Атомная энергетика

Ядерная энергетика — Рамиз Алиев / ПостНаука [14:46]

Атомная энергетика (Ядерная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Предпосылки развития атомной энергетики

Атомная энергия. История // Redroom [18:48]

Ядерная энергетика и ее технологии // Росатом [29:51]

Атомная энергетика, занимающаяся добычей энергии ядер атомов, берет свое начало ещё в XX веке, а именно в 1932 году, когда немецкий физик В. Гейзенберг и советский физик Д. Д. Иваненко описали протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома состоит из элементарных частиц, при разделении которых выделяется так называемая ядерная энергия. Таким образом, был открыт новый способ выработки энергии. В 1954 году в подмосковном городе Обнинске в СССР, стала функционировать первая в мире АЭС (атомная электростанция). С тех пор данный метод получения энергии стал интенсивно развиваться.

Что же вызвало интерес к атомной энергетике? Давно не секрет, что основные источники тепла — уголь, нефть, газ — не бесконечны. По некоторым оценкам органического топлива должно хватить лишь на полторы сотни лет, причем эти данные не учитывают постоянного роста потребления энергии человеком. Значит, перед человечеством стоит следующий вопрос: где добыть неиссякаемые источники энергии? К возобновляемым источникам энергии относятся: солнце, вода, ветер и атомы. Энергия, получаемая посредством первых трех источников не слишком велика, в отличие от атомной, потому именно атомная энергетика имеет наибольший потенциал.

Принцип работы атомной электростанции

Атомная электростанция представляет собой комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путем использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции. Атомные электростанции различаются по типу реактора (на быстрых и на медленных нейтронах), по виду отпускаемой энергии (АЭС и АТЭЦ), по количеству контуров (одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные). В зависимости от типа конструкции в состав атомной электростанции могут входить: ядерный реактор, турбина, конденсатор, электрогенератор, парогенератор и др.

Ядерная реакция возникает при делении ядра атома. Ядра атомов разделяют нейтроны, которые попадающие в них извне. При этом возникают новые нейтроны и осколки деления, которые имеют огромную кинетическую энергию. Эта энергия передается теплоносителю, который поступает в парогенератор, где нагревает до кипения воду. Полученный при кипении пар вращает турбины, связанные с электрогенератором.

Ядерный реактор

Ядерным реактором называется устройство, осуществляющее управляемую реакцию деления ядра. Ядерный реактор состоит из многих элементов, таких как: ядерное горючее, замедлитель нейтронов, теплоноситель для вывода энергии и устройство для регулирования скорости реакции. Энергия, выделяемая из ядерного топлива, нагревает теплоноситель, который затем следует в парогенератор. Реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей гамма-излучение.

Обычно в качестве горючего для ядерного реактора используются ядра изотопа урана, наиболее эффективно захватывающее медленные нейтроны. Захват медленных нейтронов происходит с гораздо большей вероятностью чем быстрых, поэтому в ядерных реакторах, которые работают на естественном уране, используются замедлители (вода, тяжёлая вода, бериллий, графит).

В качестве теплоносителей в ядерных реакторах на быстрых нейтронах используют жидкие металлы и газы, они дают возможность получить на выходе из реактора высокие температуры, позволяющие вырабатывать в парогенераторах пар высоких, сверхвысоких и закритических параметров. Теплоносители в реакторах на тепловых(медленных) нейтронах используют обычную и тяжелую воду, водяной пар, двуокись углерода.

Устройство для вывода энергии состоит из регулирующих и компенсирующих стержней. Регулирующие стержни предназначены для поддержания критического состояния в любой момент времени, для остановки, пуска реактора, перехода с одного уровня мощности на другой. Все эти операции требуют малых изменений реактивности. Компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы.

Парогенератор

Парогенератором называется теплообменный аппарат, использующий теплоту первичного теплоносителя ядерного реактора, для производства водяного пара с давлением выше атмосферного. Теплоноситель из реактора, прокачивающийся насосами через парогенератор, отдает часть тепла, а затем снова возвращается в реактор. В парогенераторе это тепло передается воде второго контура, находящейся под гораздо меньшим давлением, вследствие чего вода закипает. Образовавшийся пар поступает на паровую турбину, которая вращает электрогенератор, а затем в конденсатор, где пар охлаждают. Пар конденсируется и снова поступает в парогенератор. В конденсаторе используется вода из внешнего открытого источника.

