Создан 1000-ядерный процессор — CNews

20 Июня 2016 10:3720 Июн 2016 10:37 | Поделиться

Исследователи из США разработали и изготовили 1000-ядерный процессор, способный работать в 100 раз эффективнее современных чипов благодаря распараллеливанию программ.

1000-ядерный процессор

Исследователи из Калифорнийского университета в Дейвисе (США) разработали 1000-ядерный процессор KiloCore. Корпорация IBM изготовила его, используя 32-нм технологический процесс.

Создатели KiloCore утверждают, что это первый в мире процессор с 1 тыс. ядрами. Но это не так. В 2000 г. процессор с таким же количеством ядер построили шотландские исследователи.

Независимость ядер

Каждое ядро процессора KiloCore способно работать независимо и выполнять собственную микропрограмму.

«Это намного эффективнее, чем подход, который используется в процессорах графических ускорителей. Идея заключается в том, чтобы разбить приложение на множество подпрограмм, каждая из которых может быть запущена параллельно на отдельном ядре. Таким образом, будет достигнута высокая производительность при невысоком потреблении энергии», — сообщили авторы.

Поскольку каждое ядро работает на собственной тактовой частоте, оно может быть отключено для экономии энергии. Максимальная тактовая частота ядер ограничена 1,78 ГГц. Ядра пересылают информацию друг другу напрямую. Нет никакой общей памяти, которая могла бы стать узким горлышком при обработке данных», — рассказал автор архитектуры

Брент Боненштьех (Brent Bohnenstieh).

1000-ядерный процессор KiloCore

Самый эффективный чип

KiloCore может быть и не является первым в мире 1000-ядерным процессором. Но его авторы утверждают, что ему нет равных в плане эффективности.

Как утверждают разработчики, KiloCore обладает 621 млн транзисторами и способен выполнять 1,78 трлн команд в секунду, затрачивая 0,7 Вт. «В качестве источника питания можно использовать батарейку формата AA», — заявили исследователи.

«KiloCore более, чем в 100 раз эффективнее выполняет команды по сравнению с современным процессором для ноутбука», — добавили они.

Сфера применения

Для чипа уже разработан ряд демонстрационных программ. Они предназначены для кодирования и декодирования беспроводных сигналов, обработки видеопотоков, шифрования и выполнения других задач, сопряженных с обработкой большого количества данных, когда распараллеливание способно значительно повысить эффективность процесса.

Для удобства программирования чипа исследователи разработали соответствующий компилятор и инструмент для автоматического распределения программ по ядрам. 

Сергей Попсулин

Intel® Xeon Phi™ Processor 7290F (16GB, 1.50 GHz, 72 core) Спецификации продукции

Дата выпуска

Дата выпуска продукта.

Литография

Литография указывает на полупроводниковую технологию, используемую для производства интегрированных наборов микросхем и отчет показывается в нанометре (нм), что указывает на размер функций, встроенных в полупроводник.

Количество ядер

Количество ядер — это термин аппаратного обеспечения, описывающий число независимых центральных модулей обработки в одном вычислительном компоненте (кристалл).

Базовая тактовая частота процессора

Базовая частота процессора — это скорость открытия/закрытия транзисторов процессора. Базовая частота процессора является рабочей точкой, где задается расчетная мощность (TDP).

Частота измеряется в гигагерцах (ГГц) или миллиардах вычислительных циклов в секунду.

Максимальная тактовая частота с технологией Turbo Boost

Максимальная тактовая частота в режиме Turbo — это максимальная тактовая частота одноядерного процессора, которую можно достичь с помощью поддерживаемых им технологий Intel® Turbo Boost и Intel® Thermal Velocity Boost. Частота измеряется в гигагерцах (ГГц) или миллиардах вычислительных циклов в секунду.

Кэш-память

Кэш-память процессора — это область быстродействующей памяти, расположенная в процессоре. Интеллектуальная кэш-память Intel® Smart Cache указывает на архитектуру, которая позволяет всем ядрам совместно динамически использовать доступ к кэшу последнего уровня.

Расчетная мощность

Расчетная тепловая мощность (TDP) указывает на среднее значение производительности в ваттах, когда мощность процессора рассеивается (при работе с базовой частотой, когда все ядра задействованы) в условиях сложной нагрузки, определенной Intel. Ознакомьтесь с требованиями к системам терморегуляции, представленными в техническом описании.

Диапазон напряжения VID

Диапазон напряжения VID является индикатором значений минимального и максимального напряжения, на которых процессор должен работать. Процессор обеспечивает взаимодействие VID с VRM (Voltage Regulator Module), что, в свою очередь обеспечивает, правильный уровень напряжения для процессора.

Доступные варианты для встраиваемых систем

Доступные варианты для встраиваемых систем указывают на продукты, обеспечивающие продленную возможность приобретения для интеллектуальных систем и встроенных решений. Спецификация продукции и условия использования представлены в отчете Production Release Qualification (PRQ). Обратитесь к представителю Intel для получения подробной информации.

Поиск продукции с Доступные варианты для встраиваемых систем

Макс. объем памяти (зависит от типа памяти)

Макс. объем памяти означает максимальный объем памяти, поддерживаемый процессором.

Типы памяти

Процессоры Intel® поддерживают четыре разных типа памяти: одноканальная, двухканальная, трехканальная и Flex.

Макс.

число каналов памяти

От количества каналов памяти зависит пропускная способность приложений.

Макс. пропускная способность памяти

Макс. пропускная способность памяти означает максимальную скорость, с которой данные могут быть считаны из памяти или сохранены в памяти процессором (в ГБ/с).

Поддержка памяти ECC

^‡

Поддержка памяти ECC указывает на поддержку процессором памяти с кодом коррекции ошибок. Память ECC представляет собой такой типа памяти, который поддерживает выявление и исправление распространенных типов внутренних повреждений памяти. Обратите внимание, что поддержка памяти ECC требует поддержки и процессора, и набора микросхем.

Поиск продукции с Поддержка памяти ECC ^‡

Редакция PCI Express

Редакция PCI Express — это версия, поддерживаемая процессором. PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) представляет собой стандарт высокоскоростной последовательной шины расширения для компьютеров для подключения к нему аппаратных устройств. Различные версии PCI Express поддерживают различные скорости передачи данных.

Конфигурации PCI Express

^‡

Конфигурации PCI Express (PCIe) описывают доступные конфигурации каналов PCIe, которые можно использовать для привязки каналов PCH PCIe к устройствам PCIe.

Макс. кол-во каналов PCI Express

Полоса PCI Express (PCIe) состоит из двух дифференциальных сигнальных пар для получения и передачи данных, а также является базовым элементом шины PCIe. Количество полос PCI Express — это общее число полос, которое поддерживается процессором.

Поддерживаемые разъемы

Разъемом называется компонент, которые обеспечивает механические и электрические соединения между процессором и материнской платой.

Технология Intel® Turbo Boost

^‡

Технология Intel® Turbo Boost динамически увеличивает частоту процессора до необходимого уровня, используя разницу между номинальным и максимальным значениями параметров температуры и энергопотребления, что позволяет увеличить эффективность энергопотребления или при необходимости «разогнать» процессор.

Технология виртуализации Intel® (VT-x)

^‡

Технология Intel® Virtualization для направленного ввода/вывода (VT-x) позволяет одной аппаратной платформе функционировать в качестве нескольких «виртуальных» платформ. Технология улучшает возможности управления, снижая время простоев и поддерживая продуктивность работы за счет выделения отдельных разделов для вычислительных операций.

Поиск продукции с Технология виртуализации Intel® (VT-x) ^‡

Технология виртуализации Intel® для направленного ввода/вывода (VT-d)

^‡

Технология Intel® Virtualization Technology для направленного ввода/вывода дополняет поддержку виртуализации в процессорах на базе архитектуры IA-32 (VT-x) и в процессорах Itanium® (VT-i) функциями виртуализации устройств ввода/вывода. Технология Intel® Virtualization для направленного ввода/вывода помогает пользователям увеличить безопасность и надежность систем, а также повысить производительность устройств ввода/вывода в виртуальных средах.

Поиск продукции с Технология виртуализации Intel® для направленного ввода/вывода (VT-d) ^‡

Intel® VT-x с таблицами Extended Page Tables (EPT)

^‡

Intel® VT-x с технологией Extended Page Tables, известной также как технология Second Level Address Translation (SLAT), обеспечивает ускорение работы виртуализованных приложений с интенсивным использованием памяти. Технология Extended Page Tables на платформах с поддержкой технологии виртуализации Intel® сокращает непроизводительные затраты памяти и энергопотребления и увеличивает время автономной работы благодаря аппаратной оптимизации управления таблицей переадресации страниц.

Архитектура Intel® 64

^‡

Архитектура Intel® 64 в сочетании с соответствующим программным обеспечением поддерживает работу 64-разрядных приложений на серверах, рабочих станциях, настольных ПК и ноутбуках.¹ Архитектура Intel® 64 обеспечивает повышение производительности, за счет чего вычислительные системы могут использовать более 4 ГБ виртуальной и физической памяти.

Поиск продукции с Архитектура Intel® 64 ^‡

Набор команд

Набор команд содержит базовые команды и инструкции, которые микропроцессор понимает и может выполнять. Показанное значение указывает, с каким набором команд Intel совместим данный процессор.

Расширения набора команд

Расширения набора команд — это дополнительные инструкции, с помощью которых можно повысить производительность при выполнении операций с несколькими объектами данных. К ним относятся SSE (Поддержка расширений SIMD) и AVX (Векторные расширения).

Состояния простоя

Режим состояния простоя (или C-состояния) используется для энергосбережения, когда процессор бездействует. C0 означает рабочее состояние, то есть ЦПУ в данный момент выполняет полезную работу. C1 — это первое состояние бездействия, С2 — второе состояние бездействия и т.д. Чем выше численный показатель С-состояния, тем больше действий по энергосбережению выполняет программа.

Технологии термоконтроля

Технологии термоконтроля защищают корпус процессора и систему от сбоя в результате перегрева с помощью нескольких функций управления температурным режимом. Внутрикристаллический цифровой термодатчик температуры (Digital Thermal Sensor — DTS) определяет температуру ядра, а функции управления температурным режимом при необходимости снижают энергопотребление корпусом процессора, тем самым уменьшая температуру, для обеспечения работы в пределах нормальных эксплуатационных характеристик.

Новые команды Intel® AES

Команды Intel® AES-NI (Intel® AES New Instructions) представляют собой набор команд, позволяющий быстро и безопасно обеспечить шифрование и расшифровку данных. Команды AES-NI могут применяться для решения широкого спектра криптографических задач, например, в приложениях, обеспечивающих групповое шифрование, расшифровку, аутентификацию, генерацию случайных чисел и аутентифицированное шифрование.

Поиск продукции с Новые команды Intel® AES

Intel® Software Guard Extensions (Intel® SGX)

Расширения Intel® SGX (Intel® Software Guard Extensions) открывают возможности создания доверенной и усиленной аппаратной защиты при выполнении приложениями важных процедур и обработки данных. ПО Intel® SGX дает разработчикам возможность распределения кода программ и данных по защищенным центральным процессором доверенным средам выполнения, TEE (Trusted Execution Environment).

Команды Intel® Memory Protection Extensions (Intel® MPX)

Расширения Intel® MPX (Intel® Memory Protection Extensions) представляют собой набор аппаратных функций, которые могут использоваться программным обеспечением в сочетании с изменениями компилятора для проверки безопасности создаваемых ссылок памяти во время компиляции вследствие возможного переполнения или недогрузки используемого буфера.

Технология Intel® Trusted Execution

^‡

Технология Intel® Trusted Execution расширяет возможности безопасного исполнения команд посредством аппаратного расширения возможностей процессоров и наборов микросхем Intel®. Эта технология обеспечивает для платформ цифрового офиса такие функции защиты, как измеряемый запуск приложений и защищенное выполнение команд. Это достигается за счет создания среды, где приложения выполняются изолированно от других приложений системы.

Поиск продукции с Технология Intel® Trusted Execution ^‡

Функция Бит отмены выполнения

^‡

Бит отмены выполнения — это аппаратная функция безопасности, которая позволяет уменьшить уязвимость к вирусам и вредоносному коду, а также предотвратить выполнение вредоносного ПО и его распространение на сервере или в сети.

Intel® Boot Guard

Технология Intel® Device Protection с функциями Boot Guard используется для защиты систем от вирусов и вредоносных программ перед загрузкой операционных систем.

Apple разрабатывает 64-ядерный процессор ARM для компьютеров

https://ria.ru/20201229/apple-1591402291.html

Apple разрабатывает 64-ядерный процессор ARM для компьютеров

Apple разрабатывает 64-ядерный процессор ARM для компьютеров — РИА Новости, 29.12.2020

Apple разрабатывает 64-ядерный процессор ARM для компьютеров

В компании Apple готовят новый ARM-процессор с 64 вычислительными ядрами. Об этом в своем Twitter сообщает авторитетный инсайдерский источник LeaksApplePro. РИА Новости, 29.12.2020

2020-12-29T15:16

2020-12-29T15:16

2020-12-29T15:16

наука

технологии

купертино

apple

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0b/0d/1584443697_0:104:1984:1220_1920x0_80_0_0_b2b857ef737fb7d81c645de32d449537.jpg

МОСКВА, 29 дек — РИА Новости. В компании Apple готовят новый ARM-процессор с 64 вычислительными ядрами. Об этом в своем Twitter сообщает авторитетный инсайдерский источник LeaksApplePro.Сетевые информаторы не раскрывают подробностей, замечая, что в Apple скоро поделятся подробностями о новой версии платформы Silicon. Такое 64-ядерное решение может стать ультимативным на рынке компьютеров.Представленный осенью 2020 года Apple Silicon M1, располагающий 8 вычислительными ядрами и предназначенный для младших MacBook, оказался производительным решением. 5-нм чип смог обогнать в бенчмарках куда более дорогие процессоры от Intel и AMD, основанных на архитектуре x86.Ранее сообщалось, что в Купертино заняты разработкой 32-ядерного процессора для будущих Mac Pro, выход которых запланирован на конец 2021 года. Версия с 64 ядрами, возможно, увидит свет в 2022 году.

https://ria.ru/20201110/mac-1584013085.html

купертино

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0b/0d/1584443697_110:0:1874:1323_1920x0_80_0_0_8e326e77e4d54c8331b4c3f1dfbb2cd0.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, купертино, apple

Китайская компания Ziguang разработала 512-ядерный процессор / Хабр

^{Так выглядит предыдущее поколение процессора с 256 ядрами}

На днях китайская компания Ziguang заявила о создании необычного чипа, в котором не 4, 8 или 16 ядер, а сразу 512. Чип выполнен по 7-нм техпроцессу.

Называется новый процессор h4C Engiant 800. Компания, которая его создала, не является новичком в отрасли. Дело в том, что она — часть холдинга Tsinghua Unigroup. В него же входит Unisoc, разрабатывающая мобильные процессоры, и Yangtze Memory, которая создает чипы памяти.

Количество транзисторов процессора превышает 40 млрд, благодаря чему чип весьма производительный. Кто будет заниматься его производством — пока неясно, поскольку у компании, насколько известно, нет своих фабрик по выпуску чипов.

К сожалению, неизвестно, на какой архитектуре базируется чип. Зато компания сообщила, что это не потребительский процессор, он не будет поставляться производителям потребительской электроники вроде смартфонов или ноутбуков.

Его главная задача — работа в телекоммуникационных системах, где он будет обрабатывать данные в сетях пятого поколения. Кроме того, его смогут использовать и разработчики технологий искусственного интеллекта.

Вполне может быть, что чип отправится на предприятия госсектора, поскольку именно правительственные организации являются основными клиентами h4C Group.

Процессор h4C Engiant 800, согласно объявленным компанией планам, будет доступен уже с 2022 года. Ну а крупнейшие покупатели получат тестовые образцы чипа еще раньше — вероятно, до конца 2021 года.

Что касается предыдущей версии чипа, то это был процессор h4C Engiant 600, в состав которого входят 256 ядер и 18 млрд транзисторов. Сейчас он используется в телекоммуникационном оборудовании, которое поставляется китайским операторам связи.

Новый процесс на 122% производительнее старого. Он открывает линейку чипов ZhiQing, предназначенных для сетевого оборудования.

Не совсем рекордсмен

Весной этого года

мы писали

о еще более необычном процессоре, размер которого равен размеру кремниевой пластины. Называется он WSE-2: 7-нм, это чип с 850 тысячами ядер и энергопотреблением в 15 кВт Процессор предназначен для дата-центров, задач по обработке вычислений в области машинного обучения и искусственного интеллекта (AI).

У чипа WSE-2 40 ГБ встроенной памяти SRAM. Пропускная способность составляет 20 Пб/с. При этом энергопотребление — 15 кВт.

Чип сам по себе бесполезен, но компания специально для него разработала систему 15U, которая заточена исключительно под характеристики WSE-2. Система второго поколения почти ничем не отличается от системы первого. Блоки первого поколения ранее были отправлены заказчикам. Один из них установлен в Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США. Она использует первую систему для научных целей — например, изучения черных дыр, а также для работы с медицинскими проблемами вроде анализа причин раковых заболеваний. Другим заказчиком стала Ливерморская национальная лаборатория.

Процессор Ampere Altra: 80 ядер на 210 Вт для HPC (обновление)

Компания Ampere ранее уже представляла серверные процессоры на ядрах ARM. Тот же Ampere 8180, например, предлагает 32 ядра и ориентирован на рабочие станции. С процессором Altra компания предлагает новое поколение чипов HPC на дизайне ARM. Процессор был анонсирован в ноябре прошлого года, теперь настало время выхода.

Ampere Altra предлагает 80 ядер ARM v8.2+ в одном сокете. То есть в двухсокетной версии речь идет о 160 ядрах. Вычислительные ядра CPU опираются на дизайн ARM N1 с некоторыми оптимизациями. За ускорение вычислений отвечают два 128-битных блока SIMD в каждом ядре. Поддерживаются вычисления INT8 и FP16, в данном случае низкая точность нацелена на сферу инференса сетей глубокого обучения. Частота процессора составляет 3 ГГц. Кэш содержит 64 KB L1 I cache, 64 KB L1 D cache и 1 MB L2 D cache. Также Altra оснащен 32 Мбайт кэшем System Level Cache (SLC).

Чип производится TSMC по технологии 7 нм (7N). Контроллер памяти (8x 72 бит) поддерживает DDR4-3200 с восемью каналами, суммарная емкость может составлять до 4 Тбайт на сокет. На соответствующих материнских платах доступны до 16 DIMM. Конечно, поддерживается ECC.

При занятом одном сокете доступны 128 линий PCI Express 4.0. В случае использования двух сокетов доступны 192 линии PCI Express — отсутствующие 64 линии, вероятно, задействуются для соединения двух сокетов. Линии PCI Express организованы как 8x 8 PCIe + 4x 16 PCIe/CCIX Extended Speed Mode (ESM).

Ampere Altra также поддерживает интерконнект CCIX (4x 16 CCIX). Пока не совсем понятно, будет ли поддерживаться интерконнект CXL, который продвигает Intel, но реализаций еще не было. Процессор устанавливается в корпусировке с 4.926 контактами. Тепловой пакет меняется от 45 до 210 Вт.

Ampere уже начала поставки первых образцов Altra. Массовое производство намечено на середину 2020.

Сегодня мы уже опубликовали первые тесты процессора Graviton2, который Amazon использует в инстанциях AWS. В случае сценариев KeyDB они дают существенный прирост производительности и ценовое преимущество по сравнению с обычными облачными серверами. Graviton2 — тоже процессор HPC на дизайне ARM.

Обновление: производительность Ampere Altra

Один аспект мы упустили во вчерашней новости: предполагаемую производительность 80-ядерного процессора ARM.

Ampere сравнила систему 2P, то есть содержащую два 80-ядерных процессора Altra, с двумя 64-ядерными AMD EPYC 7742 и двумя 28-ядерными Intel Xeon 8280. Кроме того, два процессора Altra «работали» на 3,3 ГГц, что быстрее заявленных 3 ГГц (стабильная частота Turbo). Результат Specrate-2017 системы Altra основан на прогнозе, что объясняет «разгон» до 3,3 ГГц.

Наконец, результаты двух процессоров AMD и Intel были скорректированы на 16,5% и 24%, чтобы компенсировать используемый GCC для процессоров Altra по сравнению с AOCC и ICC. Ampere упоминает все эти детали в заметках к слайду, то есть не скрывает. Но результаты в таком виде все же стоит воспринимать с долей скепсиса.

Полную презентацию с расчетами эффективности и стоимости владения подобным сервером можно найти в галерее.

Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).

Краткая хроника «ядерной» гонки чипмейкеров, или Как процессор становился многоядерным?

…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше.

