С каждым годом людям требуется всё больше энергии, причём вблизи крупных городов, где сложно построить достаточно мощные гидро- или теплоэлектростанции. Поэтому экономически выгодным является использование так называемого ядерного «топлива», например соединений урана. При делении его ядер выделяется энергия, в миллионы раз большая, чем при сжигании такой же массы традиционного топлива.

В природе существуют два изотопа урана: с массовыми числами 235 и 238. Для осуществления управляемой ядерной реакции пригоден только уран-235, однако его содержание в руде, как правило, менее 1%. Это не позволяет использовать её сразу в качестве топлива. Сначала руда проходит обогащение: долю урана-235 повышают до 5%. И уже из этого продукта изготавливают ядерное топливо в виде «таблеток». Каждую из них хранят и перевозят на удалении друг от друга, чтобы не образовалась критическая масса и цепная ядерная реакция (см. § 15-г).

Для использования энергии деления ядер применяют различные типы ядерных реакторов. Рассмотрим один из них, изобразив его в составе другого оборудования атомной электростанции (см. рисунок).

1. ???

Слева – ядерный реактор. Его защитный корпус 1 заполнен специальным веществом 2 – замедлителем нейтронов. В нём имеются вертикальные каналы, в некоторые из них опущены урановые стержни 3, собранные из отдельных «таблеток». Их общая масса больше критической, что позволяет начаться цепной реакции. Для регулирования её скорости между урановыми стержнями расположены подвижные стержни 4 из вещества, поглощающего нейтроны. Глубиной погружения этих стержней внутрь реактора управляют мощностью цепной ядерной реакции.

Энергия, выделяющаяся в ходе реакции, передаётся теплоносителю – «тяжёлой воде», движущейся через специальные вертикальные каналы между стержнями. В первичный контур циркуляции воды 5 входит также «змеевик» внутри теплообменника 6, заполненного обычной водой вторичного контура 7, которая при кипении создаёт большое количество пара. Он вращает лопасти турбины 8 и одновременно ротор генератора 9. После прохождения турбины пар попадает в конденсатор 10, где охлаждается и снова превращается в воду. Насосы 11 и 12 осуществляют независимую циркуляцию тяжёлой воды в первичном контуре и обычной воды во вторичном контуре, поддерживая непрерывный теплообмен.

Использование атомных электростанций (АЭС) не только позволяет обеспечить энергией потребности человечества, но и создаёт серьёзные угрозы экологического характера. Например, в 1986 году произошла крупная авария на Чернобыльской АЭС в Украине, в 2011 году на Фукусимской АЭС в Японии. Они создали обширные зоны радиационного заражения, непригодные для жизни и работы людей, а также нанесли непоправимый ущерб здоровью людей, животных и растений на огромных пространствах. Поэтому многие страны запретили АЭС на своих территориях.

Перспективы ядерной энергетики связаны с возможностью использовать энергию реакции синтеза лёгких ядер (см. § 15-д). Основной трудностью является чрезвычайно высокая температура в зоне реакции и управляемость реакцией только на доли секунды. Это, безусловно, слишком малое время для практического использования энергии синтеза. Однако новые открытия в физике позволяют смотреть на будущее с оптимизмом.

1. ???