Несъмнено сте чували за ядрени (или атомни) бомби — пример за военното използване на ядрена енергия. Ядрената бомба е устройство, включващо неконтролирана верижна реакция на делящ се материал. Този процес е изключително бърз, така че енергията се натрупва и температурата става изключително висока, достигайки десетки милиони градуси.

Little Boy (Източник на изображението: Национален архив на САЩ, RG 77-AEC, разсекретено през 1960 г.).

Налягането вътре в делящия се материал при такава температура става огромно и устройството избухва. За да се случи това, бомбата трябва да съдържа критична маса (дори свръхкритична маса) от делящ се материал. Това обаче не означава, че целият материал ще претърпи делене. Взривът се случва, преди всички ядра на ²³⁵U да имат възможност да претърпят делене — в бомбата, хвърлена над Хирошима например, само около 2% от урановите ядра са претърпели делене. Това е достатъчно, за да предизвика огромни разрушения.

Смъртоносната мощ на подобни бомби поражда важни етични въпроси относно изследванията и разработването на такива оръжия.

Възможността терористи да придобият и използват ядрено оръжие е спешно и потенциално катастрофично предизвикателство за глобалната сигурност. През април 2010 г. Срещата на върха по ядрена сигурност в Вашингтон, окр. Колумбия, се фокусира върху заплахата от ядрен тероризъм и участниците постигнаха конкретни споразумения, като например увеличаване на сигурността на ядрените материали и намаляване на наличността на плутоний и силно обогатен уран.

Ядрената енергия може да се използва в много малки устройства като батерии. При изследването на планетите и космоса е необходимо да разполагате с трайни и ефективни батерии (всъщност, така наречените пейсмейкъри, използвани от хора с тежки сърдечни заболявания, се захранват също от такива батерии). Радиоактивни източници на енергия се използват за тази цел от 1961 г. насам.

Съществуват два вида такива източници на енергия:

1) термоионни радиоизотопни генератори, при които ядрената топлина се използва за създаване на електрическа разлика в потенциала между два метални електрода, и

2) RTG — радиоизотопни термоелектрически генератори, при които топлината от разпадането на напр. ²³⁸Pu (0,56 W/g) се използва за нагряване на p-n-тип полупроводников преход (термодвойка)

Космическите сонди „Вояджър", мисията „Галилео" до Юпитер и мисията „Касини" до Сатурн са захранвани с RTG. Марсоходите „Спирит" и „Опортюнити" използват слънчеви панели за електричество и RTG за топлина. Марсоходът „Кюриосити" използва RTG за топлина и електричество, тъй като само слънчевите панели не биха могли да осигурят достатъчно електричество.

Малки ядрени реактори, използващи термоелектрически или термоионни преобразуватели, са конструирани и се разработват за различни приложения в космически апарати, например в тяхното задвижване.

Използването на ядрено гориво в ядрен реактор води до производство на енергия, около 100 милиона (10⁸) пъти по-голямо от това, което се получава при използването на еквивалентно количество химически реагенти!

Досега са разработени две задвижващи системи, използващи ядрени реактори. Първата, така наречената система за ядрено термично задвижване (накратко NTR, от Nuclear Thermal Rockets), се състои в нагряване на водороден пропелант, съхраняван при ниски температури в течна форма. Водородният газ при около 2500 °C след това се изпуска през дюза за създаване на тяга. Втората система, ядрено-електрическото задвижване (NEP), се състои в преобразуване на ядрена енергия в електрическа и след това използване на тази електрическа енергия за захранване на подходящо електромагнитно устройство, което ускорява йони до много високи скорости. Ускорените йони, преминавайки през неутрализатор в дюзата, произвеждат струя от неутрални атоми, която напуска двигателя и създава тяга. Този вид задвижване е използван при множество, главно съветски, орбитални мисии. Несъмнено, особено при дългосрочни мисии, ядреното задвижване е по-изгодно от химическото.

Използването на ядрена енергия в подводници и самолети се е разглеждало почти от самото начало на историята на ядрените реактори. Рискът, свързан с използването на ядрени реактори в самолети, не е позволил реалното развитие на тази идея нито в гражданската, нито в военната авиация, въпреки че идеята е разработена, използвана и все още се развива в задвижването на космически апарати. Въпреки това, ядреното задвижване се използва много успешно в съвременните военноморски и граждански кораби.

