НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Электроэнергия имеет огромное значение для современной цивилизации. В наше время энергия стала одним из ключей к экономическому развитию государств, а также повышению уровня жизни среднего обывателя, ведь в нашей повседневной жизни, занимаясь любым видом хозяйственной или бытовой деятельности, мы потребляем энергию. Однако, сейчас всё актуальнее встаёт вопрос: как быть, когда привычное ископаемое топливо закончится? Более того, истощение природных ресурсов – это только половина беды. Куда хуже – влияние продуктов горения и переработки на окружающую среду. Именно поэтому сейчас на передний план вышли возобновляемые источники энергии, которые мы подробно осветили в предыдущих статьях:
Но в использовании «зелёной» энергетики основной проблемой остаются дороговизна и сложность обслуживания, а также сомнения в том, хватит ли их мощностей, чтобы покрыть нужды всего человечества. Эти факторы значительно затрудняют глобальный переход на неисчерпаемые ресурсы: ветер, солнце и воду.
Есть и третий путь. Кроме традиционной и «зелёной» энергии существует ещё атомная энергия, в силу сложности своего получения окружённая огромным количеством мифов и почти что суеверным страхом. В этой статье мы попробуем разобраться, что именно представляет собой атомная энергия, какие связанные с ней случаи прогремели на весь мир, а также какие из наших страхов реальны - и есть ли у неё настолько неоспоримые плюсы, чтобы заставить нас эти страхи отринуть.
Атомы устроены как крошечные планетарные системы: в центре находится ядро, а вокруг него вращаются электроны. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов и удерживает их вместе с большой силой, но при бомбардировке нейтроном ядро можно разделить на части. Для деления лучше всего подходят атомы урана, так как связывающая их сила довольно слаба из-за крупного размера самого атома.
Атомная электростанция обычно состоит из:
• ядерного реактора, в котором происходят ядерные реакции с выделением тепла;
• системы охлаждения;
• паровой турбины, которая преобразует тепло в механическую энергию;
• электрического генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую энергию.
На атомных электростанциях нейтроны сталкиваются с атомами урана, расщепляя их. Это расщепление высвобождает нейтроны из урана, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами, вызывая цепную реакцию. Эта цепная реакция контролируется «регулирующими стержнями», которые поглощают лишние нейтроны.
• Цепная реакция производит энергию, которая превращает воду в пар.
• Пар вращает турбину, соединенную с электромагнитом, называемым генератором.
• Давление пара включает генератор, вырабатывающий электричество.
В реакторе с водой под давлением (этот тип называется PWR) высокое давление предотвращает кипение воды в корпусе реактора. Перегретая вода подаётся в парогенератор, который состоит из множества небольших труб. Вода из реактора перекачивается обратно в ёмкость реактора и снова нагревается. Пар из турбины охлаждается в конденсаторе, а образовавшаяся вода отправляется обратно в парогенератор.
Если невозможно конденсировать пар с помощью большого количества воды, то иногда вместо водохранилища используют специальные охладительные башни (градирни), которые являются самой заметной частью атомной станции и обычно изображаются в фильмах или мультфильмах, когда нужно показать станцию.
Существует миф, что в водохранилищах АЭС, где охлаждается используемая для конденсации пара вода, мутируют рыбы и другие подводные обитатели. На самом деле, мутанты в такой акватории завестись не могут, потому что непосредственно охлаждающая реактор вода находится в замкнутой системе, и не перемешивается с водой из самого водохранилища. Более того, при некоторых АЭС организуют рыбные хозяйства. Например, в России это Белоярская и Ростовская станции, а также многие другие, в которых в качестве охлаждающего агента используется диоксид углерода.
