В энергетических системах во всем мире используются различные типы электростанций. Приоритет того или иного направления во многом зависит от научного потенциала данной страны, ее природных условий и других факторов. В наиболее развитых государствах значительную часть электричества производит атомная электростанция, состоящая из целого комплекса специальных сооружений. Основным источником служит управляемая реакция расщепления ядра, в ходе которой происходит выделение тепла, достаточного для производства электроэнергии.
С чего начиналась атомная энергетика
В 1949 году в СССР были успешно проведены экспериментальные взрывы атомной бомбы. В процессе экспериментов осуществлялась выработка плутония, для нужд ядерного реактора производился обогащенный уран. Разработки в данной области позволили вплотную подойти к решению задачи, чтобы использовать ядерную энергию в мирных целях. Тогда же приступили к созданию плана первой установки.
На тот момент в Советском Союзе уже накопился определенный опыт по созданию промышленных реакторов, производящих материал для атомных бомб. Они имели существенное отличие от энергетических установок, поскольку для выработки электроэнергии требовалось разогреть теплоноситель до высокой температуры. Для этого понадобились совершенно другие материалы и сплавы, способные работать в экстремальных условиях, не поглощающие большого количества нейтронов, устойчивые к коррозии и т.д. Эти проблемы были определены еще до проектирования, и вся сложность заключалась лишь во времени.
Строительство 1-й АЭС велось с 1950 по 1954 годы в городе Обнинске. Пуск первой в мире атомной электростанции и введение в действие произошел 27.06.1954 года. В первоначальной конструкции оборудования использовался реактор АМ-1, мощность у которого составляла всего 5 МВт. Данный объект смог непрерывно прослужить целых 48 лет и в апреле 2002 года работа в плановом порядке прекратилась по причине физического износа и невозможности ее дальнейшего использования с точки зрения экономики.
Первые энергетические сооружения на ядерном топливе проложили путь для строительства новых, более совершенных станций, использующих возможности атома в мирных целях. Накоплен большой объем инженерно-технических и научных разработок, позволивших успешно проектировать новые сооружения. Первая в мире атомная электростанция была своеобразной кузницей для подготовки и обучения кадров, научных сотрудников и технического персонала, которые нашли свое место на других, вновь созданных объектах.
Появление АЭС в других государствах
Первая в мире атомная электростанция и ее успешное функционирование позволило приобрести бесценные практические наработки в эксплуатации таких установок. Благодаря ее возведению, инженерно-техническим решениям, получившим развитие по многим направлениям, была построена Белоярская атомная электростанция, мощность которой подошла к 300 мегаватт.
Одновременно проходило негласное соревнование СССР с другими странами. Уже в 1956 году завершилось строительство и была запущена в действие первая британская атомная установка, предназначенная для промышленных нужд. Местом ее расположения был выбран населенный пункт Колдер-Холл, а расчетная мощность при запуске составила 46 мегаватт. После этого аналогичные электростанции начали возводиться и в прочих государствах.
В 1957 году началась деятельность первой атомной американской установки, производительностью 60 мегаватт, расположенная в штате Шиппингпорт. В 1979 году сооружение новых реакторов в США было приостановлено. Причиной послужила крупнейшая авария на электростанции Три-Майл-Айленд. Серьезное влияние на развитие мировой атомной энергетики оказала авария на Чернобыльской электрической станции, которая произошла в 1986 году. Многие страны серьезно задумались над обеспечением безопасной эксплуатации таких объектов и стали активно решать эту проблему.
Вопросы взаимодействия в данной области были вынесены на международный уровень. В настоящее время ведущие ядерные державы занимаются активной разработкой и внедрением специальных программ, направленных на дальнейшее развитие атомной энергетики. На данный момент во всех странах сооружается 56 установок, а 143 энергоблока запланировано построить до 2030 года.
Уран в качестве топлива для атомных электростанций
Среди возможных вариантов данного вида топлива, уран получил наиболее широкое распространение, как наиболее эффективный источник энергии. Его добыча осуществляется по разному:
- Открытая карьерная добыча.
- Традиционный шахтный закрытый способ.
- Выщелачивание под землей в заранее пробуренных шурфах.
