Технологии

Атомная энергетика и экологическая безопасность

В июне 1954 года в СССР начала свою работу Обнинская АЭС, первая в мире. Спустя несколько месяцев после этого события в США приступили к строительству атомной станции Шиппингпорт, которая была введена в эксплуатацию 26 мая1958 года.7 января 1956 года запустили первый реактор станции Маркуль на юге Франции. Так стартовала эпоха ядерной энергетики.

Атомная энергетика и экологическая безопасность

Реактор Обнинской АЭС – первой атомной электростанции в мире. Фото: Валентин Кунов / ИТАР-ТАСС

Россия, пионер ядерной энергетики, сейчас имеет в своем распоряжении 11 атомных станций. Доля выработки электроэнергии на них составляет 19% от общей. Это не мало, но и не слишком много. Лидером по доле генерации является Франция. 70% ее электроэнергии производят АЭС. В Венгрии, Словакии и на Украине доля составляет примерно 50%, Бельгии – 40%. Обратите внимание, все это – густонаселенные урбанизированные страны в центре Европы. Более 30% имеет Швеция, Болгария, Финляндия, Чехия и Словения, 23% Швейцария.

Атомная энергетика и экологическая безопасность

Структура мирового производства электрической энергии по видам первичной энергии (1973 – 2019 г.)

Экология

По прогнозам ученых к 2030 г. потребление энергии в среднем по планете даже при инерционном сценарии развития возрастет в 1,36, а к 2050 г. – в 1,53 раза. При этом все хотят дышать чистым воздухом, и на повестке дня остро стоит вопрос «чистых» способов производства энергии. В этой связи прежде всего упоминают гидроэнергетику, а также энергетику солнечную и ветровую. Между тем, атомная энергетика, о которой в таком контексте часто забывают, составляет вместе с тремя вышеупомянутыми так называемый «зеленый квадрат».

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), ядерная энергия позволила избежать выбросов 63 миллиардов тонн углекислого газа с 1971 по 2018 год. Без нее выбросы от энергетического сектора были бы на 20% выше. Вы ведь наслышаны о том, какую тревогу общественности вызвало увеличение выбросов на 1,7 % за год? Ускорение развития атомной энергетики – более чем реальная возможность их снизить, а производство энергии при этом увеличить.

Атомная энергетика и экологическая безопасность

Динамика техногенных выбросов углекислого газа

Но выбросами непосредственно станций дело не ограничивается. Тепловая энергетика требует огромных объемов топлива, которое надо добывать, где-то хранить, доставлять в места, где оно используется. Для этого приходится строить хранилища, транспорт и транспортные магистрали, и не какие-нибудь, а с высокой пропускной способностью. Все это требует больших денежных и энергетических затрат. Под это так же надо отводить большие территории, на которых при других обстоятельствах могло бы существовать лесное хозяйство или курортная зона. Добыча и перевозка ядерных материалов, конечно, нуждается в дополнительных мерах безопасности, но углеводороды также небезопасны. Аварии на газопроводах, пожары на нефтебазах, разлив нефти из танкера по морской поверхности – всё это приводит к очень тяжелым последствиям и непосредственно для людей, и для экосистемы в целом. Между тем, объемы ядерного топлива несопоставимо меньше и за ним легче обеспечить необходимый контроль.

Остается проблема радиоактивных отходов. Но и углеводородная энергетика отнюдь не безотходна, угольные ТЭЦ обрастают золо- и шлакоотвалами. Что до проблемы отходов атомных станций, то сейчас ее стремятся решать с помощью рециклинга. Современные технологии позволяют пускать в дело ядерное топливо повторно. В будущем опасных отходов будет становиться всё меньше и меньше.

