Ядерная энергетика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Ядерная энергетика

Ядерная энергетика, отрасль энергетики, использующая ядерную энергию (атомную энергию) в целях электрификации и теплофикации; область науки и техники, разрабатывающая и использующая на практике методы и средства преобразования ядерной энергии в тепловую и электрическую. Основу Я. э. составляют атомные электростанции (АЭС). Источником энергии на АЭС(атомная электростанция) служит ядерный реактор, в котором протекает управляемая цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, преимущественно 235U и 239Pu. При делении ядер урана и плутония выделяется тепловая энергия, которая преобразуется затем в электрическую так же, как на обычных тепловых электростанциях. При истощении запасов органического топлива (угля, нефти, газа, торфа) использование ядерного топлива пока единственно реальный путь надёжного обеспечения человечества необходимой ему энергией. Рост потребления и производства электроэнергии приводит к тому, что в некоторых странах мира уже ощущается нехватка органического топлива и всё большее число развитых стран начинает зависеть от импорта энергоресурсов. Истощение или недостаток топливных энергоресурсов, удорожание их добычи и транспортирования стали одними из причин так называемого «энергетического кризиса» 70-х гг. 20 в. Поэтому в ряде стран ведутся интенсивные работы по освоению новых высокоэффективных методов получения электроэнергии за счёт использования других источников, и в первую очередь ядерной энергии.

загрузка...

  Ни одна отрасль техники не развивалась так быстро, как Я. э.: в 1954 в СССР вступила в строй первая в мире АЭС(атомная электростанция) (г. Обнинск), а в 1978 в СССР, США, Великобритании, Франции, Канаде, Италии, ФРГ(Федеративная Республика Германии), Японии, Швеции, ГДР(Германская Демократическая Республика), ЧССР(Чехословацкая Социалистическая Республика), НРБ(Народная Республика Болгария), Швейцарии, Испании, Индии, Пакистане, Аргентине и других странах уже дали ток свыше 200 АЭС(атомная электростанция), установленная мощность которых превысила 100 Гвт. Доля Я. э. в общем производстве электроэнергии непрерывно растет, и, по некоторым прогнозам, к 2000 году не менее 40% всей электроэнергии будет вырабатываться на АЭС(атомная электростанция). В программе энергетического строительства СССР также предусматривается опережающее развитие Я. э., особенно на Европейской части территории СССР.

  Все АЭС(атомная электростанция) основаны на ядерных реакторах двух типов: на тепловых и быстрых нейтронах. Реакторы на тепловых нейтронах, как более простые, получили во всём мире, в том числе и в СССР, наибольшее распространение. К моменту создания первой АЭС(атомная электростанция) в СССР уже были разработаны физические основы цепной реакции деления ядер урана в реакторах на тепловых нейтронах; был выбран тип реактора — канальный, гетерогенный, уран-графитовый (теплоноситель — обычная вода). Такой реактор надёжен в эксплуатации и обеспечивает высокую степень безопасности, в частности за счёт дробления контура циркуляции теплоносителя. Перегрузку топлива можно производить «на ходу», во время работы реактора. Тепловая мощность реактора первой АЭС(атомная электростанция) составила 30 Мвт, номинальная электрическая мощность АЭС(атомная электростанция) — 5 Мвт. Пуском Обнинской АЭС(атомная электростанция) была доказана возможность использования нового источника энергии. Опыт, накопленный при сооружении и эксплуатации этой АЭС(атомная электростанция), использован при строительстве других АЭС(атомная электростанция) в СССР.

  В 1964 была включена в Свердловскую энергосистему Белоярская атомная электростанция им. И. В. Курчатова с реактором на тепловых нейтронах электрической мощностью 100 Мвт, реактор которой существенно отличался от своего предшественника более высокими тепловыми характеристиками за счёт перегрева пара, осуществляемого в активной зоне реактора (т. н. ядерный перегрев). Второй блок Белоярской АЭС(атомная электростанция) усовершенствованной конструкции и более мощный (200 Мвт) был введён в эксплуатацию в 1967. Реактор имеет одноконтурную систему охлаждения. Основной недостаток ядерного перегрева — повышение температуры в активной зоне реактора, что приводит к необходимости применять температуростойкие материалы (например, нержавеющую сталь) для оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), а это в большинстве случаев ведёт к снижению общей эффективности использования ядерного топлива.

