Все про атомну енергію - що це таке, статистика, робота ядерних реакторів, плюси і мінуси, небезпека

Механічна, електромагнітна, хімічна, внутрішня, гравітаційна, потенційна, магнітна, електрична, кінетична, Вакуумна і... навіть темна. Все це-різновиди енергії, що існує у Всесвіті. Але команда https://worldbank.org.ua впевнена, що цей список буде абсолютно неповним без атомної (ядерної) — енергії, що міститься в атомних ядрах і виділяється при радіоактивному розпаді і ядерних реакціях. У космосі вона буде генеруватися в зірках, а людина використовує цю потужну силу для ядерної зброї та ядерної енергетики — головним чином, на атомних станціях (АЕС).

Атомна (ядерна) енергія-це ... простими словами

Ядерна енергія — тип енергії, що вивільняється з ядра — центральної частини атома, що складається з нейтронів і протонів. джерелами даної енергії здатні служити два фізичних процесу:

1. Поділ: ядра атомів розпадаються на частини. На основі цього процесу працюють ядерні реактори і атомні електростанції світу.
2. Синтез: атомні ядра, навпаки, зливаються разом. Даний технологія поки лише знаходиться в стадії розробки і експериментів

Яка різниця між атомною та ядерною енергією? Ці поняття позначають одне і те ж-є синонімами в даному контексті.

Окремо виділяється таке поняття, як ядерна (Атомна) енергетика - низьковуглеводний джерело енергії, заснований на ядерному розподілі і ланцюгової реакції, головне джерело якого — уран-235. Взагалі ж уран-природна сировина, метал, який міститься в гірських породах, що видобуваються по всій планеті.

Хімічний елемент володіє двома первинними ізотопами — ураном-238 і ураном-235. На перший припадає велика частина запасів, але він не цінний для атомної енергетики. Тільки уран - 235 здатний вступати в корисну ланцюгову реакцію поділу, необхідну для отримання енергії. Його запаси складають 1% від усього уранового видобутку. Щоб підвищити ймовірність того, що ядра природного урану будуть потрібним чином ділитися, його збагачують — проводять спеціальний процес, що дозволяє збільшити обсяги вмісту урану-235.

Як працює Атомна (ядерна) енергія?

Простими словами пояснити роботу ядерного реактора (»серця " атомної електростанції) можна так:

1. В атомному реакторі розпадається елемент уран-235, що супроводжується колосальним виділенням тепла.
2. Виділена теплова енергія кип'ятить воду.
3. Виходить пар — під тиском він крутить турбіну, яка, в свою чергу, обертає електрогенератор.
4. Генератор виробляє корисну електрику.

Не всі атомні реактори штучного, рукотворного Походження. Науці відомий також і природний-він раніше знаходився в урановому родовищі Окло (Габон), але охолов 1,5 млрд років тому. 

Плюси атомної енергетики: переваги АЕС

Серед головних достоїнств атомних електростанцій перед їх попередниками можна назвати:

1. Великі можливості щодо забезпечення людства енергоресурсами.
2. Не потрібно ні видобуток, ні споживання сировини.
3. Для функціонування АЕС не витрачається кисень.
4. Електростанція не забруднює навколишнє середовище небезпечними і шкідливими речовинами.

Цікаво, що дослідження Інституту Пауля Шеррера (2019) показало, що число нещасних випадків з летальним результатом на АЕС нижче, ніж на інших енергетичних об'єктах:

• Вугілля: 120;
• Нафтові: 99,5;
• Газові: 71,9;
• Шельфові Вес: 8,5;
• Наземні вес: 0,25;
• АЕС: менше 0,01.

Встановлено, що будівництво АЕС веде за собою економічний розвиток і поява нових кваліфікованих робочих місць: 1 робоче місце при будівництві станції = 10 нових робочих місць в суміжних галузях. Загалом же розвиток атомної енергетики стимулює як обсяги наукових досліджень, так і обсяги експорту високотехнологічних виробів.

Екологічними перевагами АЕС називають наступне:

• Колосальна енергоємність. Встановлено що 1 кг збагаченого (до 4 %) урану за умови повного вигорання виробляє енергію, еквівалентну тій, що виходить при спалюванні 100 т кам'яного вугілля або 60 т нафти.
• Можливість повторного використання. Уран — 235 вигорає в повному обсязі-його можливо використовувати знову після регенерації. У найближчому майбутньому вже можливий перехід на 100% замкнутий цикл, що веде за собою практично повна відсутність відходів.
• Зниження парникового ефекту. Ядерна енергетика-один з дієвих способів запобігання глобальному потеплінню. Так, європейські атомні станції не дозволяють виділятися в атмосферу 700 млн т вуглекислого газу, а російські — 210 млн т СО2 щорічно.

