Узнайте как работает атомная электростанция, какими бывают виды атомных реакторов и поймите основные принципы атомной энергетики.
На базовом уровне ядерная энергетика – это практика расщепления атомов для кипячения воды, вращения турбин и производства электроэнергии.
Во время деления нейтрон бомбардирует атом урана, высвобождая больше нейтронов и запуская цепную реакцию.
Принципы ядерной энергетики
Атомы построены как миниатюрные солнечные системы. В центре атома находится ядро; вокруг него вращаются электроны.
Ядро состоит из протонов и нейтронов, очень плотно упакованных вместе. Водород, самый легкий элемент, имеет один протон; самый тяжелый природный элемент, уран, имеет 92 протона.
Ядро атома удерживается вместе с большой силой, “самой сильной силой в природе”. При бомбардировке нейтронами оно может разделиться на части – процесс, называемый делением. Поскольку атомы урана очень большие, атомная сила, связывающая их вместе, относительно слабая, что делает уран пригодным для деления.
На атомных электростанциях нейтроны сталкиваются с атомами урана, расщепляя их. Это расщепление высвобождает нейтроны из урана, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами, вызывая цепную реакцию. Эта цепная реакция контролируется с помощью “стержней управления”, которые поглощают нейтроны.
В активной зоне ядерных реакторов деление атомов урана высвобождает энергию, которая нагревает воду примерно до 520 градусов по Фаренгейту. Эта горячая вода затем используется для вращения турбин, которые соединены с генераторами, вырабатывающими электроэнергию.
Добыча и переработка ядерного топлива
Уран является одним из наименее распространенных минералов – его содержание в земной коре составляет всего две части на миллион, но благодаря своей радиоактивности он является богатым источником энергии. Один килограмм урана содержит столько же энергии, сколько три миллиона килограммов угля.
Радиоактивные элементы постепенно распадаются, теряя свою радиоактивность. Время, необходимое для потери половины радиоактивности, называется “периодом полураспада”. U-238, самая распространенная форма урана, имеет период полураспада 4,5 миллиарда лет.
Уран содержится во многих геологических формациях, а также в морской воде. Однако для того, чтобы его можно было добывать как топливо, он должен быть достаточно концентрированным и составлять не менее ста частей на миллион (0,01 процента) породы, в которой он находится.
Процесс добычи похож на добычу угля, с использованием как открытых, так и подземных шахт. Он вызывает подобное воздействие на окружающую среду, с дополнительной опасностью, что хвосты урановых шахт являются радиоактивными.
Грунтовые воды могут быть загрязнены не только тяжелыми металлами, присутствующими в шахтных отходах, но и следами радиоактивного урана, которые все еще остаются в отходах. Половина людей, занятых в уранодобывающей промышленности, работают над очисткой шахт после использования.
Уран существует в двух формах – U-235 и U-238. В природе уран более чем на 99 процентов состоит из U-238; к сожалению, именно U-235 используется на электростанциях. U-238 также может быть переработан в плутоний, который также расщепляется.
После добычи урановая руда отправляется на перерабатывающий завод для концентрации в полезное топливо. После этого урановая руда превращается в U3O8, топливную форму урана, и формируется в виде небольших таблеток.
Затем пеллеты упаковывают в стержни длиной 3 метра, которые называются топливными стержнями. Стержни связываются вместе в топливные сборки, готовые к использованию в активной зоне реактора.
Как работает атомная электростанция: ядерные реакторы
Существуют преимущественно 2 типа реакторов: реакторы с водой под давлением (PWR), а остальные – реакторы с кипящей водой (BWR). В реакторе с кипящей водой, изображенном выше, вода закипает и превращается в пар, который затем пропускается через турбину для производства электроэнергии.
В реакторах с водой под давлением вода в активной зоне находится под давлением и не допускается к кипению. Тепло передается воде за пределами активной зоны с помощью теплообменника (который также называют парогенератором), в результате чего вода закипает, образуя пар и приводя в действие турбину. В реакторах с водой под давлением вода, которая кипятится, отделена от процесса деления, и поэтому не становится радиоактивной.
После того, как пар используется для питания турбины, его охлаждают, чтобы он снова сконденсировался в воду. Некоторые станции используют воду из рек, озер или океана для охлаждения пара, тогда как другие используют высокие градирни.
Градирни в форме песочных часов – привычная достопримечательность многих атомных станций. На каждую единицу электроэнергии, произведенной атомной электростанцией, в окружающую среду выбрасывается около двух единиц отработанного тепла.
Коммерческие атомные электростанции варьируются в размерах от около 60 мегаватт для первого поколения станций в начале 1960-х годов до более 1000 мегаватт. Многие станции содержат более одного реактора.
Некоторые конструкции реакторов используют другие теплоносители, кроме воды, для отвода тепла деления от активной зоны. Канадские реакторы используют воду, обогащенную дейтерием (так называемую “тяжелую воду”), в то время как другие охлаждаются газом.
На одной станции в Колорадо, которая сейчас навсегда остановлена, в качестве теплоносителя использовался газ гелий (так называемый высокотемпературный реактор с газовым охлаждением). Несколько станций используют жидкий металл или натрий.
Влияние радиации на организм человека – последствия
Ядерные отходы
Мы узнали как работает атомная электростанция, но что делать с ядерными отходами?
До середины 1970-х годов отработанный уран планировали перерабатывать на новое топливо.
Поскольку побочным продуктом переработки является плутоний, который может быть использован для создания ядерного оружия, и то, что переработке также было трудно экономически конкурировать с новым урановым топливом остановило эти планы.
