Как именно работает атомная энергетика?

Ядерная энергия когда-то рассматривалась как путь к неограниченной энергии. Но как она работает и почему не вызывает больше интереса?

Несмотря на все споры вокруг атомных электростанций, нет никаких сомнений в том, что они являются удивительным технологическим достижением. Но как именно они работают? Давайте совершим краткий обзор атомной электростанции и обсудим различные типы станций, а также некоторые плюсы и минусы технологии.

Как работает атомная энергетика и какие её типы существуют?

Короче говоря, атомные электростанции (ядерное деление) работают, используя энергию атома для кипячения воды, выработки пара и вращения турбины для выработки электроэнергии. По сути, это очень сложные котлы с установленной турбиной. Конечно, есть еще много чего кроме этого.

Основными компонентами атомной электростанции, более или менее, являются следующие (хотя конструкции различаются):

• Ядерное топливо (такое как уран или плутоний)
• Ядерный реактор и замедлитель (вещество, которое замедляет нейтроны - например, графит или вода)
• Теплоноситель реактора (обычно вода)
• Контрольные стержни (например, графит)
• Щит или система сдерживания / структура
• Сосуд под давлением
• Парогенератор
• Паропроводы
• Насосы
• Паровая турбина
• Градирня и конденсатор

Как указывалось ранее, компоненты и установка могут варьироваться в зависимости от типа рассматриваемого ядерного реактора. На сегодняшний день наиболее распространенными типами ядерных реакторов являются следующие:

• Водо-водяной ядерный реактор (PWR) - Более 65% коммерческих ядерных реакторов в США - это PWR. АЭС Три-Майл-Айленд была PWR типа.
• Кипящий водо-водяной реактор (BWR) - Примерно треть всех реакторов в США - это BWR. Фукусима была реактором типа BWR.
• Тяжеловодный ядерный реактор (PHWR) - Наиболее распространенный в Канаде и Индии.
• Улучшенный реактор с газовым охлаждением (AGR) - так называемые газоохлаждаемые реакторы второго поколения, в основном используемые в Великобритании. Они используют углекислый газ в качестве основного теплоносителя.
• Реактор большой мощности канальный (RBMK) - реакторы советской конструкции, которые схожи с BWR, однако вместо сосуда высокого давления, окружающего всю активную зону, каждая топливная сборка заключена в отдельную трубу для обеспечения потока охлаждающей воды вокруг топлива. Чернобыль был ядерным реактором RBMK.
• Усовершенствованные реакторы - к ним относятся многие новые или экспериментальные типы реакторов, такие как малые модульные реакторы (SMR). Многие из них не используют воду для охлаждения, а некоторые используют жидкий металл, расплавленную соль или гелий для нагрева воды до пара.
• Реактор на быстрых нейтронах (FNR) - эти реакторы обходятся без замедлителей и вместо этого используют так называемые быстрые нейтроны. Они более эффективны для производства энергии, но дороже в строительстве.
• Плавающие атомные электростанции - за исключением корабельных ядерных реакторов, эти типы реакторов построены на больших баржах, которые, как правило, постоянно швартуются.

В настоящее время в мире действует около 450 коммерческих реакторов ядерного деления. Девяносто восемь из них находятся в одних только Соединенных Штатах, и утверждается, что они являются одним из самых безопасных и эффективных источников энергии в мире.

Как пошагово производится атомная энергия?

Ядерная энергия используется для производства электроэнергии в несколько основных этапов. В большинстве случаев в коммерческих реакторах выполняются следующие шаги.

1. Нейтроны сталкиваются с атомами топлива (обычно урана) и расщепляются, освобождая нейтроны от атома-мишени, который, в свою очередь, сталкивается с другими атомами топлива, вызывая цепную реакцию.
2. Эта цепная реакция может контролироваться с помощью «регулирующих стержней», которые поглощают некоторые нейтроны, чтобы предотвратить выход системы из-под контроля.
3. Этот процесс быстро повышает температуру реактора примерно до 520 градусов по Фаренгейту (271 градус по Цельсию).
4. При этой температуре охлаждающая жидкость (обычно вода) быстро нагревается и испаряется в пар.
5. Этот пар затем подается в большую турбину, и производится электричество.
6. Это электричество используется для работы реактора и направляется в электрическую сеть для коммерческого потребления.

Деление - не единственный тип ядерной реакции. Энергия термоядерного синтеза теоретически также может быть использована для выработки электроэнергии с использованием тепла от реакций ядерного синтеза. В процессе синтеза два более легких атомных ядра объединяются, образуя более тяжелое ядро, которое выделяет энергию. Несколько типов экспериментальных термоядерных реакторов были спроектированы и построены, но в настоящее время ни один из них не является коммерчески действующим. Для термоядерных реакторов процесс будет несколько другим.

