Три проблемы ядерной энергетики: чем опасны АЭС и их воздействие на окружающую среду

Без мирного атома никак

Мировая экономика немыслима без атомной энергетики. Атомные электростанции производят одну десятую всей электроэнергии, производимой на планете. Сегодня 192 атомных электростанции работают в 31 стране мира. Как правило, все они имеют разные энергоблоки — технологические комплексы электрогенерирующего оборудования, в том числе ядерный реактор. Общее количество таких энергоблоков в мире — 451.

Первое место по количеству АЭС занимают США — 62, на втором месте Франция — 19, на третьем — Япония — 17. Россия на пятом месте по количеству атомных станций. У нас есть 10 с 37 энергоблоками. Суммарная мощность всех атомных электростанций в мире составляет около 392 ГВт.

У ядерной энергетики много преимуществ. Основные из них — высокая рентабельность и отсутствие выбросов продуктов сгорания в атмосферу, как это происходит на ТЭЦ. Однако есть и серьезные недостатки. В случае аварии на атомной электростанции продукты деления ядерного топлива, выходящие из реактора, могут сделать большие территории, прилегающие к электростанции, непригодными для проживания в течение длительного времени. Еще один недостаток — проблема хранения и переработки отработавшего ядерного топлива.

АЭС – мощный базовый источник энергии

Интенсивное развитие ядерной энергетики можно рассматривать как одно из средств борьбы с глобальным потеплением. Например, по оценкам экспертов, атомные электростанции в Европе избегают выбросов около 700 миллионов тонн CO2 ежегодно. Ежегодно действующие в России атомные электростанции предотвращают выброс в атмосферу около 210 миллионов тонн углекислого газа. Таким образом, ядерная энергия, являясь мощным основным источником производства электроэнергии, способствует декарбонизации.

Как работает АЭС

Атомная электростанция — это комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений, предназначенный для производства электроэнергии. В качестве топлива на станции используется уран-235. Наличие ядерного реактора отличает атомную электростанцию ​​от других электростанций.

На атомной электростанции есть три взаимных преобразования форм энергии

1. Ядерная энергия превращается в тепловую.
2. Тепловая энергия преобразуется в механическую.
3. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

РЕАКТОР

Ядерная энергия превращается в тепловую

Ядром станции является реактор, конструктивно обособленный объем, в который загружается ядерное топливо и где протекает управляемая цепная реакция. Уран-235 делится медленными (тепловыми) нейтронами. В результате выделяется огромное количество тепла.

ПАРОГЕНЕРАТОР

Тепловая энергия преобразуется в механику

Тепло от активной зоны реактора отводится теплоносителем, жидким или газообразным веществом, которое проходит через его объем. Эта тепловая энергия используется для генерации водяного пара в парогенераторе.

ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Механическая энергия преобразуется в электрическую

Механическая энергия пара направляется в турбогенератор, где она преобразуется в электрическую энергию и затем передается по проводам потребителям.

Из чего состоит АЭС

Атомная электростанция — это комплекс зданий, в которых размещается технологическое оборудование. Главный корпус — это главный корпус, в котором находится реакторный зал. В нем находится сам реактор, бассейн для хранения ядерного топлива, перегрузочная машина (для перегрузки), все это контролируется операторами диспетчерской (MCR).

Центральным элементом реактора является активная зона (1). Он находится в бетонной яме. Обязательными компонентами любого реактора являются система управления и защиты, позволяющая реализовать выбранный режим управляемой цепной реакции деления, а также система аварийной защиты — для быстрого завершения реакции в аварийной ситуации. Все это смонтировано в главном корпусе.

Также есть второй корпус, где находится машинный зал (2): парогенераторы, сама турбина. Далее по технологической цепочке идут конденсаторы и высоковольтные линии электропередачи, выходящие за пределы территории станции.

На территории есть здание для перезарядки и хранения ОЯТ в специальных емкостях. Кроме того, станции оснащены элементами циркуляционной системы охлаждения: градирнями (3) (бетонная башня, сужающаяся кверху), охлаждающим бассейном (естественным или искусственно созданным) и резервуарами для туманообразования.

Типы ядерных реакторов

Работа атомной электростанции зависит от того, как работает ее ядерный реактор. Сегодня существует два основных типа реакторов, которые классифицируются по спектру нейронов:

1. Реактор на медленных нейтронах, также называемый тепловым. Для его работы используется уран 235 °, который проходит стадии обогащения, создания урановых таблеток и т.д. Сегодня существует подавляющее большинство реакторов на медленных нейтронах.
2. Реактор на быстрых нейтронах. За этими реакторами будущее, так как они работают на уране-238, которого в природе много, и этот элемент не нуждается в обогащении. Недостаток таких реакторов только в очень высокой стоимости проектирования, строительства и запуска. Реакторы на быстрых нейтронах сегодня работают только в России.

В качестве теплоносителя в быстрых реакторах используется ртуть, газ, натрий или свинец.

Реакторы на медленных нейтронах, которые используются на всех атомных электростанциях мира, также бывают разных типов.

Организация МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) создала свою классификацию, которая чаще всего используется в мире атомной энергии. Поскольку принцип работы АЭС во многом зависит от выбора теплоносителя и замедлителя, МАГАТЭ основало свою классификацию на этих различиях.

