Атомная электростанция

Атомная электростанция (АЭС) — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками (персоналом). Атомные электростанции, в настоящее время, являются одними из основных поставщиков электроэнергии для промышленности и бытового потребления.

Примечательно то, что первая в мире атомная электростанция была построена в СССР, в городе Обнинске. Первоначальная её мощность составляла 5 МВт, однако именно Обнинская АЭС положила начало для бурного развития атомной энергетики во всем мире. Запустив первый на планете управляемый атомный реактор, практически была доказана сама возможность получения электроэнергии на основе расцепления урановых ядер. В то время, атомная энергетика являлась своего рода возможностью использования альтернативного топлива, однако очень быстро именно атомные электростанции стали доминировать среди прочих систем получения электроэнергии.

Атомные станции по виду отпускаемой энергии можно разделить  на:

1. Атомные электростанции (АЭС), предназначенные для выработки электрической энергии. При этом на многих АЭС есть теплофикационные установки, предназначенные для подогрева сетевой воды, используя тепловые потери станции.
2. Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие как электроэнергию, так и тепловую энергию.

Принцип работы атомной электростанции очень прост - это обычное преобразование тепловой энергии в электрическую. Иными словами АЭС работают по тому же принципу, что и обычные  тепловые электростанции, с одним  лишь отличием  - для нагрева воды используется энергия, получаемая при  распаде ядер урана.

Источником тепловой энергии  в АЭС служит ядерный реактор, в котором протекает управляемая  ядерная реакция. Сама реакция протекает  по цепному механизму: деление одного ядра самопроизвольно вызывает деление  других ядер. Цепная реакция сама себя поддерживает, и может длиться  до полного распада всех ядер вещества. А управление сводится лишь к регулированию  её скорости и, соответственно, мощности, а также к произвольной её остановке  в случае необходимости.

Топливом для атомных  электростанций служат вещества, способные, при определенном начальном стимулировании, совершать цепную реакцию расщепления  ядер элементов, в основном трансурановой  группы. В настоящее время основными  являются плутоний и уран.

Как же работает цепная реакция? При делении ядра урана высвобождаются нейтроны, которые воздействуют на другие ядра, вызывая их деление. Однако практически осуществить подобную реакцию не так просто, как кажется  на первый взгляд. Дело в том, что  такие нейтроны могут вызывать деление  изотопов урана с массовым числом 235, тогда как в природной руде их содержится лишь 0,7%. Остальные 99,3% приходятся на долю изотопа 238, для деления которого, энергии нейтронов, не хватает. Именно поэтому для функционирования реактора важна критическая масса  - это минимальная масса урана, при которой возможно возникновение и протекание цепной реакции. Например, для урана-235 она составляет несколько десятков килограмм, что на самом деле, учитывая низкое его процентное соотношение, не так уж и мало.

Перейдем к устройству и принципу выработки электричества  АЭС. Существует несколько типов ядерных реакторов. Наибольшее распространение получили тpи основных типа pеактоpов, различающихся, главным обpазом, топливом, теплоносителем, пpименяемым для поддержания нужной темпеpатуры активной зоны, и замедлителем, используемым для снижения скоpости нейтpонов, выделяющихся в пpоцессе pаспада и необходимых для поддеpжания цепной pеакции. Сpеди них пеpвый и наиболее pаспpостpаненный тип – это pеактоp на обогащенном уpане, в котоpом и теплоносителем, и замедлителем является обычная, или "легкая", вода (легководный реактор). Существуют две основные pазновидности легководного реактора: pеактоp, в котоpом паp, вpащающий туpбины, обpазуется непосpедственно в активной зоне (кипящий реактор, в России – РБМК - реактор большой мощности, канальный), и pеактоp, в котоpом паp обpазуется во внешнем, или втоpом, контуpе, связанном с пеpвым контуpом теплообменниками и паpогенеpатоpами (водо водяной энергетический реактор – ВВЭР). Втоpой тип pеактоpа – газоохлаждаемый pеактоp (с гpафитовым замедлителем). Тpетий тип pеактоpа, – это реактоp, в котоpом и теплоносителем, и замедлителем является тяжелая вода, а топливом природный уран. Существует также реактор на быстрых нейтронах (БН). Реактор смонтирован в стальном корпусе, рассчитанном на высокое давление – до 1,6 х 107 Па, или 160 атмосфер.

Та часть ядерного реактора, в котором находится топливо, и идут процессы деления ядер урана  называется активной зоной. В результате протекания ядерной реакции выделяется огромное количество тепла - это и есть начальная тепловая энергия, преобразующаяся впоследствии в электрическую.

Теплота в реакторе выделяется за счет цепной реакции деления ядерного топлива  под действием тепловых нейтронов. При этом образуются продукты деления ядер, среди которых есть и твердые вещества, и газы –  ксенон, криптон. Продукты деления обладают очень высокой радиоактивностью, поэтому топливо (таблетки двуокиси урана) помещают в герметичные циркониевые  трубки – ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). Эти трубки объединяются по несколько штук рядом в единую тепловыделяющую сборку. Для управления и защиты ядерного реактора используются регулирующие стержни, которые можно перемещать по всей высоте активной зоны. Стержни изготавливаются из веществ, сильно поглощающих нейтроны – например, из бора или кадмия. При глубоком введении стержней цепная реакция становится невозможной, поскольку нейтроны сильно поглощаются и выводятся из зоны реакции. Перемещение стержней производится дистанционно с пульта управления. При небольшом перемещении стержней цепной процесс будет либо развиваться, либо затухать. Таким способом регулируется мощность реактора.

Именно образование тепловой энергии и есть суть цепной реакции. Тепло из реактора выводится при  помощи определенных теплоносителей, которыми, в зависимости от типа атомной электростанции, могут выступать  вода, металлический натрий или некоторые  газы. Они отбирают в активной зоне тепло, и переносят его в специальные  теплообменники, попутно охлаждая реактор. Эта система называется первым контуром. Далее вступает в действие так  называемый второй контур АЭС. В теплообменнике нагревается вода, образующийся в  результате этого пар передается на лопасти турбины, которая через  специальную систему приводит в  действие генераторы, непосредственно  вырабатывающие электричество.  Иными  словами, атомные электростанции  - это очень большие "чайники", работающие на ядерном топливе и  служащие, в первую очередь, для нагрева  воды до кипения. 

В настоящее время активно  ведутся работы по проектированию и  созданию термоядерных электростанций, основным преимуществом которых  является возможность работать неопределенно долгое время. Термоядерные электростанции, в отличие от атомных, протекают на основе термоядерного синтеза, в результате которого из изотопов водорода образуется гелий и выделяется огромное количество энергии. Кроме того, такие электростанции более безопасны и экологически чистые, так как реакция термоядерного синтеза не приводит к образованию радиоактивных продуктов, а топливом для неё может служить обычная вода, из которой получают тяжелый изотоп водорода - дейтерий. 

Достоинства и  недостатки

Главное преимущество АЭС — практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива, например 54 тепловыделяющих сборки общей массой 41 тонна на один энергоблок с реактором ВВЭР-1000 в 1-1,5 года (для сравнения, одна только Троицкая ГРЭС мощностью 2000 МВт сжигает за сутки два железнодорожных состава угля). Расходы на перевозку ядерного топлива, в отличие от традиционного, ничтожны. В России это особенно важно в европейской части, так как доставка угля из Сибири слишком дорога. Огромным преимуществом АЭС является её относительная экологическая чистота. На ТЭС суммарные годовые выбросы вредных веществ, в которые входят сернистый газ, оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, альдегиды и золовая пыль, на 1000 МВт установленной мощности составляют от примерно 13 000 тонн в год на газовых до 165 000 на пылеугольных ТЭС. Подобные выбросы на АЭС полностью отсутствуют. ТЭС мощностью 1000 МВт потребляет 8 миллионов тонн кислорода в год для окисления топлива, АЭС же не потребляют кислорода вообще. Кроме того, больший удельный (на единицу произведенной электроэнергии) выброс радиоактивных веществ даёт угольная станция. В угле всегда содержатся природные радиоактивные вещества, при сжигании угля они практически полностью попадают во внешнюю среду. При этом удельная активность выбросов ТЭС в несколько раз выше, чем для АЭС. Единственный фактор, в котором АЭС уступают в экологическом плане традиционным КЭС — тепловое загрязнение, вызванное большими расходами технической воды для охлаждения конденсаторов турбин, которое у АЭС несколько выше из-за более низкого КПД (не более 35 %), однако этот фактор важен для водных экосистем, а современные АЭС в основном имеют собственные искусственно созданные водохранилища-охладители или вовсе охлаждаются градирнями. Также некоторые АЭС отводят часть тепла на нужды отопления и горячего водоснабжения городов, что снижает непродуктивные тепловые потери, существуют действующие и перспективные проекты по использованию «лишнего» тепла в энергобиологических комплексах (рыбоводство, выращивание устриц, обогрев теплиц и пр.). Кроме того, в перспективе возможно осуществление проектов комбинирования АЭС с ГТУ, в том числе в качестве «надстроек» на существующих АЭС, которые могут позволить добиться аналогичного с тепловыми станциями КПД. Для большинства стран, в том числе и России, производство электроэнергии на АЭС не дороже, чем на пылеугольных и тем более газомазутных ТЭС. Особенно заметно преимущество АЭС в стоимости производимой электроэнергии во время так называемых энергетических кризисов, начавшихся с начала 70-х годов. Падение цен на нефть автоматически снижает конкурентоспособность АЭС. Затраты на строительство АЭС находятся примерно на таком же уровне, как и строительство ТЭС, или несколько выше. Главный недостаток АЭС — тяжелые последствия аварий, для исключения которых АЭС оборудуются сложнейшими системами безопасности с многократными запасами и резервированием, обеспечивающими исключение расплавления активной зоны даже в случае максимальной проектной аварии (местный полный поперечный разрыв трубопровода циркуляционного контура реактора). Серьёзной проблемой для АЭС является их ликвидация после выработки ресурса, по оценкам она может составить до 20 % от стоимости их строительства. По ряду технических причин для АЭС крайне нежелательна работа в манёвренных режимах, то есть покрытие переменной части графика электрической нагрузки.

К сожалению, на данный момент иной альтернативы атомным электростанциям, даже учитывая их потенциальную опасность, нет, так как в мире не предвидится  скорого снижения спроса на электроэнергию, потребности в которой, напротив, растут год от года