Ядерный реактор. Ядерная энергетика. Экологические проблемы работы атомных электростанций

«Если вы преуспеете в использовании

открытий ядерной физики на благо мира,

это распахнет дверь в новый земной рай».

Альберт Эйнштейн

В данной теме разговор пойдёт о таком важном вопросе, как ядерная энергетика и экологических проблемах связанных с ее использованием.

Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением большого количества энергии.

Любая ядерная реакция характеризуется энергетическим выходом реакции, равной разности энергий покоя ядра и частиц до реакции и после нее.

Цепная реакция — это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие эту реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Так как любая цепная ядерная реакция сопровождается большим выделением энергии, то возникает идея взять ее под контроль, что бы использовать в своих целях. Устройство, позволяющее осуществить это технически, называется ядерным реактором.

Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в делящемся веществе (например, в уране), чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет продолжаться столько времени, сколько это необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

В настоящее время существует очень много различных типов ядерных реакторов разной мощности, которые различаются по величине энергии используемых нейтронов, по типу используемого ядерного топлива, по структуре активной зоны реактора, по типу замедлителя, теплоносителя и т.д.

Критические размеры активной зоны реактора и, соответственно, критическая масса делящегося вещества определяются видом используемого в нем ядерного топлива, типом замедлителя и конструктивными особенностями реактора.

Реакторы, работающие на тепловых нейтронах (их скорости порядка двух километров в секунду ), состоят из следующих основных частей:

а) делящегося вещества, в качестве которого используют изотопы урана, тория или плутония;

б) замедлителя нейтронов, которым служит графит, тяжелая или обычная вода;

в) отражателя нейтронов, в качестве которого обычно используют те же вещества, что и для замедления нейтронов;

г) теплоносителя, предназначенного для отвода теплоты из активной зоны реактора. В качестве теплоносителя используют воду, жидкие металлы, некоторые органические жидкости;

д) регулирующих стержней;

е) системы дозиметрического контроля и биологической защиты окружающей среды от потоков нейтронов и гамма-излучения, возникающих в активной зоне реактора.

Рассмотрим устройство и принцип действия уран-графитового реактора, используемого на атомных электростанциях, в котором в качестве делящегося вещества используется в основном уран-235.

В природном уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции (всего около 0,7%), поэтому природный уран обогащают, т. е. доводят содержание урана-235 до 5%.

Реактор, работающий на этом изотопе урана, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так, потому что уран-235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов. Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлять. Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.

На рисунке изображены основные части реактора на медленных нейтронах. В активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней, их еще называют ТВЭЛами и замедлитель нейтронов — в данном случае тяжелая вода.

Масса каждого уранового стержня значительно меньше критической, поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней, т. е. когда масса урана достигнет критического значения.

Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, задерживающей нейтроны и другие частицы.

Для управления реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглощающие нейтроны. При их полном погружении в активную зону цепная реакция идти не может. Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнется цепная реакция деления ядер урана.

Образующиеся в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой скоростью, попадают в воду, сталкиваются с ядрами атомов кислорода и водорода, отдают им часть своей кинетической энергии и замедляются. Вода при этом нагревается, а замедленные нейтроны через какое-то время опять попадают в урановые стержни и участвуют в делении ядер.

Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.

На рисунке схематично показаны устройства, в которых энергия пара, образовавшегося в змеевике, преобразуется в электроэнергию. Посредством этого пара вращается турбина, которая, в свою очередь, приводит во вращение ротор генератора электрического тока. Отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воду. Затем весь цикл повторяется.

Таким образом, при получении электрического тока на атомных электростанциях происходят следующие преобразования энергии: часть внутренней энергии атомных ядер урана → кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер → внутренняя энергия воды → внутренняя энергия пара → кинетическая энергия пара → кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора → электрическая энергия.

По своему назначению ядерные реакторы делятся на следующие типы:

исследовательские, с их помощью получают мощные пучки нейтронов для научных целей;

энергетические — предназначены для получения электрической энергии в промышленных масштабах;

теплофикационные — в них получают теплоту для нужд промышленности и теплофикации;

воспроизводящие — служат для получения из урана 238 и тория делящихся материалов плутония и урана 233;

транспортные — их используют в двигательных установках кораблей и подводных лодок;

реакторы для промышленного получения изотопов различных химических элементов, обладающих искусственной радиоактивностью.

Одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является проблема источников энергии. Потребление энергии растет столь быстро, что известные в настоящее время запасы топлива окажутся исчерпанными в сравнительно короткое время.

Например, надежно подтверждаемых запасов угля может хватить примерно на 350 лет, нефти — на 40 лет, природного газа — на 60 лет.

Проблему «энергетического голода» не решает и использование энергии так называемых возобновляемых источников (энергии рек, ветра, солнца, морских волн, глубинного тепла Земли), так как они могут обеспечить в лучшем случае только 5—10% наших потребностей. В связи с этим в середине XX в. возникла необходимость поиска новых источников энергии.

В настоящее время реальный вклад в энергоснабжение вносит ядерная энергетика. До 1940 г. многие ученые считали, что ядерная физика представляет чисто научный интерес, не имея при этом никакого практического применения. Так, в 1937 г. Резерфорд утверждал, что получение ядерной энергии в более или менее значительных количествах, достаточных для практического использования, никогда не будет возможным.

Однако уже в 1942 г. в США под руководством Энрико Ферми был построен первый ядерный реактор.