1. PWR (реакторы с водой под давлением) — реактор с водой под давлением (реактор с водой под давлением). В странах СНГ такие реакторы называют ВВЭР. В качестве теплоносителя и замедлителя используют обычную воду. Реакторы с водой под давлением являются наиболее распространенными в мире (около 62% всех реакторов).
   Реакторы с водой под давлением экономичны и удобны, потому что вода негорючая, не твердая и относительно безопасна в использовании.
2. BWR (кипящий реактор) — реактор с кипящей водой или реактор с умеренной кипящей водой. Принцип работы АЭС на таком реакторе очень похож на то, как работает АЭС на ВВЭР. В кипящем реакторе также используется обычная вода, его особенность в том, что пар образуется сразу в активной зоне. В реакторе с водяным замедлителем сначала нагревается вода, которая затем, после нескольких стадий, превращается в пар; в кипящих реакторах тепло немедленно выделяется в кипящую воду, которая сразу становится горячим паром.Кипящие реакторы довольно распространены, они составляют 20% всех ядерных реакторов в мире.
3. LWGR (light water графитовый реактор) — графитово-водяной реактор, ГВР, ВРГ или уран-графитовый реактор. В реакторах этого типа в качестве замедлителя используется графит, а в качестве теплоносителя — обычная вода. В основе схемы атомной электростанции, впервые в мире запущенной, был графитовый водяной реактор. Сегодня такие реакторы используются редко, большинство из них находится в России.
4. PHWR (реактор с тяжелой водой под давлением) — реактор с тяжелой водой. В таких реакторах в качестве теплоносителя и замедлителя используется тяжелая вода (D2O), иначе ее называют тяжелой водой или оксидом дейтерия.

С химической точки зрения оксид дейтерия является идеальным замедлителем и теплоносителем, поскольку его атомы более эффективно взаимодействуют с урановыми нейтронами, чем другие вещества. Проще говоря, тяжелая вода делает свое дело с минимальными потерями и максимальным результатом. Однако ее производство стоит денег, а обычную «легкую» и привычную нам воду использовать намного проще.

Устройство атомного реактора

Чтобы понять принцип работы ядерного реактора и, следовательно, принцип работы атомной электростанции, необходимо понимать компоненты реактора.

• Активная зона. Здесь находится ядерное топливо (тепловыделение) и замедлитель. Атомы топлива (чаще всего топливом является уран) подвергаются цепной реакции деления. Замедлитель предназначен для управления процессом деления и позволяет выполнять необходимую реакцию по скорости и силе.
• Отражатель нейтронов. Отражатель окружает активную зону. Изготовлен из того же материала, что и замедлитель схватывания. На самом деле это ящик, основное предназначение которого — не дать нейтронам покинуть ядро ​​и попасть в окружающую среду.
• Теплоноситель. Теплоноситель должен поглощать тепло, выделяющееся при делении атомов топлива, и передавать его другим веществам. Теплоноситель во многом определяет, как устроена атомная электростанция. Самый популярный теплоноситель на сегодняшний день — это вода.
• Система управления реактором. Датчики и механизмы, приводящие в действие реактор атомной электростанции.

Парогенератор

Вернемся к процессу преобразования ядерной энергии в электричество. Парогенераторы используются для производства пара на атомных электростанциях. Они получают тепло от реактора, в него подается теплоноситель первого контура, а пар необходим для работы паровых турбин.

Парогенераторы используются на двух- и трехконтурных атомных электростанциях. На одиночном контуре их роль выполняет сам ядерный реактор. Это так называемые реакторы с кипящей водой, в которых пар генерируется непосредственно в активной зоне, после чего отправляется в турбину. В схеме таких АЭС нет парогенератора. Примером электростанции с такими реакторами является японская АЭС «Фукусима-1».

Вода первого контура, циркулируя по активной зоне реактора, омывает твэлы, нагреваясь до температуры 320-330 ° С. Но поскольку вода в нормальном состоянии при давлении 1 атм закипает при температуре 100 ° С. С, для повышения температуры кипения увеличивают давление в первом контуре теплоносителя. В современных реакторах типа ВВЭР (реактор с водой под давлением — они являются основой мировой атомной промышленности) давление в первом контуре достигает 160 атмосфер.

Затем эта очень горячая вода из реактора прокачивается через парогенератор с помощью насосов, где она отдает часть тепла и возвращается обратно в реактор. В парогенераторе это тепло передается вторичной воде. Это контур так называемой рабочей жидкости, то есть среды, которая совершает работу, преобразуя тепловую энергию в механическую. Эта вода, которая находится под гораздо меньшим давлением (половина давления в первичном контуре или меньше), затем закипает. Образующийся водяной пар под высоким давлением подается на лопатки турбины.

Турбина и генератор

Пар из парогенератора поступает в турбину, где энергия пара преобразуется в механическую работу. В паровой турбине потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины, и уже вращается ротор электрогенератора. Теперь механическая энергия превратилась в электрическую.

Пар, прошедший через турбину, попадает в конденсатор. Здесь пар охлаждается, конденсируется и превращается в воду. Во втором контуре он поступает в парогенератор, где снова превращается в пар. Конденсатор охлаждается большим количеством воды из внешнего открытого источника, такого как охлаждающий бак или пруд. Напомним, вода первого контура радиоактивна, паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют, это облегчает их ремонт и снижает количество радиоактивных отходов при закрытии и демонтаже станции.

Что такое ТВЭЛ и ТВС

Активная зона реактора выглядит как огромный диск или труба с отверстиями в стенках (в зависимости от типа реактора), в 5 раз больше человеческого тела. Эти отверстия содержат урановое топливо, атомы которого осуществляют желаемую реакцию.

просто закинуть топливо в реактор нельзя, ну если не хочешь взрыва всей станции и аварии с последствиями для пары соседних государств. Поэтому урановое топливо помещается в топливные стержни, а затем собирается в тепловыделяющих сборках. Что означают эти сокращения?

• ТВЭЛ — это горючий элемент (не путать с одноименной российской компанией, которая их производит). В основном это тонкая и длинная циркониевая трубка из циркониевых сплавов, в которую помещены урановые таблетки. Именно в топливных стержнях атомы урана начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя тепло во время реакции.

Цирконий был выбран в качестве материала для изготовления твэлов из-за его тугоплавких и антикоррозионных свойств.

Тип твэлов зависит от типа и конструкции реактора. Как правило, конструкция и назначение твэлов не меняются, длина и ширина трубы могут быть разными.

Машина загружает более 200 урановых таблеток в циркониевую трубку. Всего в реакторе одновременно работает около 10 миллионов урановых таблеток.

ТВС — топливная группа. Работники атомной станции называют пучками тепловыделяющих сборок. По сути, это несколько скрепленных вместе топливных стержней. Топливные сборки — это готовое ядерное топливо, на котором работает атомная электростанция. Это тепловыделяющие сборки, загружаемые в ядерный реактор. Один реактор содержит примерно 150-400 топливных групп.
В зависимости от реактора, в котором будут работать топливные группы, они имеют разную форму. Иногда балки складываются в кубическую, иногда цилиндрическую, иногда шестиугольную форму.

