Перші атомні електростанції та історія атомної енергетики

Як працює ядерна енергетика? Чи є радіація ризиком? Дізнайтеся різницю між ядерним поділом і синтезом, як уран підживлює процес, а також переваги та недоліки цього джерела енергії.

Ядерна енергія генерується шляхом розщеплення атомів, щоб вивільнити енергію, що міститься в ядрах цих атомів. Цей процес, поділ ядра, генерує тепло, яке спрямовується на охолоджуючий агент — зазвичай воду. Отримана пара обертає турбіну, підключену до генератора, виробляючи електрику.

Близько 450 ядерних реакторів дають близько 11 відсотків світової електроенергії. Країни, які виробляють найбільше ядерної енергії, це – Сполучені Штати, Франція, Китай, Росія та Південна Корея.

Найпоширенішим паливом для ядерної енергетики є уран, метал, який у великій кількості зустрічається у всьому світі. Видобутий уран переробляється в U-235, збагачений варіант, який використовується як паливо в ядерних реакторах, оскільки його атоми легко розщеплюються.

ЩО ТАКЕ ЯДЕРНА ЕНЕРГІЯ? (Photo: https://u.osu.edu)

У ядерному реакторі нейтрони — субатомні частинки, які не мають електричного заряду — стикаються з атомами, викликаючи їх розщеплення. Це зіткнення, яке називається ядерним поділом, вивільняє більше нейтронів, які реагують з більшою кількістю атомів, створюючи ланцюгову реакцію. Побічний продукт ядерних реакцій, плутоній, також може використовуватися як ядерне паливо.

Типи ядерних реакторів

Більшість ядерних реакторів є або реакторами з киплячою водою, в яких вода нагрівається до температури кипіння для виділення пари, або реакторами з водою під тиском, в яких вода під тиском не кипить, а передає тепло до вторинного водопостачання для виробництва пари. Інші типи ядерних енергетичних реакторів включають реактори з газовим охолодженням, які використовують вуглекислий газ як охолоджувач і вони поширені у Великобританії, а також реактори на швидких нейтронах, які охолоджуються рідким натрієм.

Історія ядерної енергетики та перші атомні електростанції

Ідея ядерної енергетики виникла в 1930-х роках, коли фізик Енріко Фермі вперше показав, що нейтрони можуть розщеплювати атоми. Фермі очолив команду, яка в 1942 році досягла першої ядерної ланцюгової реакції під стадіоном Чиказького університету.

За цим послідувала низка віх у 1950-х роках: перша електроенергія, вироблена з атомної енергії в експериментальному реакторі-розмножувачі в Айдахо в 1951 році.

Потім виникнули перші атомні електростанції: перша атомна електростанція в місті Обнінськ в колишньому Радянському Союзі в 1954 році; і перша комерційна атомна електростанція в Шіпінгпорті, штат Пенсільванія, у 1957 році.

Перші атомні електростанції: Обнінська атомна електростанція (Photo: rosatomnewsletter.com)

Перші атомні електростанції

27 червня 1954 року в Обнінську в Радянському Союзі почала роботу перша в світі атомна електростанція, яка виробляла електроенергію для електромережі – Обнінська атомна електростанція.

Перша в світі повномасштабна електростанція, Колдер Хол у Сполученому Королівстві, була відкрита 17 жовтня 1956 року.

Перша в світі повномасштабна електростанція, яка була призначена виключно для виробництва електроенергії (Колдер Холл також мала виробляти плутоній) атомна електростанція Shippingport у Пенсільванії, США — була підключена до мережі 18 грудня 1957 року.

Перші атомні електростанції: атомна електростанція Shippingport у Пенсільванії, США (Photo: newsinteractive.post-gazette.com)

Атомна енергетика, зміна клімату та майбутні проекти

Атомна енергетика не вважається відновлюваною енергією, враховуючи її залежність від видобутого, обмеженого ресурсу, але оскільки діючі реактори не виділяють жодного з парникових газів, які сприяють глобальному потеплінню , прихильники кажуть, що це слід розглядати як рішення щодо зміни клімату.