Турбина и электрогенератор

Подавляющее большинство паровых турбин, устанавливаемых на АЭС с водоохлаждаемыми реакторами предназначены для работы на насыщенном паре. Тепловая энергия пара при его расширении в проточной части турбины превращается в кинетическую энергию потока пара, которая используется для вращения ротора турбины электрогенератора.

Конденсатор

В конденсатор поступают перегретые пары теплоносителя, охлаждающиеся до температуры насыщения, они конденсируются и переходят в жидкую фазу. Для конденсации пара от каждой единицы его массы отводят теплоту равную удельной теплоте конденсации. В качестве охлаждающей жидкости на АЭС используется большое количество воды, поступающее из водохранилища.

Развитие атомной энергетики

Двадцатый век стал временем освоения ядерной физики

Двадцатый век стал временем освоения ядерной физики. В 1939 году ученые мира уже использовали практические и теоретические открытия в области атомной физики, что позволяло им выдвинуть программу исследований в этом направлении. В ходе многочисленных исследований ученые выявили, что можно разложить атом урана на две части, что позволяет освободить большое количество энергии и в процессе разложения выделяются нейтроны, расщепляющие другие атомы урана и вызывающие цепную ядерную реакцию. Ядерная реакция разделения урана эффективна и превосходит самые сильные химические реакции. Эти открытия произвели в научном мире настоящий фурор, ведь теперь можно было проникать в атом и овладевать его энергией.

Первое получение атомной энергии

Впервые ядерную энергию выработали в 1951 году в штате Айдахо, США. Там ученые построили ядерный реактор мощностью 100 киловатт. В 1954 году в СССР была построена первая атомная электростанция в городе Обнинске мощностью 5 МВт. Источником электроэнергии служило расщепление ядер урана. После этих событий атомная энергетика начала активно развиваться и в других странах. В 1956 году в Великобритании заработала АЭС «Калдер Холл-1» мощностью в 50 МВт. В 1957 году запустили АЭС Шиппингпорт в США мощностью 60 МВт. В 1959 году близ Авиньона во Франции открылась станция Маркуль мощностью в 37 Мвт. В СССР в 1964 году были запущены первые блоки Белоярской и Нововоронежской АЭС мощностью в 100 и 240 МВт соответственно. Итак, К 1964 г. суммарная мощность АЭС в мире выросла до 5 млн кВт. В мае 1970 года началось строительство Чернобыльской АЭС. В 1973 году, был запущен первый высокомощный блок Ленинградской АЭС мощностью в 1000 МВт. Годом ранее свою работу начала атомная электростанция в городе Шевченко (ныне Актау). Уже к 1986 г. в мире работали на АЭС 365 энергоблоков суммарной установленной мощностью 253 млн.кВт. Практически за 20 лет мощность АЭС увеличилась в 50 раз. Причинами такой высокой активности внедрения атомной энергетики в жизнь человечества стали: низкая стоимость возведения АЭС, рост потребления электроэнергии и стоимости энергоносителей, торговое эмбарго на поставки энергоносителей из арабских стран и др. Однако, 80-х годах спрос на электроэнергию стабилизировался, также как и стоимость природного топлива, а стоимость постройки АЭС, наоборот, увеличилась. К тому же серьезный удар развитию атомной энергетики был нанесен тяжелой аварией на АЭС «Три Майл Айленд» в США в 1979 г., и страшная авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году, которые заставили людей задуматься о безопасности атомных электростанций. Во многих странах были приостановлены программы развития атомной энергетики, а в ряде стран вообще отказались от намеченных ранее планов по её развитию. Несмотря на это, к 2000 г. на АЭС, работающих в 37 странах мира, вырабатывалось 16 % мирового производства электроэнергии. Всевозможные усилия, предпринятые по улучшению безопасности АЭС, привели к тому, что доверие общества к атомной энергетике восстановилось. В условиях экологического кризиса, с которым мировое сообщество вошло в ХХI век, атомная энергетика может внести значительный вклад в обеспечение надежного электроснабжения, снижение выбросов в окружающую среду парниковых газов и загрязняющих веществ. В настоящее время активно развивают атомную энергетику страны с высокой её долей в общем объёме вырабатываемой электроэнергии, включая США, Японию, Южную Корею, Финляндию. Франция, переориентировав электроэнергетику страны на атомную и продолжая её развивать, с успехом решила энергетическую проблему на многие десятилетия. Доля АЭС в производстве электроэнергии в этой стране достигает 80 %. Развивающиеся страны с незначительной ещё долей ядерной генерации электроэнергии высокими темпами строят АЭС.