1. Топливный материал (такой как дейтерий или газообразный тритий) впрыскивается в камеру плавления. Для реакторов Токамак это вакуумный сосуд в форме пончика.
2. Затем эту газовую смесь нагревают до очень высоких температур (сотни миллионов градусов). Экстремальные температуры такой величины достигаются различными способами, но некоторые экспериментальные термоядерные реакторы используют микроволны или другие источники энергии.
3. Это приводит к тому, что топливо ионизируется и образует плазму с достаточным количеством энергии, чтобы, с надеждой, разрешить слияние между атомами, находящимися в непосредственной близости друг от друга. Это легче сказать, чем сделать, поскольку это достигается с помощью очень сильных магнитных полей или другого метода удержания.
4. По достижении процесса синтеза выделяется огромное количество энергии, которая затем может быть использована для перегрева охлаждающей жидкости.
5. Полученный пар затем используется для питания турбины для выработки электроэнергии.

В то время как исследователи смогли достичь ограниченных реакций синтеза, этот процесс очень энергоемкий. Пока что все они достигли отрицательной выработки энергии, что означает, что они более дороги в эксплуатации, чем то, что они получают взамен, как генерируемую энергию.

Атомная энергия и ядерная мощь это одно и то же?

С технической точки зрения, атомная энергия - это энергия, выделяемая при расщеплении атома в результате деления. Обычно это выражается в мегаэлектрон вольтах (МэВ). А ядерная мощь - это результат работы, произведенной атомной электростанцией в течение определенного времени, обычно выражаемой в мегаваттах (МВт) или гигаваттах (ГВт).

Что не так с ядерной энергетикой?

Ядерная энергетика давно отстаивается как ответ на практически неограниченную энергию. Но, несмотря на стремление к скорейшему освоению и развитию ядерной энергетики, в последние годы она потеряла популярность.

Но почему? Одной из основных причин может быть явное недопонимание технологии. По мнению некоторых, это часто связано с её невероятно разрушительным родственником, ядерным оружием. Другая проблема связана с произошедшими авариями и инцидентами в ядерной энергетике – хоть их и произошло совсем немного. В общем ядерная энергетика является одним из самых безопасных способов производства энергии, но если уже происходят аварии, это действительно плохо.

Аварии, связанные с ядерной энергетикой, произошли в основном из-за человеческих ошибок, стихийных бедствий или недостатков конструкции. В то же время сама технология является одной из наиболее жестко регулируемых и экологически безопасных отраслей в мире. Предыдущие дебаты достигли своего пика в 70-х и 80-х годах и были в основном связаны с распространением ядерного оружия и рисками для безопасности отрасли. Но в последние несколько лет вспыхнули дебаты, связанные с проблемой изменения климата.

В то время как многие верят в возобновляемые технологии для смягчения последствий изменения климата, сторонники ядерной стороны дискуссии утверждают, что ядерная энергия - лучший способ быстро обезуглеродить наше использование энергии. Ядерная энергетика - это источник электроэнергии с высоким содержанием энергии, не содержащий углерода, и, несмотря на прошлые аварии, возможно, более безопасный, чем производство энергии на основе нефти. Несмотря на это, он все еще потенциально опасен для людей и планеты.

Кроме того, добыча и переработка урана являются энергоемкими и сильно загрязняющими, что может свести на нет преимущества ядерной энергетики. Есть также проблемы с безопасным хранением и утилизацией отработанного ядерного топлива. Достигнут прогресс в хранении и утилизации ядерных отходов. Электростанции нового поколения позволяют перерабатывать подавляющее большинство этих отходов. Другая интересная статистика состоит в том, что все отработавшее топливо каждой атомной электростанции с 1950-х годов занимало бы пространство размером с футбольное поле на глубине около 9 метров. Большая часть этих отходов безопасно хранится в строго регулируемых и контролируемых хранилищах.   В большинстве случаев 99% этих отходов остаются радиоактивными не менее 300 лет.

Другие проблемы, связанные с ядерной энергетикой, включают в себя тот факт, что её разработка является дорогостоящей, строительство необходимо вблизи источника воды (SMR могут быть исключением) и что она отвлекает ресурсы от разработки возобновляемых источников энергии.

Как и в любой дискуссии по любому вопросу, мы дадим вам возможность прийти к собственному выводу по этому поводу. Но ясно то, что, учитывая растущую обеспокоенность по поводу изменения климата, должны быть справедливые и открытые дебаты о плюсах и минусах ядерной энергетики. Она может быть частью решения.