Реальное тепловыделение современных процессоров уже давно перестало соответствовать величинам TDP, указываемым их производителями. При этом в официальных характеристиках оно далеко не всегда указывается, что запутывает пользователя и может стать причиной выбора недостаточно эффективной системы охлаждения. Рассмотрим данные о тепловыделении актуальных процессоров Intel и AMD.

Для каждой модели в таблице будут указаны два значения мощности. Первое — это Thermal Design Power или Power Limit 1 (TDP/PL1). Для процессоров Intel с 12 поколения Core используется аналогичное значение Processor Base Power (PBP). Это число указывает, сколько тепла будет рассеивать процессор, работающий на своих базовых частотах. Именно его чаще всего используют в маркетинговых материалах обе компании — и Intel, и AMD.

Однако на деле TDP современных моделей — это некий сферический конь в вакууме. Дело в том, что современные процессоры практически никогда не работают на базовых частотах, так как используют вместо них ускоренные частоты турбо-режима. И при такой работе потребление у них совсем другое, отличающееся от базового в большую сторону.

Второе значение в таблице показывает тепловыделение на частотах турбо-режима — это Power Limit 2 (PL2). У процессоров Intel Core 12 поколения и более новых оно официально называется Maximum Turbo Power (MTP), а у AMD Ryzen иногда упоминается как Package Power Tracking (PTP). Именно на него нужно ориентироваться при выборе системы охлаждения для определенной модели ЦП, причем лучше брать ее с небольшим запасом. К примеру, если ваш процессор в пике выделяет 154 Вт — выбирайте из систем охлаждения, у которых рассеиваемая мощность хотя бы немного выше этого значения.

В отношении процессоров, поддерживающих разгон, стоит помнить: указанные цифры — это лимиты по умолчанию. Для достижения более эффективного разгона их можно увеличить в BIOS материнской платы, но тогда и система охлаждения понадобится соответствующая новому значению. К разгоняемым процессорам относятся все модели AMD Ryzen, а также процессоры Intel Core K-серии.

Intel Core 15 поколения (Arrow Lake)

Arrow Lake — кодовое название процессоров Core Ultra Series 2, разработанных Intel и выпущенных 24 октября 2024 года. Он является продолжением Meteor Lake , в котором Intel перешла от монолитного кремния к дезагрегированной конструкции MCM. Meteor Lake был ограничен мобильным выпуском, в то время как Arrow Lake включает как процессоры для настольных ПК с разъемами, так и мобильные процессоры.

Intel Core 14 поколения (Raptor Lake Refresh)

Raptor Lake — кодовое название Intel для 13-го и 14-го поколений процессоров Intel Core , основанных на гибридной архитектуре , использующих производительные ядра Raptor Cove и эффективные ядра Gracemont. Как и Alder Lake , Raptor Lake изготавливается с использованием процесса Intel 7 компании Intel. Raptor Lake имеет до 24 ядер (8 производительных ядер плюс 16 эффективных ядер) и 32 потока и совместим с сокетами систем Alder Lake ( LGA 1700 , BGA 1744, BGA 1964). Как и предыдущие поколения, процессоры Raptor Lake также нуждаются в сопутствующих чипсетах . Процессоры Raptor Lake страдают от проблем с постоянным повреждением из-за повышенного напряжения и уязвимой схемы, что приводит к нестабильности. Intel утверждает, что эти проблемы были исправлены в последних исправлениях микрокода, для чего требуется обновление BIOS материнской платы.

Intel Core 13 поколения (Raptor Lake)

Intel Core 12 поколения (Alder Lake)

Alder Lake — кодовое название Intel для 12-го поколения процессоров Intel Core , основанных на гибридной архитектуре , использующей производительные ядра Golden Cove и эффективные ядра Gracemont . Он изготавливается с использованием технологического процесса Intel 7 от Intel, ранее известного как Intel 10 нм Enhanced SuperFin (10ESF). 10ESF имеет прирост производительности на 10–15 % по сравнению с 10SF, используемым в мобильных процессорах Tiger Lake . Intel официально анонсировала процессоры Intel Core 12-го поколения 27 октября 2021 года, [мобильные процессоры и процессоры для настольных ПК, не относящиеся к серии K, 4 января 2022 года, серии Alder Lake-P и -U 23 февраля 2022 года, и серию Alder Lake-HX 10 мая 2022 года.