Топливная группа за 4 года эксплуатации вырабатывает столько же энергии, сколько сжигает 670 угольных вагонов, 730 цистерн с природным газом или 900 цистерн с нефтью.
Сегодня топливные группы в основном производятся на заводах в России, Франции, США и Японии.

Для поставок топлива АЭС в другие страны ТВС запаивают в длинные и широкие металлические трубки, из трубок откачивают воздух и специальными машинами доставляют в грузовые самолеты.

Ядерное топливо для атомных электростанций имеет непомерно высокий вес, потому что уран — один из самых тяжелых металлов на планете. Его удельный вес в 2,5 раза больше, чем у стали.

Топливо для АЭС

На чем работает АЭС? Топливо для атомных электростанций — это химические элементы с радиоактивными свойствами. На всех атомных электростанциях таким элементом является уран.

Конструкция станции предполагает, что атомные электростанции работают на сложном композитном топливе, а не на чистом химическом элементе. А чтобы извлечь урановое топливо из природного урана, загружаемого в ядерный реактор, приходится проводить множество манипуляций.

Обогащенный уран

Уран состоит из двух изотопов, т.е содержит ядра с разными массами. Они были названы по количеству протонов и нейтронов изотоп-235 и изотоп-238. Исследователи в 20 веке начали извлекать из руды 235-й уран, потому что его легче было разрушить и преобразовать. Оказалось, что такого урана в природе всего 0,7% (оставшийся процент достался 238-му изотопу).

Что делать в этом случае? Они решили обогатить уран. Обогащение урана — это процесс, в котором требуется много изотопов 235x, а несколько изотопов 238x не нужны. Задача обогатителей урана — производить почти 100% уран-235 из 0,7.

Обогащение урана возможно с помощью двух технологий: газодиффузионной или газовой центрифуги. Для их использования уран, извлеченный из руды, переводится в газообразное состояние. Обогащен в виде газа.

Урановый порошок

Обогащенный урановый газ переводится в твердое состояние — диоксид урана. Такой чистый твердый уран 235 напоминает большие белые кристаллы, которые впоследствии измельчаются в урановый порошок.

Таблетки урана

Урановые прокладки — это цельнометаллические шайбы длиной пару сантиметров. Для формования таких таблеток из уранового порошка его смешивают с веществом — пластификатором, улучшающим качество прессования таблеток.

Прессованные шайбы запекаются при температуре 1200 градусов Цельсия более суток, чтобы придать таблеткам особую прочность и устойчивость к высоким температурам. Работа атомной электростанции напрямую зависит от того, насколько хорошо урановое топливо сжимается и сжигается.

Таблетки готовят в молибденовых ящиках, ведь только этот металл способен не плавиться при «адских» температурах выше полутора градусов. Впоследствии урановое топливо для АЭС считается готовым.

Что еще есть на АЭС

После извлечения из реактора процессы деления в отработавших тепловыделяющих элементах продолжаются. В течение длительного периода времени они продолжают оставаться мощным источником нейтронов и выделять тепло. Поэтому какое-то время твэлы находятся под водой в специальных бассейнах, которые находятся прямо здесь, на АЭС. Если они не остыли, их можно просто растопить.

После того, как их радиоактивность и температура упадут до значений, позволяющих их транспортировать, а для реакторов с водой под давлением это займет три года, топливные стержни извлекаются, помещаются в толстостенный стальной контейнер и отправляются на «сухое хранение».

Также если посмотреть на АЭС со стороны, то ее силуэт, как правило, определяется высокими башенными конструкциями. Это градирни. Они нужны, если невозможно использовать воду для конденсации пара из емкости. Поэтому на станции используются циркуляционные системы охлаждения, ключевым элементом которых являются градирни. Горячая вода разбрызгивается внутри градирен, падая с высоты, как в обычном душе. Затем часть воды испаряется, что обеспечивает необходимое охлаждение. Благодаря своим внушительным размерам, а некоторые из них достигают высоты 60-этажного дома (например, градирня энергоблока № 6 Нововоронежской АЭС), градирни обычно являются наиболее заметной частью атомной электростанции.

Кроме того, каждая атомная электростанция имеет одну или несколько высоких дымовых труб, которые напоминают дымовые трубы обычных тепловых электростанций. Но дым из них не выходит — это вентиляционные трубы, через них удаляются выбросы газов и аэрозолей — инертных радиоактивных газов, аэрозолей радиоактивных продуктов деления и летучих соединений радиоактивного йода. Но по большей части это радиоактивные изотопы инертных газов: аргон-41, криптон-87 и ксенон-133. Они являются короткоживущими радионуклидами и распадаются без вреда для окружающей среды в течение нескольких дней или даже часов.

Какие бывают АЭС

В зависимости от типа реактора АЭС может иметь 1, 2 или 3 рабочих контура теплоносителя. В России наиболее распространены двухконтурные АЭС с реакторами типа ВВЭР (реактор с водой под давлением).

АЭС С 1 КОНТУТОВЫМИ РЕАКТОРАМИ

Одноконтурная схема применяется на АЭС с реакторами РБМК-1000. Реактор работает в составе двух конденсационных турбин и двух генераторов. При этом сам кипящий реактор представляет собой парогенератор, что позволяет использовать одноконтурную схему. Одноконтурная схема относительно проста, но в этом случае радиоактивность распространяется на все элементы установки, что затрудняет биологическую защиту.

В настоящее время в России действуют 4 АЭС с одноконтурными реакторами.

АЭС С ДВУХКОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Двухконтурная схема применяется на АЭС с водо-водяными реакторами типа ВВЭР. В активную зону реактора под давлением подается вода, которая нагревается. Энергия теплоносителя используется в парогенераторе для образования насыщенного пара. Второй контур не радиоактивен. Блок состоит из конденсационной турбины мощностью 1000 МВт или двух турбин по 500 МВт с соответствующими генераторами.