  Установленные на первых АЭС(атомная электростанция) уран-графитовые реакторы канального типа не имеют тяжёлого, громоздкого стального корпуса. строительство АЭС(атомная электростанция) с такими реакторами представляется весьма заманчивым, поскольку оно освобождает заводы тяжёлого машиностроения от изготовления стальных изделий больших габаритов (корпус водо-водяного реактора имеет форму цилиндра диаметром 3—5 м, высотой 11—13 м при толщине стенок 100—250 мм) с массой 200—500 т. Опыт эксплуатации первых уран-графитовых реакторов, работавших по одноконтурной схеме с кипящей водой в качестве теплоносителя, способствовал созданию одноконтурного уран-графитового кипящего реактора большой мощности — РБМК. Первый такой реактор электрической мощностью 1000 Мвт (РБМК-1000) был установлен в сентябре 1973 на Ленинградской АЭС(атомная электростанция) им. В. И. Ленина (ЛАЭС), а в декабре 1973 первый блок ЛАЭС дал промышленный ток в электрическую сеть Ленэнерго. Второй блок также мощностью 1000 Мвт сдан в эксплуатацию в конце 1975. За 1977 ЛАЭС выработала 12,5 млрд. квт×ч электроэнергии. Строительство ЛАЭС продолжается, она будет состоять из 4 блоков общей мощностью 4000 Мвт. Тепловая мощность каждого из 4 блоков ЛАЭС 3200 Мвт, 70 Гкал/ч (335 Гдж/ч) тепла будет отбираться для нужд теплофикации. ЛАЭС является головной из строящихся АЭС(атомная электростанция) в Европейской части СССР.

  В 1976 вступил в строй первый блок Курской АЭС(атомная электростанция) с реактором РБМК электрической мощностью 1000 Мвт. В 1977 вошла в строй Чернобыльская АЭС(атомная электростанция); заканчивается сооружение Смоленской АЭС(атомная электростанция) и других также с несколькими реакторами РБМК-1000. В 1975 в Литовской ССР развернулось строительство Игналинской АЭС(атомная электростанция) с 4 уран-графитовыми реакторами канального типа электрической мощностью 1500 Мвт каждый. Увеличение единичной мощности реактора РБМК на Игналинской АЭС(атомная электростанция) до 1500 Мвт достигнуто фактически в габаритах реактора РБМК-1000 за счёт усовершенствования, главным образом конструкции ТВЭЛов. Форсирование мощности РБМК-1000 уменьшает удельные капиталовложения на сооружение АЭС(атомная электростанция), повышает её среднюю удельную мощность. Ведутся (1978) проработки и эксперименты по созданию реакторов типа РБМК электрической мощностью 2000 и 2400 Мвт.

  В СССР с 1974 успешно эксплуатируется АТЭЦ — атомная теплоэлектроцентраль, построенная в районе г. Билибино (Магаданская область). Электрическая мощность Билибинской АТЭЦ 48 Мвт, выработка тепла для отопления и централизованного горячего водоснабжения достигает 100 Гкал/ч.

  Из реакторов на тепловых нейтронах в СССР наибольшее распространение получили корпусные водо-водяные реакторы — ВВЭР. В 1964 вступила в строй Нововоронежская атомная электростанция с ВВЭР электрической мощностью 210 Мвт, в котором замедлителем нейтронов и теплоносителем служит обычная вода. Тепловая мощность реактора 760 Мвт. По удельной энергонапряжённости и экономичности использования топлива реактор этого типа один из лучших. В декабре 1969 был сдан в эксплуатацию второй блок с ВВЭР электрической мощностью 365 Мвт. В 1971—72 были введены третий и четвёртый блоки электрической мощностью 440 Мвт каждый с реакторами ВВЭР-440. За 1977 Нововоронежская АЭС(атомная электростанция) выработала свыше 10 млрд. квт×ч электроэнергии. В 1978 заканчивается сооружение пятого блока электрической мощностью 1000 Мвт, после чего мощность Нововоронежской АЭС(атомная электростанция) достигнет 2500 Мвт. Именно этот пятый блок с ВВЭР-1000 стал прототипом строящихся АЭС(атомная электростанция) с ВВЭР большой мощности.