(Разработчики Intel)

 

 

 

***

Краткая хроника «ядерной» гонки чипмейкеров, или Как процессор становился многоядерным

• 1999 г. – анонсирован первый в мире 2-ядерный CPU – серверный RISC-процессор IBM Power 4.

Стартовала эпоха многоядерных процессоров!

 

• 2001 г. – начались продажи 2-ядерных процессоров IBM Power 4.

 

• 2002 г. – о перспективах использования двух ядер в своих процессорах архитектуры K8 заявила компания AMD. Практически одновременно с аналогичным заявлением выступила Intel.

 

• Декабрь 2002 г. – вышли первые десктопные Intel Pentium 4, поддерживающие «виртуальную» 2-ядерность – технологию Hyper-Threading.

 

• 2004 г. – IBM выпустила второе поколение своих 2-ядерных процессоров – IBM Power 5. Каждое из ядер Power 5 поддерживает одновременное выполнение двух программных потоков (то есть снабжено аналогом Hyper-Threading).

 

• 18 апреля 2005 г. – Intel выпустила первый в мире настольный 2-ядерный процессор Pentium Extreme Edition 840 (кодовое название – Smithfield). Выполнен с использованием 90-нм технологии.

 

• 21 апреля 2005 г. – AMD представила линейку 2-ядерных процессоров Athlon 64 X2 (кодовое название – Toledo) с тактовой частотой от 2,0 до 2,4 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии.

 

• 1 августа 2005 г. – AMD представила линейку 2-ядерных процессоров Athlon 64 X2 (кодовое название – Manchester) с тактовой частотой от 2,0 до 2,4 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии.

 

• В течение второго полугодия 2005 г. Intel выпускает:

– линейку 2-ядерных процессоров Pentium D 8** (кодовое название – Smithfield) с тактовой частотой от 2,8 до 3,2 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии. 2-ядерные процессоры Pentium D – это два независимых ядра, объединенных на одной кремниевой пластине. Ядра процессоров базируются на архитектуре NetBurst процессоров Pentium 4;

– линейку 2-ядерных процессоров Pentium D 9** (кодовое название – Presler) с тактовой частотой от 2,8 до 3,4 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологии (следует отметить, что инженеры Intel воспользовались преимуществом 65-нм технологического процесса, который позволяет либо уменьшить площадь кристалла, либо увеличить количество транзисторов).

 

• 23 мая 2006 г. – AMD представила линейку 2-ядерных процессоров Athlon 64 X2 (кодовое название – Windsor) с тактовой частотой от 2,0 до 3,2 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии.

 

• 27 июля 2006 г. – компания Intel представила линейку 2-ядерных процессоров Intel Core 2 Duo (кодовое название – Conroe) с тактовой частотой 1,8 – 3,0 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологического процесса.

 

• 27 сентября 2006 г. – Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора. Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс (предположительно, в 2010 г.).

 

• Ноябрь 2006 г. – Intel выпустила линейку 4-ядерных процессоров Intel Core 2 Quad Q6*** (кодовое название – Kentsfield) с тактовой частотой 2,4 – 2,6 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологии. Фактически представляют собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе.

 

• 5 декабря 2006 г. – AMD представила линейку 2-ядерных процессоров Athlon 64 X2 (кодовое название – Brisbane) с тактовой частотой от 1,9 до 2,8 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологии.

 

• 10 сентября 2007 г. – AMD выпустила нативные (в виде одного кристалла) 4-ядерные процессоры для серверов AMD Quad-Core Opteron (кодовое название – Barcelona). Выполнены с использованием 65-нм технологии.

 

• 19 ноября 2007 г. – AMD выпустила 4-ядерный процессор для домашних компьютеров AMD Quad-Core Phenom. Выполнен с использованием 65-нм технологии.

 

• Ноябрь 2007 г. – компания Intel представила линейку 2-ядерных процессоров Penryn с тактовой частотой от 2,1 до 3,3 ГГц. Выполнены с использованием 45-нм технологии.

 

• 6 января 2008 г. – компания Intel выпустила (под марками Core 2 Duo и Core 2 Extreme) первые партии 2-ядерных процессоров Penryn, выполненных с использованием 45-нм технологии.

 

• Февраль 2008 г. – всемирно известный производитель коммуникационного оборудования, компания Cisco Systems, разработала QuantumFlow – 40- ядерный процессор, предназначенный для установки в сетевое оборудование. Процессор, на разработку которого ушло более 5 лет, способен выполнять до 160 параллельных вычислений. Чип будет использоваться в новых сетевых устройствах.

 

• Март 2008 г. – одноядерные процессоры семейства Pentium 4 (661, 641 и 631) и 2-ядерные семейства Pentium D (945, 935, 925 и 915) сняты с производства.

 

• Март 2008 г. – компания AMD выпустила 3-ядерные процессоры Phenom X3 8400, 8600, 8450, 8650 и 8750 с тактовой частотой от 2,1 до 2,4 ГГц. Выполнены по 65-нм технологии. Фактически эти процессоры представляют собой 4-ядерные Phenom с одним отключенным ядром. Анонсированы эти процессоры были в сентябре 2007 г. По словам разработчика, подобные чипы рассчитаны на тех, «кому двух ядер мало, но за четыре он платить не готов».

Основное достоинство 3-ядерных процессоров заключается в том, что они имеют более низкую по сравнению с 4-ядерными чипами стоимость, но работают быстрее 2-ядерных, таким образом, заполняя ассортиментное пространство между теми и другими. Главный конкурент AMD – корпорация Intel – такие процессоры не выпускает. Впервые о намерении приступить к производству подобных чипов AMD объявила в 2007 г.

 

• Март 2008 г. – компания AMD на выставке CeBIT 2008 в Ганновере представила свои первые процессоры, изготовленные на базе 45-нм технологического процесса. 4-ядерные чипы под кодовым названием Shanghai для серверов и Deneb для настольных систем были изготовлены на фабрике Fab 36 в Дрездене, Германия. Для их производства использовались 300-мм подложки. Техпроцесс с топологическим уровнем 45 нм был разработан компанией AMD совместно с ее партнером, корпорацией IBM. Новые процессоры Shanghai и Deneb, как и Phenom X4, являются «по-настоящему» 4-ядерными, так как все четыре ядра размещены на одной кремниевой подложке.

 

• Апрель 2008 г. – компания AMD выпустила 4-ядерные процессоры Phenom X4 – 9550, 9650, 9750 и 9850 – с тактовой частотой 2,2–2,5 ГГц. Выполнены по 65-нм технологии.

 

• Май 2008 г. – выпущен 8-ядерный процессор Cell от IBM. Используется в PlayStation.

 

• Сентябрь 2008 г. – компания Intel выпустила линейку 4-ядерных процессоров Intel Core 2 Quad Q8*** (кодовое название – Yorkfield) с тактовой частотой 2,3 – 2,5 ГГц. Выполнены с использованием 45-нм технологии.

 

• Сентябрь 2008 г. – компания Intel выпустила линейку 4-ядерных процессоров Intel Core 2 Quad Q9*** (кодовое название – Yorkfield) с тактовой частотой 2,5 – 3,0 ГГц. Выполнены с использованием 45-нм технологии.

 

• 15 сентября 2008 г. – на конференции VMworld, организованной компанией VMware, корпорация Intel официально сообщила о выходе первого в отрасли массового 6-ядерного серверного процессора Xeon 7400 (кодовое название чипов – Dunnington). Фактически представляет собой три 2-ядерных кристалла, объединенных в одном корпусе. Создан по 45-нм технологии, работает на частоте 2,66 ГГц. Может работать с несколькими операционными системами одновременно. Имеет аппаратную поддержку технологии виртуализации (Intel Virtualization Technology).

 

• Октябрь 2008 г. – компания Intel разработала 80-ядерный процессор. Изготовлен он по 65-нм технологии, что позволило уменьшить его размеры, но, тем не менее, он остается еще слишком большим для коммерческого использования. Скорее всего, в ближайшие 7 лет процессор будет находиться в стадии доработки. На данный момент существующие технологии не позволяют снизить его энергопотребление и размеры. По мнению специалистов, массовое производство станет возможно только после 2012 г., когда Intel освоит 10-нм техпроцесс. На данный момент известно, что компания планирует введение 32-нм технологии производства процессоров в конце 2009 г. , а 22-нм – в 2011 г.

Сейчас процессор не способен даже запустить операционную систему, но это не смущает разработчиков. Происходит масштабная «обкатка» новых функций, которые будут применяться в будущем в процессорах, одной из которых станет smart-функция по отключению неиспользуемых ядер, что положительно скажется на потреблении электроэнергии и тепловыделении.

 

• 17 ноября 2008 г. – Intel представила линейку 4-ядерных процессоров Intel Core i7, в основу которых положена микроархитектура нового поколения Nehalem. Процессоры работают на тактовой частоте 2,6 – 3,2 ГГц. Выполнены по 45-нм техпроцессу. Их главной особенностью является то, что контроллер памяти стал составной частью процессора. Это позволило увеличить скорость работы чипа с модулями оперативной памяти и сделало ненужной фронтальную системную шину FSB.

 

• Декабрь 2008 г. – начались поставки 4-ядерного процессора AMD Phenom II 940 (кодовое название – Deneb). Работает на частоте 3 ГГц, выпускается по техпроцессу 45-нм.

 

• Февраль 2009 г. – компания AMD продемонстрировала первый 6-ядерный серверный процессор. Выполнен с использованием 45-нм технологии. Кодовое название процессора – Istanbul, он придет на смену серверным процессорам Opteron с кодовым названием Shanghai, которые имеют только 4 ядра.

 

• Февраль 2009 г. – компания AMD объявила о начале поставок новых моделей:

– 3-ядерный Phenom II X3 (кодовое название чипа – Toliman) с тактовой частотой 2,8 ГГц. Выполнен по 45-нм технологии;

– 4-ядерный Phenom II X4 810 (кодовое название чипа – Dragon) с тактовой частотой 2,6 ГГц. Выполнен по 45-нм технологии.

 

• Апрель 2009 г. – компания Intel начала поставки 32-нм центральных процессоров Westmere производителям

ПК

, как мобильных систем, так и десктопов. Пока речь не идет о готовых коммерческих решениях, а лишь о первых тестовых экземплярах, основное предназначение устройств – их тестирование для выявления некоторых особенностей работы, чтобы производители смогли отладить конструкцию своих систем, и выпустить в продажу полностью совместимые с новым поколением процессоров компьютеры.

По своей сути, процессоры Westmere представляют собой изготовленную по 32-нм техпроцессу архитектуру Nehalem. Семейство включает в себя две категории микрочипов: решения для настольных компьютеров (кодовое обозначение – Clarkdale), и устройства для мобильных систем (кодовое обозначение – Arrandale).

«Мобильные» процессоры Arrandale включают не только само процессорное ядро, но и интегрированную графику. Согласно заверениям разработчиков, такая архитектура позволяет существенно снизить энергопотребление связки процессор–системная логика с интегрированной графикой. Помимо этого, за счет перехода на более прецизионный технологический процесс, снизится стоимость изготовления самих микрочипов, а за счет интеграции большего количества элементов на одном «кристалле» снижается и стоимость готовых мобильных компьютеров.

Поставки серийных экземпляров процессоров Westmere должны стартовать к концу 2009 г.

 

• Апрель 2009 г. – компания AMD выпустила две новые модели 4-ядерных центральных процессоров для ПК – Phenom II X4 955 Black Edition и Phenom II X4 945. Выполнены по 45-нм технологии.

 

• 14 мая 2009 г. – компания Fujitsu объявила о создании самого производительного в мире процессора

, способного выполнять до 128 млрд. операций с плавающей запятой в секунду. Процессор SPARC64 VIIIfx (кодовое название Venus) работает примерно в 2,5 раза быстрее, чем самый мощный чип крупнейшего в мире поставщика микросхем корпорации Intel.

Увеличение скорости работы стало возможным за счет более плотной интеграции схем процессора и перехода на 45-нм технологию. Ученые смогли расположить на кремниевой пластинке площадью 2 см² 8 вычислительных ядер, вместо 4-х в предыдущих разработках. Снижение уровня топологии также привело к сокращению потребления электроэнергии. В Fujitsu заявляют, что их чип потребляет в 3 раза меньше энергии, чем современные процессоры Intel. Помимо 8 ядер, чип включает в себя контроллер оперативной памяти.

Процессор SPARC64 VIIIfx планируется использовать в новом суперкомпьютере, который будет построен в институте естественных наук RIKEN в Японии. В него войдут 10 тыс. таких чипов. Суперкомпьютер планируется использовать для прогнозирования землетрясений, исследований медицинских препаратов, ракетных двигателей и прочих научных работ. Запустить компьютер планируется до весны 2010 г.

 

• Май 2009 г. – компания AMD представила разогнанную версию графического процессора ATI Radeon HD 4890 с тактовой частотой ядра, увеличенной с 850 МГц до 1 ГГц. Это первый графический процессор, работающий на частоте 1 ГГц. Вычислительная мощность чипа, благодаря увеличению частоты, выросла с 1,36 до 1,6 терафлоп (следует заметить, что видеокарты на базе разогнанной версии Radeon HD 4890 не нуждаются в жидкостном охлаждении – достаточно вентилятора).

Процессор содержит 800 вычислительных ядер, поддерживает видеопамять GDDR5, DirectX 10.1, ATI CrossFireX и все другие технологии, присущие современным моделям видеокарт. Чип изготовлен на базе 55-нм технологии.

 

• 27 мая 2009 г. – корпорация Intel официально представила новый процессор Xeon под кодовым названием Nehalem-EX. Процессор будет содержать до 8 вычислительных ядер, поддерживая обработку до 16 потоков одновременно. Объем кэш-памяти составит 24МБ.

В Nehalem-EX реализованы новые средства повышения надежности и облегчения технического обслуживания. Процессор унаследовал некоторые функции, которыми обладали чипы Intel Itanium, например, Machine Check Architecture (MCA) Recovery.

Также в 8-ядерном процессоре реализованы технологии Turbo Mode и QuickPath Interconnect. Первая технология отвечает за то, чтобы остановленные ядра можно было привести в «боевое состояние» почти мгновенно (что повышает производительность процессора), а вторая технология позволяет ядрам процессора напрямую обращаться к контроллерами ввода/вывода на скорости до 25,5 Гб/сек.

Nehalem-EX способен обеспечить в 9 раз более высокую скорость работы оперативной памяти по сравнению с Intel Xeon 7400 предыдущего поколения.

Новый чип подходит для объединения серверных ресурсов, виртуализации, запуска приложений с интенсивной обработкой данных и для проведения научных исследований. Его массовое производство планируется начать во второй половине 2009 г. Чип будет изготовлен на базе 45-нм технологии с применением формулы транзисторов hi-k. Число транзисторов – 2,3 млрд.

Первые системы на базе Nehalem-EX ожидаются в начале 2010 г.

 

• 1 июня 2009 г. – компания AMD объявила о начале поставок 6-ядерных

серверных

процессоров

Opteron (кодовое название Istanbul)

для систем с двумя, четырьмя и восемью процессорными гнездами.

По данным AMD, 6-ядерные процессоры примерно на 50% быстрее по сравнению с серверными процессорами с четырьмя ядрами.

Istanbul будет конкурировать с 6-ядерными процессорами Intel Xeon под кодовым названием Dunnington, появившимися в продаже в сентябре 2008 г.

Процессор изготавливается с использованием 45-нм технологии, работает на частоте 2,6 ГГц и обладать 6МБ кэш-памяти третьего уровня.

 

• Август 2009 г. – корпорация IBM представила 8-ядерные процессоры Power7 (каждое ядро способно обрабатывать до 4 потоков команд одновременно).

 

• 9 сентября 2009 г. – Intel представила новые процессоры – Core i7-860 (

2,8 ГГц)

и Core i7-870 (2,93 ГГц) с возможностью повышения тактовой частоты до 3,46 и 3,6 ГГц соответственно (технология Intel Turbo Boost). Чипы обладают кэш-памятью объемом 8МБ и интегрированным 2-канальным контроллером оперативной памяти DDR3-1333. Каждый из представленных 4-ядерных процессоров Core i7 может распознаваться системой как 8-ядерный благодаря технологии Hyper-Threading. Кодовое название чипов – Bloomfield, архитектура – Nehalem, техпроцесс – 45 нм.

 

• 22 сентября 2009 г. – компания AMD заявила о намерении выпустить первые 6-ядерные центральные процессоры для ПК. Новинки будут базироваться на 6-ядерной архитектуре серверных процессоров AMD Opteron Istanbul, их кодовое обозначение – Thuban. Как и серверные процессоры Istanbul, Thuban будут представлять собой устройства на основе единого кристалла, при этом изготовление интегральных микросхем будет осуществляться по 45-нм техпроцессу. 6-ядерные процессоры, как и их серверные аналоги, будут состоять из 904 млн. транзисторов, при этом площадь микросхемы составит 346 кв. мм. Предположительно, на рынке процессоры появятся под брендом AMD Phenom II X6.

 

• 22 сентября 2009 г. – Intel запускает в производство первые в мире процессоры на базе 32-нм технологии (кодовое название чипов –Westmere). Новые процессоры будут поддерживать технологии Intel Turbo Boost (увеличение тактовой частоты по требованию) и Hyper-Threading (многопоточная обработка), а также новый набор команд Advanced Encryption Standard (AES) для ускоренного шифрования и дешифровки. Кроме того, Westmere – первые высокопроизводительные процессоры с графическим ядром, интегрированным на одну кремниевую подложку с вычислительными ядрами.

 

• 2 декабря 2009 г. – компания Intel представила экспериментальный 48-ядерный процессор (под предварительным названием «одночиповый облачный компьютер»), представляющий собой миниатюрный дата-центр, умещающийся на кремниевом кристалле площадью не больше почтовой марки. Прототип будет использоваться в дальнейших исследованиях многоядерных систем. Благодаря новейшим технологиям управления электропитанием, включая возможность индивидуального отключения ядер и ограничения скорости их работы, в режиме ожидания чип потребляет всего 25 Вт. В режиме максимальной производительности чип расходует 125 Вт.

 

• 23 февраля 2010 г. – компания AMD приступила к поставкам 8- и 12-ядерных серверных процессоров Opteron серии 6100 под кодовым названием Magny-Cours. Эти процессоры рассчитаны на установку в сокет G34. Уровень их TDP варьируется от 85 до 140 Ватт, что, в свою очередь, зависит от частоты каждого из 12-ти ядер (от 1,7 до 2,4 ГГц в зависимости от модели).

 

• Конец февраля 2010 г. – Intel начала реализацию 6-ядерных процессоров Core i7-980 Extreme Edition (кодовое название Gulftown). Выпускается на базе 32-нм технологии. Тактовая частота составляет 3,33 ГГц (в режиме Turbo скорость работы достигает в 3,60 ГГц).

 

• 16 марта 2010 г. – Intel представила 32-нм 6-ядерные процессоры Xeon 5600 для серверов и настольных систем (могут работать на максимальной частоте 2,93 ГГц при TDP 95 Вт). Процессоры этого семейства обладают функциями безопасности Intel Advanced Encryption Standard New Instruction (AES-NI) и Intel Trusted Execution Technology (Intel TXT), предлагающими ускоренное шифрование и дешифровку данных и аппаратную защиту от вредоносного ПО, а также поддерживают технологии Intel Turbo Boost и Hyper-Threading.

 

• 28 марта 2010 г. – AMD начала поставки первых 8- и 12-ядерных

серверных процессоров на архитектуре x86

. Вошедшие в семейство AMD Opteron 6100 и ранее известные как Magny-Cours, новые чипы предназначены для 2- и 4-сокетных систем с интенсивной обработкой данных. В компании утверждают, что новые процессоры позволяют сократить расходы на электроэнергию, теплоотвод и программное обеспечение, стоимость лицензии на которое зависит от числа процессоров в системе. Новые чипы производятся на базе 45-нм техпроцесса. Процессоры состоят из двух кристаллов, каждый из которых содержит по 4 или 6 ядер соответственно. Стоимость чипов варьируется от $266 за 8-ядерный Opteron 6128 с тактовой частотой 1,5 ГГц и энергопотреблением 65 Вт до $1386 за 12-ядерный Opteron 6176 SE с тактовой частотой 2,4 ГГц и потреблением 105 Вт.

 

• 31 марта 2010 г. – Intel анонсировала 4-, 6- и 8-ядерные серверные чипы Nehalem-EX – Xeon 6500 и Xeon 7500. Среди прочего, новые чипы впервые поддерживают технологию Machine Check Architecture (MCA) Recovery, позволяющую восстанавливать систему после фатальной системной ошибки, вовлекая в процесс восстановления полупроводниковые компоненты, операционную систему и менеджер виртуальных машин.

