Однако в начале 1980-х годов возникли серьезные экономические трудности, связанные со стабилизацией спроса на электроэнергию, прекращением роста цен на ископаемое топливо и увеличением стоимости строительства новых атомных электростанций вместо прогнозируемого снижения цен.
Современная Атомная и Ядерная Энергетика
Ядерная энергетика, или, как ее еще называют, ядерная энергетика, — это отрасль техники, которая вырабатывает электричество и тепло путем преобразования энергии ядер вещества. Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и высвобождающаяся в ходе ядерных реакций. В ядерной энергетике ядерная энергия выделяется в ядерных реакторах, преобразуется в электричество или тепло и затем используется в народном хозяйстве: для обеспечения электроэнергией и теплом; для питания судов: атомных ледоколов и подводных лодок; для питания и контроля температуры космических аппаратов.
Контролируемый процесс извлечения и преобразования ядерной энергии, используемой в атомной энергетике, технически чрезвычайно сложен, поэтому сектор атомной энергетики более развит в промышленно развитых странах. Особенно в странах, не имеющих природных энергетических ресурсов (Франция, Бельгия, Финляндия, Швеция), доля атомной энергии в производстве электроэнергии в этих странах может достигать 60-90% от общего объема производства электроэнергии. США являются крупнейшим производителем электроэнергии, и хотя они вырабатывают только 12 % своей внутренней электроэнергии на атомных электростанциях, на них приходится одна пятая мирового производства атомной электроэнергии.
Первая в мире коммерческая атомная электростанция мощностью 5 МВт была введена в эксплуатацию 27 июня 1954 года в Обнинске Калужской области СССР. Сегодня она входит в число стран, вырабатывающих наибольшее количество электроэнергии с помощью ядерных реакторов: США — более 830 млрд кВтч/год, Франция — более 430 млрд кВтч/год, Япония — более 260 млрд кВтч/год, Россия — более 160 млрд кВтч/год, Корея — более 140 млрд кВтч/год, Германия — более 140 млрд кВтч/год. Всего в мире эксплуатируется более четырехсот ядерных энергетических реакторов.
На крупнейшей в Европе Запорожской атомной электростанции в Энергодаре в Запорожской области Украины работают шесть энергоблоков общей мощностью 6 ГВт. Крупнейшая в мире атомная электростанция Кашивазаки-Карива в Кашивазаки, префектура Ниигата, Япония, в 2008 году имела мощность более 8 ГВт и 7 действующих реакторов.
На каких физических принципах и эффектах основана атомная энергетика?
Ядерная энергия в основном производится в результате цепной реакции деления ядер урана-235 или плутония. Процесс деления ядер происходит в результате попадания нейтрона в ядро, после чего ядро распадается на осколки и множество новых нейтронов. Затем нейтроны деления могут взаимодействовать с ядрами и вызывать дальнейший распад. Кроме того, нейтроны и осколки деления обладают значительной кинетической энергией, которая быстро преобразуется в тепловую энергию при взаимодействии с окружающей материей и преобразуется в электрическую энергию в различных типах преобразователей. Существуют также реакторы для прямого преобразования энергии продуктов деления в электричество. Другим способом высвобождения ядерной энергии является ядерный синтез — процесс слияния ядер легких элементов в ядра тяжелых элементов. Результатом этих процессов, происходящих на Солнце, является жизнь на нашей планете, а также все известные нам источники энергии. Попытки человечества осуществить управляемый термоядерный синтез с положительным выходом энергии в течение длительного времени пока не принесли плодов.
Ядерная энергия была и остается предметом больших споров. Риски связаны с проблемами утилизации отходов и авариями при проектировании, которые имеют серьезные последствия для окружающей среды. Еще один риск — возможность поражения атомных электростанций обычным оружием или террористической атакой. Однако, по данным Всемирной ядерной ассоциации, 1 гигаватт энергии от атомной электростанции имеет самые низкие потери в производственной цепочке по сравнению с природным газом, углем или гидроэнергией.
Ядерная энергия не имеет климатических требований и соответствующих выбросов энергии на 1 кг топлива. Атомные электростанции гораздо более экологичны, чем тепловые. Общий годовой объем выбросов загрязняющих веществ (диоксид серы, оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, альдегиды и зольная пыль) составляет от 13 (природный газ) до 165 (угольная пыль) тысяч тонн на 1000 МВт установленной мощности АЭС. На АЭС таких выбросов нет. АЭС потребляют до 8 миллионов тонн кислорода на 1000 МВт годовой мощности для сжигания топлива, в то время как АЭС не потребляют кислород. При нормальной работе АЭС радиоактивного загрязнения не происходит, в то время как радиоактивные элементы, содержащиеся в угле в значительных количествах, почти полностью выбрасываются в окружающую среду при работе АЭС, работающих на угле. Общие капитальные затраты на строительство АЭС находятся на том же уровне, что и при строительстве современных АЭС.
Основным недостатком АЭС являются серьезные последствия аварий. Серьезной проблемой для АЭС является также их ликвидация после истощения (до 20% от стоимости строительства).
