Способы получения ядерной энергии

Плюсы и опасность ядерной энергии: перспективы, о которых следует знать

Дата публикации: 20 февраля 2020

В бесконечных поисках источников огромных запасов энергии человечество даже не подозревало, что они скрыты совсем рядом — в структуре атомных ядер. Эти мельчайшие частицы, заметные только при многократном увеличении, скрывают в себе огромные энергетические ресурсы. Их высвобождение способно решить проблему поставок энергии на промышленные предприятия и крупные населенные пункты, но одновременно скрывает в себе угрозу здоровью и жизни людей, которые могут стать жертвами неумелого преобразования ядерной энергии.

Кто открыл ядерную энергию

Мнение о ядерной структуре окружающих предметов высказывали еще античные авторы. Однако история ядерной энергии началась несколько позже: с момента их письменных откровений до первой искусственной ядерной реакции прошли тысячелетия. Ее осуществил Эрнест Резерфорд в 1919 году, физик из Новой Зеландии. Его работы можно считать стартом изучения ядерной энергетики. После открытия нейронов в 1932 году Джеймсом Чедвиком специалисты заговорили о протонно-нейтронной теории атомных ядер. Их идеи подхватили супруги Кюри, открывшие в 1934 году явление искусственной радиоактивности. Первый опыт по делению ядра был осуществлен в 1938 году. А уже в 1940 году было открыто явление самопроизвольного деления атомных ядер. Чуть позже ученым удалось осуществить первую цепную ядерную реакцию и описать их подвид — термоядерные реакции. Открытие нового источника энергии позволило решить проблему ее нехватки в густонаселенных областях мира путем постройки атомных электростанций.

Немного физических подробностей

Источником ядерной энергии является внутренняя энергия атомного ядра, которая образуется при движении и взаимодействии ядерных частиц: протонов и нейтронов. Объемы этой энергии в миллионы раз больше, чем результаты химической реакции, вследствие которой выделяется значительное количество энергетических ресурсов. Получить доступ к их запасам можно одним из трех способов: термоядерной реакцией синтеза легких ядер, реакцией деления тяжелых ядер с размножением ядерного горючего или без него. Второй способ находит применение на многочисленных атомных электростанциях, число которых на планете постоянно увеличивается. Однако некоторые развитые страны планируют отказаться от их строительства и эксплуатации, учитывая огромную опасность ядерной энергии для населения и последствия экологических катастроф на территории Чернобыля (Украина, 1986г.) и Фукусимы (Япония, 2011).

Структура ядер отличается высокой плотностью. Но в распоряжении науки есть способы разбить их и даже создать из их частиц принципиально новые химические элементы, не имеющие отношения к «официальной» химии и не встречающиеся в природе. Это трансурановые элементы, расположенные в периодической системе после урана. Один из них — плутоний, использование которого в ядерной энергетике позволяет получить огромное количество сравнительно недорогой энергии.

Важное преимущество урана — способность его отдельных изотопов к делению во время захвата нейтронов. В процессе этого явления выделяется огромное количество энергии. Ее можно направить в мирное русло, подключив к источнику энергоемкие производства и крупные города. Но есть и альтернативный способ ее применения — например, при создании ядерного оружия колоссальной разрушительной силы. Уран, обогащенный изотопом, и полученный из него изотоп плутония служит основным «топливом» на атомных станциях.

Популярные мифы об основах и безопасности ядерной энергии

Нехватка знаний по направлению ядерной энергетики привела к появлению многочисленных мифов и легенд. Большинство из них не имеют научного обоснования и легко развенчиваются.

• Мировые запасы урана подходят к концу. Так выражается скрытое опасение по поводу исчерпаемости ядерной энергии. На самом деле мировые запасы урана превышают объем золота более чем в 600 раз. Этого хватит на ближайшие 500 лет, даже если человечество не будет слишком экономным. А если они закончатся, в качестве энергоресурса можно использовать торий, которого в разы больше, чем урана.
• Ядерная энергия опасна. Причина такого мнения — якобы некие скрытые газы, которые выделяются в атмосферу и уничтожают все живое. Опыты подтвердили: количество углерода, выделяемого при реакции, не может причинить вреда экологии.
• Возле атомных электростанций возрастает число случаев онкологических заболеваний. Ученые утверждают: риска для населения нет. А опасное заболевание с одинаковой частотой встречается и на экологически чистых территориях.
• Ядерная энергетика загрязняет природу тоннами отходов. Это утверждение не соответствует истине. Даже способы получения ядерной энергии прошлого столетия давали минимум отходов, грамотное захоронение которых не причиняло природе никакого вреда.
• Атомная станция может стать объектом атаки террористов, и произойдет еще одна глобальная катастрофа. Современные здания АЭС способны выдержать любой массивный удар благодаря усиленной конструкции и усовершенствованным системам безопасности. Активация последних осуществляется в автономном режиме без участия человека или компьютера.

