Атомні електростанції та їх вплив

4

Атомні електростанції

Атомні електростанції - це основа ядерної енергетики, які використовують ядерну енергію для цілей електрифікації і теплофікації. Для здійснення ланцюгової ядерної реакції використовують складні технічні прилади - ядерні (атомні) реактори. Перший в світі реактор був збудований у 1942 році в США, роботами керував італійський фізик Е. Фермі.

Основним компонентом ядерного реактора є його осердя, або активна зона, де розщеплюється паливо і здійснюється керована ланцюгова реакція. Перед розщепленням уранову масу збагачують і перетворюють у покриті керамічним матеріалом пігулки. Пігулки вміщують у труби зі сплаву, що не боїться іржи і називається циркалоєм. У радіоактивну зону реактора закладають 40-50 тисяч пігулок. Трубки з пігулками встановлюються насторч, як сигарети у круглому контейнері. Усередині реактора безперервно відбувається ядерна реакція. Атоми урану в паливних стержнях розщепляються і випускають нейтрони, швидкість яких регулюють водяні або графітові „сповільнювачі” таким чином, щоб збільшити розщеплення атомів урану в ланцюговій реакції до максимуму. Під час розщеплення атомів утворюється тепло. При цьому трубки весь час занурені у воду, яка відбирає тепло. На одних ядерних електростанціях вода, що проходить крізь активну зону реактора, кипить і перетворюється на пару, яку подають безпосередньо до турбін, а на інших тепло передається лише на вторинній системі, і аж тоді вода закипає і перетворюється на пару.

Ланцюгову реакцію треба підтримувати, але нею треба також керувати. Якщо водночас розщеплюється надто велика кількість атомів, то вивільняється дуже багато тепла і система може не витримати перегріву. Щоб запобігти цього, використовують контрольні стрижні та системи охолодження активної зони реактора.

Контрольні стрижні - це основні механізми, що регулюють швидкість розщеплення. Вони мають вигляд довгих стійких стальних трубок, заповнених порошком карбіду бору, кадмію або графіту. Це речовини, здатні вбирати нейтрони. Швидкість вивільнення енергії згоряння в реакторі контролюють за допомогою збільшення або зменшення кількості стрижнів у реакторі. Якщо між паливними стержнями вставити контрольні, то швидкість розщеплення зменшиться, бо нейтрони, які звичайно розщеплюють інші уранові ядра, поглинаються контрольними стрижнями, що діють неначе губка. І навпаки, якщо контрольні стрижні витягнути, то швидкість розщеплення збільшується, бо вивільнюється більше нейтронів, здатних розщеплювати сусідні атоми урану. Якщо вставити всі контрольні стрижні, то розщеплення атомів припиняється і реактор вимикається. Однак контрольні стрижні вбирають нейтрони, а не тепло. Тому, щоб не розтопилася активна зона реактора, потрібна ще одна система. Вона називається системою охолодження активної зони реактора.

У більшості таких систем для охолодження використовується вода. У міру того, як розщеплюється уранове паливо, утворюється тепло, яке проходить крізь стіни трубок з паливними пігулками. Ці трубки занурені у воду, яка безперервно циркулює в активній зоні завдяки дії охолоджувальних помп. Саме ця вода й охолоджує циркалоєві трубки, не даючи їм розтопитися.

Проблеми ядерної енергетики

Коли первісна людина почала користуватися вогнем, вона наражала себе й своє оточення на величезну небезпеку: вогонь міг знищити ліс довкола, який для людини становив цілий світ. Минули тисячоліття, і наші знання про розміри Землі стали глибшими, але зважаючи на сучасну техніку і технологію, світ, у якому ми живемо, залишається досить малим. Людське суспільство, паразитує на тілі нашої Землі, поступово почало перетворювати середу свого існування. Створюючи знаряддя праці, технологію виробництва, використовуючи сировину, нарешті, оволодівши атомною енергією, людство мимоволі поставило під загрозу сам факт свого існування, так як розщеплення атомного ядра - це найнебезпечніший з процесів, відомих людині. З його допомогою можна обернути Землю на пустелю, але й можна примусити пустелю зацвісти буйним цвітом. Людина - в природі і з природи, а не над нею, наш вид смертний. Історія життя на Землі - це історія взаємодії між живими істотами і їхнім оточенням. Великою мірою фізична форма тварин і форма їхнього життя на Землі зумовлені оточуючим середовищем. Лише протягом теперішнього сторіччя один з видів - а саме людина - набув такої могутності, яка здатна змінити природу світу.