Атомна енергія досить універсальна-вона використовується не тільки на АЕС. Існують підводні човни і кораблі, що працюють виключно на ядерній енергії. У 1950-ті розроблялися навіть проекти атомних поїздів, автомобілів і літаків, але вони не отримали великого поширення.

Мінуси атомної енергетики: чим небезпечні ядерні реактори

Але недоліки у атомних електростанцій теж є-і досить серйозні:

1. Переробка і зберігання опроміненого палива — не просто небезпечний, але і складний, дорогий процес.
2. Після свого вичерпання (займає 25-30 років) відпрацьоване ядерне паливо потребує як утилізації, так і подальшому похованні.
3. Утилізація потрібна також і для всіх численних конструкцій реактора, які протягом десятиліть піддавалися впливу радіації.
4. Радіоактивний фон на місцях таких поховань відновлюється невеликими темпами — а значить, дані зони будуть довгий час непридатні, а то й небезпечні для життєдіяльності.

Не потрібно забувати і про таку небезпеку, як аварії на АЕС. Найбільші події трапилися в Чорнобилі (1986) і на Фукусімі (2011) — вони спричинили за собою радіоактивне зараження гігантських територій.

Що таке ядерний (атомний) реактор?

Всередині ядерного реактора відбуваються практично ті ж процеси, що при атомному вибуху. Відмінності лише в часі: під час вибуху події розвиваються стрімко, а в «мирному атомі» — досить довгий час, щоб забезпечити станцію необхідним теплом. Тут використовується енергія ядерної реакції-процесу ділення (перетворення) атомних ядер, що викликається їх взаємодією з гамма-квантами і елементарними частинками. Ядерні реакції відбуваються як з поглинанням, так і з виділенням енергії — в роботі АЕС використовуються другі.

Ядерний (атомний) реактор — пристрій, призначенням якого є підтримка контрольованої ядерної реакції з виділенням енергії. Відмінностей між атомним і ядерним реактором Немає-ці слова позначають одне і те ж. Однак з наукової точки зору все ж правильніше використовувати визначення «ядерний». даних станцій винайдено кілька типів:

• Масштабні промислові реактори - для виробництва енергії на атомних електростанціях;
• Атомні реактори підводних човнів;
• Малі наукові Експериментальні реактори;
• Ядерні реактори, призначені для опріснення морських вод.

Перший експериментальний реактор запустили в Сполучених Штатах в 1942. Ним виявилася "Чиказька дровітниця" фермі. У 1946 почав роботу перший радянський дослідний реактор під керівництвом Курчатова. Він представляв собою кулю, що доходить до 7 м в діаметрі. Так як експериментальні зразки не були облаштовані системами охолодження, вони мали мінімальну потужність: Американський виробляв 1 ВАТ, Радянський — 20 ват. Сучасні енергетичні реактори мають середню потужність не менше 5 гігават!

Сьогодні в світі функціонують ядерні реактори третього покоління:

• Швидкі нейтронні;
• Газоохолоджувані;
• Легкі води;
• Важководні.

Найпоширенішими є легководні.

Принцип роботи атомного (ядерного) реактора

Для отримання атомної енергії потрібно особливе паливо — уран-235. Від звичайного хімічного елемента урану він відрізняється нестачею у власному ядрі трьох нейтронів. Саме це робить ядро нестабільним: воно розпадається на дві частини після зіткнення на великій швидкості з нейтронами. Під час цього вилітає ще два-три нейтрона, що потрапляють в іншого уранове ядро і тим же чином його розщеплюють. Потім все знову повторюється по ланцюжку, званої ядерною реакцією.

Складність в тому, що ядерну реакцію не можна пустити на самоплив — якщо процес занадто прискориться, це ризикує обернутися ядерним вибухом. Саме тому співробітники атомних електростанцій ретельно стежать за процесом і не дозволяють урану-235 розпадатися надто швидко: атомне паливо поміщають в сповільнювач — спеціальний склад, здатний сповільнювати нейтрони, а також звертати їх кінетичну енергію в теплову.

Щоб керувати швидкістю ядерної реакції, в сповільнювач поміщають стрижень, зроблений з матеріалу, що поглинає нейтрони. Варто підняти такі стрижні, як вони будуть здатні вловити тільки мінімальне число нейтронів — це прискорить реакцію. Але як тільки стрижні опустять, вона знову сповільниться.