Еще один популярный миф связан с дороговизной атомной энергии. Это мнение относится только к АЭС прошлого столетия. Сегодня один из плюсов ядерной энергии — ее доступность, обусловленная сорокалетним сроком эксплуатации станций и их постепенным выводом из строя. К этому следует добавить доказанную экологическую чистоту нового источника энергии и возможности его использования в любых сферах деятельности.

Источник

Атомная энергетика.

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро влияют на подвижность материковых плит. Ядерная энергия выделяется, во-первых, при радиоактивном распаде и делении атомного ядра, а во-вторых, с процессе синтеза – слияния легких ядер в более тяжелые.

Радиоактивность – ее открытие и природа.

Радиоактивность была открыта Антуаном Беккерелем (1852 – 1908). После получения радия стало ясно, что радиоактивный процесс сопровождается выделением огромного количества энергии. Распад радия происходит в несколько стадий, при этом выделяется в 2*10 5 раз больше энергии, чем при сгорании такой же массы угля. Ядро атома имеет диаметр порядка 10 -12 сантиметров и состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральных частиц с массой, почти равной массе протона). Только ядро водорода состоит лишь из одного-единственного протона (и не содержит нейтронов). Большинство элементов представляет собой смесь изотопов, ядра которых различаются числом нейтронов.

Получение ядерной энергии.

Получение ядерной энергии в больших количествах впервые было достигнуто в цепной реакции деления ядер урана. Когда изотоп уран-235 поглощает нейтрон, ядро урана распадается на две части и при этом вылетают два – три нейтрона. Если из числа нейтронов, образующихся после каждого акта деления, в следующем участвует в среднем более одного нейтрона, то процесс экспоненциально нарастает, приводя к неуправляемой цепной реакции.

Для преобразования ядерной энергии в электрическую этот процесс необходимо замедлить и сделать управляемым; тогда его можно использовать для получения тепла, которое затем превращается в электричество. Ядерный реактор – это своего рода “печка”. Вероятность деления ядра урана-235 велика, если последний движется сравнительно медленно (со скоростью около 2 км/c). Для замедления нейтронов в ядерный реактор помещают специальные материалы, называемые замедлителями.

Ядерные реакторы: классификация.

Ядерные реакторы можно классифицировать по типу применяемых в них замедлителей: реакторы на графите, на воде и на тяжелой воде. Тяжелой называется вода, в которой обычный водород заменен его тяжелым изотопом – дейтерием. Тяжелая вода поглощает значительно больше электронов, чем обычная.

Для поддержания цепной реакции необходимо определенное количество делящегося вещества. Если в реакторе теряется в результате поглощения или испускания больше нейтронов, чем возникает, то реакция не будет самоподдерживающейся. Если же, наоборот, нейтронов возникает больше, чем теряется, то реакция становится самоподдерживающейся и нарастающей. Минимальное количество вещества, обеспечивающее самоподдерживающееся протекание реакции, называется критической массой. Для нормальной работы ядерного реактора поток нейтронов должен поддерживаться постоянным на требуемом уровне. Режим работы реактора регулируют, вдвигая и выдвигая стержни из поглощающего материала.

Источник

Атомная энергетика сегодня, типы реакторов и переход к экологически чистой энергии

Поскольку правительства стран всего мира признают настоятельную необходимость сокращения выбросов парниковых газов, ядерная энергия, похоже, будет занимать все более важное место в энергетическом балансе ближайших десятилетий. Но для многих людей то, что представляет собой технология ядерной энергии сегодня и чем она будет завтра, является чем-то лишь весьма туманным. Как же работают ядерные реакторы, и может ли атом снова стать «нашим другом»?

реклама

2 декабря 1942 года под футбольным стадионом Stagg Field Чикагского университета была активирована Чикаго Пайл-1 — Chicago Pile-1 (CP-1), ставшая первым в мире ядерным реактором. Сегодня, 78 лет спустя, 440 реакторов вырабатывают более 10 процентов мировой энергии, и еще 50 реакторов находятся в стадии строительства.