Можна зробити висновок про те, що людство створило цивілізацію, яка стала матеріальним бар'єром між собою і природою. Цей бар'єр настільки складний і громіздкий, що вже перешкоджає подальшому розвитку. Іншими словами, людина відділилась, відгородилася від природи, стала рабом своєї цивілізації, техніки. Ії зарозумілість і жадоба влади над природою - найбільша небезпека для неї самої.

Теоретично ядерна енергія близька до ідеальної. Вона ефективна і недорога. У добу, коли нафтові запаси обмежені, атомна енергетика забезпечує незалежність тієї чи іншої країни від країн - експортерів нафти. Проте найпалкіші прихильники ядерної енергетики визнають, що з її виробництвом пов'язано чимало проблем.

Проблема 1.

Під час роботи реакторів в паливних стрижнях накопичуються радіоактивні відходи. Розпадаючись, ці відходи виділяють тепло, і тому їх треба охолоджувати ще довго після закінчення керованого процесу розщеплення. На сьогодні не існує поки що загальноприйнятого способу зберігати відходи, які залишаються високорадіоактивними протягом дуже довгого часу. Існує проблема могильників, де поховані радіоактивні речовини, дамб, які повинні захищати річки і водойми від радіаційного забруднення.

Високорадіоактивні відходи неможливо знищити: їх треба ізолювати від навколишнього середовища на десятки тисяч років - лише тоді вони стануть нешкідливі. Але ми не знаємо як це зробити. Людське суспільство ще не існувало десятки тисяч років. Тому необхідно створити систему знешкодження ядерних відходів, яка була б незалежна від людини.

Досі жоден технічний процес ніколи не був безпомилковим і вічним, а саме це й потрібно для ізоляції ядерних матеріалів. Поки що більшість відходів ядерного палива “тимчасово” зберігають в облицьованих сталевими плитами басейнах біля атомних електростанцій, і небезпека забруднення навколишнього середовища дедалі зростає. Тепер у всьому світі працює приблизно чотириста атомних реакторів, а системи тривалого зберігання ядерних відходів не існує. Люди, відповідальні за ядерні програми, вірять що нарешті буде створено довічно закриту систему. Але таку систему треба ще створити.

Проблема 2.

Крім проблеми ядерних відходів, існує ще набагато поважніша проблема, а саме: проблема витоку радіації з ядерного реактора. Ядерний реактор через цілу низку причин не може вибухнути, як ядерна бомба. Однак один середній реактор містить у собі таку кількість радіоактивних матеріалів, яка в тисячу разів перевищує кількість радіоактивних матеріалів, вивільнених над Хіросімою, отже вивільнення навіть незначної частині цих матеріалів може завдати великої шкоди і людині, і навколишньому середовищу. Щоб відвернути таку небезпеку, реактори обладнають оболонкою з нержавіючої сталі, а довкола тієї оболонки будують міцні залізобетонні споруди. І все ж сильні вибухи пари або дія зовнішніх сил (вибухи бомб, урагани) можуть за екстремальних обставин призвести до аварії, незважаючи на зазначені запобіжні засоби.

Крім того реактор може розтопитися. Як що реактор функціонує нормально, вода проходить між комплектами паливних стрижнів і охолоджує активну зону. Якщо система охолодження відмовляє - чи то внаслідок неполадок у системі постачання електроенергією, чи внаслідок виходу з ладу помпи або магістралі подачі води, - починають працювати запасні охолоджувальні системи. Проте як що всі ці системи вийдуть з ладу, реактор може розтопитися.

