Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики

0 0

Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики

Проблема загрязнения окружающей среды выбросами продуктов горения очевидна. И эта проблема становится всё более чувствительной с каждым новым годом. Человечество пытается решить проблему отказом от традиционных источников энергии с переводом внимания на другие виды энергетики. Ядерные реакторы здесь видятся одним из предпочтительных вариантов. Однако далеко не все живущие на планете Земля отчётливо понимают, что это такое.

Общий взгляд на ядерные реакторы?

Для начала, чтобы понимать насколько близким «другом» может выступать атом для человека, необходимо иметь представление относительно работы атомных станций. Впервые на территории Европы экспериментальный ядерный реактор запустили в 1946 году. Конструкция, созданная группой московских инженеров во главе с академиком Курчатовым, появилась спустя четыре года после тестирования подобной системы на территории США (1942 год).

Применительно к текущему моменту времени, в рамках целого мира работают более 400 установок генерации мирного атома. Плюс к этому, на стадии сооружения находятся ещё около пятидесяти станций. Мирный атом, бесспорно, является многообещающей технологией века. Но наряду с очевидными преимуществами ядерные реакторы несут и негативный отпечаток.

Этот негативный отпечаток оставляют неизбежные радиоактивные отходы и возможные аварии с выбросами, опасными для всего живого на Земле. Именно эти факторы оказали отрицательное влияние на строительство ядерных реакторов за последние десять лет на территории Западной Европы. Стройка установок замедлилась до минимума, но возрождение, похоже, неизбежно.

Несмотря на не совсем позитивную репутацию, ядерные реакторы имеют массу преимуществ. В частности, полное исключение выбросов парниковых газов. Такого рода система производит огромное количество энергии и занимает при этом совсем небольшую производственную площадь. Сооружение возможно практически в любом регионе.

Принцип получения атомной энергии

Функционирование таких систем основано на принципе ядерного деления. Имеется в виду распад тяжелого нестабильного атома на два атома меньшего размера. Действие распада явление широко распространённое в природе. Даже молекулы тела человека подвержены распаду, но для ядерных реакторов расщепление атомов отмечается в значительных масштабах.

Система типичного ядерного реактора содержит активную зону топливных стержней, содержащих элементы обогащенного урана или плутония. Термин «обогащённый» указывает на то, что уран предварительно обработан в центрифуге для увеличения отношения делимых атомов урана-235 к неделимым атомам урана-238.

Топливные стержни пакуются вместе, дополняются регулирующими стержнями, изготовленными из кадмия или других материалов, погружаются в воду, заполняющей внутреннюю область защитной оболочки.

Если один из этих нейтронов поглощается атомом урана-235, этот атом становится нестабильным и расщепляется, высвобождая больше энергии и больше нейтронов. Этот каскад нейтронов и расщепляющихся атомов выстраивается в цепную реакцию, результатом которой становится высвобождение массы энергии.

Высвобождаемой энергии так много, что вполне достаточно для обеспечения энергией крупного города в течение десятилетий. Управление реакцией с целью предотвращения расплава активной зоны, осуществляется регулирующими стержнями. Стержни используются для поглощения нейтронов и гашения выходной мощи.

Сложная физика и просто чайник на плите

Имеет место сложнейшая физика, но в простейшем видении такую работу можно сравнить с обычным чайником на плите. Горячая вода, нагретая чайником, пропускается через теплообменник нагрева другого водяного контура. В результате создаётся пар. Давлением пара вращается турбина, приводящая в действие динамо-машину, которой вырабатывается электрическая энергия.

Таким образом, ядерная энергия, по сути, некий способ производства пара. На текущий момент эксплуатируется ряд конструкций ядерных реакторов, относимых к трём технологическим поколениям:

  1. Первые прототипы.
  2. Промышленные установки.
  3. Промышленные системы с продвинутыми функциями.

Между тем четвёртое и пятое поколение усовершенствованных реакторов уже на подходе. Также существуют и другие ядерные реакторы специального назначения. Например, исследовательские установки, предназначенные для производства плутония оружейного качества. Или есть ещё аппараты производства радиоактивных изотопов для широкого спектра применений, включая медицину.

Конструкции существующих в мире ядерных реакторов

Рассмотрим кратко действие основных типов ядерных реакторов, используемых людьми на текущий момент времени. Некоторые из рассматриваемых базовых конструкций, однако, созданы в 1950-х годах и совершенствовались на протяжении 60 лет с целью обеспечения безопасной и более эффективной эксплуатации.

Ядерный реактор с водой под давлением

Одним из наиболее распространённых типом ядерных реакторов считается установка с водой под давлением. Изначально такого типа система была разработана в Соединённых Штатах под применение питания атомных подводных лодок. На текущий момент подобные системы работают на территориях 20 стран мира. Конструкцией используется вода в качестве замедлителя реакции или охлаждающая жидкость.

Современные конструкции используют топливо, обогащённое примерно до 3,2% по урану-235, сформированное в виде «таблеток» весом по 10 граммов. Эти «таблетки» заложены в стержнях, сделанных из сплава циркония. Контейнер ядерного реактора выполнен из нержавеющей стали.

Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Ядерный реактор воды под давлением — схема: 1 — защитная оболочка; 2 — управляемые стержни; 3 — напорный бак; 4 — теплообменник; 5 — водяные насосы; 6 — конденсатор; 7 — турбина; 8 — генератор; 9 — градирня

Действует как герметичный сосуд под рабочий материал, так и сосуд под давлением, где вода удерживается в жидком состоянии под высоким давлением, при более высокой температуре. Контейнер, в свою очередь, герметизирован стальным и бетонным экраном на случай аварийных ситуаций.

Применительно к устаревшим конструкциям, вода охлаждения экрана использовалась для выработки электроэнергии. Поддержка рабочей температуры ядра достигалась постоянной прокачкой воды. Оставались явные проблемы с безопасностью (пример — катастрофа Три-Майл-Айленд). Ядерные реакторы поздних выпусков имели уже ряд контуров теплообменников и резервные системы пассивной циркуляции воды.

Ядерный реактор кипящей воды

Ещё одной, достаточно распространённой конструкцией считается ядерный реактор с кипящей водой. Такого типа система проще по исполнению, но по уровню безопасности уступает предыдущей конструкции.

Здесь проходящая по контуру теплоносителя вода кипит. Соответственно, образующийся пар поступает непосредственно к турбине из защитной оболочки перед тем, как повторно конденсируется и возвращается водой. Такая схема увеличивает вероятность радиоактивного заражения.

Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Установка кипящей воды схема: 1 — защитная оболочка; 2 — реакторный отсек; 3 — управляемые стержни; 4 — водяные насосы; 5 — конденсатор; 6 — турбина; 7 — генератор; 8 — градирня

Системы такого типа практикуются в нескольких странах мира. Одной из стран является Япония. Для этой страны сразу приходит на память катастрофа 2011 года (Фукусима), когда были повреждены шесть ядерных реакторов кипящей воды постройки 1960-х — 1970-х годов. Правда, главной причиной аварии стали чисто природные явления цунами и землетрясение.

Более современным вариантом такой конструкции видится установка с водяным охлаждением и замедлителем. Речь идёт о так называемой системе с тяжёлой водой под давлением (проект канадский дейтерий-уран). Вместо обычной воды используется тяжёлая вода, где масса атомов водорода заменена изотопом водорода (дейтерий).

Тяжёлой водой поглощение нейтронов проходит в меньшей степени. Следовательно, требуется менее обогащённое топливо. Кроме того, тяжёлой водой создаются собственные нейтроны, что способствует стабильности и лучшей управляемости системы.

Магноксовый и газовый ядерный реактор

Два самых первых типа коммерческих реакторов, применяемых в западных странах — это «Magnox» и усовершенствованный газовый реактор. Оба являются прямыми потомками первой атомной установки 1942 года. Строительство таких систем отметилось на территории Великобритании в период 1956 — 1971 годы.

Конструкция требует применения блоков графита, выступающих в качестве замедлителя. Здесь в качестве топлива используется металлический уран или оксид урана. Топливо герметизируется внутри специальных ёмкостей, сделанных из магниевого сплава или нержавеющей стали.

Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Газовая установка схема: 1 — защитная оболочка (сталь + бетон); 2 — нагреватель; 3 — циркулятор газа; 4 — управляемые стержни; 5 — графитовый замедлитель; 6 — тепловыделяющие сборки; 7 — водяные насосы; 8 — генератор

Для охлаждения используется углекислый газ. Поскольку более ранний реактор «Magnox» разрабатывался для производства плутония, эта конструкция не отличается особой эффективностью. Поэтому создали несколько иной тип – газовый ядерный реактор, для работы при более высоких температурах с более эффективным производством пара на турбину.

Ядерный реактор кипящей лёгкой воды

Установка под аббревиатурой РБМК — Реактор Большой Мощности Канальный, разработана специалистами Советского Союза практически одновременно с разработкой установки «Magnox». РБМК имеет некоторые конструктивные особенности и даже более того. По сути, это совершенно другая машина в отличие от западных разработок.

Установкой РБМК используется обширная графитовая активная зона с водяным охлаждением. Такая зона выстраивается базой из 1700 вертикальных каналов, содержащих оксид урана, обогащенного до 1,8% урана-235.

Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Ядерные реакторы основа «зелёной» энергетики
Схема атомной установки РБМК (СССР): 1 — управляемые стержни; 2 — первичный контур; 3 — вторичный контур; 4 — насос; 5 — конденсатор; 6 — турбина; 7 — генератор

Вода циркулирует под давлением и также используется для производства пара. Достаточно большое количество систем РБМК эксплуатируются в странах бывшего Советского Союза. Конструкция вполне безопасная, несмотря на аварию чернобыльской АЭС (1986 год), произошедшую по вине обслуживающего персонала, нарушившего протоколы безопасности в процессе испытания.

Современные ядерные реакторы IV и V поколений представляют куда более безопасные установки. Сюда относят:

  • модульные конструкции,
  • системы с галечным слоем,
  • машины охлаждения расплавом соли или свинца,
  • машины быстрых нейтронов.

Эти разработки обещают сделать атомные электростанции более безопасными, недорогими, эффективными. К тому же строительство таких систем выполняется быстрее. И главное — производство значительно меньших объёмов ядерных отходов.

При помощи информации: Unfccc

Оставьте ответ

Ваш электронный адрес не будет опубликован.