Može li se zgrada u potpunosti obezbijediti strujom, toplinom, toplom vodom i istovremeno prodati dio viška energije na stranu?
Svakako! Ako se prisjetimo starog dobrog atoma i opremimo našu kuću minijaturnim nuklearnim reaktorom. Šta je sa ekologijom i sigurnošću? Ispostavilo se da se ovi problemi mogu riješiti korištenjem moderne tehnologije. Upravo tako misle stručnjaci iz američkog ministarstva energetike, koji se bave implementacijom koncepta tzv. "zapečaćeni" reaktor.
Sama ideja o stvaranju ovakvog uređaja nastala je prije desetak godina kao recept za efikasno snabdijevanje energijom zemlje u razvoju. Njegov ključni element je Mali zatvoreni transportni autonomni reaktor (SSTAR), razvijen u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore. Lawrence (Kalifornija).
Posebnost ovog proizvoda je potpuna nemogućnost ekstrakcije radioaktivne supstance (da ne spominjemo mogućnost njenog curenja). To je trebalo da bude glavni uslov za snabdevanje državama tzv. "trećeg" svijeta, kako bi se otklonilo iskušenje korištenja njegovih sadržaja za stvaranje nuklearno oružje. Potpuno zatvoreno kućište, opremljeno pouzdanim alarmnim sistemom u slučaju pokušaja otvaranja, au njemu se nalazi reaktor sa generatorom pare, zapečaćen kao duh u boci.
Kako se kontradikcije na globalnom energetskom tržištu produbljuju, tržište sve više diktira potražnju za autonomnim sistemima snabdijevanja energijom. Sa pravne tačke gledišta, rasprostranjena upotreba malih reaktora u razvijenim zemljama obećava mnogo manje poteškoća nego njihovo snabdevanje zemljama u razvoju. Kao rezultat toga, san o mikro-nuklearnoj elektrani sve se više pretvara u ideju stvaranja točkastog generatora energije koristeći "vječno" gorivo.
Postojeće SSTAR tehnologije ne dozvoljavaju punjenje jezgra i očekivani životni vijek kontinuirani rad ima 30 godina. Nakon ovog perioda, predlaže se jednostavno zamijeniti cijeli blok novim. Imajte na umu da reaktor snage 100 megavata stane u "bocu" visine 15 metara i prečnika 3 metra.
Ovi pokazatelji, vrlo skromni za elektranu, i dalje se čine značajnim kada je u pitanju opskrba energijom pojedinih objekata. Međutim kreativni razvoj Projekt je pokazao mogućnost značajnog smanjenja težinskih i veličinskih karakteristika uz adekvatno smanjenje snage.
U budućnosti, dizajneri namjeravaju nastaviti rad na minijaturizaciji agregata i poboljšanju upravljačkih sistema. Još jedno važno područje je produženje vijeka trajanja "nuklearne tablete" na 40-50 godina, za šta se planira ugraditi dodatni zaštitni sistem unutar nje.
Dakle, moguće je da će u bliskoj budućnosti biti moguće instalirati gotovo vječni izvor energije direktno u podrum svake kuće.
1. Stirlingov motor sa slobodnim klipom pokreće se zagrijavanjem "atomskom parom" 2. Indukcijski generator daje oko 2 W električne energije za napajanje žarulje sa žarnom niti. gama zraci. Može poslužiti kao odlično noćno svjetlo!
Za djecu stariju od 14 godina, mladi istraživač će moći samostalno sastaviti mali, ali pravi nuklearni reaktor, naučiti što su brzi i odgođeni neutroni te vidjeti dinamiku ubrzanja i usporavanja nuklearne lančane reakcije. Nekoliko jednostavnih eksperimenata s gama spektrometrom omogućit će vam da shvatite proizvodnju različitih fisionih produkata i eksperimentirate s reprodukcijom goriva iz sada modernog torija (priložen je komadić torij-232 sulfida). Uključena knjiga “Osnove nuklearne fizike za male” sadrži opise više od 300 eksperimenata sa sastavljenim reaktorom, tako da postoji ogroman prostor za kreativnost
Istorijski prototip Laboratorija za atomsku energiju (1951.) dala je đacima priliku da se pridruže najnaprednijim oblastima nauke i tehnologije. Elektroskop, Wilsonova komora i Geiger-Muller brojač omogućili su izvođenje mnogih zanimljivih eksperimenata. Ali, naravno, nije tako zanimljivo kao sklapanje radnog reaktora iz ruskog kompleta „Stolna nuklearna elektrana“!
