Дізнайтеся як працює атомна електростанція, якими бувають види атомних реакторів та зрозумійте основні принципи атомної енергетики.
На базовому рівні ядерна енергетика – це практика розщеплення атомів для кип’ятіння води, обертання турбін і виробництва електроенергії.
Під час поділу нейтрон бомбардує атом урану, вивільняючи більше нейтронів і запускаючи ланцюгову реакцію.
Принципи ядерної енергетики
Атоми побудовані як мініатюрні сонячні системи. У центрі атома знаходиться ядро; навколо нього обертаються електрони.
Ядро складається з протонів і нейтронів, дуже щільно упакованих разом. Водень, найлегший елемент, має один протон; найважчий природний елемент, уран, має 92 протони.
Ядро атома утримується разом з великою силою, “найсильнішою силою в природі”. При бомбардуванні нейтронами воно може розділитися на частини – процес, який називається поділом. Оскільки атоми урану дуже великі, атомна сила, яка зв’язує їх разом, відносно слабка, що робить уран придатним для поділу.
Перші атомні електростанції та історія атомної енергетики
На атомних електростанціях нейтрони стикаються з атомами урану, розщеплюючи їх. Це розщеплення вивільняє нейтрони з урану, які, в свою чергу, стикаються з іншими атомами, викликаючи ланцюгову реакцію. Ця ланцюгова реакція контролюється за допомогою “стрижнів управління”, які поглинають нейтрони.
В активній зоні ядерних реакторів поділ атомів урану вивільняє енергію, яка нагріває воду приблизно до 520 градусів за Фаренгейтом. Ця гаряча вода потім використовується для обертання турбін, які з’єднані з генераторами, що виробляють електроенергію.
Видобуток і переробка ядерного палива
Уран є одним з найменш поширених мінералів – його вміст у земній корі становить лише дві частини на мільйон, але завдяки своїй радіоактивності він є багатим джерелом енергії. Один кілограм урану містить стільки ж енергії, скільки три мільйони кілограмів вугілля.
Радіоактивні елементи поступово розпадаються, втрачаючи свою радіоактивність. Час, необхідний для втрати половини радіоактивності, називається “періодом напіврозпаду”. U-238, найпоширеніша форма урану, має період напіврозпаду 4,5 мільярда років.
Уран міститься в багатьох геологічних формаціях, а також у морській воді. Однак для того, щоб його можна було видобувати як паливо, він має бути достатньо концентрованим і становити щонайменше сто частин на мільйон (0,01 відсотка) породи, в якій він знаходиться.
Вплив радіації на організм людини – наслідки
Процес видобутку схожий на видобуток вугілля, з використанням як відкритих, так і підземних шахт. Він спричиняє подібний вплив на довкілля, з додатковою небезпекою, що хвости уранових шахт є радіоактивними. Ґрунтові води можуть бути забруднені не лише важкими металами, присутніми у шахтних відходах, але й слідами радіоактивного урану, які все ще залишаються у відходах. Половина людей, зайнятих в урановидобувній промисловості, працюють над очищенням шахт після використання.
Уран існує у двох формах – U-235 та U-238. У природі уран більш ніж на 99 відсотків складається з U-238; на жаль, саме U-235 використовується на електростанціях. U-238 також може бути перероблений на плутоній, який також розщеплюється.
Після видобутку уранова руда відправляється на переробний завод для концентрації в корисне паливо. Після цього уранова руда перетворюється на U3O8, паливну форму урану, і формується у вигляді невеликих таблеток.
Потім пелети упаковують у стрижні довжиною 3 метра, які називаються паливними стрижнями. Стрижні зв’язуються разом у паливні збірки, готові до використання в активній зоні реактора.