В настоящее время в России действуют 6 АЭС с двухконтурными реакторами.

АЭС С 3-Х КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Трехконтурная схема применяется на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем типа БН. Чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой, строится второй контур с нерадиоактивным натрием. Следовательно, схема получается трехконтурной.

В настоящее время в России действует 1 АЭС с трехконтурным реактором.

Защитные механизмы АЭС

Все атомные электростанции в обязательном порядке оснащены комплексными системами безопасности, например:

• локализация — ограничение распространения вредных веществ в случае аварии, вызвавшей выброс радиации;
• обеспечить — обеспечить определенное количество энергии для стабильной работы систем;
• контроллеры — служат для обеспечения нормальной работы всех систем защиты.

Также реактор может внезапно остановиться в аварийной ситуации. В этом случае автоматическая защита остановит цепные реакции, если температура в реакторе продолжит расти. Впоследствии эта мера потребует серьезных восстановительных работ для повторного ввода реактора в эксплуатацию.

После опасной аварии на Чернобыльской АЭС, причиной которой стала несовершенная конструкция реактора, больше внимания уделялось защитным мерам и проводились проектные работы по обеспечению большей надежности реакторов.

Страны с наибольшим количеством АЭС

Крупнейшие атомные электростанции в мире

Сегодня в мире насчитывается 192 действующих атомных электростанции в 31 стране мира, на которых используется 451 ядерный реактор общей мощностью 394 ГВт. Подавляющее большинство АЭС расположено в странах Европы, Северной Америки, Дальневосточной Азии и на территории бывшего Советского Союза, тогда как в Африке их почти нет, а в Австралии и Океании их нет вообще. Еще 41 реактор не вырабатывают электроэнергию от 1,5 до 20 лет, из них 40 в Японии.

За последние 10 лет по всему миру было введено в эксплуатацию 47 энергоблоков, почти все они расположены в Азии (26 в Китае) или Восточной Европе. Две трети строящихся реакторов находятся в Китае, Индии и России. КНР реализует самую амбициозную программу строительства новых атомных электростанций, и еще около десятка других стран мира строят атомные электростанции или разрабатывают проекты их строительства.

В список самых передовых стран в области атомной энергетики, помимо США, входят:

• Франция;
• Япония;
• Россия;
• Южная Корея.

В 2007 году Россия начала строительство первой в мире плавучей атомной электростанции, решив проблему нехватки энергии в отдаленных прибрежных районах страны. Строительство затянулось. По разным оценкам, первая плавучая атомная электростанция войдет в строй в 2020-2019 годах.

Несколько стран, включая США, Японию, Южную Корею, Россию, Аргентину, разрабатывают атомные мини-электростанции мощностью около 10-20 МВт для теплового и электроснабжения отдельных отраслей промышленности, жилых комплексов и, в будущем, , индивидуальные дома. Предполагается, что реакторы малой мощности (см., Например, АЭС «Гиперион») могут быть созданы с использованием безопасных технологий, значительно снижающих вероятность потерь ядерных материалов. В Аргентине строится небольшой реактор CAREM25. Первый опыт использования мини-АЭС был получен в СССР (Билибинская АЭС).

Влияние атомных электростанций на окружающую среду

В прошлом веке, когда человечество только начинало использовать атомную энергию в своих целях, оно не подозревало, насколько вредным может быть это производство. Считалось, что во время эксплуатации АЭС не пострадала экология и не было вредных выбросов в виде золошлаков в воздух.

Постепенно методы получения ядерной энергии были подробно изучены. И оказалось, что АЭС могут не только сильно ухудшить экологическую ситуацию в мире, но и привести к крупным техногенным катастрофам.

Авария на Чернобыльской АЭС произошла более 30 лет назад. Но последствия этого трагического события ощущаются до сих пор.

Учеными доказано, что работа АЭС отрицательно сказывается не только на состоянии окружающей среды. Это влияет на здоровье человечества, которое является неотъемлемой частью биосферы Земли.

Экология

По прогнозам ученых, к 2030 году средний расход энергии по планете даже при сценарии инерционного развития увеличится в 1,36 раза, а к 2050 году — в 1,53 раза. При этом всем хочется дышать чистым воздухом, и на повестке дня стоит тема «чистых» методов производства энергии. В этой связи упоминается, прежде всего, гидроэнергетика, но также энергия солнца и ветра. Между тем, ядерная энергетика, о которой в таком контексте часто забывают, вместе с тремя упомянутыми выше, представляет собой так называемый «зеленый квадрат».

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), с 1971 по 2018 год ядерная энергия позволила избежать выбросов углекислого газа на 63 миллиарда тонн. Без этого выбросы в энергетическом секторе были бы на 20% выше. Слышали ли вы об обеспокоенности общественности увеличением выбросов на 1,7% в год? Ускорение развития ядерной энергетики — это больше, чем реальная возможность уменьшить их при одновременном увеличении производства энергии.

Динамика технологических выбросов углекислого газа

Но проблема не ограничивается выбросами непосредственно от станций. Тепловая энергия требует огромных объемов топлива, которое нужно добывать, где-то хранить, доставлять туда, где оно используется. Для этого необходимо построить складские помещения, транспортные и транспортные пути, причем не любые, а с высокой доходностью. Все это требует много денег и энергии. Для этого также необходимо выделить большие территории, на которых при других обстоятельствах мог бы существовать лес или дачный участок.

Добыча и транспортировка ядерных материалов, конечно, требуют дополнительных мер безопасности, но углеводороды тоже небезопасны. Аварии на трубопроводах, пожары на нефтяных месторождениях, разливы нефти с танкера на поверхности моря — все это приводит к очень серьезным последствиям как непосредственно для людей, так и для экосистемы в целом. Между тем объемы ядерного топлива несравнимо меньше, и над ним легче обеспечить необходимый контроль.

Проблема радиоактивных отходов остается. Но углеводородная энергетика никоим образом не обходится без отходов, ТЭЦ, работающие на угле, покрыты золой и свалками. Что касается проблемы с отходами атомных электростанций, то сейчас прилагаются усилия для ее решения с помощью рециклинга. Современные технологии позволяют повторно использовать ядерное топливо. В будущем будет все меньше и меньше опасных отходов.