Pedesetih godina prošlog stoljeća, s pojavom nuklearnih reaktora, činilo se da se pred čovječanstvom naziru sjajni izgledi za rješavanje svih energetskih problema. Energetski inženjeri dizajnirali su nuklearne elektrane, brodograditelji dizajnirali nuklearne električne brodove, a čak su i dizajneri automobila odlučili da se pridruže proslavi i koriste "mirni atom". U društvu je nastao „nuklearni bum“, a industriji su počeli nedostajati kvalifikovani stručnjaci. Potreban je priliv novih kadrova, i to ozbiljan obrazovna kompanija ne samo među studentima, već i među školarcima. Na primjer, A.C. Kompanija Gilbert objavljena je 1951 dečiji set Laboratorija za atomsku energiju, koja sadrži nekoliko malih radioaktivnih izvora, potrebne instrumente, kao i uzorke uranijumske rude. Ovaj „najsavremeniji naučni komplet“, kako je pisalo na kutiji, omogućio je „mladim istraživačima da provedu preko 150 uzbudljivih naučnih eksperimenata“.
Osoblje odlučuje o svemu
Tokom proteklih pola veka, naučnici su naučili nekoliko gorkih lekcija i naučili da grade pouzdane i sigurne reaktore. Iako je industrija trenutno u padu nakon nedavne nesreće u Fukušimi, uskoro će ponovo biti u porastu, a nuklearne elektrane će se i dalje smatrati izuzetno obećavajućim načinom za pružanje čiste, pouzdane i sigurne energije. Ali sada u Rusiji postoji manjak kadrova, baš kao i 1950-ih. Za privlačenje školaraca i povećanje interesovanja za nuklearna energija, Istraživačko-proizvodno preduzeće (SPE) “Ekoatomconversion”, na primjeru A.S. Kompanija Gilbert objavila je edukativni set za djecu stariju od 14 godina. Naravno, nauka nije stajala na mjestu ovih pola vijeka, pa je, za razliku od svog istorijskog prototipa, moderan set omogućava vam da dobijete mnogo zanimljiviji rezultat, naime, da sastavite pravi model nuklearne elektrane na stolu. Naravno, aktivan je.
Pismenost od kolijevke
“Naša kompanija dolazi iz Obninska, grada iz kojeg je nuklearna energija poznata i poznata ljudima skoro iz kojeg vrtić, objašnjava “PM” naučni nadzornik NPP "Ecoatomconversion" Andrej Vykhadanko. “I svi razumiju da je se apsolutno ne treba bojati.” Uostalom, samo nepoznata opasnost je zaista zastrašujuća. Zbog toga smo odlučili da izdamo ovaj set za školarce, koji će im omogućiti da eksperimentišu i proučavaju principe rada nuklearnih reaktora bez izlaganja sebe i drugih ozbiljnom riziku. Kao što znate, znanje stečeno u djetinjstvu je najtrajnije, tako da se izlaskom ovog seta nadamo da ćemo značajno smanjiti vjerovatnoću ponavljanja Černobila ili
Fukushima u budućnosti."
Otpadni plutonijum
Tokom godina rada mnogih nuklearnih elektrana nakupile su se tone takozvanog reaktorskog plutonija. Sastoji se uglavnom od Pu-239 za oružje, koji sadrži oko 20% primjesa drugih izotopa, prvenstveno Pu-240. Ovo čini reaktorski plutonijum potpuno neprikladnim za stvaranje nuklearnih bombi. Odvajanje nečistoća se pokazalo veoma teškim, jer je razlika u masi između 239. i 240. izotopa samo 0,4%. Proizvodnja nuklearnog goriva uz dodatak reaktorskog plutonija pokazala se tehnološki složenom i ekonomski neisplativom, pa je ovaj materijal ostao van upotrebe. To je „otpadni“ plutonijum koji se koristi u „Kompletu mladog nuklearnog naučnika“ koji je razvio Ecoatomconversion Research and Production Enterprise.
