Основы современной ядерной энергетики

Цепная  ядерная реакция

Ядерные реакторы.

 При  делении тяжелых ядер образуется  несколько свободных нейтронов.  Это позволяет организовать так  называемую цепную реакцию деления,  когда нейтроны, распространяясь  в среде, содержащей тяжелые  элементы, могут вызвать их деление  с испусканием новых свободных  нейтронов. Если среда такова, что число вновь рождающихся  нейтронов увеличивается, то процесс  деления лавинообразно нарастает.  В случае, когда число нейтронов  при последующих делениях уменьшается,  цепная ядерная реакция затухает. Для получения стационарной цепной  ядерной реакции, очевидно, необходимо  создать такие условия, чтобы  каждое ядро, поглотившее нейтрон,  при делении выделяло в среднем  один нейтрон, идущий на деление  второго тяжелого ядра.

   Ядерным реактором называется  устройство, в котором осуществляется  и поддерживается управляемая  цепная реакция деления некоторых  тяжелых ядер. 

     Цепная ядерная реакция в реакторе  может осуществляться только  при определенном количестве  делящихся ядер, которые могут  делиться при любой энергии  нейтронов. Из делящихся материалов  важнейшим является изотоп 235U, доля  которого в естественном уране  составляет всего 0,714 %. Хотя 238U и  делится нейтронами, энергия которых  превышает 1,2 МэВ, однако самоподдерживающаяся  цепная реакция на быстрых  нейтронах в естественном уране  не возможна из-за высокой вероятности  неупругого взаимодействия ядер 238U с быстрыми нейтронами. При  этом энергия нейтронов становится  ниже пороговой энергии деления  ядер 238U. Использование замедлителя  приводит к уменьшению резонансного  поглощения в 238U, так как нейтрон  может пройти область резонансных  энергий в результате столкновения  с ядрами замедлителя и поглотиться  ядрами 235U, 239Pu, 233U, сечение деления  которых существенно увеличивается  с уменьшением энергии нейтронов.  В качестве замедлителей используют  материалы с малым массовым  числом и небольшим сечением  поглощения (вода, графит, бериллий  и др.). Для характеристики цепной  реакции деления используется  величина, называемая коэффициентом  размножения К. Это отношение  числа нейтронов определенного  поколения к числу нейтронов  предыдущего поколения. Для стационарной  цепной реакции деления К = 1. Размножающаяся система (реактор), в которой К = 1, называется критической.  Если К > 1, число нейтронов  в системе увеличивается и  она в этом случае называется  надкритической. При К < 1 происходит  уменьшение числа нейтронов и  система называется подкритической. В стационарном состоянии реактора  число вновь образующихся нейтронов  равно числу нейтронов, покидающих  реактор (нейтроны утечки) и поглощающихся  в его пределах. В критическом  реакторе присутствуют нейтроны  всех энергий. Они образуют  так называемый энергетический  спектр нейтронов, который характеризует  число нейтронов различных энергий  в единице объема в любой  точке реактора. Средняя энергия  спектра нейтронов определяется  долей замедлителя, делящихся  ядер (ядра горючего) и других  материалов, которые входят в  состав активной зоны реактора. Если большая часть делений  происходит при поглощении тепловых  нейтронов, то такой реактор  называется реактором на тепловых  нейтронах. Энергия нейтронов  в такой системе не превышает  0.2 эВ. Если большая часть делений  в реакторе происходит при  поглощении быстрых нейтронов,  такой реактор называется реактором  на быстрых нейтронах. В активной  зоне реактора на тепловых  нейтронах наряду с ядерным  топливом находится значительная  масса замедлителя-вещества, отличающегося  большим сечением рассеяния и  малым сечением поглощения. Активная зона реактора практически всегда, за исключением специальных реакторов, окружена отражателем, возвращающим часть нейронов в активную зону за счет многократного рассеяния. В реакторах на быстрых нейронах активная зона окружена зонами воспроизводства. В них происходит накопление делящихся изотопов. Кроме того, зоны воспроизводства выполняют и функции отражателя. В ядерном реакторе происходит накопление продуктов деления, которые называются шлаками. Наличие шлаков приводит к дополнительным потерям свободных нейтронов. Ядерные реакторы в зависимости от взаимного размещения горючего и замедлителя подразделяются на гомогенные и гетерогенные. В гомогенном реакторе активная зона представляет собой однородную массу топлива, замедлителя и теплоносителя в виде раствора, смеси или расплава. Гетерогенным называется реактор, в котором топливо в виде блоков или тепловыделяющих сборок размещено в замедлителе, образуя в нем правильную геометрическую решетку.

Влияние ядерной энергетики на окружающую среду

Ядерная энергетика до недавнего времени  рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так  и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также  возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи  с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет  получать, столько же энергии, сколько  сжигание 1000 тонн каменного угля.

До середины 80-х годов человечество в ядерной  энергетике видело один из выходов  из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до середины 80-х годов) мировая доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла практически  с нулевых значений до 15-17%, а в  ряде стран она стала превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста.

До недавнего  времени основные экологические  проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также  с ликвидацией самих АЭС после  окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость  таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС. Некоторые параметры воздействия  АЭС и ТЭС на среду представлены в таблице. При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

 К  маю 1986 г. 400 энергоблоков, работавших  в мире и дававших более  17% электроэнергии, увеличили природный  фон радиоактивности не более  чем на 0,02%. До Чернобыльской катастрофы  в нашей стране никакая отрасль  производства не имела меньшего  уровня производственного травматизма,  чем АЭС. За 30 лет до трагедии  при авариях, и то по нерадиационным  причинам, погибло 17 человек. После  1986 г. главную экологическую опасность  АЭС стали связывать с возможностью  аварий. Хотя вероятность их на  современных АЭС и невелика, но  она и не исключается. К наиболее  крупным авариям такого плана  относится случившаяся на четвертом  блоке Чернобыльская АЭС.