В США большинство ядерных реакторов представляют собой реакторы с кипящей водой, в которых вода нагревается до точки кипения для выпуска пара, или реакторы с водой под давлением, где вода под давлением не кипит, а отводит тепло во вторичный источник для производства пара. Другие типы ядерных энергетических реакторов включают реакторы с газовым (такие реакторы используют в Великобритании), и реакторы на быстрых нейтронах, которые охлаждаются жидким натрием. А на российских АЭС наиболее распространены следующие три типа реакторов: РБМК – реактор большой мощности, канальный; ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор; БН – реактор на быстрых нейтронах.
Всего существует несколько типов реакторов, которые активно эксплуатируют: реакторы с тяжелой водой под давлением (PHWR), реакторы с кипящей водой (BWR), графитовые реакторы с лёгкой водой (LWGR), газоохлаждаемые реакторы (GCR) и реакторы на быстрых нейтронах (FBR).
Сама идея получения атомной энергии появилась в 1930-х годах, когда физик Энрико Ферми впервые показал, что нейтроны могут расщеплять атомы. Ферми возглавил одну из двух команд, которые с 1939 года занялись работой над цепной ядерной реакцией. Главой второй команды был Лео Сцилард. Поначалу в США это направление исследований было не самым приоритетным, поэтому львиная доля финансов и «лучших мозгов» страны ушла на разработку радара (радиолокационной станции). Однако, чуть позднее Эйнштейн подписал письмо Лео Сциларда, обращенное к президенту Рузвельту: в нём Сцилард, напуганный созданной в Германии ядерной бомбой, презентовал результаты исследований и говорил о необходимости скорейшего овладения США ядерной энергией. Цепочка этих событий привела к тому, что в 1942 году команда под руководством Ферми осуществила первую цепную ядерную реакцию на базе Чикагского университета, где для проведения этого эксперимента был построен первый в мире искусственный ядерный реактор. За этим последовала серия успехов в 1950-х годах: первое электричество, произведенное с помощью атомной энергии на экспериментальном реакторе-размножителе I (EBR-I) в Айдахо в 1951 году; первая атомная электростанция в городе Обнинск в СССР; и первая коммерческая атомная электростанция в Шиппорте, штат Пенсильвания, в 1957 году.
Тем не менее, почему же столько надежд человечества сосредоточено именно на атомной энергии? Какие у неё преимущества перед энергией от газа и угля, если уран тоже добывается из месторождений?
Поскольку атомные станции получают энергию за счет деления атомов, они не загрязняют воздух продуктами сгорания, в отличие от станций, работающих на ископаемом топливе. Ядерная энергия не считается возобновляемой энергией, учитывая ее зависимость от добываемых конечных ресурсов, но так как действующие реакторы не выделяют парниковые газы, способствующие глобальному потеплению, сторонники говорят, что ее следует рассматривать как решение проблемы изменения климата.
Существует миф, что атомные станции создают постоянный сильный радиационный фон, который пагубно влияет на людей и животных, попадающих в зону заражения. На самом деле, всё вокруг нас радиоактивно, и это не повод для паники. Мы окружены постоянным естественным излучением, которое появилось еще до возникновения нашей планеты. Например, сила влияния космического излучения тем выше, чем выше вы находитесь от поверхности Земли, поэтому уровень радиации в самолете на высоте 10 км больше обычного в 10 раз. Впрочем, если вы не фанаты частых перелётов, то волноваться не о чем. Излучение, исходящее от атомных станций, строго нормируется и в России составляет максимум 20м3в в год (то же, что и 20 снимков на старом рентгеновском оборудовании). И эта норма установлена непосредственно для работников АЭС, ведь для обычных жителей доза облучения не превышает радиационного фона крупного города. Значительное радиационное облучение неподалеку от АЭС может произойти только в случае серьёзной аварии, а при нормальном режиме работы влияние станции на здоровье минимально.
Другим не менее важным обстоятельством является тот факт, что атомные электростанции работают с гораздо более высокими коэффициентами мощности, чем возобновляемые источники энергии или ископаемое топливо. Коэффициент мощности — это показатель того, какой процент времени электростанция фактически производит энергию. Этот коэффициент – проблема для возобновляемых источников энергии, потому что они непостоянны: не всегда светит солнце, не всегда дует ветер.