Kao što je poznato, da bi započela lančana reakcija fisije, nuklearno gorivo mora imati određenu kritičnu masu. Za kuglu od oružnog uranijuma-235 to je 50 kg, za kuglu od plutonijuma-239 - samo 10. Ljuska napravljena od reflektora neutrona, na primjer berilija, može nekoliko puta smanjiti kritičnu masu. A upotreba moderatora, kao u reaktorima na termalnim neutronima, smanjit će kritičnu masu za više od deset puta, na nekoliko kilograma visoko obogaćenog U-235. Kritična masa Pu-239 bit će stotine grama, a upravo ovaj ultra-kompaktni reaktor stane na sto koji je razvijen u Ecoatomconversion.
Šta je u škrinji
Ambalaža seta je skromno dizajnirana u crno-bijeloj boji, a samo se prigušene trosegmentne ikone radioaktivnosti donekle izdvajaju iz opšte pozadine. „Zaista nema opasnosti“, kaže Andrey, pokazujući na riječi „Potpuno sigurno!“ “Ali to su zahtjevi zvaničnih vlasti.” Kutija je teška, što nije iznenađujuće: sadrži zapečaćeni olovni kontejner za transport sa gorivim sklopom (FA) od šest plutonijumskih šipki sa cirkonijumskom školjkom. Osim toga, komplet uključuje vanjsku posudu reaktora od stakla otpornog na toplinu s kemijskim otvrdnjavanjem, poklopac kućišta sa staklenim prozorom i zaptivkama pod pritiskom, kućište jezgre od nehrđajućeg čelika, postolje za reaktor i upravljačku apsorbersku šipku od bor karbida. Električni dio reaktora predstavlja Stirlingov motor sa slobodnim klipom sa spojnim polimernim cijevima, malom žarnom niti i žicama. Komplet također uključuje vreću od jednog kilograma praha borne kiseline, par zaštitnih odijela sa respiratorima i gama spektrometar sa ugrađenim detektorom helijumskih neutrona.
Izgradnja nuklearne elektrane
Sastavljanje radnog modela nuklearne elektrane prema pratećem priručniku na slikama je vrlo jednostavno i traje manje od pola sata. Nakon što smo obukli elegantno zaštitno odijelo (potrebno je samo za vrijeme montaže), otvaramo zapečaćeno pakovanje sa sklopom goriva. Zatim ubacimo sklop u reaktorsku posudu i prekrijemo ga tijelom jezgra. Na kraju, zatvaramo poklopac sa zapečaćenim vodovima na vrhu. Morate umetnuti šipku apsorbera do kraja u centralnu, a aktivnu zonu napuniti destilovanom vodom kroz bilo koju od druge dvije do linije na tijelu. Nakon punjenja, cijevi za paru i kondenzat koji prolaze kroz izmjenjivač topline Stirlingovog motora se spajaju na tlačne ulaze. Sama nuklearna elektrana je sada završena i spremna za pokretanje je samo da se postavi na poseban stalak u akvarijum napunjen rastvorom borne kiseline, koja savršeno upija neutrone i štiti mladog istraživača od neutronskog zračenja.
Tri, dva, jedan - start!
Donosimo gama spektrometar s neutronskim senzorom blizu stijenke akvarija: mali dio neutrona, koji ne predstavljaju prijetnju zdravlju, ipak izlazi. Polako podižite kontrolnu šipku sve dok neutronski tok ne počne brzo rasti, što ukazuje na početak samoodržive nuklearne reakcije. Ostaje samo pričekati dok se ne postigne potrebna snaga i gurnuti štap 1 cm unatrag duž oznaka kako bi se brzina reakcije stabilizirala. Čim ključanje počne, u gornjem dijelu tijela jezgre pojavit će se sloj pare (perforacije u tijelu sprječavaju da ovaj sloj otkrije plutonijske šipke, što bi moglo dovesti do njihovog pregrijavanja). Para ide uz cijev do Stirlingovog motora, gdje se kondenzira i teče niz izlaznu cijev u reaktor. Temperaturna razlika između dva kraja motora (jedan se grije parom, a drugi hladi sobnim zrakom) pretvara se u oscilacije klipnog magneta, koji zauzvrat indukuje naizmjeničnu struju u okružuju motor vijugavo, zapaljujuće atomsko svjetlo u rukama mladog istraživača i, kako se programeri nadaju, atomsko interesovanje u njegovom srcu.
