5.1. Научная и экономическая целесообразность


Прежде чем начать рассмотрение особенностей получения атомной и ядерной энергии в мирных и военных целях, необходимо несколько слов сказать о состоянии и перспективах энергетики вообще и её роли в развитии современной цивилизации в частности. Начать необходимо, на наш взгляд, с напоминания о том, что человек является единственным живым организмом на планете, который способен осваивать новые источники энергии и преобразовывать получаемые энергетические потоки по своему усмотрению. Временную последовательность освоения человечеством различных энергетических источников можно представить в следующей последовательности:


Рис. 5.1. Первая в мире атомная электростанция
Солнце и открытый огонь; Мускульная сила;
Энергия ветра и воды; Энергия пара; Электрическая энергия; Атомная энергия;
Ядерная энергия.


Рис. 5.2 Курчатов И. В.
Первое мирное использование энергии атома началось в СССР. В июне месяце 1954 г была запущена в Обнинске атомная электростанция (рис. 5.1). По современным меркам мощность первого атомного энергоблока была более чем скромной, всего 5 МВт электрической мощности. Она уступала по эффективности тепловым и гидроэнергетическим блокам, но, не следует забывать, что эта АЭС была первой экспериментальной установкой, позволившей накапливать практический опыт мирного использования атомной энергии. Обнинский эксперимент продемонстрировал практическую возможность использования энергии, заключённой внутри атома. Позже атомные энергоблоки были запущены в Великобритании и США, английская АЭС «Колдер Холл» мощностью 45 МВт (эл) в 1956 г и американская «Шиппингпорт» мощностью 67 МВт (Эл) в 1957 г.
Проектирование первой АЭС началось во второй половине 40-х годов прошлого века ещё до создания атомной бомбы. В 1948 г. по предложению Игоря Васильевича Курчатова и в соответствии с постановлением партии и правительства начались проектирование станции.
В настоящее время лидерами в производстве атомной электроэнергии являются США (788,6 млрд кВтшас/год) на втором мете Франция (426,8 млрд кВт^час/год), третье место принадлежит Японии (273,8 кВтш/год), затем - Германия (158,4 млрд кВтш/год) и Россия (154,7 млрд кВт^ч/год). Сегодня в мире действует 441 энергетический атомный реактор, 75 реакторов работают на атомном топливе, производимом в России. На рис. 5.3 показаны страны, владеющие в настоящее атомными энергоблоками.


Рис. 5.3. Страны мира с атомной энергетикой
К концу XX в. доля производства электроэнергии на атомных электростанциях в процентов от общего производства по отдельным государствам составляло: Франция - 78%, Бельгия - 60%, Швеция - 43%, Испания - 36%, Ю. Корея - 36%, Украина - 33%, Германия - 29%, Япония 28%, Великобритания - 28%, США - 19%, Канада - 18%, Россия - 12%, все страны мира - около 18%.
Следует отметить, что до распада СССР атомная энергетика у нас в стране развивалась впечатляющими темпами. Это объяснялось несколькими причинами.
Во-первых, в стране был накоплен огромный опыт в разработке, конструировании и строительстве атомных энергоблоков, мы занимали в миле лидирующие позиции.
Во-вторых, около 80 % сырьевого потенциала сосредоточено в северовосточных районах страны, а 75% потребления электроэнергии приходится на нашу европейскую часть.
В-третьих, 40% всех грузоперевозок приходится на перевозки органического топлива из восточных регионов на Урал. В условиях большой протяжённости железнодорожных маршрутов калорийность топлива приобретает не маловажное значение. Атомное энергопроизводство, практически, не привязано к месту добычи и переработки.
В последние десятилетия прошлого века атомные энергоблоки начали использоваться как для производства электроэнергии, так и для снабжения промышленных и жилых комплексов теплом. Положение в современной атомной энергетике не однозначно.
После катастрофы на Чернобыльской АЭС и в Японии, подпитываемая нефтяными картелями, поднялась целая волна протестов против строительства АЭС, что привело к снижению темпов строительства и даже консервации недостроенных объектов.
Мировая история знавала много подобных зигзагов, достаточно вспомнить антагонизм обывателей к первым паровым самодвижущимся экипажам и обвинения Бенжамена Франклина в общении с дьяволом после изобретения им громоотвода.
Напомним, что церковь обвинила громоотводы в засухе, якобы именно их наличие над крышами домов разгоняло грозовые облака и препятствовало пролитию дождей из облаков. Неприятие технических новинок, которые могли изменить стратегическую расстановку экономических потенциалов на рынке энергии, всегда сопровождалось мощнейшим противодействием тех, кто владел преимуществами и не хотел их терять.
Прошедший XX в. стал знаменит революциями в социальной и научной сферах. Широкое использование технологий и открытий, сделанных в XIX и XX веках создало у наших современников иллюзию неограниченных возможностей научнотехнических достижений при создании искусственной среды обитания.
По прогнозам учёных до 2050 г. потребление первичной энергии должно возрасти в 2,5 раза, а электроэнергии в 4,7 раза. Для обеспечения такого неудержимого роста энергопотребления в запасе у цивилизации существует ряд теоретических возможностей:
  • Повышение эффективности использования традиционных углеводородных энергетических носителей;
  • Увеличение областей применения возобновляемых источников энергии, таких как ветровых, солнечных, геотермальных и биологических;
  • Интенсификация использования атомной энергии.

Трудно себе представить, чтобы население экономически развитых стран по своей доброй воле ограничило свои всё растущие энергетические потребности, в этой связи, надежды возлагаются только на способы увеличение количества вырабатываемой энергии.
И вот тут, с учётом сокращающихся запасов углеводородного топлива, атомная энергетика представляется, чуть ли не единственной перспективной на ближайшие 200 лет областью энергетики.
Кроме того, атомные энергоблоки, при соблюдении всех правил их эксплуатации являются, как это ни покажется странным на первый взгляд, экологически более чистым производством по сравнению с тепловыми электростанциями, питающимися углеводородным топливом.
К настоящему времени политические лидеры экономически развитых стран созрели во мнении, что выбросы углекислого газа и других, загрязняющих атмосферу веществ, при увеличении выработки энергии, по крайней мере, не должны увеличиваться.
Один из путей реализации экономических амбиций экономически развитых стран заключается в модернизации существующих АЭС в плане обеспечения их безопасности, включая разработку новых технологий транспортировки и переработки радиоактивных отходов.
В настоящее время энергия, вырабатываемая на АЭС, не может составить значительной конкуренции традиционным источникам, использующим углеводородное топливо. Однако, в связи с растущим дефицитом углеводородов и повышением их стоимости значимость АЭС возрастает.
В настоящее время кроме перечисленных стран АЭС эксплуатируются в Аргентине, Бельгии, Индии, Испании, Италии, Нидерландах, Южной Корее, Пакистане, Иране, Финляндии, Швейцарии, Тайване, Бразилии, Филиппинах, ЮАР, Бангладеш, Дании, Египте, Иране, Ирландии, Люксембурге, Пуэрто-Рико и Турции.
Опубликованные к настоящему времени прогнозы развития атомной энергетики, несмотря на некоторое снижение темпов строительства, предрекают на ближайшее пятилетие увеличение производства электроэнергии на АЭС в 2 - 2,5 раза.
Отметим, что под термином энергоресурсы понимается совокупность энергонесущих не возобновляемых полезных ископаемых (уголь, природный газ, нефть, торф, сланцы, уран, торий) и возобновляемых энергетических компонент (солнце, ветер, геотермальные и гидротехнические).

