Умови реалізації основних принципів концепції безпеки атомних електростанцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Ядерна енергетика (атомна енергетика) - галузь енергетики, що використовує ядерну енергію для електрифікації і теплофікації; область науки і техніки, що розробляє методи і засоби перетворення ядерної енергії в електричну і теплову.

Основа ядерної енергетики - атомні електростанції. Перша атомна електростанція (5 МВт), що поклала початок використанню ядерної енергії в мирних цілях, була пущена в СРСР у 1954. До початку 90-их у 27 країнах світу працювало понад 430 ядерних енергетичних реакторів загальною потужністю біля 340 ГВт. За прогнозами фахівців, частка ядерної енергетики в загальній структурі вироблення електроенергії у світі буде безупинно зростати за умови реалізації основних принципів концепції безпеки атомних електростанцій. Головні принципи цієї концепції - істотна модернізація сучасних ядерних реакторів, посилення мір захисту населення і навколишнього середовища від шкідливого техногенного впливу, підготовка висококваліфікованих кадрів для атомних електростанцій, розробка надійних сховищ радіоактивних відходів тощо.

Ядерна енергетика у світі

Світовий статус ядерної енергетики на початку 2009. Будуються нові реактори, планується побудова нових реакторів, але будуються, планується. Енергетичні ядерні реактори заборонені законом Нема реакторів.

Станом на 2007, енергетичні ядерні реактори працювали в 31 країні світу. Найбільше ядерна енергетична розвинута в країнах з великими об'єднаними електричними мережами. Ядерна енергетика США найпотужніша у світі, 28% від світового виробництва. Далі йдуть Франція з 18% та Японія з 12%. У 2007 році в світі працювало 439 ядерних реакторів із загальною потужністю 351 ГВт.

За оцінками МАГАТЕ від 2008, доля ядерної енергетики залишатиметься до 2030-го в межах від 12.4% до 14.4% світового виробництв

Ядерна енергетика в Україні

Рис. 1 - Карта розміщення реакторів на Україні

У грудні 1991 р. підприємства атомної енергетики були об'єднані у концерн "Укратоменергопром", який у січні 1993 було реорганізовано у Державний комітет України з використання ядерної енергії - Держкоматом України.

21 жовтня 1993 р. Верховна Рада України скасувала дію мораторію. Було відновлено роботи на 6-му блоці Запорізької АЕС, 4-му блоці Рівненської та 2-му - Хмельницької АЕС. У жовтні 1995 р. відбувся енергетичний пуск 6-го блоку Запорізької АЕС. Запорізька атомна станція із встановленою потужністю 6 млн. кВт стала найбільшою в Європі. 17 жовтня 1996 р. постановою Кабінету Міністрів №1268 було створено державне підприємство «Національна атомна енерго-генеруюча компанія "Енергоатом". Чорнобильська АЕС - перша українська атомна електростанція, експлуатацію якої припинено до закінчення проектного ресурсу. Нині три блоки станції з реакторами РБМК-1000 перебувають у стадії зняття з експлуатації, зокрема, 2-й енергоблок - з 1991 р. після пожежі у машинному залі, 1-й енергоблок - з 1996 р. за рішенням українського уряду, 3-й блок зупинено наприкінці 2000 р.

Постановою Уряду України від 25 квітня 2001 р. Чорнобильську АЕС виведено зі складу НАЕК "Енергоатом". Їй надано статус державного спеціалізованого підприємства. Для вирішення питань працевлаштування вивільненого персоналу Чорнобильської АЕС, а також з метою підвищення ефективності управління якістю та ефективністю ремонтних робіт, що проводяться на атомних електростанціях, у листопаді 2000 р. створено підприємство "Атомремонтсервіс", яке увійшло до складу Компанії.

З квітня 1999 р. уведено в промислову експлуатацію Олександрівську ГЕС з потужністю 2,5 МВт - частину Південноукраїнського енергетичного комплексу.

У 2003 р. планується добудувати Ташлицьку ГАЕС, готовність двох агрегатів якої оцінюється у 80 відсотків. На державному рівні здійснюються заходи з добудови двох енергоблоків на Рівненській та Хмельницькій АЕС, готовність яких - 85-90 відсотків.

