Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

17.4: Наслідки атомної енергетики

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    3819

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Використання ядерної енергії представляє цікаву дилему. З одного боку, ядерна електроенергія не виробляє викидів вуглецю, що є головною стійкою перевагою у світі, що стикається зі зміною клімату. З іншого боку, існує екологічний ризик зберігання відпрацьованого палива протягом тисяч або сотень тисяч років, соціальний ризик розповсюдження ядерної зброї та вплив випадкових викидів радіації від діючих реакторів. Вдумливі вчені, політики та громадяни повинні зважити ці переваги та недоліки.

    Переваги атомної енергетики

    На відміну від викопного палива, вироблення електроенергії з атомної енергії не забруднює повітря і не суттєво сприяє зміні клімату (малюнок\(\PageIndex{a}\)). Оскільки ми продовжуємо виснажувати світові запаси викопного палива, поставки ядерного палива рясніють. За оцінками, поставки урану триватимуть понад 200 років, а також є потенціал для використання інших радіоактивних ізотопів. Крім того, атомні електростанції більш надійні, ніж будь-які інші джерела, з коефіцієнтом потужності 93,5% (цифра\(\PageIndex{b}\)). Потужність - це кількість електроенергії, яку генератор може виробляти, коли він працює на повному вибуху, а коефіцієнт потужності - це показник того, як часто установка працює на максимальній потужності. (Електростанція з коефіцієнтом потужності 100% означає, що вона виробляє енергію весь час.)

    Гістограма порівняння смертей та викидів парникових газів для вугілля, нафти, природного газу, біомаси, гідроенергетики, ядерної, сонячної та вітрової енергії
    Малюнок\(\PageIndex{a}\): Атомна енергія спричиняє менше смертей та виділяє незначні парникові гази порівняно з викопним паливом Ці гістограми досліджують питання: «Які найбезпечніші та найчистіші джерела енергії?». Ліворуч - рівень смертності від нещасних випадків та забруднення повітря, виміряний як смертність за терават-годину (смертельні/TWH) виробництва енергії. 1 терават-година - це щорічне споживання енергії 27,000 людей у Європейському Союзі (ЄС). Праворуч - викиди парникових газів, виміряні в тонн еквівалентів CO2, що викидаються на гігават-годину (ТСО 2 -екв/ГВт-год) електроенергії протягом життєвого циклу електростанції. 1 гігават-годину - річне споживання електроенергії 160 людей в ЄС. На вугілля припадало 24,6 смертів/ТВт·год, 25% світової енергії та 820 ТСО 2 -екв/ГВт·год. На нафту припадало 18,4 смертів/ТВт·год, 31% світової енергії та 720 ТСО 2 екв/ГВт·год. На вугілля припадало 2,8 смертів/ТВт·год, 23% світової енергії та 490 ТСО 2 екв/ГВт·год. Біомаса становила 4,6 смертів/ТВтг, 7% світової енергії та 78-230 ТСО 2 -екв/ГВт·год. Гідроенергетика становила 0,02 смертів/ТВт·год, 6% світової енергії та 34 ТСО 2 екв/ГВт·год. Атомна енергія становила 0,07 смертів/ТВт·год, 4% світової енергії та 4 ТСО 2 екв/ГВт·год. Вітер становив 0,04 смертів/ТВт-год, 2% світової енергії та 4 TCO 2 -екв/ГВт·год. На вугілля припадало 0,02 смертів/ТВт·год, 1% світової енергії та 5 ТСО 2 екв/ГВт·год. Вугілля спричинило в 1230 разів більше смертей, ніж сонячна, а нафта спричинила 263 рази більше смертей, ніж атомна енергія Викиди вугілля в 273 рази перевищували атомну енергію, а викиди нафти в 180 разів перевищували вітрові. Зображення Ханни Річі та Макса Розер/Наш світ у даних (CC-BY).

     

    Гістограма коефіцієнтів потужності шести різних джерел енергії. Від найвищого до найнижчого: ядерний, природний газ, вугілля, гідроенергетика, вітер та сонячна енергія.
    Малюнок\(\PageIndex{b}\): Коефіцієнт потужності шести джерел енергії в 2019 році. Ядерна енергетика має найвищий коефіцієнт потужності - 93,5%, за ним слідують природний газ (56,8%), вугілля (47,5%), гідроенергетика (39,1%), вітер (34,8%) та сонячна енергетика (24,5%). Зображення з Управління ядерної енергії/Міністерства енергетики США (суспільне надбання).

