ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В.А. Грачев, научный руководитель Центра глобальной экологии факультета глобальных процессов МГУ им. М.В. Ломоносова, профессор, д.т.н., член-корр. РАН

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ядерная (атомная) энергия — энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде

В природе ядерная энергия выделяется в звёздах, а человеком применяется, в основном, в ядерном оружии и ядерной энергетике, в частности, на атомных электростанциях

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ

Всего при делении одного ядра урана-235 освобождается энергия около 3∙10―11 Дж или

200 МэВ:

𝑈92235 + 𝑛0

1 →3 𝑛01 + продукты распада + 3∙10―11 Дж

В реакторах АЭС энергия выделяется при делении ядер урана и некоторых других тяжелых элементов. Энергия, возникающая в ядерном реакторе, образуется за счёт расщепления атомов урана-235

Когда в ядро 𝑈92235 попадает медленный нейтрон, оно распадается на два

ядра более мелких атомов и выделяет два или три нейтрона

При каждом акте деления кроме двух ядер-осколков образуются два-три нейтрона. Достаточно одному из них попасть в соседнее ядро урана и вызвать его деление, как появляются новые нейтроны. Такой самоподдерживающийся процесс является цепной реакцией деления ядер урана

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ

Образующиеся при делении ядра называют осколками деления

• Разлетаясь в стороны, осколки сталкиваются с

атомами того же урана или других элементов и

раздают им свою энергию, вызывая их нагрев.

• Выделяющаяся энергия приобретает форму

тепловой энергии, которую дальше можно

использовать для получения горячей воды, пара и

электрического тока

• Можно подсчитать, что при распаде 1 кг 𝑈92235

может быть получено около 77 ТДж энергии,

что эквивалентно 1840 т н.э. Причина

выделения энергии при расщеплении ядра

состоит в том, что общая масса продуктов деления

и испускаемых нейтронов оказывается меньше

массы исходного атома. Всё происходит в

соответствии с уравнением Эйнштейна, когда

дефект массы превращается в энергию

5 5

ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ

Ядерный реактор – это устройство для осуществления и использования контролируемой цепной реакции деления

При мощности реактора 1 МВт в течение суток расходуется 1 г урана. Современные мощные реакторы работают на мощности 3200 МВт и потребляют примерно 3,2 кг урана в сутки или около 1 т в год

6 6

ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

В реакторах на быстрых нейтронах осуществляется реакция деления на высокообогащенном топливе (до

90% 𝑈92235 или чистый плутоний 𝑃𝑢94

239 ) без замедления быстрых нейтронов до тепловых скоростей

Здесь основным делящимся изотопом является плутоний-239. В этих реакторах за счет

превращения 𝑈92238 в 𝑃𝑢94

239 образуется больше расщепляющегося материала, чем расходуется при делении. Таким образом, происходит парадоксальное на первый взгляд явление: ядерный реактор на быстрых нейтронах во время работы не только производит энергию, но и вырабатывает новое ядерное топливо в большем количестве, чем потребляет

7 7

ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Помимо урана-238 в природе существует еще один «воспроизводящий» изотоп торий-232, который можно превратить в атомы, способные к ядерному делению. Торий в три раза больше распространен в земной коре. После бомбардировки нейтронами этот изотоп после ряда

превращений становится изотопом урана 𝑈92232 , который поддается ядерному делению и

который можно использовать в качестве ядерного топлива При использовании ториевого топлива образуется намного меньше плутония и других актинидов, чем из топлива на основе урана. С точки зрения сокращения производства ядерных отходов, топливный цикл на основе тория представляется более привлекательным

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе. Проблема управляемого термоядерного синтеза пока не решена, однако в случае решения этой проблемы он станет практически неограниченным источником дешёвой энергии

Солнце, как и бесконечное число других

звёзд, является гигантским

термоядерным реактором, который

вырабатывает энергию за счёт реакции

ядерного синтеза с участием легких

ядер, прежде всего водорода, который

превращается в гелий. Поскольку масса

продуктов реакции синтеза меньше,

чем масса исходных частиц, то дефект

массы в соответствии с

уравнением Эйнштейна переходит

в энергию

Количество выделяющейся при этом

энергии в 10 раз больше энергии

реакции деления той же массы

уранового топлива

9 9

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Реакции термоядерного синтеза по своей природе безопасны и не выделяют в воздух загрязнителей

Основной реакцией ядерного синтеза считается реакция между двумя тяжелыми изотопами водорода – трития с дейтерием, поскольку она легче всего может быть инициирована • Дейтерий – стабильный изотоп, распространенный в воде