Плюсы и минусы АЭС Несчастные случаи на производстве атомной энергии

Преимущества

• Основное преимущество добычи энергии путем деления атомных ядер состоит в дешевизне транспортировки топливного материала, то есть урана. Судить об этом можно, сравнивая АЭС с ТЭС: если тепловые электростанции необходимо постоянно снабжать горючим топливом, таким как нефть, уголь, газ, мазут и т. д., то атомные электростанции способны вырабатывать энергию целый год, пользуясь ураном, доставленным единожды на не слишком массивном транспортном средстве.

• Потенциальные запасы урана составляют свыше 6 миллиардов тонн. Уран способен обеспечить планету энергией весьма долгое время, ведь данный ресурс расходуются не так интенсивно в сравнении с горючим топливом, которое окончательно истощится в ближайшие триста лет. Если учесть возможную в будущем разработку метода переработки и эксплуатации отходов атомной промышленности, то атомная энергия обеспечена человечеству ещё на более продолжительный срок.

• В силу возможности вторичной переработки урана выделяется ещё одно достоинство АЭС — существование конкретных путей развития отрасли.

• АЭС практически не зависит от природных ресурсов, в отличие от гидроэлектростанций, место строительства которых располагается исключительно на водоемах — потенциальных мест постройки ГЭС ограниченное количество. Теоретически возможных мест создания новых АЭС значительно больше.
• Существуют стереотипы о том, что атомные электростанции наиболее опасны своими производственными отходами. В действительности атомные электростанции выделяют крайне незначительный объём загрязняющих атмосферу веществ. Гораздо больший урон окружающей среде наносят ТЭС (именно ТЭС выделяют такие опасные отходы, как сернистый ангидрид, оксид азота, безопорен). Токсичная часть отходов с АЭС надежно консервируется, её контакт с окружающей средой предотвращается.

Недостатки

• Изъян АЭС заключается в накоплении токсичных отходов производства, пока ещё не нашедших применения и без пользы занимающих некоторое пространство.

• Недостаток АЭС в сравнительно низком КПД: как известно чем больше температура резервуара-нагревателя, тем выше КПД, но не все вещества, участвующие в делении ядер способны выдержать высокие температуры.

• АЭС пагубно влияет на тепловое состояние атмосферы: потребные производству термические процессы способны внести изменения в окружающую среду, а именно, существенно изменить климат.

• Сравнительно с ГЭС атомная энергетика имеет следующий минус: водные ресурсы возобновляемы, а, значит, неистощимы, чего нельзя сказать о запасах урана — весьма внушающих, но все же не бесконечных.

• В конце концов, значимое несовершенство атомных электростанций обусловлено риском возникновения сбоев в работе, и, соответственно, ядерных катастроф. Однако аварии на АЭС — это единичные случаи, современные системы безопасности доведены до высшего уровня, все процессы атомных реакторов компьютеризированы и при малейших отклонениях от нормы они отключаются.

Несчастные случаи на АЭС

• Ядерные аварии классифицируется по шкале INES (International Nuclear Event Scale), разделенной на 7 уровней, последний из них говорит о максимальной угрозе для народонаселения и внешней среды, угроза может распространиться на соседние страны. Н данный момент известно 2 радиационные катастрофы, достигшие 7 уровня: катастрофа на АЭС Фукусима-1, произошедшая в Японии в 2011 году, и авария на Чернобыльской атомной электростанции в СССР в 1986 году.

• АЭС Фукусима-1 прекратила свое функционирование по причине мощного землетрясения и ставшего его результатом цунами: три реактора были в аварийном состоянии из-за выхода из строя системы охлаждения, последовал взрыв и пожар из-за высоких температур и паросодержания. Пожар произошел и в хранилище отработанного ядерного топлива, вследствие чего в атмосферу стали поступать радиоактивные вещества. С этого момента весь персонал, ранее пытавшийся устранить катастрофу, был эвакуирован, на объекте осталось только 50 инженеров. Из-за опасного уровня радиации устранением проблемы занялись с помощью роботов: 19 июля 2017 года роботизированный аппарат отправлен в экспедицию для сбора информации о состоянии реакторов. По оценке японских инженеров стабилизация установки займет 40 лет. Число погибших впоследствии аварии превысило 1.6 тысячи человек.

• Несчастный случай на ЧАЭС — крупнейшая ядерная катастрофа, известная человечеству. Существует множество причин чернобыльской катастрофы, определённая и бесспорно истинная причина до сих пор не выявлена, но наиболее приемлемой считается следующая: введение экспериментального энергоблока.

