Что такое ядерный синтез, и поможет ли он разрешить глобальный климатический кризис?

Какими бывают атомные станции

Многие думают, что именно радиоактивное топливо вырабатывает электрическую энергию, но это не совсем так. Точнее, это совсем не так.

Работу атомной электростанции можно разделить на три основных этапа. На первом этапе энергия деления атома переводится в тепловую энергию. На следующем этапе тепловая энергия переводится в механическую. После этого превращение механической энергии в электричество становится делом техники.

Еще больше всего интересного вы можете узнать из нашего новостного канала в Telegram. Это бесплатно!

Реакторы делятся на три основных типа: одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные. В начале разберемся, как работает двухконтурная схема, а чуть позже на ее примере посмотрим, как работают остальные типы.

Аварии с радиоактивными выбросами

Если уж мы заговорили об авариях на атомных станциях, давайте обсудим, как они классифицируются и какие их них были самыми крупными.

Для классификации аварий по их серьезности и силе воздействия на человека и природу они делятся на 7 степеней по Международной шкале ядерных событий, получая определенный уровень INES. На основании этого уровня можно судить был ли причинен вред людям и насколько было повреждено оборудование самой станции. Далеко не все уровни считаются опасными.

Например, инциденты на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 года) и на АЭС Фукусима-1 (11 марта 2011 года) соответствовали максимальному седьмому уровню, а некоторые аварии, о которых даже почти никто не узнал, соответствовали четвертому уровню. Например, взрыв на Сибирском химическом комбинате (Россия, 1993 год), авария на ядерном объекте Токаймура (Япония, 1999 год) и авария в институте радиоэлементов во Флёрюсе (Бельгия, 2006 год).

Это Чок-Ривер.

Раз уж заговорили об авариях, стоит упомянуть и первую аварию с радиоактивным загрязнением. Оно произошло в Чок-Ривер лаборатории 12 декабря 1952 года.

Произошло оно вследствие ряда ошибок оператора и сбоев в системе аварийной остановки. Реактор в лаборатории вышел в надкритический режим работы. Цепная реакция сама себя поддерживала и выделение энергии в несколько раз превысило норму. В итоге активная зона была повреждена и радиоактивные продукты деления с большим периодом полураспада вместе с массой охлаждающей воды вылились в подвальное помещение. За год работы реактор был полностью восстановлен.

Как видим, аварии случаются и иногда их масштабы устрашают, но все равно по статистике работа АЭС гораздо безопаснее и несет меньше вреда, чем сжигание топлива. Разница экологичности уже достигает трех-четырехкратного уровня. На подходе термоядерные реакторы, которые должны сделать процесс еще более экологичным. Пока, по большому счету, проблема только в отработанном топливе. Его надо как-то деактивировать и захоранивать. Ученые работают над этим. Будем надеяться, что они решат эту проблему.

Чем опасны атомные электростанции?

Будучи безопасными источниками электроэнергии, АЭС, все же, могут угрожать здоровью людей и всех живых существ на Земле. Отходы, образующиеся в результате работы атомных электростанций, остаются радиоактивными на протяжении десятков и даже сотен тысяч лет. В то же самое время решений для их долгосрочного хранения не существует – большинство ядерных отходов находятся во временных надземных хранилищах. Но так как подобных мест для хранения сегодня не хватает, промышленность обращается к другим типам хранилищ (более дорогостоящим и потенциально менее безопасным).

Еще больше интересных статей читайте на нашем канале в Яндекс. Дзен! Там регулярно выходят, которых нет на сайте!

Одной из главных проблем использования АЭС является развитие ядерно-энергетических программ, которые увеличивают вероятность распространения ядерного оружия. Это вновь возвращает нас к вопросу об ответственности ученых за свои изобретения – в конечном итоге применение ядерного оружия может уничтожить жизнь на Земле. А еще атомные электростанции являются потенциальной мишенью для террористических атак.