Q



з /—


4

11

2 X









б/

5






т

1800              1850              1900              1950              2000              2050              2100
Рис. 5.4. Динамика использования различных сортов топлив. 1 -дерево, 2 -уголь, 3 - нефть, 4 -газ, 5 - солнечная и ветровая энергия, 6 - атомное топливо.
На рис. 5.4 показана динамика использования различных источников энергии, выраженная в относительных долях [F/(1-F)], по горизонтальной оси отложены годы.
Источники тепловой энергии как бы конкурируют во времени между собой.
Безразмерная величина F представляет собой долю данного топлива в производстве различных видов энергии с 1800 по 2100 гг.
По расположению этих, во многом условных качественных зависимостей, тем не менее можно проследить историю развития энергетических технологий в течение двухсотлетнего периода так называемой технологической революции. В ранние периоды революции доминировало в качестве источника энергии дерево.
У дерева удельная теплота сгорания равна 1,0-1,2^ 107 Дж/кг, что более чем в четыре раза меньше, чем у современных жидких топлив, таких как бензин и дизельное топливо. А у природного газа величина q почти в пять раз больше.
На графиках рис. 5.4 видно, как по очереди лидировали такие виды топлива, как дерево, уголь, нефть и газ, как происходила во времени замена одного вида топлива другим.
На очереди ядерное топливо, у которого q = 7,4Т0 Дж/кг, что в миллион раз превосходит удельную теплоту сгорания традиционных твердых, жидких и газообразных топлив.
Эта замена сопровождалась и одновременным увеличением коэффициента полезного действия устройств, применяющихся для получения энергии. Достаточно обратиться к данным табл. 5.1, чтобы убедиться в этой закономерности.
Это эволюция энергоносителей. Особое место занимает водород. Удельная теплота сгорания водорода q = 1,42408 Дж/кг, что примерно в четыре раза выше, чем у жидких сортов топлива. Однако водород в свободном состоянии в природе отсутствует. Водород получают при диссоциации молекул воды. В настоящее время эти
технологии достаточно экономически затратные, поэтому не идут дальше лабораторных и опытных образцов.
              Таблица              5.1

Топливо

q, кДж/кг

Топливо

q, кДж/кг

Условное топливо

29308

Дрова (влажн. 30%)

12300

Твердое топливо

Дрова (влажн. 40%)

10200

Антрацит

29100

Алюминий

3100

Антрацит донецкий

26800

Бериллий

66600

Бурый уголь канско- качинский

15700

Литий

43100

Бурый уголь подмосковный

10500

Магний

24830

Бурый уголь челябинский

14650

Порох пироксилиновый

3780

Каменный уголь

25525

Порох дымный

5020

Сланцы горючие

11215

Топливо самолетов

43100

Солома

14300

Газообразное топливо

Твердое ракетное топливо

10500

Ацетилен

49900

Торф в брикетах

15100

Водород

142868

Тротил

15100

Доменный газ

3100

Атомное горючее

7,41013

Коксовый газ

8080

Жидкое топливо

Метан

49800

Бензин авиационный

44400

Оксид углерода (11)