Наприклад, новий дослідник National Geographic Леслі Деван хоче відродити реактор на розплавленій солі, який використовує рідкий уран, розчинений у розплавленій солі, як паливо, стверджуючи, що він може бути безпечнішим і менш дорогим, ніж реактори, які використовуються сьогодні.

Інші працюють над невеликими модульними реакторами, які можуть бути портативними та простішими у будівництві. Такі інновації спрямовані на порятунок промисловості, яка перебуває в кризі, оскільки нинішні атомні електростанції продовжують старіти, а нові не можуть конкурувати за ціною з природним газом і відновлюваними джерелами, такими як вітер і сонце.

Перші атомні електростанції будувалися на реакціях поділу. Проте Святий Грааль майбутнього ядерної енергетики включає ядерний синтез, який генерує енергію, коли два легких ядра сполучаються разом, утворюючи єдине, більш важке ядро. Термоядерний синтез міг би доставити більше енергії більш безпечно і з набагато меншою кількістю шкідливих радіоактивних відходів, ніж поділ, але лише невеликій кількості людей. Такі організації, як ITER у Франції та Інститут фізики плазми Макса Планка, працюють над комерційно життєздатними версіями.

Ризики ядерної енергетики

Коли зявилися перші атомні алектростанції – виникли й перші ризики. Заперечуючи проти ядерної енергетики, опоненти вказують на проблеми ядерних відходів і привид рідкісних, але руйнівних ядерних аварій, таких як Чорнобиль у 1986 році та Фукусіма в 2011 році.

Смертельна Чорнобильська катастрофа в Україні сталася, коли недоліки конструкції реактора та людська помилка спричинили стрибок напруги та вибух на одному з реакторів. У повітря було викинуто велику кількість радіації, і сотні тисяч людей були змушені покинути свої домівки. Сьогодні територія, що оточує Чорнобиль, відома як зона відчуження, відкрита для туристів, але населена лише різними видами дикої природи.

У випадку з японською Фукусіма-Даїчі наслідки землетрусу і цунамі в Тохоку спричинили катастрофічні збої на станції. Кілька років по тому навколишні міста намагаються відновитися, евакуйовані люди все ще бояться повертатися, а недовіра громадськості переслідувала зусилля з відновлення атомної електростанції, незважаючи на запевнення уряду, що більшість районів перебуває у безпеці.

Інші аварії, такі як часткова аварія на острові Три Майл-Айленд у Пенсільванії в 1979 році, залишаються жахливими прикладами радіоактивних ризиків ядерної енергетики. Катастрофа у Фукусімі, зокрема, підняла питання про безпеку електростанцій у сейсмічних зонах, таких як Вірменська Мецаморська електростанція.

Інші питання, пов’язані з ядерною енергетикою, включають те, де і як зберігати відпрацьоване паливо або ядерні відходи, які залишаються небезпечно радіоактивними протягом тисяч років. Атомні електростанції, багато з яких розташовані на узбережжях або поблизу них через близькість до води для охолодження, також стикаються з підвищенням рівня моря та ризиком більш екстремальних штормів через зміну клімату.

У якому році було збудовано першу атомну електростанцію

Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.

Светлане Плачковой посвящается

Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.

Книга 4. Развитие атомной энергетики и объединенных энергосистем

Енергію атома, про руйнівну силу якої світ уже знав після Хіросіми і Нагасакі, ще на початку 50-х років ХХ століття передбачали використовувати у мирних цілях. У той період ще не було вирішено питання про те, на якому урані, – природному або збагаченому, – розвиватиметься атомна енергетика. Головним аргументом на користь використання природного урану було відтворення вторинного ядерного палива – плутонію – в тому ж реакторі. Це могло сприяти швидкому досягненню необхідного рівня економічності та конкурентоспроможності атомних електростанцій. Але технічні труднощі забезпечення достатньо високої термодинамічної ефективності були великі. У той же час використання збагаченого урану дозволяє підвищити температуру теплоносія, набагато підняти енергонапруженість реактора при порівняно невеликих його розмірах. Ці обставини були вирішальними при виборі ядерного палива перших АЕС. Тепло, отримуване від ядерного реактора, що відіграє роль топки парового котла звичайної теплової електростанції, використовується для вироблення електроенергії. З активної зони реактора (тепловиділяючих елементів) тепло відводиться охолоджуючим середовищем (теплоносієм), що циркулює по замкнутому контуру (первинний контур енергетичного реактора). Таким теплоносієм може бути рідина (вода) або газ. Електрична частина атомної електростанції мало відрізняється від електричної частини звичайної теплової електростанції.