Intel Core 11 поколения (Rocket Lake)

Rocket Lake — кодовое название Intel для микропроцессоров Core 11-го поколения . Выпущенный 30 марта 2021 года, он основан на новой микроархитектуре Cypress Cove , варианте Sunny Cove (используемой в мобильных процессорах Intel Ice Lake ), портированном на 14-нм техпроцесс Intel . Ядра Rocket Lake содержат значительно больше транзисторов , чем ядра Comet Lake, полученные из Skylake .

Rocket Lake имеет тот же разъем LGA 1200 и совместимость с чипсетом серии 400, что и Comet Lake , за исключением чипсетов H410 и B460. Он также сопровождается новыми чипсетами серии 500. Rocket Lake имеет до восьми ядер, по сравнению с 10 ядрами для Comet Lake. Он оснащен графикой Intel Xe и поддержкой PCIe 4.0. Только один диск M.2 поддерживается в режиме PCIe 4.0, в то время как все остальные подключены через PCIe 3.0.

Intel официально запустила семейство настольных ПК Rocket Lake 16 марта 2021 года, продажи начнутся 30 марта. Core i3 11-го поколения, а также процессоры Pentium Gold и Celeron на базе Rocket Lake не были включены в более дорогие модели; вместо этого Intel выпустила обновленные модели для процессоров Comet Lake Core i3 и Pentium Gold. Эти процессоры имеют те же характеристики, что и их оригинальные детали, хотя и с частотой на 100 МГц выше, а последняя цифра их номеров моделей изменилась с нуля на пять. Intel также выпустила процессоры Tiger Lake как часть линейки 11-го поколения на рынке настольных ПК/ NUC и планшетов. Такие процессоры имеют новый суффикс B в названиях моделей.

Intel Core 10 поколения (Comet Lake)

Comet Lake — кодовое название процессоров Core 10-го поколения от Intel . Они производятся с использованием третьей ревизии 14-нм техпроцесса Skylake от Intel, пришедшей на смену семействам мобильных процессоров серии U Whiskey Lake и настольных процессоров Coffee Lake . Intel анонсировала маломощные мобильные процессоры Comet Lake-U 21 августа 2019 г., мобильные процессоры серии H 2 апреля 2020 г., настольные процессоры Comet Lake-S 30 апреля 2020 г., и процессоры серии Xeon W-1200 для рабочих станций 13 мая 2020 г. Процессоры Comet Lake и 10-нм процессоры Ice Lake вместе называются семейством Intel «10-го поколения Core». В марте 2021 года Intel официально выпустила процессоры Comet Lake-Refresh Core i3 и Pentium в тот же день, что и 11-е поколение Core Rocket Lake. Маломощные мобильные процессоры Comet Lake-U Core и Celeron 5205U были сняты с производства 7 июля 2021 года.

AMD Ryzen 9000 (Zen 5)

Zen 5 ( «Нирвана» ) — название микроархитектуры ЦП от AMD , которая будет представлена в их дорожной карте в мае 2022 года, запущена для мобильных устройств в июле 2024 года и для настольных компьютеров в августе 2024 года. Она является преемницей Zen 4 и в настоящее время производится по процессу N4P компании TSMC . Также планируется производить Zen 5 по процессу N3E .

Микроархитектура Zen 5 лежит в основе процессоров для настольных ПК серии Ryzen 9000 (кодовое название «Granite Ridge»), серверных процессоров Epyc 9005 (кодовое название «Turin») и тонких и легких мобильных процессоров Ryzen AI 300 (кодовое название «Strix Point»).

AMD Ryzen 8000 (Zen 4)

Zen 4 — это название микроархитектуры ЦП , разработанной AMD и выпущенной 27 сентября 2022 года. Она является преемницей Zen 3 и использует процесс N6 от TSMC для кристаллов ввода-вывода, процесс N5 для ПЗС и процесс N4 для APU. Zen 4 используется в высокопроизводительных настольных процессорах Ryzen 7000 (кодовое название «Raphael»), массовых настольных APU серии Ryzen 8000G (кодовое название «Phoenix»), а также процессорах HEDT и рабочих станций серии Ryzen Threadripper 7000 (кодовое название «Storm Peak»). Он также используется в экстремальных мобильных процессорах (кодовое название «Dragon Range»), тонких и легких мобильных процессорах (кодовые названия «Phoenix» и «Hawk Point»), а также в серверных процессорах EPYC 8004/9004 (кодовые названия «Siena», «Genoa» и «Bergamo»).