Napomena urednika: Ovaj članak je objavljen u aprilskom broju časopisa i prvoaprilska je šala.
IN u poslednje vreme Sve veći razvoj dobija koncept autonomnog napajanja. Budi to seoska kuća sa svojim vjetrenjačama i solarnim panelima na krovu ili postrojenjem za obradu drveta sa kotlom za grijanje koji radi na industrijskom otpadu - piljevini, suština se ne mijenja. Svijet postepeno dolazi do zaključka da je vrijeme da se odustane od centraliziranog snabdijevanja toplotom i električnom energijom. Centralno grijanje praktički više nema u Evropi, individualne kuće, stambene nebodere i industrijska preduzeća griju se samostalno. Jedini izuzetak su pojedini gradovi u sjevernim zemljama - gdje su centralno grijanje i velike kotlarnice opravdane klimatskim uslovima.
Što se tiče autonomne elektroprivrede, sve se kreće ka tome - stanovništvo aktivno kupuje vjetroturbine i solarne panele. Preduzeća traže načine da racionalno koriste toplotnu energiju iz tehnološkim procesima, grade svoje termoelektrane a kupuju i solarne panele sa vjetroturbinama. Oni koji su posebno fokusirani na „zelene“ tehnologije čak planiraju da solarnim panelima pokriju krovove fabričkih radionica i hangara.
U konačnici, ispada da je to jeftinije od kupovine potrebnog energetskog kapaciteta iz lokalnih energetskih mreža. Međutim, nakon nesreće u Černobilu, svi su nekako zaboravili da su ekološki najprihvatljiviji, najjeftiniji i na pristupačan način dobijanje toplotne i električne energije i dalje ostaje energija atoma. I ako su tokom postojanja nuklearne industrije elektrane s nuklearnim reaktorima uvijek bile povezane s kompleksima koji pokrivaju hektare površine, ogromnim cijevima i jezerima za hlađenje, onda je niz razvoja poslednjih godina ima za cilj da razbije ove stereotipe.
Nekoliko kompanija je odmah objavilo da na tržište izlaze sa "kućnim" nuklearnim reaktorima. Minijaturne stanice sa veličinama od garažna kutija za malu dvospratnu zgradu spremni su za napajanje od 10 do 100 MW tokom 10 godina bez dopunjavanja goriva. Reaktori su potpuno samostalni, sigurni, ne zahtijevaju održavanje i, na kraju svog radnog vijeka, jednostavno se pune još 10 godina. Nije li to san za fabriku željeza ili komercijalnog ljetnog stanovnika? Pogledajmo pobliže one od njih čija će prodaja početi u narednim godinama.
Toshiba 4S (super siguran, mali i jednostavan)
Reaktor je dizajniran kao baterija. Pretpostavlja se da će takva “baterija” biti zakopana u šaht dubine 30 metara, a zgrada iznad nje će imati 22 16 11 metara. Ne više od lijepe seoske kuće? Takva stanica će zahtijevati osoblje za održavanje, ali to se još uvijek ne može porediti sa desetinama hiljada kvadratnih metara prostora i stotinama radnika u tradicionalnim nuklearnim elektranama. Nazivna snaga kompleksa je 10 megavata za 30 godina bez dopunjavanja goriva.