Во многих странах существуют места захоронения ядерных отходов.
Между тем, радиоактивные отходы хранятся на атомных станциях, где они производятся. Самый распространенный вариант – хранить их в бассейнах выдержки отработанного ядерного топлива, больших резервуарах со стальной обшивкой, которые используют электричество для циркуляции воды. Когда эти бассейны заполняются, некоторые топливные стержни перегружают в большие стальные и бетонные контейнеры, которые считаются более безопасными.
Помимо отработанного топлива, сами станции содержат радиоактивные отходы, которые необходимо утилизировать после их закрытия. АЭС могут быть разобраны немедленно или храниться в течение нескольких лет, чтобы дать время радиации уменьшиться. Большая часть станции считается “низкоактивными отходами” и может храниться в менее безопасных местах.
Какой радиус поражения ядерной бомбы: анализируем опасность
Развитие ядерной энергетики
Принципы ядерной энергетики были сформулированы физиками в начале 20-го века. В 1939 году немецкие ученые открыли процесс деления ядра, что вызвало соревнование с американскими учеными в использовании невероятной силы деления для создания бомбы.
Благодаря интенсивным усилиям Манхэттенского проекта атомная бомба была создана к 1945 году и использована для уничтожения Хиросимы и Нагасаки в конце Второй мировой войны.
После войны “великая атомная сила” рассматривалась как потенциальный новый источник энергии.
В конце 1950-х годов ядерная энергетика начала развиваться для коммерческого производства электроэнергии, сначала в Англии. Моррис, штат Иллинойс, был местом расположения первого коммерческого реактора в США, Дрезденской АЭС, которая начала работать в 1960 году. Завод в Шипингпорте, штат Пенсильвания, вступил в строй в 1957 году, но не был коммерческим.
Сколько элементов в таблице Менделеева?
Падение популярности ядерной энергетики на примере США
После того, как производители начали терпеть убытки, они прекратили предлагать станции “под ключ”. К 1970-м годам было построено, строилось или планировалось около 200 станций. Но ряд факторов сговорились, чтобы положить конец ядерному буму.
Во-первых, перерасход выявил истинную стоимость атомных станций. Как только коммунальные предприятия начали строить станции по собственным проектам, отсутствие опыта работы с технологией, использование уникальных проектов для каждой станции и подход “строить, ожидая проект” привели к огромным перерасходам средств.
Поскольку строительство длилось годами, коммунальные предприятия оказались с огромными суммами денег, инвестированными в станцию еще до того, как она начинала работу.
Во-вторых, цены на энергоносители быстро росли в 1970-х годах из-за нефтяного эмбарго ОПЕК, трудовых проблем в угольной промышленности и дефицита природного газа. Эти высокие цены привели к повышению энергоэффективности и снижению спроса на энергию.
После многих лет ежегодного роста спроса на электроэнергию на 7% в год, в конце 1970-х годов годовой прирост упал до 2%. Поскольку атомные электростанции были большими, часто более 1000 МВт каждая, замедление роста спроса означало их недоиспользование, что еще больше усиливало долговую нагрузку на коммунальные предприятия.
В-третьих, повышение цен на энергоносители повлекло за собой рост инфляции. Высокая инфляция означает высокие кредитные ставки. Коммунальные предприятия, погрязшие в долгах перед атомными станциями, увидели, что процентные ставки выросли, и были вынуждены повысить цены на электроэнергию.
Государственные комиссии по вопросам коммунальных услуг, которые в эпоху снижения тарифов уделяли мало внимания финансам коммунальных предприятий, неожиданно заинтересовались решениями коммунальных предприятий по инвестициям в электростанции.
В-четвертых, комиссии по коммунальным услугам были менее склонны перекладывать все инвестиционные расходы на плательщиков коммунальных услуг. В Нью-Йорке комиссия постановила, что четверть затрат на атомную электростанцию Шорхэм не была понесена “осмотрительно”, и заставила акционеров коммунальных предприятий понести убытки в размере 1,35 миллиарда долларов. Инвесторы быстро стали с осторожностью относиться к рискованным и крупным инвестициям в атомную энергетику.
В-пятых, общественная оппозиция атомным станциям набрала обороты в 1970-х годах. АЭС были в центре интенсивных антиядерных протестов. Вмешиваясь в решения по выбору места расположения и лицензирования, антиядерные группы, государственные и местные органы власти смогли заблокировать или отсрочить строительство станций.
В 1979 году расплавление активной зоны реактора на атомной электростанции Три-Майл-Айленд стало лишь последней из ряда проблем для отрасли. Более тщательный контроль со стороны Комиссии по ядерному регулированию заставил строителей АЭС менять проекты посреди строительства.
Хотя сторонники ядерной энергетики обвиняют государственное регулирование в проблемах отрасли, федеральное правительство было ее сильнейшим союзником. Только после Три-Майл-Айленда “сторожевой пес” был готов выполнить свой долг.
В 1980-х годах ядерная промышленность оказалась в серьезном затруднении. После 1978 года не было заказано ни одной новой станции, а все заказы, сделанные с 1973 года, впоследствии были отменены. Журнал “Форбс” сообщал в 1985 году, что выборка из 35 станций, которые тогда строились, будет стоить в шесть-восемь раз дороже первоначальной сметы, а строительство займет вдвое больше времени, чем планировалось, – от шести лет до двенадцати.
Они назвали атомную энергетику “крупнейшей управленческой катастрофой в истории бизнеса”. В конце концов, между 1972 и 1990 годами было отменено 120 станций – больше, чем было построено.
Источник: https://www.ucsusa.org
