Основоположнику ядерной физики англичанину Эрнсту Резерфорду человечество обязано знаниями о строении атома и радиоактивности. И хотя это явление было обнаружено еще в 1896 году французским ученым Антуаном Анри Беккерелем в ходе его экспериментов с урановыми соединениями, дальше этого ему пойти не удалось. Первое искусственное деление ядер, основанное на Беккерелевских наблюдениях и показавшее, что излучение — это выход d-, в-, и з-лучей, провел в 1919 году именно Резефорд. Он, облучив азот б-частицами урана, сумел превратить его в кислород. Правда, этот процесс сопровождался поглощением тепла, а вот его выделение стало плодом трудов английских физиков Джона Дугласа Кокрофта и Эрнеста Томаса Синтона Уолтона, создавших первый в мире ускоритель протонов и осуществивших в 1932 году ядерную реакцию с помощью облучения литиевой пластины искусственно ускоренными протонами. В том же году открытие англичанином Джеймсом Чедвиком нейтрона позволило осуществить цепную реакцию деления. В 1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрасман добились распада атомного ядра под воздействием нейтрона на два (реже три) «осколка». А в 1942 году под руководством Энрико Ферми была проведена управляемая цепная ядерная реакция.
Сегодня.
В 56 странах работают гражданские атомные реакторы, в 31 стране - 440 коммерческих реакторов; мощность 26 реакторов, находящихся на реконструкции, эквивалентна 8,6% от всей существующей; 44 атомных реактора находятся в процессе строительства; около 50 - в стадии планирования, общая их мощность после введения в эксплуатацию будет соответствовать 11,6% всей ныне существующей. Стоит ли говорить что загрузка существующих реакторов повышается день ото дня?
Плата за страх
Если обратиться к сухим цифрам статистики, то вполне обоснованно можно сказать, что атомная энергетическая промышленность по сравнению с другими ее видами для тех людей, которые работают на ЭС, максимально безопасна. Доля погибших в результате аварийных ситуаций, произошедших на атомных электростанциях, ничтожно мала по сравнению с теми, кто явился жертвой аварий на газовых, гидро- и угольных ЭС.
Хотя тот, кто знает, какое количество жертв принес Чернобыль, вряд ли поверит в это безоговорочно. Опять же, если следовать статистике, число погибших, работавших в тот день, вернее, в ту ночь, на ЧАЭС, составило 31 человек, в том числе и шестеро пожарных из спецкоманды, обслуживающей станцию, принявших на себя основной удар смертоносной радиации. Всего же, по официальным данным правительств Украины, Белоруссии и России, в той или иной степени, по самым скромным подсчетам, пострадало более 9 миллионов человек. А полное количество жертв — в соответствии со специальным докладом ООН, посвященным оценке влияния аварии на окружающий мир, — можно будет посчитать не раньше 2016 года. Дело в том, что, по утверждению медиков, основной пик массовых индуцированных онкозаболеваний с наибольшей интенсивностью должен последовать через 25 лет после аварии — для ее ликвидаторов и через 50 — для жителей загрязненных территорий.
И все же, несмотря на столь ужасающие аргументы, ядерная энергия для жителей Земли является едва ли не самым перспективным видом топлива, особенно в том случае, если произойдет истощение природных запасов угля, газа, нефти и торфа, а такая тенденция наметилась уже в 60 — 70-х годах XX века. А вот запасов радиоактивного урана на Земле достаточно. К тому же этот вид топлива в результате специальной обработки способен воспроизводиться.
А между тем широкое использование ядерной энергии в мирных целях началось лишь в 50-х годах XX столетия. Сама же ядерная технология получила развитие в годы второй мировой войны, когда исследования в этой области были сосредоточены на создании атомной бомбы. Как мы знаем, впервые это «чудо техники» было апробировано американцами в 1945-ом. Хотя в те же военные годы был пущен и первый в мире «мирный» реактор, работающий по тому же принципу и используемый в целях производства электроэнергии. И сделали это те же американцы, осуществив процесс постройки и запуска ядерного реактора под руководством Энрико Ферми — лауреата Нобелевской премии 1938 года за открытия и исследования в области физики, в том числе и ядерной. В Европе первый ядерный реактор был запущен в 1946 году в Московском институте атомной энергии, основанном и возглавляемом в то время Игорем Васильевичем Курчатовым — руководителем работ по отечественной атомной науке и технике.
А первая в мире опытно-промышленная АЭС начала свою работу в июне 1954 года в городе Обнинске. Ее пуск положил начало новому направлению в энергетике, получившему мировое признание после Женевской конференции 1955 года.
Сейчас в мире производится столько же атомной энергии, сколько в 60-е годы XX века — всеми видами энергетических источников в совокупности. К 2000 году выработка ядерной энергии возросла до 2 447 миллиардов киловатт, что на 15% больше, чем в 1994 году.
Примерно одна тонна природного урана после необходимой переработки способна обеспечить получение 45 000 000 киловатт-часов — это же количество энергии получается при сжигании 20 000 тонн угля и 30 000 000 кубометров газа.
А при добыче урановой руды водный экологический баланс Земли, как это ни странно, нарушается гораздо меньше, чем при добыче угля.
С другой стороны, их строительство обходится намного дороже, чем, например, ТЭС или ГЭС. Да и ущерб, причиняемый выбросами и утечками радиоактивных изотопов, настолько велик, а ликвидация его настолько дорогостояща, что это не может не вызвать неоднозначного отношения мировой науки к эффективности использования атомной энергии.
Атомоходы
Главным источником энергии как на надводных, так и на подводных атомоходах, служит ядерная силовая установка. ЯСУ состоит из ядерного реактора с необходимым оборудованием и паро- или газотурбинной установки.
Первой стратегической величиной в 1949 году стала американская подводная лодка с ядерным реактором на борту. Первый атомоход невоенного назначения — советский ледокол «Ленин» (1959 год). Со временем стали строиться и более мощные атомные суда невоенного назначения — это атомные ледоколы «Арктика» и «Сибирь» в СССР, а также транспортные атомоходы «Саванна» (США), «Отто Ган» (ФРГ) и «Муцу» (Японии). И все же преимущественно ЯСУ получили распространение на подводных лодках.
Это объясняется тем, что для их работы не требуется кислород, а значит, подводные лодки могут очень длительное время находиться в состоянии погружения.
Помимо этого, ЯСУ дают возможность практически не ограничивать дальность плавания, развивать и поддерживать немалую скорость. К тому же компактность ЯСУ играет далеко не последнюю роль. Преградой для радиоактивного излучения реактора служат две защитные оболочки. Первая закрывает корпуса реактора, вторая — парогенераторное оборудование, систему очистки и контейнеры для отходов.
В общей сложности в мире на сегодня существует более 200 судов различного назначения с 400 ядерными энергетическими установками на борту. Россия располагает 8 атомными ледоколами.
Ядерный реактор
(один из современных ядерных реакторов)
Это устройство предназначено для осуществления и поддержания управляемой цепной ядерной реакции. Принципы использования ядерных реакторов для производства электричества те же, что и большинства других подобных систем. Энергия, полученная при расщеплении атомов, используется для нагрева воды и получения пара. Пар приводит в действие турбины, которые и производят электроэнергию. Основными составляющими элементами ядерного реактора являются: Активная зона, где сосредоточено ядерное топливо и происходит реакция деления ядер, сопровождающаяся выделением энергии; Теплоноситель — жидкое или газообразное вещество, необходимое для поддержания нужной температуры при вылете из активной зоны; Отражатель нейтронов — приспособление для уменьшения потерь нейтронов при вылете из активной зоны; Биологическая защита — система охраны работающих на АЭС людей от воздействия ядерных излучений. В активной зоне большинства типов реакторов находятся, помимо топлива, модератор (материал, замедляющий нейтроны, полученные при расщеплении, для еще большего их расщепления; модератором часто служит так называемая «тяжелая» вода или графит) и контрольные стержни, сделанные из поглощающих нейтроны материалов, таких как кадмий, гафний или карбит бора. Стержни размещаются в активной зоне или достаются из нее для контроля уровня реакции или ее остановки. Ядерные реакторы делятся на два основных типа — гетерогенный и гомогенный. Первый — наиболее распространен и представляет собой реактор, в котором ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов. Второй тип реакторов — гомогенный — применяется гораздо реже из-за технологических и конструктивных сложностей. В его основе лежит принцип, при котором ядерное топливо и замедлитель образуют однородную (по ядерно-физическим свойствам) среду для нейтронов. Эта смесь может быть жидким раствором (или суспензией) ядерного топлива и замедлителя.
Цикл ядерного топлива
Основным энергоносителем АЭС является природный уран (U). Его производство — процесс, называемый циклом ядерного топлива. Начинается он с добычи урановой руды, которая затем перемалывается, образуя новое соединение — оксид урана (U3O2), или желтый кек, подвергающийся обогащению. Для этого его переводят в газообразную форму — в состояние уранового гексафторида (UF6). Обогащение — процесс необходимый, так как только 0,7% природного урана подвергается расщеплению, необходимому для производства энергии. Природный уран содержит два изотопа (разновидности атомов одного химического элемента, атомные ядра которых содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов), один из них — 235U — способен расщепляться, другой — 238U — нет. Для функционирования ядерного реактора необходимо, чтобы концентрация 235U была несколько большей, чем содержится в природном виде. В процессе обогащения и происходит доведение концентрации этого изотопа до 3,5 — 5%, при этом нерасщепляемый изотоп удаляется на 85%. Это достигается разделением уранового гексафторида (UF6) на два потока: первый, обогащенный до нужного уровня, называется низкообогащенным ураном, а второй, обедненный, — «хвостами». Далее изготовливаются тепловыделяющие элементы — ТВЭЛы. После того как обогащенный уран (UF6) поступает на специализированное предприятие, происходит процесс его перевода в двуокись урана (UO2), лежащий в основе производства гранул, по форме напоминающих очень большие таблетки, получаемые путем прессования UO2 при температуре более 1 400°C. Затем «таблетки» помещают в специальные стержни, в оболочке которых используются слабо поглощающие нейтроны материалы (цирконий и алюминий). Готовые к употреблению ТВЭЛы объединяются в реакторах в особые группы, образующие так называемые сборки, или кассеты. Внутри ядерного реактора атомы 235U, упакованные в ТВЭЛы, расщепляются и высвобождают энергию, трансформирующуюся в электрическую. Отработанное топливо удаляют из реактора спустя год с момента загрузки. Топливные стержни, продолжающие излучать радиацию, помещают в водные резервуары, остужающие их и «смягчающие» тем самым уровень радиации. Так стержни хранятся от нескольких месяцев до нескольких лет. После отработки ядерное топливо содержит в себе 95% 238U, около 1% не прошедшего расщепления 235U, 1% плутония (вновь образовавшееся ядерное топливо) и 3% высокорадиоактивных продуктов деления. Воспроизводство отработанного топлива — это его очистка от радиоактивных продуктов деления, а также извлечение неиспользованной части урана и плутония. На обогатительном заводе происходит повышение содержания 235U. Те же продукты расщепления, которые были отделены в процессе воспроизводства, после выпаривания или отверждения направляются в спецхранилища.
Ядерные отходы и их утилизация
В зависимости от количества излучаемой энергии ядерные отходы делятся на три категории: низко-, средне- и высокосодержащие. Низкосодержащие в основном образуются на предприятиях, перерабатывающих урановую руду, и в специальных системах вентиляции и канализации. Среднесодержащие включают в себя составляющие реакторов, другое оборудование АЭС, загрязненные материалы, спецодежду и т.д. Высокосодержащие — это отработанное ядерное топливо, а также соединения, образующиеся в процессе его воспроизводства. Ядерные отходы бывают газообразными, жидкими и твердыми. Газообразные — это выбросы, содержащие летучие соединения радиоактивных изотопов, а также образующиеся радиоактивные аэрозоли. Их после очистки удаляют в атмосферу через вентиляционную трубу. Жидкие — это в основном те, что возникают в процессе воспроизводства ядерного топлива. Они, как правило, очищаются от радиоактивных изотопов с помощью методов коагуляции, ионного обмена и выпаривания, концентрируются до минимальных объемов и либо захораниваются в герметичных емкостях из нержавеющей стали, либо переводятся в твердые, не растворимые в воде формы, либо хранятся в специальных резервуарах в виде солевых концентратов для повторного промышленного использования. Твердые — это не поддающиеся отмыванию загрязненные материалы, использованная спецодежда, а также отходы процесса добычи и переработки урановой руды и производства топлива. Металлические конструкции, предварительно переплавленные, зачастую используют для повторного применения, так как после переплавки все радиоактивные соединения удаляются вместе со шлаками. Другие твердые отходы переносятся в бетонные траншеи, где их цементируют, битумируют, остекловывают или захоранивают в контейнерах из нержавеющей стали. Если их предполагается хранить десятки лет, то в специальных траншеях, а если сотни — то в подземных выработках и в соляных пластах. Но все перечисленные выше способы утилизации и хранения ядерных отходов не могут считаться ни окончательно надежными, ни абсолютно безопасными, ведь и металл, используемый в качестве «панциря» для смертоносного «мусора», подвергается коррозийному воздействию, бетон и стекло, которыми его укутывают, не вечны, в то время как распад радиоактивных элементов занимает сотни тысяч лет, а объемы накопленных отходов продолжают расти. Предполагается, что в 2030 году в результате работы АЭС по всему миру их накопится более 500 000 тонн. Именно поэтому специалисты всего мира ищут пути выхода из этой критической ситуации. Экологи яростно выступают в поддержку полной ликвидации всех АЭС и запрещения использования энергии атома, медики с тревогой отмечают растущее число заболеваний и генетических изменений в человеческом организме вследствие возрастающего воздействия радиации. И всех их можно понять, ведь от того, насколько ответственно и серьезно нынешние жители Земли отнесутся к проблеме защиты нашей планеты от возможных аварий, утечек, разгерметизации захораниваемых ядерных отходов, зависит не только наша жизнь и жизнь наши детей, но и всех тех, кто станет нашими далекими потомками.