У липні 2001 р. Запорізька АЕС отримала ліцензію на введення в дослідно-промислову експлуатацію перших трьох контейнерів сухого сховища відпрацьованого ядерного палива (ССВЯП). Нині проводиться робота з переведення сховища у промислову експлуатацію.

У липні 2002 р. Південноукраїнська АЕС першою серед українських атомних електростанцій отримала ліцензію Держатомрегулювання на експлуатацію ядерних установок. Серпень - жовтень 2004 р. Завершення спорудження та енергетичний пуск другого Хмельницького та четвертого Рівненського енергоблоків. На сьогодні в експлуатації на АЕС перебуває 15 енергоблоків, з них 13 - з реакторами типу ВВЕР-1000, 2 - ВВЕР-440.

За кількістю реакторів та їх сумарною потужністю Україна посідає восьме місце у світі та п'яте в Європі.

При наявності в Україні п'яти атомних електростанцій потужністю 11800 МВт (на 01.01.2000), уран відіграє значну роль у забезпеченні країни електроенергією. Його частка у виробництві електроенергії, в порівнянні з іншими енергоносіями, постійно зростає. Так у 2000 р. АЕС виробили 45,1% електроенергії і майже зрівнялись з часткою ТЕС, на яких 19 млн. кВт потужностей із 36 вимагають ремонту чи реконструкції.

Технологія процесу

Виробничий цикл

Виробничий цикл ядерної енергетики включає в себе видобуток урану, його збагачення, виробництво тепловидільних елементів, їх використання в ядерному реакторі, переробку відпрацьованих елементів і захоронення.

Попередні епохи отримали назву від певних матеріалів: був вік кам'яний, бронзовий, залізний. Але жоден з них не відбувся би, якщо б людина не знала вогню. Справжнє багатство світу - його енергія», - писав Фредерік Содді у своїй книзі «Матерія та енергія». XX століття можна сміливо назвати атомним, адже саме в цьому столітті людина відкрила й почала приборкувати енергію атомного ядра. Дізнаємося про ланцюгову ядерну реакцію У 1939 р. було встановлено, що в результаті взаємодії ядра Урану-235 і нейтрона утворюється нове нестабільне ядро Урану (^И), яке відразу розпадається на два осколки, що розлітаються з величезною швидкістю (рис. 2).

Рис. 2

Під час поділу кожного ядра Урану звільняються 2-3 нейтрони. Ці нейтрони у свою чергу можуть спричинити поділ інших ядер Урану, які також випускають нейтрони, здатні викликати поділ ядер, і т.д. Таким чином кількість ядер, що поділилися, швидко збільшується (рис. 3).

Рис. 3

Цей процес одержав назву ланцюгова ядерна реакція. Дуже важливим є той факт, що ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням величезної кількості енергії. Під час поділу кожного ядра Урану виділяється невелика кількість енергії - приблизно 3,2-10 11 Дж. Проте, якщо розпадуться всі ядра, що містяться, наприклад, в одному молі урану (6,02 Ю23 ядер), енергія, яка виділиться, дорівнюватиме приблизно 19,2 10й Дж. Таку ж кількість енергії можна отримати, наприклад, при згорянні 450 т нафти!

Знайомимося з будовою і принципом дії ядерного реактора.

Ланцюгова реакція, яка відбувається в урані й деяких інших речовинах, є основою для перетворення ядерної енергії на інші види енергії (теплову, електричну). Під час цієї реакції безперервно з'являються нові й нові осколки ядер, які летять із великою швидкістю. Якщо шматок урану занурити в холодну воду, то осколки гальмуватимуться у воді й нагріватимуть її. У результаті холодна вода стане гарячою або навіть перетвориться на пару. Саме так працює ядерний реактор, у якому відбувається процес перетворення ядерної енергії на теплову. У реальних ядерних реакторах.

Рис. 4

Ядерне паливо (уран або плутоній) розміщують усередині так званих тепловидільних елементів (ТВЕЛів). Продукти поділу нагрівають оболонки ТВЕЛів, і ті передають теплову енергію воді, яку в даному випадку ще називають теплоносієм. Отримана теплова енергія перетворюється далі на електричну (рис. 4).

