Ядерная энергетика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
АЭС Пало-Верде — крупнейшая в США атомная электростанция, расположена в пустыне, это единственная атомная станция в мире, не расположенная около большого водоема .

Ядерная энергетика (Атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии[1].

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер плутония-239 или урана-235[2]. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Хотя в любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия (например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях), к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.

Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков.

Технология[править | править вики-текст]

Топливный цикл[править | править вики-текст]

Ядерная энергетика основана на использовании ядерного топлива, совокупность промышленных процессов которого составляют топливный ядерный цикл. Хотя существуют различные типы топливных циклов, зависящие как от типа реактора, так и от характеристик конечной стадия цикла, в целом у него существуют общие этапы[3].

  1. Добыча урановой руды.
  2. Измельчение урановой руды
  3. Отделение диоксида урана, т. н. жёлтого хека, от отходов, тоже радиоактивных, идущих в отвал.
  4. Преобразование диоксида урана в газообразный гексафторид урана.
  5. Обогащение урана — процесс повышения концентрации урана-235, производится на специальных заводах по разделению изотопов.
  6. Обратное превращение гексафторида урана в диоксид урана в виде топливных таблеток.
  7. Изготовление из таблеток тепловыделяющих элементов (сокр. твэл), которые в скомпонованном виде вводятся в активную зону ядерного реактора АЭС.
  8. Извлечение отработанного топлива.
  9. Охлаждение отработанного топлива.
  10. Захоронение отработанного топлива в специальном хранилище[3].

В ходе эксплуатации в процессах технического обслуживания удаляются образующиеся низкорадиоактивные отходы. С окончанием срока службы производится вывод из эксплуатации самого реактора, демонтаж сопровождается дезактивацией и удалением в отходы деталей реактора[3].

Ядерный реактор[править | править вики-текст]

Ядерный реактор — устройство, предназначенное для организации управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии.

Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде 5 сентября 1945 года[4]. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова[5]. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов.

Существуют разные типы реакторов, основные отличия в них обусловлены используемым топливом и теплоносителем, применяемым для поддержания нужной температуры активной зоны, и замедлителем, используемым для снижения скорости нейтронов, которые выделяются в результате распада ядер, для поддержания нужной скорости цепной реакции[3].

  1. Наиболее распространенным типом является легководный реактор, использующий в качестве топлива обогащённый уран, в нём в качестве и теплоносителя, и замедлителя используется обычная, т. н. «легкая». У него есть две основные разновидности:
    1. кипящий реактор, где пар, вращающий турбины, образуется непосредственно в активной зоне
    2. водо-водяной энергетический реактор, где пар образуется в контуре, связанном с активной зоной теплообменниками и парогенераторами.
  2. Газоохлаждаемый ядерный реактор с графитовым замедлителем получил широкое распространения благодаря возможности эффективно вырабатывать оружейный плутоний и возможности использовать необогащённый уран.
  3. В тяжеловодном реакторе в качестве и теплоносителя, и замедлителя используется тяжелая вода, а топливом является необогащённый уран, используется в основном в Канаде, имеющей собственные месторождения урановых руд[3].

История[править | править вики-текст]

Исторический обзор статистики строительства атомных электростанций

Впервые цепная реакция ядерного распада была осуществлена 2 декабря 1942 году в Чикагском университете с использованием урана в качестве топлива и графита в качестве замедлителя. Первая электроэнергия из энергии ядерного распада была получена 20 декабря 1951 года в Национальной лаборатории Айдахо с помощью реактора на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor-I). Произведённая мощность составляла около 100 кВт[6].

9 мая 1954 года на ядерном реакторе в г. Обнинск была достигнута устойчивая цепная ядерная реакция. Реактор мощностью 5 МВт работал на обогащённом уране с графитом в качестве замедлителя, для охлаждения использовалась вода с обычным изотопным составом. 26 июня в 17:30 энергия, выработанная здесь, стала поступать в потребительскую электросеть Мосэнерго[6].

Военные корабли США — атомные крейсера «Бейнбридж» и «Лонг Бич», и первый в мире авианосец «Энтерпрайз», самое длинное в мире военное судно, в 1964 году во время рекордного кругосветного путешествия, в течение которого они преодолели 49,190 км за 65 дней без дозаправки

В декабре 1954 года в США вошла в строй первая атомная подводная лодка «Наутилус»[6].