В США в 2016 году атомные электростанции, которые вырабатывали почти 20 процентов всей электроэнергии страны, имели средний коэффициент использования мощности 92,3 процента. То есть они работали на полной мощности 336 из 365 дней в году. В остальное время они были отключены для обслуживания. Напротив, гидроэлектростанции США обеспечивали электроэнергию 38,2% времени (138 дней в году), ветряные турбины - 34,5% времени (127 дней в году), а солнечные батареи - только 25,1% времени (92 дня в году). А «традиционные» электростанции, работающие на угле или природном газе, вырабатывают электроэнергию только в половине случаев по таким причинам, как стоимость топлива, сезонные и ночные колебания спроса.
Существует миф, что ветряки могут полностью заменить атомную энергию, оставаясь при этом более экологичной формой получения электроэнергии. На самом деле, в ближайшие десятилетия это практически невозможно. К сожалению, в реальном мире при добыче необходимой энергии мы вынуждены выбирать из нескольких зол: глобальное потепление; захоронение токсичных отходов; дороговизна и непостоянность при колоссальных затратах площади. Хотя в последние годы мы значительно продвинулись в добыче «зелёной» энергии, на сегодняшний момент она не в состоянии полностью закрывать наши же потребности. Более того, чистая энергия всё ещё остаётся недостаточно выгодной для многих стран из-за своей дороговизны.
Оговоримся, что здесь мы рассматриваем только непосредственные минусы использования атомной энергии, не беря в расчет косвенные факторы: например, переселение местных жителей на другие территории, изменение рельефа местности или уничтожение растений в процессе строительства, поскольку эти негативные последствия не являются специфическими именно для атомных станций, а могут возникать в процессе строительства и любых других объектов.
Несмотря на то, что атомная энергия всё же обладает рядом неоспоримых преимуществ, выделяющих её на фоне энергии, получаемой из других доступных источников, мы не можем проигнорировать значительные техногенные риски. Здесь мы подробно рассмотрим наиболее примечательные из них. Однако, перед этим стоит упомянуть и те, что в меньшей степени привлекают наше внимание. К ним мы можем отнести так называемый «человеческий фактор». Ведь когда ставки так высоки, любая ошибка может обойтись слишком дорого. Сюда же можно отнести возможный ядерный терроризм (использующий ядерное оружие или радиоактивные материалы), который потребует серьёзных превентивных мер и строгого контроля на всех уровнях.
Теперь перейдем к тем минусам атомной энергии, которые преобладают в общественном сознании, и первые два из них, что сразу приходят на ум, связаны с радиацией:
Главным препятствием для атомной энергетики можно назвать риск возникновения аварии на станции, так как она может привести к катастрофическим последствиям, которые будут влиять на окружающую среду в течение многих лет после происшествия. Подобные аварии происходят очень редко, но несут за собой разрушения такой силы, что это вызывает серьезные опасения для дальнейшего их использования.
С момента появления коммерческой ядерной энергетики в середине 1950-х годов произошли три крупномасштабные аварии с участием ядерных реакторов: Три-Майл-Айленд в Пенсильвании (Three Mile Island Nuclear Station), Чернобыль в Украине (ЧАЭС) и Фукусима в Японии (The Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant).