Крупная радиационная авария максимального 7-го уровня по Международной шкале ядерных событий произошла 12 марта 2011 года в Японии

Весомую роль также играет человеческий фактор и стихийные бедствия. Так, сильное цунами обошло механизмы безопасности нескольких электростанций в 2011 году, став причиной сразу трех аварий на «Фукусиме-1», а последствия взрыва ядерного реактора в Чернобыле привели к распространению раковых заболеваний среди населения, проживающего в непосредственной близости от АЭС.

Так как перегрев реактора может привести к чудовищным последствиям, его необходимо постоянно охлаждать – по этой причине атомные электростанции должны располагаться рядом с источником воды. Вот только количество мест, защищенных от засух, наводнений, ураганов, землетрясений и других потенциальных бедствий, сокращается во всем мире. Ситуацию усугубляет увеличение числа экстремальных погодных явлений в результате стремительного изменения климата.

Больше по теме: Как работает АЭС? Опасны ли атомные станции?

В чем преимущества атомной энергетики

Атомная энергетика, как известно, не требует сжигания углеводородов, а значит она в меньшей степени выбрасывает углекислый газ в атмосферу. Соответственно, она меньше влияет и на процессы, которые вызывают глобальное потепление климата. Именно этот аргумент приводят страны, которые хотят присвоить “зеленый знак” атомной энергетике. К примеру, атомные электростанции в Европе предотвращают ежегодно выбросы примерно 700 миллионов тон углекислого газа.

Атомная энергетика не требует сжигания углеводородов, в чем заключается важный ее плюс

Но это далеко не все ее преимущества. Один из главных плюсов — высокая энрегоэффективность. Для сравнения, из одного килограмм урана, обогащенного до 4%, вырабатывается столько же энергии, сколько при сжигании 100 тонн качественного каменного угля или 60 тонн нефти.

Кроме того, уран-235, который используется в атомной энергетике, выгорает не полностью. Это говорит о том, что отходы можно использовать повторно. Возможно даже в будущем удастся обеспечить замкнутый топливный цикл, то есть практически безотходное производство. Таким образом, атомная энергетика на сегодняшний день — это относительно чистый и мощный источник энергии.

Немного физических подробностей

Источником ядерной энергии является внутренняя энергия атомного ядра, которая образуется при движении и взаимодействии ядерных частиц: протонов и нейтронов. Объемы этой энергии в миллионы раз больше, чем результаты химической реакции, вследствие которой выделяется значительное количество энергетических ресурсов. Получить доступ к их запасам можно одним из трех способов: термоядерной реакцией синтеза легких ядер, реакцией деления тяжелых ядер с размножением ядерного горючего или без него. Второй способ находит применение на многочисленных атомных электростанциях, число которых на планете постоянно увеличивается. Однако некоторые развитые страны планируют отказаться от их строительства и эксплуатации, учитывая огромную опасность ядерной энергии для населения и последствия экологических катастроф на территории Чернобыля (Украина, 1986г. ) и Фукусимы (Япония, 2011).

Структура ядер отличается высокой плотностью. Но в распоряжении науки есть способы разбить их и даже создать из их частиц принципиально новые химические элементы, не имеющие отношения к «официальной» химии и не встречающиеся в природе. Это трансурановые элементы, расположенные в периодической системе после урана. Один из них — плутоний, использование которого в ядерной энергетике позволяет получить огромное количество сравнительно недорогой энергии.

Важное преимущество урана — способность его отдельных изотопов к делению во время захвата нейтронов. В процессе этого явления выделяется огромное количество энергии. Ее можно направить в мирное русло, подключив к источнику энергоемкие производства и крупные города. Но есть и альтернативный способ ее применения — например, при создании ядерного оружия колоссальной разрушительной силы. Уран, обогащенный изотопом, и полученный из него изотоп плутония служит основным «топливом» на атомных станциях.