реклама

Наряду с такой важной ролью, ядерная энергия имеет плохую репутацию. Это объясняется рядом сложных факторов. Атомная энергия до сих пор остается для многих загадкой, она ассоциируется с радиоактивными отходами и ядерным оружием, она все еще находится под бременем десятилетий пропаганды холодной войны, а также трех чрезвычайно громких аварий реакторов в США, СССР и Японии.

В настоящее время строительство и разработка реакторов сильно замедлились в последние десятилетия 20-го века, но, возможно, эта отрасль находится на пороге возрождения. Несмотря на свою репутацию, ядерная энергия имеет ряд преимуществ. Она не только не содержит углерода и выбросов. Она производит огромное количество энергии при очень малой площади. Она может быть размещена в любом регионе. И, что удивительно, у нее самый низкий уровень смертности на киловатт среди всех источников энергии.

Как работает ядерная энергия?

Вся современная ядерная энергетика основана на принципе ядерного деления, когда тяжелый, нестабильный атом распадается на два небольших. Это происходит естественным образом везде, даже в молекулах нашего собственного тела, но в ядерном реакторе это расщепление атомов происходит в гораздо больших масштабах.

Типичный ядерный реактор состоит из активной зоны, состоящей из топливных стержней, которые содержат гранулы обогащенного урана или плутония. Обогащенный означает, что уран был обработан в центрифуге для увеличения соотношения расщепляющихся атомов урана-235 и нерасщепляющихся урана-238. Эти топливные стержни упаковываются вместе, чередуются с управляющими стержнями из кадмия или иных материалов и погружаются в воду внутри защитной оболочки.

реклама

Внутри активной зоны атомы урана расщепляются естественным образом. При этом часть мощной силы, связывающей атомы вместе, высвобождается в виде гамма-излучения, а также пары нейтронов. Пока нейтроны летят, вода действует как замедлитель. То есть она замедляет эти нейтроны, увеличивая вероятность того, что они будут взаимодействовать с другими атомами урана.

Если один из этих нейтронов поглощается атомом урана-235, этот атом становится нестабильным и расщепляется, высвобождая больше энергии и больше нейтронов. Этот каскад нейтронов и расщепляющихся атомов перерастает в цепную реакцию, в результате которой выделяется энергия, достаточная для питания города в течение десятилетий. Чтобы реакция не вышла из-под контроля и не расплавила активную зону, можно вставить управляющие стержни, поглощающие нейтроны и гасящие выход.

Все это включает в себя множество очень сложных физических моментов, но в результате получается «гигантский чайник», который нагревает воду. Эта горячая вода проходит через теплообменник и нагревает еще один контур воды для создания пара, который затем вращает турбину, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество.

реклама

По своей сути, ядерная энергия — это способ получения пара. Однако в настоящее время в эксплуатации находится ряд моделей реакторов, которые прошли через три технологических поколения — поколение I было первыми прототипами, поколение II — первыми промышленными реакторами, а поколение III — это, по сути, поколение II с более продвинутыми характеристиками. Четвертое и пятое поколения усовершенствованных реакторов только разрабатываются. Помимо этих энергетических реакторов, существуют и реакторы для специальных целей, такие как исследовательские реакторы и реакторы, предназначенные для производства оружейного плутония, а также реакторы для производства радиоактивных изотопов для широкого спектра применений, например, для медицины.

Современные типы реакторов

Вот краткая информация о том, как работают основные типы реакторов, используемых сегодня. Следует иметь в виду, что некоторые из этих основных конструкций были разработаны еще в 1950-х годах и на протяжении более 60 лет постоянно совершенствовались, чтобы сделать их более безопасными и эффективными.

Водо-водяной ядерный реактор (PWR)

Pressurized Water Reactor

Наиболее распространенным типом реактора является реактор с водой под давлением (PWR), который первоначально был разработан в США для питания атомных подводных лодок, а в настоящее время используется в более чем 20 странах. Это конструкция, описанная выше, в которой вода используется и как замедлитель, и как теплоноситель.

В современных конструкциях реакторов PWR топливо обогащается примерно до 3,2 процента урана-235 и формируется в таблетки весом около 10 граммов, которые запечатываются в стержни из циркониевого сплава. Контейнер из нержавеющей стали, окружающий реактор, предназначен как для герметизации всех ядерных продуктов, так и для использования в качестве сосуда под давлением, который поддерживает жидкую воду при более высокой температуре, как в скороварке, для большей эффективности. Контейнер, в свою очередь, закрыт стальным и бетонным щитом, чтобы удержать содержимое реактора даже в случае расплавления.