В последнем случае скважины, пробуренные на установленную глубину, заполняются растворенной серной кислотой. После насыщения раствора ураном, он выкачивается и поступает на переработку.
Наиболее богатыми месторождениями считаются канадский, чешские, французские, где из 1 тонны руды завод производит около 22 кг сырья. На российских рудниках этот показатель составляет чуть выше 1,5 кг. В процессе добычи этот материал не представляет особой опасности, чем и отличается от радона, который является продуктом, образующимся при естественном распаде урана.
Добытый рудный материал после переработки превращается в закись окись урана в виде порошка. Далее происходит его производство и превращение в круглую форму в виде таблеток, спрессованных в небольшой размер. Затем, целые сутки они подвергаются термической обработке при 1500С и выше. Одному атомному реактору требуется примерно 10 млн таких урановых колбочек. Попадая в реактор, они начинают взаимодействовать между собой, запуская и поддерживая процессы, позволяющие вырабатывать электроэнергию.
Для размещения таблеток используются специальные трубки на основе циркониевого сплава. После заполнения они объединяются в пучки и становятся ТВС – тепловыделяющими сборками, которые и выполняют функцию топлива для установки.
Замена уранового материала в реакторах производится ежегодно. За счет этого повышается и коэффициент полезного действия. Отработанные элементы остужаются и переходят в дальнейшую переработку. Путем химических экстракций из них выделяется некоторое количество урана и плутония, направляемых для повторного применения. Продукты, полученные от распада радиоактивных элементов, применяются в приборах с ионизирующим излучением, необходимых в промышленном производстве и медицине.
На данный момент оставшееся переработанное топливо используют атомные электростанции с реакторными установками, работающими на быстрых нейтронах. В хранилищах такого материала очень много и оборудование нового типа сможет использовать его в течение многих лет.
Устройство и функционирование обычной АЭС
Стандартная атомная электростанция включает в свою работу двухконтурный водо-водяной энергетический реактор, известный как ВВЭР. В зоне активных действий установки выделяется тепло, передаваемое теплоносителю, циркулирующему в первом контуре. Затем, нагретый теплоноситель поступает в парогенератор, или теплообменник. Здесь он производит нагрев воды, циркулирующей во втором контуре, до кипящего состояния. Образованный пар попадает в турбину и вызывает вращение вала, передаваемое электрогенератору.
Охлаждение отработанного пара осуществляется в конденсаторе. С этой целью используется большое количество холодной воды, поступающей из близлежащего водохранилища. В подобной схеме заключается общий принцип работы атомной электростанции.
В процессе работы реактора в контуре возникают колебания давления, поскольку теплоноситель подвержен тепловому расширению. Выравнивание колебаний производится специальным компенсатором, изготовленным в виде сложной и громоздкой конструкции. В некоторых моделях реакторов, вместо воды теплоносителями могут быть различные вещества, например, газ или расплавленный натрий.
При использовании натрия конструкция оболочки в установке значительно упрощается. Это происходит за счет равномерного давления, которое не выше атмосферного. В этом случае компенсатор давления не требуется, однако высокая химическая активность натрия создает значительные трудности в процессе эксплуатации.
Различные типы атомных электростанций отличаются количеством используемых контуров. Всего одним контуром ограничивается конструкция установки РБМК – реактора большой мощности канального типа. В реакторах на быстрых нейтронах БН используется целых три контура – один водяной и два – натриевые.
При отсутствии поблизости от станции подходящего водохранилища, для охлаждения пара и его конденсации применяются специальные охладительные башни – градирни. Они отличаются большими размерами и считаются наиболее заметными элементами АЭС.
Конструкция и действие ядерной установки
Сердцем любой установки является ядерный реактор, от которого напрямую зависит, как работает атомная электростанция. Внутри него происходит распад тяжелых ядер на более мелкие фрагменты. Находясь в состоянии сильного возбуждения, они начинают испускать нейтроны и другие частицы.
Воздействие нейтронов приводит к новым делениям, после чего их становится еще больше и в результате возникают непрерывные самоподдерживающиеся расщепления, известные как цепная реакция. Данный процесс осуществляется с выделением большого количества энергии, которая является основной целью всей работы АЭС и определяет ее мощность.