Звичайна активна зона реактора занурена у воду. Але якщо потік охолоджувальної води припиниться, то вода, яка вже надійшла до активної зони, нагріється і випарується, оголивши активну зону. Температура всередині реактора підніметься, і циркалоєві оболонки на паливних пігулках розтопляться. Незабаром уранове паливо розтопиться і активна зона перетвориться на розтоплену радіоактивну масу металу. Врешті-решт активна зона стане калюжею на дні реактора. Відтак, досягнувши температури 5000 градусів за Фаренгейтом, метал розтопить дно реактора і виллється на зовнішню захисну споруду. Ця захисна споруда призначена для того, щоб відвернути витік радіації в разі вибуху або пошкодження реактора, але від розтоплення вона не захищає. Вступаючи в хімічну реакцію із залізобетоном, розтоплене паливо проходить крізь дно захисної споруди і далі вниз. Колись вважали, що розтоплене ядерне паливо проходитиме крізь землю все далі і далі. Однак тепер вважають, що розтоплене паливо почне взаємодіяти з елементами ґрунту під електростанцією і спричинить парові вибухи перед тим, як зупинитись на глибині приблизно двадцяти метрів у скляній оболонці, утвореній внаслідок дії високої температури на ґрунт.

Проблема 3.

Могутність сучасної цивілізації постійно зростає, а наука і техніка відкривають дедалі нові горизонти для її розвитку. Важко навіть уявити, яким було б наше життя без сучасних наукових знань, та інженерної майстерності. Однак могутність цивілізації не лише дала людям блага, а й створила смертельну загрозу для всього роду homo sapiens. Про неї люди збагнули, мабуть, після винаходу атомної зброї. Адже виробництво ядерної енергії виросло з виробництва ядерної зброї. З багатьох поглядів ядерна зброя і ядерні реактори дуже подібні. Чорнобиль є суворим нагадуванням про те.

Одна з небезпек ядерної енергетики полягає в тому,що технологію і сировину мирних атомних програм можна використати для створення ядерної зброї. Необхідний для цього плутоній отримують з відходів ядерного палива,і така операція по грошам багатьом країнам третього світу.

Міжнародне агентство у справах атомної енергії (МАГАТЕ) зобов'язане унеможливлювати використання ядерної техніки, технології й палива для виробництва ядерної зброї. Однак воно, як і більшість організації ООН, не може вживати суворих санкцій до держав, котрі порушують ці принципи.

Ядерна зброя набагато руйнівніша, ніж усі попередні виді зброї. За допомогою ракет цю зброю можна доставити у будь-якій пункт земної кулі. Перед людством маячить похмура реальність взаємного знищення протягом лічених годин. Державна безпека в абсолютному значенні цього слова більше не існує. Ціна миру в ядерну добу - це повсякчасна загроза ядерної війни. Ми захищаємо себе за допомогою стратегії залякування, що ґрунтується на можливості взаємознищення, ми ставимо мир у залежність від зброї, яку всі сторони бояться застосовувати, бо вона страшенно небезпечна. Тим часом загроза знищення людства зростає у міру того, як ядерна зброя поширюється на всій земній кулі. Крім того, існує можливість випадкового вибуху, коли навіть одна країна має бойові ядерні заряди. Неполадки та аварії трапляються. Не можна накопичувати атомну зброю, не збільшуючи ризику випадкового вибуху. У міру зростання запасів атомної зброї зростає також ризик навмисного вибуху. Атомні бомби свого часу виросли з історії, а тепер вони можуть покласти край історії. Їх створили люди, а тепер вони можуть знищити людей. Однак ядерна зброя не тільки вбиває людей. Вона викликає такі сильні екологічні зміни а навколишньому середовищі, що воно стане непридатним для життя. Смерть усього людства не тільки покладе край поколінням, що живуть у даний час, але й і усім прийдешнім. Ця смерть означатиме поразку всіх людських надій, ідеалів минулих і майбутніх.

