Для чего нужна аэс: Как работает атомная станция?

Содержание

Откуда берется ядерная энергия? Научные основы ядерной энергетики

Что есть что в ядерной сфере

03.11.2021

Андреа Галиндо, Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ

Ядерная энергия представляет собой разновидность энергии, которая высвобождается из ядра — центральной части атомов, состоящей из протонов и нейтронов. Источником этой энергии могут являться два физических процесса: деление, когда ядра атомов распадаются на несколько частей, и синтез, когда ядра сливаются вместе.

Ядерная энергия, используемая сегодня во всем мире для производства электроэнергии, вырабатывается посредством деления ядра, в то время как технология производства электроэнергии на основе синтеза пока еще находится на этапе исследований и экспериментальных разработок. В этой статье мы подробнее остановимся на делении ядра. Узнать больше о ядерном синтезе вы можете из этой статьи.

Что такое ядерное деление?

Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии.

Например, ядро атома урана-235, при попадании в него нейтрона, расщепляется на ядро бария и ядро криптона и еще два или три нейтрона. Эти дополнительные нейтроны соударяются с другими находящимися вокруг ядрами урана-235, которые также расщепляются и порождают дополнительные нейтроны с эффектом многократного увеличения, в результате чего за долю секунды формируется цепная реакция.

Каждый раз такая реакция сопровождается высвобождением энергии в виде тепла и излучения. Подобно тому, как для получения электроэнергии используется тепло от ископаемых видов топлива, таких как уголь, газ и нефть, на атомной электростанции эта тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию.

Ядерная реакция деления (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Как работает атомная электростанция?

В реакторе атомной электростанции с помощью соответствующего оборудования локализуется и контролируется цепная ядерная реакция, чаще всего с использованием топлива на основе урана-235, в результате деления которого вырабатывается тепло. Это тепло используется для нагрева теплоносителя реактора, как правило, воды, чтобы получить пар. Затем пар направляется на турбины, заставляя их вращаться и активируя электрический генератор, что позволяет вырабатывать электроэнергию без выбросов углекислого газа.

Подробнее о различных типах ядерных энергетических реакторов читайте на этой странице.

Наибольшее распространение в мире получили реакторы с водой под давлением (PWR). (Графика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Добыча, обогащение и утилизация урана

Уран — это металл, который встречается в горных породах по всему миру. Уран имеет несколько природных изотопов, которые представляют собой формы элемента, отличающиеся по массе и физическим свойствам, но с одинаковыми химическими свойствами. Уран имеет два первичных изотопа: уран-238 и уран-235. На уран-238 приходится большая часть урана в мире, но он не способен вступать в цепную реакцию деления, в то время как уран-235 может использоваться для получения энергии в результате деления, но составляет менее 1 процента от мировых запасов урана.

Чтобы повысить вероятность деления природного урана, необходимо увеличить содержащееся в нем количество урана-235 с помощью процесса, называемого обогащением урана. После обогащения урана он может эффективно использоваться на протяжении трех-пяти лет в качестве ядерного топлива на АЭС, после чего он все еще остается радиоактивным и должен утилизироваться в соответствии со строгими нормативными требованиями по защите людей и окружающей среды. Использованное топливо, так называемое отработавшее топливо, может также быть переработано в другие виды топлива, которые могут применяться в качестве нового топлива для специальных АЭС.

Что такое ядерный топливный цикл?

Ядерный топливный цикл — это включающий несколько этапов производственный процесс, необходимый для выработки электроэнергии с использованием урана в ядерных энергетических реакторах. Этот цикл начинается с добычи урана и завершается захоронением радиоактивных отходов.

Ядерные отходы

В процессе эксплуатации АЭС образуются отходы с различным уровнем радиоактивности. В зависимости от уровня радиоактивности и конечной цели применяются разные стратегии обращения с ними. Более подробную информацию по этой теме вы найдете в представленном ниже анимированном ролике.

Обращение с радиоактивными отходами

На радиоактивные отходы приходится небольшая доля общего объема отходов. Это побочный продукт миллионов медицинских процедур, проводимых каждый год, промышленных и сельскохозяйственных применений излучения и работы ядерных реакторов, которые производят около 10 процентов электричества в мире. В анимационном видео рассказывается о том, как осуществляется обращение с радиоактивными отходами, чтобы обеспечить защиту людей и окружающей среды от излучения сегодня и в будущем.