42300

Бензин автомобильный

44000

Природный газ

49000

Дизельное топливо

42700

Пропан

46400

Ракетное топливо

9600

Сероводород

15600

Керосин осветительный

43100

Этан

47500

Мазут

39800

Этилен

47300

Спирт этиловый

26000



Основным энергоносителем первой половины XXI века, как следует из обсуждаемых прогнозов, будет природный газ, удельная теплота сгорания которого q = 5-107 Дж/кг. Это, конечно, меньше, чем у водорода, но водород необходимо получать, а газ дарит природа.
Использование в качестве топлива природного газа дает возможность достигать достаточно высокой энергетической и экономической эффективности энергетических установок. Среди всех ископаемых углеводородных видов топлива природный газ является несомненным лидером по экологическим показателям.
Вместе с тем при его сгорании образуется окись углерода СО2, которая выбрасывается в атмосферу. Кроме того, в процессе добычи и транспортировке газа имеются потери метана.
Принято считать, что развитие газового комплекса на какое-то время способно обеспечить не только энергетические потребности, но решить целый ряд экономических проблем, в частности финансирование наукоемких промышленных технологий и социальной сферы.
В настоящее время отсутствуют принципиальные трудности использования сжиженного газа в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания на автомобильном, железнодорожном, авиационном и морском транспорте.
Для нашей страны это весьма благоприятный прогноз, если учесть, что запасы природного газа на территории России составляют 33% от разведанных запасов и больше 40% от прогнозируемых ресурсов Земли. Природный газ является для нас не просто эффективным энергоресурсом, а одним из главных средств решения целого ряда социальных и экономических задач.
Экспортные поставки природного газа обеспечивают стабильные валютные поступления в бюджет, которые могут заложить основу перспективного благополучия. По мнению оптимистически настроенных экспертов (кстати, не только отечественных) начало наступившего века и его середина будет характеризоваться устойчивым наращиванием в России добычи природного газа.
Прагматичные же специалисты считают, что газовое «эльдорадо», как и все в этом мире, имеет начало и конец. Около 2050 - 2060 г. газовая компонента в энергообеспечении потребностей человека достигнет своего максимума, за которым последует неминуемый спад.
Этот спад объективен по нескольким причинам. Прежде всего, будут истощаться многие ныне эксплуатируемые месторождения, расположенные сравнительно близко к основным промышленным потребителям.
Новые месторождения будут находиться, по всей вероятности, на севере и востоке России, а также на шельфах северных морей. В частности, шельф Охотского моря, по мнению гидрогеологов, имеет промышленно значимые залежи газа.
Чтобы обеспечить гарантированно надежную транспортировку и переработку газа потребуются дополнительные капиталовложения, что сделает этот вид топлива экономически менее привлекательным.
Кроме того, есть надежда, хотя и не очень вероятная, что не только ученые, но и политики и государственные чиновники вспомнят, что газ помимо способности гореть является уникальным химическим сырьем, которое все-таки необходимо расходовать экономно, чтобы потомки окончательно не прокляли наше необузданно нерациональное время.
Как видно из приведенных на рис. 5.4 данных, объединивших исследования многих ученых, в частности японских и немецких, в обозримом будущем наиболее перспективными, какие бы субъективные и объективные причины не выдвигались, будут являться две технологии производства энергии - атомные, ядерные и солнечные.
По мнению ученых, именно на освоение этих видов энергии должны быть направлены основные усилия современной цивилизации, если она имеет цель сохранить себя. Определенным подспорьем, конечно, явятся возобновляемые источники энергии, которые нам подарила природа.
Но вначале, как это принято у людей, повоюем за остатки ископаемых ресурсов, причем, чем дальше, тем интенсивнее. Ситуация в Ираке, Ливии, египте судя по всему и к великому сожалению, - это только начало череды энергетических войн.
Развитие атомной энергетики на начальном этапе, казалось, не подчинялось существовавшим закономерностям конкурентной смены технологий производства энергии (рис. 5.4).
Поначалу наращивание ядерных мощностей демонстрировало значительно более высокие темпы роста, чем следовало из общих теоретических предпосылок. Сегодня мы наблюдаем, вопреки прогнозам, снижение темпов развития атомной энергетики, и перспективы на ближайшее время отнюдь не оптимистичны.
По мнению специалистов МАГАТЭ, в предстоящие 20 лет произойдет еще большее отклонение закономерностей развития атомных мощностей от общих тенденций. Причем в экономически развитых странах Европы и Северной Америки будет наблюдаться более чем умеренный рост атомных мощностей и относительно бурное развитие атомной энергетики в странах азиатского региона.
Одно из возможных объяснений такого положения вещей состоит в том, что на начальном этапе атомная энергетика развивалась параллельно с военными технологиями, что обеспечивало высокий уровень государственных инвестиций как в научно-технические разработки, так и в промышленное строительство.
Атомные комплексы СССР и США (включая военные технологии) находились в условиях жесткой конкуренции, результаты которой определяли ядерный паритет.
В настоящее время государственное финансирование мирной атомной промышленности, как, впрочем, и военной, в нашей стране реализуется в лучшем случае в форме коммерческого соревнования.
Прогноз атомной энергетической компоненты в России в условиях современной экономики, ориентированной в основном на экспорт углеводородов, представляется не вполне определенным.
Диапазон вариантов оценки экспертами масштабов развития ядерной энергетики России достаточно широк: от застоя на существующем уровне до удвоения мощностей к 2015 году, хотя маловероятно. Мировой экономический кризис всё-таки!
Подходит время вывода из эксплуатации энергоблоков, отслуживших свой срок, и строительства реакторов нового поколения. Многие эксперты сходятся во мнении, что перспективы мирного атома напрямую связаны с мировыми ценами на нефть. При достаточно высоких расценках на «черное золото» проблематично, что руководство России озаботится грядущими энергетическими потрясениями и, страхуясь от грядущих неприятностей, станет всерьез стимулировать научнотехнические и технологические разработки в области атомных и ядерных исследований, хотя на этот счет имеются публичные заявления должностных лиц высокого государственного ранга.
Вместе с тем в настоящее время отечественной наукой накоплен достаточный потенциал для того, чтобы сделать отечественные атомные технологии на достаточно длительный промежуток времени ведущими в производстве энергии, причем не только у нас в России.
Принципиальные экономические и экологические преимущества ядерной энергии: неограниченные в достаточно длительной перспективе ресурсы топлива, компактная форма ядерных отходов и отсутствие выбросов продуктов сгорания - способствуют ее долговременной конкурентоспособности с другими источниками энергии.
Следует отметить, что радиоактивность сопровождает человека с момента его появления и до самой смерти. Радиоактивные элементы естественного происхождения присутствуют на Земле в достаточно большом количестве. Все дело в концентрации радиоактивных веществ. До эпохи «мирного» атома, т. е. до конца XIX
в.              никому в голову не приходило, что надо специально контролировать уровень радиоактивности пространства, в котором живут люди.
В настоящее время ситуация поменялась коренным образом. Дело в том, что за короткий промежуток времени человеком было выброшено в окружающую природу большое количество искусственных радионуклидов, синтезируемых главным образом на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики как побочные продукты, сопровождающие атомные технологии. Радионуклиды представляют собой нестабильные разновидности ядер атомов, характеризующихся определенным числом протонов (зарядовым числом Z) и нуклонов (массовым числом А).
Попадая в окружающую среду, радионуклиды оказывают воздействия на живые организмы. В этом заключается их опасность. Для правильной оценки этой опасности необходимо четкое представление о масштабах загрязнения окружающей среды, о выгодах, которые приносят производства, основным или побочным продуктом которых являются радионуклиды, и потерях, связанных с отказом от этих производств, о реальных механизмах действия радиации, последствиях и существующих мерах защиты.
В массовом сознании населения доминирует во многом обоснованное настороженное отношение к производствам, деятельность которых приводит к образованию радиоактивных изотопов, и в первую очередь к предприятиям ядерного цикла. Этому способствуют как объективные (крупные аварии), так и субъективные (некомпетентность, искаженная картина, представленная средствами массовой информации) факторы. При этом под влиянием некоторых СМИ рядовыми обывателями не принимаются во внимание два важных обстоятельства.
Во-первых, это необходимость комплексного анализа энергетической ситуации в регионе, стране и на планете в целом, другими словами - сравнительного подхода к оценке перспектив. Хотя есть примеры, вполне доступные для оценок самым рядовым обывателем. Вред, наносимый окружающей среде и человеку, очевиден.
Во-вторых, количество смертей, происходящих на всех дорогах мира в год в автомобильных катастрофах, в настоящее время не на много уступает их количеству в результате цунами и землетрясений.
Казалось бы, что такие «услуги цивилизации» человек должен, по крайней мере, стремиться сокращать. Но такого не происходит, а даже совсем наоборот. А все потому, на наш взгляд, что индивидуальные интересы до настоящего времени превалируют над интересами общества. Мало кто из рядовых граждан озабочен взглядом в не совсем отдаленную энергетическую перспективу.
В-третьих, это экономическая и технологическая необходимость использования атомной энергии в современном мире. Привлекательность использования АЭС связана с ограниченностью и постоянным ростом стоимости энергоносителей для тепловых электростанций, меньшими радиоактивными и значительно более низкими химическими загрязнениями окружающей среды, гораздо меньшими объемами транспортных перевозок предприятий ядерного цикла, отнесенными к единице производимой в конечном счете электроэнергии по сравнению с аналогичными показателями для предприятий топливного цикла.
Альтернативы использованию АЭС в глобальной экономике в настоящее время нет, а в обозримом будущем она может появиться только со стороны термоядерных установок, или, что мало вероятно, человечество согласится потреблять энергии меньше.
В этой связи уместно упомянуть статью Брайна Эппльярда из газеты «The Times» за 21 октября 2004 г. под весьма символичным названием: «Пока еще ярок свет ...».
Эппльярд считает, что «величайший праздник потребления» для человечества подходит к концу. Эра более чем двухсотлетнего экономического благополучия населения развитых стран подходит к своему логическому завершению.
«За прошедшие 200 лет жители экономически развитых стран (Европы и Северной Америки) стали меньше болеть, дольше жить, обладая при этом беспрецедентным в истории цивилизации благосостоянием.
Представители пресловутого «золотого миллиарда» могут быть уверены, что проживут они на 25 лет больше, чем их предки времен викторианской эпохи, на 45 лет больше, чем предки времен Средневековья и на 55 лет больше, чем люди из каменного века. Такова статистика.
Уровню жизни рядового американца или европейца позавидовал бы император Нерон. И когда заканчивается земной путь граждан экономически развитых стран, то уходят они с верой в то, что их дети и внуки будут жить еще лучше.
Они уверены, что автомобили станут еще комфортабельнее, самолеты будут летать быстрее, сжигая в атмосфере миллиарды тонн кислорода, а бытовая техника станет доступнее и умнее, даже рак и СПИД будут побеждены».
С Эппльярдом солидарен Генри Портер, обозреватель английской газеты «The Guardian», который считает, что «большая энергетическая игра» XXI века уже началась. Портер в своей аналитической статье «Атомная энергетика? Не спешите ее хоронить», опубликованной 28 ноября 2005 г., заостряет внимание читателей на очевидном обстоятельстве: «...Мы настолько привыкли, что получим энергии, сколько понадобится, что практически не понимаем, как много этой самой энергии нам нужно, не снисходим до того, чтобы подумать о реальности окружающего мира, ни такого, какой он есть, ни - и это еще более серьезно - такого, каким он будет».
Далее Портер в качестве подтверждения своей гипотезы о начале «большой энергетический игры человечества» приводит ситуацию в Ираке, которая сложилась не из-за угрозы химического оружия и деятельности «Аль-Каиды», а исключительно вследствие нефтяных притязаний американцев.
Становится, по мнению Портера, ясным, зачем необходимо было официальной пропагандистской машине США возбуждать в воображении обывателя страх перед терроризмом в таких масштабах.
А только для того, чтобы война на другом конце света стала для американского обывателя естественной необходимостью, чтобы развязать на самом деле энергетическую войну.
Антитеррористическая пропаганда позволяет держать сознание граждан в постоянном напряжении, что дает возможность более жестко контролировать общественность, настраивая ее на необходимость военных конфликтов.
Портер считает, и с ним солидарны многие, что вместо нагнетания антитерро- ристической истерии необходимо заняться ликбезом среди либерально настроенной и наивной общественности, которая продолжает верить в мифы об опасностях атомной энергетики и в сказки о скорой замене нефтяных технологий на альтернативные из числа возобновляемых источников энергии.
При этом эта самая общественность катается на джипах, которые потребляют в четыре раза больше углеводородного топлива, чем обычный автомобиль, и живут в домах, энергетика которых подобна черной дыре.
В неизбежности развития атомной энергетики уверены и отечественные крупные ученые и специалисты. Академик РАН, депутат Государственной думы РФ Роберт Искандерович Нигматулин в своей работе «Атомная энергетика - перспективная отрасль» на основе своей многолетней профессиональной деятельности утверждает, что в атомной энергетике экономика и экология идут рука об руку.
Р. А. Нигматулин обращает внимание читателей на тот факт, что в России разрушительные тенденции всегда были окрашены в основные цвета спектра. Были красные и белые, теперь появились зеленые.
Так называемые «политические экологи» под зелеными знаменами борьбы за экологическую чистоту окружающего пространства направили вектор своих усилий на борьбу с производительными силами.
Выступая с высоты самых громких в стране трибун, они генерируют в обществе идеи неприятия планов развития атомной энергетики, хотя известно, что внедрение экологических мероприятий, которые стоят немалых денег, возможно только при условии развитой и энергетически эффективной экономики.
Если по призыву «политических экологов» закрыть химические комбинаты, атомные станции, машиностроительные заводы, металлургические комбинаты, то ситуация с экологией не станет лучше. Опыт говорит об обратном.
Экология требует вложения средств и немалых энергетических затрат. Подрывая энергетическую базу, люди должны понимать, что пилят не очень толстый сук, на котором сидят. Россия пережила этап «резкого улучшения экологической обстановки» 80-х годов прошлого века. Но какой ценой? Все мы, живущие ныне, тому свидетели. Было дело, в иных городах и весях денег не было даже на вывоз мусора, не говоря уже об обеспечении приемлемого уровня жизни.
Экономика должна удовлетворять не только нужды человека, но и компенсировать издержки его производственной деятельности.
Академик Р. А. Нигматулин напоминает, что реку Рейн удалось сделать экологически чистой только после того, как энергетический потенциал Западной Европы, не сопоставимый с ее потенциалом 50-х годов XX века, смог себе это позволить.
Не секрет, что самым важным показателем экономических и экологических показателей страны является уровень развития её энергетики. Это особенно актуально для России, большая часть которой располагается в холодных регионах, где тепловая и электрическая энергия необходимы для выживания человека так же, как воздух и пища.
Естественно, что атомная энергетика не является экологически безупречной и уступает по безопасности возобновляемым источникам. Но энергия нужна человечеству уже сейчас и в больших количествах, а альтернативные источники, несмотря на их огромный потенциал и экологическую привлекательность, в ближайшее время не смогут быть использованными в требуемых объемах по многим объективным и субъективным причинам.
Говоря о радиационной опасности атомной энергетики, следует обратить внимание на то, что доля радиации, связанной с развитием атомной энергетики, незначительна по сравнению с радиацией, обусловленной деятельностью человека.
Несоизмеримо большие дозы радиационного загрязнения вызваны иными источниками, никак не связанными с энергетикой, но вызывающими, как это ни покажется странным, меньше нареканий.
Применение рентгеновских лучей в медицине, сжигание огромного количества угля, использование воздушного транспорта, пребывание длительное время в хорошо герметизированных помещениях могут привести к значительному увеличению уровня облучения.
Атомная энергетика сопряжена с целым рядом технологических процессов. Это добыча урановой руды, создание ядерного горючего, его хранение и транспортировка, использование на АЭС и хранение радиоактивных отходов и их переработка.
Отходы ядерных технологий представляют собой мощный энергетический ресурс. Утилизация отходов может быть осуществлена на АЭС. В настоящее время, по мнению экспертов, на территории России накопилось около 700 млн. м3 радиоактивных отходов. В основном радиоактивные материалы возникли при реализации военных программ.
Львиную долю радиоактивных веществ люди получили как непременное приложение к атомному и ядерному оружию и атомных силовых установок надводных и подводных судов.
Современной отечественной наукой разработаны вполне надежные и экологически безопасные технологии использования радиоактивных отходов военнопромышленного комплекса в атомной энергетике.
Современные АЭС в качестве топлива в основном используют энергетические возможности урана U235. Новое поколение реакторов, например БН-600, работающих на уране U238 , позволяет из урана вырабатывать энергетический плутоний.
В настоящее время Россия является мировым лидером в разработке мирных атомных и ядерных технологий, это касается и средств переработки радиоактивных отходов. Переработка отходов атомной энергетики является проблемой для многих стран.
На имеющихся в России технологиях можно зарабатывать деньги, пока до нашего уровня не подтянулись другие страны атомного клуба. Если в Россию за 20 лет ввезти и переработать 20 000 т радиоактивных отходов, то чистая прибыль составит около 20 млрд. долларов.
Эти средства необходимо израсходовать на дальнейшее развитие атомного энергетического комплекса и финансирование фундаментальных исследований в области энергетики, включая разработку технологий использования возобновляемых источников энергии.
Случилось так, что СССР, с его жесткой, а временами и жестокой системой централизованного управления, на определенном этапе атомной гонки стал абсолютным лидером, генератором новых идей и технологий. Причин тому несколько. О военных и политических обстоятельствах будет сказано позже.
Одной из главных причин послевоенных успехов отечественных ученых и инженеров стала система образования. Сразу после Великой Отечественной войны в нашей стране была реанимирована эффективная система образования - от школьного до вузовского. Ориентированная на освоение существующих и разработку перспективных технологий, система советского образования на основе уникальных и высококачественных фундаментальных знаний обеспечила стране научно-технический прорыв.
Большая часть современной энергетической базы России расположена в восточной части страны - это уголь, горючие сланцы, нефть, газ, а основная масса населения проживает в европейской части страны. В западных регионах доля электроэнергии, производимой АЭС, составляет не более 30%. Если говорить о развитии промышленности в этих густонаселенных районах, то без энергии мирного атома в перспективе попросту не обойтись.
Между тем, несмотря на практически полное отсутствие государственной поддержки, Минатомом России за последние три года увеличено производство электроэнергии на 25% и в 4 раза - инвестиций в науку. Производство электроэнергии достигло уровня 1990 г., что само по себе представляется своеобразным экономическим феноменом современной России.
В настоящее время почти все экономически развитые страны имеют в своих энергосистемах атомную компоненту производства электроэнергии. В табл. 5.2 приведены данные МАГАТЭ по производству электроэнергии на конец XX в., получаемой путем расщепления радиоактивных веществ. В настоящее время в эксплуатации находится более 400 атомных станций.

