Основоположнику ядерной физики англичанину Эрнсту
Резерфорду человечество обязано знаниями о строении атома и
радиоактивности. И хотя это явление было обнаружено еще в 1896 году
французским ученым Антуаном Анри Беккерелем в ходе его экспериментов с
урановыми соединениями, дальше этого ему пойти не удалось. Первое
искусственное деление ядер, основанное на Беккерелевских наблюдениях и
показавшее, что излучение — это выход d-, в-, и з-лучей, провел в 1919
году именно Резефорд. Он, облучив азот б-частицами урана, сумел превратить его в кислород. Правда,
этот процесс сопровождался поглощением тепла, а вот его выделение стало
плодом трудов английских физиков Джона Дугласа Кокрофта и Эрнеста
Томаса Синтона Уолтона, создавших первый в мире ускоритель протонов и
осуществивших в 1932 году ядерную реакцию с помощью облучения литиевой
пластины искусственно ускоренными протонами. В том же году открытие англичанином Джеймсом Чедвиком нейтрона позволило осуществить цепную реакцию деления. В
1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрасман добились распада
атомного ядра под воздействием нейтрона на два (реже три) «осколка». А
в 1942 году под руководством Энрико Ферми была проведена управляемая
цепная ядерная реакция.
Сегодня.
В 56 странах работают
гражданские атомные реакторы, в 31 стране - 440 коммерческих реакторов;
мощность 26 реакторов, находящихся на реконструкции, эквивалентна 8,6%
от всей существующей; 44 атомных реактора находятся в процессе
строительства; около 50 - в стадии планирования, общая их мощность
после введения в эксплуатацию будет соответствовать 11,6% всей ныне
существующей. Стоит ли говорить что загрузка существующих реакторов
повышается день ото дня?
Плата за страх
Если
обратиться к сухим цифрам статистики, то вполне обоснованно можно
сказать, что атомная энергетическая промышленность по сравнению с
другими ее видами для тех людей, которые работают на ЭС, максимально
безопасна. Доля погибших в результате аварийных ситуаций, произошедших
на атомных электростанциях, ничтожно мала по сравнению с теми, кто
явился жертвой аварий на газовых, гидро- и угольных ЭС.
Хотя
тот, кто знает, какое количество жертв принес Чернобыль, вряд ли
поверит в это безоговорочно. Опять же, если следовать статистике, число
погибших, работавших в тот день, вернее, в ту ночь, на ЧАЭС, составило
31 человек, в том числе и шестеро пожарных из спецкоманды,
обслуживающей станцию, принявших на себя основной удар смертоносной
радиации. Всего же, по официальным данным правительств Украины,
Белоруссии и России, в той или иной степени, по самым скромным
подсчетам, пострадало более 9 миллионов человек. А полное количество
жертв — в соответствии со специальным докладом ООН, посвященным оценке
влияния аварии на окружающий мир, — можно будет посчитать не раньше
2016 года. Дело в том, что, по утверждению медиков, основной пик
массовых индуцированных онкозаболеваний с наибольшей интенсивностью
должен последовать через 25 лет после аварии — для ее ликвидаторов и
через 50 — для жителей загрязненных территорий.
И все же,
несмотря на столь ужасающие аргументы, ядерная энергия для жителей
Земли является едва ли не самым перспективным видом топлива, особенно в
том случае, если произойдет истощение природных запасов угля, газа,
нефти и торфа, а такая тенденция наметилась уже в 60 — 70-х годах XX
века. А вот запасов радиоактивного урана на Земле достаточно. К тому же
этот вид топлива в результате специальной обработки способен
воспроизводиться.
А между тем широкое использование ядерной
энергии в мирных целях началось лишь в 50-х годах XX столетия. Сама же
ядерная технология получила развитие в годы второй мировой войны, когда
исследования в этой области были сосредоточены на создании атомной
бомбы. Как мы знаем, впервые это «чудо техники» было апробировано
американцами в 1945-ом. Хотя в те же военные годы был пущен и первый в
мире «мирный» реактор, работающий по тому же принципу и используемый в
целях производства электроэнергии. И сделали это те же американцы,
осуществив процесс постройки и запуска ядерного реактора под
руководством Энрико Ферми — лауреата Нобелевской премии 1938 года за
открытия и исследования в области физики, в том числе и ядерной. В
Европе первый ядерный реактор был запущен в 1946 году в Московском
институте атомной энергии, основанном и возглавляемом в то время Игорем
Васильевичем Курчатовым — руководителем работ по отечественной атомной
науке и технике.
А первая в мире опытно-промышленная АЭС начала
свою работу в июне 1954 года в городе Обнинске. Ее пуск положил начало
новому направлению в энергетике, получившему мировое признание после
Женевской конференции 1955 года.
Сейчас в мире производится
столько же атомной энергии, сколько в 60-е годы XX века — всеми видами
энергетических источников в совокупности. К 2000 году выработка ядерной
энергии возросла до 2 447 миллиардов киловатт, что на 15% больше, чем в
1994 году.