Reaktor radi na brzim neutronima. Sličan reaktor je instaliran i radio od 1980. godine u Belojarskoj elektrani u Sverdlovskoj oblasti u Rusiji (reaktor BN-600). Opisan je princip rada. U japanskoj instalaciji, rastopljeni natrijum se koristi kao rashladno sredstvo. Ovo omogućava da se radna temperatura reaktora podigne za 200 stepeni Celzijusa u odnosu na vodu i pri normalnom pritisku. Upotreba vode ovog kvaliteta bi povećala pritisak u sistemu stotinama puta.
Ono što je najvažnije, očekuje se da će se cijena proizvodnje 1 kWh za ovu instalaciju kretati od 5 do 13 centi. Varijacije su uzrokovane posebnostima nacionalnog oporezivanja, različitim troškovima prerade nuklearnog otpada i troškovima razgradnje samog postrojenja.
Čini se da je prvi kupac "baterije" iz Toshibe gradić Galena na Aljasci u SAD. Dokumentacija za izdavanje dozvola trenutno se koordinira sa američkim vladinim agencijama. Partner kompanije u SAD-u je poznata kompanija Westinghouse, koja je ukrajinskoj nuklearnoj elektrani po prvi put isporučila gorive sklopove alternativne ruskim TVEL-ima.
Hyperion Power Generation i Hyperion Reactor
Čini se da su ovi američki momci prvi koji su ušli na komercijalno tržište minijaturnih nuklearnih reaktora. Kompanija nudi instalacije od 70 do 25 megavata koje koštaju otprilike 25-30 miliona dolara po jedinici. Nuklearne instalacije Hyperion mogu se koristiti i za proizvodnju električne energije i za grijanje. Od početka 2010. godine već je primljeno više od 100 narudžbi za stanice različitog kapaciteta, kako od privatnih lica, tako i od državnih kompanija. Postoje čak planovi da se proizvodnja gotovih modula preseli van Sjedinjenih Država, da se izgrade fabrike u Aziji i Zapadnoj Evropi.
Reaktor radi na istom principu kao i većina modernih reaktora u nuklearnim elektranama. Čitaj . Po principu rada najbliži su najčešći ruski reaktori tipa VVER i elektrane koje se koriste na nuklearnim podmornicama projekta 705 Lira (NATO - “Alfa”). Američki reaktor je praktički kopnena verzija reaktora instaliranih na ovim nuklearnim podmornicama, inače - najbržim podmornicama svog vremena.
Gorivo koje se koristi je uranijum nitrid, koji ima veću toplotnu provodljivost u poređenju sa keramičkim uranijum oksidom, tradicionalnim za VVER reaktore. Ovo omogućava rad na temperaturama 250-300 stepeni Celzijusa višim od vodo-voda instalacija, čime se povećava efikasnost parnih turbina elektrogeneratora. Ovdje je sve jednostavno - što je viša temperatura reaktora, to je viša temperatura pare i, kao rezultat, veća je efikasnost parne turbine.
Olovno-bizmutna talina, slična onoj na sovjetskim nuklearnim podmornicama, koristi se kao rashladna "tečnost". Talina prolazi kroz tri kruga za izmjenu topline, smanjujući temperaturu sa 500 stepeni Celzijusa na 480. Radni fluid za turbinu može biti ili vodena para ili pregrijani ugljični dioksid.
Instalacija sa sistemom za gorivo i hlađenje je teška samo 20 tona i predviđena je za 10 godina rada pri nazivnoj snazi od 70 megavata bez dopunjavanja goriva. Minijaturne dimenzije su zaista impresivne - reaktor je visok samo 2,5 metara i širok 1,5 metara! Ceo sistem se može transportovati kamionom ili željeznicom, kao apsolutni komercijalni svjetski rekorder za omjer snage i mobilnosti.
Po dolasku na lokaciju, "bure" sa reaktorom je jednostavno zatrpano. Pristup njemu ili bilo kakvo održavanje se uopće ne očekuje. Poslije garantni rok sklop se iskopava i šalje u pogon proizvođača na ponovno punjenje. Karakteristike olovno-bizmutnog hlađenja pružaju ogromnu sigurnosnu prednost - pregrijavanje i eksplozija nisu mogući (pritisak se ne povećava s temperaturom). Također, kada se ohladi, legura se stvrdne, a sam reaktor se pretvara u željezni pramen izoliran debelim slojem olova, koji se ne boji mehaničkog naprezanja. Inače, upravo je nemogućnost rada na maloj snazi (zbog stvrdnjavanja rashladne legure i automatskog isključivanja) razlog odbijanja daljnje upotrebe olovno-bizmutnih postrojenja na nuklearnim podmornicama. Iz istog razloga, ovo su najsigurniji reaktori ikada postavljeni na nuklearne podmornice svih zemalja.