Из-за большой продолжительности процессов стабилизации реактора и общей инерционности реакторов крайне нежелательно, чтобы АЭС работали в режиме байпаса (для покрытия переменной суточной или недельной части программы электрической нагрузки). В этом отношении одним из перспективных направлений является использование возобновляемой энергии в сочетании с гидроэлектростанцией.
Первая крупная промышленная ядерная авария произошла на АЭС «Три Майл Айленд» в 1979 году. В 1986 году на Чернобыльской атомной электростанции произошла крупная катастрофа, которая, помимо непосредственных экологических, социальных и экономических последствий, серьезно повлияла на атомную промышленность в целом. Стало ясно, что необходима серьезная переоценка безопасности ядерной энергии, а также широкое международное сотрудничество с этой целью. Однако после ядерной аварии, произошедшей весной 2011 года в префектуре Фукусима, на одной из крупнейших атомных электростанций в мире, вопросы безопасности, связанные с атомной энергией, далеки от разрешения.
Что такое ядерное деление?
Ядерное деление — это реакция, при которой атомное ядро расщепляется на два или более меньших ядра, выделяя при этом энергию.
Например, ядро атома урана 235 при столкновении с нейтроном распадается на ядра бария и криптона и два или три дополнительных нейтрона. Эти дополнительные нейтроны сталкиваются с другими ядрами урана-235 в регионе, которые также распадаются и производят еще больше нейтронов с эффектом мультипликатора, создавая цепную реакцию за доли секунды.
Эта реакция каждый раз сопровождается выделением энергии в виде тепла и излучения. Подобно тому, как тепло ископаемого топлива, такого как уголь, газ и нефть, используется для выработки электроэнергии, эта тепловая энергия может быть преобразована в электричество на атомной электростанции.
Реакция деления ядер (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)
Как работает атомная электростанция?
В реакторе атомной электростанции ядерная цепная реакция, обычно с топливом из урана-235, сдерживается и контролируется с помощью соответствующего оборудования, а в результате процесса деления выделяется тепло. Это тепло используется для нагрева теплоносителя реактора, обычно воды, и производства пара. Затем пар подается в турбины, которые вращаются и запускают электрогенератор, производя электроэнергию без выбросов углекислого газа.
Подробнее о различных типах ядерных энергетических реакторов читайте на этой странице.
Наиболее распространенными реакторами в мире являются реакторы с водой под давлением (PWR) (Графика: A. Vargas/IAEA)
Добыча, обогащение и утилизация урана
Уран — это металл, встречающийся в горных породах по всему миру. Уран имеет несколько физических изотопов, т.е. форм элемента, которые отличаются по массе и физическим свойствам, но имеют одинаковые химические свойства. Уран имеет два основных изотопа: уран-238 и уран-235. Уран-238 составляет большую часть мировых запасов урана, но не способен инициировать цепную реакцию деления, в то время как уран-235 может использоваться для получения энергии деления, но составляет менее 1% мировых запасов урана.
Чтобы повысить потенциал деления природного урана, необходимо увеличить количество содержащегося в нем урана-235 с помощью процесса, называемого обогащением урана. После обогащения уран может эффективно использоваться в качестве ядерного топлива на атомных электростанциях в течение трех-пяти лет. После этого он остается радиоактивным и должен быть утилизирован в соответствии со строгими правилами защиты людей и окружающей среды. Отработанное топливо, известное как отработанное топливо, также может быть переработано в другое топливо, которое может быть использовано в качестве нового топлива для специальных атомных электростанций.
Что такое ядерный топливный цикл?
Ядерный топливный цикл — это многоступенчатый производственный процесс, необходимый для выработки электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Этот цикл начинается с добычи урана и заканчивается захоронением радиоактивных отходов.
Минимальное воздействие на экологическую среду
Атомные электростанции — самый экологически чистый способ производства электроэнергии в промышленных масштабах.
В настоящее время атомная промышленность располагает всеми необходимыми технологиями для безопасного и эффективного обращения с радиоактивными отходами, такими как:
- минимизация и компактизация,
- уменьшение радиоактивности,
- переработка и рециклинг,
- транспортирование,
- мониторинг,
- захоронение,
- и многими другими.
Развитие науки, экономики и рост других отраслей
Строительство атомных электростанций обеспечивает экономический рост и создание рабочих мест — 1 рабочее место на строительстве атомной электростанции создает более 10 рабочих мест в смежных отраслях.
Развитие ядерной энергетики также способствует развитию научных исследований и экспорту высокотехнологичной продукции, а также развитию многих других отраслей и сфер человеческой деятельности.
Базовая генерация для стабильной энергосети
Атомные электростанции надежно вырабатывают электроэнергию 24 часа в сутки, независимо от погодных условий.
Выработка электроэнергии, тепла и других продуктов на атомных электростанциях происходит на небольшой территории, поэтому многие районы и экосистемы могут быть защищены от дальнейшего вмешательства человека.
1 килограмм урана, обогащенного до 4 %, используемый в качестве ядерного топлива, при полном сжигании производит количество энергии, эквивалентное сжиганию около 100 тонн высококачественного угля или 60 тонн нефти.