Однако представление об атомной энергии как об экологически чистой не укладывается в массовое сознание. «Энергия ветра, воды и солнца» звучит пасторально, «ядерные технологии» ассоциируются с тяжелой промышленностью, секретными лабораториями, радиацией и прочими совершенно неидиллическими вещами. Это абсолютно правильно, но крайне наивно думать, что с другими видами «зеленой» энергии дела обстоят как-то иначе. Солнечная энергия требует сложного и высокотехнологичного производства солнечных панелей, гидроэлектроэнергия — затопление больших территорий, что, если не будут приняты продуманные меры противодействия, может привести к гибели биоценозов и серьезному нарушению экологического баланса. Однако пастырская забота не работает. Следовательно, отказ от ядерного реактора как способ улучшения экологической ситуации невозможен. Кроме того, из этих четырех ядерная энергетика является основной. Согласно самым оптимистичным прогнозам, «солнце, воздух и вода» вместе взятые не дадут и половины необходимой энергии, а в случае отказа от атома дефицит придется восполнить за счет сжигания углеводородов.

Безопасность

Конечно, не все опасения, связанные с ядерной энергетикой, неразумны. Выше было показано, что правильно функционирующая атомная электростанция более экологична, чем тепловая, но ключевые слова здесь — «правильно функционирующая». Сегодня 40% стоимости строительства АЭС уходит на системы безопасности. Чернобыльская катастрофа, произошедшая более тридцати лет назад, стала возможностью сделать грамотные выводы. После аварии на всех станциях были проведены дополнительные исследования возможных аварийных ситуаций и способов их преодоления.

При нынешних темпах технологического развития тридцать лет — это целая эпоха, а то и несколько. Теперь апеллировать к этой долгой истории — все равно что говорить о крушении первого фанерного самолета в условиях безопасности современных международных рейсов. События 2011 года на станции Фукусима-1 также оказали большое влияние на конструкцию энергоблоков. Многие правила называются правилами постфукусимы. Штатные системы безопасности обеспечивают работу станции во всех мыслимых и немыслимых режимах, в том числе и в нештатных.

Меры ядерной безопасности — это действительно обширная и очень интересная тема, здесь мы можем привести лишь несколько примеров того, как современные атомные электростанции становятся более надежными, чем предыдущие.

В случае острой необходимости остановить цепную реакцию ядерные устройства оснащаются специальными стержнями с борсодержащим веществом — поглотителем нейтронов. В критической ситуации стержни вводятся в активную зону и реакция прекращается. На старых станциях их вводили снизу с помощью электрического механизма. В случае внезапного отключения электроэнергии механизм вставки абсорбирующего стержня может не сработать.

Намного надежнее другое конструктивное решение, когда-то предложенное российскими специалистами. Стержни с поглотителем подвешены на реакторе и удерживаются электромагнитами. В случае внезапного отключения электроэнергии электромагниты отключатся, и стержни войдут в активную зону просто под действием силы тяжести. Такая система защиты, не требующая дополнительных команд персонала, называется пассивной, и стержни с амортизатором, подвешенным на магнитах, являются лишь одним из ее элементов.

Активная зона реактора RMBC предназначена для формирования естественной отрицательной обратной связи. Если поток нейтронов увеличивается, температура в реакторе увеличивается, а паросодержание увеличивается. Но такое же увеличение содержания пара в активной зоне приводит к ускоренному поглощению нейтронов и завершению цепной реакции.

На всех действующих станциях в России есть несколько систем, которые включаются одна за другой в случае отключения электроэнергии, что полностью исключает возможность такого развития событий, которые произошли в Японии.

В реакторе с водой под давлением (одна из разновидностей — российский ВВЭР) вода не кипит, а место паросодержания занимает другой показатель — температурный коэффициент реактивности по температуре теплоносителя. Но работает так же. Увеличение потока нейтронов увеличивает коэффициент, что автоматически приводит к поглощению ускоренных нейтронов. Эти реакторы на сегодняшний день являются самыми популярными в мире из-за их высокой надежности. В совокупности они имеют более 1400 лет абсолютно безотказной работы.

Функционирование станций регулярно проверяется национальными и международными организациями. Для облегчения мониторинга была установлена ​​международная шкала INES, которая разделяет аварии на АЭС по степени тревожности на семь уровней. Первый уровень — аномалия, второй — авария, третий — серьезная авария, четвертый — авария с локальными последствиями, пятый — авария с широкими последствиями, шестой — серьезная авария, седьмой — авария серьезная авария.

Также существует уровень 0, отклонение от неядерной безопасности и радиации, авария, при которой не нарушаются лимиты и условия эксплуатации, а контроль осуществляется в соответствии с надлежащими процедурами. «Аномалия» (Уровень 1) — происшествие с отклонением от допустимого режима работы, но без существенных нарушений техники безопасности, значительного распространения радиоактивного загрязнения или чрезмерного облучения работников. Это может быть связано с отказом оборудования, человеческой ошибкой или несоблюдением рабочих процедур. Также по мере увеличения тяжести последствий уровень повышается. Критерии включены в специальные таблицы. С 1998 г нарушений выше первого уровня на российских АЭС не зафиксировано.

Перспективы

Энергоблоки с реакторами ВВЭР-1200 в настоящее время строятся на российских электростанциях. Установки с такими реакторами относятся к поколению «III +», и Россия имеет мировой приоритет в их строительстве.

Монтаж реактора ВВЭР-1200 на втором энергоблоке Нововоронежской АЭС-2

Нововоронежская АЭС стала пионером этого поколения. Его шестой энергоблок с реактором ВВЭР-1200 и электрической мощностью 1200 МВт был включен в энергосистему России в августе 2016 года. Сейчас одна из этих установок уже работает на Ленинградской АЭС, а вторая скоро начнет работать. Работа. Российские атомщики строят аналогичный энергоблок на первой белорусской атомной электростанции.