 

• 25 апреля 2010 г. – компания AMD приступила к поставкам 6-ядерных процессоров AMD Phenom II X6 (

кодовое название

Thuban). Тактовая частота модели составляет 2,8 ГГц. Процессоры выполнены по 45-нм техпроцессу, оснащены технологией Turbo Core. Данная технология выбирает, какое число ядер стоит задействовать. В случае если нагрузка небольшая или средняя, задействуется до 3 ядер, частота которых может повышаться (при этом оставшиеся ядра переводятся в режим ожидания). При запуске многопоточных приложений с интенсивным использованием вычислительных ресурсов, процессор открывает доступ к тем ядрам, которые находятся в резерве.

 

• 20 июля 2010 г. – компания Intel выпустила новый 6-ядерный процессор Core i7-970, предназначенный для настольных игровых ПК и рабочих станций. Чип выполнен с использованием 32-нм технологии. Тактовая частота составляет 3,2 ГГц (множитель частоты заблокирован, чтобы запретить разгон процессора).

 

• Сентябрь 2010 г. – компания Oracle официально представила новейшие серверные процессоры с 16-ю ядрами, принадлежащие семейству микрочипов SPARC – SPARC T3. Изготавливаются интегральные микросхемы по 40-нм технологическому процессу, каждое ядро функционирует на частоте 1,65 ГГц.

 

• Декабрь 2010 г. – группа ученых из Университета Глазго и Массачусетского университета в Лоуэлле во главе с Вимом Вандербауведе (Wim Vanderbauwhede) создала процессор, способный обрабатывать данные со скоростью в 20 раз превышающей скорость работы современных процессоров для настольных систем. Взяв за основу FPGA (программируемую интегральную схему, или так называемую вентильную матрицу), ученые создали процессор с 1000 ядрами, каждое из которых вычисляло отдельный набор команд. Для этого в чипе FPGA предварительно было создано более 1000 логических цепей. Для того чтобы ускорить работу чипа, инженеры оснастили каждое из ядер выделенной памятью.

Возможности процессора были опробованы на обработке файла с применением алгоритма, используемого в видеокодеке MPEG. Процессор справился с этим на скорости 5 ГБ в секунду, что примерно в 20 раз больше в сравнении со скоростью обработки аналогичного файла самыми мощными настольными процессорами.

По словам Вандербауведе, некоторые производители уже начали выпускать гибридные решения, состоящие из центрального процессора и программируемой матрицы. Такой продукт, например, недавно представила Intel. Ученый считает, что в течение нескольких следующих лет FPGA-решения будут встречаться в потребительской электронике чаще, так как они предлагают высокую производительность и обладают низким потреблением энергии.

«Очевидно, что создание процессоров с тысячами ядер возможно, пишет автор статьи в ZDNet Джек Кларк (Jack Clark). – В теории даже нет границ по числу ядер. Однако перед созданием таких процессоров нам предстоит ответить на множество вопросов и, прежде всего, на вопрос, нужно ли нам такое число ядер, каким приложениям может потребоваться такая вычислительная мощность…».
 

 

Примечания

1. Кодовое название (обозначение, наименование) – это название ядра процессора.

2. Линейка – это модельный ряд процессоров одной серии. В рамках одной линейки процессоры могут значительно отличаться друг от друга по целому ряду параметров.

3. Чип (англ. chip) – кристалл; микросхема.

4. Под технологическим процессом (техпроцесс, технология, технология производства микропроцессоров) подразумевается размер затвора транзистора. Например, когда мы говорим – 32-нм технологический процесс, – это означает, что размер затвора транзистора составляет 32 нанометра.

5. Канал – это область транзистора, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда.

Исток – это электрод транзистора, из которого в канал входят основные носители заряда.

Сток – это электрод транзистора, через который из канала уходят основные носители заряда.

Затвор – это электрод транзистора, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

6. Фактически, транзисторы – это миниатюрные переключатели, с помощью которых реализуются те самые «нули» и «единицы», составляющие основу цифровой информации. Затвор предназначен для включения и выключения транзистора. Во включенном состоянии транзистор пропускает ток, а в выключенном – нет. Диэлектрик затвора расположен под электродом затвора. Он предназначен для изоляции затвора, когда ток проходит через транзистор.

Более 40 лет для изготовления диэлектриков затвора транзистора использовался диоксид кремния (благодаря легкости его применения в массовом производстве и возможности постоянного повышения производительности транзисторов за счет уменьшения толщины слоя диэлектрика). Специалистам Intel удалось уменьшить толщину слоя диэлектрика до 1,2 нм (что равнозначно всего 5 атомарным слоям!) – такой показатель был достигнут в 65-нанометровой технологии производства.

Однако дальнейшее уменьшение толщины слоя диэлектрика приводит к усилению тока утечки через диэлектрик, в результате чего растут потери тока и тепловыделение. Рост тока утечки через затвор транзистора по мере уменьшения толщины слоя диэлектрика из диоксида кремния является одним из самых труднопреодолимых технических препятствий на пути следования закону Мура. Для решения этой принципиальной проблемы корпорация Intel заменила диоксид кремния в диэлектрике затвора на тонкий слой из материала high-k на основе гафния. Это позволило уменьшить ток утечки более чем в 10 раз по сравнению с диоксидом кремния. Материал high-k диэлектрика затвора несовместим с традиционными кремниевыми электродами затвора, поэтому в качестве второй составляющей «рецепта» Intel для ее новых транзисторов, создаваемых на основе 45-нанометрового техпроцесса, стала разработка электродов с применением новых металлических материалов. Для изготовления электродов затвора транзистора применяется комбинация различных металлических материалов.

7. Приведенная в статье хронология создания многоядерных процессоров не претендует на всеобъемлющий охват.

Что означает двухъядерный и четырехъядерный процессор?

Когда вы покупаете новый ноутбук или строите компьютер, процессор является наиболее важным решением. Но там много жаргона, особенно ядер. Нужно ли вам двухъядерное, четырехъядерное, гекса-ядро, окто-ядро … Давайте разберемся с гиками и разберемся, что это на самом деле означает.

Примечание. В этой статье рассматриваются двухъядерные и четырехъядерные процессоры для компьютеров. не для смартфонов. У нас есть отдельное объяснение о телефонных ядрах и что на самом деле лучше

,

Dual Core против Quad Core, максимально простой

Хорошо, давайте сделаем все проще. Вот все, что вам нужно знать:

• Есть только один чип процессора. Этот чип может иметь одно, два, четыре, шесть или восемь ядер.
• В настоящее время 18-ядерный процессор — лучшее, что вы можете получить на потребительских ПК.
• Каждое «ядро» — это часть чипа, которая выполняет обработку. По сути, каждое ядро ​​является центральным процессором (ЦП)

  ,

скорость

Теперь простая логика подсказывает, что большее количество ядер сделает ваш процессор быстрее в целом. Но это не всегда так. Это немного сложнее, чем это.

Большее количество ядер быстрее, только если программа может распределять свои задачи между ядрами. Не все программы созданы для разделения задач между ядрами. Подробнее об этом позже.

Тактовая частота каждого ядра также является решающим фактором скорости, как и архитектура. Новый двухъядерный ЦП с более высокой тактовой частотой часто будет превосходить старый четырехъядерный ЦП с более низкой тактовой частотой.

Потребляемая мощность

Большее количество ядер также приводит к увеличению энергопотребления процессора. Когда процессор включен, он подает питание на все ядра, а не только по одному.

Производители чипов пытаются снизить энергопотребление и сделать процессоры более энергоэффективными. Но, как правило, четырехъядерный процессор будет потреблять больше энергии от вашего ноутбука (и, следовательно, быстрее разряжать батарею).

Высокая температура

Больше тепла, чем ядро, влияет на тепло, выделяемое процессором. Но опять же, как правило, большее количество ядер приводит к большему количеству тепла.

Из-за этого дополнительного тепла производителям необходимо добавлять более качественные радиаторы или другие решения для охлаждения.

Цена

Больше ядер не всегда дороже. Как мы уже говорили ранее, тактовая частота, версии архитектуры и другие факторы вступают в игру.

Но если все остальные факторы одинаковы, то большее количество ядер будет стоить дороже.

Это все о программном обеспечении

Вот маленький грязный секрет, который производители чипов не хотят, чтобы вы знали. Дело не в том, сколько ядер вы используете, а в том, какое программное обеспечение вы используете на них.

Программы должны быть специально разработаны, чтобы использовать преимущества нескольких процессоров. Такое «многопоточное программное обеспечение» не так часто, как вы думаете.

Важно то, что даже если это многопоточная программа, она также о том, для чего она используется. Например, веб-браузер Google Chrome поддерживает несколько процессов, как и программное обеспечение для редактирования видео Adobe Premier Pro.

Adobe Premier Pro дает указание различным ядрам работать над различными аспектами редактирования. Учитывая многие слои, вовлеченные в редактирование видео, это имеет смысл, так как каждое ядро ​​может работать над отдельной задачей.

Точно так же Google Chrome дает указание различным ядрам работать на разных вкладках. Но в этом и заключается проблема. После того, как вы открываете веб-страницу во вкладке, она обычно становится статической после этого. Нет необходимости в дальнейшей обработке; остальная часть работы о хранении страницы в оперативной памяти. Это означает, что хотя ядро ​​можно использовать для фоновой вкладки, в этом нет необходимости.

Этот пример Google Chrome является иллюстрацией того, что даже многопоточное программное обеспечение может не дать вам реального повышения производительности.

Удвоение ядер — не удвоение скорости

Итак, допустим, у вас есть подходящее программное обеспечение, а все остальное оборудование такое же. Будет ли четырехъядерный процессор в два раза быстрее двухъядерного? Нету.

Увеличение количества ядер не решает проблему масштабирования программного обеспечения. Масштабирование до ядер — это теоретическая способность любого программного обеспечения назначать правильные задачи нужным ядрам, поэтому каждое ядро ​​выполняет вычисления с оптимальной скоростью. Это не то, что происходит в реальности.

В действительности задачи делятся последовательно (что делает большинство многопоточных программ) или случайным образом. Например, предположим, вам нужно выполнить три задачи, чтобы завершить действие, и у вас есть пять таких действий. Программное обеспечение говорит Core 1 решить первую задачу Действие 1, в то время как Core 2 решает вторую, Core 3 — третью; Между тем, простаивающее Core 4 приказано решить первую задачу Action 2.

Если третья задача самая трудная и самая длинная, то для программного обеспечения было бы разумно разделить третью задачу между ядрами 3 и 4. Но это не то, что она делает. Вместо этого, даже несмотря на то, что ядра 1 и 2 завершат работу быстрее, действие должно будет подождать, пока ядро ​​3 завершит свою задачу, а затем вместе вычислить результаты ядер 1, 2 и 3.

Все это — окольный способ сказать, что программное обеспечение в его нынешнем виде не оптимизировано для полного использования преимуществ нескольких ядер. И удвоение ядер не равно удвоению скоростей.

Где больше ядер действительно помогают?

Теперь, когда вы знаете, что делают ядра и их ограничения в повышении производительности, вы должны спросить себя: «Нужно ли мне больше ядер?». Ну, это зависит от того, что вы планируете делать с ними.

азартные игры

Если вы хотите быть геймером, приобретите больше ядер на игровом ПК.

, Подавляющее большинство новых игр AAA (то есть популярных игр от крупных студий) поддерживают многопоточную архитектуру. Видеоигры все еще в значительной степени зависят от графической карты, чтобы выглядеть хорошо, но многоядерный процессор также помогает.

Редактирование видео или аудио

Для любого профессионала, который работает с видео или аудио программами, больше ядер будет полезно. Большинство популярных инструментов для редактирования аудио и видео используют преимущества многопоточной обработки.

Фотошоп и дизайн

Если вы дизайнер, то более высокая тактовая частота и больший кэш процессора

увеличит скорость лучше, чем больше ядер. Даже самое популярное программное обеспечение для разработки, Adobe Photoshop, в значительной степени поддерживает однопоточные или слегка поточные процессы. Многоядерные процессоры не будут значительным стимулом для этого.

Быстрый просмотр веб-страниц

Как мы уже говорили, наличие большего количества ядер не означает более быстрого просмотра веб-страниц. Хотя все современные браузеры теперь поддерживают многопроцессорную архитектуру, ядра помогут, только если ваши фоновые вкладки — это сайты, которые требуют большой вычислительной мощности.

Офисные задачи

Все основные приложения Office являются однопоточными, поэтому четырехъядерный процессор не увеличит скорость.

Должны ли вы получить больше ядер?

В целом, четырехъядерный процессор будет работать быстрее, чем двухъядерный процессор для общих вычислений. Каждая программа, которую вы открываете, будет работать на своем собственном ядре, поэтому, если задачи будут общими, скорости будут лучше. Если вы используете много программ одновременно, часто переключаетесь между ними и назначаете им свои задачи, а затем получаете процессор с большим количеством ядер.

Просто знайте это: общая производительность системы — это та область, где слишком много факторов вступают в игру. Не ожидайте волшебного ускорения, меняя один компонент, например, процессор. И убедитесь, что вы знаете об уязвимости Intel Foreshadow

,

Так что вы должны купить? Это немного сложно, но у нас есть руководство для выбора между Intel Core i3, Core i5 и Core i7

, Не фанат Intel? Мы внимательно посмотрели на новую серию AMD Ryzen

, тоже.

Каково количество ядер вашей нынешней буровой установки? Вы работаете на двухъядерном, четырехъядерном, окта-ядерном процессоре или у вас появились двузначные числа с новыми процессорами Broadwell и Kaby Lake?

Написано изначально Крисом Хоффманом 05/06/2013

ядерных энергетических реакторов — Всемирная ядерная ассоциация

(обновлено в июле 2021 г.)

• Большая часть электроэнергии на АЭС вырабатывается с использованием всего двух типов реакторов, которые были разработаны в 1950-х годах и с тех пор усовершенствованы.
• Все реакторы первого поколения сняты с эксплуатации, и большинство из работающих — это реакторы второго поколения.
• Появляются новые разработки, большие и маленькие.
• Около 10% мировой электроэнергии производится с помощью ядерной энергии.

Эта страница об основных типах ядерных реакторов обычного типа. Более продвинутые типы см. На страницах усовершенствованных ядерных энергетических реакторов, малых ядерных энергетических реакторов, реакторов на быстрых нейтронах и ядерных реакторов поколения IV.

Как ядерный реактор производит электричество?

Ядерный реактор производит и контролирует высвобождение энергии при расщеплении атомов определенных элементов. В ядерном энергетическом реакторе выделяющаяся энергия используется в качестве тепла для производства пара для выработки электроэнергии.(В исследовательском реакторе основная цель состоит в том, чтобы утилизировать фактические нейтроны, производимые в активной зоне. В большинстве военно-морских реакторов пар приводит в движение турбину непосредственно для обеспечения движения.)

Принципы использования ядерной энергии для производства электроэнергии одинаковы для большинства типов реакторов. Энергия, выделяющаяся в результате непрерывного деления атомов топлива, используется в виде тепла в газе или воде и используется для производства пара. Пар используется для привода турбин, вырабатывающих электричество (как и на большинстве установок, работающих на ископаемом топливе).

Первые в мире ядерные реакторы «работали» естественным образом на урановом месторождении около двух миллиардов лет назад. Они находились в богатых ураном рудных телах и смягчались просачивающейся дождевой водой. 17 известных в Окло в Западной Африке, каждая из которых имеет тепловую мощность менее 100 кВт, вместе потребили около шести тонн урана. Предполагается, что они не были уникальными во всем мире.

Сегодня реакторы, разработанные для двигателей подводных лодок и больших военно-морских судов, вырабатывают около 85% мировой ядерной электроэнергии.Основная конструкция представляет собой реактор с водой под давлением (PWR), который имеет воду с температурой более 300 ° C под давлением в первичном контуре охлаждения / теплопередачи и генерирует пар во вторичном контуре. Менее многочисленный реактор с кипящей водой (BWR) производит пар в первом контуре над активной зоной реактора при аналогичных температурах и давлении. Оба типа используют воду как в качестве хладагента, так и в качестве замедлителя для замедления нейтронов. Поскольку вода обычно кипит при 100 ° C, они имеют прочные стальные сосуды под давлением или трубы для обеспечения более высокой рабочей температуры.(В другом типе в качестве замедлителя используется тяжелая вода с атомами дейтерия. Поэтому для различения используется термин «легкая вода».)

Элементы ядерного реактора

Есть несколько компонентов, общих для большинства типов реакторов:

Топливо
Основным топливом является уран. Обычно таблетки оксида урана (UO ₂ ) располагаются в трубках, образуя топливные стержни. Стержни размещены в топливные сборки в активной зоне реактора. * В реакторе PWR класса 1000 МВт (эл.) Может быть 51 000 топливных стержней с более чем 18 миллионами таблеток.

* В новом реакторе с новым топливом необходим источник нейтронов для запуска реакции. Обычно это бериллий в смеси с полонием, радием или другим альфа-излучателем. Альфа-частицы в результате распада вызывают высвобождение нейтронов из бериллия, когда он превращается в углерод-12. Для перезапуска реактора с использованием некоторого количества отработанного топлива этого может не потребоваться, поскольку нейтронов может быть достаточно для достижения критичности при удалении регулирующих стержней.

Модератор
Материал в активной зоне, который замедляет нейтроны, высвобождаемые при делении, так что они вызывают большее деление.Обычно это вода, но может быть тяжелая вода или графит.

Управляющие стержни или лопасти
Они сделаны из материала, поглощающего нейтроны, такого как кадмий, гафний или бор, и вставляются или извлекаются из активной зоны для контроля скорости реакции или ее остановки. * В некоторых реакторах PWR используются специальные регулирующие стержни, позволяющие core для эффективного поддержания низкого уровня мощности. (Вторичные системы управления включают другие поглотители нейтронов, обычно бор в теплоносителе — его концентрацию можно регулировать с течением времени по мере сгорания топлива.) Управляющие стержни PWR вставляются сверху, крестообразные лопасти BWR — снизу активной зоны.

* При делении большая часть нейтронов высвобождается быстро, но некоторые задерживаются. Они имеют решающее значение для того, чтобы система (или реактор) с цепной реакцией могла быть управляемой и иметь возможность удерживать ее в критическом состоянии.

Охлаждающая жидкость
Жидкость, циркулирующая через ядро, чтобы отводить от него тепло. В легководных реакторах водяной замедлитель действует также как теплоноситель первого контура.За исключением BWR, есть вторичный контур теплоносителя, где вода превращается в пар. (См. Также следующий раздел о характеристиках теплоносителя первого контура.) PWR имеет от двух до четырех контуров теплоносителя первого контура с насосами, приводимыми в действие паром или электричеством — в китайской конструкции Hualong One их три, каждый из которых приводится в действие электродвигателем мощностью 6,6 МВт, с каждым насосным агрегатом. весом 110 тонн.

Сосуд под давлением или напорные трубки
Обычно это прочный стальной корпус, содержащий активную зону реактора и замедлитель / теплоноситель, но это может быть ряд труб, удерживающих топливо и транспортирующих теплоноситель через окружающий замедлитель.

Парогенератор
Часть системы охлаждения реакторов с водой под давлением (PWR и PHWR), где теплоноситель первого контура высокого давления, приносящий тепло из реактора, используется для производства пара для турбины во вторичном контуре. По сути, это теплообменник, подобный радиатору автомобиля. * Реакторы имеют до шести «контуров», каждый с парогенератором. С 1980 года более чем у 110 реакторов PWR были заменены парогенераторы после 20-30 лет эксплуатации, более половины из них в США.

* Это большие теплообменники для передачи тепла от одной жидкости к другой — здесь от первичного контура высокого давления в PWR ко вторичному контуру, где вода превращается в пар. Каждая конструкция весит до 800 тонн и содержит от 300 до 16000 трубок диаметром около 2 см для теплоносителя первого контура, который является радиоактивным из-за азота-16 (N-16, образованного нейтронной бомбардировкой кислорода, с периодом полураспада 7 секунд. ). Вторичная вода должна проходить через опорные конструкции для труб.Все это должно быть спроектировано так, чтобы трубки не вибрировали и не трогались, работать так, чтобы не накапливались отложения, препятствующие потоку, и поддерживать химический уход во избежание коррозии. Трубки, которые выходят из строя и протекают, закупориваются, и избыточная емкость предназначена для этого. Утечки можно обнаружить, отслеживая уровни N-16 в паре на выходе из парогенератора.

Изолятор
Конструкция вокруг реактора и связанных с ним парогенераторов, которая предназначена для защиты его от проникновения извне и защиты тех, кто находится снаружи, от воздействия излучения в случае любой серьезной неисправности внутри.Обычно это бетонная и стальная конструкция метровой толщины.

Более новые российские и некоторые другие реакторы устанавливают устройства локализации расплава активной зоны или «ловители активной зоны» под сосудом высокого давления для улавливания любого расплавленного материала активной зоны в случае крупной аварии.

Существует несколько различных типов реакторов, как показано в следующей таблице.

