11.9: Використання та наслідки ядерної енергетики
- Page ID
- 20079
- Знайте переваги та наслідки атомної енергетики.
Атомна енергетика
Виробництво електроенергії має вирішальне значення для роботи підприємств, надання медичної допомоги, шкіл, будинків та інших областей, що вимагають використання електроенергії. Згідно зі статистикою 2011 року, вугілля використовується для\(42\%\) загальної виробленої електроенергії, а природний газ використовується для іншої\(25\%\). Атомні електростанції працюють приблизно\(19\%\) в деяких випадках, причому відновлювані джерела енергії постачають останні\(13\%\). Всі ці види палива використовуються для нагрівання води з утворенням пари. Потім пара перетворює турбіну для вироблення електроенергії.
Атомні електростанції використовують енергію від ядерного поділу для виробництва електроенергії. 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. Оброблений уран формується в паливні стрижні, а потім з'єднується в тепловиділяючі збірки. Паливні збірки 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.\(\PageIndex{1}\)). 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\(\PageIndex{1}\).), 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 по трубах 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 труб, 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\(\PageIndex{1}\): Принципова схема водяного реактора під тиском (PWR), найбільш поширений тип ядерного реактора. Діаграма від органу долини Теннессі (суспільне надбання). www.tva.com
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.
Атомна енергетика також використовується для руху кораблів. Турбіна може бути підключена до пропелерної системи. Обертовий вал турбіни поверне гвинт для переміщення корабля.
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.
Відпрацьовані паливні стрижні містять різноманітні продукти, що складаються з нестабільних ядер, що варіюються в атомному номері від 25 до 60, деяких трансуранових елементів, включаючи плутоній і америцій, а також незареагували ізотопів урану. Нестабільні ядра і ізотопи трансурану дають відпрацьованому паливі небезпечно високий рівень радіоактивності. Довгоживучі ізотопи вимагають тисячі років, щоб розпастися до безпечного рівня. Кінцева доля ядерного реактора як значного джерела енергії в Сполучених Штатах, ймовірно, залежить від того, чи може бути розроблена політично та науково задовільна методика переробки та зберігання компонентів відпрацьованих паливних стрижнів.
Іншими видами радіоактивних відходів низького рівня є інструменти, захисний одяг, протиральні тканини 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 тепловиділяючі агрегати 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 та споруд станції та 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 (рис.)\(\PageIndex{3}\)) була спричинена землетрусом магнітудою 9.0, який вимкнув 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.
Проектування та експлуатація ядерного реактора
Відео \(\PageIndex{1}\)Проектування і безпечна експлуатація ядерного реактора.
Резюме
- Описано значення атомної енергетики у виробництві електроенергії.
- Описана робота атомної електростанції.
- Описано недоліки атомної енергетики.
Автори та атрибуція
- Template:ContribCK12
- Libretext: Introduction to Environmental Science (Zendher et al.)
- Template:ContribOpenStax
- Template:ContribAgnewM