Сколько энергии вырабатывает АЭС

Конечно, ту первую атомную станцию сложно сравнивать с современными, но именно она положила начало новому способу получения энергии, как первый iPhone запустил процесс смартфоностроения, а Ford T массовое производство автомобилей.

С тех пор количество атомных станций в мире сильно увеличилось и достигло 192 штук, 10 из которых находится в России (суммарно 33 энергоблока). По этому показателю наша страна занимает восьмое место в мире, а по мощности — четвертое. Подробнее поговорим об этом в конце статьи.

Суммарная мощность реакторов составляет примерно 392 ГВт. В числе лидеров находятся США (103 ГВт), Франция (66 ГВт), Япония (46 ГВт), Россия (25 ГВт) и Южная Корея (21 ГВт). По статистике именно атомные станции обеспечивают 16 процентов потребляемой электроэнергии в мире.

Поговорим немного о загрязнении: Самое радиоактивное место на Земле. И это не Чернобыль

Высокий интерес к атомным электростанциям и их широкое применение вызвано тем, что их КПД составляет 40-45 процентов и более, а риски существенно меньше, даже несмотря на все страшные аварии, которые происходили. С одной стороны, кажется, что если взорвется, то мало не покажется, но с другой стороны, жертв на 1 полученный киловатт по статистике у АЭС в 43 раза меньше, чем у тепловых электростанций.

Тепловая электростанция тоже то еще сооружение.

Возобновляемая энергетика — энергия будущего

Доля энергии, добытой при помощи возобновляемых источников, с каждым годом растет. К примеру, в 2021 году в Евросоюзе она достигла 38%. При этом стоимость постоянно падает — за последние 10 лет она уменьшилась более чем на 80%. Но главное преимущество — это возобновляемость, то есть она не требует никакой добычи ископаемых и никогда не закончится, в отличие от того же природного газа, которого в Европе осталось совсем немного.

Возобновляемая энергетика не закончится никогда — это главный ее плюс

Данный источник энергии обладает огромным потенциалом. Одна только энергия Солнечного света может с запасом обеспечить электричеством всю планету. Кроме того, кроме солнечной энергии можно использовать энергию ветра. По подсчетам экспертов, ветроэнергетика к 2040 году может вырабатывать более трети от всей мировой энергии. При этом данный источник будет доступен и будущим поколениям.

В процессе выработки энергии не происходит выбросов углекислого газа или каких-либо отходов, которые загрязняют окружающую среду. Собственно говоря, этих плюсов вполне достаточно, чтобы говорить о возобновляемой энергетике, как об источнике энергии будущего.

На нашем Яндекс. Дзен-канале вас ждет еще больше увлекательных материалов, которые небыли опубликованы на сайте.

Чем опасна атомная энергетика

Главная опасность атомной энергетики всем известна — вероятность техногенных катастроф, и, как следствие, серьезное радиоактивное загрязнение. Ярким тому примером служит Чернобыль, который и по сей день несет угрозу миру. Причиной катастрофы может быть человеческая ошибка, стихийное бедствие или, к примеру, теракт.

«Мирный атом» в какой-то момент может выйти из-под контроля, как это случилось в Чернобыле

Кроме того, серьезным недостатком технологии являются радиоактивные отходы. Их переработка и захоронение — это сложные и дорогостоящие процедуры. Сами атомные электростанции со временем тоже требуют вывода из эксплуатации. В случае нарушения технологии, этот процесс также связан с риском радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Другой минус — выбросы тепла в атмосферу и в водоемы, из которых берется вода в качестве охлаждающей жидкости. Она меняет свои свойства, что негативно сказывается на обитателях водоемов. Помимо этого, добыча урана также связана с причинением ущерба флоре и фауне.