Тем не менее, в массовое сознание образ атомной энергетики как экологически чистой укладывается плохо. «Энергия ветра, воды и солнца» звучит пасторально, «ядерные технологии» ассоциируется с тяжелой промышленностью, секретными лабораториями, радиацией и прочими совсем неидиллическими вещами. Это совершенно правильно, но думать, будто с остальными видами «зелёной» энергетики дело обстоит как-то иначе -крайне наивная точка зрения. Солнечная энергетика требует сложного и высокотехнологичного производства солнечных батарей, гидроэнергетика – затопления больших территорий, которое, если не принимать продуманных контрмер, может привести к гибели биоценозов и серьезному нарушению экологического равновесия. Пастораль в любом случае не получается. Так что, списывать со счетов ядерный реактор как способ улучшить экологическую обстановку никак нельзя. Более того, атомная энергетика в этой четверке главная. По самым оптимистическим прогнозам «солнце, воздух и вода» вместе взятые не дадут и половины необходимой энергии, и если отказаться от атома, нехватку придется восполнять, сжигая углеводороды.

Безопасность

Конечно, далеко не все страхи, связанные с ядерной энергетикой, иррациональны. Выше было показано, что исправно работающая атомная станция экологичнее тепловой, но ключевые слова здесь «исправно работающая». В наше время 40% стоимости строительства атомной станции расходуются на системы безопасности. Случившаяся более тридцати лет назад Чернобыльская катастрофа стала поводом сделать компетентные выводы. После аварии на всех станциях провели дополнительные исследования возможных аварийных ситуаций и путей их преодоления.

Учитывая современные темпы развития технологий, тридцать лет – это целая эпоха или даже несколько. Сейчас апеллировать к той давней истории, всё равно, что говорить об авариях первых, сделанных из фанеры, самолётов в контексте безопасности современных международных авиарейсов. Большое влияние на устройство энергоблоков оказали и события 2011 года на станции «Фукусима-1». Многие правила так и называют постфукусимскими. Сформировавшиеся системы безопасности предусматривают эксплуатацию станции во всех мыслимых и немыслимых режимах, в том числе и нештатных.

Меры безопасности в ядерной энергетике – тема воистину необъятная и очень интересная, здесь мы можем привести лишь некоторые примеры того, как современные АЭС делают более надежными, чем их предшественницы.

На случай необходимости срочно остановить цепную реакцию, ядерные устройства оснащены специальными стержнями с боросодержащим веществом – поглотителем нейтронов. В критической ситуации стержни вводят в активную зону, и реакция останавливается. На старых станциях их вводили снизу с помощью электрического механизма. В случае внезапного обесточивания механизм введения стержней-поглотителей может не сработать.

Куда более надёжным является иное конструктивное решение, в свое время предложенное российскими специалистами. Стержни с поглотителем подвешивают над реактором и удерживают электромагнитами. В случае внезапного обесточивания электромагниты отключатся, и стержни войдут в активную зону просто под действием силы тяжести. Такая система защиты, не требующая каких-либо дополнительных команд персонала, называется пассивной, и подвешенные на магнитах стержни с поглотителем – лишь один из её элементов.

Активная зона реактора РМБК сконструирована так, что образует естественную отрицательную обратную связь. Если поток нейтронов увеличивается, растет температура в реакторе и повышается паросодержание. Но само повышение паросодержания в активной зоне приводит к ускоренному поглощению нейтронов и прекращению цепной реакции.

Атомная энергетика и экологическая безопасность

На всех действующих станцияхРоссииесть несколько систем, которые включаются одна за другой в случае возникновения ситуации обесточивания, полностью исключая возможность такого развития событий, какое имело место в Японии.

В реакторе с водой под давлением (одним из разновидностей которого является российский ВВЭР) вода не кипит, и место паросодержания занимает другой показатель – температурный коэффициент реактивности по температуре теплоносителя. Но работает это похоже. Увеличение потока нейтронов увеличивает коэффициент, а это автоматически приводит к ускоренному поглощению нейтронов. Такие реакторы на сегодняшний день самые распространенный в мире из-за своей высокой надежности. Все в совокупности они имеют на своем счету более 1400 лет абсолютно безаварийной работы.

Исправность работы станций регулярно проверяют как национальные, так и международные организации. Для облегчения мониторинга установлена Международная шкала INES, которая делит происшествия на АЭС по степени тревожности на семь уровней. Первый уровень – аномалия, второй – инцидент, третий – серьезный инцидент, четвертый – авария с локальными последствиями, пятый – авария с широкими последствиями, шестой – серьезная авария, седьмой – крупная авария.