Данные о работающих и строящихся АЭС в конце XX в.

Страна

Эксплуатируется

Строится

Доля АЭС в выработке энергии, %

Кол-во
блоков
АЭС

Мощность,
МВт

Кол-во
блоков
АЭС

Мощность,
МВт

Аргентина

2

935

1

692

13.8

Бельгия

7

5527

-

-

55.8

Болгария

6

3538

-

-

45.6

Бразилия

1

626

1

1245

0.01

Великобритания

34

11720

1

1188

25.8

Венгрия

4

1729

-

-

43.7

Германия

21

22657


-

29.3

Индия

9

1493

5

1010

1.4

Иран

-

-

2

2146

-

Испания

9

7105

-

-

35.0

Казахстан

1

70

-

-

0.6

Канада

22

15755

-

-

19.1

Китай

8

2100

-

-

1.5

Корея Южная

10

8170

-

-

35.5

Литва

2

2370

-

-

76.4

Мексика

2

1308

-

-

3.2

Нидерланды

2

504



4.9

Пакистан

1

125

1

300

1.0

Россия

29

19843

4

3375

11.4

Румыния

-

-

5

3250

-

Словакия

4

1632

4

1552

49.0

Словения

1

632

-

-

38.0

США

109

98784

1

1165

22.0

Тайвань

6

4980

-

-

31.7

Украина

15

12679

б

5700

34.2

Финляндия

4

2310

-

-

29.5

Франция

56

58493

4

5810

75.3

Чехия

4

1648

2

1824

28.2

Швейцария

5

2985

-

-

36.8

Швеция

12

10002

-

-

51.1

Южная Африка

2

1842

-

-

5.7

Япония

49

38875

5

4799

30.7

Их совокупная мощность достигает примерно 3,5-1011 Вт, что составляет около 18% от общего количества электроэнергии, используемой на Земле (около 2-1012 Вт).
По мнению специалистов по глобальной энергетике, количество энергии, вырабатываемой на АЭС, неоправданно мало по сравнению с потенциальными возможностями атомных технологий. Причин, по которым сложилась такая ситуация, несколько, и экологическая среди них занимает не превалирующее место.
Кстати, чтобы получить примерно 3,5-1011 Вт электроэнергии, на станциях, работающих на угле, необходимо сжечь около 1 -109 т топлива, «позаимствовать» в

атмосфере Земли 2,6-109 т кислорода и «подарить» околоземному пространству 3,6-109 т углекислого газа Такая статистика, к сожалению, не является весомым аргументом для стратегов государственных уровней в вопросах экономической и экологической эффективности тепловых станций, работающих на угле. А по поводу нефти еще раз напомним мнение Д.И. Менделеева, который, будучи гениальным химиком, экономически образованным человеком и знатоком нефтяных технологий, был убежден, что в топках котлов выгоднее сжигать денежные знаки среднего достоинства, чем нефть.
На рис. 5.5 приведены данные о мощностях электроэнергетики 12 ведущих стран, нормированные относительно России, вырабатывающей на атомных станциях 19843 МВт электроэнергии.