Международные проекты России по атомной энергетике

2013 Россия передала Ирану в эксплуатацию АЭС «Бушер» («Бушир»), близ г. Бушир (остан Бушир); количество энергоблоков – 3 (1 построен, 2 – в стадии сооружения); тип реактора – ВВЭР-1000. АЭС «Куданкулам», близ г. Куданкулам (штат Тамилнад, Индия); количество энергоблоков – 4 (1 – в эксплуатации, 3 – в стадии сооружения); тип реактора – ВВЭР-1000. АЭС «Akkuyu», близ г. Мерсин (иль Мерсин, Турция); количество энергоблоков – 4 (в стадии сооружения); тип реактора – ВВЭР-1200; Белорусская АЭС (г. Островец, Гродненская область, Белоруссия); количество энергоблоков – 2 (в стадии сооружения); тип реактора – ВВЭР-1200. АЭС «Hanhikivi 1» (мыс Ханхикиви, область Похйойс-Похьянмаа, Финляндия); количество энергоблоков – 1 (в стадии сооружения); тип реактора – ВВЭР-1200.

Как работает атомная станция

Начальным этапом выделения энергии является, как я уже говорил выше, реактор. Он помещен в специальный закрытый контур, который называется первым. Им является, по сути, большая кастрюля, а точнее скороварка, так как жидкости внутри нее находятся под большим давлением. Так получается увеличить температуру кипения и повысить температуру работы всего первого контура.

Капсула, в которой находится реактор, называется гермообъем и имеет толстые стенки (не менее 15 сантиметров). Это позволяет удержать внутри большое давление и не дает радиации выйти наружу.

Упрощенно схема АЭС выглядит так.

Основной задачей ректора является выделение тепла для нагрева жидкости внутри контура. Происходит это за счет цепной реакции. В основе такой реакции лежит деление атомов нейтронами. При этом, после деления одного атома выделяется новые нейтроны, которые и дальше делят атомы. Таким образом количество нейтронов постоянно растет и атомов делится все больше. Получается та сама цепная реакция, которая поддерживает сама себя, но если не остановить этот процесс, деление выйдет из под контроля, энергии выделится слишком много и произойдет взрыв. Собственно, так и происходит в атомной бомбе.

Чтобы этого не происходило, внутри ректора есть специальные стержни с бором, которые очень хорошо поглощают нейтроны и тормозят реакцию. Стержни имеют длину в несколько метров и постоянно то входят в реактор, то выходят из него, регулируя тем самым коэффициент деления нейтронов и, как следствие, скорость реакции. Если этот коэффициент меньше единицы, реакция тормозится, если больше — ускоряется, а если равен единице, то система сама поддерживает свою работу. Этой единицы и надо добиваться для стабильной работы реактора.

После того, как реактор нагрел воду внутри первого контура до температуры около 450 градусов, она проходит через трубку теплообменника и моментально нагревает воду второго контура. Та в свою очередь попадает в испаритель и уже водяной пар с температурой около 350-400 градусов раскручивает огромную турбину до 3000 оборотов в минуту. Именно эта турбина и вырабатывает электричество, которое по проводам уходит в электросеть.

Полная изоляция первого контура от второго позволяет добиться защиты рабочей жидкости и сточных вод от радиоактивного загрязнения. Это позволяет легко охлаждать жидкость для дальнейшей ее работы, ведь раскрутка турбины на является последним этапом работы второго контура.

После того, как водяной пар раскрутит лопатки турбины, он попадает в специальные конденсаторы, которые представляют из себя большие камеры. В них пар остывает и превращается в воду.

Так выглядит турбина АЭС производства Mitsubishi.

