Мировое потребление первичной энергии в 2025 году превысило 600 эксаджоулей и выросло за год на 1,7%. Ископаемое топливо по-прежнему даёт около 86% этой энергии, а потребление угля прибавило ещё 0,7%. Атомная энергетика занимает в этой картине скромное, но заметное место: на неё приходится около 9% мирового электричества. Чтобы понять, откуда берётся эта энергия, нужно начать с устройства самого атомного ядра.

Что такое ядерная реакция

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, нейтроны электрически нейтральны. В таблице Менделеева сейчас 118 элементов, и расположены они по числу протонов в ядре: чем дальше элемент, тем тяжелее его ядро.

Ядерной реакцией называют взаимодействие ядра с другими ядрами или частицами, в том числе с нейтронами. Самый известный пример происходит в звёздах: ядра водорода сливаются, и в итоге получается ядро гелия. Это термоядерный синтез.

Большинство элементов тяжелее водорода и гелия возникло именно в звёздах и при звёздных катаклизмах, так что почти всё вещество вокруг нас прошло через ядерные реакции.

Один и тот же элемент может отличаться по массе. Ядро водорода состоит из одного протона, но к нему могут добавиться один или два нейтрона, и тогда получаются дейтерий и тритий. Такие разновидности называют изотопами. Число протонов не меняется, поэтому элемент остаётся прежним, меняется лишь число нейтронов.

Стабильные и радиоактивные ядра

Не каждое сочетание протонов и нейтронов устойчиво. Нестабильные изотопы называют радиоактивными: рано или поздно они распадаются. Скорость распада описывает период полураспада, то есть время, за которое распадается половина имеющихся ядер.

Известно более трёх тысяч вариантов ядер, а стабильных среди них всего 251. Ни одного стабильного изотопа нет у технеция и прометия, а также у всех элементов тяжелее свинца. Висмут долго считали стабильным, но в 2003 году его распад всё же удалось зафиксировать.

Периоды полураспада различаются чудовищно: изотоп водорода с массой семь распадается практически мгновенно, быстрее, чем свет пересекает атом, а у самых долгоживущих радиоактивных ядер счёт идёт на септиллионы лет, что в сотни триллионов раз больше возраста Вселенной.

Почему для энергетики выбрали уран

В ядре урана-238 содержится 92 протона и 146 нейтронов. Это самый распространённый изотоп урана, и он довольно устойчив: период его полураспада около 4,5 млрд лет, а расколоть его трудно.

В природных рудах на него приходится около 99,3% урана.

Интересен другой изотоп, уран-235, которого в руде всего около 0,7%. Поглотив случайный нейтрон, он превращается в уран-236, и тот почти мгновенно разваливается на два более лёгких ядра, например бария и криптона, а заодно выбрасывает ещё два или три нейтрона.

Главное в этом процессе энергия. При делении одного грамма урана-235 выделяется около 23 МВт·ч тепла, примерно столько же даёт сжигание трёх тонн угля.

С запасами людям повезло: урана в земной коре заметно больше, чем серебра. Среди природных элементов для получения энергии подходят два, уран и торий, причём торий пока используют только в экспериментах.

Как научились управлять цепной реакцией

В конце 1930-х физики, среди которых был Энрико Ферми, поняли: нейтроны, вылетающие при делении урана-235, могут расщеплять соседние ядра и запускать цепную реакцию.

Чтобы она поддерживалась сама, коэффициент размножения нейтронов должен превышать единицу, то есть каждое деление должно в среднем порождать хотя бы одно новое. Первый в истории ядерный реактор группа Ферми запустила в Чикагском университете 2 декабря 1942 года.

Работы сразу привлекли военных, и в годы Второй мировой войны на них потратили огромные деньги: так появился Манхэттенский проект. Германская программа до самоподдерживающейся цепной реакции так и не дошла.

В СССР под руководством Игоря Курчатова реактор Ф-1 запустили 25 декабря 1946 года, он стал первым в стране и в Европе. Те же люди параллельно разрабатывали и бомбу, поэтому мирный атом с самого начала неотделим от оружейного.

Как устроен реактор

В природной руде урана-235 слишком мало, поэтому топливо обогащают, то есть повышают долю этого изотопа. Для большинства реакторов хватает от трёх до пяти процентов, для некоторых новых конструкций используют топливо с обогащением до двадцати процентов.

Обогащённый уран прессуют в таблетки размером около сантиметра и закладывают в тепловыделяющие элементы, твэлы. Это те самые длинные стержни, которые видны на фотографиях активной зоны. Твэлы собирают в сборки и опускают в активную зону, где их омывает вода.

Первые нейтроны даёт специальный пусковой источник, например, на основе калифорния-252. Дальше реакция идёт сама, а выделяющееся тепло нагревает теплоноситель, чаще всего воду. В одних реакторах она кипит прямо в активной зоне, в других остаётся жидкой под давлением и передаёт тепло во второй контур, где получается пар. Пар вращает турбину электрогенератора, а отработанный пар приходится охлаждать, поэтому станциям нужен большой запас воды.

Чтобы реакция не вышла из-под контроля, в активную зону вводят управляющие стержни из материалов, которые хорошо поглощают нейтроны: бора, кадмия, гафния. Опуская и поднимая их, операторы регулируют число нейтронов, достигающих урана-235, и тем самым скорость реакции.

Отдельную роль играет замедлитель: медленные нейтроны вызывают деление урана-235 охотнее быстрых. В большинстве реакторов замедлителем служит обычная вода, в некоторых, например в российских РБМК, графит.

Что с атомной энергетикой сейчас

Аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на Фукусиме в 2011 году надолго подорвали доверие к отрасли, а строительство реакторов остаётся дорогим и долгим. Сторонники атомной энергетики напоминают о безопасности современных проектов и малых выбросах, противники говорят о рисках, отходах и стоимости.

Германия, которую часто приводят как пример отказа от атома, довела его до конца: 15 апреля 2023 года страна остановила последние три реактора. Но в мире в целом отрасль не сворачивается. В 2025 году АЭС выработали рекордные 2702 ТВт·ч электроэнергии, хотя их доля в мировой генерации почти вдвое ниже, чем в середине 1990-х, когда она составляла около 17%. Из 11 реакторов, строительство которых началось в 2025 году, девять строятся в Китае.

В США готовят возвращение в строй первого блока АЭС «Три-Майл-Айленд», который не пострадал в аварии 1979 года и был закрыт в 2019 году. Станция получила название Crane Clean Energy Center, электричество с неё будет покупать Microsoft, а запуск, по планам владельца, ожидается в 2027 году.

Развиваются и новые технологии. В Северске в России строят реактор на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем. Такие реакторы способны использовать и уран-238, которого в руде подавляющее большинство. Физический пуск планировали на 2026 год, но подтверждения, что он уже состоялся, найти не удалось.

Продолжаются и исследования ториевого цикла. В ноябре 2025 года китайские учёные сообщили, что экспериментальный жидкосолевой реактор TMSR-LF1 тепловой мощностью 2 МВт в провинции Ганьсу впервые получил уран из тория прямо в работающей установке. Это заявление самих разработчиков, независимо оно пока не подтверждено. Следующая цель китайской программы: демонстрационный реактор тепловой мощностью 100 МВт. Скептики напоминают, что ещё в 2011 году исследователи из MIT пришли к выводу: у ториевого цикла нет убедительных преимуществ для коммерческого применения в обозримом будущем.