Все об атомной энергии — что это такое, статистика, работа ядерных реакторов, плюсы и минусы, опасность

Механическая, электромагнитная, химическая, внутренняя, гравитационная, потенциальная, магнитная, электрическая, кинетическая, вакуумная и… даже темная. Все это — разновидности энергии, существующей во Вселенной. Но команда https://lindeal.com уверена, что этот список будет совершенно неполным без атомной (ядерной) — энергии, содержащейся в атомных ядрах и выделяющейся при радиоактивном распаде и ядерных реакциях. В космосе она будет генерироваться в звездах, а человек использует эту мощную силу для ядерного оружия и ядерной энергетики — главным образом, на атомных станциях (АЭС).

Атомная (ядерная) энергия — это… Простыми словами

Ядерная энергия — тип энергии, высвобождающейся из ядра — центральной части атома, состоящей из нейтронов и протонов. Источниками данной энергии способны служить два физических процесса:

1. Деление: ядра атомов распадаются на части. На основе этого процесса работают ядерные реакторы и атомные электростанции мира.
2. Синтез: атомные ядра, напротив, сливаются вместе. Данная технология пока лишь находится в стадии разработки и экспериментов

Какова разница между атомной и ядерной энергией? Эти понятия обозначают одно и то же — являются синонимами в данном контексте.

Отдельно выделяется такое понятие, как ядерная (атомная) энергетика — низкоуглеводный источник энергии, основанный на ядерном делении и цепной реакции, главный источник которого — уран-235. Вообще же уран — природное сырье, металл, который содержится в горных породах, добываемых по всей планете.

Химический элемент обладает двумя первичными изотопами — ураном-238 и ураном-235. На первый приходится большая часть запасов, но он не ценен для атомной энергетики. Только уран-235 способен вступать в полезную цепную реакцию деления, необходимую для получения энергии. Его запасы составляют 1 % от всей урановой добычи. Чтобы повысить вероятность того, что ядра природного урана будут нужным образом делиться, его обогащают — проводят специальный процесс, позволяющий увеличить объемы содержания урана-235.

Как работает атомная (ядерная) энергия?

Простыми словами объяснить работу ядерного реактора («сердца» атомной электростанции) можно так:

1. В атомном реакторе распадается элемент уран-235, что сопровождается колоссальным выделением тепла.
2. Выделяемая тепловая энергия кипятит воду.
3. Выходит пар — под давлением он крутит турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор.
4. Генератор вырабатывает полезное электричество.

Не все атомные реакторы искусственного, рукотворного происхождения. Науке известен также и естественный — он ранее находился в урановом месторождении Окло (Габон), но остыл 1,5 млрд лет назад. 

Плюсы атомной энергетики: преимущества АЭС

Среди главных достоинств атомных электростанций перед их предшественниками можно назвать:

1. Большие возможности по обеспечению человечества энергоресурсами.
2. Не требуется ни добыча, ни потребление сырья.
3. Для функционирования АЭС не затрачивается кислород.
4. Электростанция не загрязняет окружающую среду опасными и вредными веществами.

Интересно, что исследование Института Пауля Шеррера (2019) показало, что число несчастных случаев с летальным исходом на АЭС ниже, чем на иных энергетических объектах:

• угольные: 120;
• нефтяные: 99,5;
• газовые: 71,9;
• шельфовые ВЭС: 8,5;
• наземные ВЭС: 0,25;
• АЭС: менее 0,01.

Установлено, что строительство АЭС ведет за собой экономическое развитие и появление новых квалифицированных рабочих мест: 1 рабочее место при строительстве станции = 10 новых рабочих мест в смежных отраслях. В целом же развитие атомной энергетики стимулирует как объемы научных исследований, так и объемы экспорта высокотехнологичных изделий.

Экологическими преимуществами АЭС называют следующее:

• Колоссальная энергоемкость. Установлено что 1 кг обогащенного (до 4 %) урана при условии полного выгорания вырабатывает энергию, эквивалентную той, что получается при сжигании 100 т каменного угля или 60 т нефти.
• Возможность повторного использования. Уран-235 выгорает не полностью — его возможно использовать вновь после регенерации. В ближайшем будущем уже возможен переход на 100 % замкнутый цикл, что ведет за собой практически полное отсутствие отходов.
• Снижение парникового эффекта. Ядерная энергетика — один из действенных способов предотвращения глобального потепления. Так, европейские атомные станции не позволяют выделяться в атмосферу 700 млн т углекислого газа, а российские — 210 млн т СО2 ежегодно.