U početku je Hyperion Power Generation razvijala minijaturne nuklearne elektrane za potrebe rudarske industrije, odnosno za preradu uljnih škriljaca u sintetičku naftu. Procijenjene rezerve sintetičke nafte u uljnim škriljcima koje su dostupne za preradu korištenjem današnjih tehnologija procjenjuju se na 2,8-3,3 triliona barela. Poređenja radi, rezerve "tečne" nafte u bušotinama procjenjuju se na samo 1,2 triliona barela. Međutim, proces rafiniranja škriljaca u naftu zahtijeva njeno zagrijavanje i zatim hvatanje para, koje se zatim kondenziraju u naftu i nusproizvode. Jasno je da za grijanje treba negdje nabaviti energiju. Zbog toga se proizvodnja nafte iz škriljaca smatra ekonomski neizvodljivom u poređenju sa uvozom iz zemalja OPEC-a. Dakle, kompanija vidi budućnost svog proizvoda u različitim oblastima aplikacije.
Na primjer, kao mobilna elektrana za potrebe vojnih baza i aerodroma. Ovdje postoje i zanimljivi izgledi. Dakle, tokom mobilnog ratovanja, kada trupe djeluju sa takozvanih jakih tačaka u određenim regijama, ove stanice bi mogle napajati infrastrukturu „baze“. Baš kao u kompjuterskim strategijama. Jedina razlika je u tome što kada se završi zadatak u regionu, elektrana se učitava vozilo(avion, teretni helikopter, kamioni, voz, brod) i odveden na novo mjesto.
Druga vojna primjena je stacionarno napajanje stalnih vojnih baza i aerodroma. U slučaju zračnog napada ili raketnog napada, baza sa podzemnom nuklearna elektrana, koji ne zahtijeva osoblje za održavanje, vjerovatnije je da će održati borbenu efikasnost. Na isti način moguće je napajati grupe objekata socijalne infrastrukture - vodovoda gradova, administrativnih objekata, bolnica.
Pa, industrijske i civilne primjene - sistemi napajanja za male gradove i mjesta, pojedinačna preduzeća ili njihove grupe, sistemi grijanja. Na kraju krajeva, ove instalacije prvenstveno proizvode toplotnu energiju iu hladnim područjima planete mogu formirati jezgro centralizovani sistemi grijanje. Kompanija također smatra da je korištenje takvih mobilnih elektrana u postrojenjima za desalinizaciju u zemljama u razvoju obećavajuće.
SSTAR (mali, zapečaćeni, prenosivi, autonomni reaktor)
Mali, zatvoreni, mobilni autonomni reaktor je projekat koji se razvija u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore, SAD. Princip rada je sličan Hyperionu, samo što kao gorivo koristi uranijum-235. Mora imati rok trajanja od 30 godina sa kapacitetom od 10 do 100 megavata.
Dimenzije bi trebale biti 15 metara visoke i 3 metra široke s težinom reaktora od 200 tona. Ova instalacija je prvobitno dizajnirana za upotrebu u nerazvijenim zemljama pod šemom lizinga. Stoga se povećana pažnja posvećuje nemogućnosti rastavljanja konstrukcije i izvlačenja bilo čega vrijednog iz nje. Ono što je vrijedno je uranijum-238 i plutonijum za oružje, koji se proizvode nakon isteka roka trajanja.
Na kraju ugovora o zakupu, od primaoca će se tražiti da vrati jedinicu u Sjedinjene Države. Jesam li ja jedini koji misli da su to mobilne fabrike za proizvodnju plutonijuma za oružje za tuđ novac? 🙂 Međutim, tu američka država nije dalje napredovala istraživački rad Još ne postoji čak ni prototip.