• В начале 80-х годов инженеры Советского Союза построили АЭС в Ираке, вскоре её уничтожили ВВС Израиля, вследствие чего руководство СССР стало обдумывать методы сохранения работоспособности АЭС при внезапной бомбардировке. В спешке был построен энергоблок для осуществления эксперимента на ЧАЭС. Теоретически, если реактор будет работать при низких мощностях, а все паровые турбины придут в неподвижность, то можно предотвратить утечку токсичных веществ во время атаки на объект и продолжать обеспечение электричеством. В начале эксперимента необходимо было существенно уменьшить мощность в работы реактора. По регламенту персонал должен был добиться полной остановки реактора и только после этого снова его активировать, но управляющий процессом Дятлов отказался тратить время на полную остановку реактора и приказал своим сотрудникам повысить мощность с помощью вывода специальных стержней, предназначенных для контроля деления ядер. Огрехи в постройке экспериментального энергоблока стали причиной неверного отображения температуры реактора, значительно возросшей после вывода стержней. Подъём температуры привел к испарению воды и, следовательно, к перегреву реактора; когда было замечено испарение воды, было принято решение немедленно снизить мощность, то есть осуществить погружение всех имеющихся стержней. По предположениям инженеров вышеупомянутые действия должны были охладить реактор, однако не был учтен тот факт, что стержни в своих наконечниках содержат небольшое количество графита, кратковременно увеличиваещего температуру реактора. Впоследствии многократного увеличения температуры, увеличилось и давление в реакторе, после чего последовал взрыв, начался пожар и утечка радиации. Катастрофа приняла масштабный характер: радиация распространилась по территориям Республики Беларусь, Украины, Российской Федерации и странам Центральной Европы. Ядерная катастрофа на ЧАЭС привела к полной непригодности Чернобыльского района для проживания.

Люди, занимавшиеся устранением последствий аварии, назывались «ликвидаторами», численность которых составляла около шестисот тысяч человек, из них 60 тысяч погибли, 200 тысяч стали инвалидами. Огромное число людей стало жертвами радиации, и, тем не менее, электростанция закрылась только в 2000 году; сейчас уровень радиации в Чернобыльской области в 200 раз больше нормы, В 2012 году начали возводить саркофаг над реактором, окончание проекта намечено на 2018 год.

Перспективы развития атомной энергетики

Будущие перспективы атомной энергетики

Планы изменения программ ядерной энергетики в 30 странах с действующими АЭС:

• Строят новые блоки: Республика Корея, Япония, Бразилия, Франция, Индия, Финляндия, Китай, Украина, Пакистан, США, Аргентина, Словакия, Российская Федерация.
• Планируют и строят новые блоки: Китай, Пакистан, Индия, США, Российская Федерация, Республика Корея, Япония, Финляндия.
• Планируют строительство новых блоков: Южная Африка, Исламская Республика, Венгрия, Чешская Республика, Иран, Румыния, Канада, Соединенное Королевство.
• Отказываются от проектировки новых блоков: Швейцария, Испания, Бельгия.
• Лишь Германия закрывает все существующие энергоблоки.

Прогнозы производства электроэнергии АЭС.

Небольшие изменения в политике ядерной энергетики

Резкое уменьшение мощности атомной энергетики прогнозируется к 2040 году, а затем возвращение к настоящим показателям к 2050 году. Уменьшение мощностей предполагается в западной, южной и северной частях Европы, и в Северной Америке. Незначительное увеличение ожидается на западе Азии и в Африке. Исключением является западная и центральная Азия, в этом регионе прогнозируется существенный рост. Действующих реакторов около 447 возраст половины из них выше 30 лет. Приведенные прогнозы свидетельствуют о том, что к 2050 году значительного изменения установленной мощности не произойдет.

Сохранение нынешних темпов роста и активный рост экономики и спроса на электроэнергию

Повышение мощности будет происходить в основном в регионах с формирующейся рыночной экономикой. Таким странам могут понадобиться возможности мобильной передачи энергии, что избежать загрязнение воздуха за счет применения на транспорте органического топлива, а значит исключить выбросы углерода в воздух.

Сравнение высокого и низкого изменения экономики

Несмотря на незначительное изменение мощности атомной энергетики, мировой объём ядерной генерации электроэнергии, все же повышается, хоть и очень медленно. Даже при таких показателях производство электричества на атомных станциях Азии растет достаточно быстро. Согласно данным прогнозам уровень ядерной энергетики по производству электроэнергии повысится на 2,4 % к 2030 году, к 2040 году на 3,4 %, а к 2050 года на 3,7 %.