(33 г/м3) • Тритий – радиоактивный изотоп, который получают

нейтронной бомбардировкой лития Разогреть дейтерий-тритиевую плазму до необходимой температуры 100–200 млн оС, легче, чем плазму другого состава Для поддержания реакции в плазме академик А.Д. Сахаров предложил использовать тороидальные вакуумные камеры, помещаемые в продольное магнитное поле. На основе этого предложения стали развиваться плазменные системы, получившие название «токамак». Чтобы достичь высоких температур, плазму нагревают пучками нейтральных частиц и электромагнитными волнами. Магнитное поле удерживает горячую плазму на расстоянии от внутренней стенки «токамака». Тепло от реакции удаляется через теплообменники в стенке реактора. Это тепло используется для получения пара, а затем через систему турбина-генератор для производства электроэнергии

10

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, используется в долгоживущих источниках тепла и бета-гальванических элементах Автоматические межпланетные

станции типа «Пионер» и »Вояджер», а также марсоходы и другие межпланетные миссии используют радиоизотопные термоэлектрические генератор

Изотопный источник тепла использовали советские лунные миссии «Луноход-1» и «Луноход-2»

Радиоактивный распад — спонтанное изменение состава

или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов

ЯДЕРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ

Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) представляет собой совокупность технологических операций для достижения следующих целей:

1. Подготовка ядерного топлива к использованию в реакторах

2. Использование топлива в реакторах АЭС для производства энергии. Для изготовления

активной зоны РБМК-1000 необходимо до 200 тыс. комплектующих деталей, 14 млн

топливных таблеток, 240 тыс. сварных швов

3. Временное (до 10 лет) хранение облученного ядерного топлива (ОЯТ) в бассейнах-

хранилищах на АЭС. Удельная активность ОЯТ – до 1000 Ки/кг

4. Далее, на заключительной стадии ЯТЦ, возможны следующие варианты:

захоронение ОЯТ в стабильных геологических формациях (открытый ЯТЦ)

переработка ОЯТ для отделения ценных делящихся изотопов от радиоактивных отходов

(РАО), а затем переработка и захоронение РАО (закрытый ЯТЦ)

12

ПЕРЕРАБОТКА РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Переработка ОЯТ преследует две цели:

выделение плутония и оставшегося урана для повторного использования

отделение продуктов деления (ПД) и трансурановых элементов для дальнейшей обработки как РАО

Урановая руда Добыча урановых руд по странам мира

13

ПЕРЕРАБОТКА РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Ежегодно со всех АЭС мира выгружается до 11 тыс. т ОЯТ, что вдвое превышает мощности

перерабатывающих установок

Переработка ОЯТ – это дорогое дело, её примерная стоимость 500 долл./кг. Это значит, что затраты завода РТ-1 (Россия) мощностью по переработке ОЯТ 400 т/год составляют 200 млн долл./год

Наиболее распространенными и освоенными являются водные экстракционные технологии переработки ОЯТ

14

ПЕРЕРАБОТКА РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Наиболее подходящей формой иммобилизации ВАО является их остекловывание, слив стекломассы в контейнеры и захоронение контейнеров

При водной экстракционной технологии переработке ОЯТ образуется примерно 45 м3 жидких ВАО, 150 м3 жидких среднеактивных отходов и 2000 м3 жидких низкоактивных отходов

Особенность РАО заключается в невозможности их уничтожения сжиганием или переводом в другую химическую форму

РАО в любой форме сохраняют свою радиоактивность РАО можно только преобразовать в форму, удобную для окончательного захоронения в

геологических формациях РАО классифицируются по агрегатному состоянию и по уровню удельной активности (низко-,

средне- и высокоактивные) Жидкие РАО относятся к высокоактивным (ВАО), если их удельная активность составляет более 1

Ки/л, газообразных – более 10―9 Ки/л, твёрдых – более 10―2 Ки/кг α-излучения или более 10―1 Ки/кг β-излучения

15

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

16

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

17

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

18

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

19

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

20

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

21

22

23

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

24

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Ситуацию с развитием ядерной

энергетики оценивают по-разному:

от стагнации до стабильного

развития

Наиболее общим является

положение о завершении «первой

ядерной эры» и наступлении

«второй ядерной эры»

В пользу этого заключения можно

привести следующие аргументы:

ресурсные ограничения и растущая конкуренция за ископаемые ресурсы

неравномерность размещения органических ресурсов и политическая нестабильность в странах-экспортёрах

энергоресурсов

глобальные и региональные экологические ограничения

способность ядерной энергетики стать стабилизирующим экономическим и экологическим фактором устойчивого

развития цивилизации

25

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ

25