Пока температура воды все равно очень высокая и ее надо еще охладить. Для этого она или напрямую или через специальный канал поступает в градирню. Это такая труба, которую можно увидеть и на территории тепловых электростанций. Она имеет высоту около 70 метров, большой диаметр и сужается к верху. Обычно из нее валят клубы белого пара. Многие думают, что это дым, но это именно пар. Вода с температурой, близкой к температуре кипения, распыляется в основании этой трубы и, смешиваясь с поступающим с улицы воздухом, парит и охлаждается. Средняя градирня может охладить до 20 000 кубометров воды в час или около 450 000 кубометров в сутки

После охлаждения, вода специальными насосами подается обратно в систему для нагрева и испарения. Так как воды требуется очень много, атомные станции сопровождаются достаточно большими водоемами и иногда разветвленной системой каналов. Это позволяет станции работать без перебоев.

Теперь можно вернуться к одноконтурным и трехконтурным АЭС. Первые имеют более простую конструкцию, так как у них нет второго контура и турбина раскручивается непосредственно нагретой реактором водой. Трудность заключается в том, что воду надо как-то очищать и такие станции менее экологичны.

Трехконтурную схему применяют на атомных станциях, оснащенных реакторами на быстрых нейтронах. Они считаются более перспективными, но должны комплектоваться дополнительным контуром, чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой. В дополнительном контуре находится нерадиоктивный натрий.

Конечно, приведенная схема является примерной и упрощенной. Кроме этого, на станции есть различные технические строения, командный пульт, большое количество защитных систем, которые многократно дублируются, и другие вспомогательные системы. Кроме этого, на одной станции находится несколько энергоблоков, что тоже усложняет процесс ее контроля.

На территории атомной станции очень много разных строений. Балаковская АЭС.

На самом деле современная станция может не просто работать в автоматическом режиме, но и делать это вообще без человека. По крайней мере, это касается процесса управления энергоблоком. Человек нужен для контроля и внесения корректировок в работу в случае внештатной ситуации. Риск ее возникновения очень низкий, но на всякий случай за пультом дежурят специалисты.

На чем работает атомная станция

Основным элементом, на котором работают атомные станции, является уран-235, который загружается в реактор в специальных картриджах, которые называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). В одном реакторе их может быть несколько десятков и даже сотен.

ТВЭЛ доставляют к реактору на специальных платформах, а загружают их в него краном. Этот же кран участвовал в строительстве станции и погружал в специальную капсулу сам реактор.

Кстати, название ТВЭЛ получила компания, которая занимается производством ядерного топлива.

В год средний реактор использует около десяти килограмм топлива. Именно такой небольшой объем выделяет то количество энергии, которое и производит станция. Если говорить о производительности ядерного топлива, можно сказать, что один грамм урана-235 позволяет получить столько же энергии, сколько от сжигания топлива произведенного из двух тонн нефти. В итоге, всего десять килограмм топлива являются эквивалентом примерно семисот цистерн нефти.

Это только 15 цистерн, а аналогом 10 кг ядерного топлива является почти 700 цистерн.

Откуда берется электричество?

Работа атомных электростанций обеспечивает эффективное и надежное электроснабжение по всему миру – ядерная энергетика оказывает наименьшее воздействие на окружающую среду, в отличие от электростанций работающих на ископаемом топливе. Увы, но сжигание угля и нефти для выработки тепла приводит к выбросам в атмосферу углекислого газа, усугубляя парниковый эффект.

Принцип работы АЭС строится на выработке тепла в результате ядерного распада

Больше по теме: Как добывается радиоактивный уран и для чего он используется?

АЭС получают тепловую энергию в результате расщепления атомных ядер в активной зоне реактора. Основным топливом сегодня является уран – тяжелый радиоактивный химический элемент, который содержится в большинстве горных пород. Деление атомов урана-235, например, приводит к выработке огромного количества тепла, а сам по себе ядерный реактор способен постоянно производить энергию и электричество.

Самые мощные АЭС в мире

Фукусима I и II (Fukushima), Япония (8 814 МВт) 2. Касивадзаки-Карива (Kashiwazaki-Kariwa), Япония (7 965 МВт) 3. Запорожская АЭС, Украина (6 000 МВт) 4. Йонван (Yeonggwang), Южная Корея (5 875 МВт) 5. Гравелине (Graveline), Норд, Франция (5 460 МВт) 6. Палюэль (Paluel), Верхняя Нормандия, Франция (5 320 МВт) 7. Каттном (Cattenom), Лотарингия, Франция (5 200 МВт) 8. Брюс (Bruce County), Онтарио, Канада (4 693 МВт) 9. Охи (Ohi), Фукуи, Япония (4 494 МВт) 10. Уинтерсберг (Wintersburg), Аризона, США (3 942 МВт)

Несмотря на аварию на станции Фукусима, она продолжает работать.

В настоящее время в мире насчитывается 192 атомные станции. В сумме на них расположены 438 энергоблоков. Они находятся на территории 31 страны. При этом явным лидером по выработке энергии атома является США. Суммарная мощность энергоблоков этой страны составляет больше 100 ГВт, и это чуть больше четверти мировой добычи подобной энергии.

Россия находится в этом рейтинге только на четвертом месте с результатом 6% (примерно 25 ГВт). Второе и третье места заняли соответственно Франция (17% и 66 ГВт) и Япония (12% и 46 ГВт).

В России находится 9 действующих атомных электростанций с 33 энергоблоками. Выше приведены самые мощные электростанции в мире, среди которых нет российских, а ближайшая к нам находится на территории Украины — Запорожская АЭС (6 ГВт).

Что будет есть отключить АЭС?

Существует ряд правил безопасного отключения АЭС, включая очистку радиоактивно загрязненных систем, конструкций станции и последующего удаления радиоактивного топлива. Окончательное закрытие атомной электростанции требует деактивации объекта (для снижения остаточной радиоактивности) и последующего демонтажа конструкций.

Соблюдение всех требований процесса отключения станции необходимо для защиты сотрудников АЭС и населения близлежащих районов. Но что будет если отключить станцию от питания не завершив ее вывод из эксплуатации? Эксперты уверены, что отсутствие электроэнергии и частые перебои питания станции потенциально опасны и могут привести к катастрофе.

1986 года произошла самая страшная радиационная катастрофа

Не пропустите: Какой бывает радиация и как от нее защититься?

Чтобы не допустить перегрев реакторов в случае обесточивания АЭС, необходимо прокачивать воду исправным насосом (что, к слову, невозможно без электричества). По этой причине на каждом блоке АЭС существует резервный источник питания, например, несколько дизельных генераторов, которые автоматически запускаются при отсутствии внешнего питания. Специалисты также считают, что если перебои подачи электроэнергии на АЭС участятся, а станции будут работать в таком режиме слишком долго, избежать аварии будет практически невозможно.

По словам бывшего научного сотрудника Министерства обороны ядерной энергетики и технологий США Робина Граймса, отключение питания работающего реактора может привести к перегреву: «При определенных обстоятельствах перегрев ядерного реактора приведет у тому, что он фактически расплавится».

Напомним, что во время аварии на АЭС «Фукусима-1» работа одного из трех реакторов была успешно остановлена, однако системы резервного питания и охлаждения не сработали. Это, как мы знаем сегодня, привело к частичному плавлению всех реакторов станции, а основной причиной аварии считаются землетрясение и цунами, которые бушевали в стране на протяжении несколько дней.

С загрязнённых территорий было эвакуировано около 164 тысяч человек.

И все же самой страшной аварией является взрыв ядерного реактора на Чернобыльской АЭС. Среди причин катастрофы эксперты выделяют наличие неисправностей и ошибок в эксплуатации станции. Сам взрыв унес жизни более четырех тысяч человек, а количество пострадавших от радиации до сих пор окончательно неизвестно.

Сегодня зона отчуждения Чернобыльской АЭС является непригодной для жизни и будет таковой очень и очень долго. Об этом ранее рассказывал мой коллега Артем Сутягин, рекомендую к прочтению.