სხვადასხვა შეფასებით, ბირთვული ენერგიის წილი შეადგენს მსოფლიოში წარმოქმნილი ყველა ენერგორესურსების მინიმუმ 10-16%-ს. ზოგიერთ ქვეყანაში, მაგალითად საფრანგეთში, ბირთვული ენერგია მაღალია – 71,6%. ჩინეთში ბირთვული ენერგიის წილი არ აღემატება 4%-ს. ბირთვული ენერგიის გამოყენება დებატების საგანია, რადგან მასთან დაკავშირებულია მთელი რიგი რეალური და შესაძლო პრობლემები:

• რადიოაქტიური ნარჩენების განკარგვის აუცილებლობა;
• ავარიები, რომლებიც იწვევს ეკოლოგიურ კატასტროფებს (ატომური ელექტროსადგურები ჩერნობილში და ფუკუშიმაში);
• ატომური ელექტროსადგურები შეიძლება დაექვემდებაროს ტერორისტულ თავდასხმებს და წარმოადგენენ მასობრივი განადგურების პოტენციურ იარაღს;
• ბირთვული ელექტროსადგურის საწვავის შესაძლო გამოყენება ბირთვული იარაღის წარმოებაში.

მაგრამ ფაქტია, რომ მიუხედავად ყველა საფრთხისა, ბირთვული ენერგია ამ ეტაპზე სრულად ვერ შეიცვლება სხვა წყაროებით და უახლოეს მომავალში გამოიყენებს კაცობრიობას. შესაბამისად, ამ ეტაპზე აქტუალური რჩება ატომური ელექტროსადგურების ექსპლუატაციასთან დაკავშირებული ჰიპოთეტური და რეალური რისკების შემცირების ამოცანა.

ბირთვული ენერგიის წარმოების ტიპიური სქემა

ბირთვული საწვავის წარმოება იწყება ურანის მოპოვებით. მეორე ეტაპზე ხდება ურანის გამდიდრება, რითაც ურანი-238-ის მძიმე ატომები გამოყოფილია ურანი-235-ის მსუბუქი ატომებისგან. აუცილებელია, რადგან მხოლოდ ურანი-235 ბირთვებია მიდრეკილი თერმულ-ნეიტრონული დაშლისკენ. ენერგეტიკული რეაქტორის ნორმალური ფუნქციონირება მოითხოვს, რომ ურანი-235 იზოტოპის ფრაქცია იყოს მინიმუმ 5% (გამდიდრებამდე, ურანი-235-ის ფრაქცია არის დაახლოებით 0,7%). გამდიდრებული ურანი განიცდის გაზის გადაქცევას მყარად, შერეულია პლასტიზატორით და შეკუმშულია მარცვლების წარმოქმნის მიზნით. ეს მარცვლები დამატებით აგლომერდება მაღალ ტემპერატურაზე. მარცვლები იწონის მხოლოდ რამდენიმე გრამს, მაგრამ მათ აქვთ მაღალი ენერგეტიკული პოტენციალი, რომელიც ექვივალენტურია 400 კგ ნახშირის, 250 კგ ნავთობის ან 360 მ3 გაზის.

მარცვლები მოთავსებულია სითბოს წარმომქმნელ ელემენტებში (საწვავის წნელები), რომლებიც ქმნიან ცირკონიუმის შენადნობისგან დალუქულ მილებს. საწვავის წნელები იკრიბება ცალკეულ კასეტებში. ერთი კასეტა შეიძლება შეიცავდეს რამდენიმე ასეულ საწვავის ელემენტს, ხოლო ბირთვული რეაქტორის ბირთვი – რამდენიმე ასეული კასეტა.

რეაქტორში კასეტების მოთავსების შემდეგ იწყება კონტროლირებადი ბირთვული რეაქცია, რომლის დროსაც ხდება ურანის ბირთვების დაშლა დიდი რაოდენობით გამოთავისუფლებული სითბოთი. ბირთვული რეაქციის შესანარჩუნებლად გამოიყენება ენერგეტიკული სპექტრის თერმული ნაწილის ნეიტრონები; ამიტომ ბირთვულ რეაქტორებს, სადაც ეს რეაქცია ხდება, თერმულ-ნეიტრონულ რეაქტორებს უწოდებენ.