  Последовательное укрупнение единичной мощности энергетического оборудования на Нововоронежской АЭС(атомная электростанция) (210, 365, 440, 1000 Мвт) характерно не только для ВВЭР. Развитие мировой энергетики, в том числе и Я. э., всегда сопровождалось ростом единичных мощностей энергетических установок. Укрупнение оборудования несколько снижает стоимость сооружения АЭС(атомная электростанция), однако каждая последующая ступень укрупнения приносит всё меньшую экономию. На Кольском полуострове в 1973—74 были сданы в эксплуатацию 2 блока АЭС(атомная электростанция) с ВВЭР-440. Пуск Кольской АЭС(атомная электростанция) имеет большое значение, т. к. на Кольском полуострове гидроэнергетика не имеет больших перспектив, а привозить топливо экономически невыгодно.

  В декабре 1976 в Армянской ССР был введён в строй первый блок АЭС(атомная электростанция) с реактором ВВЭР-440. Эта первая в Армении и Закавказье АЭС(атомная электростанция) расположена в горной местности (высота над уровнем моря 1100 м) в сейсмическом районе. Такое местоположение Армянской АЭС(атомная электростанция) связано с необходимостью решения задачи по обеспечению надёжной и безопасной работы АЭС(атомная электростанция) в трудных сейсмических условиях. По расчётам АЭС(атомная электростанция) способна выдержать подземные толчки в 8—9 баллов (осенью 1976 во время землетрясения в Турции АЭС(атомная электростанция) уже выдержала толчки в 4—5 баллов).

  При технической помощи СССР в ряде социалистических стран строятся АЭС(атомная электростанция) с ВВЭР. Так, в ГДР(Германская Демократическая Республика) в 1966 построена АЭС(атомная электростанция) в г. Рейнсберг с ВВЭР электрической мощностью 70 Мвт; на побережье Балтийского моря на АЭС(атомная электростанция) им. Бруно Лёйшнера сданы в эксплуатацию (в 1973—77) 3 блока с ВВЭР-440. Строительство ещё 3 блоков успешно продолжается. В НРБ(Народная Республика Болгария) на АЭС(атомная электростанция) «Козлодуй» с 1976 действуют 2 блока с ВВЭР-440, сооружение ещё 2 блоков такой же мощности завершается. В ЧССР(Чехословацкая Социалистическая Республика) с 1972 работает АЭС(атомная электростанция) «А-1» с реактором на тяжёлой воде (замедлитель нейтронов) и углекислом газе (в качестве теплоносителя). Электрическая мощность АЭС(атомная электростанция) «А-1» 140 Мвт. Реактор разработан совместно советскими и чехословакцкими специалистами. В ЧССР(Чехословацкая Социалистическая Республика) сооружается также крупная промышленная АЭС(атомная электростанция) с ВВЭР-440; первый блок будет введён в строй в 1978, а второй — в 1979. Ведётся строительство АЭС(атомная электростанция) с ВВЭР-440 в СРР(Социалистическая Республика Румыния), ВНР(Венгерская Народная Республика), ПНР(Польская Народная Республика). При технической помощи СССР закончено (1976) сооружение АЭС(атомная электростанция) с ВВЭР-440 в Финляндии. Опыт, накопленный при сооружении и эксплуатации реакторов типа ВВЭР в Советском Союзе и за рубежом, привёл к созданию ВВЭР-1000, который имеет 4 петли, в каждую из них входят: парогенератор, главный циркуляционный насос, 2 запорные задвижки и др. оборудование. Тепловая мощность каждой петли 750 Мвт.

  Кроме реакторов с водой под давлением, в Советском Союзе сооружен кипящий водо-водяной реактор с одноконтурной схемой выработки пара непосредственно в реакторе. Опытная АЭС(атомная электростанция) с реактором ВК-50 (на 50 Мвт) была построена в Димитровграде (Ульяновская область) и пущена в 1965. Одноконтурная схема значительно упрощает теплотехническое оборудование, делает проще связь ядерного реактора с турбоагрегатом. Опыт эксплуатации АЭС(атомная электростанция) с реактором ВК-50 свидетельствует о надёжной работе станции и высокой степени безопасности обслуживающего персонала.