В 1956 году в Великобритании начала работу пятидесятимегаваттная АЭС «Calder Hall-1». Далее следовали в 1957 году АЭС Шиппингпорт в США — 60 МВт[2][6] и 1959 году АЭС Маркуль во Франции — 37 МВт[6]. В 1958 начала выдавать электроэнергию первая очередь второй советской АЭС — Сибирской, мощностью 100 Мвт, полная проектная мощность которой составляла 600 Мвт[2]. В 1959 году в СССР спущено на воду первое в мире невоенное атомное судно — ледокол «Ленин»[6].

Ядерная энергетика, как новое направление в энергетике, получила признание на проходившей в Женеве в августе 1955 года 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии[2], положившей начало международному сотрудничеству в области мирного использования ядерной энергии и ослабившей завесу секретности над ядерными исследованиями, существовавшей со времён Второй мировой войны[6].

В 1960-х годах в США происходил перевод ядерной энергетики на коммерческую основу. Первой коммерческой АЭС стала «Yankee Rowe» мощностью 250 МВТ, проработавшая с 1960 до 1992 года. Первой атомной станциией в США, строительство которой финансировалось из частных источников, стала АЭС Дрезден[7].

В СССР 1964 году вступили в строй Белоярская АЭС (первый блок 100МВт) и Нововоронежская АЭС (первый блок 240МВт). В 1973 году на Ленинградской АЭС в городе Сосновый бор был забущен первый высокомощный энергоблок (1000 МВт). Энергия пущенного в 1972 году в Казахстане первого промышленного реактора на быстрых нейтронах (120 МВт) использовалась для производства электроэнергии и опреснения воды из Каспийского моря[7].

В начале 1970-х годов существовали видимые предпосылки для развития ядерной энергетики. Потребность в электроэнергии росла, гидроэнергетические ресурсы большинства развитых стран были практически полностью задействованы, соответственно росли цены на основные виды топлива. Ситуацию усугубляло введение эмбарго на поставки нефти арабскими странами в 1973–1974 годах. Предполагалось снижение стоимости строительства АЭС[3].

Тем не менее к началу 1980-х годов обозначились серьёзные экономические трудности, причинами которых стали стабилизация спроса на электроэнергию, прекращение роста цен на природное топливо, удорожание, вместо прогнозируемого удешевления, строительства новых АЭС[3].

Экономическое значение[править | править вики-текст]

Доля атомной энергетики в общем производстве электроэнергии в различных странах.

В 2014 году ядерная энергия обеспечивала 2,6 % всей потребляемой человечеством энергии[8]. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен в промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов — во Франции, Украине[9], Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии, Швейцарии и Японии. Эти страны производят от 20 до 74 % (во Франции) электроэнергии на АЭС.

В 2013 году мировое производство ядерной энергии выросло впервые с 2010 года — по сравнению с 2012 годом произошёл рост на 0,5 % — до 6,55 млрд МВт ч (562,9 млн тонн нефтяного эквивалента). Наибольшее потребление энергии атомных станций в 2013 году составило в США — 187,9 млн тонн нефтяного эквивалента. В России потребление составило 39,1 млн тонн нефтяного эквивалента, в Китае — 25 млн тонн нефтяного эквивалента, в Индии — 7,5 млн тонн[10].

Согласно отчёту Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), на 2013 год насчитывалось 436 действующих ядерных энергетических[11], то есть производящих утилизируемую электрическую и/или тепловую энергию, реакторов в 31 стране мира[12] (кроме энергетических, существуют также исследовательские и некоторые другие).

Примерно половина мирового производства электроэнергии на АЭС приходится на две страны — США и Францию. США на АЭС производят только 1/8 своей электроэнергии, однако это составляет около 20 % мирового производства.

Абсолютным лидером по использованию ядерной энергии являлась Литва. Единственная Игналинская АЭС, расположенная на её территории, вырабатывала электрической энергии больше, чем потребляла вся республика (например, в 2003 году в Литве всего было выработано 19,2 млрд кВт⋅ч, из них — 15,5 Игналинской АЭС[13]). Обладая её избытком (а в Литве есть и другие электростанции), «лишнюю» энергию отправляли на экспорт[14].
Однако, под давлением ЕС (из-за сомнений в её безопасности — ИАЭС использовала энергоблоки того же типа, что и Чернобыльская АЭС), с 1 января 2010 года Игналинская АЭС была окончательно закрыта (предпринимались попытки добиться продолжения эксплуатации станции и после 2009 года, но они не увенчались успехом), сейчас решается вопрос о строительстве на той же площадке АЭС современного типа.

Объёмы производства ядерной электроэнергии по странам[править | править вики-текст]

Страны с атомными электростанциями.      Эксплуатируются АЭС, строятся новые энергоблоки.      Эксплуатируются АЭС, планируется строительство новых энергоблоков.      Нет АЭС, станции строятся.      Нет АЭС, планируется строительство новых энергоблоков.      Эксплуатируются АЭС, строительство новых энергоблоков пока не планируется.      Эксплуатируются АЭС, рассматривается сокращение их количества.      Гражданская ядерная энергетика запрещена законом.      Нет АЭС..

На 2014 год суммарно АЭС мира выработали 2,410 тВт⋅ч энергии, что составило 10,8 % всемирной генерации электричества.

Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергии на 2014 год являются[15]:

  • Соединённые Штаты Америки США (798 млрд кВт·ч/год), работает 104 атомных реактора (20 % от вырабатываемой электроэнергии)[10]
  • Франция Франция (418 млрд кВт·ч/год), 58 реакторов.
  • Россия Россия (169 млрд кВт·ч/год), 34 реактора.
  • Республика Корея Южная Корея (149 млрд кВт·ч/год), 23 реактора.
  • Китайская Народная Республика Китай (123 млрд кВт·ч/год), 23 реактора.
  • Канада Канада (98 млрд кВт·ч/год), 19 реакторов.
  • Германия Германия (91 млрд кВт·ч/год), 9 реакторов.
  • Украина Украина (83 млрд кВт·ч/год), 15 реакторов.
  • Швеция Швеция (62 млрд кВт·ч/год), 10 реакторов.
  • Великобритания Великобритания (58 млрд кВт·ч/год), 16 реакторов.

Половина всемирной выработки электроэнергии на АЭС приходится на США и Францию.

Проблемы[править | править вики-текст]

Безопасность[править | править вики-текст]

АЭС Лайбштадт — последняя атомная станция, построенная в Швейцарии

Ядерная энергетика остаётся предметом острых дебатов. Сторонники и противники ядерной энергетики резко расходятся в оценках её безопасности, надёжности и экономической эффективности. Опасность связана с проблемами утилизации отходов, авариями, приводящими к экологическим и техногенным катастрофам, а также с возможностью использовать повреждение этих объектов (наряду с другими: ГЭС, химзаводами и т. п.) обычным оружием или в результате теракта — как оружие массового поражения. «Двойное применение» предприятий ядерной энергетики, возможная утечка (как санкционированная, так и преступная) ядерного топлива из сферы производства электроэнергии и его использовании для производства ядерного оружия служит постоянным источником общественной озабоченности, политических интриг и поводов к военным акциям (например, Операция «Опера», Иракская война).

Вместе с тем, выступающая за продвижение ядерной энергетики Всемирная ядерная ассоциация опубликовала данные, согласно которым гигаватт*год электроэнергии, произведенной на угольных электростанциях, в среднем (учитывая всю производственную цепочку) обходится в 342 человеческих жертвы, на газовых — в 85, на гидростанциях — в 885, тогда как на атомных — всего в 8[16][17].

Рентабельность[править | править вики-текст]

Высказываются сомнения в рентабельности ядерной энергетики. В связи с тем, что производство электричества на АЭС дорожает, а цена некоторых других источников электричества снижается, в условиях свободного рынка ядерные станции становятся убыточными. Так в США по причине нерентабельности были закрыты два реактора: АЭС Вермонт Янки и АЭС Кевони[18]. Множество проектов строительства новых реакторов отменено или заморожено. В 2005 году Финляндия выдала разрешение на строительство третьего блока АЭС Олкилуото. Предполагалось, что энергоблок будет введен в эксплуатацию в 2010 году. По состоянию на 2015 год предполагается, что реактор не будет запущен ранее 2018 года. Стоимость строительства данного реактора оценивалась в 3 миллиарда евро. На 2015 год затраты возросли на 2 миллиарда евро. В итоге Финляндия отменила запланированное строительство четвёртого энергоблока на Олкилуото. Правительства могут страховать АЭС от закрытия, гарантируя закупку электричества по установленной цене. Однако такие схемы также подвергаются критике из-за ограничения конкуренции и чрезмерной растраты денег налогоплательщиков.

Тепловое загрязнение[править | править вики-текст]

Одной из проблем ядерной энергетики является тепловое загрязнение. По мнению некоторых специалистов, атомные электростанции, «в расчете на единицу производимой электроэнергии», выделяют в окружающую среду больше тепла, чем сопоставимые по мощности ТЭС. В качестве примера можно привести проект строительства в бассейне Рейна нескольких атомных и теплоэлектростанций. Расчеты показали, что, в случае запуска всех запланированных объектов, температура в ряде рек поднялась бы до 45°С, уничтожив в них всякую жизнь.[19]

Подотрасли[править | править вики-текст]

Ядерная электроэнергетика[править | править вики-текст]

А́томная электроста́нция (АЭС) — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками (персоналом), предназначенная для производства электрической энергии (ОПБ-88/97).

Ядерная транспортная энергетика[править | править вики-текст]

Российский атомный ледокол «Ямал» в 1994 году

Атомоход (атомное судно) — общее название судов с ядерной энергетической установкой, обеспечивающей ход судна. Различают атомоходы гражданские (атомные ледоколы, транспортные суда) и военные (авианосцы, подводные лодки, крейсеры, тяжёлые фрегаты).

Ядерная теплоэнергетика[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. [1]Большой энциклопедический словарь: Ядерная энергетика / Гл. ред. А. М. Прохоров. — 1-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1991. — ISBN 5-85270-160-2; 2-е изд., перераб. и доп.М.: Большая Российская энциклопедия; СПб.: Норинт, 1997. — С. 1408. — ISBN 5-7711-0004-8.
  2. 1 2 3 4 Атомная электростанция — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание).
  3. 1 2 3 4 5 6 7 Атомная Энергетика. Энциклопедия Кольера.
  4. «ZEEP — Canada’s First Nuclear Reactor», Canada Science and Technology Museum.
  5. Грешилов А. А., Егупов Н. Д., Матущенко А. М. Ядерный щит. — М.: Логос, 2008. — 438 с. — ISBN 978-5-98704-272-0.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 50 Years of Nuclear Energy (англ.). International Atomic Energy Agency (2004). Проверено 17 марта 2016.
  7. 1 2 Nuclear share figures, 2004-2014 (англ.). World Nuclear Association (2015). Проверено 13 марта 2016.
  8. REN21: Renewables Global Status Report 2015
  9. АЭС Украины в 2015 г. выработали 87.6 млрд кВтч электроэнергии
  10. 1 2 В 2013 году производство ядерной энергии на планете выросло впервые за 3 года — ИА «Финмаркет»
  11. IAEA — Power Reactor Information System
  12. World Nuclear Power Reactors 2007-08 and Uranium Requirements. World Nuclear Association (9 июня 2008). Проверено 21 июня 2008. Архивировано из первоисточника 3 марта 2008.
  13. Vatesi Brosiura+RUS.indd
  14. energo.net.ua — НОВОСТИ ЭНЕРГЕТИКИ в 2003 году Игналинская АЭС реализовала на внутреннем рынке Литвы 6,8 млрд кВт⋅ч электроэнергии и экспортировала 7,5 млрд кВт⋅ч
  15. Top 10 Nuclear Generating Countries — Nuclear Energy Institute
  16. Управление риском «ядерного страха»
  17. От редакции: Страшная безопасность. // Ведомости, 26.04.2011, № 74 (2840). Проверено 26 апреля 2011. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  18. First US nuclear power closures in 15 years signal wider industry problems | Environment | The Guardian
  19. Родионов В. Г. Проблемы традиционной энергетики // Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. — М.: ЭНАС, 2010. — С. 22. — 352 с. — ISBN 978-5-4248-0002-3.

Ссылки[править | править вики-текст]

Российское законодательство[править | править вики-текст]

Международные соглашения[править | править вики-текст]

Учебные пособия[править | править вики-текст]