AMD Ryzen 7000 (Zen 4)

AMD Ryzen 5000 (Zen 3)

Zen 3 — название микроархитектуры ЦП от AMD , выпущенной 5 ноября 2020 года. Она является преемницей Zen 2 и использует 7-нм техпроцесс TSMC для чиплетов и 14-нм техпроцесс GlobalFoundries для кристалла ввода-вывода на серверных чипах и 12-нм техпроцесс для настольных чипов.

AMD Ryzen 4000 (Zen 2)

AMD Ryzen 4000 построены на 7-нанометровой архитектуре Zen 2, которая позволила увеличить общее количество ядер и потоков и обеспечила более высокую производительность IPC и высокие тактовые частоты.

AMD Ryzen 3000 (Zen 2)

Zen 2 — это микроархитектура процессора компьютера от AMD . Она является преемницей микроархитектур Zen и Zen+ от AMD и производится на 7 нм узле MOSFET от TSMC . Микроархитектура лежит в основе третьего поколения процессоров Ryzen , известных как Ryzen 3000 для основных настольных чипов (кодовое название «Matisse»)

В данном случае в качестве осколков деления у нас получились изотопы бария и криптона, но это могут быть и другие элементы таблицы Менделеева. Вероятность выхода того или иного изотопа в процессе деления ядра урана-235 описывается так называемой "двугорбой кривой зависимости выхода продуктов деления от массового числа". В этом своём посте я про это уже рассказывал, но приведу график еще разок:

По оси ординат - вероятность, а по оси абсцисс - массовое число атомного ядра одного из наших осколков деления.

На атомных электростанциях теплота передаётся в постоянно циркулирующий теплоноситель и в дальнейшем превращается в механическую энергию вращения турбогенератора, а тот уже превращает механическую энергию в электрическую. "Отработанное" в турбогенераторе тепло уходит в конденсаторе, и охлажденная вода снова идёт в реактор. Вот вам простейшая схема работы одноконтурной АЭС:

АЭС бывают одно, двух, даже трехконтурные, теплоносителем первого контура в них может быть вода, пар, газы, жидкие металлы, даже растворы солей - в общем, вариантов много, разгуляться есть где.

Также, кроме реакторов атомных станций, существуют реакторы, созданные для других целей.
Промышленные реакторы, например, создавались для наработки оружейного плутония. Тепло там было побочным продуктом и особо не использовалось (кроме двухцелевых промышленных реакторов, но это совсем отдельная история).

На заре атомной энергетики в ходу были так называемые "проточные" схемы работы систем охлаждения реакторов. К примеру, для советских реакторов АД и АДЭ-1 в Железногорске брали воду из Енисея, и затем, после охлаждения активных зон, нагретую воду сбрасывали обратно в реку. То же самое происходило и с реактором И-1 в Северске, там для охлаждения использовалась река Томь. Аналогичное происходило и в США, в Хэнфордском комплексе, там пострадала река Колумбия.

Очевидно, что это не самый экологичный способ охлаждения реакторов. В дальнейшем реакторы с такой схемой охлаждения больше не строились - замкнутый водооборот гораздо лучше для окружающей среды. Опять же, в случае гипотетической аварии вся радиоактивность останется внутри станции, а не утечет в реку.

Также существуют исследовательские реакторы, в которых для научных и исследовательских целей получают разной величины и энергии потоки нейтронов. Их активным зонам также требуется охлаждение.

В реакторе ИРТ-Т, работающем в Томске, вода первого контура передаёт тепло воде второго контура через теплообменник, а затем уже нагретая вода второго контура передаёт тепло в атмосферу через вентиляторные градирни.
На фото - вид на работающий ИРТ-Т через мощный слой воды.

Собственно, про реакторы и их охлаждение достаточно, вернемся же к остаточному тепловыделению.