Примерно одна тонна природного урана после
необходимой переработки способна обеспечить получение 45 000 000
киловатт-часов — это же количество энергии получается при сжигании 20
000 тонн угля и 30 000 000 кубометров газа.
А при добыче
урановой руды водный экологический баланс Земли, как это ни странно,
нарушается гораздо меньше, чем при добыче угля.
С другой
стороны, их строительство обходится намного дороже, чем, например, ТЭС
или ГЭС. Да и ущерб, причиняемый выбросами и утечками радиоактивных
изотопов, настолько велик, а ликвидация его настолько дорогостояща, что
это не может не вызвать неоднозначного отношения мировой науки к
эффективности использования атомной энергии.
Атомоходы
Главным
источником энергии как на надводных, так и на подводных атомоходах,
служит ядерная силовая установка. ЯСУ состоит из ядерного реактора с
необходимым оборудованием и паро- или газотурбинной установки.
Первой
стратегической величиной в 1949 году стала американская подводная лодка
с ядерным реактором на борту. Первый атомоход невоенного назначения —
советский ледокол «Ленин» (1959 год). Со временем стали строиться и
более мощные атомные суда невоенного назначения — это атомные ледоколы
«Арктика» и «Сибирь» в СССР, а также транспортные атомоходы «Саванна»
(США), «Отто Ган» (ФРГ) и «Муцу» (Японии). И все же преимущественно ЯСУ
получили распространение на подводных лодках.
Это объясняется
тем, что для их работы не требуется кислород, а значит, подводные лодки
могут очень длительное время находиться в состоянии погружения.
Помимо
этого, ЯСУ дают возможность практически не ограничивать дальность
плавания, развивать и поддерживать немалую скорость. К тому же
компактность ЯСУ играет далеко не последнюю роль. Преградой для
радиоактивного излучения реактора служат две защитные оболочки. Первая
закрывает корпуса реактора, вторая — парогенераторное оборудование,
систему очистки и контейнеры для отходов.
В общей сложности в
мире на сегодня существует более 200 судов различного назначения с 400
ядерными энергетическими установками на борту. Россия располагает 8
атомными ледоколами.
Ядерный реактор
(один из современных ядерных реакторов)
Это устройство предназначено для осуществления и поддержания управляемой цепной ядерной реакции. Принципы использования ядерных реакторов для производства электричества те же, что и большинства других подобных систем. Энергия,
полученная при расщеплении атомов, используется для нагрева воды и
получения пара. Пар приводит в действие турбины, которые и производят
электроэнергию. Основными составляющими элементами ядерного реактора
являются: Активная зона, где сосредоточено ядерное топливо и происходит реакция деления ядер, сопровождающаяся выделением энергии; Теплоноситель — жидкое или газообразное вещество, необходимое для поддержания нужной температуры при вылете из активной зоны; Отражатель нейтронов — приспособление для уменьшения потерь нейтронов при вылете из активной зоны; Биологическая защита — система охраны работающих на АЭС людей от воздействия ядерных излучений. В
активной зоне большинства типов реакторов находятся, помимо топлива,
модератор (материал, замедляющий нейтроны, полученные при расщеплении,
для еще большего их расщепления; модератором часто служит так
называемая «тяжелая» вода или графит) и контрольные стержни, сделанные
из поглощающих нейтроны материалов, таких как кадмий, гафний или карбит
бора. Стержни размещаются в активной зоне или достаются из нее для
контроля уровня реакции или ее остановки. Ядерные реакторы делятся на
два основных типа — гетерогенный и гомогенный. Первый — наиболее
распространен и представляет собой реактор, в котором ядерное топливо
распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми
находится замедлитель нейтронов. Второй тип реакторов — гомогенный
— применяется гораздо реже из-за технологических и конструктивных
сложностей. В его основе лежит принцип, при котором ядерное топливо и
замедлитель образуют однородную (по ядерно-физическим свойствам) среду
для нейтронов. Эта смесь может быть жидким раствором (или суспензией)
ядерного топлива и замедлителя.
