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人類の全体的な進歩にもかかわらず、最初の100年間ではなく、電気の大部分は石炭（まだ世界の発電能力の40.7％のエネルギー源である）、ガス（21.2％）、石油製品（5.5％）および水力発電（別の16.2％、全体で- 2008年のデータによると 83.5％）。



残っているのは、従来の熱中性子炉（希少で高価なU-235が必要）と高速中性子炉（天然のU-238およびトリウムを「閉じた燃料サイクル」で処理できる）を備えた原子力です。



この神話上の「閉じた燃料サイクル」とは何ですか、高速中性子炉と熱中性子炉の違いは何ですか、どのような設計が存在し、これらすべてから幸福を期待できるとき、そしてもちろん-安全性の問題はカットされています。

中性子とウランについて

学校では、中性子が入ったときにU-235がエネルギーの放出と分担し、さらに2〜3個の中性子が飛び出すと学校で言われました。 もちろん、実際にはすべてがやや複雑であり、このプロセスはこの初期中性子のエネルギーに大きく依存しています。 中性子捕獲反応の断面図（=確率）（U-238 + n-> U-239およびU-235 + n-> U-236）、およびエネルギーに応じてU-235およびU-238の核分裂反応のグラフを見てみましょう。 （=速度）中性子：







ご覧のとおり、U-235の核分裂による中性子捕獲の確率は、中性子エネルギーの減少とともに増加します。これは、通常の原子炉では、中性子がグラファイト/水中で「減速」し、その速度が原子の熱振動の速度と同じオーダーになるためです。結晶格子内（したがって、名前-熱中性子）。 そして、熱中性子によるU-238の核分裂の確率はU-235よりも1,000万倍少ないので、天然ウランはU-235を採取するためにトンで処理する必要があります。



下のグラフを見ている人は言うかもしれません：ああ、素晴らしいアイデアです！ そして、10MeVの中性子で安価なU-238を揚げてください。核分裂の断面図が上がるだけで、連鎖反応が起こるはずです。 しかし、問題があります-反応の結果として放出される中性子のエネルギーはわずか2 MeV以下（平均〜1.25）であり、これはU-238で自立した高速中性子反応を開始するには十分ではありません（より多くのエネルギーが必要であるか、より多くの中性子が必要です）各部門から飛び出しました）。 ああ、この宇宙では人類に運がない...



ただし、U-238での自立高速中性子反応が非常に単純な場合、OkloのU-235の場合と同様に、天然の原子炉が存在するため、U-238は大きな堆積物の形で自然界で遭遇することはありません。



最後に、反応の「自己持続可能性」を放棄した場合でも、U-238をエネルギーと直接共有することは可能です。 これは、たとえば熱核爆弾で使用されます-D + T反応からのエネルギーが14.1 MeVの中性子は、爆弾の殻でU-238を分割します-したがって、爆発力をほとんど無料で増やすことができます。 制御された条件下では、熱核融合炉とU-238のブランケット（シェル）を結合する理論的な可能性が残っているため、核分裂反応により熱核融合のエネルギーが〜10-50倍に増加します。



しかし、どのようにしてU-238とトリウムを自立反応に分割するのでしょうか？

クローズド燃料サイクル

考えは次のとおりです。核分裂断面ではなく、捕獲断面を見てみましょう。適切な中性子エネルギー（小さすぎず大きすぎない）で、U-238は中性子を捕獲でき、2崩壊後にプルトニウム239になります。







使用済み燃料からプルトニウムを化学的に分離することができ、MOX燃料（プルトニウムとウランの酸化物の混合物）を作ることができ、高速炉と従来の熱炉の両方で燃焼させることができます。 使用済み燃料の化学処理プロセスは、放射能が高いため非常に困難な場合があり、これまでのところ完全には解決されておらず、実際には解決されていません（作業は進行中です）。



天然トリウム（同様のプロセス）の場合、トリウムは中性子を捕捉し、自発核分裂の後、ウラン233になります。これはウラン235とほぼ同じ方法で分割され、使用済み燃料から化学的に抽出されます。







もちろん、これらの反応は従来の熱反応器でも発生しますが、減速材（中性子捕獲の機会を大幅に減らす）と制御棒（中性子の一部を吸収する）により、生成されるプルトニウムの量はウラン235の量よりも少なくなります。 燃焼するよりも多くの核分裂性物質を生成するには、制御棒（例えば、通常のウランからの制御棒を使用）、構造、冷却剤（下記参照）でできるだけ少ない中性子を失い、中性子減速材（グラファイトまたは水）を完全に取り除く必要があります）



高速中性子による核分裂の断面積は、熱中性子よりも小さいため、原子炉炉心内の核分裂性物質（U-235、U-233、Pu-239）の濃度を2-4から20％以上に増やす必要があります。 そして、新しい燃料の生産は、この炉心の周りにあるトリウム/天然ウランのカセットで行われます。



幸運なことに、核分裂が熱ではなく高速中性子によって引き起こされる場合-反応では、熱中性子による核分裂の場合よりも1.5倍以上の中性子が放出されます。これにより、反応がより現実的になります。







生成された中性子の数のこの増加により、元よりも多くの燃料を生産することが可能になります。 もちろん、新しい燃料は空気から取られるのではなく、「役に立たない」U-238とトリウムから作られます。

クーラントについて

上記でわかったように、水は高速炉では使用できません-中性子を非常に効果的に減速させます。 どのように交換できますか？



ガス：ヘリウムで原子炉を冷却することができます。 しかし、熱容量が小さいため、この方法で強力な原子炉を冷却することは困難です。



液体金属：ナトリウム、カリウム -世界中の高速炉で広く使用されています。 利点のうち、融点が低く、大気圧に近い圧力で動作しますが、これらの金属は非常によく燃焼し、水と反応します。 世界で唯一稼働しているBN-600エネルギーリアクターは、ナトリウム冷却剤で作動します。