Заправка ядерного реактора

Большинство реакторов необходимо остановить для перегрузки топлива, чтобы корпус реактора можно было открыть.В этом случае перегрузка производится с интервалом в 12, 18 или 24 месяца, когда от четверти до трети ТВС заменяются свежими. Типы CANDU и РБМК имеют напорные трубы (а не сосуд высокого давления, в котором находится активная зона реактора) и могут заправляться под нагрузкой путем отсоединения отдельных напорных труб. AGR также предназначен для дозаправки под нагрузкой.

Если в качестве замедлителя используется графит или тяжелая вода, можно запустить энергетический реактор на природном уране, а не на обогащенном уране.Природный уран имеет тот же элементный состав, что и при его добыче (0,7% U-235, более 99,2% U-238), в обогащенном уране доля делящегося изотопа (U-235) увеличена с помощью процесса, называемого обогащением, обычно до 3,5-5,0%. В этом случае замедлителем может быть обычная вода, и такие реакторы в совокупности называются легководными реакторами. Поскольку легкая вода поглощает нейтроны, а также замедляет их, она менее эффективна в качестве замедлителя, чем тяжелая вода или графит. Некоторые новые конструкции реакторов малой мощности требуют высокообогащенного низкообогащенного уранового топлива, обогащенного примерно до 20% по U-235.

Во время работы часть U-238 заменяется на плутоний, и Pu-239 в конечном итоге обеспечивает около одной трети энергии из топлива.

В большинстве реакторов в качестве топлива используется керамический оксид урана (UO ₂ с температурой плавления 2800 ° C), большая часть которого обогащена. Топливные таблетки (обычно диаметром около 1 см и длиной 1,5 см) обычно размещаются в длинной трубке из циркониевого сплава (циркалоя), образуя топливный стержень, причем цирконий является твердым, коррозионно-стойким и прозрачным для нейтронов.* Многочисленные стержни образуют тепловыделяющую сборку, которая представляет собой открытую решетку, которую можно поднимать в активную зону реактора и из нее. В наиболее распространенных реакторах их длина составляет около 4 метров. Топливная сборка BWR может весить около 320 кг, а топливная сборка PWR — 655 кг, и в этом случае они содержат 183 кг урана и 460 кгU соответственно. В обоих задействовано около 100 кг циркалоя.

* Цирконий — важный минерал для ядерной энергетики, где он находит основное применение. Таким образом, торговля подлежит контролю. Обычно он загрязнен гафнием, поглотителем нейтронов, поэтому для производства циркалоя используется очень чистый Zr «ядерной чистоты», который составляет около 98% Zr плюс около 1.5% олова, а также железа, хрома и иногда никеля для повышения прочности.

Важной отраслевой инициативой является разработка устойчивых к авариям видов топлива, которые более устойчивы к плавлению в таких условиях, как авария на Фукусиме, и с оболочкой, более устойчивой к окислению с образованием водорода при очень высоких температурах в таких условиях.

Горючие яды часто используются в топливе или теплоносителе для выравнивания производительности реактора с течением времени от загрузки свежего топлива до дозаправки.Это поглотители нейтронов, которые распадаются под воздействием нейтронов, компенсируя постепенное накопление поглотителей нейтронов в топливе по мере его сжигания и, следовательно, обеспечивая более высокое выгорание топлива (с точки зрения ГВт-дней на тонну урана) *. Самым известным является гадолиний, который является жизненно важным ингредиентом топлива в морских реакторах, где установка свежего топлива очень неудобна, поэтому реакторы рассчитаны на работу более десяти лет между заправками (эквивалент полной мощности — на практике они не работают непрерывно).Гадолиний входит в состав керамических топливных таблеток. Альтернативой является встроенный поглотитель выгорающего топлива из диборида циркония (IFBA) в виде тонкого покрытия на обычных таблетках.

* Среднее выгорание топлива, используемого в реакторах США, увеличилось почти до 50 ГВт-сутки / т, по сравнению с половиной от показателя 1980-х годов.

Гадолиний, в основном содержащий до 3 г оксида на килограмм топлива, требует немного более высокого обогащения топлива, чтобы компенсировать это, а также после выгорания около 17 ГВт · сут / т он сохраняет около 4% своего абсорбционного эффекта и не уменьшается в дальнейшем. .ZrB ₂ IFBA сгорает более устойчиво и полностью и не влияет на свойства топливных таблеток. Сейчас он используется в большинстве реакторов США и некоторых в Азии. У Китая есть технология для реакторов AP1000.

Основные типы ядерных реакторов

Реактор с водой под давлением (PWR)

Это наиболее распространенный тип, в нем около 300 действующих реакторов для выработки электроэнергии и еще несколько сотен используются для военно-морских силовых установок. Конструкция PWR возникла как подводная энергетическая установка.PWR используют обычную воду как в качестве охлаждающей жидкости, так и в качестве замедлителя. Конструкция отличается наличием первичного контура охлаждения, который проходит через активную зону реактора под очень высоким давлением, и вторичного контура, в котором генерируется пар для привода турбины. В России они известны как типы ВВЭР — водоохлаждаемые.

PWR имеет топливные сборки из 200-300 стержней каждая, расположенных вертикально в активной зоне, а большой реактор будет иметь около 150-250 тепловыделяющих сборок с 80-100 тоннами урана.

Вода в активной зоне реактора достигает примерно 325 ° C, следовательно, ее необходимо поддерживать примерно в 150 раз выше атмосферного давления, чтобы предотвратить ее кипение. Давление поддерживается паром в компенсаторе давления (см. Диаграмму). В первом контуре охлаждения вода также является замедлителем, и если какая-либо из них превратится в пар, реакция деления замедлится. Этот эффект отрицательной обратной связи является одной из характеристик безопасности данного типа. Вторичная система отключения включает добавление бора в первичный контур.

Вторичный контур находится под меньшим давлением, и вода здесь кипит в теплообменниках, которые, таким образом, являются парогенераторами.Пар приводит в движение турбину для производства электроэнергии, а затем конденсируется и возвращается в теплообменники, контактирующие с первичным контуром.

Реактор с кипящей водой (BWR)

Этот тип реактора имеет много общего с PWR, за исключением того, что есть только один контур, в котором вода находится под более низким давлением (примерно в 75 раз превышающим атмосферное давление), так что она кипит в активной зоне примерно при 285 ° C. Реактор спроектирован для работы с 12-15% воды в верхней части активной зоны в виде пара и, следовательно, с меньшим замедляющим эффектом и, следовательно, с повышенным КПД.Блоки BWR могут работать в режиме следования за нагрузкой легче, чем PWR.

Пар проходит через пластины осушителя (сепараторы пара) над активной зоной, а затем непосредственно к турбинам, которые, таким образом, являются частью контура реактора. Поскольку вода вокруг активной зоны реактора всегда загрязнена следами радионуклидов, это означает, что турбина должна быть экранирована, а радиологическая защита должна быть обеспечена во время технического обслуживания. Стоимость этого, как правило, уравновешивает экономию из-за более простой конструкции.Большая часть радиоактивности воды очень недолговечна *, поэтому в машинный зал можно попасть вскоре после остановки реактора.

* в основном N-16 с периодом полураспада 7 секунд

Топливная сборка BWR состоит из 90-100 тепловыделяющих элементов, а в активной зоне реактора находится до 750 сборок, вмещающих до 140 тонн урана. Вторичная система управления включает ограничение потока воды через активную зону, чтобы большее количество пара в верхней части уменьшало замедление.

Тяжеловодный реактор под давлением (PHWR)

Реактор PHWR разрабатывался с 1950-х годов в Канаде как CANDU, а с 1980-х годов также в Индии.PHWR обычно используют в качестве топлива оксид природного урана (0,7% U-235), поэтому требуется более эффективный замедлитель, в данном случае тяжелая вода (D ₂ O). ** PHWR производит больше энергии на килограмм добытого урана, чем другие конструкции, но и производит гораздо большее количество отработанного топлива на единицу продукции.

** с системой CANDU, замедлитель обогащается (, т.е. воды), а не топливо — это компромисс в стоимости.

Замедлитель находится в большом резервуаре, называемом каландрией, через который проходят несколько сотен горизонтальных напорных трубок, которые образуют каналы для топлива, охлаждаемого потоком тяжелой воды под высоким давлением (примерно в 100 раз превышающим атмосферное давление) в первом контуре охлаждения, обычно достигая 290 ° C.Как и в PWR, теплоноситель первого контура генерирует пар во вторичном контуре для привода турбин. Конструкция напорных трубок означает, что реактор может постепенно заправляться без остановки, путем изоляции отдельных напорных трубок от охлаждающего контура. Кроме того, их строительство менее затратно, чем конструкции с большим резервуаром высокого давления, но трубы не оказались столь же прочными.

Топливная сборка CANDU состоит из пучка из 37 тепловыделяющих стержней длиной по полметра (керамические топливные таблетки в циркалоевых трубках) плюс опорная конструкция с 12 пучками, лежащими встык в топливном канале.Управляющие стержни проникают в каландрию вертикально, а вторичная система отключения включает добавление гадолиния в замедлитель. Тяжеловодный замедлитель, циркулирующий через корпус каландрийного сосуда, также выделяет некоторое количество тепла (хотя этот контур не показан на диаграмме выше).

Более новые конструкции PHWR, такие как усовершенствованный реактор Канду (ACR), имеют легководное охлаждение и слегка обогащенное топливо.

Реакторы

CANDU могут работать на различных видах топлива. Они могут работать на рециркулированном уране из переработанного отработавшего топлива LWR или на его смеси и обедненном уране, оставшемся от заводов по обогащению.Около 4000 МВт PWR могли бы затем заправить 1000 МВт мощности CANDU с добавлением обедненного урана. Торий также может использоваться в качестве топлива.

Усовершенствованный реактор с газовым охлаждением (AGR)

Это второе поколение британских реакторов с газовым охлаждением, использующих графитовый замедлитель и диоксид углерода в качестве теплоносителя первого контура. Топливо — таблетки оксида урана с обогащением 2,5 — 3,5% в трубках из нержавеющей стали. Углекислый газ циркулирует через активную зону, достигая 650 ° C, а затем проходит через трубы парогенератора за ее пределами, но все еще внутри бетонного и стального сосуда высокого давления (отсюда «интегральная» конструкция).Управляющие стержни проходят через замедлитель, а вторичная система останова включает в себя нагнетание азота в теплоноситель. Высокая температура дает ему высокий тепловой КПД — около 41%. Заправка возможна под нагрузкой.

AGR был разработан на основе реактора Magnox. В реакторах Magnox также использовался графитовый замедлитель и охлаждение CO ₂ , использовалось топливо из природного урана в металлической форме и вода в качестве вторичного теплоносителя. Последний реактор Magnox в Великобритании был закрыт в конце 2015 года.

Легководный реактор с графитовым замедлителем (LWGR)

Основной проект LWGR — это РБМК, советский образец, разработанный на основе реакторов для производства плутония. В нем используются длинные (7 метров) вертикальные напорные трубы, проходящие через графитовый замедлитель, и он охлаждается водой, которой позволяют закипать в активной зоне при 290 ° C и примерно 6,9 МПа, как в BWR. Топливо представляет собой низкообогащенный оксид урана, который собирается в тепловыделяющие сборки длиной 3,5 метра. При замедлении, в основном из-за фиксированного графита, избыточное кипение просто снижает охлаждение и поглощение нейтронов, не препятствуя реакции деления, и может возникнуть проблема с положительной обратной связью, поэтому они никогда не строились за пределами Советского Союза.См. Приложение «Реакторы РБМК» для получения дополнительной информации.

Реактор на быстрых нейтронах (ФНР)

Некоторые реакторы не имеют замедлителя и используют быстрые нейтроны, вырабатывая энергию из плутония, в то же время делая больше из изотопа U-238 в топливе или вокруг него. Хотя они получают более чем в 60 раз больше энергии из исходного урана по сравнению с обычными реакторами, их строительство дорого. Дальнейшая их разработка, вероятно, состоится в следующем десятилетии, и основные конструкции, которые, как ожидается, будут построены через два десятилетия, — это FNR.Если они настроены на производство большего количества делящегося материала (плутония), чем они потребляют, их называют реакторами на быстрых нейтронах (FBR). См. Также страницы статей о реакторах на быстрых нейтронах и малых ядерных энергетических реакторах.

Атомные электростанции в промышленной эксплуатации или в рабочем состоянии

Тип реактора	Основные страны	Номер	ГВт (эл.)	Топливо	Охлаждающая жидкость	Модератор
Реактор с водой под давлением (PWR)	США, Франция, Япония, Россия, Китай, Южная Корея	304	289.1	обогащенный UO 2	вода	вода
Реактор с кипящей водой (BWR)	США, Япония, Швеция	62	63,1	обогащенный UO 2	вода	вода
Тяжеловодный реактор под давлением (PHWR)	Канада, Индия	49	24.5	натуральный UO 2	тяжелая вода	тяжелая вода
Усовершенствованный реактор с газовым охлаждением (AGR)	Великобритания	14	7,7	U натуральный (металл), обогащенный UO 2	CO 2	графит
Легководный графитовый реактор (LWGR)	Россия	12	8.4	обогащенный UO 2	вода	графит
Реактор на быстрых нейтронах (FBR)	Россия	2	1,4	PuO 2 и UO 2	натрий жидкий	нет
ИТОГО		443	394.2

Информацию о строящихся реакторах см. На странице с информацией о планах строительства новых реакторов во всем мире.

Реакторы усовершенствованного типа

Обычно выделяют несколько поколений реакторов. Реакторы поколения I были разработаны в 1950-60-х годах, а последний из них (Wylfa 1 в Великобритании) был остановлен в конце 2015 года. В них в основном использовалось топливо из природного урана и в качестве замедлителя использовался графит.Реакторы поколения II типичны для современного флота США, и большинство из них находится в эксплуатации в других местах. Обычно они используют обогащенное урановое топливо и в основном охлаждаются и замедляются водой. Поколение III — это усовершенствованные реакторы, созданные на их основе, первые несколько из которых находятся в эксплуатации в Японии, а с начала 2018 года в Китае, России и ОАЭ. Остальные находятся в стадии строительства и готовы к заказу. Это разработки второго поколения с повышенной безопасностью. Нет четкого различия между поколением II и поколением III.

Проекты

поколения IV все еще находятся в стадии разработки. Они будут иметь замкнутые топливные циклы и сжигать долгоживущие актиниды, которые сейчас составляют часть отработавшего топлива, так что продукты деления будут единственными высокоактивными отходами. Из семи проектов, разрабатываемых при международном сотрудничестве, четыре или пять будут реакторами на быстрых нейтронах. Четыре будут использовать фторид или жидкометаллический теплоноситель, следовательно, работать при низком давлении. Два будут с газовым охлаждением. Большинство из них будут работать при гораздо более высоких температурах, чем современные реакторы с водяным охлаждением.См. Статью о реакторах поколения IV.

Более десятка усовершенствованных реакторов поколения III находятся на различных стадиях разработки. Некоторые из них являются эволюцией вышеупомянутых конструкций PWR, BWR и CANDU, некоторые представляют собой более радикальные отклонения. К первым относится усовершенствованный реактор с кипящей водой, некоторые из которых в настоящее время работают, а другие находятся в стадии строительства. Современные реакторы PWR работают в Китае, России и ОАЭ, и еще больше строится. Самая известная радикально новая конструкция имеет топливо в виде крупных «камешков» и использует гелий в качестве хладагента при очень высокой температуре, возможно, для непосредственного привода турбины.

Учитывая замкнутый топливный цикл, в реакторах поколения I-III рециркулируют плутоний (и, возможно, уран), а в реакторах поколения IV ожидается полный рецикл актинидов.

Многие усовершенствованные конструкции реакторов предназначены для малых энергоблоков — менее 300 МВт (эл. Помимо обычного оксидного топлива, другие виды топлива — это металл, TRISO *, карбид, нитрид или жидкая соль.

* ТРИСО (триструктурно-изотропные) частицы диаметром менее миллиметра. Каждый из них имеет ядро ​​( c 0,5 мм) из оксикарбида урана (или диоксида урана) с обогащением урана до 20% по U-235. Это ядро ​​окружено слоями углерода и карбида кремния, что обеспечивает удержание продуктов деления, устойчивое к температурам более 1600 ° C.

Плавучие атомные электростанции

Помимо более 200 ядерных реакторов на различных судах, Росатом в России создал дочернюю компанию по поставке плавучих атомных электростанций мощностью от 70 до 600 МВт.Они будут установлены парами на большой барже, которая будет постоянно пришвартована там, где это необходимо для подачи электроэнергии и, возможно, некоторого опреснения воды в прибрежный поселок или промышленный комплекс. Первый состоит из двух реакторов мощностью 40 МВт (эл.) На базе ледоколов и работает на удаленной площадке в Сибири. Ожидается, что стоимость электроэнергии будет намного ниже, чем у существующих альтернатив. Для получения дополнительной информации см. Страницу «Атомная энергетика в России».

Российский реактор КЛТ-40С — хорошо зарекомендовавший себя на ледоколах реактор.Здесь блок мощностью 150 МВт производит 35 МВт (брутто), а также до 35 МВт тепла для опреснения или централизованного теплоснабжения. Они рассчитаны на работу в течение 3-4 лет между дозаправками, и предполагается, что они будут работать парами, чтобы учесть перебои, с возможностью дозаправки на борту и хранилищем отработанного топлива. В конце 12-летнего рабочего цикла вся установка отправляется на центральный объект для двухлетнего капитального ремонта и удаления использованного топлива, а затем возвращается в эксплуатацию.

Российские ПАТЭС второго поколения будут иметь два реакторных блока РИТМ-200М мощностью 175 МВт, 50 МВт, каждый примерно на 1500 тонн легче, но мощнее, чем КЛТ-40С, и, следовательно, на барже гораздо меньшего размера — водоизмещением около 12000 тонн, а не 21000 тонн.Заправка будет каждые 10-12 лет. Очень похожие реакторы РИТМ-200 устанавливают на новейшие российские ледоколы.

Мощность ядерного реактора

Мощность реактора АЭС указывается тремя способами:

• Тепловая МВт, которая зависит от конструкции самого ядерного реактора и связана с количеством и качеством производимого им пара.
• Общая электрическая МВтэ, которая указывает мощность, вырабатываемую присоединенной паровой турбиной и генератором, а также учитывает температуру окружающей среды для контура конденсатора (более холодный означает больше электроэнергии, более теплый — меньше).Номинальная полная мощность предполагает определенные условия для обоих.
• Чистая электрическая МВтэ, которая представляет собой мощность, доступную для отправки с завода в сеть, после вычета электроэнергии, необходимой для работы реактора (насосы охлаждающей и питательной воды, и т. Д. ) и остальной части станции. *

* Чистая электрическая МВтэ и валовая МВтэ незначительно меняются от лета к зиме, поэтому обычно используется меньшее летнее значение или среднее значение. Если указано летнее значение, установки могут показывать коэффициент мощности более 100% в более прохладное время.Сообщается, что мощность реактора Watts Bar PWR в Теннесси составляет около 1125 МВт летом и около 1165 МВт нетто зимой из-за разной температуры охлаждающей воды конденсатора. Некоторые варианты конструкции, такие как приведение в действие основных больших насосов питательной воды с помощью электродвигателей (как в EPR или Hualong One), а не паровых турбин (забор пара до того, как он попадет в главный турбогенератор), объясняют некоторые общие и чистые различия между различными реакторами. типы. По этой причине EPR имеет относительно большое падение от брутто до нетто МВт, и, как отмечалось выше, Hualong One требуется 20 МВт для работы своих первичных насосов.

Связь между ними выражается двумя способами:

• Тепловой КПД%, отношение валовых МВтэ к МВт. Это связано с разницей в температуре пара из реактора и охлаждающей воды. В легководных реакторах она часто составляет 33-37%, а в последних PWR — 38%.
• Чистая эффективность%, отношение достигнутых чистых МВтэ к МВт. Это немного ниже и позволяет использовать растения.

На информационных страницах и цифрах Всемирной ядерной ассоциации и в статьях World Nuclear News, как правило, чистая МВтэ используется для действующих станций, а валовая МВтэ — для тех, которые находятся в стадии строительства или планируются / планируются.

Срок службы ядерных реакторов

Большинство современных атомных станций изначально были рассчитаны на срок эксплуатации 30 или 40 лет. Однако при крупных инвестициях в системы, конструкции и компоненты срок службы может быть увеличен, и в некоторых странах действуют активные программы по продлению срока эксплуатации. В США почти все из почти 100 реакторов получили лицензию на эксплуатацию с 40 до 60 лет. Это оправдывает значительные капитальные затраты на модернизацию систем и компонентов, включая создание дополнительных показателей производительности.Некоторые будут работать 80 лет и более.