Атомная энергия довольно универсальна — она используется не только на АЭС. Существуют подлодки и корабли, работающие исключительно на ядерной энергии. В 1950-е разрабатывались даже проекты атомных поездов, автомобилей и самолетов, но они не получили большого распространения.

Минусы атомной энергетики: чем опасны ядерные реакторы

Но недостатки у атомных электростанций тоже есть — и довольно серьезные:

1. Переработка и хранение облученного топлива — не просто опасный, но и сложный, дорогостоящий процесс.
2. После своего исчерпания (занимающего 25-30 лет) отработанное ядерное топливо нуждается как в утилизации, так и дальнейшем захоронении.
3. Утилизация требуется также и для всех многочисленных конструкций реактора, которые в течение десятилетий подвергались воздействию радиации.
4. Радиоактивный фон на местах таковых захоронений восстанавливается небольшими темпами — а значит, данные зоны будут долгое время непригодны, а то и опасны для жизнедеятельности.

Не нужно забывать и о такой опасности, как аварии на АЭС. Самые крупные происшествия случились в Чернобыле (1986) и на Фукусиме (2011) — они повлекли за собой радиоактивное заражение гигантских территорий.

Что такое ядерный (атомный) реактор?

Внутри ядерного реактора происходят практически те же процессы, что при атомном взрыве. Отличия лишь во времени: во время взрыва события развиваются стремительно, а в «мирном атоме» — достаточно долгое время, чтобы обеспечить станцию необходимым теплом. Здесь используется энергия ядерной реакции — процесса деления (превращения) атомных ядер, вызываемого их взаимодействием с гамма-квантами и элементарными частицами. Ядерные реакции происходят как с поглощением, так и с выделением энергии — в работе АЭС используются вторые.

Ядерный (атомный) реактор — устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии. Различий между атомным и ядерным реактором нет — эти слова обозначают одно и то же. Однако с научной точки зрения все же правильнее использовать определение «ядерный». Данных станций изобретено несколько типов:

• масштабные промышленные реакторы — для выработки энергии на атомных электростанциях;
• атомные реакторы подлодок;
• малые научные экспериментальные реакторы;
• ядерные реакторы, предназначенные для опреснения морских вод.

Первый экспериментальный реактор запустили в Соединенных Штатах в 1942. Им оказалась «Чикагская поленница» Ферми. В 1946 начал работу первый советский опытный реактор под руководством Курчатова. Он представлял собой шар, доходящий до 7 м в диаметре. Так как экспериментальные образцы не были обустроены системами охлаждения, они имели минимальную мощность: американский вырабатывал 1 Ватт, советский — 20 Ватт. Современные энергетические реакторы имеют среднюю мощность не менее 5 Гигаватт!

Сегодня в мире функционируют ядерные реакторы третьего поколения:

• быстрые нейтронные;
• газоохлаждаемые;
• легководные;
• тяжеловодные.

Самыми распространенными являются легководные.

Принцип работы атомного (ядерного) реактора

Для получения атомной энергии требуется особое топливо — уран-235. От обычного химического элемента урана он отличается нехваткой в собственном ядре трех нейтронов. Именно это делает ядро нестабильным: оно распадается на две части после столкновения на большой скорости с нейтронами. Во время этого вылетает еще два-три нейтрона, что попадают в другого урановое ядро и тем же образом его расщепляют. Затем все вновь повторяется по цепочке, называемой ядерной реакцией.

Сложность в том, что ядерную реакцию нельзя пустить на самотек — если процесс слишком ускорится, это рискует обернуться ядерным взрывом. Именно поэтому сотрудники атомных электростанций тщательно следят за процессом и не позволяют урану-235 распадаться чересчур быстро: атомное топливо помещают в замедлитель — специальный состав, способный замедлять нейтроны, а также обращать их кинетическую энергию в тепловую.

Чтобы управлять скоростью ядерной реакции, в замедлитель помещают стержень, сделанный из материала, поглощающего нейтроны. Стоит поднять такие стержни, как они будут способны уловить только минимальное число нейтронов — это ускорит реакцию. Но как только стержни опустят, она вновь замедлится.