  В мире создано много различных типов реакторов на тепловых нейтронах с разными замедлителями и теплоносителями. В их числе водо-водяные реакторы под давлением, водо-водяные кипящие реакторы, уран-графитовые с водяным теплоносителем, уран-графитовые с ядерным перегревом пара, реакторы органо-органические (с органическим замедлителем и органическим теплоносителем), газо-графитовые (теплоноситель — углекислый газ), реакторы с тяжёлой водой (теплоноситель — обычная вода), тяжеловодные реакторы (с тяжёлой водой в качестве замедлителя и теплоносителя), реакторы с гелиевым теплоносителем и др.

  Установлено, что АЭС(атомная электростанция) с реакторами на тепловых нейтронах могут успешно конкурировать с обычными ТЭС(теплоэлектростанция), однако масштабы развития АЭС(атомная электростанция) сдерживаются низкой эффективностью использования природного урана реакторами на тепловых нейтронах. Более перспективны реакторы на быстрых нейтронах, так называемые быстрые реакторы, которые могут наилучшим образом использовать деление ядер тяжёлых элементов и одновременно создавать новое искусственное ядерное топливо 239Pu. При попадании быстрых нейтронов в ядро 238U происходит несколько реакций превращения и создания отдельных трансурановых элементов, в результате которых образуется 239Pu. При делении ядер 239Pu высвобождается нейтронов больше, чем при делении ядер 235U. Если рассматривать Я. э. с позиции рационального использования ядерного топлива, то основная задача Я. э. сводится к выбору методов оптимального использования нейтронов и сокращения бесполезных потерь нейтронов, образующихся при делении ядер урана и плутония. Коэффициент воспроизводства в быстрых реакторах может достигать значений 1,4 и даже 1,7; т. е., «сжигая» 1 кг плутония, быстрый реактор не только возвращает его, но за счёт вовлечения в топливный цикл неделящихся изотопов 238U даёт дополнительно 0,4—0,7 кг плутония, который может служить новым ядерным топливом.

  В 1968 в г. Димитровграде было закончено сооружение крупной исследовательской АЭС(атомная электростанция) мощностью 12 Мвт с быстрым реактором БОР-60, который обеспечил проведение исследований по улучшению показателей и конструкций отдельных элементов быстрого реактора с натриевым охлаждением и подтвердил правильность пути, выбранного сов.(советский) учёными при создании энергетических реакторов на быстрых нейтронах. В конце 1972 на полуострове Мангышлак сооружена крупная опытная АЭС(атомная электростанция) с быстрым реактором БН-350 с натриевым охлаждением. АЭС(атомная электростанция) БН-350 двухцелевого назначения: производство электрической энергии (установленная мощность 150 Мвт) и выдача пара на опреснительные установки для получения из морской воды 120 тыс. т пресной воды в сутки. Шевченковская АЭС(атомная электростанция) — крупнейшая в мире (на 1978) опытно-промышленная энергетическая установка с реакторами на быстрых нейтронах, позволяет учёным решить ряд проблем Я. э. На Белоярской АЭС(атомная электростанция) в качестве третьего блока строится новая промышленная АЭС(атомная электростанция) с реактором на быстрых нейтронах электрической мощностью 600 Мвт (БН-600). Сооружение и пуск АЭС(атомная электростанция) с реактором БН-600 — следующий этап в развитии советской Я. э. В БН-600 была применена более экономичная и конструктивно новая (по сравнению с БН-350) так называемая интегральная компоновка первого контура, при которой активная зона, насосы, промежуточные теплообменники размещены в одном баке — корпусе. Сравнение результатов работы БН-350 и БН-600 покажет, какое из конструктивных и технологических решений лучше.

  Одна из главных целей работ с реакторами на быстрых нейтронах — достижение высоких темпов расширенного воспроизводства ядерного топлива, что невозможно на реакторах других типов. Научные изыскания и эксперименты по реакторам на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем продолжаются в расчёте на большие мощности — до 800—1600 Мвт. В США, Великобритании, Франции и других странах в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах также используется натрий. Но натрий не единственный возможный тип теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах. В качестве теплоносителя может применяться и газ, в частности гелий; например, в институте ядерной энергетики АН(Академия наук) БССР работают над использованием N2O4 в качестве газового теплоносителя.

  На ранних этапах развития Я. э. в ряде стран мира учёные работали над многими типами реакторов с целью выбрать в дальнейшем наилучший из них в техническом и экономическом отношениях. В 70-х гг. почти все страны ориентируют свои национальные программы развития Я. э. на ограниченное число типов ядерных реакторов. Например, в США основными являются водо-водяные реакторы под давлением и кипящие реакторы; в Канаде — тяжеловодный реактор на природном уране; в СССР — водо-водяные реакторы под давлением и уран-графитовые реакторы канального типа.

  В связи со значительным увеличением цен на уголь и особенно на нефть и всё возрастающими трудностями их добычи быстрейшее развитие Я. э. становится экономически полностью оправданным: по современным оценкам стоимость производства электроэнергии на АЭС(атомная электростанция) в 1,5—2 раза ниже, чем на обычных ТЭС(теплоэлектростанция). По прогнозам зарубежных специалистов к 1980 в мире будет находиться в эксплуатации порядка 250 реакторов общей мощностью 200 Гвт. И хотя экономические кризисы и инфляция в капиталистических странах и другие привходящие обстоятельства могут изменить такой прогноз в сторону уменьшения мощности АЭС(атомная электростанция), общая тенденция к росту Я. э. очевидна. Использование ядерной энергии для выработки электроэнергии, тепла, для опреснения воды, производства восстановителей для металлургической промышленности, получения новых видов химической продукции — всё это задачи огромного масштаба, которые придают Я. э. не только новые качества, но и показывают её ещё далеко не использованные возможности. К преимуществам Я. э. относят также и то, что АЭС(атомная электростанция) не загрязняют атмосферу окислами серы, азота, губительно влияющими на окружающую среду. Проблеме обеспечения радиационной безопасности населения и защиты окружающей среды от радиоактивного загрязнения в СССР и в др. индустриально развитых странах уделяется большое внимание.

  Кроме крупных промышленных АЭС(атомная электростанция), в СССР разрабатываются и сооружаются АЭС(атомная электростанция) малой и очень малой мощности для специальных целей. В 1961 была сдана в эксплуатацию передвижная ядерная энергетическая установка ТЭС(теплоэлектростанция)-3 с реактором водо-водяного типа электрической мощностью 1500 квт. Всё оборудование ТЭС(теплоэлектростанция)-3 размещается на 4 самоходных гусеничных платформах с кузовами вагонного типа.

  В 1964 была пущена энергетическая установка «Ромашка» с ядерным реактором на быстрых нейтронах и полупроводниковым термоэлектрическим преобразователем мощностью 500 вт. Эта установка проработала на стенде более 15 000 ч вместо ожидаемых 1000 ч. «Ромашка» — прототип ядерной установки с непосредственным преобразованием ядерной энергии в электрическую энергию.

  В 1970—71 были созданы и прошли испытания 2 термоэмиссионных реактора-преобразователя — «Топаз-1» и «Топаз-2» электрической мощностью 5 и 10 квт соответственно. Принцип прямого преобразования тепловой энергии в электрическую заключается в нагреве в вакууме катода до высокой температуры при поддержании анода относительно холодным, при этом с поверхности катода «испаряются» (эмиттируют) электроны, которые, пролетев межэлектродный зазор, «конденсируются» на аноде, и при замкнутой наружной цепи по ней идёт электрический ток. Основное преимущество такой установки по сравнению с электромашинными генераторами — отсутствие движущихся частей. Энергетические установки, основанные на использовании ядерной энергии, находят также применение как транспортные силовые установки (см. Ядерная силовая установка). Особенно широко они используются на подводных лодках, а также на транспортных судах невоенного назначения, в том числе на атомных ледоколах.

  В процессе эксплуатации АЭС(атомная электростанция) образуется относительно большое количество жидких и твёрдых радиоактивных отходов. Жидкими отходами на АЭС(атомная электростанция) могут быть теплоноситель первого контура в случае необходимости его замены, протечки теплоносителя при нарушении герметичности оборудования, вода бассейнов выдержки отработавших ТВЭЛов, дезактивационные растворы, растворы от регенерации ионообменных фильтров, воды спец.(специальный) прачечных, воды пунктов дезактивации оборудования и специального транспорта и др. Практика показывает, что за год работы на АЭС(атомная электростанция) образуется от 0,5 до 1,5 м3 среднеактивных жидких отходов в расчёте на 1 Мвт электрической мощности реакторов. В жидких отходах со средним уровнем радиоактивности сосредоточено около 99% общего количества радионуклидов, попадающих в отходы. В СССР принята схема переработки всех жидких радиоактивных отходов непосредственно на АЭС(атомная электростанция) с использованием методов выпарки и ионного обмена. Концентраты отходов (кубовые остатки после выпарки), ионообменные смолы, пульпы, первичный теплоноситель при его замене собирают и по герметичным трубопроводам направляют в специальные ёмкости-хранилища для среднеактивных отходов. Твёрдыми радиоактивными отходами на АЭС(атомная электростанция) являются в основном отдельные детали или узлы реакторного оборудования, инструменты, предметы спецодежды и средств индивидуальной защиты персонала, ветошь, фильтры из систем газоочистки. На АЭС(атомная электростанция), кроме жидких и твёрдых радиоактивных отходов, возможны выбросы, содержащие летучие соединения радиоактивных изотопов, а также образование радиоактивных аэрозолей. Некоторое количество радиоактивных газов и аэрозолей после тщательной спец.(специальный) очистки отводят в атмосферу, а жидкие и твёрдые отходы, загрязнённые радиоактивными веществами, складируются в специальные хранилища-могильники.

  Однако главная проблема в развитии Я. э. — разработка экономичных, надёжных способов захоронения больших количеств высокоактивных отходов. В этом направлении во многих странах мира ведутся научно-исследовательские и опытно-промышленные работы, в частности по разработке эффективных методов остекловывания радиоактивных отходов. В 70-х гг. в Я. э. переработка выгоревших ТВЭЛов ещё не получила большого развития, но с расширением строительства АЭС(атомная электростанция) и особенно быстрых реакторов, когда понадобится большое количество вторичного ядерного топлива, массовое захоронение высокоактивных отходов может приобрести первостепенное значение.

  Международное агентство по атомной энергии при ООН(Организация Объединённых Наций) (МАГАТЭ) выдало рекомендацию на сброс радиоактивных отходов низкой и средней активности в северо-восточной части Атлантического океана. В 1976 в океан было сброшено контейнерами почти 40000 т отходов, содержащих около 240000 кюри (b — g-активности. Однако такой метод захоронения радиоактивных отходов в глубинах морей и океанов вызывает возражения среди учёных ряда стран.

  Одна из важнейших проблем Я. э. — проблема выработки энергии с помощью управляемого термоядерного синтеза. При создании термоядерного энергетического реактора можно надеяться на решение всех проблем Я. э. без необходимости собирать высокоактивные отходы и искать пути и способы надёжного их захоронения. К 1977 уже на нескольких термоядерных установках получены нейтроны термоядерного происхождения. Наиболее совершенной установкой в настоящее время является система Токамак, разработанная в 50-х гг. в институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва). В 1975 там же была пущена крупнейшая в мире термоядерная установка Токамак-10. Система Токамак получила признание в ряде ведущих стран мира. Так, в США в Принстонском университете создана установка «Принстонский большой Токамак» (PLT); во Франции, в ядерном центре Фонтене-о-Роз — установка «Токамак Фонтене Роз» (TFR). Осуществление регулируемого термоядерного синтеза, получение практически неисчерпаемого источника энергии на термоядерных электростанциях — крупнейшая проблема ядерной физики, задача огромного масштаба, которую ныне решают учёные различных специальностей во многих странах мира.

  Лит.: Александров А. П., Атомная энергетика и научно-технический прогресс, в сборнике: Атомной энергетике XX лет, М., 1974; Маргулова Т. Х., Атомные электрические станции, 2 изд., М., 1974; Петросьянц А. М., Современные проблемы атомной науки и техники в СССР, 3 изд., М., 1976.

  А. М. Петросьянц.