При работе следующего поколения АЭС на основе так называемых инновационных усовершенствованных реакторов будет образовываться гораздо меньше ядерных отходов, чем от сегодняшних реакторов. Ожидается, что строительство таких станций начнется ближе к 2030 году.

Ядерная энергетика и изменение климата

Ядерная энергия является низкоуглеродным источником энергии, поскольку, в отличие от электростанций, работающих на угле, нефтепродуктах или природном газе, атомные электростанции во время своей работы практически не производят CO₂. Атомные электростанции используются для генерации почти трети мировой безуглеродной электроэнергии и имеют решающее значение для достижения целей в области борьбы с изменением климата.

Подробнее о ядерной энергетике и переходе к экологически чистой энергии читайте в этом выпуске Бюллетеня МАГАТЭ.

Какую роль играет МАГАТЭ?

МАГАТЭ устанавливает международные нормы и руководящие принципы безопасного и надежного использования ядерной энергии для защиты людей и окружающей среды и способствует проведению их в жизнь.
МАГАТЭ поддерживает существующие и новые ядерно-энергетические программы по всему миру, предлагая техническую помощь и услуги по управлению знаниями. Следуя веховому подходу, МАГАТЭ предоставляет необходимые технические знания и рекомендации странам, которые выводят свои ядерные объекты из эксплуатации.
В рамках своей деятельности в области гарантий и проверки МАГАТЭ следит за тем, чтобы не происходило переключения ядерных материалов и технологий с мирного использования на другие цели.
Методическую основу для организации необходимой деятельности в течение всего жизненного цикла производства ядерной энергии, от добычи урана до сооружения, технического обслуживания и вывода из эксплуатации атомных электростанций и обращения с ядерными отходами, обеспечивают миссии по экспертной оценке и консультационные услуги под руководством МАГАТЭ.
Под управлением МАГАТЭ находится запас низкообогащенного урана (НОУ) в Казахстане, который может использоваться в случае крайней необходимости странами, срочно нуждающимися в поставках НОУ для мирных целей.

Ресурсы по теме

03.11.2021

Как работает атомная электростанция — T&P

Иллюстрация: Максим Чатский

Все очень просто. В ядерном реакторе распадается Уран-235, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии, она кипятит воду, пар под давлением крутит турбину, которая вращает электрогенератор, который вырабатывает электричество.

Науке известен по крайней мере один ядерный реактор естественного происхождения. Он находится в урановом месторождении Окло, в Габоне. Правда, он уже остыл полтора миллиарда лет назад.

Уран-235 — это один из изотопов урана. Он отличается от простого урана тем, что в его ядре не хватает 3 нейтронов, из-за чего ядро становится менее стабильным и распадается на две части, когда в него на большой скорости врезается нейтрон. При этом вылетает еще 2–3 нейтрона, которые могут попасть в другое ядро Урана-235 и расщепить его. И так по цепочке. Это называется ядерной реакцией.

Управляемая реакция

Если не управлять цепной ядерной реакцией и она пойдет слишком быстро, то получится самый настоящий ядерный взрыв. Поэтому за процессом надо тщательно следить и не давать распадаться урану слишком быстро. Для этого ядерное топливо в металлических трубках помещают в замедлитель — вещество, которое замедляет нейтроны и переводит их кинетическую энергию в тепловую.

Для управления скоростью реакции в замедлитель погружают стержни из поглощающего нейтроны материала. Когда эти стержни поднимают, они улавливают меньше нейтронов и реакция ускоряется. Если стержни опустить, то реакция опять замедлится.

Дело техники

Огромные трубы в атомных электростанциях на самом деле никакие не трубы, а градирни — башни для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро раскалывается на две части, которые разлетаются с бешеной скоростью. Но далеко они не улетают — ударяются о соседние атомы, и кинетическая энергия превращается в тепловую.

Дальше этим теплом нагревают воду, превращая ее в пар, пар крутит турбину, а турбина крутит генератор, который и вырабатывает электричество, точно так же, как в обычной тепловой электростанции, работающей на угле.

Смешно, но вся эта ядерная физика, изотопы урана, цепные ядерные реакции — все для того, чтобы вскипятить воду.

За чистоту

Атомная энергия используется не только в атомных электростанциях. Существуют корабли и подводные лодки, работающие на ядерной энергии. В 50 годы даже разрабатывались атомные автомобили, самолеты и поезда.