Так как в момент распада ядро урана-235 раскалывается на две части, это происходит с огромной атомной скоростью. Далеко, впрочем, половинки не распространяются: они бьются о соседние атомы — кинетическая энергия частиц обращается в тепловую. Дальше уже дело техники: вырабатываемым теплом нагревают воду, обращая ее в пар. Пар крутит турбину, а турбина — генератор, который и вырабатывает нужное электричество. Эта часть процесса происходит так же, как в теплоцентралях, работающих на уже историческом каменном угле.

Но даже с учетом вышесказанного остается вопрос: как заставить реактор атомной электростанции начать работать? Есть уран, но как запустить в нем цепную реакцию? Здесь важно познакомиться с определением критической массы — необходимой для старта ядерной реакции массы делящегося вещества. То есть, при помощи стержней и тепловыделяющих элементов сперва создают критическую массу атомного топлива, а уже затем реактор несколькими этапами доводят до необходимого уровня мощности.

Рейтинг стран по производству атомной энергии

Рынок мирной ядерной энергии изучает специальная организация — МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергетике). Именно International Atomic Energy Agency

• устанавливает международные нормы безопасного для людей и окружающей использования атомной энергии;
• поддерживает ядерные энергетические программы по всему миру — предлагает свою техническую помощь;
• следит за тем, чтобы участники объединения использовали ядерные материалы и технологии в мирных целях;
• помогает странам безопасно и грамотно вывести ядерные объекты из эксплуатации;
• держит под контролем запас НОУ (низкообогащенного урана) в Казахстане — экстренный резерв, который следует использовать лишь в случае острой глобальной необходимости и только в мирных целях.

МАГАТЭ составляет ежегодные отчеты Nuclear Share of Electricity Generation, которые дают полное представление о странах-лидерах атомной энергетики. Из данных документов становится явным, что 91 % ядерной энергии вырабатывается 15 странами. Большая доля приходится на США — государство производит ⅓ от общего объема. Однако самой зависимой от атомной энергии считается Франция, где 70 % всей электроэнергии имеет атомное производство.

МАГАТЭ отчитывается, что ежегодно вырабатывается 2 553 208 гигаватт-часов атомной энергии. По ее объемам (ГВт/ч) и занимаемой доле рынка можно выделить пятнадцать стран-лидеров:

1. США: 789 919 (30,9 %).
2. Китай: 344 748 (13,5 %).
3. Франция: 338 671 (13,3 %).
4. Россия: 201 821 (7,9 %).
5. Южная Корея: 152 583 (6 %).
6. Канада: 92 166 (3,6 %).
7. Украина: 71 550 (2,8 %).
8. Германия: 60 918 (2,4 %).
9. Испания: 55 825 (2,2 %).
10. Швеция: 47 362 (1,9 %).
11. Великобритания: 45 668 (1,8 %).
12. Япония: 43 099 (1,7 %).
13. Индия: 40 374 (1,6 %).
14. Бельгия: 32 793 (1,3 %).
15. Чехия: 28 372 (1,1 %).

Несмотря на кажущиеся великими масштабы, АЭС всей планеты вырабатывают только 10 % от общей доли электроэнергии.

Сколько атомных станций в мире: самая крупная АЭС

Первая в истории человечества атомная электростанция была построена в Обнинске (1954). По своей сути она являлась реактором на медленных (тепловых) нейтронах, а источником энергии служил уран-235. Мощность первопроходца составляла 5 МВт.

Сегодня самой крупной АЭС всей планеты считаты атомная электростанция Кори с учетом недавно введенных в работу энергетических блоков Шин-Кори (Южная Корея). Ранее звание принадлежало Касивадзаки-Карива (Япония), которая на данный момент остановлена после аварии на Фукусиме в 2011. 

Среди мощнейших АЭС также называют Тайваньскую атомную электростанцию с шестью энергоблоками, способную на мощность в 6608 МВт. В 2018 станция побила мировой рекорд: после подключения четырех новых энергетических блоков она позволила повысить мощность всех атомных реакторов человечества до рекордной отметки в 400 ГВт.