Проблема 4.

Забруднення навколишнього середовища в результаті техногенних викидів, які мають місце при роботі атомних реакторів. До 1994 року було побудовано близько 430 енергетичних атомних реакторів, яки збільшили більш як на порядок вихід у навколишнє середовище радіоактивних речовин, порівняно з викинутими в атмосферу, водойми і захороненні, як відходи.

У результаті техногенних викидів щільність радіоактивного забруднення ґрунтів і води зросла. Спостерігається незворотній процес безперервного розповзання радіонуклідного забруднення. Раніше чи пізніше воно проникає скрізь. Вода здійснює невпинний круговорот через океани, хмари і дощі, через листя рослин та кровоносні судини тварин і людей. Атмосферні гази пронизують усі форми життя. Ґрунт покриває тонким шаром - плівкою кам'яний скелет Землі й одночасно є минулим і майбутнім життям. Вода, суша, повітря, живі рослини й тварини (і ми там) - все перебуває у постійному обміні компонентами.

Викиди не повинні перевищувати обсягу, який може засвоїти, переробити біосфера без шкоди для себе. Отже, забруднення біосфери є найважливішою проблемою тому, що її вирішення є також вирішенням інших проблем - енергії, ресурсів, питної води та ін.

Забруднення території України радіоактивними викидами при катастрофі на Чорнобильській АЕС не має аналогів ні за масштабами, ні за глибиною екологічних, соціальних і економічних наслідків. Внаслідок аварії було забруднено близько 12 млн. га, з них 8,4 млн. га сільськогосподарських угідь.

Проблема 5.

Необхідність створення санітарної зони. В період експлуатації АЕС, а також після виробітки її ресурсу (через 20-30 років експлуатації АЕС) навколо АЕС і могильників потрібно створювати санітарну зону, що приведе до безповоротного знищення більших площин земель, придатних для господарчої діяльності людини.

Проблема 6.

„Людський" фактор. Виробництво атомної енергії потребує надзвичайно високої кваліфікації персоналу, що обслуговує атомні реактори. Колись дерево було основним паливом у всьому світі, однак із зростанням населення і зникненням лісів дерево поступилося місцем кам'яному вугіллю, а згодом почали використовувати ще й нафту. Про те запаси нафти не безмежні, а її спалювання завдає чималої шкоди навколишньому середовищу. Мабуть, уран - основне паливо для майбутніх поколінь людства й потребу в енергії можна задовольнити шляхом розвитку ядерної промисловості. Використання персоналу високої кваліфікації дозволить майже уникнути помилок, що можуть привести до аварії. “Майже” - тому, що люди втомлюються, іноді в них поганий настрій: діючи бездумно, вони припускаються помилок, а це може привести до катастрофи. Крім цього, потрібен контроль за психічним станом операторів, аби відвернути божевілля і не допустити дій, спроможних привести до аварії.

Можливість вивільнення радіоактивного матеріалу робить атомну електростанцію надзвичайно спокусливою для диверсій і зовнішнього нападу.

Тому атомні електростанції потребують значної охорони.

Проблема 7.

Практично всі блоки (крім блока № 6 Запорізької АЕС) підлягають реконструкції, так як 7 блоків АЕС з 14 експлуатуються вже більш 15 років. Необхідно збільшувати об'єм та якість технічного обслуговування, ремонтів та робіт по діагностуванню обладнання. Є необхідність виконання робіт по модернізації існуючих и створенню додаткових систем безпеки.

Наше суспільство покладається на техніку й технологію, але ядерно-енергетичні системи не зовсім надійні. Вони складаються з тисяч помп, клапанів, труб, електросхем і двигунів. До аварій можуть привести помилки в проектуванні, будівництві, експлуатації та ремонті обладнання, а також зовнішні чинники - повені, пожежі, землетруси й смерчі. Корозія, вібрація, перенапруження та спрацювання деталей внаслідок тривалої експлуатації можуть спричинити якусь незначну хибу в роботі, а вона призведе до інших, які годі передбачити навіть за допомогою комп'ютерів. Здебільшого машини працюють доти, доки вони вийдуть з ладу, але в роботі ядерних реакторів ця засада неприпустима.

Насамперед слід звернути увагу на створення безпечних реакторів, робота яких ґрунтувалася б на законах фізики і не потребувала втручання людини з метою відвернення ризику.

Проблема 8.

Чорнобильська проблема. Чорнобильська АЕС являє собою об'єкт атомної енергетики, до складу якої входять обладнання, будови та споруди, які безпосередньо зв'язані з виробітком електроенергії.

В його склад входять:

енергоблок № 1, зупинений у 1996 році у зв'язку з постановою уряду України;

енергоблок № 2, зупинений в жовтні 1991 року в зв'язку з займанням турбогенератора;

енергоблок № 3, якій знаходився в режимі експлуатації до 2000року;

енергоблок № 4, на якому в 1986 році сталася аварія з повним зруйнуванням активної зони, на якому виконанні першочергові заходи для зменшення наслідків аварії та продовжуються роботи по забезпеченню контролю його стану, ядерної та радіаційної безпеки;

енергоблоки № 5 та № 6 з незавершеним будівництвом відповідно з рішенням о припиненні будівних робіт, прийнятим після аварії 1986 року;

сховище рідких та твердих радіоактивних відходів і відпрацьованого ядерного палива та інші споруди.

Чорнобильська проблема потребує виконання наступних задач:

зачинення ЧАЕС-3 зі зняттям з експлуатації блоків №1, 2, 3;

перетворення об'єкта "Укриття" в екологічно безпечну систему;

створення централізованого сховища відпрацьованого ядерного палива;

створення заводу по переробці та зберіганню радіоактивних відходів.

Розвиток людського суспільства нерозривно пов'язаний з споживанням різних видів енергії. Сьогодні гостро стоїть проблема швидкого вичерпування запасів природних енергоресурсів -вугілля, нафти, газу.

Теоретично ядерна енергія близька до ідеальної. Вона ефективна і недорога. Проте з виробництвом ядерної енергії пов'язано чимало проблем.

Використання будь якого виду енергії доводиться оплачувати грошима, людським життям, забрудненням навколишнього середовища. Не існує якогось універсального виду енергії, також не можна відмовитися від одного виду енергії, не замінивши його іншими видами. Доводиться балансувати між вигодами й ризиком, і проблеми ядерної енергетики повинні розв'язуватися саме в цьому контексті.

Атомні станції не повинні чинити надмірних постійно діючих або аварійних теплових, хімічних, радіаційних та інших впливів на навколишнє середовище, так як це загрожує рівновазі всієї планети. У найгіршій перспективі побічні продукти атомної енергії - накопичені внаслідок аварій і спалювання ядерного палива - можуть завдати непоправної шкоди нашій планеті. Природа буває жорстока і без втручання людини. Але природні руйнування здебільшого загладжуються навколишнім середовищем. Однак катастрофи, які спричиняє людина, загрожують постійним спустошенням. Не виключено, що тоді, коли стануть відомі всі згубні наслідки впливу ядерної енергії на навколишнє середовище, змінити щось буде неможливо. Цілком можливо, що в розв'язанні ядерних енергетичних проблем ми досягли межі технологічної компетентності й питання радіації ніколи не будуть розв'язані. Небезпеки, які спричиняються розщепленням атома, випливають з фундаментальних законів фізики, тому, можливо, проблем пов'язаних з ними, ніколи не вдасться розв'язати. Але хочеться вірити в людський розум, в те,

що на основі сучасних та майбутніх знань людство вирішить проблему безпечного використання атому, і тоді воно назавжди буде забезпечено енергією.