Ядерная энергетика

Вся история развития человеческой цивилизации представляет собой непрерывный и бесконечный поиск источников энергии для нужд промышленности, сельского хозяйства, транспорта, быта, науки, обороны. Всегда, основным источником энергии для человечества на Земле являлось Солнце и все процессы получения энергии, так или иначе, были связаны с солнечной энергией.
Основную часть потребляемой человечеством энергии, даёт ископаемое топливо, которое также является следствием действия солнечной энергии. В двадцатом веке, в ряду ископаемых источников энергии, таких как, уголь, нефть, газ, торф, появились источники энергии не связанные с солнечной деятельностью—это источники ядерной энергии.

Ядерная энергетикаВ недрах Земли имеются огромные запасы ядерного горючего, в виде руд радиоактивных элементов урана и тория, запасы которых в 15 раз превышают запасы ископаемого органического топлива.

Однако, низкая концентрация урана и тория в земной коре, которые содержатся в гранитах и базальтах, а также в водах океанов (около 3мг/т), снижает экономическую эффективность этих запасов, до уровня запасов, доступного для добычи органического топлива. Тем не менее, запасы ядерного топлива на Земле огромны и могут служить человечеству многие тысячелетия.


Как же происходит получение ядерной энергии?

Добыча энергии из урана и тория происходит за счёт деления их атомов. При делении 1 кг урана выделяется 8,4*1013 Дж энергии, что на шесть порядков больше, чем при сгорании 1кг каменного угля (3*107Дж). Таким образом, энергетический эквивалент 1 кг урана составляет 2800 тонн каменного угля.
уранПриродный уран содержит 99,3% урана-238 и только 0,7% урана-235. При обстреле ядер их атомов нейтронами, они ведут себя по разному. Ядра атомов урана-238, делятся при воздействии очень быстрых нейтронов, а ядра атомов урана-235-- при воздействии не только быстрых, но и медленных нейтронов.
И когда, в 1939 году, физики обнаружили, что испускаемая каким-либо источником ядерного излучения, частица атомного ядра –нейтрон, попадая в ядро атома урана-235 вызывает его деление, в результате которого получаются два новых ядра, которые разлетаются с огромными скоростями (до 4000 км/с), стало ясно—это новый значительный источник энергии.
Делящееся от встречи с нейтроном, ядро атома урана-235, испускает вторичные нейтроны, разлетающиеся с ещё большими скоростями (до 15000 км/с). Каждый вторичный нейтрон делит, встречающиеся ему в массе урана-235, ядра атомов, которые испускают свои нейтроны. Таким образом, реализуется цепная реакция, которая в конечном итоге заканчивается выделением огромной энергии в очень короткое время—происходит ядерный взрыв.
Этот процесс может происходить в куске урана с массой равной или большей, чем критическая, т.к. в куске урана, с меньшей чем критическая масса, большая часть нейтронов движется до границ куска урана и вылетает за его пределы, не успевая создать новые деления.

Для урана критическая масса составляет несколько десятков килограммов и, т.к. плотность урана достаточно велика, эта масса занимает малый объём, приблизительно, сферу диаметром до 200мм. Вообще, процесс цепного деления ядер урана-235, может начаться вследствие внутренней неустойчивости ядер, или от воздействия нейтронов в составе космических лучей.
Очевидно, что взрывной процесс деления ядер может применяться только для целей разрушения, а для получения устойчивых источников энергии, нужно замедлить процесс деления.
В природе, при самопроизвольном делении ядер урана, нейтроны не вызывают деления ядер урана-238, т.к. он поглощает их полностью, без деления. А с ядрами атомов урана 235, эти нейтроны встречаются очень редко, из-за его малой доли в природном уране и т.о. природный уран самопроизвольно взорваться не может.
Для получения энергии деления ядер с реализацией цепной реакции, природный уран обогащают ураном-235 и возникающие в нём, при цепной реакции нейтроны, пропускают через т.н. замедлитель (графит, вода). Замедленные (тепловые) нейтроны попадают в ядра атомов урана-235 приблизительно в 1500 раз чаще, чем быстрые и вызывают их активное деление. Эти искусственно замедленные нейтроны в обогащённом уране и создают цепную реакцию с выделением тепловой энергии.
Для регулировки скорости цепной реакции в активную зону реактора вводят замедлители нейтронов, кадмиевые стержни, которые поглощают нейтроны. Вводя эти стержни, глубже или выдвигая их из активной зоны, скорость цепной реакции можно регулировать.
Некоторая часть нейтронов получающихся от деления от ядер урана-235, поглощаются ураном-238, который, в свою очередь, после ряда преобразований превращается в плутоний, который сам может служить для создания цепной реакции при попадании нейтронов в ядра его атомов. В качестве сырья для ядерного горючего применяется также элемент торий, из которого получают уран-233, используемый непосредственно в атомных реакторах.
Применение атомной энергии для получения электричества в промышленных масштабах, было впервые осуществлено в Советском Союзе. В 1954 году начала работу первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кВт в г. Обнинске, Московской области. Этому предшествовала огромная работа над проектом, которым руководил академик И.В.Курчатов. Были проведены колоссальные теоретические расчёты и обоснования, исследован процесс деления ядер, созданы реакторы и энергетические установки.

Что же представляет собой энергоблок атомной электростанции?

