15.9: Атомна енергія

Мета навчання

• Перерахуйте переваги і проблеми з атомною енергією.

Ядерна енергетика - це використання ядерних реакцій, які виділяють ядерну енергію для отримання тепла, яке найчастіше потім використовується в парових турбін для виробництва електроенергії на атомній електростанції. Ядерну енергію можна отримати в результаті ядерного поділу, ядерного розпаду та реакцій ядерного синтезу. В даний час переважна більшість електроенергії з атомної енергії виробляється шляхом ядерного поділу урану та плутонію. Процеси ядерного розпаду використовуються в нішевих додатках, таких як радіоізотопні термоелектричні генератори. Виробництво електроенергії з термоядерної енергії залишається в центрі уваги міжнародних досліджень.

Цивільна атомна енергія постачала 2563 терават-годин (ТВтч) електроенергії у 2018 році, що еквівалентно приблизно 10% світової генерації електроенергії, і була другим за величиною низьковуглецевим джерелом енергії після гідроелектрики. Станом на грудень 2019 року у світі налічується 443 цивільних реактора поділу з комбінованою електричною потужністю 395 гігават (ГВт). Також будуються 56 ядерних енергетичних реакторів і заплановано 109 реакторів, об'єднаною потужністю 60 ГВт і 120 ГВт відповідно. Сполучені Штати мають найбільший парк ядерних реакторів, виробляючи понад 800 ТВтч електроенергії з нульовими викидами на рік із середнім коефіцієнтом потужності 92%. Більшість реакторів, що будуються, є реакторами III покоління в Азії.

Атомна енергетика має один з найнижчих рівнів смертності на одиницю виробленої енергії порівняно з іншими джерелами енергії. Вугілля, нафта, природний газ та гідроелектроенергія спричинили більше смертельних випадків на одиницю енергії через забруднення повітря та аварій. ^[10] З моменту комерціалізації в 1970-х роках атомна енергетика запобігла близько 1,84 мільйона смертей, пов'язаних із забрудненням повітря, та викидам близько 64 мільярдів тонн еквівалента вуглекислого газу, що інакше було б наслідком спалювання викопного палива.

Йде дискусія про атомну енергетику. Прихильники, такі як Всесвітня ядерна асоціація та екологи з ядерної енергетики, стверджують, що ядерна енергетика є безпечною і зменшує викиди вуглецю. Противники ядерної енергетики, такі як Greenpeace та NIRS, стверджують, що ядерна енергетика створює багато загроз для людей та навколишнього середовища.

Є понад тридцять країн, які використовують атомну енергію для виробництва електроенергії (див. Табл\(\PageIndex{1}\). У всьому світі налічувалося близько 450 ядерних енергетичних реакторів, що виробляють близько 400 000 МВт (мегават) електричної потужності. Комерційні ядерні реактори можна знайти в Північній та Південній Америці, Європі, Африці та Азії. У США найбільше реакторів з будь-яких інших країн. У Сполучених Штатах існує близько дев'яносто восьми реакторів, які забезпечують близько двадцяти відсотків електричної енергії в Сполучених Штатах. Інші країни, такі як Франція, використовують близько шістдесяти ядерних реакторів для виробництва 70% своєї електроенергії.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Частка атомної енергії у виробництві електроенергії та кількість експлуатованих реакторів у 2019 році. Джерело: Міжнародне агентство з атомної енергії (МАГАТЕ)

Країна	Кількість експлуатованих реакторів	Загальна чиста електрична потужність [МВт]	Ядерна електроенергія, що постачається [Gw.h]	Частка ядерної енергетики [%]
США АМЕРИКИ	98	99648	809358.57	19.7
ВЕЛИКОБРИТАНІЯ	15	8923	51032.09	15,6
УКРАЇНА	15	13107	78144.26	53.9
ШВЕЙЦАРІЯ	5	3333	25369.65	23.9
ШВЕЦІЯ	8	8592	6428.86	34.0
ІСПАНІЯ	7	7121	55856.07	21.4
ПІВДЕННО-АФРИКАНСЬКА	2	1860	13602.57	6.7
СЛОВЕНІЯ	1	688	5532.98	37.0
СЛОВАЧЧИНА	4	1814	14282.25	53.9
РОСІЯ	39	28448	195535.15	19.7
РУМУНІЯ	2	1300	10368.21	18,5
ПАКІСТАН	5	1318	9065.80	6.6
НІДЕРЛАНДИ	1	482	3700.71	3.2
МЕКСИКА	2	1552	10880.73	4.5
КОРЕЯ, РЕСПУБЛІКА	25	23833	138 809.35	26.2
ЯПОНІЯ	38	36476	65681.92	7.5
ІРАН, ІСЛАМСЬКА РЕСПУБЛІКА	1	915	5865.73	1.8
ІНДІЯ	22	6255	40740.49	3.2
УГОРЩИНА	4	1902	15414.83	49.2
ФРАНЦІЯ	58	63130	382402.75	70.6
ФІНЛЯНДІЯ	4	2794	22914.88	34.7
ЧЕХІЯ	6	3932	28581.12	35.2
КИТАЙ	48	4518	330122.19	4.9
КАНАДА	19	1354	94853.85	14,9
БОЛГАРІЯ	2	2006	15868.88	37.5
БРАЗИЛІЯ	2	1884	15224.11	2.7
БЕЛЬГІЯ	7	5930	41421.66	47.6
ВІРМЕНІЯ	1	375	2028.96	27.8
АРГЕНТИНА	3	1641	7926.96	5.9
Всього	449	392779	2586163.02	П

Атомні електростанції

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.\(\PageIndex{2}\)). Зазвичай 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\(\PageIndex{2}\).), 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 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\(\PageIndex{1}\): Принципова схема водяного реактора під тиском (PWR), найбільш поширений тип ядерного реактора. (Громадське надбання; Адміністрація долини Теннессі)

Ядерна перевага: мінімальне забруднення повітря

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.

Проблеми з атомною енергетикою

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 та споруд станції та видалення радіоактивного палива.

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.

Ядерні аварії

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.

Реактори заводчиків: роблячи більше палива, ніж вони спалюють

Оскільки\(\ce{_{92}^{235}U}\) це лише 0,7 відсотка природного урану, його постачання досить обмежене і може тривати лише близько 50 років повномасштабного використання. Інші 99 відсотків урану також можуть бути використані, якщо він спочатку перетворюється на плутоній шляхом бомбардування нейтронами:

\[\ce{_{92}^{238}U + _{0}^{1}n -> _{94}^{239}Pu + 2 _{-1}^{0}e} \nonumber \]

\(\ce{_{94}^{239}Pu}\)також ділиться, і тому він може бути використаний в ядерному реакторі, а також\(\ce{_{92}^{235}U}\).

Виробництво плутонію може здійснюватися в реакторі селекціонера, який не тільки виробляє енергію, як і інші реактори, але призначений для того, щоб деякі швидкі нейтрони бомбардували\(\ce{_{92}^{235}U}\), виробляючи плутоній одночасно. Потім виробляється більше палива, ніж витрачається.

Реактори заводчиків представляють додаткові небезпеки для безпеки вже намічених. Вони працюють при більш високих температурах і використовують дуже реактивні рідкі метали, такі як натрій у своїх системах охолодження, і тому ймовірність серйозної аварії вище. Крім того, велика кількість плутонію, яка буде вироблятися в селекціонерному господарстві, повинна бути ретельно захищена. Плутоній є α випромінювачем і дуже небезпечний, якщо приймати всередину. Його період напіврозпаду становить 24 000 років, і тому він залишиться в навколишньому середовищі протягом тривалого часу, якщо розігнати. Більше того,\(\ce{_{94}^{239} Pu}\) може бути відокремлений хімічно (не набагато дорожча газоподібна дифузія, яка використовується для концентрації\(\ce{_{92}^{ 235}U}\) з продуктів поділу і використовується для виготовлення бомб. Такий матеріал, очевидно, буде привабливим для терористичних угруповань, а також для країн, які в даний час не здатні виробляти власну атомну зброю.

Сьогодні багато країн розглядають можливість розширення ролі атомної енергетики у своїх енергетичних портфелів. Це розширення зумовлене занепокоєнням щодо глобального потепління, зростання попиту на енергію та відносних витрат на альтернативні джерела енергії. У 2008 році 435 ядерних реакторів у 30 країнах забезпечували 16% світової електроенергії. У січні 2009 року в 11 країнах будувалися 43 реактори, а ще кілька сотень прогнозується, що до 2030 року в усьому світі будуть введені в дію.

ядерний синтез

Найважливішим процесом злиття в природі є той, який керує зірками. Злиття водню та гелію, який є основним виробником енергії на сонці, обговорюється в главі 11. У цьому розділі коротко розглядається використання енергії від ядерного синтезу для отримання електроенергії.

Реакція синтезу, що представляє великий інтерес, відома як синтез дейтерію-тритію (злиття D—T), де атом дейтерію та запобіжник атома тритію виробляють гелій-4 (рис.\(\PageIndex{3}\)).

\[_1^2\textrm H+\,_1^3\textrm H\rightarrow \,_2^4\textrm{He}+\,_0^1\textrm n \tag{21.6.13} \]

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ядерний синтез. Злиття\(\ce{^3H}\) і\(\ce{^2H}\) виробляє\(\ce{^4He}\) і нейтрон і вивільняє величезну кількість енергії.