Блоки управления второго поколения имеют расчетный срок службы 30 лет с возможностью продления после проверки. Силовой агрегат поколения III + должен проработать 60, и этот срок тоже можно продлить. Персонал для их обслуживания требуется на 30-40% меньше, а мощность завода увеличена на 20%.

Новые блоки оснащены многоуровневой системой безопасности, испытанной на балластах ВВЭР-1000. 4 физических барьера предотвращают выброс радиоактивных веществ. Четвертый — это двойной железобетонный купол со стальными тросами, который может оставаться герметичным после крушения Боинга и землетрясения магнитудой 8 баллов.

Для повышения надежности использован ряд последних разработок. Например, «ловушка для термоядерного синтеза». Ловушка срабатывает, если все активные и пассивные системы охлаждения неисправного реактора вышли из строя и температура поднялась до такого уровня, что дно бетонной оболочки все еще расплавилось и расплав покинул корпус реактора. В этом случае расплав перетекает в огнеупорное стекло, помещенное под реакторное отделение, где находится так называемый жертвенный материал, наличие которого исключает цепную реакцию. Реакция прекращается, и расплав в стакане медленно остывает.

Хотя силовые агрегаты третьего поколения только что приняты на вооружение, специалисты уже обсуждают, каким будет четвертое поколение, которое будет еще эффективнее, экологичнее, долговечнее и надежнее. Этот вопрос активно обсуждается в проекте Международного форума «Поколение IV» (GIF). Участники форума определили шесть перспективных типов реакторов:

• очень высокотемпературный реактор;
• реактор на быстрых газах;
• реактор со сверхкритической водой;
• реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем;
• реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем;
• реактор с расплавом солей.

Реакторный зал БН-800

В Росатоме есть интересные разработки по всем этим направлениям. Например, только в России на Белоярской АЭС есть промышленные быстрые реакторы БН-600 и БН-800 с натриевым теплоносителем (цифры 600 и 800 в названиях указывают на электрическую мощность реактора в мегаваттах). Эти проекты особенно интересны тем, что в будущем они позволят замкнуть топливный цикл и практически до нуля сократить ядерные отходы.

Общие положения в области радиационной защиты окружающей среды

доказано, что человек наиболее уязвим к радиоактивному излучению из всех живых организмов. Следовательно, радиационная защита должна в первую очередь быть нацелена на защиту здоровья человека.

Если он соответствует установленным нормам, окружающая среда считается защищенной от вредного излучения. Этот принцип антропоцентрический.

Но экоцентрические взгляды становятся популярными в 21 веке. Они сформулированы так: человек может быть здоровым только в здоровой окружающей среде. Основатели этого принципа считают, что охрана природы не менее важна, чем охрана здоровья человечества.

Основные экологические проблемы ядерной энергетики

Благодаря всестороннему анализу всех факторов, негативно влияющих на состояние окружающей среды, ученые выделили 2 основные проблемы ядерной энергетики:

• неправильное обращение с промышленными отходами;
• последствия техногенных аварий, при которых происходит активный выброс радиоактивных веществ.

Отходы производства

Несмотря на многолетние исследования, безопасного метода утилизации отработавшего ядерного топлива не найдено. Наиболее приемлемый способ обращения с ним — длительное хранение.

Все государства, в которых эксплуатируются атомные станции, заинтересованы в проблеме надежного захоронения отработавшего ядерного топлива. Сюда входит Российская Федерация. Объем отходов атомных электростанций постоянно увеличивается и представляет потенциальную угрозу экологической безопасности всего мира.

Даже правильно захороненные отходы продолжают создавать небольшой радиационный фон, вредный как для биосферы, так и для людей. Такие свалки могут загрязнять окружающую среду на сотни лет.

Ядовитые отходы производства всегда являются опасным фактором.

Тепловое воздействие

Большое количество тепла от внешней среды отводится конденсаторами паровых турбин, а также ТЭЦ. Это неизбежное следствие второго начала термодинамики. Но на АЭС этого тепла примерно в 1,2-1,3 раза больше, чем на ТЭЦ, из-за более низкого КПД (КПД), который составляет 33-35%, оставшиеся 65-67% тепла приходится на выпущен в атмосферу.

Атомные электростанции вызывают тепловое загрязнение поверхностных вод. Сточные воды, используемые для охлаждения внешних контуров реакторов, относительно чистые, но имеют высокую температуру. Это приводит к гибели живых организмов, снижению концентрации кислорода и увеличению органического вещества.

В жаркую погоду на прудах-охладителях образуется туман. Холодные туманы усиливают ледовую обстановку. Подобные изменения микроклимата незначительны и экологически приемлемы (в радиусе 10 км).

Многие атомные электростанции имеют отдельные водоемы, которые не имеют доступа к водным объектам общего пользования.

Загрязнение атмосферы

При безаварийной эксплуатации АЭС практически не происходит загрязнения атмосферного воздуха, поскольку электростанции оснащены системами фильтрации, не допускающими попадания вредных веществ в воздух.

Выбросы газов и аэрозолей очищаются до 99%, а затем выбрасываются в атмосферу через вентиляционную трубу. Большая часть этого 1% состоит из короткоживущих, экологически чистых радионуклидов, которые распадаются в течение нескольких часов или дней. Другая часть — это радионуклиды в количестве, меньшем допустимой концентрации в воздухе (тритий, радиоуглерод).

Кроме того, использование ядерной энергии помогает снизить выбросы парниковых газов, поскольку углекислый газ не образуется. Атомные установки не выбрасывают дым в атмосферу, не производят золу, сажу или токсичные газы, вызывающие кислотные дожди и отравления, или другие вредные вещества по сравнению с тепловыми установками.

Большинство ученых-ядерщиков считают, что вероятность техногенных катастроф на современных атомных электростанциях ничтожна. Однако этого не исключено.

Россия по-прежнему в беде из-за аварии на Чернобыльской АЭС.

было подсчитано, что общий выброс продуктов деления из продуктов деления, содержащихся в то время в реакторе, составлял от 3,5% (63 кг) до 28% (50 тонн). По сравнению с атомной бомбой, сброшенной на Хиросиму, она произвела всего 740 г радиоактивного материала.