Da sumiramo, treba napomenuti da je do sada najrealniji razvoj od Hyperiona i prve isporuke su zakazane za 2014. godinu. Mislim da možemo očekivati daljnji napredak “džepnih” nuklearnih elektrana, pogotovo jer druga preduzeća, uključujući takve divove kao što je Mitsubishi Heavy Industries, provode sličan posao na stvaranju sličnih stanica. Općenito, minijaturni nuklearni reaktor je dostojan odgovor na sve vrste plimnog zamućenja i drugih nevjerovatno „zelenih“ tehnologija. Čini se da bismo uskoro mogli vidjeti da vojna tehnologija ponovo prelazi u civilnu upotrebu.
Nažalost, nemoguće je napraviti mikroatomski reaktor za domaće potrebe, a evo i zašto. Posao nuklearni reaktor zasniva se na lančanoj reakciji fisije jezgara Uranijuma-235 (²³⁵U) termičkim neutronom: n + ²³⁵U → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + γ (202,5 MeV) + 3n. Slika lančane reakcije fisije je prikazana ispod
Na sl. može se vidjeti kako ga neutron koji ulazi u jezgro (²³⁵U) pobuđuje i jezgro se dijeli na dva fragmenta (¹⁴¹Ba, ⁹²Kr), γ-kvant sa energijom od 202,5 MeV i 3 slobodna neutrona (u prosjeku), koji zauzvrat mogu podijeliti sljedeća 3 jezgra uranijuma koja su im se našla na putu. Dakle, tokom svakog događaja fisije, oslobađa se oko 200 MeV energije ili ~3 × 10⁻¹¹ J, što odgovara ~80 TerraJ/kg ili 2,5 miliona puta više nego što bi bilo oslobođeno u istoj količini uglja koji gori. Ali kao što nas Murphy upućuje: „ako će se nešto loše dogoditi, dogodit će se“, a neki od neutrona proizvedenih fisijom gube se u lančanoj reakciji. Neutroni mogu pobjeći (iskočiti) iz aktivnog volumena ili biti apsorbirani od strane nečistoća (na primjer, kriptona). Omjer broja neutrona sljedeće generacije prema broju neutrona prethodne generacije u cjelokupnom volumenu medija za razmnožavanje neutrona (jezgra nuklearnog reaktora) naziva se faktor umnožavanja neutrona, k. Na k<1 цепная реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k>1, eksplozija se događa gotovo trenutno kada je k jednako 1, dolazi do kontrolirane stacionarne lančane reakcije. Faktor umnožavanja neutrona (k) je najosjetljiviji na masu i čistoću nuklearnog goriva (²³⁵U). IN nuklearna fizika minimalna masa fisionog materijala potrebna za pokretanje samoodržive lančane reakcije fisije (k≥1) naziva se kritična masa. Za uranijum-235 to je 50 kg. Sigurno nije mikro veličine, ali nije ni mnogo. Da bi se izbjegla nuklearna eksplozija i stvorila mogućnost kontrole lančane reakcije (faktor multiplikacije), mora se povećati masa goriva u reaktoru i, shodno tome, moraju se pustiti u rad apsorberi (moderatori) neutrona. Upravo ova inženjersko-tehnička oprema reaktora, u cilju održive kontrole lančane reakcije, sistema hlađenja i dodatnih konstrukcija za radijacionu sigurnost osoblja, zahteva velike zapremine.
Kao gorivo možete koristiti i California-232 sa kritičnom masom od oko 2,7 kg. U granicama, vjerovatno je sasvim moguće dovesti reaktor do veličine kugle promjera nekoliko metara. Najvjerovatnije je to ono što se radi na nuklearnim podmornicama. Mislim da bi približavanje ovakvim reaktorima trebalo biti jako opasno ☠ zbog neizbježne neutronske pozadine, ali treba pitati ratnike za više detalja o ovome.
Kalifornija nije pogodna kao nuklearno gorivo zbog svoje ogromne cijene. 1 gram California-252 košta oko 27 miliona dolara. Samo se uranijum široko koristi kao nuklearno gorivo. Gorivni elementi na bazi torija i plutonijuma još nisu u širokoj upotrebi, ali se aktivno razvijaju.