Мал. 18.1. Перша в світі промислова атомна електростанція в м. Обнінську Мал. 18.2. Схема першої атомної електростанції АН СРСР: 1 – реактор; 2 – парогенератор; 3 – турбогенератор; 4 – конденсатор турбіни; 5 – пусковий конденсатор; 6 – деаератор; 7 – додатковий бак для води; 8 – компенсатор об’єму; 9 – циркуляційний насос первинного контуру; 10 – живильний насос другого контуру; 11 – насоси конденсату; 12 – циркуляційний насос охолоджуючої води; 13 – підживлюючий насос; А – вода первинного контуру (100 атм); В – пара (12,5 атм); D – стисле повітря; Е – охолоджуюча вода Перша у світі промислова атомна електростанція потужністю 5000 кВт була запущена в СРСР 27 червня 1954 р. у невеликому провінційному містечку Обнінську в 100 кілометрах на південь від Москви (мал.18.1). Вперше було доведено можливість виробництва електричної енергії на основі розщеплення ядер урану, а не за рахунок спалювання органічного палива або гідравлічної енергії. Наукове керівництво роботами з її створення здійснював академік І.В. Курчатов. Основою станції був ядерний реактор на теплових нейтронах з графітовим уповільнювачем; паливо – збагачений уран, що містив 5% ізотопу уран-235, – розміщувалося у вигляді окремих блоків у графітовому уповільнювачі, утворюючи 128 робочих каналів. Усередині кожного каналу знаходилися тонкостінні сталеві трубки, якими протікав теплоносій. Загальна кількість завантажуваного урану – 550 кг, що забезпечувало роботу станції протягом 100 діб. Середній потік теплових нейтронів в активній зоні складав 5·10 13 нейтронів/см 2 ·с, витрата атомного пального урану-235 – 30 г/добу. Номінальна теплова потужність реактора дорівнювала 30000 кВт. Реактор був вміщений у сталевий кожух, заповнений графітовою кладкою, що покоїлась на бетонній основі. Під час роботи графіт нагрівався до 500–600°С. Щоб уникнути вигорання графіту, щілини кладки заповнювалися інертним газом – гелієм або азотом. Теплоносієм служила дистильована вода високого очищення. Технологічна схема станції складалася з 2 контурів тепловідводу (мал. 18.2). Вода першого контура, що циркулювала через реактор під тиском 100 атм, нагрівалася до 280°С. Вода відводить тепло з реактора і через систему парогенераторів віддає його воді другого контура, яка, перетворюючись на пару, приводить у дію турбоагрегат. Охолоджена до 190°С вода первинного контура циркуляційними насосами повертається у реактор. Три насоси забезпечують безперервну подачу 300 т води на годину через реактор. При номінальній потужності реактора виробляється 40 т пари на годину з тиском 12,5 атм і температурою 250–260°С.Управління реактором здійснювалося регулюючими стрижнями з карбіду бору (В 4 С). Загальна кількість управляючих стрижнів – 24, дві пари стрижнів підтримували автоматично заданий рівень потужності реактора, два стрижні забезпечували аварійний захист, вільно падаючи в активну зону реактора для припинення ланцюгової ядерної реакції поділу урану. Станція управлялася з центрального пульту, на якому були змонтовані регулятори і покажчики найважливіших контрольованих параметрів, що характеризують роботу атомної станції.
Один з проектів меморіалу Обнінської АЕС В Англії (Колдер-Холл) наприкінці 1956 р. була пущена перша в країні промислова атомна станція потужністю 42 тис. кВт (теплова потужність 180 тис. кВт) з графітовим уповільнювачем (мал. 18.3). На цій станції тепло з реактора відводилося вуглекислим газом (СО 2 ) під тиском 7 атм, що циркулював через активну зону і 4 теплообмінники (парогенератори). Температура газу на виході з реактора складала 330°С. Пара з парогенераторів приводила в дію дві парові турбіни потужністю 20–23 тис. кВт кожна. У США наприкінці 1957 р. пущена атомна електростанція потужністю 60 тис. кВт в Шиппінгпорті. Основним елементом станції є реактор на теплових нейтронах, в якому уповільнювачем і теплоносієм є звичайна вода під тиском 140 атм. Паливо із збагаченого урану або його двооксиду поміщене у сталеві або цирконієві трубки (стрижні). Температура поверхні паливних стрижнів досягає 315°С. Вода під тиском циркулює через активну зону реактора і зовнішній теплообмінник, в якому утворюється пара з температурою 255°С і тиском 40 атм (мал. 18.4). 