Атомные электростанции - основа ядерной энергетики, использующей
ядерную энергию для целей электрификации и теплофикации.
Что представляет собой ядерная энергия? В атомных ядрах протоны и
нейтроны связаны ядерными силами, причем энергия связи различна для
разных ядер. В ядерных реакциях деления тяжелых ядер и синтеза легких
ядер, в которых продукты реакции связаны более сильно, чем исходные
ядра,
разница в энергиях связи переходит в кинетическую энергию ядер -
продуктов и выделяется при их торможении в веществе в виде теплоты. На
использовании этой энергии и основана ядерная энергетика. В ядерных
реакциях выделяется огромная энергия (~МэВ), и теплота сгорания ядерных
топлив в миллионы раз больше, чем обычных топлив.
Есть две возможности освобождения ядерной энергии и, соответственно, два
главных направления ядерной энергетики - ядерная энергетика деления и
ядерная энергетика синтеза.
Для осуществления ядерной цепной реакции деления используют сложные
технические устройства - ядерные (атомные) реакторы. Первый в мире
реактор был построен в 1942 г. в США, работами руководил итальянский
физик Э. Ферми. Первый в Европе и в СССР ядерный реактор был сооружен в
1946 г. под руководством советского ученого И. В. Курчатова.
Ядерная энергетика деления основана на делении тяжелых ядер нейтронами с
образованием из каждого ядра двух ядер-осколков и нескольких нейтронов.
Нейтроны, "рождающиеся" при делении, сталкиваясь с ядрами, могут вызвать
цепную реакцию деления новых ядер. Это происходит при определенной
(критической) концентрации делящихся ядер в реакторе и определенных
(критических) размерах реактора.
В качестве ядерного горючего используют делящиеся ядра некоторых
изотопов урана и плутония. Способностью делиться под действием нейтронов
обладает изотоп урана - уран-235. Между тем в природном уране содержится
всего 0,7% урана-235; 99,3% составляет уран-238, который в основном
поглощает нейтроны без деления.
Чтобы осуществить цепную ядерную реакцию в природном уране, необходимо
замедлить нейтроны от энергий -2МэВ, с которыми они рождаются при
делении, до очень малых энергий - 1 /40эВ, соответствующих их тепловому
равновесию со средой. Именно при этих энергиях резко падает вероятность
поглощения нейтронов ураном-238, а вероятность поглощения их ураном-235
растет.
Поэтому в реактор наряду с ураном помещают замедлитель нейтронов -
вещество с малой атомной массой и слабым поглощением нейтронов (легкая
или тяжелая вода, графит, бериллий). Это реактор на медленных (тепловых)
нейтронах.
Реактор же без замедлителя - реактор на быстрых нейтронах - может стать
критическим лишь при использовании урана, обогащенного изотопом
урана-235 до концентрации 10% и выше.
Гомогенный ядерный реактор, гетерогенный реактор
Схема атомной электростанции
По своей конструкции реакторы деления подразделяют на гомогенные и
гетерогенные. В первых ядерное горючее и замедлитель представляют собой
гомогенный (однородный) раствор, к примеру раствор солей урана в тяжелой
воде. В гетерогенных реакторах топливо распределено в массе твердого
замедлителя, например графита. Блоки с ядерным топливом -
тепловыделяющие элементы, или ТВЭЛы, обычно образуют в графитовой кладке
геометрически правильный пространственный узор (см. рис.).
Наряду с ядерным топливом и замедлителем в состав реактора входят жидкий
или газообразный теплоноситель для отвода теплоты, конструкционные
материалы, органы регулирования цепной реакции (подвижные стержни из
поглощающего нейтроны материала).
Обычно для уменьшения вылета нейтронов из реактора зону реакции -
активную зону - окружают отражателем.
В состав атомной электростанции кроме реактора входят система защиты от
его излучений, системы циркуляции теплоносителя, преобразования энергии
и перегрузки топлива.
Нововоронежская АЭС
На АЭС теплота, выделяющаяся в результате ядерной реакции, отводится
в теплообменник (см. рис.), где она нагревает до кипения воду.
Образующийся пар направляют в турбину или используют для теплофикации
промышленных и жилых зданий.
Об огромном преимуществе ядерной энергетики можно судить по такому
сравнению: из 1 г урана в реакторе деления можно получить столько же
энергии, сколько дают свыше 2 т условного топлива.
Первая АЭС с реактором мощностью 5 МВт была построена и пущена в СССР в
городе Обнинске (Калужская область) в 1954 г. Начиная с 1960-х гг. в
нашей стране ведется интенсивное строительство атомных электростанций
большой мощности. В 1967 г. построена 1-я очередь Белоярской АЭС имени
И. В. Курчатова (Свердловская область), в 1980 г. электростанция пущена
на полную мощность -900 МВт. В 1974 г. введена в строй 1-я очередь (880
МВт) Кольской АЭС (Мурманская область), а в 1984 г. она достигла
проектной мощности 1760 МВт. С 1980 г. действует Нововоронежская АЭС
(Воронежская область) мощностью 2455 МВт, с 1981 г. - Ленинградская АЭС
имени В. И. Ленина мощностью 4000 МВт. К 1986 г. введены в действие 1-я
и 2-я очереди Курской АЭС (в г. Курчатове) мощностью 4000 МВт, пущены на
Смоленской АЭС первые два реактора мощностью по 1000 МВт, на Игналинской
АЭС
(Литовская ССР) первый реактор мощностью 1500 МВт. За одиннадцатую
пятилетку (1981 - 1985) производство энергии атомными электростанциями
возросло более чем вдвое - с 73 до 167 млрд. кВт ч в год.
С 1978 г. действует 1-я очередь завода "Атоммаш" имени Л. И. Брежнева по
производству реакторов для атомных электростанций.
Ядерные реакторы деления используются не только на АЭС, но и на крупном
морском транспорте (ледоколы, подводные лодки), на искусственных
спутниках Земли.
Ядерная энергетика синтеза основана на синтезе легких ядер, протекающем
при высоких температурах - свыше 107К, когда реагирующая среда является
плазмой (ионизированным газом). Изучаются различные схемы удержания
горячей плазмы (см. Токамак). Первые опытные энергетические реакторы
термоядерного синтеза, вероятно, будут построены к концу этого века.
С целью экономии природного ядерного топлива разрабатываются способы
воспроизводства ядерного горючего, в частности, путем переработки
урана-238 в искусственное ядерное горючее плутоний-239. Такое
расширенное воспроизводство ядерного горючего осуществляется в
реакторах-размножителях на быстрых нейтронах. Для их охлаждения нельзя
использовать воду, являющуюся хорошим замедлителем нейтронов; приходится
применять для этой цели жидкий натрий. Изучается возможность
строительства быстрых реакторов с газовым или паровым охлаждением.
Первый промышленный реактор на быстрых нейтронах был пущен в 1972 г. в
СССР, в городе Шевченко.
При проектировании, строительстве и эксплуатации установок атомной
энергетики главное внимание обращается на их надежность и безопасность.
После аварии на Чернобыльской АЭС (Украинская ССР) в апреле 1986 г. были
приняты самые действенные меры к тому, чтобы возможность аварий атомных
установок была сведена к нулю. В СССР создано общесоюзное министерство
атомной энергетики, на которое возложена задача дальнейшего развития
этой отрасли в интересах всего народного хозяйства. Важное значение
придается международному сотрудничеству. Наша страна выступает с
инициативой совместного создания учеными разных государств реактора
нового поколения и предлагает ускорить освоение управляемого
термоядерного синтеза, который мог бы стать неисчерпаемым источником
энергии.
