Ядерная электроэнергетика. Атомная энергетика — За и Против. Состояние атомной энергетики в мире

Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции , то для Франции, или Японии это попросту невозможно.

Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.

Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии

Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.

Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.

Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться в модную синтетику, кушать синтетику и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек?

И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.

А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.

В плюсы ядерной энергии мы можем смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных отходов, росте численности населения и деградации пахотных площадей. Иначе говоря, атомная энергетика позволила человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий преодолел порог воспроизводства основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания потребления. Этот процесс объективно уже не зависит от человека.

Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе. Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее перераспределять под себя скудеющие ресурсы тех, кто атомом не овладел. Более того, только развитие программы термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это за «зверь» — атомная (ядерная) энергия и с чем ее едят.

Масса, материя и атомная (ядерная) энергия

Часто приходится слышать утверждение, что «масса и энергия одно и то же», или же такие суждения, будто выражение Е=mс2 объясняет взрыв атомной (ядерной) бомбы. Сейчас, когда вы получили первое представление о ядерной энергии и ее применении, было бы поистине неразумно сбивать вас с толку такими утверждениями, как «масса равна энергии». Во всяком случае, такой способ трактовки великого открытия не из лучших. По-видимому, это всего лишь острословие молодых реформистов, «Галилеев нового времени». На деле же предсказание теории, которое проверено многими экспери-ментами, говорит лишь о том, что энергия имеет массу.

Сейчас мы разъясним современную точку зрения и дадим небольшой обзор истории ее развития.
Когда энергия любого материального тела возрастает, его масса увеличивается, и мы приписываем эту дополнительную массу приросту энергии. Например, при поглощении излучения поглотитель становится горячее и его масса возрастает. Однако возрастание настолько мало, что остается за пределами точности измерений в обычных опытах. Напротив, если вещество испускает излучение, то оно теряет капельку своей массы, которая уносится излучением. Возникает более широкий вопрос: не обусловлена ли вся масса вещества энергией, т. е. не заключен ли во всем веществе громадный запас энергии? Много лет назад радиоактивные превращения на это ответили положительно. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное количество энергии (в основном в виде кинетической энергии), а малая часть массы атома исчезает. Об этом ясно говорят измерения. Таким образом, энергия уносит с собой массу, уменьшая тем самым массу вещества.

Следовательно, часть массы вещества взаимозаменяема массой излучения, кинетической энергией и т. п. Вот почему мы говорим: «энергия и вещество способны частично к взаимным превращениям». Более того, мы теперь можем создавать частицы вещества, которые обладают массой и способны полностью превращаться в излучение, также имеющее массу. Энергия этого излучения может перейти в другие формы, передав им свою массу. И наоборот, излучение способно превращаться в частицы вещества. Так что вместо «энергия обладает массой» мы можем сказать «частицы вещества и излучение — взаимопревращаемы, а потому способны к взаимным превращениям с другими формами энергии». В этом и состоит создание и уничтожение вещества. Такие разрушительные события не могут происходить в царстве обычной физики, химии и техники, их следует искать либо в микроскопических, но активных процессах, изучаемых ядерной физикой, либо в высокотемпературном горниле атомных бомб, на Солнце и звездах. Однако было бы неразумно утверждать, что «энергия - это масса». Мы говорим: «энергия, как и вещество, имеет массу».

Масса обычного вещества

Мы говорим, что масса обычного вещества таит в себе огромный запас внутренней энергии, равной произведению массы на (скорость света)2. Но эта энергия заключена в массе и не может быть высвобождена без исчезновения хотя бы части ее. Как возникла столь удивительная идея и почему она не была открыта раньше? Ее предлагали и раньше - эксперимент и теория в разных видах,- но вплоть до двадцатого века изменение энергии не наблюдали, ибо в обычных экспериментах оно соответствует невероятно малому изменению массы. Однако сейчас мы уверены, что летящая пуля благодаря своей кинетической энергии имеет дополнительную массу. Даже при скорости 5000 м/сек пуля, которая в покое весила ровно 1 г, будет иметь полную массу 1,00000000001 г. Раскаленная добела платина массой 1 кг всего прибавит 0,000000000004 кг и практически ни одно взвешивание не сможет зарегистрировать эти изменения. Только когда из атомного ядра высвобождаются огромные запасы энергии или когда атомные «снаряды» разгоняются до скорости, близкой к скорости света, масса энергии становится заметной.

С другой стороны, даже едва уловимая разница масс знаменует возможность выделения огромного количества энергии. Так, атомы водорода и гелия имеют относительные массы 1,008 и 4,004. Если бы четыре ядра водорода смогли объединиться в одно ядро гелия, то масса 4,032 изменилась бы до 4,004. Разница невелика, всего 0,028, или 0,7%. Но она означала бы гигантское выделение энергии (преимущественно в виде излучения). 4,032 кг водорода дали бы 0,028 кг излучения, которое имело бы энергию около 600000000000 Кал.

Сравните это с 140 000 Кал, выделяющимися при соединении того же количества водорода с кислородом в химическом взрыве.
Обычная кинетическая энергия дает заметный вклад в массу очень быстрых протонов, получаемых на циклотронах, и это создает трудности при работе с такими машинами.

Почему мы все же верим, что Е=mс2

Сейчас мы воспринимаем это как прямое следствие теории относительности, но первые подозрения возникли уже ближе к концу 19 века, в связи со свойствами излучения. Тогда казалось вероятным, что излучение обладает массой. А поскольку излучение переносит, как на крыльях, со скоростью с энергию, точнее, само есть энергия, то появился пример массы, принадлежащей чему-то «невещественному». Экспериментальные законы электромагнетизма предсказывали, что электромагнитные волны должны обладать «массой». Но до создания теории относительности только необузданная фантазия могла распространить соотношение m=Е/с2 на другие формы энергии.