Рис. 5

Подібно до того, як це відбувається на звичайних теплових електростанціях. Вводимо поняття «ядерний цикл» Енергетична ефективність ядерного палива в тисячі разів вища, ніж палива традиційного (вуглеводневого). При цьому використання ядерного палива пов'язано з певними труднощами.

Так, щоб одержати кілограм палива з низькою ефективністю, наприклад, кілограм дров, досить сходити до лісу. Для того ж, щоб отримати кілограм ядерного палива, слід створити цілу промисловість. Крім того, після згоряння кілограма дров попіл можна просто розкидати. А що робити з ТВЕЛами, які відпрацювали свій ресурс?

В Україні є значні запаси уранової руди, яких вистачить не на одне десятиліття. Але щоб переробити руду на ядерне паливо, виготовити ТВЕЛи, необхідна спеціалізована промисловість (ланцюжок взаємопов'язаних виробництв), якої Україна в повному обсязі не має. Для українських атомних електростанцій ТВЕЛи виготовляють у Росії. Після того як у ТВЕЛі розпадеться певна частина ядерного палива (фізики кажуть: «ТВЕЛ вигорів»), його заміняють на новий. Але де зберігати ТВЕЛи, вилучені з реактора, адже відомо, що ТВЕЛи, які відпрацювали свій ресурс, дуже радіоактивні? Зазвичай ТВЕЛи поміщують у спеціальні контейнери й розташовують глибоко під землею, де вони мають зберігатися протягом сотень років. Здавалося б, заражену зону навколо Чорнобильської станції можна використовувати як сховище відпрацьованих ТВЕЛів, адже ця територія ще довго не буде придатною для чогось іншого. Крім того, місця для сховища можна передавати й іншим країнам. Однак чи варто створювати в Україні «радіоактивний смітник»? Поміркуйте над аргументами «за» і «проти». Підбиваємо підсумки Поглинення ядром Урану нейтрона може спричинити розпад ядра. Ця реакція супроводжується звільненням нейтронів, які містяться у ядрі, а ті у свою чергу можуть спричинити поділ інших ядер, отже, відбуватиметься ланцюгова ядерна реакція. Під час такої реакції виділяється величезна енергія. Процес перетворення ядерної енергії на теплову здійснюється в ядерних реакторах. Ядерне паливо розміщується всередині спеціального вузла, який називають тепловидільним елементом (ТВЕЛом). Продукти ядерної реакції гальмуються у ТВЕЛі та нагрівають його. ТВЕЛ передає теплову енергію теплоносію. Послідовність операцій видобування ядерного палива з руди, виготовлення ТВЕЛів, використання ТВЕЛів на атомних електростанціях і подальшого переробляння радіоактивних відходів називають ядерним циклом. Зупинимось детальніше на тепловидільних елементах.

Тепловидільний елемент (ТВЕЛ) - головний конструктивний елемент активної зони ядерного реактора, в якому знаходиться ядерне паливо. У Твелах відбувається ділення важких ядер 235U, 239Pu або 233U, що супроводжується виділенням теплової енергії, яка потім передається теплоносій.

Зв'язка ТВЕЛів

Твели складаються з паливного осердя, оболонки з радіаційно стійкого металу і кінцевих деталей. Тип Твела визначається типом і призначенням реактора і параметрами теплоносія. ТВЕЛ повинен забезпечити надійне відведення тепла від палива до теплоносія.

У більшості сучасних промислових реакторів (ВВЕР, РБМК), ТВЕЛом є стержень діаметром біля двох сантиметрів і довжиною декілька метрів.