Так як в момент розпаду ядро урану-235 розколюється на дві частини, це відбувається з величезною атомною швидкістю. Далеко, втім, половинки не поширюються: вони б'ються об сусідні атоми — кінетична енергія частинок звертається в теплову. Далі вже справа техніки: виробляється теплом нагрівають воду, звертаючи її в пар. Пар крутить турбіну, а турбіна — генератор, який і виробляє потрібну електрику. Ця частина процесу відбувається так само, як в теплоцентралях, що працюють на вже історичному кам'яному вугіллі.

Але навіть з урахуванням вищесказаного залишається питання: Як змусити реактор атомної електростанції почати працювати? Є уран, але як запустити в ньому ланцюгову реакцію? Тут важливо познайомитися з визначенням критичної маси — необхідної для старту ядерної реакції маси речовини, що ділиться. Тобто, за допомогою стрижнів і тепловиділяючих елементів спершу створюють критичну масу атомного палива, а вже потім реактор декількома етапами доводять до необхідного рівня потужності.

Рейтинг країн з виробництва атомної енергії

Ринок мирної ядерної енергії вивчає спеціальна організація — МАГАТЕ (Міжнародне агентство з атомної енергетики) . Саме International Atomic Energy Agency

• Встановлює міжнародні норми безпечного для людей і навколишнього використання атомної енергії;
• Підтримує ядерні енергетичні програми по всьому світу-пропонує свою технічну допомогу;
• Стежить за тим, щоб учасники об'єднання використовували ядерні матеріали і технології в мирних цілях;
• Допомагає країнам безпечно і грамотно вивести ядерні об'єкти з експлуатації;
• Тримає під контролем запас НОУ (низькозбагаченого урану) в Казахстані — екстрений резерв, який слід використовувати лише в разі гострої глобальної необхідності і тільки в мирних цілях.

МАГАТЕ складає щорічні звіти Nuclear Share of Electricity Generation, які дають повне уявлення про країни-лідери атомної енергетики. З даних документів стає явним, що 91% ядерної енергії виробляється 15 країнами. Велика частка припадає на США - держава виробляє ⅓ від загального обсягу. Однак найбільш залежною від атомної енергії вважається Франція , де 70% всієї електроенергії має атомне Виробництво .

МАГАТЕ повідомляє, що щорічно виробляється 2 553 208 гігават-годин атомної енергії. за її обсягами (ГВт/год) і займаній частці ринку можна виділити п'ятнадцять країн-лідерів:

1. США: 789 919 (30,9 %).
2. Китай : 344 748 (13,5 %).
3. Франція: 338 671 (13,3 %).
4. Росія : 201 821 (7,9 %).
5. Південна Корея : 152 583 (6 %).
6. Канада : 92 166 (3,6 %).
7. Україна : 71 550 (2,8 %).
8. Німеччина : 60 918 (2,4 %).
9. Іспанія : 55 825 (2,2 %).
10. Швеція : 47 362 (1,9 %).
11. Великобританія : 45 668 (1,8 %).
12. Японія : 43 099 (1,7 %).
13. Індія : 40 374 (1,6 %).
14. Бельгія: 32 793 (1,3 %).
15. Чехія: 28 372 (1,1 %).

Незважаючи на здаються великими масштаби, АЕС всієї планети виробляють тільки 10% від загальної частки електроенергії.

Скільки атомних станцій у світі: найбільша АЕС

Перша в історії людства атомна електростанція була побудована в Обнінську (1954). За своєю суттю вона була реактором на повільних (теплових) нейтронах, а джерелом енергії служив уран-235. Потужність першопрохідника становила 5 МВт.

Сьогодні найбільшою АЕС всієї планети лічити атомна електростанція кору з урахуванням недавно введених в роботу енергетичних блоків Шин-кору (Південна Корея). Раніше звання належало Касівадзакі-Каріва (Японія), яка на даний момент зупинена після аварії на Фукусімі в 2011. 

Серед найпотужніших АЕС також називають тайванську атомну електростанцію з шістьма енергоблоками, здатну на потужність в 6608 МВт. У 2018 станція побила світовий рекорд: після підключення чотирьох нових енергетичних блоків вона дозволила підвищити потужність всіх атомних реакторів людства до рекордної позначки в 400 ГВт.