Всем сортам электромагнитного излучения (радиоволнам, инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету и т. д.) свойственны некоторые общие черты: все они распространяются в пустоте с одинаковой скоростью и все переносят энергию и импульс. Мы представляем себе свет и другое излучение в виде волн, распространяющихся с большой, но определенной скоростью с=3*108 м/сек. Когда свет падает на поглощающую поверхность, возникает теплота, показывающая, что поток света несет энергию. Эта энергия должна распространяться вместе с потоком с той же скоростью света. На деле скорость света именно так и измеряется: по времени пролета порцией световой энергии большого расстояния.

Когда свет падает на поверхность некоторых металлов, он выбивает электроны, вылетающие точно так же, как если бы их ударил компактный шарик. , по всей видимости, распространяется концентрированными порциями, которые мы называем «квантами». В этом и заключается квантовый характер излучения, несмотря на то, что эти порции, по-видимому, создаются волнами. Каждая порция света с одной и той же длиной волны обладает единой и той же энергией, определенным «квантом» энергии. Такие порции мчатся со скоростью света (собственно, они-то и есть свет), перенося энергию и количество движения (импульс). Все это позволяет приписать излучению некую массу - каждой порции приписывается определенная масса.

При отражении света от зеркала теплота не выделяется, ибо отраженный луч уносит всю энергию, но на зеркало действует давление, подобное давлению упругих шариков или молекул. Если же вместо зеркала свет попадает на черную поглощающую поверхность, давление становится вдвое меньше. Это свидетельствует о том, что луч несет количество движения, поворачиваемое зеркалом. Следовательно, свет ведет себя так, как если бы у него была масса. Но можно ли откуда-то еще узнать, что нечто обладает массой? Существует ли масса по своему собственному праву, как, например, длина, зеленый цвет или вода? Или это искусственное понятие, определяемое поведением наподобие Скромности? Масса, на самом деле, известна нам в трех проявлениях:

• А. Туманное утверждение, характеризующее количество «вещества», (Масса с этой точки зрения присуща веществу - сущности, которую мы можем увидеть, потрогать, толкнуть).
• Б. Определенные утверждения, увязывающие ее с иными физическими величинами.
• В. Масса сохраняется.

Остается определить массу через количество движения и энергию. Тогда любая движущаяся вещь с количеством движения и энергией должна иметь «массу». Ее массой должно быть (количество движения)/(скорость).

Теория относительности

Стремление увязать воедино серию экспериментальных парадоксов, касающихся абсолютного пространства и времени, породило теорию относительности. Два сорта экспериментов со светом давали противоречивые результаты, а опыты с электричеством еще больше обострили этот конфликт. Тогда Эйнштейн предложил изменить простые геометрические правила сложения векторов. Это изменение и составляет сущность его «специальной теории относительности».

Для малых скоростей (от медлительной улитки до быстрейшей из ракет) новая теория согласуется со старой.
При высоких скоростях, сравнимых со скоростью света, наше измерение длин или времени модифицируется движением тела относительно наблюдателя, в частности масса тела становится тем больше, чем быстрее оно движется.

Затем теория относительности провозгласила, что это увеличение массы носит совершенно общий характер. При обычных скоростях никаких изменений нет, и только при скорости 100 000 000 км/час масса возрастает на 1%. Однако для электронов и протонов, вылетающих из радиоактивных атомов или современных ускорителей, оно достигает 10, 100, 1000%…. Опыты с такими высокоэнергетическими частицами великолепно подтверждают соотношение между массой и скоростью.

На другом краю находится излучение, не имеющее массы покоя. Это не вещество и его нельзя удержать в покое; оно просто имеет массу, и движется со скоростью с, так что его энергия равна mс2. О квантах, мы говорим как о фотонах, когда хотим отметить поведение света как потока частиц. Каждый фотон имеет определенную массу m, определенную энергию Е=mс2 и количество движения (импульс).

Ядерные превращения

В некоторых экспериментах с ядрами массы атомов после бурных взрывов, складываясь, не дают ту же самую полную массу. Освобожденная энергия уносит с собой и какую-то часть массы; кажется, что недостающая часть атомного материала исчезла. Однако если мы припишем измеренной энергии массу Е/с2, то обнаружим, что масса сохраняется.

Аннигиляция вещества

Мы привыкли думать о массе как о неизбежном свойстве материи, поэтом переход массы из вещества в излучение - от лампы к улетающему лучу света выглядит почти как уничтожение вещества. Еще один шаг - и мы с удивлением обнаружим то, что происходит на самом деле: положительный и отрицательный электроны, частички вещества, соединившись вместе, полностью превращаются в излучение. Масса их вещества превращается в равную ей массу излучения. Это случай исчезновения вещества в самом буквальном смысле. Как в фокусе, во вспышке света.

Измерения показывают, что (энергия, излучения при аннигиляции)/ с2 равна полной массе обоих электронов - положительного и отрицательного. Антипротон, соединяясь с протоном, аннигилирует, обычно с выбросом более легких частиц с большой кинетической энергией.

Создание вещества

Сейчас, когда мы научились распоряжаться высокоэнергетическим излучением (сверхкоротковолновыми рентгеновскими лучами), мы можем приготовить из излучения частицы вещества. Если такими лучами бомбардировать мишень, они дают иногда пару частиц, например положительный и отрицательный электроны. И если снова воспользоваться формулой m=Е/с2 как для излучения, так и для кинетической энергии, то масса будет сохраняться.

Просто о сложном – Ядерная (Атомная) энергия

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Ядерная энергия, энергия атома – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Ядерная энергия, энергия атома.
• Ссылки на материалы и источники – Ядерная (Атомная) энергия.

Энергия ядерной реакции сосредоточена в ядре атома. Атом – крошечная частица из которых состоит вся материя во Вселенной.

Количество энергии при ядерном делении огромно и она может использоваться для создания электричества, но её сначала необходимо освободить от атома.

Получение энергии

Использование энергии ядерной реакции происходит с помощью оборудования, которое может управлять атомным делением для производства электроэнергии.

Топливо, используемое для реакторов и производства энергии чаще всего гранулы элемента урана. В ядерном реакторе атомы урана вынуждены разваливаться. Когда они разделились, атомы выделяют мельчайшие частицы, называемые продуктами деления. Продукты деления воздействуют на другие атомы урана для разделения – начинается цепная реакция. Энергия ядра, выделяющаяся из этой цепной реакции создает тепло. Тепло от атомного реактора сильно нагревает его, поэтому он должен охлаждаться.

Технологически лучший охлаждающий агент обычно вода, но некоторые ядерные реакторы используют жидкий металл или расплавленные соли. Охлаждающее вещество, нагретое от ядра, производит пар. Пар воздействует на паровую турбину поворачивая её. Турбина через механическую передачу подключена к генератору, который вырабатывает электричество.
Реакторы управляются с помощью управляющих стержней которые можно настроить на количество вырабатываемого тепла. Управляющие стержни изготавливают из материала, как кадмий, гафний или бор чтобы поглощать некоторые из продуктов созданные ядерным делением. Стержни присутствуют во время цепной реакции для контроля реакции. Удаление стержней позволит сильнее развиться цепной реакции и создать больше электроэнергии.

Около 15 процентов мирового электричества генерируется атомными электростанциями.

Соединенные Штаты имеют более чем 100 реакторов, хотя США создает большую часть своей электроэнергии от ископаемого топлива и гидроэлектроэнергии.

В России 33 энергоблока на 10 атомных электростанциях -15% энергобаланса страны.

Литва, Франция и Словакия потребляют большую часть электроэнергии от атомных электростанций.

Ядерное топливо используемое для получения энергии

Уран – это топливо наиболее широко используемое для того чтобы производилась энергия ядерной реакции. Это потому что атомы урана относительно легко делятся на части. Конкретный тип урана для производства под названием U-235, встречается редко. U-235 составляет менее одного процента урана в мире.

Уран добывается в Австралии, Канаде, Казахстане, России, Узбекистане и должен быть обработан, прежде чем его можно будет использовать.

Поскольку ядерное топливо может использоваться для создания оружия, то производство относится к договору о нераспространении такого оружия по импортированию урана или плутония или другого ядерного топлива. Договор способствует мирному использованию топлива, а также ограничению распространения такого типа оружия.

Типичный реактор использует около 200 тонн урана каждый год . Сложные процессы позволяют некоторой части урана и плутония повторно обогащаться или перерабатываться. Это уменьшает количество добычи, извлечения и обработки.

Ядерная энергии и люди

Ядерная атомная энергия производит электричество, которое может использоваться для электропитания домов, школ, предприятий и больниц.

Первый реактор для производства электроэнергии был сооружен в штате Айдахо, США и экспериментально начал питать себя в 1951 году.

В 1954 году в Обнинске, Россия, была создана первая атомная электростанция, предназначенных для обеспечения энергии для людей.

Строительство реакторов с извлечением энергия ядерной реакции требует высокий уровень технологий и только страны, которые подписали договор о нераспространении могут получать уран или плутоний, который требуется. По этим причинам большинство атомных станций расположены в развитых странах мира.

Атомные электростанции производят возобновляемую, экологически чистые ресурсы. Они не загрязняют воздух или производят выбросы парниковых газов. Они могут быть построены в городской или сельской местности и радикально не изменяют окружающую среду вокруг них.

Радиоактивный материал электростанций

Радиоактивный материал в р еакторе безопасен так как охлаждается в отдельной структуре, называемой градирни. Пар превращается обратно в воду и может снова использоваться для производства электроэнергии. Избыточный пар просто перерабатывается в атмосферу, где он не вредит как чистая вода.

Однако, энергия ядерной реакции имеет побочный продукт в виде радиоактивного материала. Радиоактивный материал представляет собой совокупность нестабильных ядер. Эти ядра теряют свою энергию и могут повлиять на многие материалы вокруг них, в том числе живые организмы и окружающую среду. Радиоактивный материал может быть чрезвычайно токсичным, вызывая болезни, увеличивая риск для рака, болезни крови и распад костей.

Радиоактивными отходами является то, что осталось от эксплуатации ядерного реактора.

Радиоактивные отходы покрывают защитную одежду, которую носили рабочие, инструменты и ткани, которые были в контакте с радиоактивной пылью. Радиоактивные отходы долговечны. Материалы, как одежда и инструменты, могут быть радиоактивны тысячи лет. Государство регулирует, как эти материалы удаляются, чтобы не загрязнять что-нибудь еще.

Используемое топливо и стержни чрезвычайно радиоактивны. Гранулы используемого урана должны храниться в специальных контейнерах, которые выглядят как большие бассейны.Некоторые заводы хранят используемое топливо в надземных резервуарах сухого хранения.

Вода, охлаждающая топливо, не контактирует с радиоактивностью поэтому безопасна.

Известны также у которых принцип работы несколько другой.

Использование атомной энергии и радиационная безопасность

Критики использования энергии ядерной реакции беспокоятся, что хранилища для радиоактивных отходов будут течь, иметь трещины или разрушаться. Радиоактивный материал затем мог бы загрязнять почвы и грунтовых вод вблизи объекта. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем людей и живых организмов в этом районе. Всем людям пришлось бы эвакуироваться.

Это то, что произошло в Чернобыле, Украина, в 1986 году. Паровой взрыв в одном из электростанций четвертого ядерного реактора разрушил его и возник пожар. Образовалось облако радиоактивных частиц, который упал на землю или дрейфовал с ветром, а частицы вошли в круговорот воды в природе как дождь. Большинство радиоактивных выпадений упали в Белоруссии.

Экологические последствия Чернобыльской катастрофы произошли немедленно. В километрах вокруг объекта сосновый лес засох, а красный цвет мертвых сосен получил в этом районе прозвище Рыжий лес. Рыба от близлежащей реки Припять получила радиоактивность и люди больше не смогут её употребить. Крупный рогатый скот и лошади умерли. Более 100 000 человек эвакуированы после катастрофы, но количество человеческих жертв Чернобыля трудно определить.

Последствия радиационного отравления появляются только после многих лет. У таких болезней как рак трудно определить источник.

Будущее ядерной энергии

Реакторы используют деление или расщепление атомов для производства энергии.

Энергия ядерной реакции может также производиться путем слияния или присоединения атомов вместе. Производится . Солнце, например, постоянно подвергается ядерному синтезу водородных атомов формируя гелий. Так как жизнь на нашей планете зависит от Солнца, можно сказать, что расщепление делает возможным жизнь на Земле.

Атомные электростанции пока не имеют возможности безопасно и надежно производить энергию путем ядерного синтеза (соединения), но ученые исследуют ядерный синтез, потому что этот процесс скорее всего будет безопасным и экономически более эффективным как альтернативный вид энергии.

Энергия ядерной реакции огромна и должна использоваться людьми. Трудностью для получения этой энергии является множество конкурирующих конструкций с различными хладагентами, рабочими температурами и давлениями теплоносителя, замедлителями и т.д., в дополнение к диапазону проектных выходных мощностей. Таким образом, производственный опыт и опыт эксплуатации будет играть ключевую роль.

Двадцатый век прошел под знаком освоения энергии нового вида, заключенной в ядрах атомов, и стал веком ядерной физики. Эта энергия многократно превышает энергию топлива, применявшуюся человечеством в течение всей его истории.

Уже к середине 1939 года ученые мира располагали важными теоретическими и экспериментальными открытиями в области ядерной физики, что позволило выдвинуть обширную программу исследований в этом направлении. Оказалось, что атом урана можно расщепить на две части. При этом освобождается огромное количество энергии. Кроме того, в процессе расщепления выделяются нейтроны, которые в свою очередь могут расщепить другие атомы урана и вызвать цепную ядерную реакцию. Ядерная реакция деления урана весьма эффективна и далеко превосходит самые бурные химические реакции. Сравним атом урана и молекулу взрывчатого вещества – тринитротолуола (тротила). При распаде молекулы тротила выделяется 10 электронвольт энергии, а при распаде ядра урана – 200 млн. электрон-вольт, т. е. в 20 млн. раз больше.

Эти открытия произвели в научном мире сенсацию: в истории человечества не было научного события, более значительного по своим последствиям, чем проникновение в мир атома и овладение его энергией. Ученые понимали, что главное ее предназначение – производство электроэнергии и применение в других мирных направлениях. С вводом в эксплуатацию в СССР в 1954 г. первой в мире промышленной атомной электростанции мощностью 5 МВт в г. Обнинске началась эра атомной энергетики. Источником производства электроэнергии стало расщепление ядер урана.

Опыт эксплуатации первых АЭС показал реальность и надежность ядерно-энергетической технологии для промышленного производства электроэнергии. Развитые индустриальные страны приступили к проектированию и строительству АЭС с реакторами разных типов. К 1964 г. суммарная мощность АЭС в мире выросла до 5 млн. кВт.

С этого времени началось стремительное развитие атомной энергетики, которая, внося все более значимый вклад в общее производство электроэнергии в мире, стала новой многообещающей энергетической альтернативой. Начался бум заказов на строительство АЭС в США, позднее в Западной Европе, Японии, СССР. Темпы роста атомной энергетики достигли около 30% в год. Уже к 1986 г. в мире работали на АЭС 365 энергоблоков суммарной установленной мощностью 253 млн.кВт. Практически за 20 лет мощность АЭС увеличилась в 50 раз. Строительство АЭС велось в 30 странах мира (рис.1.1).

К тому времени широкую известность получили исследования Римского клуба – авторитетного сообщества ученых с мировыми именами. Выводы авторов исследований сводились к неизбежности достаточно близкого исчерпания природных запасов органических энергетических ресурсов, в том числе нефти, ключевых для мировой экономики, их резкого подорожания в ближайшей перспективе. С учетом этого атомная энергетика пришлась как нельзя более ко времени. Потенциальные запасы ядерного топлива (2 8 U, 2 5 U, 2 2 Th) на длительную перспективу решали жизненно важную проблему топливообеспечения при различных сценариях развития атомной энергетики.

Условия развития атомной энергетики были крайне благоприятны, причем экономические показатели АЭС также вселяли оптимизм, АЭС уже могли успешно конкурировать с ТЭС.

Атомная энергетика позволяла уменьшить потребление органического топлива и резко сократить выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду от ТЭС.

Развитие атомной энергетики базировалось на сформировавшемся энергетическом секторе военно-промышленного комплекса – достаточно хорошо освоенных промышленных реакторах и реакторах для подводных лодок с использованием уже созданного для этих целей ядерного топливного цикла (ЯТЦ), приобретенных знаниях и значительном опыте. Атомная энергетика, имевшая огромную государственную поддержку, успешно вписалась в существующую энергетическую систему с учетом присущих этой системе правил и требований.

Проблема энергетической безопасности, обострившаяся в 70-е годы ХХ в. в связи с энергетическим кризисом, вызванным резким повышением цен на нефть, зависимостью ее поставки от политической обстановки, заставила многие страны пересмотреть свои энергетические программы. Развитие атомной энергетики, уменьшая потребление органического топлива, снижает энергетическую зависимость стран, не имеющих или имеющих ограниченные собственные топливно-энерге

тические ресурсы, от их ввоза и укрепляет энергетическую безопасность этих стран.

В процессе быстрого развития атомной энергетики из двух основных типов энергетических ядерных реакторов – на тепловых и быстрых нейтронах – наибольшее распространение в мире получили реакторы на тепловых нейтронах.

Разработанные разными странами типы и конструкции реакторов с разными замедлителями и теплоносителями стали основой национальной ядерной энергетики. Так, в США основными стали водо-водяные реакторы под давлением и кипящие реакторы, в Канаде – тяжеловодные реакторы на природном уране, в бывшем СССР – водо-водяные реакторы под давлением (ВВЭР) и уранографитовые кипящие реакторы (РБМК), росла единичная мощность реакторов. Так, реактор РБМК-1000 электрической мощностью 1000 МВт был установлен на Ленинградской АЭС в 1973 г. Мощность крупных АЭС, например Запорожской АЭС (Украина), достигла 6000 МВт.

Учитывая, что блоки АЭС работают практически с постоянной мощностью, покрывая

АЭС «Три Майл Айленд» (США)

базовую часть суточного графика нагрузок объединенных энергосистем, параллельно с АЭС в мире строились высокоманевренные ГАЭС для покрытия переменной части графика и закрытия ночного провала в графике нагрузок.

Высокие темпы развития атомной энергетики не соответствовали уровню ее безопасности. На основании опыта эксплуатации объектов атомной энергетики, возрастающего научно-технического понимания процессов и возможных последствий возникла необходимость пересмотра технических требований, что вызывало увеличение капвложений и эксплуатационных затрат.

Серьезный удар развитию атомной энергетики был нанесен тяжелой аварией на АЭС «Три Майл Айленд» в США в 1979 г., а также на ряде других объектов, что привело к радикальному пересмотру требований безопасности, ужесточению действующих нормативов и пересмотру программ развития АЭС во всем мире, причинило огромный моральный и материальный ущерб атомной энергетике. В США, которые являлись лидером в атомной энергетике, с 1979 г. прекратились заказы на строительство АЭС, также сократилось их строительство в других странах.

Тяжелейшая авария на Чернобыльской АЭС в Украине в 1986 г., квалифицируемая по международной шкале ядерных инцидентов как авария самого высокого седьмого уровня и вызвавшая экологическую катастрофу на огромной территории, гибель людей, переселение сотен тысяч людей, подорвала доверие мирового сообщества к атомной энергетике.

«Трагедия в Чернобыле – это предупреждение. И не только в ядерной энергетике», – говорил академик В.А. Легасов, член правительственной комиссии, первый заместитель академика А.П. Александрова, возглавлявшего Институт атомной энергии имени И.В. Курчатова.

Во многих странах были приостановлены программы развития атомной энергетики, а в ряде стран вообще отказались от намеченных ранее планов по ее развитию.

Несмотря на это, к 2000 г. на АЭС, работающих в 37 странах мира, вырабатывалось 16% мирового производства электроэнергии.

Предпринятые беспрецедентные усилия по обеспечению безопасности эксплуатируемых АЭС позволили в начале XXI в. восстановить доверие общества к атомной энергетике. Наступает время «ренессанса» в ее развитии.

Кроме высокой экономической эффективности и конкурентоспособности, обеспеченности топливными ресурсами, надежности, безопасности, одним из важных факторов является то, что атомная энергетика относится к экологически наиболее чистым источникам электроэнергии, хотя остается проблема утилизации отработанного топлива.

Стала очевидной необходимость воспроизводства (бридинга) ядерного топлива, т.е. строительства также реакторов на быстрых нейтронах (бридеров), внедрения переработки полученного топлива. Развитие этого направления имело серьезные экономические стимулы и перспективы, велось во многих странах.

В СССР первые экспериментальные работы по промышленному использованию реакторов на быстрых нейтронах были начаты в

1949 г., а с середины 1950-х годов начался ввод в эксплуатацию серии опытно-экспериментальных реакторов БР-1, БР-5, БОР-60 (1969 г.), в 1973 г. была введена в действие двухцелевая АЭС с реактором мощностью 350 МВт для производства электроэнергии и опреснения морской воды, в 1980 году запущен промышленный реактор БН-600 мощностью 600 МВт.

Обширная программа развития этого направления реализовывалась в США. В 1966–1972 гг. был построен экспериментальный реактор «Enrico Fermi l», а в 1980 году введен в эксплуатацию крупнейший в мире исследовательский реактор FFTF мощностью 400 МВт. В Германии первый реактор начал работать в 1974 году, а построенный реактор большой мощности SNR-2 так и не был введен в эксплуатацию. Во Франции в 1973 году был пущен реактор «Phenix» мощностью 250 МВт, а в 1986 г. – «Superphenix» мощностью 1242 МВт. Япония в 1977 г. ввела в эксплуатацию опытный реактор «Joyo», а в 1994 г. – реактор «Monju» мощностью 280 МВт.

В условиях экологического кризиса, с которым мировое сообщество вошло в ХХI век, атомная энергетика может внести значительный вклад в обеспечение надежного электроснабжения, снижение выбросов в окружающую среду парниковых газов и загрязняющих веществ.

Атомная энергетика наилучшим образом отвечает принятым в мире принципам устойчивого развития, одним из важнейших требований которого является наличие достаточных топливно-энергетических ресурсов при стабильном их потреблении в долгосрочной перспективе.

В соответствии с прогнозами, основанными на расчетах и моделировании развития общества и мировой экономики в XXI веке, доминирующая роль электроэнергетики сохранится. К 2030 г. по прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА) производство электроэнергии в мире увеличится более чем в 2 раза и превысит 30 трлн. кВт·ч, а согласно прогнозам Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) в условиях «ренессанса» атомной энергетики ее доля увеличится до 25% мирового производства электроэнергии, причем уже в течение ближайших 15 лет в мире будет построено свыше 100 новых реакторов, а мощность АЭС возрастет с 370 млн. кВт в 2006 г. до 679 млн. кВт в 2030 г.

В настоящее время активно развивают атомную энергетику страны с высокой ее долей в общем объеме вырабатываемой электроэнергии, включая США, Японию, Южную Корею, Финляндию. Франция, переориентировав электроэнергетику страны на атомную и продолжая ее развивать, с успехом решила энергетическую проблему на многие десятилетия. Доля АЭС в производстве электроэнергии в этой стране достигает 80%. Развивающиеся страны с незначительной еще долей ядерной генерации электроэнергии высокими темпами строят АЭС. Так, Индия заявила о намерении в долгосрочной перспективе построить АЭС мощностью 40 млн. кВт, а Китай – более 100 млн. кВт.

Из 29 блоков АЭС, строившихся в 2006 г., 15 находились в Азии. Планируют впервые ввести АЭС Турция, Египет, Иордания, Чили, Таиланд, Вьетнам, Азербайджан, Польша, Грузия, Белоруссия и другие страны.

Дальнейшее развитие атомной энергетики планирует Россия, которая предусматривает к 2030 г. построить АЭС мощностью 40 млн. кВт. В Украине в соответствии с Энергетической стратегией Украины на период до 2030 г. предусматривается увеличивать выработку АЭС до 219 млрд. кВт·ч, сохранив ее на уровне 50% общей выработки, и повысить мощность АЭС практически в 2 раза, доведя ее до 29,5 млн. кВт, при коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) 85%, в том числе за счет ввода новых блоков мощностью 1–1,5 млн.кВт и продления срока эксплуатации действующих блоков АЭС (в 2006 г. в Украине мощность АЭС составила 13,8 млн. кВт с выработкой 90,2 млрд. кВт·ч электроэнергии, или около 48,7% общей выработки).

Ведущиеся во многих странах работы по дальнейшему совершенствованию реакторов на тепловых и быстрых нейтронах позволят обеспечить дальнейшее повышение их надежности, экономической эффективности и экологической безопасности. При этом важное значение приобретает международное сотрудничество. Так, при реализации в будущем международного проекта ГТ МСР (газотурбинный модульный гелиоохлаждаемый реактор), который характеризуется высоким уровнем безопасности и конкурентоспособности, минимизацией радиоактивных отходов, может повыситься к.п.д. до 50%.

Широкое применение в будущем двухкомпонентной структуры атомной энергетики, включающей АЭС с реакторами на тепловых нейтронах и с реакторами на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное топливо, повысит эффективность использования природного урана и снизит уровень накопления радиоактивных отходов.

Следует отметить важнейшую роль в развитии атомной энергетики ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), который фактически является ее системообразующим фактором. Это вызвано следующими обстоятельствами:

• ЯТЦ должен обеспечиваться всеми необходимыми структурными, технологическими и конструктивными решениями для безопасной и эффективной работы;
• ЯТЦ является условием социальной приемлемости и экономической эффективности атомной энергетики и ее широкого использования;
• развитие ЯТЦ приведет к необходимости объединения задач обеспечения требуемого уровня безопасности АЭС, вырабатывающей электроэнергию, и минимизации рисков, связанных с производством ядерного топлива, включая добычу урана, транспортировку, переработку отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и захоронение радиоактивных отходов (единая система требований по безопасности);
• резкое увеличение добычи и использования урана (начальный этап ЯТЦ) ведет к росту опасности попадания природных долгоживущих радионуклидов в среду обитания, что требует повышения эффективности топливоиспользования, уменьшения количества отходов и замыкания топливного цикла.

Экономическая эффективность работы АЭС зависит напрямую от топливного цикла, включая сокращение времени на перегрузку топлива, повышение эксплуатационных характеристик тепловыделяющих сборок (ТВС). Поэтому важное значение имеет дальнейшее развитие и совершенствование ЯТЦ с высоким коэффициентом использования ядерного топлива, созданием малоотходного замкнутого топливного цикла.

Энергетической стратегией Украины предусматривается развитие национального топливного цикла. Так, добыча урана должна увеличиться с 0,8 тыс. т до 6,4 тыс. т в 2030 году, получит дальнейшее развитие отечественное производство циркония, циркониевых сплавов и комплектующих для тепловыделяющих сборок, а в перспективе создание замкнутого топливного цикла, а также участие в международной кооперации по производству ядерного топлива. Предусматривается корпоративное участие Украины в создании мощностей по изготовлению тепловыделяющих сборок для реакторов ВВЭР и в создании Международного центра по обогащению урана в России, вхождение Украины в предложенный США Международный банк ядерного топлива.

Обеспеченность топливом атомной энергетики имеет важнейшее значение для перспективы ее развития. Современные потребности в природном уране в мире составляют порядка 60 тыс. т при общих запасах около 16 млн.т.

В ХХI в. резко возрастет роль атомной энергетики в обеспечении возрастающего производства электроэнергии в мире с использованием более совершенных технологий. Атомная энергетика пока не имеет серьезного конкурента на длительную перспективу. Чтобы реализовать ее развитие в широких масштабах, она, как уже указывалось, должна обладать следующими свойствами: высокой эффективностью, обеспеченностью ресурсами, энергоизбыточностью, безопасностью, приемлемостью экологического воздействия. Первые три требования могут быть выполнены при использовании двухкомпонентной структуры атомной энергетики, состоящей из тепловых и быстрых реакторов. При такой структуре можно значительно увеличить эффективность использования природного урана, снизить его добычу и ограничить уровень поступления радона в биосферу. Пути достижения необходимого уровня безопасности и снижения капитальных затрат для реакторов обоих типов уже известны, нужны время и средства на их реализацию. К моменту осознания обществом необходимости дальнейшего развития атомной энергетики технология двухкомпонентной структуры будет фактически подготовлена, хотя многое еще необходимо сделать в плане оптимизации ЯЭУ и структуры отрасли, включая и предприятия топливного цикла.

Уровень экологического воздействия в основном определяется количеством радионуклидов в топливном цикле (уран, плутоний) и в хранилищах (Np, Am, Cm, продукты деления).

Риск от воздействия короткоживущих изотопов, например 1 1 I и 9 0 Sr, l 7 Cs, может быть снижен до допустимого уровня за счет повышения безопасности АЭС, хранилищ, предприятий топливного цикла. Приемлемость такого риска можно доказать на практике. Но трудно доказать и невозможно продемонстрировать надежность захоронения долгоживущих актиноидов и продуктов деления в течение миллионов лет.

Несомненно, нельзя отказываться от поиска путей надежного захоронения радиоактивных отходов, но необходимо разрабатывать возможность использования актиноидов для получения энергии, т.е. замыкания топливного цикла не только по урану и плутонию, но и по актиноидам (Np, Am, Cm и др.). Трансмутация опасных долгоживущих продуктов деления в системе реакторов на тепловых нейтронах усложнит структуру атомной энергетики за счет дополнительных технологических процессов по изготовлению и переработке ядерного топлива или увеличит число типов ядерно-энергетических установок. Введение Np, Am, Cm, других актиноидов и продуктов деления в топливо реакторов усложнит их конструкцию, потребует разработки новых видов ядерного топлива, отрицательно скажется на безопасности.

В связи с этим рассматривается возможность создания трехкомпонентной структуры атомной энергетики, состоящей из тепловых и быстрых реакторов и реакторов для сжигания Np, Am, Cm и других актиноидов и трансмутации некоторых продуктов деления.

Важнейшими проблемами являются переработка и удаление радиоактивных отходов, которые могут быть преобразованы в ядерное топливо.

В первой половине ХХI века человечеству предстоит осуществить научный и технический прорыв на пути освоения новых видов энергии, в том числе электроядерной с использованием ускорителей заряженных частиц, и в перспективе термоядерной, что требует объединения усилий, международной кооперации.

Тяньваньская АЭС – самая крупная по единичной мощности энергоблоков среди всех строящихся в настоящее время АЭС в Китае. Ее генплан предусматривает возможность строительства четырех энергоблоков мощностью 1000 МВт каждый. Станция расположена между Пекином и Шанхаем на берегу Желтого моря. Строительные работы на площадке начались в 1998 году. Первый энергоблок АЭС с водо-водяным энергетическим реактором ВВЭР-1000/428 и турбиной К-1000-60/3000, запущенный в мае 2006 года, был сдан в эксплуатацию 2 июня 2007 года, а второй такой же блок – 12 сентября 2007 года. В настоящее время оба энергоблока атомной станции работают стабильно на 100% мощности и снабжают электроэнергией китайскую провинцию Цзянсу. Планируется строительство третьего и четвертого энергоблоков АЭС «Тяньвань».

Классическими источниками энергии с самого начала индустриализации являлись природные ископаемые: нефть, газ и уголь, сжигаемые с целью получения энергии. С развитием промышленности и других отраслей, а также в связи с неминуемым человечество открывает все новые источники энергии, не так пагубно влияющие на окружающую среду, более энергетически выгодные и не требующие истощения исчерпаемых природных ресурсов. Ядерная энергетика (также называемая атомной) заслуживает особого внимания.

В чем же заключается ее преимущество? Ядерная энергетика базируется в основном на использовании урана в качестве источника энергии и, в меньшей степени, плутония. Запасы урана в земной коре и мировом океане, которые можно добыть с использованием современных технологий, оцениваются числом 10 8 тонн. Этого количества хватит еще на тысячи лет, что несравнимо с оставшимися запасами, например, той же нефти. Ядерная энергетика при грамотной эксплуатации и утилизации отходов практически безопасна для экологической ситуации - количество выбросов в окружающую среду различных вредных веществ ничтожно мало. Наконец, эффективна с экономической точки зрения. Все это говорит о том, что развитие ядерной энергетики имеет огромную значимость для энергетической промышленности в целом.

На сегодняшний день доля АЭС в мировом энергопроизводстве составляет примерно 16%. Ядерная энергетика на данный момент развивается с несколько замедленной скоростью. Основная причина этого - распространившееся среди общественности убеждение в ее опасности. Случившаяся несколько лет назад катастрофа в Японии и все еще незабытая способствуют созданию неприятного имиджа атомной энергетики. Дело в том, что причинами подобных катастроф всегда является и/или несоблюдение техники безопасности. Соответственно, при аккуратной эксплуатации и развитии обеспечения безопасности на вероятность подобных происшествий минимизируется.

К другим проблемам атомной энергетики также относятся вопросы об утилизации и судьбе нефункционирующих АЭС. Что касается отходов, то их количество значительно меньше числа таковых в остальных отраслях энергетической промышленности. Также проводятся различные исследования, целью которых является обнаружение оптимального способа утилизации отходов.

Перспективы ядерной энергетики в современной промышленности тем не менее, скорее, отрицательные. Несмотря на ее теоретическое преимущество, в реальности выяснилось, что полностью заменить классические отрасли атомная энергетика не может. Кроме того, свою роль играют общественное недоверие к ней и проблемы с обеспечением безопасности на АЭС. Хотя, безусловно, в ближайшее время ядерная энергетика не исчезнет как таковая, на нее вряд ли будут возлагаться большие надежды, и она просто будет дополнять классическую энергетическую промышленность.

Ядерная энергетика - это одна из отраслей энергетической промышленности. В основе добычи электроэнергии лежит тепло, выделяемое при делении ядер тяжёлых радиоактивных металлов. Шире всего в качестве топлива используются изотопы плутония-239 и урана-235, распадающиеся в специальных ядерных реакторах.

Согласно статистическим данным на 2014 год, ядерная энергетика производит порядка 11% всей электроэнергии в мире. В тройку стран-лидеров по объёмам производства атомной электроэнергии входят США, Франция и Россия.

Такой тип добычи энергии используются в случаях, когда собственные природные ресурсы страны не позволяют добывать энергию в необходимых объёмах. Но вокруг этой отрасли энергетики до сих пор точатся дебаты. Экономическая эффективность и безопасность производства ставиться под сомнение из-за опасных отходов и возможных утечек урана и плутония в сферу изготовления ядерного вооружения.

Развитие атомной энергетики

Впервые ядерная электроэнергия была выработана в 1951-году. В штате Айдахо, что в США ученые построили стабильно работающий реактор мощностью 100 киловатт. Во время послевоенной разрухи и стремительного роста потребления электроэнергии ядерная энергетика приобрела особую актуальность. Поэтому, три года спустя, в 1954, заработал энергоблок в городе Обнинск, через полтора месяца после запуска добытая им энергия стала поступать в сеть Мосэнерго.

После этого строительство и запуск атомных электростанций приобрели стремительные темпы:

• 1956 год - в Великобритании заработала АЭС «Калдер Холл-1» мощностью в 50 МВт;
• 1957 год - запуск АЭС Шиппингпорт в США (60 мегаватт);
• 1959 год - близ Авиньона во Франции открывается станция Маркуль мощностью в 37 Мвт.

Начало развития атомной энергетики в СССР ознаменовалось возведением и запуском Сибирской атомной электростанции мощностью в 100 МВт. Темпы развития ядерной промышленности в то время нарастали: в 1964 году были запущены первые блоки Белоярской и Нововоронежской АЭС мощностью в 100 и 240 МВт соответственно. Сего за период с 1956 по 1964 год силами СССР было возведено 25 атомных объектов во всём мире.

Затем, в 1973 году, был запущен первый высокомощный блок Ленинградской АЭС мощностью в 1000 МВт. Годом ранее сою работу начала атомная электростанция в городе Шевчеко (ныне Актау), что в Казахстане. Вырабатываемая ей энергия использовалась для опреснения вод Каспийского моря.

В начале 70-х годов XX века стремительное развитие атомной энергетики было оправдано рядом причин:

• отсутствие незадействованных гидроэнергетических ресурсов;
• рост потребления электроэнергии и стоимости энергоносителей;
• торговое эмбарго на поставки энергоносителей из арабских стран;
• предположительное снижение стоимости возведения атомных электростанций.

Однако в 80-х годах того же века ситуация обернулась своей противоположностью: спрос на электроэнергию стабилизировался, также как и стоимость природного топлива. А стоимость постройки АЭС, наоборот, увеличилась. Эти факторы создали серьёзные преграды на пути развития этого сектора промышленности.

Серьёзные проблемы в развитий атомной электроэнергетики создала авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Масштабная техногенная катастрофа заставила весь мир задуматься о безопасности мирного атома. Вместе с тем во всей отрасли атомной энергетики настал период стагнации.

Начало XXI века ознаменовало возрождение атомной энергетики России. В период с 2001 по 2004 год было введено в эксплуатацию три новых энергоблока.

В марте 2004 года, согласно Указу Президента, было сформировано Федеральное агентство атомной энергетики. А через три года его сменила государственная корпорация «Росатом»

В нынешнем виде российская атомная энергетика - это мощнейший комплекс более чем 350 предприятий, штат которых приближается к 230 тысячам. Корпорация занимает второе место в мире по количеству запасов ядерного топлива и объёмам производства атомной электроэнергии. Отрасль активно развивается, на данный момент продолжается строительство 9 атомных энергоблоков с соблюдением современных стандартов безопасности.

Отрасли атомной энергетики

Ядерная энергетика современной России - сложный комплекс, состоящий из нескольких отраслей:

• добыча и обогащение урана - основного топлива для ядерных реакторов;
• комплекс предприятий по производству изотопов урана и плутония;
• собственно предприятия атомной энергетики, выполняющие задачи по проектированию, возведению и эксплуатации АЭС;
• производство ядерных энергетических установок.

Косвенное отношение к атомной энергетике имеют научно-исследовательские институты, где ведётся разработка и совершенствование технологий добычи электроэнергии. Вместе с тем, подобные учреждения занимаются проблемами атомного вооружения, безопасности и судостроения.

Атомная энергетика России

Россия располагает атомными технологиями полного цикла - от добычи урановой руды до получения электроэнергии на АЭС. В атомный энергетический комплекс входят 10 действующих электростанций с 35 эксплуатируемыми энергоблоками. Также активно ведётся возведение 6 атомных электростанций, и прорабатываются планы постройки ещё 8.

Большая часть вырабатываемой российскими АЭС энергии используется непосредственно для обеспечения нужд населения. Однако, некоторые станции, к примеру Белоярская и Ленинградская обеспечивают близлежащие населённые пункты и горячей водой. «Росатом» активно ведёт разработку атомной теплоцентрали, которая позволит дёшево отапливать сверенные регионы страны.

Атомная энергетика в странах мира

Первое место по объёмам производства атомной энергии занимает США с 104 атомными реакторами мощностью в 798 млрд. киловатт-час в год. Второе место - Франция, где расположены 58 реакторов. За ней - Россия с 35 энергоблоками. Замыкают пятёрку лидеров Южная Корея и Китай. У каждой страны по 23 реактора, только Китай уступает Корее по объёму производимой атомной электроэнергии - 123 млрд кВт·ч/год против 149 млрд кВт·ч/год.