Примерно 85% от общего количества энергии высвобождается за очень короткий промежуток времени от начала реакции. Остальные 15% дает радиоактивный распад продуктов деления после излучения ими нейтронов. После распада атомы приходят в более стабильное состояние, а сам процесс продолжается и по окончании деления.
Типовой ядерный реактор включает в себя следующие компоненты:
- Обогащенный уран и другое ядерное топливо.
- Теплоноситель, с помощью которого выводится энергия, полученная при работе реактора.
- Регулировочные стержни.
- Замедлитель нейтронов.
- Защитная оболочка против излучения.
В активную зону установки помещены ТВЭЛ – тепловыделяющие элементы, содержащие ядерное топливо. Они скомпонованы в кассеты, по нескольку десятков элементов. Внутри каждой кассеты имеются каналы, по которым циркулирует теплоноситель. С помощью ТВЭЛ можно регулировать уровень мощности реактора.
Принцип такой регулировки заключается в следующем:
- Топливный стержень должен иметь определенную критическую массу, по достижении которой и начинается ядерная реакция.
- Каждый отдельный стержень имеет массу, не дотягивающую до критической. Реакция будет происходить, если в активную зону будут помещены все стержни.
- Путем погружения и извлечения топливных стержней, реакцию можно сделать управляемой, в том числе регулировать мощность.
- Когда значение массы превышает критическое, происходит выброс нейтронов топливными веществами. Далее наступает столкновение выброшенных частиц с атомами.
- Все это приводит к образованию нестабильного изотопа. Его распад наступает сразу же, с выделением тепла и энергии в виде гамма-излучения.
Во время столкновения кинетическая энергия частиц переходит друг к другу и число распадов еще больше увеличивается со скоростью геометрической прогрессии. При отсутствии управления такая реакция происходит мгновенно и сопровождается сильным взрывом, в реакторе этот процесс постоянно контролируется.
Преимущества и недостатки атомных электростанций
Спрос на электроэнергию, постоянно растет во всем мире. Особенно это касается развитых стран, где потребление значительно опережает выработку электричества. Принимаются меры по использованию альтернативных источников, но заметных практических результатов они пока не дали. Решить эту проблему возможно разными способами, в том числе путем дальнейшего развития и совершенствования атомной энергетики. При этом, нужно обязательно учитывать все плюсы и минусы атомных электростанций.
Строительство новых АЭС имеет несомненные достоинства, среди которых можно отметить следующие:
- Используемые топливные ресурсы обладают высокой энергоемкостью. Полноценное использование одного килограмма урана дает такое же количество энергии, которое получается при сжигании 50 т нефти или 100 т каменного угля. Отсюда и высокий КПД атомной электростанции.
- Возможность переработки ресурсов и их вторичное применение. В отличие от традиционных видов топлива, уран после расщепления вполне может быть использован вновь. В перспективе возможен полный переход к замкнутому циклу, при котором не будут образовываться вредные и опасные отходы.
- Когда эксплуатируется электростанция (АЭС), у нее отсутствует парниковый эффект. Эти установки ежедневно предотвращают выбросы в атмосферу миллионов тонн углекислого газа.
- Независимость реакторов от мест, где располагается топливо. Из-за высокого энергетического эквивалента ядерных ресурсов, процесс их транспортировки не требует существенных затрат.
- Стоимость эксплуатации сравнительно невысокая и не превышает расходы на содержание других типов электростанций.
Однако, учитывая специфику атомных установок, следует отметить и недостатки, связанные с их использованием:
- В первую очередь, это тяжелые последствия, возникающие даже при незначительной аварии. В связи с этим, любая АЭС опасна и требует достаточно сложных систем безопасности с широкими возможностями резервирования. Это позволяет обезопасить основной механизм даже при значительных авариях.
- Необходимость уничтожать отработанное топливо. Его утилизация требует серьезных затрат, достигающих 20% от общих эксплуатационных расходов.
- Для атомных электростанций по техническим причинам нежелательна работа в маневренном режиме.
Тем не менее, несмотря на недостатки, данное направление считается перспективным, поэтому ведутся постоянные исследования по дальнейшему совершенствованию и развитию атомной энергетики.