მიღებული სითბო წყალში გადადის საწვავის ღეროების მოპირკეთებით რამდენიმე მარყუჟის საშუალებით. წნევის ქვეშ გაცხელებული წყალი იქცევა ორთქლად, რომელიც იწვევს ორთქლის ტურბინის ბრუნვას. ჯერ ორთქლის ენერგია გარდაიქმნება მექანიკურ სამუშაოდ, შემდეგ კი მექანიკური მუშაობა ელექტროენერგიად გარდაიქმნება დენის გენერატორის საშუალებით.

თერმულ-ნეიტრონული რეაქტორების მუშაობის შედეგად წარმოიქმნება დახარჯული ბირთვული საწვავი – კასეტა ნაწილობრივ დამწვარი საწვავის შემადგენლობით. ამ შემადგენლობაში ურანი-235-ის დარჩენილი რაოდენობა ძალიან მცირეა, ხოლო ურანი-238-ის ფრაქცია მინიმუმ 90%. საწვავი ამოღებულია რეაქტორიდან და იგზავნება დახარჯული საწვავის შესანახ აუზებში, სადაც ის ინახება რამდენიმე წლის განმავლობაში, რის შემდეგაც იგი ამოღებულია ატომური ელექტროსადგურიდან გასატანად ან საჭიროებს ნარჩენების დამარხვის სპეციალურ პირობებს. ამრიგად, ბირთვული ენერგიის წარმოების ტიპიური სქემა იწვევს პრობლემური და ეკოლოგიურად სახიფათო ნარჩენების წარმოქმნას. ამიტომ, მეცნიერებმა დაიწყეს კითხვების დასმა დახურული ციკლის ორგანიზებასთან დაკავშირებით, სადაც დახარჯული ბირთვული საწვავი გარდაიქმნება ბირთვული რეაქტორების ახალ საწვავად. ის მოითხოვს ურანის 238-ის კონტროლირებად ბირთვულ დაშლის რეაქციას, რომელიც ჭარბობს დახარჯული საწვავის შემადგენლობაში. აღმოჩნდა, რომ ამ ამოცანის გადაჭრა შესაძლებელი იყო სწრაფი ნეიტრონული რეაქტორების საშუალებით.

სწრაფი ნეიტრონული რეაქტორი

ნეიტრონების მოძრაობის სიჩქარე თავდაპირველად ძალიან მაღალია ურანის ბირთვული დაშლის დროს. ასეთ ნეიტრონებს უწოდებენ “სწრაფს”. მაგრამ წყალში გავლისას, რომელიც გამოიყენება როგორც სითბოს გადამზიდავი, ნეიტრონი მნიშვნელოვნად ანელებს და ხდება “ნელი” (თერმული). თერმული ნეიტრონი იწვევს მხოლოდ ურანი-235-ის ბირთვულ დაშლას, ხოლო ურანი-238-ის ბირთვები რჩება გაუფუჭებელი. მაგრამ სწრაფი ნეიტრონები რომ იყოს ნელი, ურანი-238 ბირთვები დაიშლება გამოთავისუფლებული ენერგიით და წარმოქმნის პლუტონიუმ-239-ს, რომელიც ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც რეაქციის ძრავის საწვავი. ამისათვის საჭიროა წყლის ჩანაცვლება ისეთი საშუალებით, რომელიც არ შთანთქავს და არ ანელებს ნეიტრონებს. ამჟამად ამ მიზნით ყველაზე ხშირად გამოიყენება ნატრიუმი, რაც შესაძლებელს ხდის სწრაფი ნეიტრონული რეაქტორის დანერგვას.