Среди важных атомных станций планеты также можно выделить:

• Фукусима I и II (Япония). До 2011 японские раекторы были мировыми лидерами, выдававшими мощность в 8 814 МВт. Однако после мощного цунами и землетрясения 4 из 6 энергоблоков выведены из строя.
• Касивадзаки-Карива (Япония). Одна из самых инновационных станций, включающая в себя 5 уникальных реакторов BWR, и 2 — ABWR. Предел мощности — 7 965 МВт.
• Запорожская АЭС (Украина). Ядерный объект является крупнейшим в Европе. Действует шесть реакторов, что выдают мощность до 6 000 МВт.
• Йован (Южная Корея). Крупная станция, что ведет историю с 1986. Сегодня ее наибольшая мощность может составлять до 5 875 МВт.
• Норд (Франция). Ядерный объект базируется в Гравелине — он является крупнейшим в своей стране. Мощность — до 5460 МВт.
• Палюэль (Франция). Уникальность этой атомной станции в Верхней Нормандии в том, что она способна на 100 % обеспечивать электроэнергией целый поселок. Мощность — до 5 320 МВт.
• Каттном (Франция). Компактная АЭС в Лотарингии с мощностью 5 200 МВт.
• Брюс (Канада). Атомная электростанция в Онтарио с восемью энергоблоками, выдающими суммарную мощность в 4 693 МВт.
• Охи (Япония). Точное расположение — Фукуи. Здесь действует четыре реактора общей мощностью 4 494 МВт.
• Унтерсберг (США). Wintersburg в Аризоне — самая огромная атомная электростанция в Соединенных Штатах: она раскинулась на площади в 16 км². Ядерный объект общей мощностью в 3 942 МВт способен обеспечить электроэнергией 4 млн местных жителей.

На настоящий день в мире функционирует (по данным МАГАТЭ) 443 атомных станций в 31 стране, чья общая мощность выходит на 393 ГВт. При этом еще 50 реакторов находятся на стадии строительства. Большинство атомных электростанций сосредоточено в Европе, Дальневосточной Азии, Северной Америке и на территории бывшего СССР. В Африке число АЭС единичное, а в Австралии и Океании равно нулю.

В топ-15 по количеству действующих реакторов оказались:

1. Соединенные Штаты Америки — 96.
2. Франция — 58.
3. Китай — 50.
4. Россия — 39.
5. Япония — 33.
6. Южная Корея — 24.
7. Индия — 22.
8. Канада — 19.
9. Великобритания — 15. 
10. Украина — 15.
11. Швеция — 7.
12. Испания — 7.
13. Бельгия — 7.
14. Чехия — 6.
15. Германия — 6.

Из этого рейтинга стоит выделить государства, достойные особого внимания:

• США. Глобальный лидер по установленной общности, но атомная энергетика составляет не более 20 % от суммарного энергобаланса государства.
• Китай. Несмотря на то, что КНР является лидером по мощностям, АЭС дают только 4 % от всей электроэнергии, питающей страну. Страна осуществляет самую масштабную программу по строительству новых АЭС. 
• Франция. Ядерная энергетика — национальный приоритет: до 72 % в общем энергобалансе. 

К 2022 заметна тенденция снижения популярности «мирного атома» — развитые страны мира более обращают внимание на возобновляемые альтернативные источники энергии. Так, 201 энергоблок уже числится закрытым — это вполне высокий показатель, если учесть, что на октябрь 2021 во всем мире функционировало 437 ядерных реакторов.

Страны, не имеющие собственных ядерных реакторов

В XXI веке ряд государств выбрал политику стагнации (приостановки), а порой и отказа от программ атомной энергетики:

• Лидеры Япония, Франция и США закрывают ряд своих атомных станций.
• Италия. Единственная страна мира, которая полностью отказалась от ядерной энергетики — в государстве закрыли все построенные АЭС.
• Германия, Испания, Швеция, Бельгия, Швейцария. Страны перешли к долгосрочным программам отказа от ядерной энергетики.
• Казахстан, Грузия, Литва, Азербайджан. Бывшие республики СССР, эти страны отказались от дальнейшего развития советских атомных программ.
• КНДР, Австрия, Куда, Вьетнам, Польша, Ливия. Приостановили атомные программы перед запуском первых АЭС.
• Филиппины, Португалия, Австралия, Норвегия, Новая Зеландия. Мальта, Малайзия, Люксембург, Лихтенштейн, Латвия, Ирландия, Дания, Греция, Гана. Государства, что работали над развитием первых своих атомных программ, но отказались от их воплощения в жизнь.