    Негативні наслідки ядерної енергетики

    Незважаючи на свої переваги, атомна енергетика має і мінуси. Для цього потрібно більше води, ніж будь-який інший джерело енергії. Вода, яка використовується для охолодження, викидається назад в навколишнє середовище, і хоча вона не містить радіоактивних матеріалів або інших шкідливих хімічних речовин, вона тепліша, ніж раніше. Це називається тепловим забрудненням, і воно може завдати шкоди водним тваринам, які пристосовані до більш холодних температур. Поверхневий видобуток уранової руди погіршує середовище існування і вивільняє токсини з підземних (аналогічно поверхневій видобутку вугілля) Атомні електростанції дорогі в будівництві і обслуговуванні, і вони вимагають великої кількості металу і бетону. Збагачений уран для ядерного палива, якщо в чужих руках може бути використаний для виготовлення ядерної зброї (рис.\(\PageIndex{c}\)). Хоча ядерні аварії трапляються рідко, вони можуть завдати великої шкоди, а їх вплив тривалий. Крім того, залишається невирішеною проблема безпечної утилізації відпрацьованого ядерного палива. Останні дві проблеми більш детально розглянуті нижче.

     

    Три кругові діаграми, що показують пропорції збагачення урану в природі (< 0,72%), для палива (< 20%) та зброї (20-85%).
    Малюнок\(\PageIndex{c}\): Кругові діаграми, що показують відносні пропорції урану-238 (синій) і урану-235 (червоний) при різних рівнях збагачення. Ядерна зброя вимагає більше високозбагаченого урану, ніж потрібно для ядерного палива. Природний уран (НУ) складається більш ніж на 99,2% U-238 і 0,72% або менше з U-235. Низькозбагачений уран (НОУ) складається з менш ніж 20% U-235, з реакторним ураном, як правило, 2-5% U-235. Високозбагачений уран (ВОУ) складається з 20-85% U-235 зі зброєю класу не менше 85% U-235. Зображення та підпис (модифіковані) Fastfission (публічне надбання).

    Ядерні відходи

    Основною екологічною проблемою для атомної енергетики є відходи, включаючи радіоактивні відходи високого рівня, радіоактивні відходи низького рівня та хвости уранових заводів. Ці матеріали мають тривалий радіоактивний період напіврозпаду і, таким чином, залишаються загрозою для здоров'я людини протягом тисячоліть.

    Радіоактивні відходи високого рівня (HLRW) складаються з відпрацьованого ядерного реакторного палива (відпрацьованих ядерних паливних стрижнів). У них містяться продукти ядерного поділу, які самі по собі радіоактивні. Цей HLRW тимчасово зберігається в басейні на атомній електростанції або сухому бочці, сталевих балонів всередині іншої ємності, виготовленої зі сталі або бетону (рис.\(\PageIndex{d}\)). Сухі бочки містять інертний (нереактивний) газ і можуть розташовуватися на електростанції, виведеній з експлуатації електростанції або окремому місці зберігання. Радіоактивні відходи високого рівня можуть бути переміщені в суху бочку тільки після одного року охолодження в басейні. США не мають тривалого зберігання для HLRW, і відпрацьоване паливо, таким чином, залишається тимчасовим зберіганням.

    Довгі паливні стрижні в циліндрі всередині іншого циліндра, який приблизно в три рази вище людини
    Малюнок\(\PageIndex{d}\): Сухі бочки ущільнюють відпрацьовані паливні стрижні в каністру, яка оточена більшою бочкою для зберігання. Зв'язки використаних тепловиділяючих збірок знаходяться всередині. Зображення NRC (суспільне надбання).

    Гора Юкка в Неваді була запропонована як довгострокове геологічне сховище, де HLRW можна було поховати протягом сотень тисяч років. Сховище було побудовано, але воно не використовувалося через протистояння з боку місцевих жителів і занепокоєння безпекою транспортування HLNW (рис.\(\PageIndex{e}\))

    Безплідний краєвид з довгою горою
    Малюнок\(\PageIndex{e}\): Гора Юкка є пропонованим місцем для тривалого зберігання високоактивних відходів високого рівня в США, але вона не використовується через політичні суперечки. Зображення whitehouse.gov (публічне надбання).