Що таке радіація: види та способи вимірювання
Як працює атомна єлектростанція: ядерні реактори
Існують переважно 2 типи реакторів: реактори з водою під тиском (PWR), а решта – реактори з киплячою водою (BWR). У реакторі з киплячою водою, зображеному вище, вода закипає і перетворюється на пару, яка потім пропускається через турбіну для виробництва електроенергії.
У реакторах з водою під тиском вода в активній зоні знаходиться під тиском і не допускається до кипіння. Тепло передається воді за межами активної зони за допомогою теплообмінника (який також називають парогенератором), в результаті чого вода закипає, утворюючи пару і приводячи в дію турбіну. У реакторах з водою під тиском вода, яка кип’ятиться, відокремлена від процесу поділу, і тому не стає радіоактивною.
Після того, як пара використовується для живлення турбіни, її охолоджують, щоб вона знову сконденсувалася у воду. Деякі станції використовують воду з річок, озер або океану для охолодження пари, тоді як інші використовують високі градирні.
Градирні у формі пісочного годинника – звична пам’ятка багатьох атомних станцій. На кожну одиницю електроенергії, виробленої атомною електростанцією, в навколишнє середовище викидається близько двох одиниць відпрацьованого тепла.
Комерційні атомні електростанції варіюються в розмірах від близько 60 мегават для першого покоління станцій на початку 1960-х років до понад 1000 мегават. Багато станцій містять більше одного реактора.
Деякі конструкції реакторів використовують інші теплоносії, окрім води, для відведення тепла поділу від активної зони. Канадські реактори використовують воду, збагачену дейтерієм (так звану “важку воду”), в той час як інші охолоджуються газом.
На одній станції в Колорадо, яка зараз назавжди зупинена, в якості теплоносія використовувався газ гелій (так званий високотемпературний реактор з газовим охолодженням). Кілька станцій використовують рідкий метал або натрій.
Що таке радіоактивність: демістифікуєм науку
Ядерні відходи
Ми дізналися як працює атомна електростанція, але що робити з ядерними відходами?
До середини 1970-х років відпрацьований уран планували переробляти на нове паливо.
Оскільки побічним продуктом переробки є плутоній, який може бути використаний для створення ядерної зброї, та те, що переробці також було важко економічно конкурувати з новим урановим паливом зупинило ці плани.
В багатьох країнах існують місця захоронення ядерних відходів.
Тим часом, радіоактивні відходи зберігаються на атомних станціях, де вони виробляються. Найпоширеніший варіант – зберігати їх у басейнах витримки відпрацьованого ядерного палива, великих резервуарах зі сталевою обшивкою, які використовують електрику для циркуляції води. Коли ці басейни заповнюються, деякі паливні стрижні перевантажують у великі сталеві та бетонні контейнери, які вважаються безпечнішими.
Крім відпрацьованого палива, самі станції містять радіоактивні відходи, які необхідно утилізувати після їх закриття. АЕС можуть бути розібрані негайно або зберігатися протягом декількох років, щоб дати час радіації зменшитися. Більша частина станції вважається “низькоактивними відходами” і може зберігатися в менш безпечних місцях.
Розвиток ядерної енергетики
Принципи ядерної енергетики були сформульовані фізиками на початку 20-го століття. У 1939 році німецькі вчені відкрили процес поділу ядра, що спричинило змагання з американськими вченими у використанні неймовірної сили поділу для створення бомби.
Завдяки інтенсивним зусиллям Манхеттенського проекту атомна бомба була створена до 1945 року і використана для знищення Хіросіми та Нагасакі наприкінці Другої світової війни.
Після війни “велика атомна сила” розглядалася як потенційне нове джерело енергії.
Наприкінці 1950-х років ядерна енергетика почала розвиватися для комерційного виробництва електроенергії, спочатку в Англії. Морріс, штат Іллінойс, був місцем розташування першого комерційного реактора в США, Дрезденської АЕС, яка почала працювати в 1960 році. Завод у Шипінгпорті, штат Пенсильванія, став до ладу в 1957 році, але не був комерційним.