Некоторые компоненты просто изнашиваются, корродируют или выходят из строя до низкого уровня эффективности. Их необходимо заменить. Парогенераторы являются наиболее известными и дорогостоящими из них, и многие из них были заменены примерно через 30 лет, тогда как в остальном реактор имеет перспективу проработать 60 или более лет. По сути, это экономическое решение. Компоненты меньшего размера легче заменить по мере их старения. В реакторах Candu замена напорных труб была произведена на некоторых заводах после 30 лет эксплуатации.

Вторая проблема — моральное устаревание. Например, на более старых реакторах есть аналоговые приборы и системы управления. Некоторые были заменены цифровыми системами. В-третьих, свойства материалов могут ухудшаться с возрастом, особенно при тепловом и нейтронном облучении. Что касается всех этих аспектов, необходимы инвестиции для поддержания надежности и безопасности. Кроме того, на старых станциях проводятся периодические проверки безопасности в соответствии с международными конвенциями и принципами безопасности, чтобы обеспечить соблюдение запаса прочности.

Другой важный вопрос — управление знаниями на протяжении всего жизненного цикла от проектирования, строительства и эксплуатации до вывода из эксплуатации реакторов и других объектов. Это может длиться столетие и охватывать несколько стран и несколько компаний. Срок службы завода охватит несколько поколений инженеров. Данные должны передаваться между несколькими поколениями программного обеспечения и ИТ-оборудования, а также передаваться другим операторам аналогичных заводов. * Существенные изменения могут быть внесены в конструкцию в течение всего срока службы завода, поэтому оригинальной документации недостаточно, и потеря базовых знаний проектирования может иметь огромные последствия ( e.грамм. Пикеринг А. и Брюс А. в Онтарио). Управление знаниями часто является совместной обязанностью и имеет важное значение для эффективного принятия решений и достижения безопасности и экономики станции.

* ISO15926 охватывает переносимость и функциональную совместимость для стандарта открытых данных жизненного цикла. Также EPRI в 2013 году опубликовал Advanced Nuclear Technology: New Nuclear Power Plant Information Handover Guide .

См. Также раздел Aging в документе «Безопасность растений».

Первичный теплоноситель

Появление некоторых из упомянутых выше конструкций дает возможность рассмотреть различные первичные теплоносители, используемые в ядерных реакторах. Есть большой выбор — газ, вода, легкие металлы, тяжелые металлы и соль:

Вода или тяжелая вода необходимо поддерживать при очень высоком давлении (1000-2200 фунтов на квадратный дюйм, 7-15 МПа, 150 атмосфер), чтобы он мог работать при температурах выше 100 ° C, до 345 ° C, как в существующих реакторах. Это имеет большое влияние на реакторную технику.Однако вода в сверхкритическом состоянии около 25 МПа может дать 45% тепловой КПД — как сегодня на некоторых электростанциях, работающих на ископаемом топливе, с выходными температурами 600 ° C, а при сверхкритических уровнях (30+ МПа) можно достичь 50%.

Водяное охлаждение паровых конденсаторов является стандартным для электростанций, потому что оно работает очень хорошо, относительно недорого и имеет огромную базу опыта. Вода (при давлении 75 атм) имеет хорошую теплоемкость — около 4000 кДж / м ³ — поэтому она намного эффективнее газа для отвода тепла, хотя ее теплопроводность меньше, чем у жидкостей.

Возможным вариантом этого является наличие высокой доли тяжелой воды в теплоносителе на ранней стадии топливного цикла, так что больше Pu-239 выделяется из U-238, тем самым продлевая цикл и улучшая использование урана. Это известно как управление спектральным сдвигом.

Гелий должен использоваться при аналогичном давлении (1000–2000 фунтов на квадратный дюйм, 7–14 МПа), чтобы поддерживать плотность, достаточную для эффективной работы. Однако даже при давлении 75 атм его теплоемкость составляет всего около 20 кДж / м ³ .Опять же, требующееся высокое давление имеет инженерные последствия, но его можно использовать в цикле Брайтона для непосредственного приведения в действие турбины.

Двуокись углерода использовалась в первых британских реакторах и их нынешних AGR, которые работают при гораздо более высоких температурах, чем легководные реакторы. Он плотнее, чем гелий, и, следовательно, дает лучшую эффективность термического преобразования. Он также протекает менее легко, чем гелий. Но при очень высоких температурах — например, в HTR — он выходит из строя, поэтому основное внимание уделяется гелию.В настоящее время проявляется интерес к сверхкритическому CO ₂ для цикла Брайтона.

Натрий , который обычно используется в реакторах на быстрых нейтронах при температуре около 550 ° C, плавится при 98 ° C и кипит при 883 ° C при атмосферном давлении, поэтому, несмотря на необходимость держать его в сухом состоянии, технические средства, необходимые для его удержания, относительно скромны. Обладает высокой теплопроводностью и высокой теплоемкостью — около 1000 кДж / м ³ при давлении 2 атм. Однако обычно вода / пар используется во вторичном контуре для привода турбины (цикл Ренкина) с более низким тепловым КПД, чем цикл Брайтона.В некоторых конструкциях натрий находится во вторичном контуре парогенераторов. Натрий не вызывает коррозии металлов, используемых в оболочке твэла или первого контура, ни самого топлива, если есть повреждение оболочки, но в целом он очень реактивен. В частности, он экзотермически реагирует с водой или паром с выделением водорода. Горит на воздухе, но гораздо менее энергично. Натрий имеет низкое поперечное сечение захвата нейтронов, но этого достаточно, чтобы некоторое количество Na-23 превратилось в Na-24, который является бета-излучателем и очень гамма-активным с периодом полураспада 15 часов, поэтому требуется некоторая защита.В большом реакторе с концентрацией натрия около 5000 т на ГВт (эл.) Активность Na-24 достигает равновесного уровня около 1 ТБк / кг — большой радиоактивный запас. Если реактор необходимо часто останавливать, в качестве хладагента можно использовать эвтектику NaK, которая является жидкой при комнатной температуре (около 13 ° C), но калий является пирофорным, что увеличивает опасность. Натрий примерно в шесть раз прозрачнее для нейтронов, чем свинец.

Свинец или эвтектика свинец-висмут в реакторах на быстрых нейтронах могут работать при более высоких температурах при атмосферном давлении.Они прозрачны для нейтронов, что способствует повышению эффективности из-за большего расстояния между топливными стержнями, что затем позволяет теплоносителю течь за счет конвекции для отвода остаточного тепла, а поскольку они не вступают в реакцию с водой, интерфейс теплообменника более безопасен. Они не горят на воздухе. Однако они вызывают коррозию оболочек твэлов и стали, которые изначально ограничивали температуру до 550 ° C. Сегодняшние материалы позволяют достичь 650 ° C, а в будущем на втором этапе разработки IV поколения с использованием оксидно-дисперсионно-упрочненных сталей предусматривается 800 ° C.Свинец и Pb-Bi имеют гораздо более высокую теплопроводность, чем вода, но ниже, чем натрий. Westinghouse разрабатывает концепцию быстрого реактора со свинцовым охлаждением, а LeadCold в Канаде также разрабатывает такой, используя новые сплавы алюминия и стали, обладающие высокой коррозионной стойкостью до 450 ° C. Состав Ti ₃ SiC ₂ (карбид кремния титана) рекомендуется для устойчивых к коррозии первичных цепей.

Хотя свинец имеет ограниченную активацию нейтронами, проблема с Pb-Bi заключается в том, что он дает токсичный продукт активации полония (Po-210), альфа-излучатель с периодом полураспада 138 дней.Pb-Bi плавится при относительно низкой температуре 125 ° C (отсюда эвтектика) и кипит при 1670 ° C, Pb плавится при 327 ° C и кипит при 1737 ° C, но его гораздо больше и дешевле производить, чем висмут, поэтому предполагается для крупномасштабного использования в будущем, хотя необходимо избегать замерзания. Развитие ядерной энергетики на основе реакторов на быстрых нейтронах, охлаждаемых Pb-Bi, вероятно, будет ограничено суммарной мощностью 50-100 ГВт, в основном для небольших реакторов в удаленных местах. В 1998 году Россия рассекретила большую часть исследовательской информации, полученной из ее опыта с реакторами на подводных лодках, и впоследствии интерес США к использованию Pb в целом или Pb-Bi для малых реакторов возрос.В реакторе Gen4 Module (Hyperion) будет использоваться эвтектика свинец-висмут, состоящая из 45% Pb и 55% Bi. Вероятен пар, вырабатывающий вторичный контур.

Подробную информацию о теплоносителях с эвтектикой свинец-висмут см. В отчете МАГАТЭ за 2013 год в разделе «Ссылки».

СОЛЬ: Фторидные соли кипят при температуре около 1400 ° C при атмосферном давлении, поэтому можно использовать несколько вариантов использования тепла, включая использование гелия во вторичном контуре цикла Брайтона с тепловым КПД от 48% при 750 ° C до 59% при температуре 1000 ° C, для производства водорода.Фторидные соли имеют очень высокую температуру кипения, очень низкое давление пара даже при красном нагреве, очень высокую объемную теплоемкость (4670 кДж / м ³ для FLiBe, выше, чем у воды при давлении 75 атм), хорошие свойства теплопередачи, низкий нейтронный поглощение, хорошая способность замедлять нейтроны, не повреждаются радиацией, химически очень стабильны, поэтому хорошо поглощают все продукты деления и не вступают в бурную реакцию с воздухом или водой, совместимы с графитом, а некоторые также инертны по отношению к некоторым обычным конструкционным металлам.Некоторое количество гамма-активного F-20 образуется в результате захвата нейтронов, но имеет очень короткий период полураспада (11 секунд).

Фторид лития и бериллия Li ₂ BeF ₄ (FLiBe) соль представляет собой эвтектическую версию LiF (2LiF + BeF2), которая затвердевает при 459 ° C и кипит при 1430 ° C. Он предпочтителен в системах первичного охлаждения MSR и AHTR / FHR, а в незагрязненном виде имеет низкий эффект коррозии. LiF без токсичного бериллия затвердевает при температуре около 500 ° C и кипит при температуре около 1200 ° C. FLiNaK (LiF-NaF-KF) также является эвтектическим и затвердевает при 454 ° C и кипит при 1570 ° C.Он имеет более высокое нейтронное сечение, чем FLiBe или LiF, но может использоваться в промежуточных контурах охлаждения.

Подробную информацию о расплавленных солевых теплоносителях, как только в качестве теплоносителя, так и в качестве носителей топлива, см. В отчете МАГАТЭ за 2013 год о проблемах, связанных с использованием жидкометаллических и расплавленных солевых теплоносителей в усовершенствованных реакторах — Отчет о совместном проекте COOL международного проекта по инновационным ядерным реакторам и топливным циклам (ИНПРО).

Хлоридные соли имеют преимущества в реакторах с расплавом солей с быстрым спектром действия, поскольку они обладают более высокой растворимостью актинидов, чем фториды.Хотя NaCl обладает хорошими ядерными, химическими и физическими свойствами, его высокая температура плавления означает, что его необходимо смешивать с MgCl ₂ или CaCl ₂ , причем первый предпочтителен в эвтектике и позволяет добавлять трихлориды актинида. Основной изотоп хлора, Cl-35, дает в качестве продукта активации Cl-36 — долгоживущий энергетический бета-источник, поэтому Cl-37 гораздо предпочтительнее в реакторе. В тепловых реакторах хлориды — только кандидаты для вторичных контуров охлаждения.

Все жидкие хладагенты низкого давления позволяют отводить все тепло при высоких температурах, поскольку перепад температуры в теплообменниках меньше, чем в газовых хладагентах.Кроме того, при хорошем разнице между рабочей температурой и температурой кипения легко достигается пассивное охлаждение остаточного тепла. Поскольку теплообменники протекают в небольшой степени, несовместимые теплоносители первого и второго контура могут стать проблемой. Чем меньше перепад давления в теплообменнике, тем меньше проблем.

Отвод пассивного остаточного тепла — жизненно важная функция систем первичного охлаждения, помимо теплопередачи для работы. Когда процесс деления останавливается, распад продуктов деления продолжается, и к активной зоне добавляется значительное количество тепла.В момент отключения это примерно 6,5% от уровня полной мощности, но через час он падает примерно до 1,5% из-за распада короткоживущих продуктов деления. Через сутки тепловыделение упадет до 0,4%, а через неделю будет всего 0,2%. Это тепло может расплавить активную зону легководного реактора, если оно не будет надежно рассеиваться, как показано в аварии на Фукусима-дайити в марте 2011 года, где около 1,5% тепла генерировалось, когда цунами отключило охлаждение. В пассивных системах используется конвекционный поток.Отвод остаточного тепла представляет собой большую проблему в реакторах с газовым охлаждением из-за низкой тепловой инерции, и это ограничивает размер отдельных блоков.

Теплообмен для различных теплоносителей первого контура — жидкие теплоносители низкого давления позволяют передавать больше тепла при более высоких температурах (Источник: Forsberg ¹ )

См. Также информационную страницу по охлаждающим электростанциям.

Охлаждающая вода, протекающая через активную зону реактора с водяным охлаждением, имеет некоторую радиоактивность, в основном из-за продукта активации азота-16, образующегося при захвате нейтронов из кислорода.N-16 имеет период полураспада всего 7 секунд, но при распаде производит высокоэнергетическое гамма-излучение. Это причина того, что доступ в машинный зал BWR ограничен во время реальной эксплуатации.

Способность выдерживать нагрузку

Атомные электростанции лучше всего эксплуатировать в непрерывном режиме на высокой мощности для удовлетворения требований базовой нагрузки в энергосистеме. Если их выходная мощность увеличивается и уменьшается на ежедневной и еженедельной основе, эффективность снижается, и в этом отношении они аналогичны большинству угольных электростанций.(Также неэкономично запускать их на меньшей, чем полная мощность, поскольку они дороги в строительстве, но дешевы в эксплуатации.) Однако в некоторых ситуациях необходимо регулярно изменять производительность в соответствии с дневными и еженедельными циклами нагрузки, например, во Франции, где очень сильно полагается на ядерную энергию. Areva разработала свою усовершенствованную систему управления слежением за нагрузкой для PWR, которая автоматически регулирует электрическую мощность установки в соответствии с потребностями оператора сети. Он включает в себя обновление программного обеспечения системы управления реактором, которое изменяет производительность установки от 50% до 100% от ее установленной мощности без вмешательства оператора.С 2008 года Areva NP установила эту технологию на четырех немецких атомных энергоблоках: Philippsburg 2 (сейчас остановлен), Isar 2, Brokdorf и Grohnde, а также на Goesgen в Швейцарии.

BWR можно заставить достаточно легко следовать нагрузкам без неравномерного сжигания активной зоны, путем изменения расхода теплоносителя. Слежение за нагрузкой не так легко достигается в PWR, но особенно во Франции с 1981 года используются так называемые «серые» стержни управления. Способность PWR работать на мощности ниже полной в течение большей части времени зависит от того, находится ли он в начале своего 18-24-месячного цикла дозаправки или в конце его, а также от того, спроектирован ли он со специальными стержнями управления, которые уменьшить уровни мощности по всей активной зоне, не выключая ее.Таким образом, хотя способность любого отдельного реактора PWR работать на постоянной основе на малой мощности заметно снижается по мере прохождения цикла перегрузки топлива, существуют значительные возможности для эксплуатации парка реакторов в режиме следования за нагрузкой. Европейские энергетические требования (EUR) с 2001 года определяют, что реакторы новой конструкции должны выдерживать нагрузку от 50 до 100% мощности со скоростью изменения электрической мощности 3-5% в минуту. Экономические последствия в основном связаны с уменьшением коэффициента загрузки капиталоемкого завода.Дополнительную информацию можно найти на информационной странице «Атомная энергия во Франции» и в отчете Агентства по ядерной энергии 2011 г. «Технические и экономические аспекты отслеживания нагрузки на атомных электростанциях».

По мере появления в будущем реакторов на быстрых нейтронах их способность слежения за нагрузкой станет преимуществом.

Реакторы ядерные для технологического тепла

Производство пара для привода турбины и генератора относительно просто, и легководный реактор, работающий при температуре 350 ° C, легко справляется с этим.Как показано в приведенном выше разделе и на рисунке, для более высоких температур требуются другие типы реакторов. В документе Министерства энергетики США от 2010 года указано 500 ° C для реактора с жидкометаллическим охлаждением (FNR), 860 ° C для реактора с расплавленной солью (MSR) и 950 ° C для высокотемпературного реактора с газовым охлаждением (HTR). Реакторы с более низкой температурой могут использоваться с дополнительным подогревом газа для достижения более высоких температур, хотя использование LWR было бы непрактичным или экономичным. Министерство энергетики заявило, что высокие температуры на выходе из реактора в диапазоне от 750 до 950 ° C необходимы для удовлетворения всех требований конечных пользователей, оцененных на сегодняшний день для АЭС следующего поколения.

Для получения дополнительной информации см. Страницу «Ядерное тепло для промышленности».

Реакторы примитивные

Самый старый из известных ядерных реакторов в мире работал на территории нынешнего Окло в Габоне, Западная Африка. Около 2 миллиардов лет назад по крайней мере 16 естественных ядерных реакторов достигли критичности в высокосортном месторождении урановой руды (17 ^th находились на месторождении Бангомбе в 30 км). Каждый работал с перерывами на тепловой мощности около 20 кВт, реакция прекращалась всякий раз, когда вода превращалась в пар, так что она перестала действовать как замедлитель.В то время концентрация U-235 во всем природном уране составляла около 3,6% вместо 0,7%, как сейчас. (U-235 распадается намного быстрее, чем U-238, период полураспада которого примерно равен возрасту Земли. Когда Земля образовалась, U-235 составлял около 30% урана.) Эти естественные цепные реакции начинались спонтанно и в целом продолжалось в течение одного или двух миллионов лет, прежде чем окончательно умереть. Похоже, что каждый реактор работал импульсами продолжительностью около 30 минут. По оценкам, было произведено около 130 ТВтч тепла.(Реакторы были обнаружены, когда анализы добытого урана показали только 0,717% U-235 вместо 0,720%, как повсюду на планете. Дальнейшие исследования выявили определенные зоны реакторов с уровнями U-235 до 0,44%. Были также значительные концентрации нуклиды распада из продуктов деления как урана, так и плутония.)

В течение этого длительного периода реакции в рудном теле образовалось около 5,4 тонны продуктов деления, а также до двух тонн плутония вместе с другими трансурановыми элементами.Первоначальные радиоактивные продукты уже давно распались на стабильные элементы, но тщательное изучение их количества и местонахождения показало, что движение радиоактивных отходов во время и после ядерных реакций было незначительным. Плутоний и другие трансурановые соединения оставались неподвижными.

---

Ссылки и примечания

Общие источники

Уилсон П.Д., Ядерный топливный цикл, ОУП (1996)
Алекс П. Мешик, Работа древнего ядерного реактора, Scientific American (26 января 2009 г .; первоначально опубликовано в выпуске Scientific American за октябрь 2005 г.)
Эвелин Мервин, Ядерные реакторы природы: 2 миллиарда лет назад естественные реакторы деления в Габоне, Западная Африка, Scientific American (13 июля 2011 г.) 2011)
Международное агентство по атомной энергии, Проблемы, связанные с использованием жидких металлов и расплавленных солей теплоносителей в усовершенствованных реакторах — Отчет о совместном проекте COOL Международного проекта по инновационным ядерным реакторам и топливным циклам (ИНПРО), IAEA-TECDOC-1696 (май 2013 г.) )

Список литературы

1.К. В. Форсберг, П. Ф. Петерсон и П. С. Пикард, Усовершенствованный высокотемпературный реактор с жидкостным охлаждением для производства водорода и электроэнергии, Nuclear Technology , Американское ядерное общество (май 2003 г.) [Назад]

Многообразие использования ядерных технологий

(обновлено в мае 2021 г.)

• Первая электростанция, производящая электричество за счет тепла от расщепления атомов урана, начала работать в 1950-х годах. Сегодня большинство людей осведомлено о важном вкладе ядерной энергии в обеспечение значительной части мировой электроэнергии с низким содержанием углерода.
• Применение ядерных технологий за пределами гражданского производства электроэнергии на электростанциях менее известно.
• Радиоизотопы, технологическое тепло ядерной энергии и нестационарные энергетические реакторы имеют важное применение во многих секторах, включая потребительские товары, продовольствие и сельское хозяйство, промышленность, медицину и научные исследования, транспорт, водные ресурсы и окружающую среду.

Радиоизотопы

Изотопы — это варианты данного химического элемента, которые имеют ядра с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов.Некоторые изотопы называют «стабильными», поскольку они не меняются с течением времени. Другие являются «нестабильными» или радиоактивными, поскольку их ядра со временем меняются из-за потери альфа- и бета-частиц. Свойства естественно распадающихся атомов, известные как «радиоизотопы», дают таким атомам несколько применений во многих аспектах современной жизни.