В старых конструкциях реакторов PWR вода с теплоносителем выходила из защитного экрана и использовалась для выработки электроэнергии. Чтобы поддерживать активную зону реактора холодной, вода должна была постоянно активно прокачиваться. Оба варианта создавали проблемы с безопасностью, как это было во время катастрофы на острове Три-Майл, поэтому в более поздних реакторах использовалась серия контуров теплообменников и резервные пассивные системы циркуляции воды для поддержания охлаждения активной зоны даже в случае полной остановки.

Кипящий водо-водяной реактор (BWR)

Boiling water reactor

Следующий по распространенности реактор, известный как реактор с кипящей водой (BWR), является более простым и практически менее безопасным, чем PWR. Как следует из названия, воде в контуре теплоносителя дают возможность закипеть, и пар поступает непосредственно в турбину из защитной оболочки, а после повторной конденсации возвращается в реактор. Это обеспечивает большую вероятность радиоактивного заражения.

Схема кипящего водо-водяного реактора

Существует 10 стран, использующих конструкцию BWR. Одна из них — Япония, и в катастрофе на Фукисиме в 2011 году участвовали шесть реакторов BWR, построенных в 1960-х и 70-х годах, которые уже считались устаревшими с точки зрения безопасности, когда цунами и землетрясение разрушили реакторный комплекс.

Тяжеловодный ядерный реактор (CANDU)

Heavy Water Reactor

Вариантом реактора с водяным охлаждением и замедлителем является реактор на тяжелой воде под высоким давлением или канадский дейтериевый уран (CANDU). Эта разработка использует необогащенный уран. Вместо обычной воды в реакторе используется тяжелая вода, в которой многие атомы водорода заменены на изотоп водорода, называемый дейтерием. У тяжелой воды меньше шансов поглотить нейтроны, поэтому требуется меньше обогащенного топлива. Кроме того, тяжелая вода создает собственные нейтроны, что делает ядерный реактор более медленным, стабильным и легко контролируемым.

Улучшенный реактор с газовым охлаждением AGR

Два самых ранних типа промышленных реакторов — Magnox и усовершенствованный газовый реактор (AGR). Они являются прямыми потомками первой атомной сваи в Чикаго в 1942 году и были построены в Великобритании с 1956 по 1971 год. Как и CP-1, они используют блоки графита в качестве замедлителя, хотя топливо, представляющее собой металлический уран или оксид урана, запаяно в контейнеры из магниевого сплава или нержавеющей стали, а не в стержни.

Для охлаждения в этих реакторах используется двуокись углерода. Поскольку прежний реактор Магнокс был предназначен в основном для производства плутония, он был не очень эффективен, поэтому был создан реактор AGR, который работает при более высокой температуре для лучшего производства пара и работы турбин.

Реактор большой мощности канальный

Реактор большой мощности канальный, РБМК был разработан в СССР примерно в то же время, что и Magnox, и имеет некоторые общие конструктивные особенности, хотя это совершенно другая машина. В РБМК используется очень мощная графитовая активная зона с водяным охлаждением, состоящая примерно из 1700 вертикальных каналов, содержащих оксид урана, обогащенный до 1,8 процента урана-235. Вода циркулирует под давлением и затем используется для выработки пара.

Хотя большое количество РБМК все еще работает в бывших странах СССР, их печально известная небезопасная конструкция была продемонстрирована Чернобыльской катастрофой в 1986 году, когда инженеры нарушили протоколы безопасности во время имитации испытания на отключение электроэнергии, в результате чего активная зона одного из реакторов комплекса была разорвана паром, после чего произошло возгорание графитового замедлителя.

Реакторы будущего

В настоящее время в мире наблюдается появление реакторов IV поколения, а за ними последует и V поколение. К ним относятся модульные реакторы, которые могут быть построены на заводах, а не на объекте; реакторы с галечным слоем, реакторы, охлаждаемые расплавленной солью или свинцом, и реакторы, использующие быстрые нейтроны для создания большего количества топлива, чем потребляется. Эти конструкции реакторов имеют общую цель — сделать атомные электростанции по своей сути более безопасными, дешевыми, эффективными, быстровозводимыми и производящими гораздо меньше ядерных отходов.

В 1950-х годах часто можно было услышать о наступлении атомного века, который принесет с собой всевозможные чудеса. Этого не произошло, но если ядерные технологии смогут продвинуться в разработке реакторов, обеспечении устойчивого источника топлива и удовлетворительном ответе на вопрос о ядерных отходах — с возможностью практической термоядерной энергии — то, возможно, в 21 веке появится менее идеалистическая версия того атомного века.

Источник