По различным  данным, суммарный выброс продуктов  деления от содержащихся в реакторе составил от 3,5% (63 кг) до 28% (50 т). Для сравнения  отметим, что бомба, сброшенная на Хиросиму, дала только 740 г радиоактивного вещества.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглась территория в радиусе более 2 тыс. км, охватившая более 20 государств. В пределах бывшего  СССР пострадало 11 областей, где проживает 17 млн. человек. Общая площадь загрязнённых территорий превышает 8 млн. га, или 80000 км2. В России наиболее значительно  пострадали Брянская, Калужская, Тульская и Орловская области, в Беларуси - Гомельская и Могилевская области. Пятна загрязнений имеются в  Белгородской, Рязанской, Смоленской, Ленинградской и других областях.

В результате аварии погиб 31 человек и более 200 человек получили дозу радиации, приведшую  к лучевой болезни. 115 тыс. человек  было эвакуировано из наиболее опасной (30-километровой) зоны сразу после  аварии. Число жертв и количество эвакуированных жителей увеличивается, расширяется зона загрязнения в  результате перемещения радиоактивных  веществ ветром, при пожарах, с  транспортом и т. п. Последствия  аварии будут сказываться на жизни  нескольких поколений.

  После аварии на Чернобыльской АЭС отдельные страны приняли решение о полном запрете на строительство АЭС. В их числе 'Швеция, Италия, Бразилия, Мексика. Швеция, кроме того, объявила о намерении демонтировать все действующие реакторы (их 12), хотя они и давали около 45% всей электроэнергии страны. Резко замедлились темпы развития данного вида энергетики в других странах. Приняты меры по усилению защиты от аварий существующих, строящихся и планируемых к строительству АЭС. Вместе с тем человечество осознает, что без атомной энергетики на современном этапе развития не обойтись. Строительство и ввод в строй новых АЭС постепенно увеличивается. В настоящее время в мире действует более 500 атомных реакторов. Около 100 реакторов находится в стадии строительства. 

На территории России расположено 9 АЭС, включающих 29 реакторов. Из них 22 реактора приходится на наиболее населенную европейскую  часть страны. 11 реакторов относится  к типу РБМК. На Чернобыльской АЭС  произошло разрушение реактора этого  типа. Много реакторов (по количеству больше, чем АЭС) установлено на подводных  лодках, ледоколах и даже на космических  объектах.

 В  процессе ядерных реакций выгорает  лишь 0,5-1,5% ядерного топлива. Ядерный  реактор мощностью 1000 МВт за  год работы дает около 60 т  радиоактивных отходов. Часть  их подвергается переработке,  а основная масса требует захоронения.  Технология захоронения довольно  сложна и дорогостояща. Отработанное  топливо обычно перегружается  в бассейны выдержки, где за  несколько лет существенно снижается  радиоактивность и тепловыделение. Захоронение обычно проводится  на глубинах не менее 500-600 м  в шурфах. Последние располагаются  друг от друга на таком расстоянии, чтобы исключалась возможность  атомных реакций.

  Неизбежный результат работы АЭС - тепловое загрязнение вод. На единицу получаемой энергии здесь оно в 2-2,5 раза больше, чем на ТЭС, где значительно больше тепла отводится в атмосферу. Выработка 1 млн. кВт электроэнергии на ТЭС дает 1,5 км3 подогретых вод, на АЭС такой же мощности объем подогретых вод достигает 3-3,5 км3.

    Следствием больших потерь тепла на АЭС является более низкий коэффициент их полезного действия по сравнению с ТЭС. На последних он равен 35-40%, а на АЭС - только 30-31 %.

В целом  можно назвать следующие воздействия  АЭС на среду:

- разрушение  экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур  и т. п.) в местах добычи руд  (особенно при открытом способе);

- изъятие  земель под строительство самих  АЭС. Особенно значительные территории  отчуждаются под строительство  сооружений для подачи, отвода  и охлаждения подогретых вод.  Для электростанции мощностью  1000 МВт требуется пруд-охладитель  площадью около 800-900 га. Пруды  могут заменяться гигантскими  градирнями с диаметром у основания  100-120 м и высотой, равной 40-этажному  зданию;

- изъятие  значительных объемов вод из  различных источников и сброс  подогретых вод. Если эти воды  попадают в реки и другие  источники, в них наблюдается  потеря кислорода, увеличивается  вероятность цветения, возрастают  явления теплового стресса у  гидробионтов;

- не  исключено радиоактивное загрязнение  атмосферы, вод и почв в процессе  добычи и транспортировки сырья,  а также при работе АЭС, складировании  и переработке отходов, их захоронениях. 
 
 

Заключение

Энергетическая  проблема - одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый  транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Резкий рост производства и  потребления энергии выдвинул новую  острую проблему загрязнения окружающей среды, которое представляет серьезную  опасность для человечества. 

Список  литературы:

1. В.П. Кащеев «Ядерные энергетические установки»

2. Дж. Коллиер, Дж. Хьюит «Введение в ядерную энергетику»

3. Т.Х. Маргулова «Атомная энергетика сегодня и завтра»

4. www.esco-ecosys.narod.ru/2007_10/art38_9.htm