Падіння популярності ядерної енергетики на прикладі США
Після того, як виробники почали зазнавати збитків, вони припинили пропонувати станції “під ключ”. До 1970-х років було побудовано, будувалося або планувалося близько 200 станцій. Але низка факторів змовилися, щоб покласти край ядерному буму.
По-перше, перевитрати виявили справжню вартість атомних станцій. Як тільки комунальні підприємства почали будувати станції за власними проектами, відсутність досвіду роботи з технологією, використання унікальних проектів для кожної станції та підхід “будувати, очікуючи на проект” призвели до величезних перевитрат коштів.
Оскільки будівництво тривало роками, комунальні підприємства опинилися з величезними сумами грошей, інвестованими в станцію ще до того, як вона розпочинала роботу.
По-друге, ціни на енергоносії швидко зростали в 1970-х роках через нафтове ембарго ОПЕК, трудові проблеми у вугільній промисловості та дефіцит природного газу. Ці високі ціни призвели до підвищення енергоефективності та зниження попиту на енергію.
Після багатьох років щорічного зростання попиту на електроенергію на 7%, наприкінці 1970-х років річний приріст впав до 2%. Оскільки атомні електростанції були великими, часто понад 1000 МВт кожна, сповільнення зростання попиту означало їх недовикористання, що ще більше посилювало боргове навантаження на комунальні підприємства.
По-третє, підвищення цін на енергоносії спричинило зростання інфляції. Висока інфляція означає високі кредитні ставки. Комунальні підприємства, що загрузли в боргах перед атомними станціями, побачили, що відсоткові ставки зросли, і були змушені підвищити ціни на електроенергію.
Державні комісії з питань комунальних послуг, які в епоху зниження тарифів приділяли мало уваги фінансам комунальних підприємств, несподівано зацікавилися рішеннями комунальних підприємств щодо інвестицій в електростанції.
По-четверте, комісії з комунальних послуг були менш схильні перекладати всі інвестиційні витрати на платників комунальних послуг. У Нью-Йорку комісія постановила, що чверть витрат на атомну електростанцію Шорхем не була понесена “обачно”, і змусила акціонерів комунальних підприємств зазнати збитків у розмірі 1,35 мільярда доларів. Інвестори швидко стали з обережністю ставитися до ризикованих і великих інвестицій в атомну енергетику.
По-п’яте, громадська опозиція атомним станціям набрала обертів у 1970-х роках. АЕС були в центрі інтенсивних антиядерних протестів. Втручаючись у рішення щодо вибору місця розташування та ліцензування, антиядерні групи, державні та місцеві органи влади змогли заблокувати або відтермінувати будівництво станцій.
У 1979 році розплавлення активної зони реактора на атомній електростанції Три-Майл-Айленд стало лише останньою з низки проблем для галузі. Ретельніший контроль з боку Комісії з ядерного регулювання змусив будівельників АЕС змінювати проекти посеред будівництва.
Хоча прихильники ядерної енергетики звинувачують державне регулювання в негараздах галузі, федеральний уряд був її найсильнішим союзником. Лише після Три-Майл-Айленду “сторожовий пес” був готовий виконати свій обов’язок.
У 1980-х роках ядерна промисловість опинилася в серйозній скруті. Після 1978 року не було замовлено жодної нової станції, а всі замовлення, зроблені з 1973 року, згодом були скасовані. Журнал “Форбс” повідомляв у 1985 році, що вибірка з 35 станцій, які тоді будувалися, коштуватиме в шість-вісім разів дорожче від початкового кошторису, а будівництво займе вдвічі більше часу, ніж планувалося, – від шести років до дванадцяти.
Вони назвали атомну енергетику “найбільшою управлінською катастрофою в історії бізнесу”. Зрештою, між 1972 і 1990 роками було скасовано 120 станцій – більше, ніж було побудовано.
Джерело: https://www.ucsusa.org