Среди стран, не имеющих как собственной атомной энергетики, так и планов на ее построение:

• Австрия;
• Вьетнам;
• Израиль;
• Иордания;
• Италия;
• Казахстан;
• Литва;
• Малайзия;
• Саудовская Аравия;
• Северная Корея;
• Таиланд;
• Чили.

В неопределенной позиции (приостанавливали программу, но не пришли к полному отказу) находится Армения, Швеция и Нидерланды.

Как АЭС воздействует на окружающую среду?

Как показывает статистика, ежегодно в атмосферу выделяется 32 млрд тонн углекислого газа — и с годами показатель только растет. Предполагается, что к 2030 он превысит отметку в 34 млрд т/ год. В качестве альтернативы газу, углю и нефти предлагается так называемый «зеленый квадрат» безуглеродной энергетики. Его составляет солнечная, ветровая, гидро- и атомная энергетика. Уже сегодня мощность последней достигла 397 гигаватт. Если представить, что данную энергию вырабатывали бы с помощью нефти и природного газа, то это добавило бы 2 млрд тонн вредных выбросов СО2.

Установлено, что возведение атомных электростанций наносит окружающему миру меньший вред, нежели строительство теплоэлектроцентралей или гидроэлектростанций. Однако даже самая надежная АЭС не является 100 % гарантией того, что не случится авария, радиоактивные выбросы при которой порой сравниваются с последствиями применения ядерного оружия. С 1960-х на планете закрылось более 200 атомных станций — и часть из них завершила работу именно из-за опасного влияния на природу.

Но стоит понимать, что 100 % надежных энергетических объектов не существует вовсе. Что касается АЭС, они оказывают свое воздействие на среду с момента строительства, во время эксплуатации и после окончания работы:

1. Изъятие земельных угодий под возведение.
2. Изменение естественного ландшафта, изведение растительности.
3. Переселение как животных, так и местных жителей на иные территории.
4. Тепловое загрязнение местности, изменяющее привычный микроклимат.
5. Химическое воздействие в виде выбросов в водоемы, почву и атмосферу.
6. Загрязнение радионуклидами в случае непринятия превентивных мер.
7. Воздействие ионизирующего излучения в случаях, когда АЭС выводят из эксплуатации с нарушением правил дезактивации и демонтажа.

Из всего перечисленного самым распространенным негативным воздействием называют тепловое загрязнение АЭС, которое наносят брызгальные бассейны, градирни, охлаждающие системы на несколько километров вокруг себя. Это изменяет микроклимат, состояние водоемов, привычную жизнь фауны и флоры.

Среди возможного техногенного воздействия атомной электростанции на природу называют:

1. Внештатные ситуации, что могут возникнуть при при хранении отработанных ядерных веществ.
2. Утечки на производствах, перерабатывающих облученное топливо.
3. Попытки «ядерного терроризма».
4. «Человеческий фактор», который ведет за собой массу опасностей от сбоя в работе до серьезной аварии.

На экологическую оценку атомной энергетики серьезно повлияла Чернобыльская авария (1986), когда атмосфера была загрязнена 450 типами опасных радионуклидов, включая йод-131, стронций-90, цезий-131. Но к массовому закрытию глобальных ядерных проектов это не привело — по сей день 16 % мировой электроэнергии вырабатывается на АЭС.

Заключение

Команда https://lindeal.com хочет выделить главные тезисы из вышесказанного:

• Атомная (ядерная) энергия — энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде.
• Атомная (ядерная) реакция — процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.
• Атомный (ядерный) реактор — устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.
• Плюсы атомной энергетики: выработка больших объемов энергии, не требуется добыча сырья, нет потребления кислорода, отсутствует загрязнение окружающей среды.
• Минусы ядерной энергетики: сложная и дорогая переработка и опасное хранение облученного топлива, необходимость захоронения отработанного атомного топлива вместе с конструкциями реактора, что ведет за собой радиоактивное загрязнение места захоронения. 

Что же касается экологического аспекта, здесь сложно прийти к однозначному мнению: пусть ядерная энергетика и включена в «зеленый квадрат», она все же оказывает негативное воздействие на окружающую среду, несет с собой риск катастрофы — техногенной аварии, подобной той что случилась в Чернобыле и на Фукусиме.