Экономические войны в атомной энергетике. Часть 2. Физические основы получения ядерной энергии.
Содержание:
Часть 1. Введение.
Часть 2. Физические основы получения ядерной энергии.
Часть 3. Технологии в атомной энергетике.
I. Ядерный топливный цикл
II. Ядерный реактор
Часть 4. Лидеры отрасли. Статистика по игрокам.
Часть 5. Методы ведения экономических войн.
Часть 6. Росатом и другие.
I. АЭС «Белене» и «Темели́н»
II. АЭС «Хурагуа»
Часть 7. Что дальше?
I. Новые технологии в атомной отрасли
II. Организационные подходы в развитии атомной отрасли
III. Поля экономической войны ближайшего будущего в ядерной энергетике
Часть 8. Заключение
Итак, в Части 1. Введение мы сделали краткое вступление к серии постов, посвященных экономической войне в сфере атомной энергетики. В данном материале мы кратко расскажем о физических основах получения энергии с помощью ядерных реакций деления, и дадим информацию про устройство современной АЭС.
Физические основы получения ядерной энергии
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония, реже других тяжёлых ядер (уран-238, торий-232).Процесс деления ядра, например урана-235, можно объяснить на основе капельной модели ядра. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться. Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения.
Click to view«Ядерные реакции» - Леннаучфильм-1988г. Учебный фильм рассказывает о превращении атомных ядер и о делении ядер урана.
После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света.
Рис. 3 Деление ядер урана.
При этом освобождается огромное количество энергии. Кроме того, в процессе расщепления выделяются нейтроны, которые в свою очередь могут расщепить другие атомы урана и вызвать цепную ядерную реакцию. Ядерная реакция деления урана весьма эффективна и далеко превосходит самые бурные химические реакции. Так, например, при распаде молекулы тротила выделяется 10 электрон-вольт энергии, а при распаде ядра урана - 200 млн. электрон-вольт, т.е. в 20 млн. раз больше.
Управляемая реакция деления ядер урана или плутония является основой для получения энергии. Что значит управляемая? Это значит, что с помощью специальных технических средств (замедлителей) скорость распада поддерживается постоянной для а) поддержания стабильности в активной зоне реактора (недопущения неуправляемой реакции деления) б) поддержания стабильной температуры, так как при ядерной реакции выделяется тепло. Тепло образующееся при ядерной реакции, используется для получения электрической энергии.
Кроме реакции распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра, существует способ получения энергии через синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких - Управляемый термоядерный синтез (термояд). Однако, в настоящее время в промышленной эксплуатации для получения энергии используется только реакции распада. Термояд пока еще находится в стадии исследований и разработки технологии. Реальные возможности овладения синтезом и начала промышленной эксплуатации термоядерных реакторов отодвигаются на дальнюю перспективу. К этому времени удастся подобрать необходимые материалы и отработать безопасную его эксплуатацию. Работы в данном направлении ведутся в рамках ITER (изначально аббр. от англ. International Thermonuclear Experimental Reactor, ИТЭР) - проект международного экспериментального термоядерного реактора, в котором активное участие принимает и Россия.
Общее устройство атомной электростанции
Атомная электростанция - это комплекс различных сооружений, каждое из которых служит определенной цели. Главное устройство станции - реактор, который вместе с сопутствующим оборудованием размещается внутри энергоблока. Вначале при постройке станции строится 1 или 2 энергоблока, затем по мере окончания строительства или ожидания в регионе дефицита мощности достраиваются следующие блоки.
Типичная АЭС обычно состоит из нескольких энергоблоков. Энергия выводится из реактора при помощи рабочей жидкости, которой в основном является вода (очищенная от всех примесей). В активной зоне реактора (после извлечения графитовых стержней-поглотителей реакции) ядра атомов делятся на мелкие частицы (нейтроны), выделяя тепло. Рабочая жидкость нагревается, образуя пар, который приводит в движение турбину генератора. Полученное электричество через распределительные системы подается на линии электропередач.
Схема 1. Общая схема АЭС. [Источник.]
Попадание радиоактивных веществ за пределы реакторного зала исключено, поскольку рабочая жидкость первого контура (омывающая ядерные топливные элементы) не соприкасается с рабочей жидкостью второго контура (парогенератора). Передача тепловой энергии происходит в системе теплообменных трубок.
Одним из важнейших сооружений АЭС является корпус по хранению и переработке отходов. Топливо, уже побывавшее в реакторе, называется облученным. В нем остается незначительное количество полезного урана, поскольку он выгорает во время ядерной реакции. Такое топливо помещают во временное хранилище, а через несколько лет вывозят на длительное хранение или перерабатывают для получения урана и последующего его использования на АЭС.
При выборе площадки для строительства нужно совместить влияние нескольких факторов. В первую очередь - текущие и перспективные энергопотребности региона. Нет никакого смысла сооружать АЭС там, где вырабатываемая ею электроэнергия никем не востребована. Следует также иметь в виду, что режим эксплуатации современных АЭС не предусматривает частых пауз - они останавливаются лишь для проведения плановых или вынужденных ремонтно-профилактических работ (не чаще, чем раз в полгода). Поэтому АЭС эффективны для использования там, где в числе потребителей есть энергоемкие предприятия непрерывного рабочего цикла либо крупные населенные пункты [Источник]. Еще одним важнейшим фактором является наличие воды для охлаждения активной зоны и работы парогенераторов.
Сама постройка и эксплуатация АЭС требует очень высокой степени безопасности и стабильности района её нахождения и обеспечивается множеством факторов.
Выбор безопасной площадки предполагает, в частности, определение прогнозируемого уровня сейсмического воздействия, который вычисляется отдельно для каждой площадки и каждого блока. Исходя из этого прогноза, осуществляется выполнение соответствующих расчетов для строительных конструкций. Обязательным условием является «незатопляемость» территории при любом уровне паводковых вод. Совершенно необходима простая и удобная связь с железной дорогой, пользоваться которой придется как при строительстве (подвоз строительных материалов и оборудования), так и в процессе эксплуатации (доставка свежего, вывоз отработавшего ядерного горючего, завоз реагентов и т. п.). [Источник]
Схема 2. Безопасность АЭС. Технические решения проектов АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ. [Источник]
И это еще далеко не всё что приходится делать для того, чтобы только найти подходящий район и запроектировать АЭС под конкретную местность. Тем не менее, несмотря на объем работ и огромные расходы всё больше государств видят в атомной энергетике подспорье не только в борьбе с дефицитом электроэнергии, но и как дополнительный источник теплоэнергии (особенно северные страны и в первую очередь РФ) и пресной воды (данный фактор актуален конечно для засушливых районов планеты). Государства (и государственные энергетические компании) готовы платить за постройку и обслуживание АЭС большие деньги, а потому за подряды на постройку и обслуживание идёт ожесточенная борьба, которую не видно на первый взгляд.[Источник]
Серьёзной проблемой для АЭС также является их ликвидация после выработки ресурса, по оценкам она может составить до 20% от стоимости их строительства.
Кафедра Экономической войны - Екатеринбург