Как я и писал выше, основная часть тепла выделяется именно в момент деления, в виде кинетической энергии осколков деления и излучения. Но есть и "отложенная" энергия, которую выделяют в дальнейшем осколки деления при радиоактивном распаде. В этом и проблема.

В процессе работы реактора осколков деления нарабатывается очень много, и если цепную реакцию деления с выделением энергии мы можем остановить за доли секунды, просто опустив в реактор управляющие стержни, то радиоактивный распад осколков деления мы остановить не можем просто никак, это невозможно физически. Соответственно, и дальнейшее выделение тепла из-за этого распада будет происходить вне зависимости от того, остановили мы реактор, или нет.

Конечно, мощность остаточного тепловыделения будет падать со временем, так как по закону радиоактивного распада радиоактивность будет все время уменьшаться, но всё равно - просто так оставить даже остановленный реактор без охлаждения никак нельзя.

Вот, для примера, ламповый советский график, который показывает, что спустя целый час после останова в реакторе еще выделяется 1% тепла, от выделявшегося при работе на мощности.

И даже спустя месяцы и годы после останова реактора остаточное тепловыделение остаётся на уровне в ~0.01% от номинальной мощности.

Если брать для сравнения реактор РБМК - то номинальная тепловая мощность у него 3200 МВт. Соответственно, 0.01% от 3200 МВт - это 320 кВт. Только вдумайтесь - остановленный реактор даже спустя годы будет выделять десятки и сотни киловатт тепла.

Казалось бы, это небольшое число, но и этой энергии может хватить для повреждения топлива, если оставить реактор без внимания и обслуживания.

Соответственно, для всех реакторов  одним из самых важных критериев безопасности является надёжный, гарантированный и постоянный теплоотвод. Если спустя небольшое время после останова мы потеряем возможность охлаждать активную зону реактора (как это случилось на АЭС Фукусима и Три Майл Айленд), то мы получим расплавление топливных элементов в активной зоне.

Во избежание таких ситуаций на всех АЭС есть резервирование электропитания, аварийные дизель-генераторы, запасы воды и специализированные системы, который позволят охлаждать реакторы даже в случае каких-либо запредельных проблем с электропитанием.

Как пример - у новеньких АЭС, сделанных по проекту АЭС-2006 (ВВЭР-1200) есть система пассивного отвода тепла (СПОТ), которая позволяет охлаждать парогенераторы остановленного энергоблока с помощью атмосферного воздуха:

На стареньких РБМК реализовано похожее решение - в случае чего возможно воздушное расхолаживание реакторов. Тяга воздуха создаётся путем открытия так называемых "вышибных панелей" в помещениях барабан-сепараторов.

На ультрасовременном быстром натриевом БН-800 вообще существует, на мой взгляд, шикарная система под названием САРХ ВТО (система аварийного расхолаживания реактора), которая позволяет снимать невероятное количество тепла (чуть ли не десятки мегаватт) со второго контура остановленного реактора путем воздушного расхолаживания.
Ниже на фото - БН-800. На крыше здания реактора четыре трубы, из них - три трубы САРХ ВТО, и одна труба вентиляции энергоблока.

Вот, надеюсь, вкратце я и рассказал вам про то, откуда берется остаточное тепловыделение, что оно делает и к чему может привести.

Собственно, в наше время, после череды неприятных уроков (читай, аварий) в ядерной энергетике всего мира, остаточное тепловыделение из критически важной и опасной особенности работы ядерного реактора превратилось в "укрощенного зверя".

На новых проектах АЭС российского дизайна (АЭС-2006, ВВЭР-ТОИ) пошли еще дальше - кроме пассивных систем расхолаживания под реактором установлена "ловушка расплава". С её помощью даже в случае полной потери контроля над ситуацией и расплавлением топлива в реакторе, кориум (расплавленная топливосодержащая масса) остаётся в специально предусмотренном для него месте, и выход радиоактивности за пределы станции будет ограничен.

P.S.

Все фото и рисунки, использованные в посте, взяты из открытых источников.

На самом деле в интернете удивительное количество информации по ядерной физике и энергетике находится в открытом доступе, вплоть до уникальных международных баз данных по ядерным реакциям.