За 2015 год в мире было произведено 55 975 тонн урана, этого достаточно, чтобы обеспечить 99 % годовых потребностей всех реакторов мира. Остальные реакторы существовали на уране, который был добыт ранее. Такая ресурсная база способна оправдать спрос на ядерную энергетику ожидаемый в 2030 году. Но для более высокого спроса необходимы новые средства, позволяющие обеспечить новыми ресурсами АЭС для увеличения производства ядерного топлива.

Инновации: усовершенствованные реакторы и топливные циклы.

Самым ярким примером современного существующего усовершенствования АЭС является Блок № 4 Белоярской АЭС с реактором БН-800, то есть электрическая мощность реактора на быстрых нейтронах составляет 880 МВт. Он сдан в эксплуатацию 10 декабря 2015 года. Появление данного реактора является историческим событием для России, этот проект берет начало с первой половины 80-х годов ХХ века. Данные реакторы имеют большие преимущества для развития атомной энергетики, так как они обеспечивают замыкание ядерного топливного цикла, что свидетельствует о полном использовании уранового сырья, следовательно, экономии топливной базы ядерной энергетики. Плюс появится возможность уменьшения объёмов радиоактивных отходов.

До 2050 года быстрые реакторы скорее всего не будут играть главной роли, но станут важнее, позднее, когда для обеспечения энергетической устойчивости будет необходимо сокращение до минимума отходов производства и эффективное использование ресурсов урана.

Также явный прогресс в проектировании и создании пунктов захоронения высокоактивных отходов приведет к общественному и политическому признанию ядерной энергетики. Более положительное восприятие обществом данных технологий характерно для стран, с явными планами на уничтожение отходов и показан прогресс в создании работающих пунктов захоронения высокоактивных отходов. В ноябре 2015 года была одобрена первая лицензия на строительство подобного пункта захоронения отработанного топлива атомной станции «Онкало» в Финляндии, и начато строительство уже в декабре 2016 года. Летом 2016 года правительство Швейцарии разрешило строительство второго глубокого ядерного захоронения отходов на АЭС «Форсмарк». Также во Франции сейчас готовится следующая заявка на разрешение строительства ещё одного захоронения отходов со средней и высокой радиоактивностью на станции «Сижео».

Ссылки

• http://class-fizika.ru/11_82.html
• http://litlife.club/br/?b=246190&p=5
• https://ria.ru/atomtec/20161102/1480502414.html
• http://rusnext.ru/news/1498458560

Энергетика структура по продуктам и отраслям ↑ [+]
Электроэнергетика: электроэнергия	Традиционная Тепловые электростанции Конденсационная электростанция (КЭС) • Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) Гидроэнергетика Гидроэлектростанция (ГЭС) • Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) Атомная Атомная электростанция (АЭС) • Плавучая атомная электростанция (ПАТЭС) Альтернативная Геотермальная Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) Гидроэнергетика Малые гидроэлектростанции (МГЭС) • Приливные электростанции (ПЭС) • Волновые электростанции • Осмотические электростанции Ветроэнергетика Ветряные электростанции (ВЭС) Солнечная Солнечные электростанции (СЭС) Водородная Водородные электростанции • Установки на топливных элементах Биоэнергетика Биоэлектростанции (БиоТЭС) Малая Дизельные электростанции • Газопоршневые электростанции • Газотурбинные установки малой мощности • Бензиновые электростанции Электрическая сеть Электрические подстанции • Линии электропередачи (ЛЭП) • Опоры линий электропередачи
Теплоснабжение: теплоэнергия	Централизованное Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) • Котельные • Атомные электростанции (АЭС) • Атомные электростанции теплоснабжения (АСТ) • Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) • Биоэлектростанции (БиоТЭС) Децентрализованное Малые котельные • Мини-ТЭЦ • Теплонасосные установки • Электронагреватели • Печи Тепловая сеть Тепловые пункты • Теплотрассы
Топливная промышленность: топливо	Органическое Газообразное Природный газ • Генераторный газ • Коксовый газ • Доменный газ • Продукты перегонки нефти • Газ подземной газификации • Синтез-газ Жидкое Нефть • Бензин • Керосин • Соляровое масло • Мазут Твёрдое Ископаемое Бурый уголь • Каменный уголь • Антрацит • Горючий сланец • Торф Растительное Дрова • Древесные отходы • Биомасса Искусственное Древесный уголь • Пеллеты • Кокс (каменноугольный, торфяной, полукокс) • Углебрикеты • Отходы углеобогащения Ядерное Уран • MOX-топливо
Перспективная энергетика:	Энергетика Термоядерная энергетика • Космическая энергетика Топливо Плутоний • Торий • Дейтерий • Тритий • Гелий-3 • Бор-11
Портал: Энергетика