшийся как из урана, так и из радиоактивного йода) заперт в осадочных слоях, насыщенных алюминием, а радиоактивный цезий-137 был заперт атомами рутения и до сих пор практически не распространяется в окружающую среду.

Таблица результатов

 Дизайн  Лицензирование  В разработке  Оперативный  Отменено  В отставке

T-800, «Терминатор», 1984

Более усовершенствованная модель Терминатора. В отличие от Т-600, имеет более прочный металлический скелет, неуязвимый для обычного стрелкового оружия. Для максимального сходства с людьми в каркас вживляли живые ткани.

(Арнольд Шварцнеггер в роли T-800)

T-800 многозадачен, умеет изменять голос. При выполнении основного задания способен выбрать оптимальный вариант решения проблемы. Энергетическая установка — ядерный мини-реактор в области грудной клетки. Очень живуч, продолжает выполнение задачи с отсутствующими конечностями. Из-за особенностей с вживлением тканей вызывает негативную реакцию у собак.

Характеристики:

• Рост: 1,9 м;
• Интеллект: более совершенный, самообучающийся интеллект;
• Строение: усиленный экзоскелет;
• Время автономной работы: 120 лет.

Т-800 известен всему миру благодаря актерской работе Арнольда Шварценеггера, фразы которого из 1 и 2 части разобраны на цитаты. В конце фильма «Терминатор 2: Судный день» машина пожертвовала собой ради спасения человечества.

Сибирская АЭС. Даже две

Сибирская АЭС

Следующая АЭС на территории России, которая уже тоже не работает – это малоизвестная широкой публике Сибирская АЭС. Сейчас практически все АЭС в Росси находятся в Европейской части, но был период в 60-е, когда основное атомное электричество в СССР вырабатывалось в Сибири. Сибирская АЭС находилась на площадке Сибирского химического комбината (СХК) в г. Северск Томской области. Это был закрытый комбинат по наработке оружейного плутония, он и сейчас работает, но занимается уже другими задачами. Несмотря на секретность, фильм о Сибирской АЭС показали в 1958 году на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии.

Заголовок в New York Times в 1958 году о показе в Женеве фильма о Сибирской АЭС

На тот момент она была одной из мощнейших АЭС мира – первый энергоблок имел мощность 100 МВт. В дальнейшем на ней работали 4 реактора, а суммарная мощность выросла до 600 МВт.

Промышленные реакторы СХК были двойного и даже тройного назначения. Т.е. они нарабатывали плутоний, но их спроектировали уже так, что они позволяли вырабатывать электроэнергию и давать тепло для отопления Северска и Томска. С окончанием программы наработки плутония был остановлен и последний реактор станции, в 2008 году.

Один из реакторов СХК. Фото: Страна Росатом

На другом сибирском комбинате по наработке оружейного плутония, Горно-химическом комбинате, в Железногорске, с 1964 по 2010 год тоже работал двухцелевой реактор АДЭ-2. Хотя, как таковой отдельной АЭС его не называли. Но по сути это была третья атомная станция тепло- и электроснабжения в СССР, причем единственная – подземная, т.к. сам комбинат ГХК размещался в горной выработке под землей. Подробнее про отечественные промышленные реакторы я писал отдельную статью.

Кстати, АЭС двойного назначения – это не чисто советская выдумка. Первая такая «двойная» АЭС заработала в Великобритании на два года раньше Сибирской АЭС. Это АЭС Колдер Холл — первая АЭС в Великобритании и на Западе вообще, работавшая на атомном комбинате Селлафилд, где производили оружейный плутоний. В далеком 1956 году ее открывала молодая Елизавета II.

Елизавета II на открытии первой АЭС Великобритании — Колдер Холл (двойного назначения)

T-600, «Терминатор», 1984

Первый робот гуманоидного типа с металлическим каркасом, обтянутым искусственной кожей.  Благодаря такой «маскировке», отличить машину от человека можно на большом расстоянии.

(Первая модель — Терминатор T-600, затем модифицированная до T-800. Автор изображения: Dick Thomas Johnson)

Киборг T-600 однозадачен: помимо основной цели не способен обрабатывать дополнительные задачи. Лишен эмоций, гибкости с преодолением препятствий.

Характеристики:

• Рост: — 2,2 м.
• Вооружение: шестиствольный пулемет Гатлинга, ручной гранатомет с ранцевым запасом гранат.
• Уязвимое место: нейроцентр в затылочной области.

Впервые был упомянут в первой части «Терминатора» Кайлом Ривзом, сыгравшим отца Д.Коннора.

Трата

Многие конструкции SMR представляют собой реакторы на быстрых нейтронах с более высоким выгоранием топлива, что снижает количество отходов. При более высокой энергии нейтронов обычно можно допустить большее количество продуктов деления . Реакторы-размножители «горят»235U , но преобразуют плодородные материалы, такие как238U в пригодное для использования топливо.

Некоторые реакторы спроектированы для работы в ториевом топливном цикле , что позволяет значительно снизить долговременную радиотоксичность отходов по сравнению с урановым циклом.

Реактор бегущей волны немедленно использует топливо , которое размножается без необходимости удаления в топливе и очистки.