Серед важливих атомних станцій планети також можна виділити:

• Фукусіма I і II (Японія). До 2011 Японські проектори були світовими лідерами, що видавали потужність в 8 814 МВт. Однак після потужного цунамі і землетрусу 4 з 6 енергоблоків виведені з ладу.
• Касівадзакі-Каріва (Японія). Одна з найбільш інноваційних станцій, що включає в себе 5 унікальних реакторів BWR, і 2 — ABWR. Межа потужності - 7 965 МВт.
• Запорізька АЕС (Україна). Ядерний об'єкт є найбільшим в Європі. Діє шість реакторів, що видають потужність до 6 000 МВт.
• Йован (Південна Корея). Велика станція, що веде історію з 1986. Сьогодні її найбільша потужність може становити до 5 875 МВт.
• Норд (Франція). Ядерний об'єкт базується в Гравеліні — він є найбільшим у своїй країні. Потужність-до 5460 МВт.
• Палюель (Франція). Унікальність цієї атомної станції у верхній Нормандії в тому, що вона здатна на 100% забезпечувати електроенергією ціле селище. Потужність-до 5 320 МВт.
• Каттном (Франція). Компактна АЕС в Лотарингії з потужністю 5 200 МВт.
• Брюс (Канада). Атомна електростанція в Онтаріо з вісьмома енергоблоками, що видають сумарну потужність в 4 693 МВт.
• Охі (Японія). Точне розташування-Фукуї. Тут діє чотири реактори загальною потужністю 4 494 МВт.
• Унтерсберг (США). Wintersburg в Арізоні-найбільша атомна електростанція в Сполучених Штатах: вона розкинулася на площі в 16 км2. Ядерний об'єкт загальною потужністю в 3 942 МВт здатний забезпечити електроенергією 4 млн місцевих жителів.

На справжній день в світі функціонує (за даними МАГАТЕ) 443 атомних станцій в 31 країні, чия загальна потужність виходить на 393 ГВт. При цьому ще 50 реакторів знаходяться на стадії будівництва. Більшість атомних електростанцій зосереджено в Європі, Далекосхідній Азії, Північній Америці і на території колишнього СРСР. В Африці число АЕС одиничне, а в Австралії і Океанії дорівнює нулю.

У топ-15 за кількістю діючих реакторів опинилися:

1. Сполучені Штати Америки-96.
2. Франція — 58.
3. Китай — 50.
4. Росія-39.
5. Японія-33.
6. Південна Корея-24.
7. Індія — 22.
8. Канада-19.
9. Великобританія-15. 
10. Україна-15.
11. Швеція-7.
12. Іспанія-7.
13. Бельгія-7.
14. Чехія-6.
15. Німеччина-6.

З цього рейтингу варто виділити держави, гідні особливої уваги:

• США. Глобальний лідер за встановленою спільністю, але атомна енергетика становить не більше 20% від сумарного енергобалансу держави.
• Китай. Незважаючи на те, що КНР є лідером за потужностями, АЕС дають тільки 4% від усієї електроенергії, що живить країну. Країна здійснює наймасштабнішу програму з будівництва нових АЕС. 
• Франція. Ядерна енергетика-національний пріоритет: до 72% в загальному енергобалансі. 

До 2022 помітна тенденція зниження популярності «мирного атома» — розвинені країни світу більше звертають увагу на відновлювані Альтернативні джерела енергії. Так, 201 енергоблок вже числиться закритим-це цілком високий показник, якщо врахувати, що на Жовтень 2021 у всьому світі функціонувало 437 ядерних реакторів.

Країни, які не мають власних ядерних реакторів

У XXI столітті ряд держав вибрав політику стагнації( припинення), а часом і відмови від програм атомної енергетики:

• Лідери Японія, Франція і США закривають ряд своїх атомних станцій.
• Італія . Єдина країна світу, яка повністю відмовилася від ядерної енергетики — в державі закрили всі побудовані АЕС.
• Німеччина, Іспанія, Швеція, Бельгія, Швейцарія . Країни перейшли до довгострокових програм відмови від ядерної енергетики.
• Казахстан, Грузія, Литва, Азербайджан. Колишні республіки СРСР, ці країни відмовилися від подальшого розвитку радянських атомних програм.
• КНДР, Австрія , Куди, В'єтнам, Польща , Лівія. Призупинили атомні програми перед запуском перших АЕС.
• Філіппіни, Португалія, Австралія , Норвегія, Нова Зеландія. Мальта, Малайзія, Люксембург, Ліхтенштейн, Латвія, Ірландія, Данія , Греція, Гана. Держави, що працювали над розвитком перших своїх атомних програм, але відмовилися від їх втілення в життя.