Първата ядрена подводница на САЩ „Наутилус", чието строителство е започнало още през 1946 г. и е пусната на вода през 1954 г., е първата, преминала Северния полюс под арктическата ледена шапка на 23^-ти юли 1958 г. Ядреният ледоразбивач на бившия СССР „Арктика" е първият надводен кораб, достигнал Северния полюс на 17 август 1977 г. САЩ са построили и самолетоносачи. Първият, USS Enterprise, е пуснат на вода през 1960 г. Първият товарен кораб, NS Savannah, е пуснат на вода в САЩ през 1959 г. Япония е пуснала на вода търговския кораб Mutsu през 1962 г.

Реакторите, използвани в морски приложения, са от тип PWR. Всички руски подводници и всички надводни кораби се захранват от два реактора. Затова е важно тези реактори да бъдат колкото е възможно по-компактни. Първоначално това се постига чрез използване на силно обогатено ядрено гориво: концентрации на ²³⁵U от 90%. В последно време обаче по-разпространени са степени на обогатяване от около 20-25% в американските реакторни ядра и около 50% в руските.

На пръв поглед изглежда естествено да искаме автомобилите да се задвижват с ядрена енергия. По-специално, двигателят би могъл да работи много години без необходимост от смяна на горивните елементи. Въпреки това, енергийният източник — малък ядрен реактор на практика — би произвеждал неутрони, представляващи силно проникваща йонизираща радиация. Тази радиация би bila вредна за всички в автомобила и дори за пешеходците около него. За да не се излага водачът и пътниците на неутронно лъчение, биологичната защита на ядрото би трябвало да е много обемна и много тежка — нещо, което не съответства на нашата настояща представа за удобен пътнически автомобил.

Дори обаче да успеят да конструират безопасен автомобил, използвайки напр. ефективни термоелектрически преобразуватели, все още би съществувал проблемът с контролирането на радиоактивните материали.

Ford Nucleon беше мащабен концептуален автомобил, разработен от Ford Motor Company през 1958 г. като идея за това как би изглеждал автомобил с ядрено задвижване. Дизайнът не включваше двигател с вътрешно горене — вместо това превозното средство щеше да се задвижва от малък ядрен реактор в задната му част, основан на предположението, че това ще стане възможно благодарение на намаляването на размерите. Автомобилът щеше да използва парен двигател, захранван от уранно делене, подобно на начина, по който работят ядрените подводници.

Водородът играе нарастваща роля в химията, в земеделието (производство на азотни торове), в нефтената промишленост и като потенциален енергиен източник, т.е. като гориво. Може да се очаква, че сред разнообразните възможни приложения на водорода, използването му в горивни клетки ще стане най-популярно. В светлината на нарастващия интерес към водорода съществуват оценки, че енергията, необходима за неговото производство, скоро може да стане толкова голяма, колкото настоящото производство на електрическа енергия.

Затова съществува голям интерес към ефективни енергийни източници, способни да произвеждат водород, и тук използването на ядрени реактори би могло да бъде от жизненоважна помощ. Реакторите могат да произвеждат електрическа енергия за провеждане на електролиза на вода. Ядрената топлинна енергия може да се използва и за производство на водород от природен газ и в термохимични процеси — от вода. За разлика от химическия процес, при който парата реформира природния газ, термохимичните реакции имат предимството, че не произвеждат въглероден диоксид. Тъй като и в двата случая са необходими относително високи температури (1000–1300 K), за тази цел вероятно ще се използват реактори с висока температура. Докато работят като обикновени атомни електроцентрали и доставят електричество към мрежата през деня, такива реактори биха могли да произвеждат водород нощем, подготвяйки доставката на водород за следващия ден.

