4.7: Атомна енергетика

Ядерна енергія - це енергія в ядрі (ядрі) атома (див. главу 1 для огляду атомної структури). Існує величезна енергія в силах, які утримують протони і нейтрони в ядрі разом. Енергія вивільняється, коли ці сили порушені. Ядерна енергія може бути звільнена від атомів шляхом розщеплення ядра атома, утворюючи менші атоми, процес, відомий як ядерний поділ. Під час ядерного поділу невелика атомна частинка, звана нейтроном, потрапляє в атом урану і розщеплює його, виділяючи велику кількість енергії у вигляді тепла і випромінювання. Більше нейтронів також виділяється при розщепленні атома урану. Ці нейтрони продовжують бомбардувати інші атоми урану, і процес повторюється знову і знову. Це називається ланцюгової реакцією (рис.\(\PageIndex{1}\)). Атомні електростанції використовують енергію від ядерного поділу для виробництва електроенергії.

Малюнок\(\PageIndex{1}\) : Ланцюгова реакція поділу - починається, коли нейтрон бомбардує атом U-235, розщеплюючи його на два фрагменти поділу разом з більшою кількістю нейтронів та енергії. Нейтрони бомбардують інші атоми урану, виділяючи більше енергії та більше нейтронів, і реакція триває.

4.7.1: Переробка ядерного палива

Уран є природним радіоактивним елементом, який розпадається на дочірні ізотопи (див. главу 1 для огляду ізотопів), виділяючи енергію випромінювання в процесі. Існує три природних ізотопи урану майже всі (99,27%) з яких - уран-238 (U238); решта складається з U-235 (0,72%) і U-234 (0,006%). U-235 є кращим ядерним паливом, оскільки, коли його атоми розщеплюються (розщеплюються), вони не тільки випромінюють тепло та випромінювання високої енергії, але й достатньо нейтронів для підтримки ланцюгової реакції та забезпечення енергією для живлення атомної електростанції. Уран зустрічається в гірських породах у всьому світі, але є відносно рідкісним, і постачання є кінцевим, що робить його невідновлюваним джерелом енергії.

Уран зазвичай відбувається в поєднанні з невеликою кількістю інших елементів, і як тільки він видобувається, U-235 повинен бути видобутий і оброблений, перш ніж він може бути використаний як паливо на атомній електростанції для виробництва електроенергії. Процес починається з розвідки на урану і розробки шахт для видобутку відкритої руди (руда відноситься до породи, яка містить корисні копалини економічного значення). Видобуток є або звичайним (підземним або відкритим кар'єром), або нетрадиційним, наприклад, видобуток розчину на місці або кучне вилуговування, які використовують рідкі розчинники для розчинення та видобутку руди. Видобута уранова руда (рис.\(\PageIndex{2}\) А) зазвичай дає від одного до чотирьох фунтів уранового концентрату на тонну уранової руди (0,05% до 0,20%).

Малюнок\(\PageIndex{2}\) : А) Уранова руда В) Желтокеш (У ₃ О ₈). Зображення, отримані з Геологічної служби США (A) та Міністерства енергетики США (B).

Уранова руда зі звичайної шахти, як правило, переробляється в урановий концентрат в процесі, який називається фрезерування. Руда подрібнюється і подрібнюється в дрібний порошок, який потім вступає в реакцію з хімічними речовинами, щоб відокремити уран від інших мінералів. Концентрований продукт урану, як правило, є яскраво-жовтим або помаранчевим порошком, який називається yellowcake (U ₃ O ₈) (рис.\(\PageIndex{2}\) B), і потік відходів від цих операцій називається хвостами млина. Уранову руду в розчині також подрібнюють в жовтий пиріг шляхом вилучення урану з розчину і концентрування його.

Потім жовта макуха піддається перетворенню в газ гексафториду урану (UF ₆). Цей крок дозволяє атомну сегрегацію трьох природних ізотопів урану на окремі компоненти. У газі UF6 початкові концентрації ізотопів урану все ще залишаються незмінними. Потім цей газ направляється на збагачувальний завод, де відбувається поділ ізотопів, а концентрація U-235 збільшується приблизно до 4% до 5% (порівняно з початковою концентрацією 0,72%). Продукт, званий збагаченим UF ₆, герметизують в каністри і дають охолонути і затвердіти перед транспортуванням на паливно-монтажний завод.

Наступний крок у виробництві ядерного палива відбувається на підприємствах з виготовлення палива. Тут збагачений газ UF ₆ реагує з утворенням чорного порошку діоксиду урану (UO ₂). Потім порошок стискається і формується у формі невеликих керамічних паливних гранул (рис.\(\PageIndex{3}\) А). Кожна керамічна гранула виробляє приблизно таку ж кількість енергії, як 150 галонів олії. Гранули укладають і герметизують в довгі металеві трубки діаметром близько 1 сантиметра для формування паливних стрижнів. (Рис.\(\PageIndex{3}\) B) паливні стрижні потім з'єднуються разом, щоб скласти паливний вузол (рис.\(\PageIndex{3}\) С). Залежно від типу реактора, в кожному паливному вузлі знаходиться від 179 до 264 паливних стрижнів. Типова зона реактора вміщує від 121 до 193 тепловиділяючих збірок.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) : Процес виготовлення палива. А) Порошок діоксиду урану спресований у паливні гранули Б) Паливні гранули укладені та герметичні в металеві трубки, що утворюють паливні стрижні. В) Паливні стрижні комплектуються в паливний вузол. Зображення A і B з NRC (суспільне надбання); C з архіву РІА Новини, зображення #132602/Руслан Кривобок/CC-BY-SA 3.0

4.7.2: Атомна електростанція

Після виготовлення тепловиділяючі збірки транспортуються на атомні електростанції, де вони використовуються як джерело енергії для вироблення електроенергії. Вони зберігаються на місці, поки вони не знадобляться операторам реакторів. На цьому етапі уран лише м'яко радіоактивний, і по суті все випромінювання міститься всередині металевих трубок. При необхідності паливо завантажується в активну зону реактора (рис.\(\PageIndex{4}\)). Як правило, приблизно третина активної зони реактора (від 40 до 90 тепловиділяючих збірок) змінюється кожні 12-24 місяці.

Найбільш поширеним типом реакторів є водяні реактори під тиском (PWR) (рис\(\PageIndex{4}\).), в яких вода перекачується через активну зону реактора і нагрівається процесом поділу. Вода утримується під високим тиском всередині реактора, щоб вона не кипіла. Нагріта вода з реактора проходить через трубки всередині парогенератора, де тепло передається воді, що протікає по трубах в парогенераторі. Вода в парогенераторі закипає і перетворюється в пар. Пар подається до турбін. Сила пари, що розширюється, приводить в рух турбіни, які обертають магніт в котушці дроту - генераторі - виробляти електроенергію.

Після проходження через турбіни пар перетворюється назад у воду, циркулюючи її навколо трубок, що несуть охолоджуючу воду в конденсаторі. Конденсований пар - тепер вода - повертається в парогенератори, щоб повторити цикл.

Три водяні системи (конденсатор, парогенератор та реактор) відокремлені один від одного і не дозволяється змішувати. Вода в реакторі радіоактивна і міститься в структурі утримування, тоді як вода в парогенераторі і конденсаторі є нерадіоактивною.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Принципова схема водяного реактора під тиском (PWR), найбільш поширений тип ядерного реактора. Діаграма від органу долини Теннессі (суспільне надбання). www.tva.com

4.7.3: Переваги атомної енергетики

Використовуючи поділ, атомні електростанції виробляють електроенергію, не виділяючи забруднювачів повітря, таких як ті, що викидаються електростанціями, що працюють на викопному паливі. Це означає, що фінансові витрати, пов'язані з хронічними проблемами зі здоров'ям, спричиненими забруднювачами повітря, такими як тверді частинки, окис вуглецю, оксиди азоту та озон, серед інших, значно зменшуються. Крім того, ядерні реактори не виробляють вуглекислий газ під час роботи, а це означає, що атомна енергія не сприяє проблемі глобального потепління.

Ще однією перевагою ядерної енергії над викопним паливом, особливо вугіллям, є те, що уран виробляє набагато більше енергії на одиницю ваги або об'єму. Це означає, що його потрібно видобувати менше, і, отже, шкода ландшафтам менша, особливо порівняно з шкодою, яка виникає внаслідок видобутку вугілля, наприклад видалення вершини гори.

4.7.4: Недоліки атомної енергетики

Основною екологічною проблемою, пов'язаною з атомною енергетикою, є створення радіоактивних відходів, таких як хвости уранових заводів, відпрацьоване (відпрацьоване) реакторне паливо та інші радіоактивні відходи. Ці матеріали можуть залишатися радіоактивними і небезпечними для здоров'я людини протягом тисяч років. Радіоактивні відходи відносяться до категорії низькорівневих і високорівневих. За обсягом велика частина відходів, що відносяться до атомної енергетики, має відносно низький рівень радіоактивності. Хвости уранових млинів містять радіоактивний елемент радій, який розпадається з утворенням радону, радіоактивного газу. Більшість хвостів уранових млинів розміщуються поблизу переробного підприємства або млина, звідки вони надходять. Хвости уранових млинів покриваються бар'єром з матеріалу, такого як глина, щоб запобігти виходу радону в атмосферу, а потім покриваються шаром ґрунту, гірських порід або інших матеріалів, щоб запобігти ерозії ущільнювального бар'єру.

Іншими видами радіоактивних відходів низького рівня є інструменти, захисний одяг, серветки для протирання та інші предмети одноразового використання, які забруднюються невеликою кількістю радіоактивного пилу або частинок на об'єктах переробки ядерного палива та електростанціях. Ці матеріали підпадають під дію спеціальних правил, які регулюють їх обробку, зберігання та утилізацію, щоб вони не контактували із зовнішнім середовищем.

Радіоактивні відходи високого рівня складаються з відпрацьованого ядерного реакторного палива (тобто палива, яке більше не є корисним для виробництва електроенергії). Відпрацьоване реакторне паливо знаходиться в твердій формі, що складається з невеликих паливних гранул в довгих металевих трубках, званих стрижнями. Відпрацьовані тепловиділяючі агрегати реактора спочатку зберігаються в спеціально розроблених басейнів з водою, де вода охолоджує паливо і виконує роль радіаційного щита. Відпрацьовані тепловиділення реактора також можуть зберігатися в спеціально розроблених сухих ємностях для зберігання. Все більша кількість операторів реакторів зараз зберігають своє старе відпрацьоване паливо в сухих сховищах, використовуючи спеціальні відкриті бетонні або сталеві контейнери з повітряним охолодженням. В даний час в Сполучених Штатах немає постійного об'єкта з утилізації ядерних відходів високого рівня.

Коли ядерний реактор припиняє роботу, його необхідно вивести з експлуатації. Це передбачає безпечне видалення реактора та всього обладнання, яке стало радіоактивним, з експлуатації та зниження радіоактивності до рівня, який дозволяє інше використання майна. Комісія з ядерного регулювання США має суворі правила, що регулюють зняття з експлуатації атомних електростанцій, які передбачають очищення радіоактивно забруднених систем і споруд рослин, а також видалення радіоактивного палива.

Ядерний розпад, або неконтрольована ядерна реакція в ядерному реакторі, потенційно може призвести до широкого забруднення повітря і води. Деякі серйозні ядерні та радіаційні аварії сталися у всьому світі. Найважчою аварією стала Чорнобильська аварія 1986 року в тодішньому Радянському Союзі (нині Україна), в результаті якої 31 людина безпосередньо загинула, а захворіла або спричинила рак ще тисячами. Атомна катастрофа Fukushima Daiichi (2011) в Японії була спричинена землетрусом магнітудою 9,0 бали, який відключив електропостачання та цунамі, яке затопило аварійне електропостачання станції. Це призвело до викиду радіоактивності, хоча це безпосередньо не призвело до будь-яких смертей під час катастрофи. Ще однією ядерною аварією стала аварія на острові Три-Майл (1979) в Пенсільванії, США. Ця аварія призвела до майже катастрофічного розплаву ядра, що було пов'язано з поєднанням людської помилки та механічної несправності, але не призвело до будь-яких смертей, і ніяких ракових захворювань або іншим чином не було виявлено в подальших дослідженнях цієї аварії. Хоча є потенційно руйнівні наслідки ядерного кризи, ймовірність того, що він відбудеться, надзвичайно мала. Після кожного кризи, включаючи катастрофу Фукусіма Дайічі 2011 року, були введені нові міжнародні правила, щоб запобігти повторному виникненню такої події.

Процеси видобутку та переробки уранової руди та отримання реакторного палива вимагають великої кількості енергії. Атомні електростанції мають велику кількість металу та бетону, для виробництва яких також потрібна велика кількість енергії. Якщо викопне паливо використовується для видобутку та переробки уранової руди або при будівництві атомної станції, то викиди від спалювання цього палива можуть бути пов'язані з електроенергією, яку виробляють атомні електростанції.