Серед країн, які не мають як власної атомної енергетики, так і планів на її побудову:

• Австрія;
• В'єтнам;
• Ізраїль ;
• Йорданія;
• Італія;
• Казахстан;
• Литва;
• Малайзія;
• Саудівська Аравія ;
• Північна Корея ;
• Таїланд ;
• Чилі.

У невизначеній позиції (припиняли програму, але не прийшли до повної відмови) знаходиться Вірменія, Швеція і Нідерланди .

Як АЕС впливає на навколишнє середовище?

Як показує статистика, щорічно в атмосферу виділяється 32 млрд тонн вуглекислого газу — і з роками показник тільки зростає. Передбачається, що до 2030 він перевищить позначку в 34 млрд т/ рік. В якості альтернативи газу, вугіллю і нафти пропонується так званий «зелений квадрат» безвуглецевої енергетики. Його становить сонячна, вітрова, гідро - і атомна енергетика. Вже сьогодні потужність останньої досягла 397 гігават. Якщо уявити, що дану енергію виробляли б за допомогою нафти і природного газу, то це додало б 2 млрд тонн шкідливих викидів СО2.

Встановлено, що зведення атомних електростанцій завдає навколишнього світу меншої шкоди, ніж будівництво теплоелектроцентралей або гідроелектростанцій . Однак навіть найнадійніша АЕС не є 100% гарантією того, що не трапиться аварія, радіоактивні викиди при якій часом порівнюються з наслідками застосування ядерної зброї. З 1960 — х на планеті закрилося понад 200 атомних станцій-і частина з них завершила роботу саме через небезпечний вплив на природу.

Але варто розуміти, що 100% надійних енергетичних об'єктів не існує зовсім. Що стосується АЕС, вони роблять свій вплив на середу з моменту будівництва, під час експлуатації і після закінчення роботи:

1. Вилучення земельних угідь під зведення.
2. Зміна природного ландшафту, переведення рослинності.
3. Переселення як тварин, так і місцевих жителів на інші території.
4. Теплове забруднення місцевості, що змінює звичний мікроклімат.
5. Хімічний вплив у вигляді викидів у водойми, грунт і атмосферу.
6. Забруднення радіонуклідами в разі невжиття превентивних заходів.
7. Вплив іонізуючого випромінювання у випадках, коли АЕС виводять з експлуатації з порушенням правил дезактивації і демонтажу.

З усього перерахованого найпоширенішим негативним впливом називають теплове забруднення АЕС, яке наносять бризкальні басейни, градирні, охолоджуючі системи на кілька кілометрів навколо себе. Це змінює мікроклімат, стан водойм, звичне життя фауни і флори.

Серед можливого техногенного впливу атомної електростанції на природу називають:

1. Позаштатні ситуації, що можуть виникнути при при зберіганні відпрацьованих ядерних речовин.
2. Витоки на виробництвах, що переробляють Опромінене паливо.
3. Спроби "ядерного тероризму".
4. «людський фактор», який веде за собою масу небезпек від збою в роботі до серйозної аварії.

На екологічну оцінку атомної енергетики серйозно вплинула Чорнобильська аварія (1986), коли атмосфера була забруднена 450 типами небезпечних радіонуклідів, включаючи йод-131, стронцій-90, цезій-131. Але до масового закриття глобальних ядерних проектів це не призвело — до цього дня 16% світової електроенергії виробляється на АЕС.

Висновок

Команда https://worldbank.org.ua хоче виділити головні тези з вищесказаного:

• Атомна (ядерна) енергія — енергія, що міститься в атомних ядрах і виділяється при ядерних реакціях і радіоактивному розпаді.
• Атомна (ядерна) реакція-процес перетворення (ділення) атомних ядер при взаємодії їх з елементарними частинками і гамма-квантами.
• Атомний (ядерний) реактор-пристрій, призначенням якого є підтримка контрольованої ядерної реакції з виділенням енергії.
• Плюси атомної енергетики: вироблення великих обсягів енергії, не потрібно видобуток сировини, немає споживання кисню, відсутнє забруднення навколишнього середовища.
• Мінуси ядерної енергетики: складна і дорога переробка і небезпечне зберігання опроміненого палива, необхідність поховання відпрацьованого атомного палива разом з конструкціями реактора, що веде за собою радіоактивне забруднення місця поховання. 

Що ж стосується екологічного аспекту, тут складно прийти до однозначної думки: нехай ядерна енергетика і включена в «зелений квадрат», вона все ж робить негативний вплив на навколишнє середовище, несе з собою ризик катастрофи — техногенної аварії, подібної до тієї що трапилася в Чорнобилі і на Фукусімі.