Q
4
3
2


Рис. 5.5. Мощность атомной электроэнергетики ведущих стран относительно России
1.0

Величина Q представляет собой отношение мощности данной страны к мощности всех атомных энергоблоков России (Q = Nx/Nr). Как видно, Россия занимает по этому показателю пятое место в мире.
Конечно, когда еще существовал СССР, то ситуация была несколько иной, потому что были энергоблоки на Украине, в Казахстане, Белоруссии, Армении, Литве. Впрочем, и Германия получила энергоблоки советского производства, как и все страны бывшего Варшавского Договора, включая Словакию, Словению, Болгарию, Венгрию и Чехию. Кроме того, были еще Ирак, Иран, Индия, Китай, которые в большей или меньшей степени были вовлечены в атомные интересы СССР.
Вместе с неоспоримыми преимуществами атомная энергетика имеет существенные недостатки, связанные прежде всего с потенциальной аварийной опасностью, последний скорбный пример тому - Фокусима.
При рассмотрении экологической безопасности атомных энергоблоков следует различать два характерных режима их эксплуатации: штатный и аварийный.
В штатных режимах, когда параметры работы реакторов контролируются операторами, атомные электростанции оказывают незначительное радиационное и химическое влияние на окружающую среду. В отсутствие аварий атомные энергоблоки вносят незначительный вклад в общий радиоактивный фон, сопровождающий жизнь человека. Вместе с тем атомная энергетическая эра приготовила для человечества новые экологические опасности. При попытке расщепления атомных ядер ученые столкнулись с особым искусственно вызванным видом излучения - радиацией.
Жизнь на Земле возникла и протекала во все времена при естественном радиоактивном фоне и при постоянном воздействии космического излучения. Радиоактивные химические элементы встречаются в природе в малых концентрациях, а при получении чистых веществ, например радия, опасность этого вещества для человеческого организма многократно увеличивается.
Пионеры атомной эры, прежде всего ученые, первыми из людей столкнулись с новой, не ощутимой органами чувств опасностью. Мария Склодовская-Кюри и ее дочь И. Жолио-Кюри умерли от лейкемии вследствие радиационного облучения.
Один из отцов американской атомной бомбы, физик-теоретик итальянского происхождения Энрико Ферми при испытаниях первого атомного заряда весьма оригинальным способом оценил энергию взрыва.
Он насыпал в открытую, горизонтально расположенную ладонь, мелко изорванную бумагу. Взрывной волной бумагу сдуло с ладони. По расстоянию от ладони до места приземления бумажек Ферми вычислил их начальную скорость и оценил энергию взрыва.
До того как Ферми достигла ударная волна, распространяющаяся в воздухе со скоростью звука (сЗ = 340 м/с), его накрыла электромагнитная волна у - диапазона, удаляющаяся от эпицентра со скоростью света (сС = 3-108 м/с).
Такие истории при освоении атомной энергии случались в большом количестве, но немногие из них, по вполне понятным причинам, обнародованы даже по прошествии стольких лет. Можно с уверенностью сказать, что человечество до недавнего времени было не готово противостоять опасности новых открытых им сил природы.
Рассмотрим некоторые особенности прохождения через вещество заряженных частиц, у - и рентгеновских квантов высоких энергий, превышающих ионизационные потенциалы электронов. С позиций влияния на живые ткани опасность представляют частицы с энергиями порядка от нескольких КэВ до десятков МэВ .
В атомной и ядерной физике при рассмотрении биологического действия радиации принято различать три типа частиц:
  • Легкие заряженные частицы, к которым относятся электроны и позитроны;
  • Тяжелые заряженные частицы (к ним относят все известные частицы, кроме электронов и позитронов);

у - кванты и кванты жестких рентгеновских лучей; 4) нейтроны, которые не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, но способны взаимодействовать с ядрами атомов.
Как отмечено выше, явление радиоактивности было открыто Беккерелем в 1896 г., а уже в течение следующего года Мария Кюри и ее муж и соратник Пьер Кюри в лабораторных условиях на достаточно кустарном оборудовании выделили два неизвестных вещества, которые обладали гораздо большей радиоактивностью, чем природные образцы. Это были полоний и радий. Вскоре путем химических превращений естественных минералов ученым удалось получить и другие радиоактивные вещества.
Все радиоактивные элементы обладали одной удивительной особенностью. На степень их активности не влияли известные исследователям физические и химические воздействия. Они не меняли своих радиоактивных свойств ни при сильных нагревах, ни при доступных охлаждениях. Бессильны оказались и мощнейшие химические реагенты.
Стало постепенно проясняться, что все применяемые учеными воздействия были способны только поменять структуру электронных оболочек атомов. А поскольку от этого радиоактивные свойства веществ не менялись, значит, причину радиоактивности следовало искать в особенностях строения атомного ядра. Причиной радиоактивности служила нестабильность их ядер.
В ходе интенсивных исследований было обнаружено, что внутриядерные силы вызывают нестабильность некоторых изотопов, ядра которых, распадаясь, обусловливают различного рода излучения.
Большое число нестабильных изотопов встречаются в природе, но их концентрация в общей массе вещества мала, поэтому и радиоактивное излучение незначительно.
Так, например, в мраморе и граните, из которого любят ваять памятники и скульптуры, часто присутствуют радиоактивные примеси, поэтому вблизи монументов радиоактивный фон всегда повышен. Уголь тоже радиоактивен: в угольной руде содержатся радиоактивные химические элементы, об этом разговор впереди.
Люди научились обогащать радиоактивное сырье, получая концентрации, значительно превосходящие встречающиеся в природе. Изотопы, полученные искусственным путем, обладают, соответственно, искусственной радиоактивностью.
Для количественного сравнения запасов энергоресурсов различного типа используется понятие условного топлива. Теплотворная способность этого виртуального вещества принята равной 7-10 ккал/кг « 29308 кДж/кг, за крупную единицу условной энергии Q принимается величина энергии высвобождающейся при сжигании 36 млрд. т условного топлива.
Все страны мира в настоящее время потребляют около 0,3 Q в год. Приближённые подсчёты показывают, что 25% первичной энергии идёт на производство электроэнергии, 25% - на отопление, 25% - на промышленные цели и примерно 25% на транспорт всех видов.
Приведенные данные носят ориентировочный характер, потому что они получены по косвенным оценкам развития промышленности разных стран, в этой связи могут отражать только тенденции.
Как видно из данных, приведенных на рис. 5.4, на протяжении всей истории цивилизации несколько раз сменялась картина топливо - энергетического баланса, в настоящее время начинается очередная качественная и количественная трансформация, характерной особенностью которой является увеличение потребления первичной энергии от возобновляемых источников и источников энергии, организованных на атомной основе.
Кроме того, в прежние времена экологические ограничения были совершенно не актуальными, так, по крайней мере, считалось. Хотя, первые серьёзные антропогенные влияния на экосистемы начались при развитии первой промышленной революции, когда цивилизация начала осваивать энергию пара.
Более чем скромные значения КПД первых тепловых машин делали необходимым сжигать огромные количества топлива, более 90% энергетики которого рассеивалось в атмосферных выбросах виде загрязняющих веществ и тепла.
В это же время происходило интенсивное расширение площади пахотных земель, в основном за счёт сокращение лесных массивов. А что самое главное, при развитии тепловых машин была полная иллюзия бесконечных возможностей человечества в выработке энергии, ограничения отсутствовали.
В настоящее время такие ограничения ресурсного и экологического характера оказывают всё большее давление на развитие топливо - энергетических комплексов, практически, всех стран.
Учёные уже давно заметили, что уровень энергопотребления напрямую определяет величины валовых национальных продуктов.
Как уже отмечалось, в настоящее время наблюдается тенденция к возрастанию неравномерности потребления энергоресурсов: 72% населения земного шара потребляет менее 2 кВт тепловой энергии в год, 22% - от 2 до 7 кВт и только 6% населения имеет возможность использовать от 10 кВт и более.
Население слаборазвитых стран ограничивается потреблением около 0,2 кВт тепловой энергии в год. Другими словами, уровень энергопотребления отличается более чем в 50 раз.
По данным специалистов ООН в настоящее время доля природного газа в мировом энергетическом баланса составляет около 19%, твёрдого топлива - около 30%, жидких углеводородов - 47,2%, прочих ресурсов - 2,5%
К энергетическим проблемам современной цивилизации вплотную примыкают трудности с продовольственным снабжением растущего населения планеты. В 70х годах прошлого столетия международная общественная организация «Римский клуб» предложила ученым провести футуристические исследования с целью выяснения глобальных перспектив развития земной цивилизации.
Серия хорошо оплаченных работ вылилась в доклады, из которых самое яркое впечатление произвели выводы американских исследователей Форрестера и Медоуза. Ученые, используя конкретный статистический материал и специальные методы обработки, создали ряд математических моделей, продемонстрировавших процесс саморазрушения цивилизации.
Моделирование процессов показывало, что до 2030 г. вероятными являются несколько неблагоприятных сценариев: ядерная катастрофа, загрязнение окружающей среды, развитие энергетических проблем, неконтролируемый рост населения, сопряженный с нехваткой ресурсов, включая продовольствие и пресную воду.
Некоторые прогнозы, очевидно, не сбудутся. Много чего в мире произошло. Официально закончилась холодная война, хотя региональные конфликты продолжаются множаться. Развиваются программы помощи слаборазвитым странам, хотя в мире еще много голодных людей, тех, которые живут в условиях, не соответствующих общему уровню развития цивилизации.
При рассмотрении перспектив энергетических потребностей необходимо учесть потребности на опреснение воды. Дело в том, что на нашей планете, по оценкам специалистов, запасено всего 1,4-10 км воды.
Цифра, прямо скажем, впечатляющая, однако, 97,3% этих объёмов приходится на Мировой океан. Солёная океанская вода, как известно, без предварительного опреснения не пригодна для бытового и для промышленного применения.
Оставшиеся 2,7% пресной воды распределены следующим образом. Ледники планеты содержат 75% всей пресной воды, около 24,5% приходится на подземные воды и только 0,36% всех запасов пресной воды относительно легкодоступны. В этой связи, по прогнозам учёных, дополнительные затраты энергии на производство пресной воды составят 0,3 кВт (тепл.) год/чел.
К концу прошлого века человечество ежегодно добывало около 4 млрд. т нефти и природного газа, более 2 млрд. т угля и 20 млрд. т горных пород промышленного применения.
Ежегодно масса Земли искусственно уменьшается на 2,6 1011 кг при её общей массе 6-10 кг. Из извлекаемой массы только 3% перерабатывается в полезный потребительский продукт. Остальная масса, получив в процессе переработки вредные физико-химические свойства, снова попадает в землю.
Кроме того, низкий КПД источников энергии, используемых человечеством, приводит к значительным тепловым выбросам в атмосферу. В настоящее время человек вынужден затрачивать дополнительные мощности на обслуживание систем экологической безопасности. Уже в настоящее время это составляет 21,6 кВт (тепл.)-год/чел.
Обозначенные энергетические проблемы человечества могут быть сокращены при развитии атомной и ядерной энергетики. Энергия атома может быть получена в реакциях расщепления ядер радиоактивных веществ и в реакциях синтеза ядер лёгких элементов.
Оба вида реакций являются ядерными, но исторически сложилось, что энергия, высвобождаемая при делении ядер, называется атомной. Своё влияние на терминологию оказали военные приложения, там бомбы начали классифицировать на атомные и на ядерные.
Так и прижилось, несмотря на некоторое несоответствие. Говорят об атомных электростанциях, и в то же время о ядерной энергетике. Было бы наверное правильнее все процессы, связанные с вмешательством в структуру атомных ядер считать всё-таки процессами ядерными, а к атомным процессам отнести всё, что связано с трансформацией электронных оболочек атомов.
С другой стороны такая путаница в терминологии не влияет на суть обсуждаемых вопросов. Никого же не смущает, что в электродинамике говорят об электродвижущей силе, хотя все знают, что никаких сил, в современном понимании в этих уравнениях быть не должно. Традиция.


