Журнал удивительных идей


Совместный проект учителей и учеников 192 школы



Почему?

Всем, наверное, известно, что Гренландия —  это огромный остров, покрытый снегом и льдом.

Почему человек, открывший этот остров, назвал его Гренландией, т.е. Зеленой страной

?

 

Как это возможно?

У 22-го и 24-го президентов США были общий отец и общая мать, но эти президенты не были братьями. Как это могло быть?

?

 

О погоде

Если в 12 часов ночи в Москве идет сильный дождь, то какова вероятность, что через 72 часа будет солнечно?

?

Возобновляемая и не очень энергия

(Начало в предыдущем номере)

Энергия ветра, приливы и волны очень важны в тех районах Земли, где для их использования созданы особые (зачастую, уникальные) условия. Но эти источники не могут заменить использование угля, газа или нефти при производстве электроэнергии. Такие технологии вносят свой вклад в мировую энергетику, но никогда не станут основой для удовлетворения мировых энергетических нужд.

То, что возобновляемая энергетика не может покрыть все потребности, а тепловая – загрязняет окружающую среду и потребляет в огромных количествах дефицитные ресурсы ископаемого топлива, означает, что есть угроза глобального дефицита энергии.

Решение этой проблемы многие связывают с ядерной энергетикой. Но прежде чем судить о ее достоинствах и недостатках, нужно разобраться с тем, «как это работает».

Как работает АЭС

Принцип работы атомной электростанции схож с принципом работы тепловой. Единственная (но очень большая) разница в том, что источником тепловой энергии является не химическая реакция сгорания топлива, а расщепление радиоактивного материала.

Картинка взята с Википедии

Чтобы понять устройство реактора, нужно понимать происходящие в нём процессы.

Ещё с тридцатых годов двадцатого века было известно, что ядра некоторых тяжелых элементов способны самопроизвольно или при облучении нейтронами распадаться на более легкие элементы с выделением огромного количества энергии, а у урана-235 это процесс происходит и с выделением нейтронов, которые разрушают следующие атомы урана-235, и так далее…

Критическая масса урана-235 равна 45 кг. Это означает, что в куске урана-235 массой 45 кг мгновенно начнется и произойдет цепная реакция (с мощным взрывом). Ядерную бомбу изготовить относительно просто – достаточно пятидесяти килограмм чистого изотопа U-235 (в реальности, природный уран содержит 99% U-238 и 1% U-235). Но осуществить контролируемую ядерную реакцию гораздо сложнее – нужно ещё знать про поглотители нейтронов и их замедлители. (Поглотители нейтронов – материалы, способные захватывать нейтроны, не претерпевая при этом существенных изменений, т.е. не распадаясь и не превращаясь в распадающийся материал).

Замедлители нейтронов (вода, тяжелая вода, графит, бериллий) – материалы, способные уменьшать энергию нейтронов, образующихся при делении U-235. Это необходимо, поскольку образующиеся при делении нейтроны имеют очень большую энергию (более миллиона электронвольт) , и сразу же поглощаются чем попало, что приводит к остановке реакции.

Итак, вот схема работы обычной АЭС:

1. Процесс деления ядерного топлива происходит в реакторе.

Он представляет собой очень прочный резервуар, в который погружено несколько тепловыделяющих элементов (металлических трубок, заполненных таблетками уранового топлива) и управляющих стержней на основе бороциркониевого сплава. Масса всего урана в реакторе больше критической, но АЭС не взрывается как атомная бомба, так как реакцию "тормозят" управляющие стержни. Критическая масса урана является как бы катализатором реакции в активной зоне. По мере того как реакция замедляется за счёт выгорания топлива и отравления активной зоны продуктами деления (ксенон-135, образующийся из йода-135 – продукта распада урана и плутония, поглощает нейтроны), контрольные стержни поднимаются вверх, и реактор поддерживается в критическом состоянии, пока сборка не выгорит полностью.  

2. В обычном реакторе (реактор со сжатой водой), парогенератор находится вне реактора, как и контур, по которому течёт вода. Соприкасаясь с реактором, вода кипит, и пар крутит турбину. Затем он поступает в конденсатор, где снова конденсируется в воду. Однако, если на ТЭС отработанную воду можно сбросить в водоём, то на АЭС вода перемещается по замкнутому контуру. Учитывая, что от контакта с реактором вода становится радиоактивной (водород при облучении превращается в свои тяжёлые изотопы – дейтерий и тритий, последний радиоактивен), то в конденсаторе пар охлаждается обычной водой, которая забирается из водохранилища и сбрасывается туда же. Или, если поблизости нет крупных водоёмов, используются градирни (как и на ТЭЦ), где вода охлаждается за счёт частичного испарения и потока атмосферного воздуха.