Есть также уровень 0 – отклонение, не затрагивающие ядерную и радиационную безопасность происшествие, при котором эксплуатационные пределы и условия не нарушены, а управление осуществляется в соответствии с адекватными процедурами. «Аномалия» (уровень 1) — это происшествие с отклонением от разрешенного режима эксплуатации, но без значительных нарушений мер обеспечения безопасности, значительного распространения радиоактивного загрязнения или переоблучения работников. Он может быть связан с отказом оборудования, ошибкой человека или несоответствием регламенту эксплуатации. Далее по мере увеличение серьёзности последствий уровень возрастает. Критерии внесены в специальные таблицы. С 1998 года на российских АЭС не зафиксировано ни одного нарушения выше первого уровня.

Атомная энергетика и экологическая безопасность

ВВЭР-1000 в составе первого энергоблока Балаковской АЭС

Перспективы

В настоящее время на российских станциях сооружаются энергоблоки с реакторами ВВЭР-1200. Станции с такими реакторами относятся к поколению «III+», и Россия имеет мировой приоритет в их строительстве.

Атомная энергетика и экологическая безопасность

Сборка реактора ВВЭР-1200 на втором блоке Нововоронежской АЭС-2

Пионером этого поколения стала Нововоронежская АЭС. Ее шестой энергоблок с реакторной установкой ВВЭР-1200 и электрической мощностью 1200 МВт был включен в энергосистему России в августе 2016 года. Сейчас одна такая установка уже работает на Ленинградской АЭС-2, скоро заработает вторая. Аналогичный энергоблок российские атомщики строят на первой Белорусской АЭС.

Энергоблоки второго поколения имеют проектный срок службы 30 лет, с возможностью продления после проверки. Энергоблок поколения «III+» должен проработать 60, и этот срок также может быть продлён. Персонала для их обслуживания надо на 30-40% меньше, в то время как мощность установки выросла на 20%.

Новые блоки оснащены многоуровневой системой безопасности, отработанной ещё на реакторах ВВЭР-1000. Выходу радиоактивных веществ наружу препятствуют 4 физических барьера. Четвертый – это двойной, усиленный стальными канатами, бетонный купол, способный сохранять герметичность после падения на него Боинга и землетрясения силой 8 баллов.

Для увеличения надежности используют ряд недавних наработок. Например, «ловушка для расплава». Ловушка срабатывает в том случае, если не сработали все активные и пассивные системы охлаждения неисправного реактора, и температура поднялась до такого уровня, что дно бетонной оболочки все-таки расплавилось, и расплав покинул корпус реактора. В этом случае расплав стекает в помещенный под реакторным залом огнеупорный стакан, где находится так называемый жертвенный материал, присутствие которого исключает цепную реакцию. Реакция останавливается, и расплав медленно остывает в стакане.

Хотя энергоблоки третьего поколения еще только вводят в эксплуатацию, специалисты уже обсуждают, каким будет четвертое, еще более эффективное, более экологически чистое, выносливое и надежное. Вопрос этот активно обсуждается в рамках международного проекта Форум «Поколение 4» (Generation IV InternationalForum (GIF)). В качестве перспективных участники Форума называют шесть типов реакторов:

  1. сверхвысокотемпературный реактор;
  2. газовый быстрый реактор;
  3. сверхкритический водяной реактор;
  4. быстрый реактор с натриевым теплоносителем;
  5. быстрый реактор со свинцовым теплоносителем;
  6. жидкосолевой реактор.

Атомная энергетика и экологическая безопасность

Реакторный зал БН-800

«Росатом» заверяет, что по всем этим направлениям у него есть интересные наработки. Например, только в России на Белоярской АЭС работают промышленные реакторы на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БН-600 и БН-800 (цифры 600 и 800 в названиях означают электрическую мощность реактора в мегаваттах). Эти проекты интересны прежде всего тем, что в будущем позволят замкнуть топливный цикл и свести ядерные отходы почти на нет. Подробнее об этом мы расскажем вам в следующей статье цикла.

Благодарим Госкорпорацию “Росатом” за помощь в подготовке материала.

Еще больше об атомной промышленности на atom75.ru

Атомная энергетика и экологическая безопасность

По материалам

naukatehnika.com

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть