С тех пор количество атомных электростанций в мире резко возросло и достигло 192, 10 из которых находятся в России (всего 33 энергоблока). По этому показателю наша страна занимает восьмое место в мире, а по мощности — четвертое. Более подробно мы остановимся на этом в конце статьи.
Как устроены атомные электростанции
Мы хотим понять сложность технологического оборудования атомных электростанций.
Человек ищет энергию везде: в пламени горящего дерева и угля, в приливе реки, в силе ветра и в тепле солнечного света. В середине прошлого века мы узнали, как использовать энергию, скрытую в атомных ядрах тяжелых элементов. Сегодня эта невидимая энергия атома преобразуется на атомных электростанциях в электричество, с которым мы так хорошо знакомы.
Без мирного атома никак
Мировая экономика немыслима без ядерной энергии. Атомные электростанции производят десятую часть всей электроэнергии, вырабатываемой на Земле. В 31 стране мира действуют 192 атомные электростанции. Как правило, все они имеют по несколько электростанций — технологических комплексов для выработки электроэнергии, содержащих ядерный реактор. Общее количество таких электростанций в мире составляет 451.
США занимают первое место с 62 атомными электростанциями, второе — Франция с 19, третье — Япония с 17. Россия занимает пятое место по количеству атомных электростанций. У нас их 10, с 37 единицами. Общая мощность всех АЭС в мире составляет около 392 ГВт.
Атомная энергия имеет множество преимуществ. Наиболее важными являются высокая рентабельность и тот факт, что продукты сгорания не выбрасываются в атмосферу, как в случае с тепловыми электростанциями. Однако есть и серьезные недостатки. В случае аварии на атомной электростанции продукты деления ядерного топлива, выходящие из реактора, могут сделать большие территории вблизи станции непригодными для проживания в течение длительного времени. Другим недостатком является проблема хранения и переработки отработанного топлива.
Принцип работы атомной электростанции
Использование ядерной энергии началось почти одновременно с разработкой ядерного оружия. В то время как военные разработки продолжались, начались исследования возможности использования ядерной энергии в мирных целях, в основном для выработки электроэнергии. Началом мирного использования атомной энергии считается 1954 год, когда в подмосковном Обнинске заработала первая в мире атомная электростанция.
В отличие от атомной бомбы, которая запускает неконтролируемую цепную реакцию деления ядер, мгновенно высвобождающую огромное количество энергии, в ядерном реакторе происходит контролируемая реакция деления ядер — топливо медленно высвобождает свою энергию. Поэтому, чтобы использовать цепную реакцию деления ядер в мирных целях, ученые должны были найти способ использовать ее.
Атомная электростанция — это комплекс технического оборудования для выработки электроэнергии. Ядерная реакция происходит в сердце атомной электростанции — ядерном реакторе. Но не сам ядерный реактор производит электроэнергию.
На атомной электростанции происходят три взаимных преобразования форм энергии: Ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию, тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, а механическая энергия преобразуется в электричество. И у каждой трансформации есть свой технологический «остров» — комплекс оборудования, на котором эти трансформации происходят. Давайте спустимся ниже по технологической цепочке и внимательно рассмотрим, как вырабатывается электроэнергия.
Россия занимает лишь четвертое место в этом рейтинге с 6% (около 25 ГВт), в то время как Франция (17% и 66 ГВт) и Япония (12% и 46 ГВт) занимают второе и третье места соответственно.
Содержание
Во второй половине 1940-х годов, еще до завершения работ по созданию первой атомной бомбы (знаменитое испытание состоялось 29 августа 1949 года), советские ученые начали разрабатывать первые планы мирного использования атомной энергии, уделяя особое внимание энергетике.
В 1948 году по предложению И.В. Курчатова и по поручению партии и правительства были разработаны первые проекты практического использования атомной энергии для производства электроэнергии 1
В мае 1950 года у деревни Обнинское Калужской области началось строительство первой в мире атомной электростанции.
Первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт была введена в эксплуатацию в СССР 27 июня 1954 года в городе Обнинске Калужской области. В 1958 году была введена в эксплуатацию первая очередь Сибирской атомной электростанции мощностью 100 МВт (полная запланированная мощность составляет 600 МВт). В том же году началось строительство Белоярской промышленной атомной электростанции, и 26 апреля 1964 года генератор первой очереди подал электроэнергию потребителям. В сентябре 1964 года был введен в эксплуатацию энергоблок №1 Нововоронежской АЭС мощностью 210 МВт. Второй энергоблок мощностью 350 МВт был введен в эксплуатацию в декабре 1969 года. В 1973 году была введена в эксплуатацию Ленинградская АЭС.
За пределами СССР первая атомная электростанция мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в Колдер-Холле (Великобритания) в 1956 году, а годом позже — атомная электростанция мощностью 60 МВт в Шиппингпорте (США).
Мировыми лидерами в производстве ядерной энергии являются: США (788,6 млрд кВтч/год), Франция (426,8 млрд кВтч/год), Япония (273,8 млрд кВтч/год), Германия (158,4 млрд кВтч/год) и Россия (154,7 млрд кВтч/год).
На начало 2004 года в мире действовал 441 ядерный энергетический реактор, из которых российская компания ТВЭЛ поставляет топливо для 75.
Крупнейшей атомной электростанцией в Европе является Запорожская АЭС-2 вблизи Энергодара (Запорожская область, Украина), строительство которой началось в 1980 году. По состоянию на середину 2008 года в стране действуют 6 ядерных реакторов общей мощностью 6 гигаватт.
Крупнейшая в мире АЭС по установленной мощности (по состоянию на 2008 год) расположена в Касивадзаки, префектура Ниигата, Япония — в эксплуатации находятся пять реакторов с кипящей водой (BWR) и два усовершенствованных реактора с кипящей водой (ABWR) общей мощностью 8,212 ГВт.
Классификация
По типу реакторов
Атомные электростанции классифицируются в зависимости от установленных на них реакторов:
-
Использование специальных регуляторов для увеличения вероятности поглощения нейтронов топливными сердечниками.
По виду отпускаемой энергии
Атомные электростанции можно различать в зависимости от типа выделяемой энергии:
- Атомные электростанции (АЭС), используемые исключительно для выработки электроэнергии (АЭС), вырабатывающие как электроэнергию, так и тепло.
Однако на всех российских атомных электростанциях имеются теплоэлектроцентрали, предназначенные для нагрева воды в сети.
Принцип действия
На рисунке показана форма атомной электростанции с водо-водяным энергетическим реактором с двумя петлями. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передается теплоносителю в первом контуре. Затем теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где он нагревает воду во втором контуре до температуры кипения. Полученный пар подается в турбины, которые приводят в действие генераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды из бака.
Баланс давления — это довольно сложная и громоздкая конструкция, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, которые вызваны тепловым расширением теплоносителя. Давление в первичном контуре может достигать 160 атмосфер (ВВЭР-1000).
Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя может использоваться расплавленный натрий или газ. Использование натрия позволяет упростить конструкцию корпуса активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в натриевом контуре не превышает атмосферного) и сделать ненужным компенсатор давления, но это создает свои трудности из-за высокой химической активности этого металла.
Общее количество петель может варьироваться для разных реакторов, схема на рисунке приведена для реакторов типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). В реакторах WMWC (реактор большой мощности канального типа) используется одна водяная петля, а в реакторах PNR (реактор на быстрых нейтронах) — две натриевые петли и одна водяная.
Если нет возможности использовать большое количество воды для конденсации пара, вода может быть охлаждена вместо бака в специальных градирнях, которые обычно являются самой заметной частью атомной электростанции из-за своих размеров.
Помимо систем самой атомной электростанции, о которых мы поговорим ниже, они предполагают значительные меры предосторожности. Честно говоря, когда я был рядом с Воронежской АЭС, я немного волновался, но по мере сбора информации я понял, что переоценил ситуацию.
Дело техники
Огромные трубы на атомных электростанциях на самом деле не трубы, а градирни — башни для быстрого охлаждения пара.
В момент деления ядро распадается на две части, которые выбрасываются с бешеной скоростью. Однако они не разлетаются, а ударяются о соседние атомы, и кинетическая энергия преобразуется в тепло.
Пар приводит в движение турбину, а турбина приводит в движение генератор, который вырабатывает электроэнергию, как и на обычной угольной тепловой электростанции.
Забавно, но вся эта ядерная физика, изотопы урана, ядерные цепные реакции — все это только для того, чтобы вскипятить воду.
За чистоту
Ядерная энергия используется не только на атомных электростанциях. Есть атомные корабли и подводные лодки. Есть даже автомобили, самолеты и поезда, разработанные в 1950-х годах.
При эксплуатации ядерного реактора образуются радиоактивные отходы. Некоторые из них могут быть переработаны для дальнейшего использования, другие должны храниться в специальных хранилищах, чтобы не нанести вред людям и окружающей среде.
Тем не менее, ядерная энергия является одной из самых экологически чистых энергий на сегодняшний день. Атомные электростанции не производят выбросов в атмосферу, требуют мало топлива, занимают мало места и очень безопасны при правильном использовании.
Однако после Чернобыльской катастрофы многие страны приостановили развитие атомной энергетики. Во Франции, например, почти 80% энергии вырабатывается на атомных электростанциях.
Во втором тысячелетии высокая цена на нефть заставила всех задуматься о ядерной энергии. Существуют разработки компактных атомных электростанций, которые безопасны, могут работать десятилетиями и не требуют обслуживания.