В результате взрыва радиус радиоактивного заражения составил 2000 км. Это территория более 20 государств, прилегающих к нашей стране. Таким образом, в СССР пострадали 11 регионов, в которых проживало около 17 миллионов человек. Общая площадь загрязненных территорий превышает 8 млн га.

В результате аварии погиб 31 человек, более 200 получили такую ​​дозу радиации, которая впоследствии стала причиной лучевой болезни. Со временем количество жертв продолжает расти.

Также расширяется зона загрязнения (радиоактивные вещества перемещаются при сильном ветре, пожарах и транспорте). Ученые считают, что последствия будут ощутимы для будущих поколений.

Когда выбрасывается атомное облако, дальность действия огромна.

Химические выбросы в воду и на территорию

Станции используют большое количество пресной воды для охлаждения ядерных реакторов. Вода, прошедшая через систему охлаждения, содержит жидкие отходы — это вредные примеси в виде растворов или мелких смесей. Они проходят практически полную очистку (от 98,7 до 99%) и сбрасываются в водоемы.

Предельные поверхностные концентрации вредных химических веществ — диоксида серы, аммиака, бензола, ксилола и др. — в пределах санитарно-защитной зоны составляют от 0,1 до 0,3 ПДК, а за пределами — до 0,5.

Потребление природных ресурсов

Атомные электростанции решают эту проблему без использования драгоценного природного сырья. Добыча топлива для АЭС — это рациональное использование природных ресурсов. Переход на атомные электростанции, работающие на уране, сохранит запасы угля, нефти и газа на будущее. Уран широко распространен в природе и в достаточном количестве встречается на территории России.

В чем состоит опасность атомных электростанций

Наибольшее беспокойство специалистов вызывает вредное воздействие радиации на организмы людей и животных. Радиоактивные вещества могут попадать в организм с пищей и дыханием. Они могут накапливаться в костях, щитовидной железе и других тканях. Серьезное радиационное поражение может вызвать лучевую болезнь и привести к смерти. Это лишь некоторые из проблем, которые может вызвать случайно неконтролируемое излучение.
По этой причине при проектировании проектов АЭС большое внимание необходимо уделять вопросам экологии и радиационной защиты. Если в работе АЭС наблюдаются технологические сбои, это может привести к последствиям, сопоставимым с результатами применения ядерного оружия.

Разработка и внедрение систем безопасности на атомных электростанциях значительно увеличивает затраты на строительство и, как следствие, приводит к удорожанию электроэнергии.

Даже самые строгие и комплексные меры безопасности при современном развитии технологий, к сожалению, не могут обеспечить полный контроль над процессами, происходящими в ядерном реакторе. Всегда есть риск сбоя системы. При этом бедствия могут быть вызваны как ошибками персонала, так и воздействием природных факторов, которые невозможно предотвратить.
Специалисты по атомной энергетике постоянно работают над минимизацией вероятности выхода оборудования из строя до приемлемого минимума. Тем не менее, пока нельзя утверждать, что они нашли беспрепятственный способ устранить разрушающие факторы, которые все еще мешают атомным электростанциям стать лидерами современной энергетики.

Экологические последствия аварий

Ядерная энергетика имеет явные экологические и экономические преимущества перед тепловой и другими отраслями промышленности. Однако в аварийных ситуациях и авариях они наносят огромный ущерб с точки зрения воздействия радиации на людей и всю экосистему. В этом случае может произойти следующее:

• выбросы радиоактивных веществ;
• перенос радиоактивности в окружающую среду.

Человеческая ошибка, халатное отношение, отказ оборудования, стихийные бедствия или фатальное совпадение могут привести к трагедии. Несмотря на внедрение технологий и систем автоматического мониторинга, угроза возникновения потенциально опасной ситуации сохраняется.

За весь период ядерной эры во всем мире произошло более 150 аварий и аварий, связанных с ядерной энергетикой. Для своевременного принятия мер и предотвращения последствий Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) разработало международный масштаб ядерных событий. Все события оцениваются по 7-балльной шкале.

Наиболее опасными являются последствия аварии из 7 баллов, известной как «серьезная авария»:

• выброс во внешнюю среду большого количества радиоактивных продуктов, накопленных в ядре, в результате чего будут увеличены пределы доз при авариях за пределами проекта;
• возможность острого лучевого поражения;
• результирующее влияние на здоровье населения, проживающего на большой территории, включая более чем одну страну;
• долгосрочное воздействие на окружающую среду.

Удивительным фактом является авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году.

К опасным последствиям могут относиться также аварии, связанные с нарушением правил перевозки отходов АЭС и их захоронения.

Последствия эксплуатации АЭС

Несмотря на то, что сама атомная энергия экологически чиста и без нее невозможно представить мировую энергетическую систему, нельзя исключать образование радиоактивных отходов при эксплуатации атомной электростанции.

Ядерный реактор мощностью 1000 МВт за 1 год эксплуатации может выбросить на захоронение 60 тонн отходов. Процедура сложная и дорогая.

Можно указать несколько общих последствий эксплуатации атомной электростанции:

• в тех местах, где добывается минерал, происходит разрушение экологической системы;
• тысячи гектаров территории страны конфискованы для строительства станций и их инфраструктуры;
• при эксплуатации АЭС используется большое количество природной воды;
• происходит радиоактивное загрязнение атмосферы и почвы.

Слабые места современных АЭС

Поскольку ядерная энергетика начала развиваться в прошлом веке, первой проблемой современных атомных станций является износ оборудования. Большинство атомных электростанций в Европе были построены в 1970-х и 1980-х годах. Конечно, при продлении срока эксплуатации оператор внимательно анализирует состояние АЭС, меняет оборудование. Но полная модернизация техпроцесса требует огромных финансовых затрат, поэтому станции часто работают по старинным методикам. Такие АЭС не имеют надежных систем предотвращения аварий. Строительство атомной электростанции с нуля также обходится дорого, поэтому одна страна за другой продлевают срок службы атомной электростанции и даже перезапускают ее после периода простоя.