Первое практическое применение радиоизотопа было сделано венгром по имени Джордж де Хевеши в 1911 году. В то время де Хевеши был молодым студентом, который работал в Манчестере и изучал естественно радиоактивные материалы.Не имея больших денег, он жил в скромных комнатах и ​​ел вместе с квартирной хозяйкой. Он начал подозревать, что некоторые из блюд, которые появлялись регулярно, могли быть приготовлены из остатков с предыдущих дней или даже недель, но он никогда не мог быть уверен. Чтобы попытаться подтвердить свои подозрения, де Хевеши поместил небольшое количество радиоактивного материала в остатки еды. Несколько дней спустя, когда то же блюдо было подано снова, он использовал простой прибор для обнаружения радиации — электроскоп с золотым листом — чтобы проверить, была ли еда радиоактивной.Так оно и было, и подозрения де Хевеши подтвердились.

История забыла о домовладелице, но Жорж де Хевеши получил Нобелевскую премию в 1943 году и премию «Атом во имя мира» в 1959 году. Он впервые применил радиоактивные индикаторы — теперь это обычное дело в науке об окружающей среде.

Поставка радиоизотопов

Основными поставщиками изотопов являются Mallinckrodt Pharmaceuticals (Ирландия), MDS Nordion (Канада), IRE (Европа), NTP (Южная Африка), Isotop-NIIAR (Россия) и ANSTO (Австралия).

Большинство медицинских радиоизотопов, производимых в ядерных реакторах, поступает из относительно небольшого числа исследовательских реакторов, в том числе:

• HFR в Петтене в Нидерландах (поставляется через IRE и Mallinckrodt).
• BR-2 в Моле в Бельгии (поставлено через IRE и Mallinckrodt).
• Мария в Польше (поставлено Mallinckrodt).
• Orphee в Сакле во Франции (поставлено через IRE).
• FRJ-2 / FRM-2 в Юлихе в Германии (поставлено через IRE).
• LWR-15 в Резе в Чехии.
• HFETR в Чэнду, Китай.
• Safari в ЮАР (поставлено NTP).
• OPAL в Австралии (поставляется ANSTO на внутренний рынок, экспорт с 2016 г.).
• ETRR-2 в Египте (готовится к поставке на внутренний рынок).
• Димитровград в России (Изотоп-НИИАР).

Из радиоизотопов деления подавляющее большинство спроса приходится на Mo-99 (для Tc-99m), а мировой рынок составляет около 550 миллионов долларов в год.Около 40% его поставляет MDS Nordion, 25% — Mallinckrodt (ранее Covidien), 17% — IRE и 10% — NTP. Более половины Mo-99 было произведено в двух реакторах: NRU в Канаде (30-40%, но производство было прекращено в октябре 2016 года) и HFR в Нидерландах (30%). Остальные — BR-2 в Бельгии (10%), Мария в Польше (5%), Safari-1 в Южной Африке (10-15%), Opal в Австралии (рост до 20% с середины 2016 года) и до конца 2015 года Осирис во Франции (5%). Производительность каждого из них зависит от графиков технического обслуживания.

Россия стремится увеличить свою долю в мировых поставках, и в 2012 году около 66% произведенных ею радиоизотопов было экспортировано. Для I-131 75% от IRE, 25% от NTP.

Мировой спрос на Mo-99 в 2012 году составлял 23 000 шестидневных ТБк / год *, но с тех пор, по-видимому, снизился примерно до 19 500. Mo-99 в основном производится путем деления мишеней из U-235 в исследовательском ядерном реакторе, большая часть которого (75% в 2016 году) с использованием мишеней из высокообогащенного урана (ВОУ). Затем мишени обрабатываются для отделения Mo-99, а также для извлечения I-131.OPAL, Safari и все чаще другие реакторы, такие как Maria, используют мишени из низкообогащенного урана (НОУ), что увеличивает производственные затраты примерно на 20%. Однако в медицинской визуализации стоимость самого Mo-99 невелика по сравнению с больничными расходами. Mo-99 также можно получить путем бомбардировки Mo-98 нейтронами в реакторе. Однако этот активационный Мо-99 имеет относительно низкую удельную активность, максимум 74 ГБк / г (в зависимости от нейтронного потока, доступного в реакторе), по сравнению с 185 ТБк / г или более для обычного Mo-99, произведенного делением.

* 23000 шестидневных ТБк на основе активности в шесть дней от контрольной точки производства, , то есть (учитывая период полураспада 66 часов) 22% от примерно 104000 ТБк. Это еще примерно два дня после окончания облучения, поэтому в реакторе необходимо произвести около 170 000 ТБк, чтобы обеспечить охлаждение, обработку и распад на пути к пользователям.

См. Также информационный документ по исследовательским реакторам.

Сельское хозяйство

См. Также информационный документ по радиоизотопам в продовольствии и сельском хозяйстве .

По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО), около 795 миллионов человек (каждый девятый) страдали от хронического недоедания в 2014–2016 годах. Радиоизотопы и радиация, используемые в производстве продуктов питания и сельском хозяйстве, помогают снизить эти цифры.

Помимо прямого улучшения производства продуктов питания, сельское хозяйство должно быть устойчивым в долгосрочной перспективе. ФАО работает с МАГАТЭ над программами улучшения продовольственной устойчивости с помощью ядерных и связанных с ними биотехнологий.

Селекция с мутациями растений

Селекция с мутациями растений — это процесс воздействия на семена или черенки данного растения радиации, такой как гамма-лучи, с целью вызвать мутации. Затем облученный материал культивируют для получения проростка. Саженцы отбираются и размножаются, если они проявляют желаемые признаки. Процесс селекции с помощью маркеров (или селекции с помощью молекулярных маркеров) используется для определения желаемых признаков на основе генов. Использование излучения существенно усиливает естественный процесс спонтанной генетической мутации, значительно сокращая время, которое на это требуется.

Страны, которые использовали селекцию растений с мутациями, часто получали огромные социально-экономические выгоды. В Бангладеш новые сорта риса, полученные путем мутационной селекции, за последние несколько десятилетий увеличили урожай в три раза. В период быстрого роста населения использование ядерных методов позволило Бангладеш и значительной части Азии в целом достичь продовольственной безопасности и улучшить питание.

Удобрения

Удобрения дорогие и при неправильном использовании могут нанести вред окружающей среде.Важно, чтобы как можно больше использованных удобрений было «закреплено» в растении и чтобы минимальные потери были потеряны для окружающей среды. «Маркировка» удобрений определенным изотопом (, например, азот-15) позволяет определить, сколько из них было поглощено растениями, что позволяет лучше контролировать использование удобрений.

Борьба с насекомыми

Оценки потерь урожая насекомыми различаются, но обычно значительны. Несмотря на широкое использование инсектицидов, потери, вероятно, составят порядка 10% во всем мире и часто значительно выше в развивающихся странах.Один из подходов к сокращению численности насекомых в сельском хозяйстве заключается в использовании генетически модифицированных культур, так что требуется гораздо меньше инсектицидов. Другой подход — отключить насекомых.

Радиация используется для борьбы с популяциями насекомых с помощью метода стерильных насекомых (МСН). МСН включает выращивание больших популяций насекомых, стерилизованных облучением (гамма- или рентгеновскими лучами), и внедрение их в естественные популяции. Бесплодные насекомые остаются сексуально конкурентоспособными, но не могут производить потомство.Метод SIT является экологически чистым и оказался эффективным средством борьбы с вредителями даже там, где массовое применение пестицидов не удалось. Международная конвенция по защите растений признает преимущества МСН и классифицирует насекомых как полезные организмы.

SIT был впервые разработан в США и успешно используется более 60 лет. В настоящее время SIT применяется на шести континентах. С момента своего появления SIT успешно контролирует популяции ряда известных насекомых, включая комаров, моль, муху, муху цеце и различных плодовых мух (средиземноморскую плодовую муху, мексиканскую плодовую муху, восточную плодовую муху и бахчевую муху).

Самое последнее широко известное применение МСН было связано с борьбой со смертельным вирусом Зика в Бразилии и в более широком регионе Латинской Америки и Карибского бассейна (см. Также «Борьба с насекомыми» в разделе Medicine ниже).

Три организации ООН — МАГАТЭ, ФАО, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) — вместе с заинтересованными правительствами продвигают новые программы МСН во многих странах.

Товары народного потребления

См. Также информационный документ «Радиоизотопы в потребительских товарах».

Функционирование многих обычных потребительских товаров зависит от использования небольших количеств радиоактивного материала. Детекторы дыма, часы и антипригарные материалы, среди прочего, используют в своей конструкции природные свойства радиоизотопов.

Одно из наиболее распространенных применений радиоизотопов сегодня — это домашние детекторы дыма. Они содержат небольшое количество америция-241, который является продуктом распада плутония-241, образующегося в ядерных реакторах. Am-241 испускает альфа-частицы, которые ионизируют воздух и пропускают ток между двумя электродами.Если дым попадает в детектор, он поглощает альфа-частицы и прерывает ток, вызывая тревогу.

Еда

См. Также информационный документ о радиоизотопах в продовольствии и сельском хозяйстве.

Облучение пищевых продуктов

Около 25-30% собранных продуктов питания теряется в результате порчи, прежде чем их можно будет употребить в пищу. Эта проблема особенно распространена в жарких и влажных странах.

Облучение пищевых продуктов — это процесс воздействия на продукты гамма-излучения с целью уничтожения бактерий, вызывающих пищевые заболевания, и увеличения срока хранения.Во всех частях мира растет использование технологий облучения для сохранения продуктов питания. Более 60 стран мира ввели правила, разрешающие использование облучения для пищевых продуктов.

Помимо предотвращения порчи, облучение может задерживать созревание фруктов и овощей, продлевая их срок хранения, а также помогает бороться с вредителями. Его способность контролировать вредителей и сокращать требуемые карантинные периоды стала основным фактором, побудившим многие страны принять методы облучения пищевых продуктов.

Промышленность

См. Также информационный документ «Радиоизотопы в промышленности».

Промышленные трассеры

Радиоизотопы используются производителями в качестве индикаторов для контроля потока и фильтрации жидкости, обнаружения утечек и измерения износа двигателя и коррозии технологического оборудования. Небольшие концентрации короткоживущих изотопов могут быть обнаружены, в то время как в окружающей среде не остается никаких остатков. Добавляя небольшие количества радиоактивных веществ к материалам, используемым в различных процессах, можно изучать смешивание и скорость потока широкого диапазона материалов, включая жидкости, порошки и газы, а также определять места утечек.

Контроль и приборы

Радиоактивные материалы используются для проверки металлических деталей и целостности сварных швов в различных отраслях промышленности. Например, новые системы нефте- и газопроводов проверяются путем размещения радиоактивного источника внутри трубы и пленки за пределами сварных швов.

Датчики, содержащие радиоактивные (обычно гамма) источники, широко используются во всех отраслях промышленности, где необходимо проверять уровни газов, жидкостей и твердых веществ. Они измеряют количество излучения от источника, которое было поглощено материалами.Эти датчики наиболее полезны там, где тепло, давление или коррозионные вещества, такие как расплавленное стекло или расплавленный металл, делают невозможным или затруднительным использование датчиков прямого контакта.

Возможность использовать радиоизотопы для точного измерения толщины широко используется при производстве листовых материалов, включая металл, текстиль, бумагу, пластмассы и другие. Плотномеры используются там, где важен автоматический контроль жидкости, порошка или твердого вещества, например, при производстве моющих средств.

Углеродное датирование

Анализ относительного содержания конкретных радиоизотопов природного происхождения имеет жизненно важное значение для определения возраста горных пород и других материалов, представляющих интерес, в частности, для геологов, антропологов, гидрологов и археологов.

Опреснение

См. Также информационный документ по ядерному опреснению.

Питьевая вода — главный приоритет в устойчивом развитии. Если его невозможно получить из ручьев и водоносных горизонтов, требуется опреснение морской воды, минерализованных грунтовых вод или городских сточных вод. В настоящее время в большинстве случаев опреснения используется ископаемое топливо, что способствует повышению уровня парниковых газов. Возможность создания интегрированных ядерных опреснительных установок подтверждена более чем 150 реакторно-летним опытом, главным образом в Казахстане, Индии и Японии.Широкомасштабное внедрение ядерного опреснения на коммерческой основе с реакторами, построенными в первую очередь для этой цели, будет зависеть от экономических факторов

Медицина

См. Также информационный документ «Радиоизотопы в медицине».

Многие люди знают о широком использовании излучения и радиоизотопов в медицине, особенно для диагностики (идентификации) и терапии (лечения) различных заболеваний. В развитых странах примерно один человек из 50 использует диагностическую ядерную медицину каждый год, а частота терапии радиоизотопами составляет примерно одну десятую от этой частоты.

Диагностика

Диагностические методы в ядерной медицине используют радиофармпрепараты (или радиоиндикаторы), которые испускают гамма-лучи изнутри тела. Эти индикаторы обычно представляют собой короткоживущие изотопы, связанные с химическими соединениями, которые позволяют тщательно исследовать определенные физиологические процессы.

В зависимости от типа исследования радиоактивные индикаторы вводятся в организм, проглатываются или вдыхаются в газообразной форме. Эмиссия радиоиндикаторов обнаруживается устройством визуализации, которое предоставляет изображения и молекулярную информацию.Наложение изображений ядерной медицины на сканирование компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ) может предоставить врачам исчерпывающий обзор для помощи в постановке диагноза.

Преимущество ядерных методов перед рентгеновскими лучами состоит в том, что можно очень успешно визуализировать как кости, так и мягкие ткани.

Наиболее широко используемым диагностическим радиоизотопом является технеций-99m с периодом полураспада шесть часов, который дает пациенту очень низкую дозу облучения. Такие изотопы идеально подходят для отслеживания многих процессов в организме с минимальным дискомфортом для пациента.Они широко используются для выявления опухолей и изучения сердца, легких, печени, почек, кровообращения и объема, а также структуры костей.

Терапия

Ядерная медицина используется также в терапевтических целях. Чаще всего радиоактивный йод (I-131) используется в небольших количествах для лечения рака и других состояний, поражающих щитовидную железу.

Радиоизотопы используются в терапии сравнительно немного, но они важны. Раковые образования чувствительны к повреждению излучением, которое может быть внешним (с использованием гамма-луча от источника кобальта-60) или внутренним (с использованием небольшого источника гамма- или бета-излучения).Лучевая терапия ближнего действия известна как брахитерапия, и она становится основным средством лечения. Многие терапевтические процедуры являются паллиативными, обычно для облегчения боли.

Новое направление — таргетная альфа-терапия (ТАТ), особенно для борьбы с рассеянным раком. Короткий диапазон очень энергичных альфа-излучений в ткани означает, что большая часть этой радиационной энергии попадает в целевые раковые клетки, как только носитель, такой как моноклональные антитела, доставил альфа-излучающий радионуклид точно в нужные места.

Стерилизация

Больницы используют гамма-излучение для стерилизации медицинских изделий и принадлежностей, таких как шприцы, перчатки, одежда и инструменты, которые в противном случае были бы повреждены тепловой стерилизацией.

Многие медицинские изделия сегодня стерилизуются гамма-лучами из источника кобальта-60, метод, который, как правило, намного дешевле и эффективнее, чем стерилизация паром. Одноразовый шприц является примером продукта, стерилизованного гамма-лучами. Поскольку это «холодный» процесс, излучение может использоваться для стерилизации ряда чувствительных к нагреванию предметов, таких как порошки, мази и растворы, а также биологических препаратов, таких как кости, нервы, кожа, и т. Д. , используемые в тканевые трансплантаты.

Польза для человечества от стерилизации радиацией огромна. Это безопаснее и дешевле, потому что это можно сделать после того, как товар будет упакован. В этом случае срок хранения продукта в стерильных условиях практически неограничен, если упаковка не вскрыта. Помимо шприцев, медицинские изделия, стерилизованные радиацией, включают вату, ожоговые повязки, хирургические перчатки, сердечные клапаны, повязки, пластиковые и резиновые листы и хирургические инструменты.

Борьба с насекомыми

Помимо борьбы с сельскохозяйственными вредителями (см. Раздел Agriculture выше), МСН нашла важное применение в борьбе с насекомыми-переносчиками болезней.В последнее время SIT широко применяется в борьбе со смертельным вирусом Зика в Бразилии и в более широком регионе Латинской Америки и Карибского бассейна. После вспышки заболевания пострадавшие страны обратились к МАГАТЭ с просьбой о срочной поддержке в разработке установленного метода подавления популяций комаров-переносчиков болезней. МАГАТЭ отреагировало, предоставив экспертные рекомендации, всестороннее обучение и способствуя доставке облучателей гамма-клеток в Бразилию.

Источник: МАГАТЭ

Транспорт

Суда с атомными двигателями

Ядерная энергия особенно подходит для судов, которым необходимо длительное время находиться в море без дозаправки, или для мощных подводных двигателей.Большинство из примерно 140 кораблей с малыми ядерными реакторами — это подводные лодки, но они варьируются от ледоколов до авианосцев.

См. Также информационный документ о судах с ядерными двигателями.

Реакторы ядерные космические

Радиоизотопные термогенераторы (РИТЭГ) используются в космических полетах. Тепло, выделяемое при распаде радиоактивного источника, часто плутония-238, используется для выработки электроэнергии. Космические зонды «Вояджер», миссия «Кассини» на Сатурн, миссия «Галилео» к Юпитеру и миссия «Новые горизонты» к Плутону — все они работают на РИТЭГах.Марсоходы Spirit и Opportunity использовали сочетание солнечных панелей для электричества и РИТЭГов для тепла. Последний марсоход Curiosity намного больше и использует ритэги для отопления и электричества, поскольку солнечные батареи не смогут обеспечить достаточное количество электроэнергии.

См. Также информационный документ по ядерным реакторам в космосе.

Водород, электричество и автомобили

В будущем электричество или тепло атомных электростанций можно будет использовать для производства водорода.Водород можно использовать в топливных элементах для питания автомобилей или сжигать для получения тепла вместо газа без выбросов, которые могли бы вызвать изменение климата.

См. Также информационный документ по транспорту и водородной экономике.

Водные ресурсы и окружающая среда

См. Также информационный документ «Радиоизотопы в водных ресурсах и окружающей среде».

Экологические индикаторы

Радиоизотопы играют важную роль в обнаружении и анализе загрязнителей.Ядерные методы применялись для решения целого ряда проблем загрязнения, включая образование смога, загрязнение атмосферы двуокисью серы, рассеивание сточных вод из устьев океана и разливов нефти.

Водные ресурсы

Достаточное количество питьевой воды необходимо для жизни. Однако во многих частях мира пресной воды всегда было мало, а в других становится все меньше.

Методы изотопной гидрологии позволяют точно отслеживать и измерять объем подземных водных ресурсов.Такие методы предоставляют важные аналитические инструменты для управления и сохранения существующих запасов воды, а также для выявления новых источников. Они дают ответы на вопросы о происхождении, возрасте и распределении грунтовых вод, а также о взаимосвязях между грунтовыми и поверхностными водами и системами подпитки водоносных горизонтов. Результаты позволяют планировать и устойчивое управление этими водными ресурсами. Что касается поверхностных вод, они могут предоставить информацию об утечках через плотины и ирригационные каналы, динамике озер и водохранилищ, расходах, речных расходах и скорости осаждения.Нейтронные зонды могут очень точно измерять влажность почвы, что позволяет лучше управлять землями, подверженными засолению, особенно в отношении орошения.

Сохранение

Rhisotope Project исследует возможности использования радиоизотопов для предотвращения браконьерства на носорогов. Университет Витватерсранда в сотрудничестве с Австралийской организацией по ядерной науке и технологиям (Ansto), Государственным университетом Колорадо, Росатом и Корпорацией ядерной энергии Южной Африки (Necsa) изучает возможность введения следовых количеств стабильных изотопов в рога носорогов, чтобы воспрепятствовать браконьерству и повысить шансы на выявление и арест контрабандистов.При запуске проекта в мае 2021 года Росатом заявил: «Эксперты уверены, что с более чем 10 000 устройств обнаружения радиации в различных портах въезда по всему миру, этот проект сделает транспортировку рога невероятно сложной и существенно увеличит вероятность выявления и задержания контрабандистов «.

Справочная информация о побочных продуктах | NRC.gov

Версия для печати

Комиссия по ядерному регулированию призвана обеспечить безопасное использование радиоактивных материалов.NRC и его предшественник, Комиссия по атомной энергии, регулируют использование радиоактивных материалов с 1946 года. «Побочные продукты», один из видов, регулируемых NRC, имеют коммерческое, медицинское и академическое применение.

Есть четыре категории побочных продуктов: Радиоактивный материал, образующийся в результате деления или расщепления обогащенного урана или плутония в ядерных реакторах.Примеры включают кобальт-60, цезий-137 и иридий-192. Хвосты или отходы переработки урана или тория из руды. Определенный обработанный радий-226 или материал, который становится радиоактивным в ускорителе частиц, используемом для коммерческой, медицинской или исследовательской деятельности. Примеры включают фтор-18, кобальт-57 и йод-123. Естественный радиоактивный источник, который обрабатывается для повышения его концентрации и который, по мнению Комиссии, может представлять угрозу для людей и окружающей среды, подобную той, что существует с радием-226.