В результате работы ядерного реактора образуются радиоактивные отходы. Часть из них можно переработать для дальнейшего использования, часть приходится держать в специальных хранилищах, чтобы они не причинили вред человеку и окружающей среде.

Несмотря на это ядерная энергия сейчас является одним из самых экологически чистых. Атомные электростанции не производят выбросов в атмосферу, требуют очень мало топлива, занимают мало места и при правильном использовании очень безопасны.

Но после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики. Хотя, например, во Франции почти 80 процентов энергии вырабатывается атомными электростанциями.

В двухтысячных из-за большой цены на нефть все вспомнили о ядерной энергии. Существуют разработки по компактным ядерным электростанциям, которые безопасны, могут работать десятилетими и не требуют обслуживания.

Игорь Гладкобородов

Как работает ядерный реактор

Ядерные реакторы — это, по сути, большие котлы, которые используются для нагрева воды для производства огромного количества электроэнергии с низким содержанием углерода. Они бывают разных размеров и форм и могут работать на различных видах топлива.

Атомная электростанция Ringhals с четырьмя реакторами, способными обеспечить 20% потребности Швеции в электроэнергии (Изображение: Vattenfall) где частица («нейтрон») стреляет в атом, который затем делится на два меньших атома и несколько дополнительных нейтронов. Некоторые из нейтронов, которые высвобождаются, затем попадают на другие атомы, заставляя их тоже делиться и высвобождая больше нейтронов. Это называется цепной реакцией.

Деление атомов в цепной реакции также приводит к высвобождению большого количества энергии в виде тепла. Вырабатываемое тепло отводится из реактора циркулирующей жидкостью, обычно водой. Затем это тепло можно использовать для производства пара, который приводит в действие турбины для производства электроэнергии.

Чтобы гарантировать, что ядерная реакция протекает с нужной скоростью, в реакторах есть системы, которые ускоряют, замедляют или останавливают ядерную реакцию и выделяемое ею тепло. Обычно это делается с помощью регулирующих стержней, которые обычно изготавливаются из материалов, поглощающих нейтроны, таких как серебро и бор.

Два примера ядерного деления урана-235, наиболее часто используемого топлива в ядерных реакторах.

Ядерные реакторы бывают разных форм и размеров: в некоторых для охлаждения активной зоны используется вода, в других – газ или жидкий металл. В наиболее распространенных типах энергетических реакторов используется вода, при этом более 90% мировых реакторов основаны на воде. Дополнительную информацию о множестве различных типов реакторов по всему миру можно найти в разделе «Атомные энергетические реакторы» Информационной библиотеки.

Ядерные реакторы очень надежны в выработке электроэнергии, способны работать 24 часа в сутки в течение многих месяцев, если не лет, без перерыва, независимо от погоды и времени года. Кроме того, большинство ядерных реакторов могут работать очень долго — во многих случаях более 60 лет. В 2019 году блоки 3 и 4 на АЭС «Турки-Пойнт» во Флориде стали первыми реакторами в мире, получившими лицензию на 80 лет эксплуатации.

Заправка реактора (Изображение: Vattenfall)

Что питает реактор?

В качестве топлива для реактора может использоваться ряд различных материалов, но чаще всего используется уран. Уран в изобилии, и его можно найти во многих местах по всему миру, в том числе в океанах. Можно использовать и другие виды топлива, такие как плутоний и торий.

Большинство современных реакторов содержат несколько сотен тепловыделяющих сборок, каждая из которых содержит тысячи маленьких таблеток уранового топлива. Одна пеллета содержит столько же энергии, сколько содержится в одной тонне угля. Типичный реактор требует около 27 тонн свежего топлива в год. Напротив, угольной электростанции аналогичного размера потребуется более двух с половиной миллионов тонн угля для производства такого же количества электроэнергии.

Таблетки ядерного топлива ненамного больше кусочка сахара (Изображение: Казатомпром)

Как насчет отходов?

Как и любая отрасль, атомная промышленность производит отходы. Однако, в отличие от многих других отраслей, ядерная энергетика производит очень мало энергии и полностью содержит и управляет тем, что производит. Подавляющее большинство отходов атомных электростанций не очень радиоактивны, и в течение многих десятилетий они ответственно относились к обращению и утилизации. Если бы атомная энергия использовалась для обеспечения потребностей человека в электроэнергии в течение всего года, то образовалось бы всего около 5 граммов высокорадиоактивных отходов, что равно весу листа бумаги.