Когда речь идёт об отказе от ископаемого топлива, имеют в виду обычно возобновляемую энергию, но не ядерную. Ядерная энергия обычно воспринимается как нечто опасное, грязное и неэффективное. Мне представляется это мнение заштампованным.

Хотя многие считают, что около АЭС повышенный радиационный фон из-за выбросов радиоактивных отходов, это не так. Вода, сбрасываемая АЭС в пруды-охладители и атмосферу (через градирни) нерадиоактивна. Её сброс приводит только к тепловому загрязнению. Также, атомные электростанции выбрасывают в атмосферу  инертные газы, являющиеся продуктом деления ядерного топлива, но они после длительного выдерживания в газгольдерах, и адсорбционной очистки, становятся низкорадиоактивными. По крайней мере, можно утверждать, что тепловая электростанция выбрасывает в атмосферу в несколько раз больше радионуклидов, чем атомная электростанция такой же мощности (потому, что уголь содержит уран). К тому же, тепловые электростанции в отличие от атомных выбрасывают продукты сгорания топлива, такие как SO2 (причина кислотных дождей) NO и NO2 (кислотные дожди и респираторные заболевания), пыль и тяжёлые металлы.

Реакторы хорошо защищены от аварий. Доминирующий в мире и России тип реакторов – ВВЭР (PWR), является корпусным (т.е. активная зона зафиксирована внутри общей оболочки), а неконтролируемый разгон может произойти только на канальном реакторе, где активная зона – набор каналов, по которым перемещаются тепловыделяющие сборки, замедлители и контрольные стержни.

Ядерная энергия приемлема не только экологически, но и экономически. Средняя стоимость энергии, производимой обычной АЭС 19.2 копейки за 1 кВт*ч, против 36.6 копеек на средней тепловой электростанции.

К тому же, по мере исчерпания нефти и газа,  газотурбинные установки, производящие сейчас довольно дешевую энергию, станут нерентабельными, что сделает атомные электростанции ещё более конкурентоспособными.

Традиционные реакторы имеют существенный недостаток. Они потребляют много урана-235, а его запасы гораздо меньше, чем урана вообще (природный уран состоит на 99% из урана-238). Таким образом, запасы урана (даже, если учитывать уран, растворённый в морской воде) исчерпаются в течение 50 лет. Тем более, что в отработанной топливной сборке урана-235 всего на 5% меньше, чем было до ее использования. Но эта проблема имеет решения: разделение отработанного ядерного топлива с повторным использованием урана-235 и реакторы на быстрых нейтронах. Первая из этих технологий уже активно применяется в России, Франции и Японии и позволяет бороться с дефицитом ядерного топлива, но не даёт ответ, что делать с огромным количеством «отвального» урана-238. Тем не менее, реакторы на быстрых нейтронах могут его использовать наравне с ураном-235.

И делают они это следующим образом: в реакторе на быстрых нейтронах, в отличие от обычного, нет замедлителя. В центре активной зоны находится высокообогащённый уран (на 17-33% состоящий из урана-235), окружённый отвальным ураном. Нейтроны при столкновении с атомами урана-238, преобразуют их в ядра плутония-239, которые распадаются так же легко, как ядра урана-235. Таким образом, реактор на быстрых нейтронах производит больше топлива, чем потребляет.

Видно, что перспективы ядерной энергетики с использованием реакторов-размножителей  практически безграничны. Возможно, когда-нибудь и появится источник энергии, более эффективный, чем ядерный. А пока энергия деления ядер для нас – энергия будущего.

Брутер Даниил, 8В

От редакции

В целом оценки стоимости АЭС с тепловым или быстрым реактором и получаемой на них электроэнергии сегодня очень сильно разнятся из-за отсутствия международного промышленного опыта по захоронению отходов. Если учитывать захоронение, то цифры получаются одни, если о нем «забыть» – другие. Поэтому вопрос о перспективах ядерной энергетики является дискуссионным.

Аварии на АЭС уже были. О самой крупной из них —в следующей статье.

М
а
т
е
м
а
т
и
к
а
Ф
и
з
и
к
а
Х
и
м
и
я
Б
и
о
л
о
г
и
я
И
н
ф
о
р
м
а
т
и
к
а