ამ ტიპის აღჭურვილობაში სწრაფი ნეიტრონები ურთიერთქმედებენ ურან-238-თან, რის შემდეგაც წარმოიქმნება პლუტონიუმი-239. პლუტონიუმი-239 შემდგომში შეიძლება გამოყენებულ იქნას თერმული (ნელი) ნეიტრონული რეაქტორებისთვის საწვავის წარმოებისთვის. სწრაფი ნეიტრონული რეაქტორები იძლევა ბირთვული ენერგიის წარმოების ციკლის დახურვის საშუალებას: დახარჯული საწვავი მუშავდება და იგზავნება თერმულ რეაქტორებში. ურანი-238-ის შემცველი ბირთვული რეაქციის ძრავის საწვავის ბევრი ადრე ჩამარხული ნარჩენებია და წინასწარი შეფასებით, ეს ნარჩენები საკმარისი იქნება რამდენიმე ასეული წლის განმავლობაში.

მოდით განვიხილოთ ჩქარი ნეიტრონული რეაქტორებისთვის საწვავის წარმოებისა და გამოყენების სპეციალური ასპექტები.

საწვავი სწრაფი ნეიტრონული რეაქტორებისთვის

 შერეული ურანის და პლუტონიუმის საწვავის წარმოების ტექნოლოგია სწრაფი ნეიტრონული რეაქტორებისთვის მოიცავს სამ ეტაპს:

• ჩამოსხმის ფხვნილის მომზადება;
• მარცვლების შეკუმშვით ჩამოსხმა;
• მარცვლების აგლომერაცია.

თუ გრანულები მზადდება რამდენიმე კომპონენტის საფუძველზე, მაგალითად, ურანის და პლუტონიუმის დიოქსიდები, ფხვნილები უნდა დაფხვნილი და შერეული იყოს. ამ ეტაპზე რეაქტორში ბირთვული საწვავის ფუნქციონირება დიდწილად არის უზრუნველყოფილი, რაც დამოკიდებულია ნარევის ერთგვაროვნებაზე, მარცვლის სიმკვრივეზე, მარცვლის ზომაზე, მიკროსტრუქტურაზე და ა.შ.

რეაქტორის ურანისა და პლუტონიუმის საწვავის წარმოების არსებულ პროცესურ ხაზებში, საწყისი ფხვნილები შეიძლება ჯერ იყოს შერეული და შემდეგ დაფხვნილი, ან შერეული და დაფხვნილი ერთდროულად. ამ მიზნით გამოიყენება ბურთის ან ჩაქუჩის წისქვილები. მაგრამ ასეთი ქარხნები აჩვენებენ საწყისი ფხვნილების დაფქვისა და შერევის დაბალ ეფექტურობას; ამიტომ, მარცვლების აგლომერაციის შემდეგ, შეიძლება შეინიშნოს ორი ფაზის მკაფიო გამოყოფა, რაც მიუთითებს საჭირო ჰომოგენურობის ნაკლებობაზე. გარდა ამისა, პროცესი თავისთავად შრომატევადია და რამდენიმე ათეულ საათამდე სჭირდება. გამოყენება ფერომაგნიტური ნაწილაკების მორევის ფენის მოწყობილობა ალტერნატივად განიხილება.

ფერომაგნიტური ნაწილაკების მორევის ფენის მოწყობილობა შერეული ურანისა და პლუტონიუმის საწვავის წარმოებაში

ფერომაგნიტური ნაწილაკების მორევის ფენის მოწყობილობები იყენებენ ნივთიერებებზე ზემოქმედების ფუნდამენტურად განსხვავებულ მეთოდს ბურთისა და ჩაქუჩის წისქვილებთან შედარებით. ასეთი მოწყობილობის მუშაობის პრინციპი შეიძლება შეინიშნოს 1-ლი სურათის გამოყენებით.