С использованным топливом, выходящим из реактора, можно обращаться по-разному, включая переработку для производства энергии или прямую утилизацию. На самом деле, многие страны десятилетиями используют переработанное топливо для частичного заправки своих реакторов.

Отработанное ядерное топливо, ожидающее утилизации (Изображение: Росатом)

Информация по теме

Как уран превращается в ядерное топливо?

Атомные энергетические реакторы

Вас также может заинтересовать

Япония: ядерный топливный цикл

Радиационная безопасность?

Представление в Подкомитет ЕС по энергетике и окружающей среде Расследование последствий Brexit в Великобритании

Как работает ядерная энергия

Что такое ядерная энергия?

Атомная энергия обеспечивает эффективное и надежное электроснабжение по всему миру. Сегодня более 400 коммерческих реакторов работают более чем в 30 странах.

Общее определение ядерной энергии – это энергия, высвобождаемая в результате цепной реакции, особенно при делении или синтезе. С практической точки зрения, ядерная энергетика использует топливо, изготовленное из добытого и переработанного урана, для получения пара и выработки электроэнергии.

Атомная генерация является единственным источником электроэнергии, который может производить постоянный источник электроэнергии, известный как базовая мощность, надежно, без выбросов парниковых газов.

Атомная энергетика оказывает одно из самых низких воздействий на землю и природные ресурсы среди всех источников электроэнергии.

Ядерная энергия в ОАЭ

В ОАЭ на атомной электростанции Барака, расположенной в регионе Аль-Дафра эмирата Абу-Даби, находятся четыре реактора. Каждый реактор рассчитан на производство 1400 мегаватт (МВт) электроэнергии с почти нулевым выбросом углерода.

Созданные для работы в течение 60 и более лет, эти реакторы обеспечат эффективную и надежную низкоуглеродную электроэнергию для будущих поколений. После выхода на полную мощность завод предотвратит выброс более 21 миллиона тонн парниковых газов в год. Это равносильно удалению с дорог ОАЭ 3,2 млн автомобилей-седанов.

В 2016 году ENEC учредила компанию Nawah Energy, которая отвечает за эксплуатацию и техническое обслуживание четырех реакторов в Бараке. По мере того, как команды ENEC и Nawah готовятся к переходу станции от строительного проекта к действующему объекту, они работают над тем, чтобы она соответствовала самым высоким национальным и международным стандартам качества и извлекала выгоду из мирового опыта эксплуатации.

Как это работает?

Ядерный реактор производит электричество почти так же, как и другие электростанции. Цепная реакция производит энергию, которая превращает воду в пар. Давление пара приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество.

Разница в том, как создается тепло. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, сжигают уголь, нефть или природный газ для выработки тепла. На атомной электростанции тепло вырабатывается при расщеплении атомов — процесс, называемый ядерным делением.

Ядерный реактор вырабатывает тепло, которое используется для производства пара
Пар вращает турбину, соединенную с электромагнитом, называемым генератором
Генератор производит электричество

В реакторе с водой под давлением (PWR) — тип реактора, строящегося в ОАЭ — высокое давление предотвращает кипение воды в корпусе реактора. Перегретая вода подается в парогенератор, состоящий из множества маленьких трубок. Тепло в этих трубах используется для превращения второй, изолированной подачи воды в пар, который, в свою очередь, используется для привода турбины. Вода из реактора перекачивается обратно в корпус реактора и повторно нагревается. Пар от турбины охлаждается в конденсаторе, а полученная вода направляется обратно в парогенератор.

Уран

Обогащенный уран является топливом для ядерных реакторов. Уран — широко распространенный естественно радиоактивный элемент, содержащийся в большинстве горных пород. Когда уран разлагается или распадается, он выделяет тепло внутри земной коры. Подобный процесс генерирует тепло внутри ядерного реактора.

Деление ядра

Деление — это процесс разделения ядра на две части.

Внутри каждой урановой топливной таблетки находятся миллионы ядер урана. Когда эти ядра расщепляются, высвобождается огромное количество энергии. Часть этой энергии исходит от излучения, но самым большим источником является кинетическая энергия. Это энергия, которая производит тепло внутри реактора, которое, в свою очередь, используется для производства пара и, в конечном итоге, вырабатывает электричество.

Факты со всего мира

Уже более 60 лет ядерная энергетика надежно обеспечивает мир электроэнергией.

Для чего нужна аэс: Как работает атомная станция? — Атомэнергомаш