На втором месте по частоте возникновения — технические ошибки персонала. Неправильные действия могут привести к потере контроля над реактором. Чаще всего из-за халатных действий происходит перегрев, а сердечник частично или полностью оплавляется. При определенных обстоятельствах в активной зоне может возникнуть пожар. Это произошло, например, в Великобритании в 1957 году на реакторе по производству вооруженного плутония. Персонал не уследил за показателями немногочисленных измерительных приборов реактора и упустил момент, когда урановое топливо вступило в реакцию с воздухом и воспламенилось. Еще один случай технической ошибки персонала — авария на АЭС Святого Лаврентия. Оператор непреднамеренно неправильно загрузил ТВС в реактор.

Есть очень любопытные случаи: на реакторе Браунс-Ферри в 1975 году инициатива сотрудника по устранению утечки воздуха в бетонной стене привела к пожару. Выполнил работу со свечой в руках, сквозняк загорелся и растекся по кабельному каналу. На ликвидацию последствий аварии на АЭС потратили не менее 10 миллионов долларов.

НПП «Браунс Ферри»

Крупнейшая авария на атомной электростанции в 1986 году на Чернобыльской АЭС, а также известная серьезная авария на АЭС Фукусима также произошли из-за серии ошибок технического персонала. В первом случае в ходе эксперимента были допущены фатальные ошибки, во втором — активная зона реактора перегрелась.

К сожалению, сценарий АЭС Фукусима не редкость для станций, на которых установлены такие же реакторы с кипящей водой. Могут возникнуть потенциально опасные ситуации, потому что все процессы, включая основной процесс охлаждения, зависят от того, как циркулирует вода. При засорении промышленного стока или выходе из строя какой-либо детали реактор начинает перегреваться.

С повышением температуры реакция ядерного деления в тепловыделяющих сборках становится более интенсивной, и может начаться неконтролируемая цепная реакция. Ядерные стержни соединяются вместе с ядерным топливом (ураном или плутонием). Возникает аварийная ситуация, которая может развиваться по двум сценариям: а) расплавленное топливо прожигает тело и защиту, проникая в грунтовые воды; б) давление внутри оболочки вызывает взрыв.

ТОП-5 аварий на АЭС

• Долгое время единственной аварией, получившей 7 баллов МАГАТЭ (худшее из возможных), был взрыв на Чернобыльской АЭС. Более 100 тысяч человек пострадали от лучевой болезни разной степени, а 30-километровая территория уже 30 лет безлюдна.

Аварию изучали не только советские физики, но и МАГАТЭ. Основной версией остается роковое совпадение и ошибки сотрудников. Известно, что реактор работал на условиях фриланса и испытания в такой ситуации проводить не следовало. Но коллектив решил работать по плану, сотрудники отключили действующие системы технологической защиты (они могли остановить реактор до перехода в опасный режим) и приступили к испытаниям. Впоследствии специалисты пришли к выводу, что самостоятельная конструкция реактора была несовершенной, это тоже способствовало взрыву.

• Инцидент на «Фукусиме-1» привел к тому, что территории в радиусе 20 километров от станции были признаны зоной отчуждения. Долгое время считалось, что причиной аварии стали землетрясение и цунами. Но позже японские законодатели обвинили в инциденте с оператором Tokyo Electric Power, который не смог защитить атомную электростанцию. В результате аварии в трех реакторах одновременно полностью расплавились твэлы. С территории станции было эвакуировано 80 тысяч человек. На данный момент в помещениях станции остаются тонны радиоактивного материала и топлива, исследованные исключительно роботами, как ранее писал Пронедра.

• В 1957 году на территории Советского Союза произошла авария на химическом заводе «Маяк», известном как Кыштым. Причиной аварии стал отказ системы охлаждения контейнера с высокоактивными ядерными отходами. Бетонный пол разрушил мощный взрыв. Тогда МАГАТЭ присвоило ядерной аварии шестой уровень опасности.

• Пятую категорию получил пожар в Уиндскейле на станции в Великобритании. Авария произошла 10 октября 1957 года в результате взрыва на химическом заводе «Маяк». Точная причина аварии неизвестна. В то время у персонала не было приборов контроля, поэтому следить за состоянием реактора было сложнее. В какой-то момент рабочие заметили, что температура в реакторе повышалась, хотя должна была упасть. Осматривая оборудование, сотрудники пришли в ужас, обнаружив пожар в реакторе. Они не посмели сразу потушить пожар водой, опасаясь, что вода мгновенно распадется и водород приведет к взрыву. Перепробовав все доступные средства, сотрудники все равно открыли краны. К счастью, взрыва не произошло. По официальной информации, около 300 человек получили облучение.

• Авария на атомной электростанции Три-Майл-Айленд в США произошла в 1979 году. Она считалась крупнейшей в истории американской ядерной энергетики. Основной причиной аварии стал отказ насоса второго контура охлаждения реактора. Такое же стечение обстоятельств привело к аварийной ситуации: выход из строя приборов учета, выход из строя других насосов, серьезные нарушения правил эксплуатации. К счастью, обошлось без жертв. Люди, проживающие в 16-километровой зоне, получили небольшое количество радиации (чуть больше, чем во время сеанса флюорографии).

Способы решения проблем ядерной энергетики

Для решения проблем ядерной энергетики ученые предлагают следующие методы:

1. Постоянно модернизируйте и улучшайте качество оборудования, используемого при эксплуатации АЭС. В этом случае нужно использовать все новейшие исследования и разработки.
2. Непосредственно на атомную энергетику для дублирования наиболее уязвимых систем, повреждение которых может привести к техногенной катастрофе.
3. Ставить высокие требования к персоналу АЭС, постоянно повышать квалификацию специалистов.
4. Правильно организовать и всегда следить за защитой окружающей среды от вредного излучения.
5. Ищите новые способы обращения с ядерными отходами, чтобы они не создавали опасного для биосферы загрязнения воздуха и почвы.

Ученые считают, что решение о захоронении ядерных отходов на севере может снизить нагрузку на густонаселенные районы. В условиях вечной мерзлоты радиоактивные элементы не причинят вреда человечеству.