Цикл ядерного топлива
Основным
энергоносителем АЭС является природный уран (U). Его производство —
процесс, называемый циклом ядерного топлива. Начинается он с добычи
урановой руды, которая затем перемалывается, образуя новое соединение —
оксид урана (U3O2), или желтый кек, подвергающийся обогащению. Для
этого его переводят в газообразную форму — в состояние уранового
гексафторида (UF6). Обогащение — процесс необходимый, так как только
0,7% природного урана подвергается расщеплению, необходимому для
производства энергии. Природный уран содержит два изотопа
(разновидности атомов одного химического элемента, атомные ядра которых
содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов), один из
них — 235U — способен расщепляться, другой — 238U — нет. Для
функционирования ядерного реактора необходимо, чтобы концентрация 235U
была несколько большей, чем содержится в природном виде. В процессе
обогащения и происходит доведение концентрации этого изотопа до 3,5 —
5%, при этом нерасщепляемый изотоп удаляется на 85%. Это
достигается разделением уранового гексафторида (UF6) на два потока:
первый, обогащенный до нужного уровня, называется низкообогащенным
ураном, а второй, обедненный, — «хвостами». Далее изготовливаются
тепловыделяющие элементы — ТВЭЛы. После того как обогащенный уран (UF6)
поступает на специализированное предприятие, происходит процесс его
перевода в двуокись урана (UO2), лежащий в основе производства гранул,
по форме напоминающих очень большие таблетки, получаемые путем
прессования UO2 при температуре более 1 400°C. Затем «таблетки»
помещают в специальные стержни, в оболочке которых используются слабо
поглощающие нейтроны материалы (цирконий и алюминий). Готовые к
употреблению ТВЭЛы объединяются в реакторах в особые группы, образующие
так называемые сборки, или кассеты. Внутри ядерного реактора атомы
235U, упакованные в ТВЭЛы, расщепляются и высвобождают энергию,
трансформирующуюся в электрическую. Отработанное топливо удаляют из
реактора спустя год с момента загрузки. Топливные стержни, продолжающие
излучать радиацию, помещают в водные резервуары, остужающие их и
«смягчающие» тем самым уровень радиации. Так стержни хранятся от
нескольких месяцев до нескольких лет. После отработки ядерное
топливо содержит в себе 95% 238U, около 1% не прошедшего расщепления
235U, 1% плутония (вновь образовавшееся ядерное топливо) и 3%
высокорадиоактивных продуктов деления. Воспроизводство отработанного
топлива — это его очистка от радиоактивных продуктов деления, а также
извлечение неиспользованной части урана и плутония. На обогатительном
заводе происходит повышение содержания 235U. Те же продукты
расщепления, которые были отделены в процессе воспроизводства, после
выпаривания или отверждения направляются в спецхранилища.
Ядерные отходы и их утилизация
В зависимости от количества излучаемой энергии ядерные отходы делятся на три категории: низко-, средне- и высокосодержащие. Низкосодержащие
в основном образуются на предприятиях, перерабатывающих урановую руду,
и в специальных системах вентиляции и канализации. Среднесодержащие включают в себя составляющие реакторов, другое оборудование АЭС, загрязненные материалы, спецодежду и т.д. Высокосодержащие — это отработанное ядерное топливо, а также соединения, образующиеся в процессе его воспроизводства. Ядерные отходы бывают газообразными, жидкими и твердыми. Газообразные
— это выбросы, содержащие летучие соединения радиоактивных изотопов, а
также образующиеся радиоактивные аэрозоли. Их после очистки удаляют в
атмосферу через вентиляционную трубу. Жидкие — это в основном те,
что возникают в процессе воспроизводства ядерного топлива. Они, как
правило, очищаются от радиоактивных изотопов с помощью методов
коагуляции, ионного обмена и выпаривания, концентрируются до
минимальных объемов и либо захораниваются в герметичных емкостях из
нержавеющей стали, либо переводятся в твердые, не растворимые в воде
формы, либо хранятся в специальных резервуарах в виде солевых
концентратов для повторного промышленного использования. Твердые —
это не поддающиеся отмыванию загрязненные материалы, использованная
спецодежда, а также отходы процесса добычи и переработки урановой руды
и производства топлива. Металлические конструкции, предварительно
переплавленные, зачастую используют для повторного применения, так как
после переплавки все радиоактивные соединения удаляются вместе со
шлаками. Другие твердые отходы переносятся в бетонные траншеи, где их
цементируют, битумируют, остекловывают или захоранивают в контейнерах
из нержавеющей стали. Если их предполагается хранить десятки лет, то в
специальных траншеях, а если сотни — то в подземных выработках и в
соляных пластах. Но все перечисленные выше способы утилизации и
хранения ядерных отходов не могут считаться ни окончательно надежными,
ни абсолютно безопасными, ведь и металл, используемый в качестве
«панциря» для смертоносного «мусора», подвергается коррозийному
воздействию, бетон и стекло, которыми его укутывают, не вечны, в то
время как распад радиоактивных элементов занимает сотни тысяч лет, а
объемы накопленных отходов продолжают расти. Предполагается, что в 2030
году в результате работы АЭС по всему миру их накопится более 500 000
тонн. Именно поэтому специалисты всего мира ищут пути выхода из
этой критической ситуации. Экологи яростно выступают в поддержку полной
ликвидации всех АЭС и запрещения использования энергии атома, медики с
тревогой отмечают растущее число заболеваний и генетических изменений в
человеческом организме вследствие возрастающего воздействия радиации. И
всех их можно понять, ведь от того, насколько ответственно и серьезно
нынешние жители Земли отнесутся к проблеме защиты нашей планеты от
возможных аварий, утечек, разгерметизации захораниваемых ядерных
отходов, зависит не только наша жизнь и жизнь наши детей, но и всех
тех, кто станет нашими далекими потомками.