Использование побочных продуктов

Лицензиаты используют побочные продукты в гражданских и военных работах. Они используются в промышленной радиографии, датчиках и каротажных исследованиях. Общественность также использует их в таких продуктах, как детекторы дыма, некоторые знаки выхода, статические нейтрализаторы и некоторые светящиеся циферблаты часов. Лицензиаты в области медицины используют материалы побочных продуктов в более чем 20 миллионах процедур каждый год. Они помогают диагностировать и лечить пациентов в больницах, клиниках или кабинетах врачей.Колледжи, университеты и другие учреждения используют материалы побочных продуктов в курсовой работе и исследованиях.

Безопасность

После террористических атак 11 сентября NRC повысила требования к безопасности для наиболее радиоактивных побочных продуктов. Сначала агентство отдало приказы лицензиатам. Позже он формализовал требования в новом постановлении 10 CFR Part 37, опубликованном в марте 2013 года. Меры безопасности включают проверку биографических данных, контроль доступа персонала, барьеры безопасности, обнаружение несанкционированного доступа и ответные меры вооруженных правоохранительных органов.NRC и государственные регулирующие органы проводят периодические проверки, чтобы убедиться, что лицензии соответствуют этим требованиям.

Радиографические камеры обнаруживают трещины в металле или трубе

Регулирующие побочные продукты

Материалы побочных продуктов регулируются NRC и 37 штатами, которые подписали соглашения с NRC, дающие им такие полномочия. Эти государства, известные как государства-соглашения, выдают лицензии и регулируют деятельность около 20 000 лицензиатов на материалы.NRC также имеет полномочия по обеспечению безопасности, импорту и экспорту, а также освобождению от налогообложения потребительских товаров, что позволяет использовать их без специальной лицензии NRC. NRC регулирует использование побочных продуктов в 13 штатах, не подписавших Соглашение, в округе Колумбия, Пуэрто-Рико и на других территориях США. NRC также регулирует его использование федеральными лицензиатами во всех штатах. В целом, NRC контролирует около 2700 лицензий на побочные продукты. NRC ежегодно рассматривает около 2000 действий по лицензированию материалов, включая новые приложения, поправки к существующим лицензиям, продление лицензий, а также обзоры закрытых источников и устройств.СРН ежегодно проверяет около 900 лицензиатов на материалы.

NRC проводит большую часть своей деятельности по лицензированию материалов и инспектированию из своих региональных офисов. В штаб-квартире NRC Управление по безопасности и гарантиям ядерных материалов наблюдает за программой и обеспечивает техническую поддержку и руководство. Офис периодически оценивает техническую адекватность, последовательность и своевременность как региональных, так и государственных программ, чтобы гарантировать, что они защищают здоровье и безопасность.

Январь 2020

Страница Последняя редакция / обновление 14 сентября 2021 г., вторник

Ядерный топливный цикл — Управление энергетической информации США (EIA)

Ядерный топливный цикл состоит из начальных стадий, которые подготавливают уран для использования в ядерных реакторах, и вспомогательных шагов для безопасного обращения, подготовки и утилизации использованных — или отработанных — но все еще высокорадиоактивных отработавших ядер топливо.

Уран является наиболее широко используемым топливом на атомных электростанциях для деления ядер. Атомные электростанции используют в качестве топлива определенный тип урана — U-235, поскольку его атомы легко расщепляются. Хотя уран примерно в 100 раз более распространен, чем серебро, U-235 относительно редок и составляет чуть более 0,7% от природного урана. Урановый концентрат отделяется от урановой руды на урановых заводах или от пульпы на установках подземного выщелачивания. Затем он перерабатывается на установках по конверсии и обогащению, что увеличивает уровень U-235 до 3–5% для коммерческих ядерных реакторов, и превращается в топливные таблетки и топливные стержни реакторов на заводах по изготовлению реакторного топлива.

Ядерное топливо загружается в реакторы и используется до тех пор, пока тепловыделяющие сборки не станут высокорадиоактивными и должны быть удалены для временного хранения и возможного захоронения. Химическая обработка отработавшего топливного материала для извлечения любого оставшегося продукта, который может снова подвергнуться делению в новой тепловыделяющей сборке, технически возможна, но не разрешена в Соединенных Штатах.

Источник: Центр радиационной науки и инженерии Государственного университета Пенсильвании (общественное достояние)

Начальная стадия ядерного топливного цикла

Разведка

Ядерный топливный цикл начинается с разведки урана и разработки рудников для добычи урановой руды.Для определения местоположения урана используются различные методы, такие как радиометрические исследования с воздуха, химический отбор проб подземных вод и почв, а также разведочное бурение, чтобы понять лежащую в основе геологию. После обнаружения месторождений урановой руды разработчик рудника обычно проводит более близко расположенное насыпное, или эксплуатационное бурение, чтобы определить, сколько урана доступно и сколько может стоить его извлечение.

Добыча урана

• подземная добыча
• горные работы открытым способом
• разработка решений на месте (на месте)
• кучное выщелачивание

До 1980 г. большинство U.S. уран добывался открытым и подземным способом. Сегодня большая часть урана в США производится с использованием технологии добычи из раствора, обычно называемой выщелачиванием на месте (ISL) или извлечением на месте (ISR). В ходе этого процесса извлекается уран, который покрывает частицы песка и гравия подземных водоемов. Частицы песка и гравия подвергаются воздействию раствора с немного повышенным pH за счет использования кислорода, углекислого газа или каустической соды. Уран растворяется в грунтовых водах, которые откачиваются из резервуара и обрабатываются на урановой мельнице.Кучное выщелачивание включает распыление кислого жидкого раствора на груды измельченной урановой руды. Раствор стекает через измельченную руду и выщелачивает уран из породы, который извлекается из-под кучи. Кучное выщелачивание больше не используется в США.

Источник: Комиссия по ядерному регулированию США (общественное достояние)

В 2020 году около 48,6 миллиона фунтов урана (эквивалент U ₃ O ₈ ) было загружено в коммерческий U.С. Ядерные энергетические реакторы.

Производство урана

После извлечения урановой руды из карьера или подземного рудника она перерабатывается в урановый концентрат на урановой фабрике. Руда измельчается, измельчается и измельчается в мелкий порошок. К мелкодисперсному порошку добавляются химические вещества, в результате чего уран отделяется от других минералов. Подземные воды от операций по добыче раствора циркулируют через слой смолы для извлечения и концентрирования урана.

Несмотря на название, концентрированный урановый продукт обычно представляет собой вещество черного или коричневого цвета, называемое желтый кек (U ₃ O ₈ ). Добытая урановая руда обычно дает от одного до четырех фунтов U ₃ O ₈ на тонну руды, или от 0,05% до 0,20% желтого кека. Твердые отходы карьерных и подземных горных работ называются хвостами мельницы . Обработанная вода от добычи раствора возвращается в резервуар подземных вод, где процесс добычи повторяется.

Конверсия урана

Следующим этапом в ядерном топливном цикле является преобразование желтого кека в газ гексафторида урана (UF ₆ ) на конвертерной установке. В природе встречаются три формы (изотопы) урана: U-234, U-235 и U-238. Современные конструкции ядерных реакторов в США требуют более высокой концентрации (обогащения) изотопа U-235 для эффективной работы. Газообразный гексафторид урана, производимый в конвертерной установке, называется природным UF ₆ , поскольку исходные концентрации изотопов урана не изменились.

Обогащение урана

После конверсии газ UF ₆ направляется на завод по обогащению, где отдельные изотопы урана разделяются с получением обогащенного UF ₆ , в котором концентрация U-235 составляет от 3% до 5%.

В США используются два типа процессов обогащения урана: газовая диффузия и газовая центрифуга. В настоящее время в Соединенных Штатах имеется одна действующая обогатительная фабрика, в которой используется процесс газовой центрифуги.Обогащенный UF ₆ запечатывают в канистры и дают ему остыть и затвердеть перед транспортировкой на завод по сборке твэлов ядерного реактора поездом, грузовиком или баржей.

Лазерное разделение изотопов на атомарном паре (AVLIS) и молекулярное лазерное разделение изотопов (MLIS) — это новые технологии обогащения, которые в настоящее время разрабатываются. Эти процессы обогащения на основе лазера позволяют достичь более высоких коэффициентов начального обогащения (разделения изотопов), чем процессы диффузии или центрифугирования, и могут производить обогащенный уран быстрее, чем другие методы.

Реконверсия урана и изготовление ядерного топлива

После обогащения уран готов к превращению в ядерное топливо. На установке по изготовлению ядерного топлива UF ₆ в твердой форме нагревается до газообразной формы, а затем газ UF ₆ химически обрабатывается с образованием порошка диоксида урана (UO ₂ ). Затем порошок прессуется и превращается в маленькие керамические топливные гранулы. Таблетки складываются и запечатываются в длинные металлические трубки диаметром около 1 сантиметра, образуя топливные стержни.Затем топливные стержни объединяются вместе, чтобы образовать тепловыделяющую сборку. В зависимости от типа реактора каждая тепловыделяющая сборка содержит от 179 до 264 топливных стержня. Типичная активная зона реактора содержит от 121 до 193 тепловыделяющих сборок.

У реактора

Когда тепловыделяющие сборки изготовлены, грузовики доставляют их на площадки реактора. Топливные сборки хранятся на площадке в бункерах для хранения свежего топлива до тех пор, пока они не потребуются операторам реактора. На этом этапе уран лишь умеренно радиоактивен, и практически все излучение содержится в металлических трубках.Обычно операторы реакторов меняют около одной трети активной зоны реактора (от 40 до 90 тепловыделяющих сборок) каждые 12-24 месяца.

Активная зона реактора представляет собой цилиндрическую конструкцию пучков твэлов диаметром около 12 футов и высотой 14 футов, заключенную в стальной корпус высокого давления со стенками толщиной в несколько дюймов. Активная зона реактора практически не имеет движущихся частей, за исключением небольшого количества управляющих стержней, которые вставляются для регулирования реакции ядерного деления. Размещение тепловыделяющих сборок рядом друг с другом и добавление воды инициируют ядерную реакцию.

ЯТВС

Источник: Комиссия по альтернативным источникам энергии и атомной энергии, Франция (общественное достояние)

Заключительная стадия ядерного топливного цикла

Промежуточное хранение и окончательная утилизация в США

После использования в реакторе тепловыделяющие сборки становятся высокорадиоактивными, и их необходимо удалить и хранить под водой на площадке реактора в бассейне выдержки отработавшего топлива в течение нескольких лет.Даже несмотря на то, что реакция деления остановилась, отработанное топливо продолжает выделять тепло в результате распада радиоактивных элементов, которые образовались при расщеплении атомов урана. Вода в бассейне служит как для охлаждения топлива, так и для блокирования выхода радиации. С 1968 г. по 31 декабря 2017 г. в общей сложности 276 879 тепловыделяющих сборок были выгружены и хранились на площадках 119 закрытых и действующих коммерческих ядерных реакторов в США.

В течение нескольких лет отработавшее топливо охлаждается в бассейне и может быть перемещено в контейнер для хранения сухих контейнеров на площадке электростанции.Многие операторы реакторов хранят свое старое отработавшее топливо в этих специальных уличных бетонных или стальных контейнерах с воздушным охлаждением. Узнайте больше о хранении отработавшего топлива.

Заключительным этапом ядерного топливного цикла является сбор отработавших тепловыделяющих сборок из мест временного хранения для окончательного захоронения в постоянном подземном хранилище. В настоящее время в Соединенных Штатах нет постоянного подземного хранилища высокоактивных ядерных отходов.

Последнее обновление: 21 июня 2021 г.

ядерной энергии | Национальное географическое общество

Ядерная энергия — это энергия ядра или ядра атома.Атомы — это крошечные единицы, из которых состоит вся материя Вселенной, а энергия — это то, что скрепляет ядро. В плотном ядре атома огромное количество энергии. Фактически, сила, удерживающая ядро, официально называется «сильной силой».

Ядерную энергию можно использовать для создания электричества, но сначала ее нужно высвободить из атома. В процессе ядерного деления атомы расщепляются, чтобы высвободить эту энергию.

Ядерный реактор или электростанция — это серия машин, которые могут управлять ядерным делением для производства электроэнергии.Топливо, которое ядерные реакторы используют для ядерного деления, представляет собой таблетки элемента урана. В ядерном реакторе атомы урана вынуждены распадаться. При расщеплении атомы выделяют крошечные частицы, называемые продуктами деления. Продукты деления вызывают расщепление других атомов урана, начиная цепную реакцию. Энергия, выделяемая в результате этой цепной реакции, создает тепло.

Тепло, создаваемое ядерным делением, нагревает охлаждающий агент реактора. Охлаждающим агентом обычно является вода, но в некоторых ядерных реакторах используется жидкий металл или расплав солей.Хладагент, нагретый за счет ядерного деления, производит пар. Пар вращает турбины или колеса, вращаемые текущим током. Турбины приводят в действие генераторы или двигатели, вырабатывающие электричество.

Жезлы из материала, называемого ядерным ядом, могут регулировать количество вырабатываемой электроэнергии. Ядерные яды — это материалы, такие как элемент ксенона, которые поглощают некоторые продукты деления, образующиеся в результате ядерного деления. Чем больше стержней ядерного яда присутствует во время цепной реакции, тем медленнее и управляемее будет реакция.Удаление стержней позволит усилить цепную реакцию и создать больше электричества.

По состоянию на 2011 год около 15 процентов мировой электроэнергии вырабатывается атомными электростанциями. Соединенные Штаты имеют более 100 реакторов, хотя большую часть электроэнергии они вырабатывают из ископаемого топлива и гидроэнергии. Такие страны, как Литва, Франция и Словакия, вырабатывают почти всю электроэнергию на атомных электростанциях.

Ядерная пища: уран

Уран является топливом, наиболее широко используемым для производства ядерной энергии.Это потому, что атомы урана относительно легко расщепляются. Уран также является очень распространенным элементом, обнаруженным в горных породах по всему миру. Однако конкретный тип урана, используемый для производства ядерной энергии, под названием U-235, встречается редко. U-235 составляет менее одного процента урана в мире.

Хотя часть урана, используемого Соединенными Штатами, добывается в этой стране, большая часть импортируется. США получают уран из Австралии, Канады, Казахстана, России и Узбекистана. После того, как уран добывается, его необходимо извлекать из других полезных ископаемых.Он также должен быть обработан, прежде чем его можно будет использовать.

Поскольку ядерное топливо можно использовать для создания ядерного оружия, а также ядерных реакторов, только страны, которые являются участниками Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), могут импортировать уран или плутоний, другое ядерное топливо. Договор способствует мирному использованию ядерного топлива, а также ограничению распространения ядерного оружия.

В типичном ядерном реакторе ежегодно используется около 200 тонн урана. Сложные процессы позволяют дообогащать или рециркулировать часть урана и плутония.Это сокращает объем добычи, извлечения и обработки, которые необходимо выполнить.

Атомная энергия и люди

Ядерная энергия производит электричество, которое можно использовать для электроснабжения домов, школ, предприятий и больниц. Первый ядерный реактор, вырабатывающий электричество, был расположен недалеко от Арко, штат Айдахо. Экспериментальный реактор-размножитель начал работать в 1951 году. Первая атомная электростанция, предназначенная для обеспечения энергией населения, была построена в Обнинске, Россия, в 1954 году.

Строительство ядерных реакторов требует высокого уровня технологий, и только страны, подписавшие Договор о нераспространении ядерного оружия, могут получить необходимый уран или плутоний. По этим причинам большинство атомных электростанций расположено в развитых странах мира.

Атомные электростанции производят возобновляемую чистую энергию. Они не загрязняют воздух и не выделяют парниковые газы. Они могут быть построены в городской или сельской местности и не меняют радикально окружающую среду.

Пар, приводящий в действие турбины и генераторы, в конечном итоге перерабатывается. Он охлаждается в отдельной конструкции, называемой градирней. Пар снова превращается в воду, и его снова можно использовать для производства большего количества электроэнергии. Избыточный пар просто рециркулирует в атмосферу, где он не причиняет особого вреда в виде чистого водяного пара.

Однако побочным продуктом ядерной энергии является радиоактивный материал. Радиоактивный материал — это совокупность нестабильных ядер атомов. Эти ядра теряют свою энергию и могут воздействовать на многие материалы вокруг них, включая организмы и окружающую среду.Радиоактивный материал может быть чрезвычайно токсичным, вызывать ожоги и увеличивать риск рака, болезней крови и разрушения костей.

Радиоактивные отходы — это то, что осталось от работы ядерного реактора. Радиоактивные отходы — это в основном защитная одежда, которую носят рабочие, инструменты и любые другие материалы, которые контактировали с радиоактивной пылью. Радиоактивные отходы долговечны. Такие материалы, как одежда и инструменты, могут оставаться радиоактивными в течение тысяч лет. Правительство регулирует порядок утилизации этих материалов, чтобы они ничего не загрязняли.

Отработанное топливо и стержни с ядерным ядом чрезвычайно радиоактивны. Использованные урановые окатыши необходимо хранить в специальных емкостях, похожих на большие бассейны. Вода охлаждает топливо и изолирует снаружи от контакта с радиоактивностью. Некоторые атомные станции хранят отработанное топливо в сухих надземных резервуарах.

Места хранения радиоактивных отходов стали очень спорным вопросом в Соединенных Штатах. Например, в течение многих лет правительство планировало построить огромный завод по переработке ядерных отходов недалеко от Юкка-Маунтин, штат Невада.Экологические группы и местные жители протестовали против этого плана. Их беспокоит утечка радиоактивных отходов в водопровод и окружающую среду Юкка-Маунтин, примерно в 130 километрах (80 милях) от большого городского района Лас-Вегаса, штат Невада. Хотя правительство начало обследование этого места в 1978 году, оно прекратило планировать строительство хранилища ядерных отходов в Юкка-Маунтин в 2009 году.

Чернобыль

Критики ядерной энергетики опасаются, что хранилища радиоактивных отходов будут протекать, треснуть или разрушиться .Тогда радиоактивный материал может загрязнить почву и грунтовые воды вблизи объекта. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем людей и организмов в этом районе. Все общины должны быть эвакуированы.

Это то, что произошло в Чернобыле, Украина, в 1986 году. Паровой взрыв на одной из четырех атомных электростанций вызвал пожар, названный шлейфом. Этот шлейф был очень радиоактивным, создавая облако радиоактивных частиц, которое упало на землю, так называемые осадки. Выпадение осадков распространилось на объект Чернобыль, а также на прилегающую территорию.Осадки уносились ветром, и частицы вошли в круговорот воды в виде дождя. Радиоактивность, прослеживаемая до Чернобыля, выпала в виде дождя над Шотландией и Ирландией. Большая часть радиоактивных осадков выпала в Беларуси.

Чернобыльская катастрофа повлияла на окружающую среду незамедлительно. На километрах вокруг объекта сосновый бор высох и погиб. Красный цвет мертвых сосен дал этой местности прозвище Рыжий лес. Рыба из близлежащей реки Припять была настолько радиоактивной, что люди больше не могли ее есть.В этом районе погибли крупный рогатый скот и лошади.

Более 100 000 человек были переселены после катастрофы, но количество человеческих жертв Чернобыля определить сложно. Последствия радиационного отравления проявляются только через много лет. Раковые и другие заболевания очень сложно отследить до единого источника.

Ядерная энергия будущего

Ядерные реакторы используют деление или расщепление атомов для производства энергии. Ядерная энергия также может быть произведена путем синтеза или соединения (слияния) атомов вместе.Солнце, например, постоянно подвергается ядерному слиянию, когда атомы водорода сливаются с образованием гелия. Поскольку вся жизнь на нашей планете зависит от Солнца, можно сказать, что ядерный синтез делает возможной жизнь на Земле.

Атомные электростанции не имеют возможности безопасно и надежно производить энергию с помощью ядерного синтеза. Неясно, будет ли этот процесс когда-либо вариантом для производства электроэнергии. Однако инженеры-ядерщики исследуют ядерный синтез, потому что этот процесс, вероятно, будет безопасным и рентабельным.

Как работает атомная энергетика | Союз неравнодушных ученых

Падение атомной энергетики

После того, как производители понесли максимально возможные убытки, они отказались от предложений «под ключ». К 1970-м годам было построено, строилось или планировалось построить около 200 заводов. Но ряд факторов помог положить конец ядерному буму.

Во-первых, перерасход средств показал истинную стоимость атомных станций. Когда коммунальные предприятия начали строить заводы как свои собственные проекты, отсутствие у них опыта работы с технологиями, использование уникальных конструкций для каждого завода и подход «строить в ожидании дизайна» привели к огромному перерасходу средств.