На рисунке 1 представлен блок атомной электростанции на тепловых, медленных нейтронах. Он состоит из двух частей: собственно реактора А и турбо электроагрегата В. В стальном толстостенном корпусе реактора 7, расположена активная зона 1, содержащая блоки природного урана, который обогащён ураном- 235 на 2,5-5%. В этой зоне реализуется процесс цепного деления урана-235, захват нейтронов ураном-238 с последующим превращением в плутоний.
В крышке корпуса 2 реактора размещена установка системы подачи кадмиевых стержней, для регулирования скорости цепной реакции. Через активную зону циркулирует вода 3, которая служит теплоносителем и одновременно замедлителем нейтронов. Она передаёт тепло из реактора А в зону В турбоагрегата. Этот тип водо-водяного реактора на медленных нейтронах, является сегодня самым распространённым в нашей стране.
В активной зоне вода нагревается до высокой температуры и циркулирует в зоне теплообменника 4, превращая в пар высокого давления воду, циркулирующую в змеевике 5. Этот пар подаётся на турбину, которая вращает электрогенератор 11. Для циркуляции воды в зоне А служит насос 8, а в зоне В –насос 9. В теплообменнике 10, отработанный пар охлаждается до воды и насосом 9 подаётся в зону теплообменника 4, создавая практически безрасходный контур по вторичной воде.
В этом типе реактора медленные нейтроны поглощаются не только уранм-238, но и примесями, поэтому, уран-238 остаётся неиспользованным до конца.

Существует другой тип реакторов—на быстрых нейтронах, без замедлителя.

реактор на быстрых нейтронах без замедлителя

Эти реакторы не только расходуют ядерное горючее, но и наращивают его. С их помощью весь природный уран перерабатывается в плутоний, который применяется для дальнейшего использования.
В реакторах на быстрых нейтронах используется природный уран с большим содержанием урана-235 (50%). Реактор на быстрых нейтронах работает следующим образом (рис2).
В активную зону 1 загружается природный уран, значительно обогащённый ураном-235. В результате цепной реакции, нейтроны попадают в накопитель 2, который окружает активную зону и состоит из урана-238. Этот уран поглощает нейтроны и превращается, со временем, в плутоний, который по массе может превышать отработанный уран-235.
В реакторах на быстрых нейтронах кадмиевые стержни не применяются, т.к.они активно поглощают только медленные нейтроны. Регулировку скорости цепной реакции в этих реакторах осуществляют применением небольшого количества природного урана.
Теплоноситель 3, представляет собой расплав натрия или сжатый углекислый газ, т.к. они слабо поглощают нейтроны. Этот теплоноситель циркулирует через теплообменник 4 с помощью насоса 5. В змеевике 6 циркулирует вода и, превращаясь в пар, подаётся в паровую турбину, которая вращает электрогенератор, дающий электроэнергию.
Атомная энергетика, наряду с другими достижениями науки и техники в современном мире, значительно воздействует на экономику многих стран. В этой области завязаны не только атомные электростанции, но и вся цепочка других отраслей, так или иначе поддерживающих её функционирование. Машиностроительные предприятия, предприятия по созданию ядерного топлива, инфраструктура по обслуживанию и утилизации отходов реакторов, наука и исследования—всё это неотъемлемые составные части атомной энергетики.
В настоящее время, функционируют различные ядерные реакторы, не только стационарные, но и на подводных лодках, надводных судах, ледоколах, для исследований. Созданы десятки топливных композиций на основе урана, для реакторов созданы специальные марки сталей и различных сплавов.
В настоящее время атомные источники энергии по масштабам сравнимы с гидроэнергетическими и могут, за счёт природного топлива, удовлетворить энергетические потребности человечества на необозримое время.
Атомная АЭСУ нас в России, на сегодняшний день, действуют 10 АЭС, на которых функционируют 33 энергоблока в том числе:
реакторы с водой под давлением—17 (11—ВВЭР-1000 и 6—ВВУЭР-440), это водо-водяные энергетические реакторы;
реакторы канальные кипящие—15 (11—РБМК-100 и 4—ЭТП-6) ;
реактор на быстрых нейтронах—1(БН-600).
Эти реакторы составляют 18% в энергобалансе страны.
В нашей стране планируется доведение этой цифры до 25% к 2025 году, для чего необходимо поставить 26 новых энергоблоков.
В 2010 году в 31 стране мира установлено 374 332 ГВт мощности, которые вырабатывают 14% мировой электроэнергии, при числе АЭС—195, с числом энергоблоков—438.
Существуют также и отрицательные аспекты применения атомной энергетики у нас и во всём мире. Они заключаются в следующем:
безопасность ядерной энергетики не всегда и не везде может быть соблюдена и только беспрецедентные и дорогостоящие меры могут предотвратить вероятные аварии;
в связи с высокими затратами на безопасность экономическая эффективность ядерной энергии не достигает оптимальных параметров;
структура расходов на уран, ядерного топливного цикла, выглядит перекошенной в сторону т.н. «хвоста» : снабжение ураном процесса—18%, обогащение—22%, изготовление топливных элементов—8%, а регенерация отработанного топлива и захоронении отходов—52%;
существует угроза, что ядерные технологии, несмотря на соглашения и договоры, могут быть применены для военных целей.

На сегодняшний день нет абсолютно надёжных мероприятий, предотвращающих использование ядерных технологий для изготовления ядерного оружия.

Все эти недостатки, однако, не отменяют главного—в перспективе, атомная энергетика будет развиваться и займёт большой сектор в балансе производства энергии на нашей планете.

ВИДЕО: Об энергетике.

Поделиться новостью

Рекомендуем посмотреть

Комментарии 1


  1. Сергей 02 мая 2017, 10:06 # 0
    Познавательно!

    Вы должны Авторизоваться, что бы оставлять комментарии!

    Если аккаунт еще не создан необходимо пройти не сложную процедуру регистрации.