Первый европейский реактор был создан в 1946 г. в Советском Союзе под руководством Игоря Васильевича Курчатова.

В 1954 г. в нашей стране (в г. Обнинске) была введена в действие первая в мире атомная электростанция. Ее мощность была невелика — всего 5000 кВт. Современные же АЭС имеют в сотни раз большую мощность.

АЭС имеют ряд преимуществ перед другими видами электростанций. Основное их преимущество заключается в том, что для работы АЭС требуется очень небольшое количество топлива (вспомните, что энергия, заключенная в 1 грамме урана, равна энергии, выделяющейся при сгорании 2,5 тонн нефти). В связи с этим эксплуатация атомных электростанций обходится значительно дешевле, чем тепловых (для работы которых необходимы большие затраты на добычу и транспортировку топлива).

Однако, строительство тепловых станций (ТЭС) обходится дешевле, чем атомных. Поэтому на сегодняшний день стоимость тепловых и атомных станций сопоставима. Но в перспективе атомная энергетика станет более выгодной.

Второе преимущество АЭС (при правильной их эксплуатации) заключается в их экологической чистоте по сравнению с ТЭС. Конечно, в выбросах АЭС содержатся радиоактивные газы и частицы. Но большая часть радиоактивных ядер (так называемых радионуклидов), содержащихся в выбросах АЭС, довольно быстро распадается, превращаясь в нерадиоактивные. А количество долгоживущих радионуклидов и мощность их излучения сравнительно невелики. Поэтому для населения, проживающего в районах размещения АЭС, дополнительная радиационная нагрузка не превышает нескольких десятых процента от естественного радиационного фона.

Что же касается электростанций, работающих на угле, то именно они являются одним из основных источников поступления в среду обитания человека долгоживущих радионуклидов. Дело в том, что в угле всегда содержатся микропримеси радиоактивных элементов, которые выносятся с продуктами сгорания, осаждаясь на прилегающей местности и накапливаясь на зольных полях возле ТЭС.

Например, на зольных полях Рефтинской ТЭС, расположенной в 80 километрах от Екатеринбурга, за время ее работы накопилось до 7 килограмм урана, тория, радия и других радиоактивных изотопов. Кроме того, используемое на ТЭС природное органическое топливо (уголь, нефть, газ) содержит от полутора до четырех с половиной процента серы. Образующийся при сгорании топлива сернистый ангидрид, даже пройдя через фильтры и системы очистки, частично выбрасывается в атмосферу. Вступая в контакт с атмосферной влагой, он образует раствор серной кислоты и вместе с дождями выпадает на землю. Такие кислотные дожди наносят огромный ущерб растительности, разрушают структуру почвы и значительно меняют ее состав, для восстановления которого необходима не одна сотня лет.

Неблагоприятные экологические последствия связаны и с использованием энергии рек. Эти последствия заключаются в отчуждении больших площадей земли (в связи со строительством водохранилищ и образованием вследствие этого болот), гибелью рыбы в результате перекрытия рек и т. д.

Для строительства электростанций достаточной мощности, преобразующих энергию солнца и ветра, тоже требуются, как оказалось, огромные территории.

Что же касается ядерной энергетики, то она не сопровождается вышеперечисленными негативными явлениями. Но это вовсе не означает, что АЭС не порождают серьезных проблем. В настоящее время квалифицированная критика ядерной энергетики концентрируется вокруг трех ее принципиальных проблем: содействие распространению ядерного оружия, радиоактивные отходы и возможность аварий.

Первая проблема может быть решена только в рамках мирового сообщества. Большой вклад в ее решение вносит, в частности, деятельность Международного агентства по атомной энергии при ООН (МАГАТЭ), созданного в 1957 году для контроля за нераспространением ядерного оружия и безопасным применением ядерной энергии в мирных целях.

Обезвреживание радиоактивных отходов сводится в основном к трем задачам:

– к совершенствованию технологий с целью уменьшения образования отходов при работе реакторов;

– к переработке отходов для их консолидации (т. е. скрепления, связывания) и уменьшения опасности от распространения в окружающей среде;

– к надежной изоляции отходов от биосферы и человека за счет создания могильников разных типов.

Для выполнения поставленных задач в проектах всех АЭС предусмотрены установки для отверждения жидких отходов. Так на Санкт-Петербургской, Тверской и многих других АЭС они уже действуют; на остальных — подготовлены к внедрению или проходят опытно-экспериментальную проверку. Кроме того, на заводах по переработке ядерного топлива производится остеклование отходов. Газообразные отходы подвергаются очистке. Помимо перечисленных принимаются и многие другие меры, направленные на решение проблемы радиоактивных отходов.

Что касается безопасности АЭС, деятельность МАГАТЭ в этой области включает в себя, в частности, разработку стандартов безопасности (касающихся выбора мест размещения АЭС, их проектирования, эксплуатации и пр.), консультирование стран — членов МАГАТЭ (например, по проблеме создания программы помощи состоящим в нем странам в случае аварий, по оказанию содействия развивающимся странам в вопросах безопасности и многим другим аспектам).

Проводимый экспертами МАГАТЭ анализ произошедших на атомных станциях аварий, выдача рекомендаций по их профилактике, внедрение в практику современных методов анализа безопасности и многие другие меры содействуют выравниванию и повышению в целом уровня безопасности АЭС в мире.

Основные выводы:

– Ядерный реактор — это устройство, предназначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.

– Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в делящемся веществе (например, в уране), чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет продолжаться столько времени, сколько это необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.