Поскольку для завершения строительства потребовались годы, коммунальные предприятия обнаружили, что в завод вложены огромные суммы денег, прежде чем возникли какие-либо проблемы. Cincinnati Gas and Electric, например, влезла в долги на 716 миллионов долларов за строительство своей атомной электростанции Zimmer, что составляет около 90 процентов чистой стоимости коммунального предприятия. Однако коммунальное предприятие отменило строительство завода в 1983 году.

Во-вторых, в 1970-е годы цены на энергоносители быстро росли из-за нефтяного эмбарго ОПЕК, проблем с рабочей силой в угольной промышленности и нехватки природного газа.Эти высокие цены привели к повышению энергоэффективности и снижению спроса на энергию. После многих лет ежегодного увеличения спроса на электроэнергию на 7%, к концу 1970-х годов годовой рост упал до 2%. Поскольку атомные станции были большими, часто более 1000 МВт каждая, замедление роста спроса означало, что они использовались недостаточно, что еще больше усугубляло долговую нагрузку на коммунальные предприятия.

В-третьих, рост цен на энергоносители спровоцировал рост инфляции. Высокая инфляция означала высокие ставки по кредитам.Коммунальные предприятия, имеющие задолженность перед атомными станциями, столкнулись с повышением процентных ставок и были вынуждены поднять цены на электроэнергию. Государственные комиссии по коммунальным услугам, которые мало внимания уделяли финансам коммунальных предприятий в эпоху падающих тарифов, внезапно заинтересовались решениями коммунальных предприятий об инвестициях в электростанции.

В-четвертых, критические комиссии за коммунальные услуги с меньшей вероятностью перекладывают все инвестиционные затраты на плательщиков коммунальных услуг. В Нью-Йорке комиссия постановила, что четверть стоимости атомной электростанции в Шорхэме не была «понесена разумно», и привела к убыткам в размере 1 доллара.35 миллиардов на акционеров коммунальных предприятий. Инвесторы быстро стали опасаться рискованных и крупных вложений в атомную энергетику.

В-пятых, общественное сопротивление атомным станциям усилилось в 1970-х годах. Заводы в Сибруке, Нью-Гэмпшир, и Шорхэме, Лонг-Айленд, были в центре интенсивных антиядерных протестов. Вмешиваясь в решения о размещении и лицензировании, антиядерные группы, правительства штатов и местные органы власти смогли заблокировать или отложить строительство АЭС.

В 1979 году расплавление активной зоны реактора на АЭС Три-Майл-Айленд было просто последней из серии проблем для отрасли.Более тщательная проверка со стороны Комиссии по ядерному регулированию вынудила строителей АЭС изменить конструкцию на полпути. Хотя сторонники ядерной энергетики обвиняют государственное регулирование в бедах отрасли, федеральное правительство остается самым сильным союзником отрасли. Только после Три-Майл-Айленда «сторожевой пес» был готов выполнить свой долг.

К 1980-м годам атомная промышленность переживала серьезные проблемы. Никаких новых заводов не заказывали после 1978 года, а все те, которые заказывались с 1973 года, были позже аннулированы.Журнал Forbes сообщил в 1985 году, что образец из 35 строящихся заводов, как ожидается, будет стоить в шесть-восемь раз больше первоначальной сметы, а строительство займет в два раза больше времени, чем планировалось, — от шести до двенадцати лет.

Они назвали атомную энергетику «величайшей управленческой катастрофой в истории бизнеса». В итоге с 1972 по 1990 год было закрыто 120 заводов, больше, чем построено.

Работа древнего ядерного реактора

Примечание редактора: эта статья впервые появилась в октябрьском номере журнала Scientific American за 2005 год.

В мае 1972 года рабочий завода по переработке ядерного топлива во Франции заметил нечто подозрительное. Он проводил рутинный анализ урана, полученного из, казалось бы, обычного источника руды. Как и в случае со всем природным ураном, исследуемый материал содержит три изотопа, то есть три формы с разными атомными массами: уран-238, наиболее распространенная разновидность; уран-234, самый редкий; и уран-235, изотоп, который так популярен, потому что он может поддерживать цепную ядерную реакцию.В других частях земной коры, на Луне и даже в метеоритах 235 атомов урана составляют 0,720 процента от общего количества. Но в этих пробах, которые были взяты из месторождения Окло в Габоне (бывшая французская колония в западной экваториальной Африке), уран-235 составлял всего 0,717 процента. Этого крошечного несоответствия было достаточно, чтобы предупредить французских ученых о том, что произошло нечто странное. Дальнейший анализ показал, что в руде, по крайней мере, в одной части рудника, не хватало урана-235: не хватало примерно 200 килограммов — достаточно, чтобы сделать полдюжины или около того ядерных бомб.

В течение нескольких недель специалисты Французской комиссии по атомной энергии (CEA) находились в недоумении. Ответ пришел только тогда, когда кто-то вспомнил предсказание, опубликованное 19 лет назад. В 1953 году Джордж Уэзерилл из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Марк Дж. Ингрэм из Чикагского университета указали, что некоторые месторождения урана, возможно, когда-то действовали как естественные версии ядерных реакторов деления, которые тогда становились популярными. Вскоре после этого Пол К. Курода, химик из Университета Арканзаса, рассчитал, что потребуется для самопроизвольного деления уранового тела.В этом процессе паразитный нейтрон заставляет ядро ​​урана 235 расщепляться, что испускает больше нейтронов, заставляя другие из этих атомов распадаться в ядерной цепной реакции.

Первым условием Куроды было то, что размер месторождения урана должен превышать среднюю длину, которую проходят вызывающие деление нейтроны, примерно две трети метра. Это требование помогает гарантировать, что нейтроны, испускаемые одним делящимся ядром, поглощаются другим перед выходом из урановой жилы.

Второе предварительное условие состоит в том, что уран-235 должен присутствовать в достаточном количестве. Сегодня даже самое массивное и концентрированное месторождение урана не может стать ядерным реактором, потому что концентрация урана-235, составляющая менее 1 процента, слишком мала. Но этот изотоп радиоактивен и распадается примерно в шесть раз быстрее, чем уран-238, что указывает на то, что доля делящегося вещества была намного выше в далеком прошлом. Например, два миллиарда лет назад (примерно тогда, когда образовалось месторождение Окло) уран-235 должен был составлять примерно 3 процента, что примерно соответствует уровню, обеспечиваемому искусственно в обогащенном уране, используемом в качестве топлива для большинства атомных электростанций.

Третий важный ингредиент — это «замедлитель» нейтронов, вещество, которое может замедлять нейтроны, испускаемые при расщеплении ядра урана, так что они более склонны вызывать разрушение других ядер урана. Наконец, не должно быть значительных количеств бора, лития или других так называемых ядов, которые поглощают нейтроны и, таким образом, могут быстро остановить любую ядерную реакцию.

Удивительно, но фактические условия, которые преобладали два миллиарда лет назад в том, что исследователи в конечном итоге определили как 16 отдельных участков в пределах Окло и прилегающих урановых рудников Окелобондо, были очень близки к тому, что описал Курода.Все эти зоны были идентифицированы несколько десятилетий назад. Но только недавно мы с коллегами наконец прояснили основные детали того, что именно происходило внутри одного из тех древних реакторов.

Доказательство в световых элементах
Физики подтвердили основную идею о том, что естественные реакции деления ответственны за истощение урана-235 в Окло довольно скоро после открытия аномального урана. Неоспоримое доказательство было получено в результате исследования новых, более легких элементов, созданных при разрыве тяжелого ядра надвое.Обилие этих продуктов деления оказалось настолько большим, что нельзя было сделать никаких других выводов. Цепная ядерная реакция, очень похожая на ту, которую Энрико Ферми и его коллеги продемонстрировали в 1942 году, безусловно, имела место сама по себе и примерно за два миллиарда лет назад.

Вскоре после этого удивительного открытия физики со всего мира изучили доказательства существования этих естественных ядерных реакторов и собрались вместе, чтобы поделиться своей работой по «феномену Окло» на специальной конференции 1975 года, состоявшейся в Либревиле, столице Габона.В следующем году Джордж А. Коуэн, который представлял США на этой встрече (и который, кстати, является одним из основателей известного Института Санта-Фе, членом которого он является до сих пор), написал статью для Scientific American [см. «Реактор естественного деления», Джордж А. Коуэн, июль 1976 г.], в котором он объяснил предположения ученых о работе этих древних реакторов.

Коуэн описал, например, как часть нейтронов, выпущенных при делении урана 235, была захвачена более распространенным ураном 238, который стал ураном 239 и, испустив два электрона, превратился в плутоний 239.Более двух тонн этого изотопа плутония было произведено на месторождении Окло. Хотя почти весь этот материал, период полураспада которого составляет 24000 лет, с тех пор исчез (в основном в результате естественного радиоактивного распада), часть самого плутония подверглась делению, о чем свидетельствует наличие характерных для него продуктов деления. Обилие этих более легких элементов позволило ученым сделать вывод, что реакции деления, должно быть, продолжались сотни тысяч лет. Из количества потребленного урана-235 они рассчитали общую высвобождаемую энергию, 15 000 мегаватт-лет, и на основе этого и других данных смогли определить среднюю выходную мощность, которая, вероятно, была менее 100 киловатт — скажем, достаточной для работы несколько десятков тостеров.

Поистине удивительно, что более дюжины естественных реакторов возникли спонтанно и что им удалось поддерживать скромную выходную мощность, возможно, в течение нескольких сотен тысячелетий. Почему эти части месторождения не взорвались и не разрушились сразу после того, как начались цепные ядерные реакции? Какой механизм обеспечивал необходимое саморегулирование? Эти реакторы работали стабильно или урывками? Решение этих загадок появлялось медленно после первоначального открытия феномена Окло.Действительно, последний вопрос задерживался более трех десятилетий, прежде чем я и мои коллеги из Вашингтонского университета в Сент-Луисе начали решать его, исследуя кусок этой загадочной африканской руды.

Проявление благородных газов
Наша недавняя работа над одним из реакторов Окло была сосредоточена на анализе ксенона, тяжелого инертного газа, который может оставаться заключенным в минералах в течение миллиардов лет. Ксенон содержит девять стабильных изотопов, образующихся в различных пропорциях в результате различных ядерных процессов.Будучи благородным газом, он сопротивляется химической связи с другими элементами и, таким образом, легко очищается для изотопного анализа. Ксенон чрезвычайно редок, что позволяет ученым использовать его для обнаружения и отслеживания ядерных реакций, даже тех, которые происходили в примитивных метеоритах до возникновения Солнечной системы.

Для анализа изотопного состава ксенона необходим масс-спектрометр — прибор, который может разделять атомы в соответствии с их атомным весом. Мне посчастливилось иметь доступ к чрезвычайно точному ксеноновому масс-спектрометру, построенному моим вашингтонским коллегой Чарльзом М.Хоэнберг. Но перед тем, как использовать его прибор, нам пришлось извлечь ксенон из нашего образца. Ученые обычно просто нагревают материал-хозяин, часто выше точки плавления, так что порода теряет свою кристаллическую структуру и не может удерживать свой скрытый запас ксенона. Чтобы собрать больше информации о происхождении и удерживании этого газа, мы применили более тонкий подход, называемый лазерной экстракцией, при которой ксенон селективно высвобождается из отдельного минерального зерна, оставляя прилегающие области нетронутыми.

Мы применили эту технику к множеству крошечных пятен на нашем единственном доступном фрагменте породы Окло, толщиной всего один миллиметр и шириной четыре миллиметра.Конечно, сначала нужно было решить, куда именно направить лазерный луч. Здесь мы с Хохенбергом полагались на нашу коллегу Ольгу Правдивцеву, которая построила подробную рентгеновскую карту нашего образца и определила составляющие минералы. После каждой экстракции мы очищали полученный газ и пропускали ксенон в масс-спектрометр Хоэнберга, который показывал количество атомов каждого присутствующего изотопа.

Нашим первым сюрпризом стало расположение ксенона. Он не был обнаружен, как мы ожидали, в значительной степени в зернах богатых ураном минералов.Скорее, львиная доля была заключена в минералах фосфата алюминия, которые вообще не содержат урана. Примечательно, что эти зерна показали самую высокую концентрацию ксенона, когда-либо обнаруженную в любом природном материале. Второе прозрение заключалось в том, что извлеченный газ имел изотопный состав, значительно отличающийся от того, который обычно производится в ядерных реакторах. По-видимому, он потерял большую часть ксенона 136 и 134, который, несомненно, был бы образован в результате деления, тогда как более легкие разновидности элемента были изменены в меньшей степени.

Как могло произойти такое изменение изотопного состава? Химические реакции не помогут, потому что все изотопы химически идентичны. Возможно, ядерные реакции, например захват нейтронов? Тщательный анализ позволил мне и моим коллегам отвергнуть и эту возможность. Мы также рассмотрели физическую сортировку различных изотопов, которая иногда имеет место: более тяжелые атомы движутся немного медленнее, чем их более легкие аналоги, и поэтому иногда могут отделяться от них.Заводы по обогащению урана — промышленные предприятия, строительство которых требует значительных навыков, — используют это свойство для производства реакторного топлива. Но даже если бы природа могла чудесным образом создать аналогичный процесс в микроскопическом масштабе, смесь изотопов ксенона в зернах фосфата алюминия, которые мы изучили, отличалась бы от того, что мы обнаружили. Например, если измерять количество присутствующего ксенона 132, истощение ксенона 136 (на четыре атомных единицы массы тяжелее) было бы вдвое больше, чем у ксенона 134 (на две атомные единицы массы тяжелее), если бы работала физическая сортировка.Мы не видели такой закономерности.

Наше понимание аномального состава ксенона пришло только после того, как мы хорошенько задумались о том, как этот газ появился на свет. Ни один из измеренных нами изотопов ксенона не был прямым результатом деления урана. Скорее они были продуктами распада радиоактивных изотопов йода, которые, в свою очередь, образовались из радиоактивного теллура и так далее, в соответствии с хорошо известной последовательностью ядерных реакций, приводящих к образованию стабильного ксенона.

Нашим ключевым моментом стало осознание того, что различные изотопы ксенона в нашем образце Окло были созданы в разное время — по графику, который зависел от периода полураспада их родителей, содержащих йод, и бабушек и дедушек теллура.Чем дольше живет конкретный радиоактивный прекурсор, тем дольше задерживается образование из него ксенона. Например, производство ксенона 136 началось в Окло примерно через минуту после начала самоподдерживающегося деления. Через час появился следующий более легкий стабильный изотоп — ксенон-134. Затем, через несколько дней после начала деления, появились ксенон 132 и 131. Наконец, по прошествии миллионов лет и значительно после того, как ядерные цепные реакции закончились, образовался ксенон 129.

Если бы месторождение Окло оставалось закрытой системой, ксенон, накопленный во время работы его естественных реакторов, сохранил бы нормальный изотопный состав, образующийся при делении.Но у ученых нет оснований думать, что система была закрытой. В самом деле, есть все основания подозревать обратное. Свидетельство тому — рассмотрение того простого факта, что реакторы Окло каким-то образом регулировали себя. Наиболее вероятный механизм связан с действием грунтовых вод, которые предположительно выкипели после того, как температура достигла критического уровня. Без воды, которая действует как замедлитель нейтронов, цепные ядерные реакции временно прекратились бы. Только после того, как все остынет и достаточное количество грунтовых вод снова проникнет в зону реакции, деление может возобновиться.

Эта картина того, как реакторы Окло, вероятно, работали, подчеркивает два важных момента: очень вероятно, что они каким-то образом включались и выключались, и через эти породы должно было проходить большое количество воды — достаточно, чтобы смыть некоторые из предшественников ксенона, теллур и йод, растворимые в воде. Присутствие воды также помогает объяснить, почему большая часть ксенона в настоящее время находится в зернах фосфата алюминия, а не в богатых ураном минералах, где эти радиоактивные предшественники впервые возникли в результате деления.Ксенон не просто мигрировал из одного набора ранее существовавших минералов в другой — маловероятно, что минералы фосфата алюминия присутствовали до того, как реакторы Окло начали работать. Вместо этого эти зерна фосфата алюминия, вероятно, образовались на месте под действием нагретой ядерными реакторами воды, когда она остыла примерно до 300 градусов по Цельсию.

Во время каждого активного периода работы реактора Окло и в течение некоторого времени после него, пока температура оставалась высокой, большая часть газообразного ксенона (включая ксенон 136 и 134, которые образовывались относительно быстро) уносилась.Когда реактор остыл, более долгоживущие прекурсоры ксенона (те, которые позже будут порождать ксенон 132, 131 и 129, который мы обнаружили в относительном изобилии) предпочтительно включались в растущие зерна фосфата алюминия. Затем, по мере того, как в зону реакции возвращалось больше воды, нейтроны замедлялись должным образом, и деление снова возобновлялось, позволяя повторять цикл нагрева и охлаждения. Результатом стала обнаруженная нами специфическая сегрегация изотопов ксенона.

Не совсем очевидно, какие силы удерживали этот ксенон внутри минералов фосфата алюминия почти половину жизни планеты.В частности, почему ксенон, образовавшийся во время данного рабочего импульса, не исчез во время следующего? Предположительно, он оказался заключенным в клетчатой ​​структуре минералов фосфата алюминия, которые были способны удерживать созданный в них ксенон даже при высоких температурах. Детали остаются нечеткими, но какими бы ни были окончательные ответы, ясно одно: способность фосфата алюминия улавливать ксенон поистине потрясающая.

График работы Nature’s
После того, как я и мои коллеги в общих чертах выяснили, как наблюдаемый набор изотопов ксенона создается внутри гранул фосфата алюминия, мы попытались смоделировать этот процесс математически.Это упражнение многое раскрыло о сроках работы реактора, причем все изотопы ксенона дали примерно одинаковый ответ. Изученный нами реактор Окло включился на 30 минут и выключился минимум на 2,5 часа. Эта картина мало чем отличается от того, что можно увидеть в некоторых гейзерах, которые медленно нагреваются, выкипают из своего запаса грунтовых вод в впечатляющей демонстрации, наполняются и повторяют цикл изо дня в день, год за годом. Это сходство поддерживает идею не только о том, что подземные воды, проходящие через месторождение Окло, были замедлителем нейтронов, но также и о том, что их выкипание временами объясняло саморегулирование, которое защищало эти естественные реакторы от разрушения.В этом отношении он оказался чрезвычайно эффективным, не допустив ни одного таяния или взрыва за сотни тысяч лет.

Можно представить, что инженеры, работающие в атомной энергетике, могут кое-чему научиться у Окло. И они, безусловно, могут, хотя и не обязательно о конструкции реактора. Более важные уроки могут быть связаны с обращением с ядерными отходами. В конце концов, Окло служит хорошим аналогом долгосрочного геологического хранилища, поэтому ученые очень подробно изучили, как различные продукты деления со временем мигрировали из этих естественных реакторов.Они также тщательно изучили аналогичную зону древнего ядерного деления, обнаруженную в разведочных скважинах, пробуренных на участке под названием Бангомбе, расположенном примерно в 35 километрах от них. Реактор Бангомбе представляет особый интерес, потому что он был похоронен более неглубоко, чем те, что были обнаружены на рудниках Окло и Окелобондо, и поэтому в последнее время через него проходит больше воды. В целом, наблюдения укрепляют уверенность в том, что многие виды опасных ядерных отходов могут быть успешно захоронены под землей.

Oklo также демонстрирует способ хранения некоторых форм ядерных отходов, которые когда-то считалось практически невозможно предотвратить от загрязнения окружающей среды.С момента появления ядерной энергетики огромное количество радиоактивного ксенона 135, криптона 85 и других инертных газов, которые генерируют атомные станции, были выброшены в атмосферу. Природные реакторы деления предполагают возможность блокировки этих отходов в минералах фосфата алюминия, которые обладают уникальной способностью улавливать и удерживать такие газы в течение миллиардов лет.

Реакторы Окло могут также научить ученых о возможных сдвигах в том, что раньше считалось фундаментальной физической константой, называемой _ (альфа), которая управляет такими универсальными величинами, как скорость света [см. «Непостоянные константы» Джона Д. .Барроу и Джон К. Уэбб; Scientific American , июнь]. В течение трех десятилетий феномен Окло, которому два миллиарда лет, использовался в качестве аргумента против изменений. Но в прошлом году Стивен К. Ламоро и Джастин Р. Торгерсон из Лос-Аламосской национальной лаборатории обратились к Окло, чтобы утверждать, что эта «константа» на самом деле значительно варьировалась (и, как ни странно, в противоположном смысле от того, что недавно предложили другие исследователи). ). Расчеты Ламоро и Торгерсона основаны на некоторых деталях того, как работает Окло, и в этом отношении работа, проделанная мной и моими коллегами, может помочь прояснить этот запутанный вопрос.