Relativno visoku kompaktnost podmorskih reaktora osigurava razlika u dizajnu (obično vodeni reaktori pod pritiskom, VVER/PWR), različitim zahtjevima za njih (različiti zahtjevi sigurnosti i isključivanja u nuždi; na brodu obično nije potrebno puno električne energije, za razliku od reaktora kopnenih elektrana, koje su stvorene samo zarad električne energije) i korištenje različitih stupnjeva obogaćivanja goriva (koncentracija uranijuma-235 u odnosu na koncentraciju uranijuma-238). Tipično, gorivo za pomorski reaktor koristi mnogo više uranijuma visok stepen obogaćivanje (od 20% do 96% za američke brodove). Također, za razliku od kopnenih elektrana, gdje je uobičajena upotreba goriva u obliku keramike (uranijevog dioksida), brodski reaktori najčešće koriste legure uranijuma sa cirkonijumom i drugim metalima kao gorivo.
Uređaji koji generiraju električnu struju kao rezultat korištenja energije nuklearnog raspada dobro su proučavani (od 1913.) i dugo su savladani u proizvodnji. Uglavnom se koriste tamo gdje je potrebna relativna kompaktnost i visoka autonomija - u istraživanju svemira, podvodnim vozilima, bespilotnim i bespilotnim tehnologijama. Izgledi za njihovu upotrebu u domaćim uslovima su prilično skromni, pored opasnosti od zračenja, većina vrsta nuklearnog goriva je visoko toksična i, u principu, izuzetno nesigurna kada je u kontaktu sa; okruženje. Unatoč činjenici da se u literaturi na engleskom jeziku ovi uređaji nazivaju atomske baterije i nije uobičajeno zvati ih reaktorima, oni se mogu smatrati takvima, jer se u njima odvija reakcija raspadanja. Po želji, takvi uređaji se mogu prilagoditi domaćim potrebama, to može biti relevantno za uvjete, na primjer, na Antarktiku.
Radioizotopni termoelektrični generatori postoje dugo vremena i u potpunosti zadovoljavaju vaš zahtjev - kompaktni su i prilično moćni. Rade zahvaljujući Seebeck efektu i nemaju pokretne dijelove. Da to nije u suprotnosti sa zdravim razumom, mjerama opreza i krivičnim zakonom, takav generator bi mogao biti zakopan negdje ispod garaže u zemlji, pa čak i napajati nekoliko sijalica i laptop iz njega. Žrtvovati, da tako kažem, zdravlje potomaka i komšija zarad sto-dva vati struje. Ukupno je u Rusiji i SSSR-u proizvedeno više od 1000 takvih generatora.
Kao što su drugi učesnici već odgovorili, izgledi za minijaturizaciju „klasičnih“ nuklearnih reaktora koji koriste parne turbine za proizvodnju električne energije uvelike su ograničeni zakonima fizike, a glavna ograničenja nameću ne toliko veličina reaktora, već veličina ostale opreme: kotlovi, cjevovodi, turbine, rashladni tornjevi. Najvjerovatnije neće biti modela "kućanstva". Ipak, sada se aktivno razvijaju prilično kompaktni uređaji, na primjer, obećavajući reaktor NuScale snage 50 MWe ima dimenzije od samo 76 puta 15 inča, tj. oko dva metra sa 40 centimetara.
S energijom nuklearne fuzije sve je mnogo složenije i dvosmislenije. S jedne strane, možemo govoriti samo o dugoročnom. Za sada ni veliki nuklearni fuzijski reaktori ne daju energiju i jednostavno nema govora o njihovoj praktičnoj minijaturizaciji. Ipak, brojne ozbiljne i još ozbiljnije organizacije razvijaju kompaktne izvore energije zasnovane na reakciji fuzije. I ako u slučaju Lockheed Martina riječ "kompakt" znači "veličina kombija", onda, na primjer, u slučaju američke agencije DARPA, koja je u fiskalnoj 2009. godini izdvojila