Потужність синтезу може забезпечити достатню кількість енергії для задоволення попиту на монтаж, і зробити це стабільно, з відносно невеликим впливом на навколишнє середовище. Ядерний синтез має багато потенційних пам'яток. По-перше, його водневе ізотопне паливо відносно багато - один з необхідних ізотопів, дейтерій, можна витягти з морської води, тоді як інше паливо, тритій, буде виведений з літієвої ковдри за допомогою нейтронів, що утворюються в самій реакції синтезу. Крім того, термоядерний реактор практично не виробляв би CO ₂ або атмосферних забруднювачів, а його радіоактивні відходи в основному були б дуже короткочасними порівняно з тими, що виробляються звичайними ядерними реакторами (реакторами поділу).

Корисні реакції синтезу вимагають дуже високих температур для їх ініціювання - близько 15 000 000 К або більше. При цих температурах всі молекули дисоціюються на атоми, а атоми іонізуються, утворюючи плазму. Ці умови відбуваються у надзвичайно великій кількості місць у всьому Всесвіті - зірки живляться від злиття. Люди вже з'ясували, як створити температури, досить високі, щоб досягти злиття у великих масштабах в термоядерній зброї. Термоядерна зброя, така як воднева бомба, містить бомбу ядерного поділу, яка при вибуху виділяє достатньо енергії для отримання надзвичайно високих температур, необхідних для синтезу.

Рисунок\(\PageIndex{3}\): (а) Ця модель є реактором Міжнародного термоядерного експериментального реактора (ITER). В даний час будується на півдні Франції з очікуваною датою завершення 2027 року, ITER стане найбільшим у світі експериментальним ядерним термоядерним термоядерним реактором Токамак з метою досягнення масштабного сталого виробництва енергії. (b) У 2012 році Національний об'єкт запалювання в Національній лабораторії Лоуренса Лівермора коротко виробляв понад 500 000 000 Вт (500 терават, або 500 ТВт) пікової потужності і поставив 1850,000 джоулів (1.85 МДж) енергії, найбільша лазерна енергія коли-небудь вироблена і 1000 разів використання енергії всього Об'єднаного Держави в будь-який момент. Незважаючи на те, що триває лише кілька мільярдів секунди, лазери 192 досягли умов, необхідних для запалювання ядерного синтезу. На цьому зображенні показана мета перед лазерним пострілом. (Кредит а: модифікація роботи Стефана Мозеля)

Ще один набагато вигідніший спосіб створення реакцій синтезу - це термоядерний реактор, ядерний реактор, в якому контролюються реакції синтезу легких ядер. Оскільки жодні тверді матеріали не стійкі при таких високих температурах, механічні пристрої не можуть містити плазму, в якій відбуваються реакції плавлення. Два методи утримання плазми при щільності та температурі, необхідних для реакції синтезу, в даний час знаходяться в центрі інтенсивних дослідницьких зусиль: стримування магнітним полем та використанням сфокусованих лазерних променів (рис.\(\PageIndex{3}\)). Ряд великих проектів працює над досягненням однієї з найбільших цілей в науці: отримання водневого палива для запалювання та отримання більше енергії, ніж кількість, що подається для досягнення надзвичайно високих температур і тиску, необхідних для плавлення. Міністерство енергетики США фінансує кілька сайтів, які проводять дослідження синтезу, як зазначено за посиланням https://www.usiter.org/fusion/us-fusion-research-sites. Один з дослідницьких сайтів - це особливості в відео нижче Відео\(\PageIndex{1}\).

Відео\(\PageIndex{1}\): D-III Національний центр Fusion, Сан-Дієго, Каліфорнія.

Резюме

• Досі тривають дискусії щодо атомної енергетики.
• Прихильники, такі як Всесвітня ядерна асоціація та екологи з ядерної енергетики, стверджують, що ядерна енергетика є безпечним джерелом енергії, що зменшує викиди вуглецю.
• Противники ядерної енергетики, такі як Greenpeace та NIRS, стверджують, що ядерна енергетика створює багато загроз для людей та навколишнього середовища.
• Є понад тридцять країн, які використовують атомну енергію для виробництва електроенергії.

Дописувач

• Libretext: Introduction to Environmental Science (Zendher et al.) (CC BY-NC-SA)
• Wikipedia (CC BY-SA)
• Libretext: Chemistry of Global Awareness (Gordon)
• Template:ContribAgnewM