    Деякі країни переробляють (переробляють) відпрацьоване ядерне паливо, але жодне підприємство з переробки або переробки або федеральне сховище відходів в даний час не ліцензовано в Сполучених Штатах. Переробка відокремлює корисну фракцію відпрацьованого палива і переробляє її через реактор, використовуючи більшу частку його енергетичного вмісту для виробництва електроенергії, а решту відходів високого рівня відправляє на постійне геологічне сховище.

    Основною мотивацією для переробки є більш широке використання паливних ресурсів, видобуток приблизно на 25 відсотків більше енергії, ніж один раз через цикл. Вторинною мотивацією для переробки є значне скорочення постійних геологічних складських площ (до 20% або менше того, що було б потрібно інакше) і часу (від сотень тисяч років до тисяч років). Хоча ці переваги здаються природними та привабливими з точки зору стійкості, вони ускладнюються ризиком крадіжки ядерного матеріалу з циклу переробки для використання у незаконному виробництві зброї або інших нестійких цілях. В даний час Франція, Великобританія, Росія, Японія та Китай займаються певною формою переробки; США, Швеція та Фінляндія не переробляють.

    Радіоактивні відходи низького рівня (LLRW) відносяться до предметів, які зазнали впливу радіації, включає одяг, фільтри та рукавички. Вони можуть міститися з бетоном або свинцем (через який випромінювання не може пройти; малюнок\(\PageIndex{f}\)). Відходи низького рівня, як правило, зберігаються на атомній електростанції, або до тих пір, поки вони не згниють і можуть бути утилізовані як звичайне сміття, або до тих пір, поки кількість не буде достатньо великою для відвантаження на один з п'яти місць утилізації LLRW в США (рис.\(\PageIndex{g}\)).

    Чотири частинки у вертикальній колонці паперу, рука людини, металевий лист, склянка води, товстий блок бетону, і вертикально, товстий свинець.
    Малюнок\(\PageIndex{f}\): Вода, товстий бетон, свинець і сталь (не показані) можуть зупинити кілька типів випромінювання, що виділяються з радіоактивних відходів. Зверніть увагу, що гамма-промені можуть кілька проникати в усі ці речовини, але свинець, бетон, сталь забезпечують частковий щит. Показана здатність різних видів випромінювання проходити через матеріал. Від найменших до найбільш проникаючих, вони альфа < бета < нейтрон < гамма. Верхня частка, перерахована, складається з двох білих сфер і двох зелених сфер, які позначені позитивними знаками і позначені «Альфа». Стрілка, спрямована вправо, веде від цього до паперу. Друга частинка - це червона сфера з позначкою «Бета», за нею слідує стрілка, спрямована вправо, яка проходить крізь папір і зупиняється біля руки. Третя частинка - це біла сфера з маркуванням «Нейтрон», за нею слідує стрілка, спрямована вправо, яка проходить через папір, руку та метал, але зупиняється на склянці води. Четверта частинка показана хиткою стрілкою, і вона проходить через всі речовини, але зупиняється на свинці. Терміни внизу читають, зліва направо: «Папір», «Метал», «Вода», «Бетон» і «Свинець». Зображення та підпис (модифіковані) з квітів, Теопольда та Ленглі/OpenStax (CC-BY). Завантажити безкоштовно на CNX.
    Секція установки з утилізації радіоактивних відходів низького рівня
    Малюнок\(\PageIndex{g}\): Схема (зверху) та фото (знизу) місця захоронення радіоактивних відходів низького рівня (LLRW або LLW). На схемі низькорівневі відходи містяться в каністрах всередині бетонних склепінь. Це оточене непроникною глиною і засипкою. Дренажна система запобігає забрудненню відходів грунтових вод. Весь об'єкт утилізації знаходиться під землею, а над ним знаходиться шар верхнього грунту. Місце утилізації на фотографії приймає відходи держав, які беруть участь у регіональній угоді про утилізацію. Відходи запечатані в каністрах і неглибоко закопуються. Зображення NRC (суспільне надбання).