Альтернативні варіанти атомній енергетиці

1. Енергія Сонця. В останній час інтерес до проблеми використання сонячної енергії різко збільшився. В даній частині я розгляну можливості саме безпосереднього використання сонячної енергії; хоча більшість всієї енергії, що потрапляє на Землю є сонячною, та основна частина її зосереджується у атмосфері та гідросфері. Потенціальні можливості використання безпосередньо сонячної енергії дуже великі. Якщо ми зможемо використовувати 0,0125% всієї цієї енергії, то людство було б повністю забезпечена енергією зараз, а використання 0,5% повністю б покрило всі потреби людства назавжди (якщо вважати, що населення Землі не перевищить 20 млрд.) Нажаль, це лише потенційні можливості. Справа в тому, що навіть при найкращих погодних умовах енергетична густина сонячного потоку не перевищує 250 Вт/м2. Спробуємо порахувати: для того, щоб колектори “збирали” за рік таку кількість енергії їх потрібно розмістити на площі 130000 км2 !!! Окрім того, для створення такої великої кількості колекторів потрібно 1,3*109 тон алюмінію. Світовий запас алюмінію оцінюють якраз в таку цифру. Зрозуміло, що існують різні фактори, що обмежують потужності сонячної енергетики. Окрім ціни та ресурсоємкості ще існує проблема площі. Наприклад, якщо у 2100 році людство повністю забезпечуватиме свої енергетичні потреби за рахунок Сонця, то площа колекторів повинна буде сягати 1-3 млн. км2. Також безпосереднє використання сонячного випромінювання потребує велику кількість праці: для виготовлення 1 МВт-року знадобиться від 10 до 40 тис. людино-годин. В той же час у традиційній енергетиці цей показник менший у 50-80 разів. Отже зараз ще годі і казати про масштабне використання сонячного проміння. Звісно, у курортних та віддалених від електромережі регіонах сонячні електростанції можуть бути необхідними, але загальна частка сонячної енергії надзвичайно мала. Та і навіщо будувати колектори, якщо в природі існують набагато більші і потужніші колектори: атмосфера та гідросфера? Станції робочі сонячні

2. Енергія вітру. Енергія повітряних мас, що постійно рухаються, у сотні разів перевищує запаси гідроенергії усіх річок планети. Всюди і постійно на землі дмуть вітри: від легкого вітерцю до могутніх ураганів. Ці вітри могли б повністю задовольнити потреби людства. Але частка вітряних електростанцій становить лише 0,1%. Чому ж тоді такий доступний та екологічно чистий спосіб видобутку енергії так слабо використовується? Людство використовує енергію вітру більш ніж 5 тис. років. Спочатку вітер використовувався для того, щоб приводити у рух човни, потім - щоб молоти зерно та підіймати воду. Зараз вітер використовується для видобутку електроенергії. Хоча зараз ціна 1 Квт-години видобутої з енергії вітру порівняно невисока - 4 центи - але всі проекти по будівництву нових вітряків зазвичай дуже повільно окуповують себе. Найбільш вдалим можна вважати проект будівництва вітряків на Гавайському острові Охіо: гігантські вітряки, з діаметром ротору 122 м. зараз виробляють понад 6200 КВт кожен, при швидкості вітру 47 км/год. Скоріш за все постійне зростання цін на паливні ресурси зробить такі проекти ще більш рентабельними, а згодом і зросте частка “вітрової” електроенергії.

Рис. 6 - Вітрова електростанція на Тарханкутському півострові

Рис. 7 - Перша вітрова електростанція в прісних водах США

атомний енергетика реактор альтернативний

3. Енергія річок. Багато тисячоліть вірно служить людині енергія, що міститься в текучій воді. Запаси цієї енергії величезні. Люди навчились використовувати цю енергію раніше за всі інші. Коли настала доба електрики, водяне колесо заново відродилося, але тепер вже у вигляді водяної турбіни. Можна сказати, що ще у 1891 р. почалася доба гідроенергетики. Гідроелектростанції мають багато переваг: постійно відновлювальний запас енергії, простота в користуванні, відносна відсутність забруднення оточуючого середовища. Але побудувати велику греблю набагато складніше, ніж водяне колесо. Для того, щоб змусити потужні турбіни обертатися, потрібно накопити величезні запаси енергії за плотиною. Отож потрібно затопити певні регіони, а це в свою чергу може призвести до непоправних наслідків. Тож будівництво греблі вимагає від інженерів дуже точних розрахунків, а будь-яка помилка може призвести до екологічної катастрофи. І навіть при точних розрахунках будівництво греблі стає важливим екологічним фактором на великих площах. Ніщо не береться нізвідкіля: гребля зменшує швидкість течії, забираючи у неї енергію, а це може викликати заболочування та “цвітіння” води у заплавах. Дисбаланс може викликати самі непередбачувані наслідки і 70 малих міст, 1300 селищ. Затопленню також підлягає багато культурних та археологічних пам'яток, туристичних місць, серед яких всесвітньо відомі “Три”. Отже повний перехід на видобування енергії лише з річкових потоків може бути не менш небезпечним, ніж використання паливних ресурсів. Зараз ми можемо казати лише про часткове енергокористування річками у тих місцях, де постійні розливи річок стають справжніми стихійними лихами. У таких регіонах небезпечні розливи річок перетворюються за допомогою гребель на корисні джерела енергії. Як приклад можна навести каскад греблі корпорації “TVA” на річці Теннесі, США. 51 греблі захищає орні землі. На 38 з них працюють гідроелектростанції. До будівництва цих гребель ведення сільськогосподарської діяльності було майже неможливим.

4. Енергія Землі. Ще з давніх часів люди знають про стихійні прояви тієї потужної енергії, що знаходиться в надрах земної кулі. Потужність навіть порівняно невеликого вулкану в сотні разів перевищує потужність будь якої енергетичної споруди, що була створена людиною. Хоча людство ще не знає способу безпосереднього використання вулканічної енергії, та ми можемо навести чудовий приклад раціонального використання енергії земних надр - Ісландію. Ця маленька європейська країна повністю забезпечує себе теплом, яке отримується з гарячих фонтанів гейзерів, котрі працюють з точністю хронометра. Але вперше ідея використання гейзерів була втілена у дійсність не в Ісландії. Ще древні римляни підвели тепло від гейзерів до лазень-терм міста Каракали. Не тільки для опалення люди черпають енергію з надр землі. Вже давно працюють електростанції, що використовують гарячі підземні джерела. Перша така станція була побудована ще у 1904 р. Зараз поблизу м. Санфранциско працює геотермальна електростанція потужністю 500 КВт. Та не всюди з землі б'ють джерела гарячої води. Хоча гейзери і чудові джерела енергії, та характерна їм локальність заперечує будь які розмови щодо глобального використання останніх.

5. Енергія Світового океану. Відомо, що запаси енергії у Світовому океані колосальні. Так теплова енергія, що відповідає перегріву поверхневих вод порівняно з донними на 20 градусів, становить приблизно 1026 Дж. А кінетична енергія океанських течій оцінюється у 1018 Дж. Проте, поки що люди вміють використовувати лише дуже малі частки цих енергій, причому ціною великих інвестицій, що повільно окуповують себе. До останніх часів використання енергії океану здавалося нерентабельним. Але зараз, коли постійно зростаючі ціни на енергоносії змушують нас шукати нові способи видобування енергії, енергія океану стає самим перспективним напрямом подальшого розвитку енергетики. В останні роки ряд країн серйозно зацікавилися можливостями океану. В деяких країнах океаноенергетика вже досить добре розвинена. Найбільш вживаним є видобуток енергії з енергії припливів та відпливів. З 1967 р. у дельті р. Ранс, Франція, працює приливна електростанція (ПЕС) потужністю 240 Мвт. Тут приливи досягають висоти 13 м. У 1968 р. радянський інженер Бернштейн розробив зручний спосіб буксирування ПЕС у потрібні місця. В цьому ж році він збудував експериментальну ПЕС в Кислій Губі, що біля Мурманську. Зараз будується ПЕС потужністю 6000 Мвт у Баренцевому морі. Іншою можливістю стало вирощування гігантських швидкоростучих океанських водоростей келп, що легко перероблюються на метан. До того ж, кількість оксиду вуглецю, вивільненого при спалюванні отриманого газу, можна легко повернути у океан, якщо у екваторіальних районах розчиняти у воді чисте залізо. Залізо спричинює бурхливий ріст планктону і його кількість збільшується у декілька десятків разів, а потім планктон використовує розчинений у воді діоксид вуглецю Взагалі, у океані зосереджується більша частина вивільненого діоксиду вуглецю, тому зараз проводяться дослідження, щодо зниження температури планети за допомогою розчинення у воді чистого заліза. Вчені стверджують що 10000 тон заліза розчинених у океані можуть зменшити температуру в атмосфері планети на 0,5о С !!!. А велика кількість планктону, увібравши в себе енергію, осяде на дні океану і через певний час утворить нові залежи паливних ресурсів. Взагалі, для енергозабезпечення 1 особи досить 1 Га плантацій келп. Також велика увага привертається “океанотермічній енергоконверсії” (ОТЕК), тобто отриманню енергії за рахунок різниць температур води на різних глибинах. Ще однією можливістю є використання океанських течій: швидкість течії Голфстрім біля берегів Флоріди сягає 5 миль/год. Ідея встановлення тут гігантських турбін під водою є досить привабливою. Вже зараз багато маяків, що встановлені на воді біля берегів Японії та США, живляться виключно за рахунок океанських хвиль. Розроблено проекти електростанцій, що використовують океанські хвилі для видобутку енергії, але ці станції повинні мати гігантські розміри, і тому такі проекти зараз не сприймаються серйозно. Також Світовий океан має невичерпні запаси такого екологічно чистого палива, як водень. Можливо, в майбутньому людство і навчиться видобувати електроенергію виключно “чистими” способами, але навряд чи літак чи автомобіль на електродвигуні матиме гарні технічні характеристики. Інша справа - водень. Його паливні якості у декілька разів кращі, ніж у бензину чи дизпалива. Але існують певні проблеми зі зберіганням водню - він занадто вибухонебезпечний. Ще у 1996 році корпорація “Х'юндаї” розробила революційну технологію зберігання водню у кристалічних решітках металів. Ця розробка дозволила створити перший гідромобіль, який був визнаний достатньо безпечним для широкого вжитку і потрапив на масове виробництво. Технічні показники цього автомобіля значно кращі, а єдині вихлопи - водяна пара. Взагалі Світовий океан є найбільш перспективним і найбільш вигідним енергоносієм майбутнього. Він ніби гігантський акумулятор вбирає в себе випромінювання сонця, енергію вітрів та енергію, що з'являється в результаті змін гравітаційних полів Землі та Місяця.

Висновок

Отже, відкриття ядерної енергії дало людству неабиякі можливості, з допомогою яких воно вже відкрило і буде відкривати багато нових та цікавих речей. Наприклад на той же коллайдер працює не якісь там теплові електростанції, а декілька ядерних реакторів які повність забезпечують його енергією. Уявіть скільки потрібно було б теплових електричних станцій, щоб забезпечити прискорювач елементарних частинок (коллайдер) енергією. Але , атомна енергетика приносить як багато користі так і багато шкоди людям та навколишньому середовищу. З кожним роком з'являється все більше і більше шкідливих відходів які потрібно утилізовувати, навіть при повній утилізації на людей які проживають біля таких ядерних «могил» діє підступна радіація, хоч і в допустимих кількостях, але це все одно шкідливо для людського організму, не кажучи вже про можливість 2 Чорнобилю .

Адже всю енергію яка видобувається в Україні можна з легкість перевести в грошові одиниці : нехай 1 Квт коштує 20 коп. тоді 18 мільярдів Квт це приблизно 3,6 мільярда грн. Тобто кожен рік в Україні виробляють та продають енергії на майже 44 мільярдів грн., якщо б ці гроші йшли на утилізування відходів, оновлення обладнання на атомних станціях та ін.. то це досить швидко підняло ядерну економіку нашої держави, проте майже не виділяються фінанси на утилізування ядерних відходів, на оновлення ядерних електростанцій не виділяються ті кошти які мали б виділятися. Незважаючи на те, що зараз найбільша увага приділяється атомній енергетиці, я вважаю, що в 21 сторіччі людство прагнутиме до “чистої” енергетики, до того ж, така енергетика може стати рентабельнішою за традиційну. Протягом всього свого існування людина постійно змінювала основне джерело енергії: спочатку це було Сонце, потім вогонь, потім вугілля, нафту і газ та атомну енергію. Але ніколи ще людство не відчувало такої гострої потреби у швидкому переході до нових джерел енергії як зараз. Тому, на мою думку, такий перехід потрібно зробити якомога раніше. Звісно, рано чи пізно, економічні фактори змусять нас відмовитись від користування нафтою і газом, але економічна потреба виникне значно пізніше, ніж екологічна.

Размещено на Allbest.ru