鉛、ビスマスは、ロシアで現在開発されているBRESTおよびSVBR原子炉で使用されています。 明らかなマイナス-原子炉が鉛/ビスマスの凍結温度以下に冷却された場合-それを加熱するのは非常に困難で長い（明らかではない-wikiのリンクを読むことができる）。 一般に、実装への道には多くの技術的な問題があります。



水銀 -BR-2原子炉には水銀冷却剤が使用されていましたが、判明したように、水銀は原子炉の構造材料を比較的迅速に溶解します-そのため、水銀原子炉はもはや構築されませんでした。



エキゾチック：別のカテゴリー-溶融塩反応器-LFTR-核分裂性物質（ウラン、トリウム、プルトニウム）のフッ化物の異なるバージョンで動作します。 60年代にアメリカのオークリッジ国立研究所に2つの「実験室」原子炉が建設され、それ以来、多くのプロジェクトがありますが、他の原子炉は実装されていません。

原子炉の運転と興味深いプロジェクト

ロシアのBOR-60は実験用の高速中性子炉であり、1969年から稼働しています。 特に、新しい高速中性子炉の構造要素がテストされています。



ロシアのBN-600、BN-800 ：上記のように、 BN-600は世界で唯一の高速中性子出力炉です。 1980年からウラン235に取り組んでいます。



2014年には、より強力なBN-800が発売される予定です。 MOX燃料（プルトニウムを含む）の使用を開始し、閉じた燃料サイクル（生産されたプルトニウムの処理と燃焼を含む）を開始することはすでに計画されています。 その後、シリアルBN-1200があるかもしれませんが、その構造に関する決定はまだなされていません。 高速中性子炉の建設と産業運転の経験によると、ロシアはすべてよりもはるかに進歩しており、積極的に発展し続けています。



小型の運用研究高速炉-日本（ 城陽 ）、インド（ FBTR ）、中国（ 中国実験高速炉 ）にはまだあります。



日本のもんじゅ原子炉は、世界で最も不運な原子炉です。 1995年に建設され、同じ年に数百キログラムのナトリウムが漏えいしたため、会社は事故の規模を隠そうとし（hi福島）、原子炉は15年間停止しました。 2010年5月に、原子炉は最終的に容量を減らして打ち上げられましたが、8月に燃料の燃料補給中に3.3トンのクレーンが落とされ、すぐに液体ナトリウムに沈みました。 クレーンは2011年6月にのみ入手できました。 2013年5月29日に、原子炉を永久停止する決定が下されます。



進行波リアクトル ：よく知られている未実現プロジェクト-「進行波リアクトル」-進行波リアクトル、TerraPower。 このプロジェクトはビル・ゲイツによって推進されたため、彼らはHabréで2回それについて書きました。 その考えは、原子炉の「コア」が濃縮ウランで構成され、その周囲にU-238 /トリウムが入ったカセットがあり、そこから将来の燃料が生成されるというものでした。 その後、ロボットはこれらのカセットを中心に近づけ、反応が続きます。 しかし、実際には-化学処理がなければ、これらすべてを機能させるのは容易ではなく、プロジェクトは決して成功しませんでした。

原子力の安全性について

人類は原子力に頼ることができると言うにはどうすればいいですか？これは福島の後にありますか？



事実は、どんなエネルギーでも危険です。 中国の板橋ダムの事故を思い出してみましょう。これは、とりわけ発電のために建設されたもので、 26,000が失われました。 171千まで 人。 Sayano-Shushenskaya水力発電所での事故-75人が死亡した。 中国だけでも、 石炭採掘中に毎年6,000人の鉱山労働者が死亡していますが、これはCHP排出量の呼吸による健康への影響を考慮していません。



原子力発電所での事故の数は、発電ユニットの数に依存しません。 各事故は、連続して1回のみ発生します。 各インシデントの後に、理由が分析され、すべてのブロックで排除されます。 したがって、チェルノブイリ事故後-すべてのブロックが完成し、福島後-日本人は一般的に原子力エネルギーを奪いました（ただし、ここに陰謀説があります-米国と同盟国は今後5-10年でウラン235の赤字になると予想されます）。



使用済み燃料の問題は、高速中性子炉によって直接解決されます。 廃棄物を処理する技術の改善に加えて、廃棄物の形成が少なくなります。重質（アクチニド）で長寿命の反応生成物も高速中性子によって「燃え尽きます」。

おわりに

高速炉-誰もが核融合に期待する主な利点があります-人類は数千年から数万年の間、それらに十分な燃料を持っています。 採掘する必要さえありません。すでに採掘されており、 倉庫やダンプにあります。 技術的な問題-それらは残っていますが、熱核反応炉の場合のように、叙事詩ではなく解決されているようです。



「閉じた燃料サイクル」の燃料は、空気からではなく、高速炉での照射後の以前は役に立たなかったウラン238とトリウム、さらに使用済み燃料から有用なプルトニウム239とウラン233を抽出するための化学処理から現れます。 熱中性子炉と比較して、高速炉は核分裂ごとに1.5倍の中性子を生成し、連鎖反応と新しい燃料の生成に十分です。



経済的な観点から-大量建設では、高速炉は従来の熱原子炉よりも高価ですが、桁違いです。 高速炉の大規模な建設は、事前に開始されていないようです。 これまでのところ、ほとんどの国では、近い将来（15〜30年）に十分なウラン235と従来の燃料を使用しており、技術を開発する時間があります。



安価な石油とウラン235が最終的に終了すると、孫たちは光なしで座り、火星を植民地化するために何かを持ち、次の10,000年にわたってゆっくりと融合を完了する必要はありません。