29 квітня 2002 року, об 11 год. 31 хв. за московським часом назавжди було заглушено реактор першої в світі атомної станції в місті Обнінську Калузької області, що пропрацювала 48 років. Так вирішив уряд Росії винятково з економічних міркувань. Конструкція атомної електростанції виявилася дуже надійною: за весь час її експлуатації не було жодного серйозного порушення в роботі. Але зупинка ядерного реактора поставила перед вченими і фахівцями низку нових проблем, які доводилося вирішувати вперше, наприклад, проблеми розбирання сильно випромінюючого корпусу реактора і його поховання. Планується після завершення всіх робіт по виведенню станції з експлуатації на її території створити музей – пам’ятник можливостям людського розуму.
Першій в світі атомній електростанції присвоєно статус пам’ятника історії й культури Росії. Охолоджування водою під високим тиском вперше використане в експериментальному реакторі «Марк-1», запущеному 31 травня 1953 р. Реактор «Марк-1» був прототипом реактора для підводних човнів серії «Наутілус», перший з яких спущено на воду в січні 1955 р. Паливо, на самому початку завантажене в ядерний енергетичний реактор підводного човна, не поповнювалося більше двох років; за цей час човен пройшов більше 60000 морських миль. Жорсткі вимоги до розмірів енергетичної установки підводного човна у вигляді ядерного реактора з водою як уповільнювачем примусило використовувати уранове паливо, сильно збагачене ураном-235, що дозволило сконструювати активну зону невеликого розміру. Мал. 18.3. Будова атомної електростанції «Колдер Холл»: 1 – будівля реактора №1; 2 – будівля реактора №2; 3 – турбінний зал; 4 – конденсатори; 5 – акумулятори; 6 – адміністративний корпус; 7 – теплообмінники; 8 – газодувки; 9 – градирні. Мал. 18.4. Схема атомної електростанції з водяним реактором: 1 – реактор; 2 – парогенератор; 3 – турбіна; 4 – електричний генератор; 5 – конденсатор; 6 – живильний насос; 7 – підживлювальний насос; 8 – підживлююча місткість; 9 – фільтр; 10 – холодильник; 11 – компенсатор тиску; 12 – циркуляційний насос Реактор і чотири теплообмінники атомної станції в Шиппінгпорті (штат Пенсільванія) повністю вміщені в сталеві контейнери і розміщені під землею. Оскільки досвід експлуатації реакторів з водою під тиском, встановлених на підводному човні «Наутілус», та їх прототипу «Марк-1» був успішним, то реактори такого типу з різним ступенем збагачення палива ураном-235 стали основою майбутніх енергетичних АЕС. А що ж далі? Уранова руда не може бути використана безпосередньо для отримання енергії, як це відбувається при спалюванні вугілля, нафти або газу. Щоб мати паливо для ядерного реактора, необхідний цілий ланцюжок технологічних операцій від видобування уранової руди із земних надр, її збагачення і отримання оксиду урану до збагачення ураном-235 і виготовлення паливних пігулок, тепловиділяючих елементів (твелів) і тепловиділяючих збірок. Для цього потрібно створити атомну індустрію від гірничозбагачувального комбінату до сховищ відпрацьованого ядерного палива атомних електростанцій або продуктів його переробки – радіоактивних відходів. Відпрацьоване ядерне паливо і радіоактивні відходи є сумішшю високорадіотоксичних елементів з дуже низькою гранично допустимою концентрацією у воді та повітрі, які повинні ізолюватися від біосфери. Іншими словами, необхідно створити ядерний паливний цикл атомної енергетики, що вимагає значних капіталовкладень. Створення атомної індустрії стало історичним прикладом вирішення загальнонаціональних проблем, в якому брали участь не лише вчені, але й політики різних рангів. Досвід експлуатації перших АЕС показав реальність і надійність ядерно-енергетичної технології для промислового виробництва електроенергії. Найбільш розвинені індустріальні держави приступили до проектування і будівництва АЕС з реакторами різних типів у порядку промислового експерименту. До 1964 р. сумарна потужність АЕС досягла 5000 МВт, тобто за 10 років зросла в 1000 разів. Основний підсумок розвитку атомної енергетики за цей період часу полягав у тому, що собівартість електроенергії АЕС і теплових електростанцій виявилася рівною. З того часу атомна енергетика починає робити помітний внесок у загальне виробництво електроенергії.