Рис.5.6. Схема цепной реакции
Контролируемая и самоуправляемая цепная ядерная реакция деления тяжёлых ядер под действием нейтронов лежит в основе работы , практически, всех современных ядерных реакторов (рис. 5.6).
К управляемому делению способны такие нуклиды как: уран U233, уран U235, плутоний P239 и плутоний P241. В естественном состоянии, в природной среде, существует только U235, который составляет только 0,7% от всех имеющихся запасов. В природе в основном (99,3%) встречается уран U238, ядра которого не способны к участию в управляемой цепной реакции.
Современные ядерные реакторы в большинстве своём используют для запуска и поддержания цепной реакции тепловые нейтроны, которыми бомбардируют ядра урана U235. Для того чтобы в качестве топлива использовать другие тяжёлые нуклиды {u233,P239,P241} необходимо применять реакторы - размножители, в которых
238              23 2
при поглощении нейтронов ядрами U или тория Th образуется в больших ко-
239              233
личествах делящийся изотоп плутоний P или уран U .
Уран является едва ли не самым распространённым химическим элементом в земной коре (литосфере). Урана в литосфере нашей планеты содержится 1 г на 1 т
почвы. По оценкам геологов только в континентальной зоне планеты содержится ориентировочно 200 млрд. т урана.
Существующие в наше время технологии переработки и обогащения урана, позволяют использовать только около 0,1% массы добываемой руды. Добыча 1 кг U3O8 обходится в ценах 2010 г. по 90 долларов за кг. В современных ядерных энергетических устройствах на тепловых нейтронах в качестве топлива используется природный уран (« 99,3 % U238 + 0,7%U235) или обогащённый уран U235.
Повышение интереса промышленности и бизнеса к урану и ему подобным веществам возникает всякий раз когда на мировом рынке начинаются нефтяные или газовые катаклизмы. В промежутках между топливными кризисами и крупными авариями на АЭС - интерес снижается.
В этой связи и геологические изыскания в странах не имеющей ядерного оружия и энергетики не ведутся, поэтому говорить о достоверности данных по запасам урана можно говорить с оптимистической осторожностью. То, чем располагает сейчас геологическая наука, может рассматриваться как вероятный минимум запасов. Из всех разведанных и подтверждённых запасов урана не более 540% могут уложиться до 150 долларов за 1 кг.
Самые большие залежи урана обнаружены на территории Соединённых Штатов Амарики, примерно 40% мировых запасов урановых руд сосредоточено на Североамериканском континенте.
Геологическая наука такого феномена объяснить пока точно не может. Некоторая часть учёных утверждает, что территория США является наиболее разработанной в геологическом плане, практически отсутствуют белые пятна, в то время как в других странах таких пятен много.
Чего далеко ходить, взять хотя бы нашу страну, в которой вот уже почти 20 лет геологическая полномасштабная разведка не ведётся. Дело в том, что у геофизиков есть целая теория о равномерном распространении радиоактивных элементов в литосфере нашей планеты.
В соответствии с этой теорией запасы радиоактивных руд прямо пропорциональны площади литосферы, в рассматриваемом случае - площади, занимаемой тем или иным государством. Если это так на самом деле, то и по залежам урана мы впереди планеты всей.
По оценкам специалистов, запасов радиоактивных руд, пригодных для современного и перспективного производства энергии хватит надолго. Ориентировочно на 2000 лет. И этот прогноз радует, потому что запасы углеводородов исчерпаются раньше, если конечно они не являются продуктами деятельности Земли.
Конечно, ядерная энергетика в настоящее время не может заменить традиционные ТЭЦ, но как существенное дополнение к ним с отчётливо видимыми перспективами, может рассматриваться вполне.