სურათი 1 – მოწყობილობა ფერომაგნიტური ნაწილაკების მორევის ფენით (AVS): 1 – დამცავი ბუჩქი; 2 – მბრუნავი ელექტრომაგნიტური ველის ინდუქტორი; 3 – ინდუქტორის კორპუსი; 4 – არამაგნიტური მასალისგან დამზადებული საოპერაციო კამერა; 5 – ფერომაგნიტური ნაწილაკები

ტიტანისა და პლუტონიუმის დიოქსიდების საწყისი ფხვნილები ფერომაგნიტურ ნაწილაკებთან ერთად5 მოთავსებულია ტიტანის კონტეინერში, რომელიც მოთავსებულია საოპერაციო პალატაში4 AVSP-100 მოწყობილობის მიერ წარმოებული GlobeCore. მოწყობილობის გაშვების შემდეგ, კონტეინერი ასრულებს ღერძულ ორმხრივ მოძრაობას. ინდუქტორი2 ქმნის მბრუნავ ელექტრომაგნიტურ ველს, რომელიც იწვევს ფერომაგნიტური ნაწილაკების მოძრაობას რთული ტრაექტორიების გასწვრივ და მუდმივად ეჯახება დამუშავებული ფხვნილის ნაწილაკებს, ოპერაციული კამერის კედლებს და ერთმანეთს გზაზე მორევის ფენის წარმოქმნით. იმავდროულად, რამდენიმე ფაქტორი გავლენას ახდენს დამუშავებულ ფხვნილებზე საოპერაციო პალატაში:

• მბრუნავი ელექტრომაგნიტური ველი;
• ფერომაგნიტური ნაწილაკების პირდაპირი ზემოქმედება;
• ფერომაგნიტური ნაწილაკების შეჯახების შედეგად წარმოქმნილი აკუსტიკური და ულტრაბგერითი ვიბრაციები;
• ფერომაგნიტური ნაწილაკების მაგნიტოსტრიქცია და ა.შ.

ზემოაღნიშნული ფაქტორების ყოვლისმომცველი ეფექტი უზრუნველყოფს საწყისი ფხვნილების სწრაფ დისპერსიას და ჰომოგენიზაციას, რაც ნიშნავს, რომ მაღალი ხარისხის ჩამოსხმის ფხვნილი მიიღება მარცვლების წარმოებისთვის.

საფრთხის შემცველი ტექნიკური პერსონალისთვის, საწყისი კომპონენტებისა და ფერომაგნიტური ნაწილაკების შეყვანა, ასევე კომპონენტების გაგრილება და მოხსნა ხდება ავტომატურად.

მორევის ფენის მოწყობილობების უპირატესობები

მორევის ფენის მოწყობილობების მიერ წარმოებული GlobeCore აქვს შემდეგი უპირატესობები რეაქციის ძრავის საწვავის წარმოების ტექნოლოგიურ პროცესებში გამოყენებისას:

• ისინი სათანადოდ აფუჭებენ და ურევენ თავდაპირველ დაფხვნილ კომპონენტებს, რაც უზრუნველყოფს მათ ერთნაირად განაწილებას მარცვლზე;
• აფუჭებენ და ურევენ კომპონენტებს, ასევე ააქტიურებენ მათ; მოსალოდნელი შედეგია გაზრდილი საწვავის წვა;
• მორევის ფენის მოწყობილობაში დამუშავებული ფხვნილების საფუძველზე მიღებული მარცვლები მთლიანად იხსნება აზოტის მჟავაში, რაც მნიშვნელოვანია რეაქტიული ძრავის საწვავის რეგენერაციისთვის;
• ბურთისა და ჩაქუჩის ქარხნებისაგან განსხვავებით, კომპონენტების დამუშავება ხდება რამდენიმე წუთში, ვიდრე საათებში ან ათეულ საათებში;
• მოწყობილობები არის კომპაქტური ზომით და ადვილად ინტეგრირდება რეაქციის ძრავის საწვავის წარმოების არსებულ პროცესურ ხაზებში;
• მოწყობილობა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბირთვული საწვავის წარმოების სხვადასხვა სქემებში სწრაფი და ნელი ნეიტრონული რეაქტორებისთვის წვრილად გაფანტული ფხვნილების და ერთგვაროვანი ნარევების მიღებისას.