Ядрената енергия вече се използва за опресняване на вода — проблем от изключителна важност за голяма част от света, страдаща от недостиг на питейна вода, особено остър проблем в Азия и Северна Африка. Такива реактори могат освен това да произвеждат електричество, т.е. да работят като малки атомни електроцентрали. Пример за ядрен реактор, произвеждащ едновременно електричество и опреснена вода, е бързият реактор BN-350 в Актау, Казахстан. Япония, Русия и Канада имат опит с ядрени реактори, използвани за опресняване на вода, а Международната агенция за атомна енергия (МААЕ) активно насърчава това използване на ядрена енергия. Идеята е атомните електроцентрали да се използват за производство на електричество за мрежата по време на периодите с най-голямо търсене, а когато търсенето намалее, да се използва част от произведеното електричество за цели на опресняване. Проекти се разработват в Индия, Китай, Русия, Пакистан, Тунис, Мароко, Египет, Алжир, Иран, Южна Корея, Индонезия и Аржентина.

Неутроните са частици с голям научен интерес. Макар да нямат заряд, те действат като малки магнити: казваме, че притежават магнитен момент. Свободните неутрони се разпадат на протон, електрон и антинеутрино с период на полуразпад от 10,25 минути, така че неутроните, произведени в Слънцето, нямат шанс да достигнат планетата ни. Въпреки че се предполага, че нямат електричен заряд, физиците все още търсят малък заряд; откритието на такъв заряд би било сензация. До момента е доказано, че зарядът трябва да е по-малък от 10^-21 елементарни заряди! Но знаем, че в неутрона има положителни и отрицателни заряди и това ни кара да се питаме дали те образуват т.нар. електричен диполен момент с разделени на малко разстояние положителни и отрицателни заряди. До момента е доказано експериментално, че такова разделение трябва да е по-малко от 10^-26 cm, което свидетелства за точността на съвременните експерименти.

За провеждането на такива изследвания са необходими много неутрони и ядрените реактори са изключително полезни, тъй като представляват гигантски фабрики за неутрони. Реакторите, проектирани за производство на неутрони за експерименти, се наричат изследователски реактори. Изследователските реактори имат многобройни приложения в науката, медицината и технологиите.

TRIGA Изследователски реактор в AERE, Бангладеш (Снимка: МААЕ).

Най-разпространените източници на неутрони за изследователски цели са реакторите в стационарен режим, които произвеждат неутрони непрекъснато. При повечето от тях активната зона на реактора е потопена в воден басейн. Водата е part от охладителната система, действа като биологична защита и е също part от неутронния модератор. Всички атомни електроцентрали използват реактори в стационарен режим.

Съществуват и импулсни източници на неутрони, произвеждащи периодични изблици на неутрони. Някои от тях използват реакция на отцепване вместо делене.

Процес, изискващ днес голямо умение, всъщност се е случил спонтанно в природата приблизително преди два милиарда години. В урановата мина Окло в Габон, Западна Африка, е направено сензационно откритие през юни 1972 г. Установено е, че съдържанието на ²³⁵U в урановата руда е значително по-малко от 0,72%, намирани навсякъде другаде. Как е могло да се случи това?

Тъй като ²³⁵U има по-кратък период на полуразпад от ²³⁸U, относителното съдържание на ²³⁵U в урана преди 2 милиарда години е трябвало да бъде на ниво от 3–4% вместо типичните 0,72%. Но 3–4% обогатяване на урана с ²³⁵U е доста типично за съвременните енергийни реактори. Хидрогеоложките условия около обогатената уранова руда са били благоприятни за верижна реакция. Водата е добър неутронен модератор и може да служи и като отражател. „Реакторът" е могъл да работи, когато водата е bila налице. Когато водата се изпарявала, реакторът спирал, докато отново не се появяла прясна вода в близост до урановата руда. Рудата ставала постепенно все по-бедна на ²³⁵U, така че онова, което е открито през 1972 г., е бил ²³⁵U, изчерпан от тази природна делителна „машина".

Изчислено е, че тези природни реактори (досега са открити 17 изкопаеми реактора в Окло) са работили около 1 милион години. Изследванията показват, че реакторите в Окло са произвели и ²³⁹Pu, разпаднал се (чрез алфа-разпад) до ²³⁵U, т.е. те са природни реактори-размножители! Окло е бил дар за човечеството, тъй като изследванията на начина, по който дългоживеещите продукти от делене на Окло се разпространяват в земята, ни позволяват да оценим ефективността на подземните хранилища за ядрени отпадъци, изграждани в момента.