Впервые самоподдерживающаяся цепная реакция деления атомных ядер тяжёлых химических элементов под действием медленных нейтронов была осуществлена под руководством итальянского ученого Энрико Ферми в США 2 декабря 1942 г на ядерном реакторе СР - 1.
Реактор, построенный под трибунами Чикагского стадиона (стадион эксплуатировался в обычном режиме), состоял из графитовых блоков, между которыми располагались шары, изготовленные из природного ура и его двуокиси.
Графит в реакторе Ферми служил


Рис. 5.7. Ядерный реактор Ф -1
замедлителем, быстрые нейтроны проходя через графит уменьшали свою скорость то теплового уровня и превращались в медленные нейтроны, которые захватывались ядрами урана и235, разваливая с образованием новых нейтронов (рис. 5.6).
Реактор аналогичной конструкции под руководством И.В. Курчатова был запущен в СССР 26 декабря 1946 г. Реактор СР - 1 был выполнен в виде графитовой сферы диаметром около 7,5 м. В центральной части шара в отверстия в графите вставлялись урановые стержни.


Рис. 5.8. Схема ядерного реактора: 1 -управляющий стержень, 2 - биологическая защита, 3 -теплоизоляция, 4-замедлители нейтронов, 5 - ядерное топливо, 6 - теплоноситель
1
Первые реакторы СР - 1 и Ф - 1 не имели системы отвода тепла, поэтому эксплуатировались на самом низком уровне поддержания цепной реакции, при этом извлекаемая энергия исчислялась максимум единицами ватт.
В СССР в 1949 г. был введён в эксплуатацию реактор по производству плутония, а в 1954 г. заработала Обнинская АЭС. В настоящее время по данным МАГАТЭ во всём мире эксплуатируется 441 ядерный реактор в 30 странах, в стадии строительства находятся ещё 44 реактора.
На рис. 5.8 приведена упрощённая схема современного ядерного реактора на медленных нейтронах.
В качестве источника энергии в таких устройствах используется, как правило, природный уран, состоя-

щий из смеси трёх изотопов урана: U238 (99,28%), U235 (0,7%), U234(0,006%). Ядра урана 235 при захвате медленного нейтрона распадаются, выделяя энергию и по два или три новых нейтрона.
В принципе, АЭС отличается от ТЭС только способом получения тепла. В АЭС возбуждают ядерную реакцию в топливных тепловыделяющих элементах 5, выделяемое тепло отбирается из активной зоны теплоносителем 6 и далее после теплообменника подаётся на турбину по классической схеме.
Превращение вещества на ядерном уровне сопровождается выделением имеющейся в нём свободной энергии. В рассматриваемом случае имеет место, так называемая, экзоэнергетическая реакция, характеризующаяся тем, что в следующем за возбужденным ссотянием энергии выделяется больше, чем требуется для генерации процесса.
В случае молекулярных превращений, т.е. процессов на уровне электронных оболочек (химические реакции) повышение температуры реагирующих продуктов происходит на сотни и единицы тысяч градусов, например, при окислении взрывчатых веществ. В ядерных реакциях температура повышается на миллионы градусов, что свидетельствует о значительном энергетическом выходе реакции.
Состояние ядерного реактора принято характеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью реактора р, которые связаны простым соотношением
k-1              1
р =              =              1              .
kk
При k gt; 1 количество делящихся в единицу времени материнских ядер увеличивается, реактор находится в надкритическом состоянии, реактивность реактора р gt; 0. При k lt; 1 реакция затухает, реактор находится в подкоитическом состоянии, р lt; 0. Рабочий режим реактора характеризуется k = 1, р = 0, число актов деления ядер в единицу времени постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии. Условие критичности реактора определяется уравнением
k = kGra,
где ю - доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне, k0 - коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров, определяемый уравнением
k- = Цф9П,
где ц - коэффициент размножения, ф - вероятность избежания резонансного захвата, 9 - коэффициент использования тепловых нейтронов, п - выход нейтронов за один захват. Рабочий режим характеризуется k lt; k0, если k0 lt; 1, то цепная само- поддерживающаяся реакция в данном веществе не возможна. Величина k0 определяет принципиальную возможность среды размножать нейтроны.


Основным элементом АЭС является активная зона с ядерным топливом, помещённая в герметичный корпус, заполненный теплоносителем (рис. 5.9), а при необходимости и замедлителем нейтронов.
В качестве замедлителя используются вещества способные уменьшать кинетическую энергию нейтронов примерно до 1 эВ.
Чаще других в качестве замедлителей используется очищенный графит и тяжёлая
вода, иногда и обычная вода.              рис              5              д              Активная              зона              реактора
Основными элементами активной зоны являются тепловыделяющие элементы (Твэ- лы), в которых упаковано ядерное горючее (рис. 5.10).


Активную зону реактора окружают дополнительно отражателем уменьшающим утечку нейтронов, которые частично рассеиваются, а частично возвращаются в активную зону.
Отвод тепла от твэлов производится теплоносителем, циркулирующим через активную зону. В качестве теплоносителя, как правило, применяется вода, которая в своём естественном состоянии обладает подходящими физическими свойствами, прежде всего, высокой удельной теплоёмкостью и большой теплопроводностью. Эти показатели лучше только у жидких щелочных металлов, но они уступают воде по доступности и эксплуатационным характеристикам.
В зависимости от энергии используемых нейтронов ядерные реакторы подразделяются на работающие с тепловыми, промежуточными и быстрыми нейтронами. В реакторах на тепловых нейтронах происходит расщепление ядер U235 нейтронами с энергиями, соответствующими энергиям теплового движения атомов, т.е., в районе 1 эВ. В реакторах на промежуточных нейтронах их энергия колеблется в пределах 1 - 1-10 эВ, в реакторах на быстрых нейтронах используются энергии более 1-103 эВ.
Рассмотрим особенности конструкции ядерного реактора на быстрых нейтронах на примере реактора БН - 600 с электрической мощностью 600 МВт [56]. В соответствие с конструкторской документацией он называется: «Корпусной реактор - размножитель с интегральной компоновкой оборудования». В реакторе применена трёхконтурная тепловая схема: в первых двух контурах в реакторах этого типа циркулирует жидкий натрий, в третьем - вода и её пары.


Нарис. 5.11 приведена тепловая схема блока, где приняты следующие обозначения: 1 - реактор; 2 - главный циркуляционный насос 1 контура; 3 - промежуточный теплообменник; 4 - тепловыделяющие сборки; 5 - парогенератор; 6 - буферная и сборная емкости; 7 - главный циркуляционный насос 2 контура; 8 - турбоустановка; 9 - генератор; 10 - трансформатор; 11 - конденсаторы; 12 - циркуляционные насосы; 13 - конденсатные насосы; 14 - подогреватели; 15 - деаэратор; 16 - питательные наРис. 5.11. Тепловая схема реактора БН -600              сосы; 17 — пруд-охладитель; 18 —
отдача электроэнергии.
Конструкция энергоблока показана на рис. 5.12. Энергоблок состоит из: шахты - 1; корпуса - 2; 3-главного циркуляционного насоса - 3, обслуживающего 1 контур; электродвигателя насоса - 4; большой поворотной пробки - 5; радиационной защиты - 6; теплообменника "натрий-натрий" - 7; центральная поворотной колонны с механизмами СУЗ - 8; активная зона.


Реактор БН - 600 изготовлен по «интегральной» схеме компоновки оборудования. По этой схеме активная радиоактивная зона и всё оборудование первого контура, включая главные циркуляционные насосы и промежуточные теплообменники размещаются в защищённом от внешней среды корпусе реактора цилиндрической формы с эллиптическим дном и съёмной конической верхней крышкой. В верхней крышке имеется 11 люков для технологического обслуживания реактора в процессе его эксплуатации.
Активная зона воспроизводства состоит из шестигранных тепловыделяющих сборок (ТВС) кассетного типа. ТВС состоит из твэлов, кожуха и устройства для захвата манипуляторами. Твэлы по длине заполнены втулками из обогащённой окиси урана и окиси плутония. Ниже активной зоны располагаются торцевые экраны из брикетов «отвального» урана. Газовые полости над уровнем натрия в реакторе заполнены аргоном.
Первый контур для обеспечения безопасной работы включает в себя три параллельные петли, каждая из которых состоит из промежуточных теплообменников. Жидкий натрий насосами подаётся в напорную камеру реактора, откуда распределяется по ТВС активной зоны и зоны воспроизводства. Циркулирующий в области активной зоны натрий имеет температуру 520 - 550 0С.
Во втором контуре так же в качестве теплоносителя используется жидкий натрий. Во втором контуре происходит бесконтактный теплообмен, причём натрий второго, не радиоактивного контура находится при большем давлении, чтобы в случае протечек радиоактивного натрия он не попал во второй контур.
Второй контур так же состоит из трёх параллельных петель, по которым циркулирует натрий с температурой 520 0С. Далее натрий второго контура подаётся в парогенератор, где происходит перегрев пара в третьем контуре, так же состоящем из трёх петель. Перегретый пар после третьего контура направляется в турбину с нормальной мощностью 210 МВт.
Управление параметрами работы реактора, его реактивностью, осуществляется 19 компенсационными стержнями, 2 стержня служат для автоматического режима поддержания реактивности на заданном уровне, а 6 стержней для аварийного вывода реактора из рабочего режима. Перезагрузка ТВС реактора осуществляется без непосредственного участия обслуживающего персонала, дистанционно. Реактор снабжён двумя резервными системами электропитания, включая автоматически запускаемые дизельные генераторы.
На рис. 5.13 показана картограмма загрузки реактора БН - 600: 1 - ТВС активной зоны с малым обогащением; 2 - ТВС активной зоны со средним обогащением; 3 - ТВС активной зоны с большим обогащением; 4 - ТВС внутренней зоны воспроизводства; 5 - ТВС внешней зоны воспроизводства; 6 - хранилище отработавших сборок;              7              -


стержни автоматического регулирования; 8 - стержни аварийной защиты; 9 - компенсирующие стержни; 10 - фотонейтронный источник.
Создание ядерного реактора БН - 600 проводилось с учётом богатого позитивного и негативного, как собственного, так и иностранного опыта эксплуатации подобных устройств. Главной целью учёных, конструкторов и инженеров было создание безопасного в радиационном и экологическом плане ядерного реактора. В этом реакторе применена беспрецедентная глубоко эшелонированная система защиты.
С момента пуска в эксплуатацию энергоблока БН - 600 было выработано 69 млрд кВт-ч электроэнергии. Коэффициент использования календарного времени составил 77%, это очень высокий показатель. Время ремонтных и профилактических работ составило всего 21% общего эксплуатационного времени, непроизводственные простои по непредвиденным причинам составили 2%, что является хорошим показателем для такой сложной инженерной системы.
Следует учесть, что этот ядерный энергоблок был введён в эксплуатацию 33 года назад. В этом 2012 г. должна окончиться плановая эксплуатация реактора, но сейчас рассматриваются возможности гарантированного продления его работы ещё на 10 лет.
Перед тем, как рассмотреть энергетические параметры ядерных реакторов, напомним, что 1 МэВ * 1,7- 10 - Дж. При однократном делении ядра урана выделяется около 200 МэВ энергии, что соответствует энергии 3,2-10 - 11 Дж = 3,2-10 - 11 Вт-с. Для получения мощности 1 Вт требуется, чтобы были расщеплены 3,1-10 ядер. Другими словами, для получения 1 Вт в секунду должны распадаться 3,1-10 ядер. Деление 1 моля активного вещества, содержащего NA * 6-1023 атомов, выделится энергия
рц * 6 -1023 - 3,2 -10-11 = 1,93 -1013 Вт - с,
при делении 1 г урана высвобождается энергия 8,2-1010 Дж = 2,3-104 кВт-ч. Для получения такой энергии необходимо сжечь около 3 т угля. Как говорится, без комментариев.
В настоящее время широкое распространение в России, странах СНГ и в дальнем зарубежье получили водо-водяные энергетические реакторы ВВЭР - 1000 (рис. 5.14), которые изготавливаются в виде тепловыделяющих сборок (ТВС). Схема такого реактора приведена на рис. 5.14, где приняты следующие обозначения [58, 59]: 1 -верхний блок; 2 - привод СУЗ(системы управления и защиты); 3 - шпилька; 4 - труба для загрузки образцов-свидетелей; 5 - уплотнение; 6 - корпус реактора; 7 - блок защитных труб; 8 - шахта; 9 - выгородка активной зоны; 10 - топливные сборки; 11 - теплоизоляция реактора; 12 - крышка реактора; 13 - регулирующие стержни; 14 - топливные стержни; 15 - фиксирующие шпонки.
Ядерный реактор ВВЭР - 1000 геометрически представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с эллиптическим днищем. В корпусе размещается активная зона и устройства управления и технологического обслуживания.


Рис. 5.14. Устройство реактора ВВЭР -1000
Реактор сверху закрыт герметичной радиа- ционно непроницаемой крышкой в которую через уплотнения подходят электрические кабели и устройства регулировки мощности.
Первый контур реактора состоит из 4 параллельных петель транспортировки теплоносителя в качестве которого используется вода, нагрев которой происходит в активной зоне за счёт тепловыделения в твэлах, заполненных слабо обогащённой двуокисью урана U235, которая непрерывно используется в течение трёхлетнего топливного цикла. Срок службы реактора составляет 30 лет.
Управление реактивностью реактора осуществляется перемещением регулирующих стержней и изменением концентрации борной кислоты. Энергетическая схема реактора представлена двумя контурами.
Первый контур радиоактивный, второй - не радиоактивный. Энергоблок имеет 6 циркуляционных петель. Циркулирующая в первом контуре под высоким давлением вода одновременно служит в качестве замедлителя нейтронов.
Активная зона реактора собрана из шестигранных тепловыделяющих сборок. В состав первого контура входят: реактор, парогенератор, главный циркуляционный контур, система компенсации давления, система подпитки и очистки контура, система аварийного охлаждения, газовые продувки, система компенсации протечек.
при рас-
Энергия деления ядерного топлива в активной зоне реактора общей тепловой мощностью 3000 МВт снимается теплоносителем с температурой 322 0С, ходе воды в первом контуре 15800 кг/с и давлении 16 МПа.
<< | >>
Источник: Исаков3 Александр Яковлевич. Основы              современного              естествознания. Часть 3. Естествознание но вого времени. Лекции для студентов экономических направлений: Петропав- ловск-Камчатский: КамчатГТУ,2012. - 336 с.. 2012

Еще по теме 5.1. Научная и экономическая целесообразность:

  1. П. Социализация предполагает как целесообразные, так и спонтанные усилия со стороны общества. В частности, к целесообразным усилиям
  2. 24.2. ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СФЕРЫ ЭКОНОМИЧЕСКИ ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ НОВЫХ ВИДОВ ТЯГИ В ПОЕЗДНОЙ РАБОТЕ
  3. СУЩНОСТЬ И РОЛЬ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА В ОТРАСЛИ СВЯЗИ. ОРГАНИЗАЦИЯ, ПЛАНИРОВАНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СТИМУЛИРОВАНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА
  4. 19. Научные методы, используемые в экономической географии.
  5. Н.В. Клочковa. Экономическое развитие России: институты, инфраструктура, инновации, инвестиции. Сборник материалов Всероссийской научной конференции. Иваново, 8 октября 2010 г. / под науч. ред. проф. Н.В. Клочковой. Иваново: «Научная мысль»,2010. - 360 с., 2010
  6. Научное значение Экономической Таблицы Кенэ
  7. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АППАРАТ ОПИСАНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В РЕЛЯЦИОННЫХ БД
  8.   Научная революция XVII в. Проблемы метода, структуры научного познания. Научная картина мира
  9. 18.7. Рост научного знания. Научный прогресс, научные революции
  10. 18.7. Рост научного знания. Научный прогресс, научные революции
  11. Учение о целесообразности
  12. III.2. Моделирование экономической преступности в новых экономических условиях (тенденции генезиса экономической преступности в финансово-кредитной системе)
  13. Тема 3. ЗАКОННОСТЬ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ
  14. § 5. Тип социально-экономических отношений, общественно-экономический уклад, способ производства, базис и надстройка, общественно-экономическая формация и параформация
  15. Научная, научно-техническая и инновационная политика в системе образования
  16. Учение о целесообразности.
  17. § 10 О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВООБЩЕ
  18. ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