8.4 Атомные электростанции

Ядерная энергетика — одна из самых молодых отраслей энергетики. Началом ее обычно считают 1954 г., когда в г. Обнинске была запущена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция.

Привлекательность ядерной энергетики заключается в том, что при делении ядер урана ²³⁵U выделяется большое количество энергии. При полном делении 1 кг ²³⁵U выделяется 86▪10⁶ МДж (23▪10⁶ кВт ч) энергии, а при сжигании 1 кг каменного угля выделяется только 8 кВт ч энергии. Анализируя эти данные можно сделать вывод, что ядерное топливо эффективнее традиционного органического топлива в 3 млн. раз.

Источником ядерной энергии являются тяжелые ядра, для которых возможны ядерные превращения, сопровождающиеся их делением на более легкие ядра.

Рассмотрим процесс деления тяжелых ядер, лежащий в основе работы ядерного реактора АЭС.

Деление ядер происходит при бомбардировке их нейтронами. Поскольку нейтрон имеет нулевой заряд, кулоновские силы не могут препятствовать проникновению нейтрона в ядро. Нейтрон, который не связан с тяжелым ядром, попав в него, не изменяет полную энергию связи всех протонов и нейтронов (нуклонов) ядра, но изменяет среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, в результате чего эта энергия в новом ядре станет меньше, чем в старом. Нуклоны станут меньше связаны друг с другом, а это приведет к тому, что ядерных сил связи будет недостаточно для удерживания всех нуклонов вместе и происходит деление ядра на два других ядра-осколки (рисунок 8.4). При этом процесс деления сопровождается выделением огромного количества энергии [34]. Одновременно с делением ядра происходит процесс испускания 2 – 3 новых нейтронов, которые в свою очередь вызывают новые деления других ядер.

Рисунок 8.4. Схема расщепления ядра урана-235

Высвобождаемая энергия проявляется, в основном, в виде кинетической энергии разлетающихся ядер-осколков. Торможение разлетающихся ядер-осколков окружающей средой приводит к ее разогреву.

В современных атомных электростанциях используются в основном ядерные реакторы на тепловых (медленных) нейтронах.

_{Ядерным реактором} называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер радиоактивных элементов. В настоящее время существует несколько типов реакторов, однако всем им присущи некоторые общие черты. Все они имеют активную зону 5 (рисунок 8.5), в которую загружается ядерное топливо 1, содержащее ²³⁵U и замедлитель 2 (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов из активной зоны, последнюю окружают отражателем 6, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель. За отражателем снаружи реактора размещается биологическая защита 7 от радиоактивного излучения.

Загрузка реактора ядерным топливом обычно значительно превышает критическую массу. Чтобы по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 3 из карбида бора.

Рисунок 8.5. Схема ядерного реактора:

1 — ядерное топливо; 2 — замедлитель; 3 — управляющий стержень; 4 — выход теплоносителя; 5 — активная зона и теплоноситель; 6 — отражатель; 7 ─ биологическая защита; 8 ─ вход теплоносителя.

Такие стержни называют регулирующими или компенсирующими, поскольку они компенсируют дополнительную нагрузку топлива (избыточную реактивность реактора). По мере «выгорания» топлива эти стержни постепенно извлекаются из активной зоны. Часть этих стержней используется также для регулирования мощности реактора, осуществляемого с помощью автоматики.

В процессе деления ядер основная доля освобожденной энергии переходит в кинетическую энергию ядер-осколков, при торможении которых замедлителем выделяется теплота, поглощаемая последним. Для отвода тепла от замедлителей они охлаждаются прокачиваемым через активную зону теплоносителем 5.

Атомная электростанция (АЭС) – комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путем преобразования тепловой энергии, выделяемой в ядерном реакторе.

Атомные электростанции классифицируются в соответствии с установленными на них реакторами:

- реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива;

- реакторы на лёгкой воде;

- графитовые реакторы;

- реакторы на тяжёлой воде;

- реакторы на быстрых нейтронах.

Принцип работы атомной электростанции такой же, как и тепловой. Отличие состоит лишь в том, что на них тепловую энергию получают не в паровом котле, а в ядерном реакторе.

Основными достоинствами АЭС являются:

─ отсутствие вредных выбросов;

─ объем выбросов радиоактивных веществ в несколько раз меньше чем на угольной электростанции аналогичной мощности;

─ небольшой объём используемого топлива, а также возможность его использования после переработки;

─ низкая себестоимость энергии, особенно тепловой.

Недостатки атомных станций:

─ облучённое топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению;

─ нежелателен режим работы с переменной мощностью, это касается реакторов, работающих на тепловых нейтронах;

─ при низкой вероятности инцидентов, последствия их крайне тяжелы;

─ большая величина капитальных вложений, как удельных, на 1 МВт установленной мощности (особенно для блоков мощностью менее 700—800 МВт), так и общих, необходимых для постройки станции, её инфраструктуры, а также в случае возможной ликвидации.

Основным достоинством АЭС является независимость от источников сырья (урановых месторождений) благодаря компактности горючего, легкости его транспортировки и продолжительности использования.

По данным МАГАТЭ сегодня в 31 стране мира действуют 442 ядерных реактора. Большинство АЭС (49%) располагаются в трех странах: США – 103 АЭС, Франции – 59, Японии – 54 АЭС и все они вместе вырабатывают 57% всей ядерной электроэнергии. По прогнозам МАГАТЭ, к 2020 году в мире появятся еще 60 новых АЭС, а производство электроэнергии на АЭС увеличится на 65% и составит около 30% от мировой выработки.