Смертельная чернобыльская катастрофа в Украине произошла, когда неправильная конструкция реактора и человеческая ошибка в совокупности вызвали скачок напряжения и взрыв на одном из реакторов. Оценки количества жертв противоречивы, причем самые высокие включают и те смерти, которым ещё только предстоит произойти. В отличие от остальных болезней, рак щитовидной железы был официально признан последствием именно чернобыльской катастрофы, поскольку количество заболевших заметно увеличилось в наиболее загрязнённых районах возле места аварии. Полная версия доклада Всемирной Организации Здравоохранения о воздействии на здоровье, принятого Организацией Объединенных Наций, также опубликованного в 2006 году, включала в себя прогноз в общей сложности 4000–9000 смертей от рака среди 6,9 миллионов наиболее подверженных облучению граждан бывшего Советского Союза. Тем не менее, из-за большого количества радиоактивного излучения сотни тысяч людей были вынуждены покинуть свои дома. Сегодня территория, окружающая завод, известна как Зона отчуждения. Она населена различными видами диких животных, а для туристов была впервые открыта в 2011 году. Позже, в 2019 году, стало возможным посещение четвертого энергоблока, где и случилась та ужасная авария.
Авария в Японии на Фукусима-дайити в марте 2011 года последовала за сильным землетрясением и цунами. Цунами затопило системы энергоснабжения и охлаждения трех энергетических реакторов, в результате чего они расплавились и взорвались. Спустя столько лет мы видим, что близлежащие города с трудом восстанавливаются, эвакуированные по-прежнему боятся возвращаться, земли непригодны для возделывания на многие годы, а общественное недоверие сдерживает усилия по восстановлению, несмотря на заверения правительства о том, что большинство районов безопасны. Авария на станции Фукусима-дайити по силе воздействия превзошла Три-Майл-Айленд в Пенсильвании и по масштабам разрушения была сопоставима с катастрофой в Чернобыле. Журнал The Economist писал, что катастрофа на Фукусиме «похожа на 3 Майл-Айленда подряд с дополнительным повреждением складов отработавшего топлива» и что последствия будут продолжаться: годы уборки растянутся на десятилетия; зона отчуждения может выйти за пределы территории завода; серьезно облучившиеся работники могут подвергаться повышенному риску рака на всю оставшуюся жизнь.
Существует стереотипное представление, что ядерный реактор может взорваться точно так же, как и ядерная бомба, и принести такие же катастрофические разрушения. На самом деле, ядерное оружие содержит очень специфические компоненты в определённых пропорциях, и состав этих компонентов значительно отличается от того, который используется в реакторах.
Важной экологической проблемой, связанной с ядерной энергетикой, является образование радиоактивных отходов, таких как «урановые хвосты» (радиоактивные токсичные отходы, возникающие в процессе обогащения урана), отработанное реакторное топливо и прочие. Эти материалы могут оставаться радиоактивными и опасными для здоровья человека в течение многих тысяч лет. На радиоактивные отходы распространяются особые правила транспортировки, хранения и утилизации, чтобы минимизировать риск воздействия на окружающую среду.
Радиоактивные отходы классифицируются как отходы низкого или высокого уровня активности, их радиоактивность может варьироваться. Радиоактивность ядерных отходов со временем уменьшается в результате процесса, называемого радиоактивным распадом. Время, необходимое для того, чтобы радиоактивность снизилась до половины от исходного уровня, называется периодом полураспада радиоактивного материала. Радиоактивные отходы с коротким периодом полураспада перед захоронением часто хранят некоторое время, чтобы снизить потенциальные дозы облучения для рабочих, которые обрабатывают и перевозят отходы. Эта система хранения также снижает уровень радиации на свалках.
Наиболее опасным типом отходов являются отработавшие тепловыделяющие сборки реактора (ядерное топливо), они должны храниться в специально спроектированных бассейнах с водой. Вода охлаждает топливо и действует как радиационная защита. Отработавшие тепловыделяющие сборки реактора также могут храниться в специально разработанных контейнерах для сухого хранения. Появляется всё больше станций, где отработанное топливо оставляют в сухих хранилищах, используя специальные наружные бетонные или стальные контейнеры с воздушным охлаждением.
Площадка сухого хранения отработанного ядерного топлива на Запорожской АЭС.
Источник: https://www.atomic-energy.ru/news/2016/07/19/67613.
Более того, побочным продуктом переработки является плутоний, который можно использовать для изготовления ядерного оружия, что тоже несёт за собой определенные риски для безопасности.
Существует распространенный миф, что радиоактивные отходы можно только захоронить, после чего они столетиями будут разлагаться и загрязнять собой планету. Это не совсем так. На самом деле, значительная часть топлива ядерных реакторов отправляется на переработку. И если раньше переработка использовалась только для получения плутония в целях производства ядерного оружия, то сейчас эта практика значительно сокращена. В настоящее время бо́льшая часть отработавшего ядерного топлива уходит на повторное использование, что помогает экономить ресурс, а также уменьшает количество отходов, нуждающихся в захоронении.
Подводя итоги, мы видим, что переход на получение электроэнергии с помощью атомных станций – это многогранный и неоднозначный вопрос. У атомной энергии есть определённые преимущества перед энергией другого типа, но и минусов хватает тоже. Воздействие АЭС на экологию может и должно быть значительно ниже, чем при добыче традиционной энергии с помощью сжигания ископаемого топлива. Однако, в то же время здесь присутствуют риски разрушительных аварий, которые могут на десятилетия уничтожить всё живое в регионе события. Несмотря на то, что ядерная энергетика находится в центре противоречивых дебатов, некоторые страны стремятся к развитию этого направления, вкладывая в него денежные средства. Сейчас во всём мире работает более 400 ядерных реакторов, которые используют для выработки энергии в 32-х странах. Самыми большими ядерными мощностями на данный момент обладают такие страны, как США, Франция, Китай, Япония, Россия и Южная Корея. У каждого из этих государств вырабатывается более 25 гигаватт (ГВт) установленной мощности. При этом существует некоторое количество стран, которые, наоборот, планируют к 2030 году уменьшить количество вырабатываемой атомной энергии. Например, Германия, Швейцария и Бельгия начали реализацию программы по снижению использования атомной энергии. Тем не менее, общий тренд указывает, скорее, в пользу атомной энергии: увеличение установленных мощностей и строительство новых станций по всему миру.
Источники:
https://e360.yale.edu/features/why-nuclear-power-must-be-part-of-the-energy-solution-environmentalists-climate - статья «Why Nuclear Power Must Be Part of the Energy Solution», Richard Rhodes
https://www.eia.gov/energyexplained/nuclear/nuclear-power-and-the-environment.php#:~:text=Nuclear%20power%20reactors%20do%20not,require%20large%20amounts%20of%20energy – статья «Nuclear explained. Nuclear power and the environment»
https://www.ucsusa.org/resources/how-nuclear-power-works - доклад «How Nuclear Power Works»
https://www.nationalgeographic.com/environment/article/nuclear-energy#:~:text=Nuclear%20energy%20history,at%20the%20University%20of%20Chicago. – статья «What is nuclear energy and is it a viable resource?», Christina Nunez
https://core.ac.uk/download/pdf/268003896.pdf - статья «ENVIRONMENTAL IMPACT OF NUCLEAR POWER: LAW AND POLICY MEASURES IN INDIA», Ajay Kumar Singh, Nalnish Chandr Singha.
https://www.atomic-energy.ru/articles/2020/07/10/105308 - статья «Атомная энергетика до 2030 года: пять ключевых стран»
http://www.aem-group.ru/mediacenter/informatoriy/chto-takoe-otrabotavshee-yadernoe-toplivo.html - статья «Что такое отработавшее ядерное топливо?»
https://www.skc.ru/press/news/item/4230887/ - статья «Развенчание "атомных" мифов»
http://www.aem-group.ru/mediacenter/informatoriy/opasno-li-naxoditsya-na-aes-ili-zhit-vblizi-nee.html - статья «Опасно ли находиться на АЭС или жить вблизи нее?»
http://fbuz24.ru/News/Get/9391 - новость «Радиоактивность вокруг нас: естественная и искусственная радиоактивность» на официальном сайте ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Красноярском крае»