• Введение
• ЧАСТЬ 1. Атомная энергетика
  • Раздел 1. Развитие атомной энергетики
  • Раздел 2. Ядерные реакторы
    • 2.1. Физические основы работы ядерных реакторов
    • 2.2. Общие принципы устройства ядерных реакторов
    • 2.3. Выделение энергии в активной зоне ядерного реактора
    • 2.4. Основные типы ядерных реакторов
      • 2.4.1. Реакторы на тепловых нейтронах
      • 2.4.2. Реакторы на быстрых нейтронах
      • 2.4.3. Исследовательские ядерные реакторы
      • 3.1. Ядерные реакторы на морских судах
      • 3.2. Космические ядерно-энергетические установки
      • 3.3. Атомные станции теплоснабжения
      • 4.1. Тепловые схемы атомных станций
      • 4.2. Главный корпус АЭС
      • 4.3. Радиоактивные отходы
      • 4.4. Ядерный реактор
      • 4.5. Паровая турбина
      • 5.1. Топливный цикл на обогащенном уране
      • 5.2. Плутониевый топливный цикл
      • 5.3. Ториевый топливный цикл
      • 6.1. Экономические основы ядерного топливного цикла
      • 6.2. Основные этапы ядерного топливного цикла
        • 6.2.1. Добыча природного урана
        • 6.2.2. Обогащение урана
        • 6.2.3. Изготовление ядерного топлива, твэлов и тепловыделяющих сборок
        • 6.2.4. Производство твэлов для реакторов на тепловых нейтронах
        • 7.1. Реакторы новых типов
        • 7.2. Новое ядерное топливо
        • 7.3. Создание замкнутого ядерного топливного цикла
        • 7.4. Возможные пути снижения радиотоксичности отработавшего ядерного топлива АЭС
        • 7.5. Вопросы инженерной и экологической безопасности системы реакторов в топливном цикле, замкнутом по актиноидам
        • 8.1. Системы трансмутации, управляемые ускорителем заряженных частиц
        • 8.2. Подкритические системы, управляемые ускорителями протонов
        • 8.3. Перспективы развития систем, управляемых ускорителями заряженных частиц
        • 8.4. Основные аспекты трансмутации
        • Раздел 1. Процесс объединения энергетических систем: основные понятия и назначение
        • Раздел 2. Межсистемные связи – средство эффективного образования энергообъединений
          • 2.1. Возможности использования для межсистемных связей электролиний разного типа
          • 2.2. Воздушные линии электропередачи переменного тока
          • 2.3. Кабельные линии электропередачи переменного тока
          • 2.4. Передача энергии постоянным током высокого напряжения