Атомные электростанции (АЭС) являются ключевым элементом ядерной энергетики — отрасли, которая преобразует энергию атомных ядер в электричество и тепло для нужд промышленности и населения.
Что такое ядерная энергия?
В основе ядерной энергетики лежит фундаментальное физическое явление — выделение энергии при изменении структуры атомных ядер. Протоны и нейтроны в ядре удерживаются мощными ядерными силами. Энергия, необходимая для их связи, различна для разных элементов. Когда в результате ядерных реакций — деления тяжелых ядер или синтеза легких — образуются новые ядра с более прочной связью, избыток энергии высвобождается в виде кинетической энергии частиц, которая при их торможении преобразуется в тепло. Именно это тепло и используется для генерации энергии. Важно отметить, что энергетическая плотность ядерного топлива колоссальна: один грамм урана выделяет столько же энергии, сколько сжигание более двух тонн угля.
Два пути ядерной энергетики
Существует два основных направления получения ядерной энергии:
1. Энергетика деления, основанная на расщеплении тяжелых ядер (например, урана или плутония) нейтронами.
2. Энергетика синтеза (термоядерная), в которой энергия выделяется при слиянии легких ядер (например, изотопов водорода). На сегодняшний день промышленное применение нашел только первый способ.
Ядерный реактор: сердце АЭС
Для управления цепной реакцией деления используются сложные инженерные сооружения — ядерные реакторы. Первый в мире реактор был запущен в 1942 году в США под руководством Энрико Ферми, а в СССР аналогичное достижение принадлежит коллективу Игоря Курчатова (1946 год).
Цепная реакция поддерживается, когда нейтроны, вылетающие при делении одного ядра, вызывают деление следующих. Для этого необходима определенная критическая масса делящегося вещества и соответствующие размеры активной зоны реактора. Основным природным топливом является изотоп уран-235, однако его содержание в природном уране составляет лишь 0.7%. Остальное — уран-238, который плохо делится.
Типы реакторов: медленные и быстрые нейтроны
Чтобы «заставить» работать природный уран, нейтроны нужно замедлить до тепловых скоростей, при которых уран-235 эффективно их поглощает. Для этого в реактор помещают замедлитель — графит, тяжелую или обычную воду. Такие установки называются реакторами на тепловых нейтронах.
В реакторах на быстрых нейтронах замедлитель отсутствует. Они работают на обогащенном уране (с повышенной долей U-235) или плутонии и обладают уникальной способностью «размножать» топливо, преобразуя неделящийся уран-238 в плутоний-239. Для охлаждения в них часто используют жидкий натрий. Первый такой промышленный реактор был запущен в СССР в 1972 году в Шевченко.
Устройство и работа АЭС
Конструктивно реакторы делятся на гомогенные (топливо и замедлитель представляют однородную смесь) и гетерогенные (топливо в виде отдельных тепловыделяющих элементов — ТВЭЛов — размещено в замедлителе). Помимо топлива и замедлителя, реактор включает теплоноситель для отвода тепла, систему регулирования (поглощающие стержни) и защитную оболочку.
На атомной станции тепло, выделяемое в активной зоне реактора, нагревает воду в теплообменнике. Образовавшийся пар вращает турбину, соединенную с электрогенератором. Часть тепла может также использоваться для отопления.
История и развитие атомной энергетики в СССР/России
Отправной точкой стала первая в мире Обнинская АЭС мощностью 5 МВт, запущенная в 1954 году. Затем последовало масштабное строительство мощных станций:
• Белоярская АЭС (полная мощность 900 МВт достигнута к 1980 г.)
• Кольская АЭС (1760 МВт)
• Нововоронежская АЭС (2455 МВт)
• Ленинградская АЭС (4000 МВт)
• Курская и Смоленская АЭС.
К середине 1980-х годов выработка электроэнергии на АЭС в СССР превысила 160 млрд кВт·ч в год. Для серийного производства реакторного оборудования был построен гигантский завод «Атоммаш».
Применение за пределами энергетики
Ядерные реакторы нашли применение не только в стационарной энергетике. Они являются источником энергии для атомных ледоколов, подводных лодок и даже некоторых космических аппаратов.
Безопасность и будущее отрасли
Вопросы надежности и безопасности всегда были приоритетными в атомной энергетике. После аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году были значительно усилены меры защиты и контроля. Создано специализированное министерство для управления отраслью. Важное место занимает международное сотрудничество, в том числе в области разработки реакторов нового поколения и перспективных исследований по управляемому термоядерному синтезу, который в будущем может стать практически неисчерпаемым и чистым источником энергии для человечества.