    Збагачення урану виробляє гексафторид збідненого урану (DUF 6) або хвости урану, як побічний продукт, який не має достатньо високих концентрацій 235 U для використання в якості ядерного палива, але все ще небезпечний. Хвости становлять найбільший відсоток ядерних відходів за обсягом, а в США налічується понад 200 мільйонів тонн радіоактивних млин-хвостів. Хвости містять кілька радіоактивних елементів, включаючи радій, який розпадається з утворенням радону, радіоактивного газу. Зберігаються вони в підливах, викладених ямах в грунті, які залиті водою, у віддалених районах. Деконверсія включає хімічну обробку хвостів, щоб зменшити їх небезпеку, щоб вони могли зберігатися як LLRW.

    Ядерні катастрофи

    Існує багато інших нормативних заходів, що регулюють надання дозволів, будівництво, експлуатацію та зняття з експлуатації атомних електростанцій через ризики від неконтрольованої ядерної реакції. Потенціал забруднення повітря, води та їжі високий, якщо відбудеться неконтрольована реакція. Навіть при плануванні найгірших сценаріїв завжди є ризики несподіваних подій. Атомні аварії на острові Три-Майл, Чорнобиль (див. Глава Хук) та Фукусіма викликали занепокоєння щодо безпеки ядерної енергетики.

    Аварія на острові Три Майл сталася в Пенсільванії в 1979 році Це був частковий розплав, який був наслідком електричного збою і помилок в роботі. Прямих смертей не було. Дослідження досліджували можливість опромінення внаслідок аварії, опосередковано спричиняючи смерть через підвищення рівня раку чи інших захворювань, але доказів цього не було. На відміну від цього, криза 1986 року на Чорнобильській АЕС на території України стала причиною 50 прямих смертей. Ця катастрофа сталася від випробування аварійних систем, що пішли не так. Оцінки непрямих смертей від радіаційного опромінення коливаються від 4 000 до 60 000.

    На глобальну дискусію щодо ядерної енергетики сильно вплинув землетрус у березні 2011 року та подальше цунамі, яке вразило Японію, призвело до кривавих реакторів на атомній електростанції Фукусіма Даіічі, що завдало величезної шкоди навколишній території. Катастрофа вивела з ладу систему охолодження ядерного енергетичного комплексу, що в кінцевому підсумку спричинило часткове розплавлення деяких ядер реактора і виділення значного випромінювання. Конструкція реакторів (реакторів на киплячу воду) ускладнювала вентиляцію системи без виділення випромінювання. Охолодження радіоактивного палива породило великий обсяг забрудненої води, а катастрофа коштувала щонайменше 300 мільярдів доларів. Хоча негайних смертей не було, одна людина пізніше померла від раку, пов'язаного з радіаційним опроміненням. Тисячі загинули внаслідок стресу, пов'язаного з евакуацією, і близько 20% з понад 160 000 евакуйованих ще не повернулися додому станом на 2019 рік.

    Чотири реактори в катастрофі Фукусіми побудовані на схемахПташиного польоту ядерних реакторів, що виділяють пар
    Малюнок\(\PageIndex{g}\): Зліва: Діаграма (приблизна) аварій на атомній електростанції Фукусіма I. (1) Блок 1: Вибух, дах здутий 12 березня. (2) Блок 2: Вибух 15 березня; забруднена вода в підземній траншеї, можлива витік з камери придушення. (3) Блок 3: Вибух, більша частина Бетонна будівля зруйнована 14 березня, можливий витік плутонію. (4) Пожежа 15 березня; рівень води у басейнів з відпрацьованим паливом частково відновлений. (5) Кілька траншей: ймовірне джерело забрудненої води, частково під землею, витік зупинився 6 квітня. Праворуч: АЕС Фукусіма I після землетрусу і цунамі 2011 року Тохоку. Реактор 1 на 4 справа наліво. Ліве зображення та підпис (змінено) Sodacan (CC-BY). Праве зображення та підпис цифровим глобусом (CC-BY-SA).

    Інтерактивний елемент

    Цей трихвилинний сегмент «Як виглядає відновлення в Японії майже десятиліття після ядерної катастрофи на Фукусімі», надає оновлену інформацію про евакуйованих з ядерної катастрофи на Фукусімі.

    Атрибуція

    Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел: