Вам уже известно, что цепная реакция сопровождается выделением колоссальной энергии.
После проведения опытов Резерфорд считал, что его работы - это чистая теория, и человечество никогда не использует энергию, «дремлющую» в атоме. Но после того как в 1938 г. Фредерик Жолио-Кюри открыл цепную реакцию, стало понятным, что энергия атома — это огромный источник энергии, которая может быть использована во благо человечества, а может привести и к трагическим последствиям.
С 1940 г. в Америке и Англии полностью прекратились публикации по атомной физике и стали государственной тайной. Контроль над атомной энергией перешел к военно-политическим силам.
В июле в 1945 г. в Лос-Аламосе (США) созданы атомные бомбы, которые 6 и 9 августа были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Энергия атома была использована для уничтожения людей и окружающей среды. Таким образом, именно в ядерном оружии была использована неуправляемая цепная реакция деления урана.
Впервые управляемую цепную ядерную реакцию деления урана осуществил в США коллектив ученых под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г.
В январе 1947 г. Игорь Курчатов осуществил первую на Европейском континенте управляемую цепную реакцию деления урана. Он был убежден, что людям будет служить мирный атом. В 1955 г. в Женеве состоялась первая международная конференция по вопросам мирного использования атомной энергии.
Научно-технический прогресс определяется развитием энергетики страны. Энергетика - важнейшая отрасль, охватывающая энергетические ресурсы, производство, преобразование, передачу и использование различных видов энергии, основа экономики страны.
Ядерной энергетикой называют осуществляемое в промышленных масштабах преобразование ядерной энергии в другие виды (механическую, электрическую и т.п.), используемые для производственных и бытовых потребностей.
Преобразование ядерной энергии в электрическую происходит на атомных электростанциях (АЭС). Они отличаются от обычных тепловых электростанций только тем, что источником тепловой энергии для получения водяного пара, который приводит в действие турбину и электрогенератор, является не органическое топливо, а энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе в ходе управляемой цепной ядерной реакции (рис. 258).
Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.
Использовать ядерную энергию для преобразования ее в электрическую начали в 1954 г. в г. Обнинске на первой атомной электростанции
мощностью 5000 кВт. Исторически первым был реализован реактор на медленных (тепловых) нейтронах.
Главной частью реактора является активная зона 1, состоящая из таких компонентов: ядерное топливо, замедлитель нейтронов, отражатель нейтронов 2.
В качестве топлива используют природный уран, обогащенный до 5 % нуклидом
Медленные нейтроны в ядерных реакциях более эффективны, чем быстрые, поэтому быстрые нейтроны, образующиеся при делении ядер
замедляют до тепловых скоростей с помощью вещества-замедлителя (графит, обычная вода, тяжелая вода D20, в которой обычный водород замещен на его изотоп Дейтерий). Одним из первых способов смешивания топлива с замедлителем было поочередное заполнение активной зоны урановыми и графитовыми блоками. В современных конструкциях реакторов ядерное топливо (уран) вводят в активную зону, как правило, в виде стержней, между которыми размещен замедлитель нейтронов.
Для уменьшения потерь вторичных нейтронов, вылетающих из области активной зоны, ее окружают стенками-отражателями 2 из материалов, ядра атомов которых хорошо отражают нейтроны, обычно из графита или бериллия. Для защиты персонала от ионизирующего излучения реактор извне обнесен защитными стенками 3 из железобетона и слоями воды.
В процессе цепной реакции температура в активной зоне достигает 500-600 °С. Для отвода теплоты от активной зоны реактора по трубам 5 пропускают теплоноситель 6, например обычную воду или жидкий металлический натрий. В теплообменнике 7 энергия передается водяному пару 8, поступающему в турбину 9, а потом из конденсатора 11 вода возвращается в теплообменник. Электрогенератор 10 вырабатывает электрический ток, готовый для использования в промышленности, на транспорте и в быту.
Управляют цепной реакцией с помощью регулирующих стержней 4, изготовленных из бора или кадмия, которые хорошо поглощают тепловые нейтроны. Эти стержни можно полностью или частично вводить в активную зону, параметры которой рассчитаны так, чтобы при полностью введенных стержнях реакция не проходила. Постепенно вытягивая стержни, увеличивают количество нейтронов в активной зоне до определенного порогового значения, когда реактор начинает работать.
В случае внезапного повышения интенсивности реакции в реакторе предусмотрены дополнительные аварийные стержни, введение автоматически которых в активную зону немедленно прекращает реакцию.
В 1971 г. началось строительство первой атомной электростанции в Украине в Чернобыле. После аварии в 1986 г. ее закрыли в 2000 г.
Сейчас в Украине действуют 4 атомные электростанции установленной мощностью 12 818 млн кВт (рис. 259): Запорожская АЭС, Ривненская АЭС (рис. 260), Хмельницкая АЭС, Южноукраинская АЭС. Реакторы этих станций имеют мощность 500-1000 МВт. В структуре производства электроэнергии АЭС составляют свыше 40 %.
Как и любой технически-промышлен-ный объект, атомные электростанции вместе с преимуществами имеют также потенциальную экологическую угрозу, особенно в плотнонаселенных регионах.
Преимуществами АЭС перед тепловыми электростанциями является то, что они не требуют дефицитного органического топлива и не загружают железную дорогу для перевозки угля. Атомные электростанции не расходуют атмосферный кислород и не загрязняют окружающую среду золой и продуктами сгорания. Выбросы АЭС в атмосферу содержат радиоактивных веществ меньше, чем выбросы тепловых электростанций.
Но АЭС свойственны также вредные и опасные факторы влияния на окружающую среду, в первую очередь угроза радиоактивного загрязнения окружающей среды во время аварийных ситуаций.
Проекты АЭС гарантируют безопасность персонала станции и населения. Мировой опыт эксплуатации АЭС свидетельствует, что биосфера надежно защищена от радиационного влияния станции в нормальном режиме эксплуатации. Но ошибки персонала и просчеты в конструкциях реакторов не исключают риска аварий, как это произошло при взрыве четвертого реактора Чернобыльской АЭС.
После этих событий резко возросла интенсивность научных исследований в отрасли гарантирования безопасности объектов атомной энергетики. Однако результаты многих исследований проблем безопасности АЭС хотя и выявили недостатки, упущения, даже ошибки в гарантировании безопасности АЭС, но и подтвердили уверенность специалистов в том, что высокого уровня безопасности АЭС можно достичь на основе современных знаний и технологий.
Теоретически ядерная энергия близка к идеальной. Однако самые пылкие сторонники ядерной энергетики признают, что с ее производством связано немало проблем.
Во время работы атомных реакторов накапливаются радиоактивные отходы. Распадаясь, они выделяют тепло, и поэтому их необходимо еще длительное время охлаждать после окончания управляемого процесса деления. Сегодня пока нет приемлемого способа сохранения отходов, надолго остающихся высокорадиоактивными.
Существуют проблемы надежности хранилищ радиоактивных веществ, дамб, которые должны защищать реки и водоемы от радиационного загрязнения. Высокорадиоактивные отходы невозможно уничтожить: их необходимо изолировать от окружающей среды на десятки тысяч лет - лишь тогда они не будут причинять никакого вреда. Надо создать независимую от человека систему обезвреживания ядерных отходов.
Производство ядерной энергии - от производства ядерного оружия, являющегося самым разрушительным. С помощью ракет это оружие можно доставить в любую точку земного шара.
Ядерный реактор по ряду причин не может взорваться, как ядерная бомба. Однако он содержит такое количество радиоактивных веществ, которое в тысячу раз превышает количество веществ, высвобожденных над Хиросимой. Следовательно, высвобождение даже незначительной части этих материалов может нанести большой урон и человеку, и окружающей среде.
Загрязнение окружающей среды происходит и в результате техногенных выбросов, имеющих место при работе атомных реакторов. До 1994 г. построено почти 430 энергетических атомных реакторов, которые в десятки раз увеличили выбросы в окружающую среду радиоактивных веществ сравнительно с выброшенными в атмосферу, водоемы и похороненными как отходы.
Выбросы не должны превышать то количество веществ, которое может поглотить, переработать биосфера без вреда для себя. Следовательно, загрязнение биосферы является важнейшей проблемой потому, что ее решение касается других проблем - энергии, ресурсов, питьевой воды и т. п.
Загрязнение территории Украины радиоактивными выбросами вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС не имеет аналогов ни по масштабам, ни по тяжести экологических, социальных и экономических последствий. Во время аварии было загрязнено около 12 млн гектаров, из них 8,4 млн гектаров сельскохозяйственных угодий.
При эксплуатации АЭС - выработке ее ресурса, что приводит к утрате больших площадей земель, пригодных для хозяйственной деятельности человека, - вокруг АЭС необходимо создавать санитарную зону.
Производство атомной энергии требует чрезвычайно высокой квалификации персонала, обслуживающего атомные реакторы, что позволяет избегать ошибок, которые могут стать причиной аварии.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Назовите основные этапы становления ядерной энергетики.
2. Дайте определение ядерной энергетики.
3. Чем отличается устройство АЭС от устройства тепловых электростанций?
4. Каково устройство ядерного реактора?
5. Для чего необходимы замедлитель и отражатель нейтронов?
6. Как управляют ходом цепной реакции?
7. Какие атомные электростанции действуют в Украине?
8. Какие преимущества АЭС?
9. Назовите основные проблемы ядерной энергетики.
10. Почему радиоактивное загрязнение близ действующих АЭС оказывается меньше, чем возле тепловых электростанций, работающих на каменном угле?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк