Проблеми ядерної енергетики

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ГОЛОВНЕ УПРАВЛІННЯ ОСВІТИ ТА НАУКИ

КИЇВСЬКОЇ МІСЬКОЇ ДЕРЖАДМІНІСТРАЦІЇ

КИЇВСЬКЕ ТЕРИТОРІАЛЬНЕ ВІДДІЛЕННЯ

МАЛОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

СЕКЦІЯ: ФІЗИКА

ТЕМА РОБОТИ: ПРОБЛЕМИ ЯДЕРНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Київ 2003

Проблеми ядерної енергетики

План.

1.Вступ.

Енергетика сьогодні.

2.Атом. Атомне ядро. Ланцюгова реакція.

3.Атомні електростанції.

4.Проблеми ядерної енергетики.

- радіоактивні відходи;

- виток радіації;

- ядерна енергетика - для створення ядерної зброї;

- техногенні викиди;

- санітарна зона;

- „людський” фактор;

- необхідність реконструкції ядерних блоків”;

- Чорнобильська проблема.

5.Закінчення.

1.Вступ. Енергетика сьогодні.

Розвиток людського суспільства нерозривно пов’язаний з використанням природних ресурсів нашої планети, з споживанням різних видів енергії в все зростаючих масштабах. Усі здобутки сучасної цивілізації - величезна різноманітність товарів, різний за швидкістю і комфортом транспорт, космічні польоти і т.д. - можливі завдяки тій величезній кількості штучної енергії, яку виробляє людство.

В основі виробництва теплової та електричної енергії лежить процес спалювання копалин енергоресурсів –вугілля, нафти, газу.

Масштаб добутку та витрачання копалин енергоресурсів, металів, споживання води, повітря для виробництва необхідної людству кількості енергії величезний, а запаси ресурсів, обмежений. Особливо гостро стоїть проблема швидкого вичерпування запасів органічних природних енергоресурсів, так як більшість ресурсів не відновлюється, по крайній мірі, в помітній кількості.

В історії людства не було наукової події, більш видатної за своїми наслідками, ніж відкриття ділення ядер урану. Цей винахід прибавив до запасів енергетичних копалин палива істотний вклад ядерного палива. Запаси урану у земній корі оцінюються величезним числом 10¹⁴ тонн. Але основна маса цього багатства знаходиться у розсіяному стані – у гранітах, базальтах. У водах світового океану кількість урану досягає 4*10⁹ тонн. Але багатих родовищ урану, де добуток був би недорогим, відомо порівняно небагато. Тому масу ресурсів урану, котру можна здобути при сучасній технології та при помірних цінах, оцінюють у 10⁸ тонн. Людина отримала у своє розпорядження величезну, ні з чим незрівнянну силу, нове могутнє джерело енергії, закладене в ядрах атомів, - ядерну енергію.

Науково - технічний прогрес визначається розвитком енергетики країни. Енергетика - найважливіша галузь народного господарства, яка охоплює енергетичні ресурси, вироблення, перетворення, передачу та використання різноманітних видів енергії. Це основа економіки країни.

До складу енергетичної галузі України входять 5 атомних електричних станцій (АЕС) встановленою потужністю 12.818 млн. КВт, 8 гідроелектростанцій (ГЕС) встановленою потужністю 4.7 млн. КВт, теплові електростанції (ТЕС), встановленою потужністю 36.5 млн. КВт, а також системоутворююча та розподільча мережі довжиною понад 1 млн. км.

Всі електростанції України діляться на 4 види:

-теплові електростанції, які працюють на твердому, рідкому та газоподібному паливі.

-гідравлічні, які використовують гідроресурси та поділяються на гідроелектростанції , гідростимуляційні та припливні ;

- атомні, які в виді палива використовують збагачений уран або інші радіоактивні елементи;

-електростанції, які використовують нетрадиційні джерела енергії. Серед них перспективними є вітрові та сонячні.

В структурі виробництва електроенергії ТЕС складає 40,9%, ГЕС - 10,7%, АЕС - 45,4%, 3% електроенергії вироблено іншими малими станціями.

До складу енергетичної галузі України входять 5 атомних електростанцій (АЕС) встановленою потужністю 12.818 млн. КВт:

• Запорізька АЕС;

• Рівненська АЕС;

• Чорнобильська АЕС;

• Хмельницька АЕС;

• Південно – Українська АЕС.

Під тиском суспільства зупинено будівництво Кримської, Чигиринської, Харківської АЕС та Одеської ТЕЦ;

На 5 атомних станціях України знаходиться 17 енергоблоків, у т.ч.:

- діючих - 14;

- знятих з експлуатації - 2 (№ 1, 2 Чорнобильської АЕС);

- зруйнований -1 (внаслідок аварії 4 блок ЧАЕС).

Розвиток атомної енергетики за останні роки значно забарився. Головна причина - широко розповсюджене переконання в „шкідливості” атомної енергетики, сумніви в можливостях досягнення припустимого рівня безпеки АЕС на базі сучасної технології.

Великий вплив на відношення людства до атомної енергетики завдали аварії на атомних електростанціях, особливо аварія на 4-му блоці Чорнобильської АЕС, яка сталася 26 квітня 1986р. Під впливом цієї аварії в деяких країнах піднялась широка хвиля суспільного опору використанню атомних електростанцій, викликана страхами про небезпеку впливу атомної радіації на навколишнє середовище і населення.

Після цих подій різко зросла інтенсивність наукових досліджень в області забезпечення безпеки об’єктів атомної енергетики. Однак, велика кількість досліджень проблем безпеки АЕС хоч і виявили недоліки, упущення, навіть помилки в мірах забезпечення безпеки АЕС, лише підтвердили впевненість спеціалістів в тому, що високий рівень безпеки АЕС може бути досягнуто на основі сучасних знань та технологій.

2. Атом. Атомне ядро. Ланцюгова реакція.

Все в світі складається з молекул, які представляють собою складні комплекси взаємодіючих атомів. Молекули це найменші частки речовини, які зберігають його властивості. В склад молекул входять атоми різних хімічних елементів. Атом - будівельний матеріал природи. Якщо покласти сто мільйонів атомів рядом, то довжина такого рядка становитиме 1 дюйм (2,54 см). Атоми складаються переважно з порожнього простору. Центр атома - це протони і нейтрони, які разом утворюють ядро, а в ядрі зосереджена більша частина ваги атома. Якби речовина складалася тільки із самих щільно спресованих атомних ядер, то монета завбільшки з пенні важила б сорок мільйонів тонн. Однак ядро займає всього одну стотисячну частину об’єму атома. Решта об’єму - простір і крихітні електрони, які кружляють довкола ядра так само, як планети кружляють довкола сонця.

Матерія складається з атомів, але не всі атоми однакові. Головна різниця полягає в кількості протонів і нейтронів, які утворюють ядро. Наприклад, атом водню завжди має один протон, кисню -вісім, а урану - дев’яносто два протони. В кожному атомі кількість електронів, що кружляють довкола ядра, і кількість протонів однакова. Однак кількість нейтронів у атомах одного і того самого елемента може бути різна. Наприклад, тоді як уран має дев’яносто два протони, один тип атома урану має 143 нейтрони, а ще один - 146. Ці ізотопи (так називаються різні типи одного і того самого елемента) відомі як уран 235 і уран 238 (92 протони плюс 143 нейтрони дорівнює 235, а 92 протони плюс 146 нейтронів дорівнює 238).

Кожен атом утримується від розпаду силою, яку фізики називають „великою силою” - найдужчою в природі, силою, яка донедавна унеможливлювала розщеплення атома. „Мені здається, - писав Ісаак Ньютон 1704 року, - що спершу бог створив речовину у вигляді твердих мас - непроникних рухомих частинок, таких твердих, що їх неможливо розбити на шматки, звичайна сила нездатна зруйнувати, розірвати те, що створив сам бог”.

Ньютон, ясна річ, не мав справи з фізикою на атомному рівні, але все ж його погляд домінував над усіма іншими протягом сторіч. Фізики ХІХ сторіччя, виходячи з його логіки, розвинули теорію, згідно з якою маса і енергія являють собою окремі закриті системи, причому ні маса, ні енергія не можуть бути створені чи зруйновані. У 1905 році Альберт Ейнштейн опублікував свої погляди на це питання. Досліджуючи властивості маси, часу та простору, він висунув думку про те, що інертна маса містіть велику кількість потенційної енергії, яку можна звільнити, зруйнувавши структуру, тобто розщепивши основні структурні одиниці. Далі він висунув думку про те, що протягом цього процесу певна кількість речовини перетворюється на енергію і що утворена кількість енергії дорівнює кількості втраченої маси, помноженої на квадрат швидкості світла: Е=mc2. Енергію можна створити: речовину можна зруйнувати.

Однак на початку то була всього-на-всього теорія. Ніхто, в тому числі і сам Ейнштейн, не міг тоді втілити її в життя. Тільки у 1938 році фізики встановили, що коли атом урану-238 бомбардувати нейтронами, то їхні ядра внаслідок удару розщеплюються, вивільнюючи при цьому енергію. Навіть більше, під час розщеплення ядер їхні нейтрони вистрілюються з великою швидкістю в напрямку найближчих атомів спричиняючи розщеплення сусідніх атомів. Отож фізики зробили такий висновок: якщо взяти достатню кількість атомів урану і спричинити їх розщеплення, то почнеться ланцюгова реакція - швидке розщеплення одного за одним атомів, яке триває доти, доки вичерпається запас урану. Протягом цього процесу вивільнюється величезна кількість енергії і теплота горіння ядерного палива в мільйони разів більше, ніж звичайного палива.

3. Атомні електростанції.

Атомні електростанції - це основа ядерної енергетики, які використовують ядерну енергію для цілей електрифікації і теплофікації. Для здійснення ланцюгової ядерної реакції використовують складні технічні прилади - ядерні ( атомні ) реактори. Перший в світі реактор був збудований у 1942 році в США, роботами керував італійський фізик Е. Фермі.

Основним компонентом ядерного реактора є його осердя, або активна зона, де розщеплюється паливо і здійснюється керована ланцюгова реакція. Перед розщепленням уранову масу збагачують і перетворюють у покриті керамічним матеріалом пігулки. Пігулки вміщують у труби зі сплаву, що не боїться іржи і називається циркалоєм. У радіоактивну зону реактора закладають 40-50 тисяч пігулок. Трубки з пігулками встановлюються насторч, як сигарети у круглому контейнері. Усередині реактора безперервно відбувається ядерна реакція. Атоми урану в паливних стержнях розщепляються і випускають нейтрони, швидкість яких регулюють водяні або графітові „сповільнювачі” таким чином, щоб збільшити розщеплення атомів урану в ланцюговій реакції до максимуму. Під час розщеплення атомів утворюється тепло. При цьому трубки весь час занурені у воду, яка відбирає тепло. На одних ядерних електростанціях вода, що проходить крізь активну зону реактора, кипить і перетворюється на пару, яку подають безпосередньо до турбін, а на інших тепло передається лише на вторинній системі, і аж тоді вода закипає і перетворюється на пару.

Ланцюгову реакцію треба підтримувати, але нею треба також керувати. Якщо водночас розщеплюється надто велика кількість атомів, то вивільняється дуже багато тепла і система може не витримати перегріву. Щоб запобігти цього, використовують контрольні стрижні та системи охолодження активної зони реактора.

Контрольні стрижні - це основні механізми, що регулюють швидкість розщеплення. Вони мають вигляд довгих стійких стальних трубок, заповнених порошком карбіду бору, кадмію або графіту. Це речовини, здатні вбирати нейтрони. Швидкість вивільнення енергії згоряння в реакторі контролюють за допомогою збільшення або зменшення кількості стрижнів у реакторі. Якщо між паливними стержнями вставити контрольні, то швидкість розщеплення зменшиться, бо нейтрони, які звичайно розщеплюють інші уранові ядра, поглинаються контрольними стрижнями, що діють неначе губка. І навпаки, якщо контрольні стрижні витягнути, то швидкість розщеплення збільшується, бо вивільнюється більше нейтронів, здатних розщеплювати сусідні атоми урану. Якщо вставити всі контрольні стрижні, то розщеплення атомів припиняється і реактор вимикається. Однак контрольні стрижні вбирають нейтрони, а не тепло. Тому, щоб не розтопилася активна зона реактора, потрібна ще одна система. Вона називається системою охолодження активної зони реактора.

У більшості таких систем для охолодження використовується вода. У міру того, як розщеплюється уранове паливо, утворюється тепло, яке проходить крізь стіни трубок з паливними пігулками. Ці трубки занурені у воду, яка безперервно циркулює в активній зоні завдяки дії охолоджувальних помп. Саме ця вода й охолоджує циркалоєві трубки, не даючи їм розтопитися.

4.Проблеми ядерної енергетики.

Коли первісна людина почала користуватися вогнем, вона наражала себе й своє оточення на величезну небезпеку: вогонь міг знищити ліс довкола, який для людини становив цілий світ. Минули тисячоліття, і наші знання про розміри Землі стали глибшими, але зважаючи на сучасну техніку і технологію, світ, у якому ми живемо, залишається досить малим. Людське суспільство, паразитує на тілі нашої Землі, поступово почало перетворювати середу свого існування. Створюючи знаряддя праці, технологію виробництва, використовуючи сировину, нарешті, оволодівши атомною енергією, людство мимоволі поставило під загрозу сам факт свого існування, так як розщеплення атомного ядра - це найнебезпечніший з процесів, відомих людині. З його допомогою можна обернути Землю на пустелю, але й можна примусити пустелю зацвісти буйним цвітом. Людина - в природі і з природи, а не над нею, наш вид смертний. Історія життя на Землі - це історія взаємодії між живими істотами і їхнім оточенням. Великою мірою фізична форма тварин і форма їхнього життя на Землі зумовлені оточуючим середовищем. Лише протягом теперішнього сторіччя один з видів - а саме людина - набув такої могутності, яка здатна змінити природу світу.

Можна зробити висновок про те, що людство створило цивілізацію, яка стала матеріальним бар’єром між собою і природою. Цей бар’єр настільки складний і громіздкий, що вже перешкоджає подальшому розвитку. Іншими словами, людина відділилась, відгородилася від природи, стала рабом своєї цивілізації, техніки. Ії зарозумілість і жадоба влади над природою - найбільша небезпека для неї самої.

Теоретично ядерна енергія близька до ідеальної. Вона ефективна і недорога. У добу, коли нафтові запаси обмежені, атомна енергетика забезпечує незалежність тієї чи іншої країни від країн - експортерів нафти. Проте найпалкіші прихильники ядерної енергетики визнають, що з її виробництвом пов’язано чимало проблем.

Проблема 1. Під час роботи реакторів в паливних стрижнях накопичуються радіоактивні відходи. Розпадаючись, ці відходи виділяють тепло, і тому їх треба охолоджувати ще довго після закінчення керованого процесу розщеплення. На сьогодні не існує поки що загальноприйнятого способу зберігати відходи, які залишаються високорадіоактивними протягом дуже довгого часу.

Існує проблема могильників, де поховані радіоактивні речовини, дамб, які повинні захищати річки і водойми від радіаційного забруднення.

Високорадіоактивні відходи неможливо знищити: їх треба ізолювати від навколишнього середовища на десятки тисяч років – лише тоді вони стануть нешкідливі. Але ми не знаємо як це зробити. Людське суспільство ще не існувало десятки тисяч років. Тому необхідно створити систему знешкодження ядерних відходів, яка була б незалежна від людини. Досі жоден технічний процес ніколи не був безпомилковим і вічним, а саме це й потрібно для ізоляції ядерних матеріалів.

Поки що більшість відходів ядерного палива “тимчасово” зберігають в облицьованих сталевими плитами басейнах біля атомних електростанцій, і небезпека забруднення навколишнього середовища дедалі зростає. Тепер у всьому світі працює приблизно чотириста атомних реакторів , а системи тривалого зберігання ядерних відходів не існує. Люди, відповідальні за ядерні програми ,вірять що нарешті буде створено довічно закриту систему. Але таку систему треба ще створити.

Проблема 2. Крім проблеми ядерних відходів, існує ще набагато поважніша проблема, а саме: проблема витоку радіації з ядерного реактора. Ядерний реактор через цілу низку причин не може вибухнути, як ядерна бомба. Однак один середній реактор містить у собі таку кількість радіоактивних матеріалів, яка в тисячу разів перевищує кількість радіоактивних матеріалів, вивільнених над Хіросімою, отже вивільнення навіть незначної частині цих матеріалів може завдати великої шкоди і людині, і навколишньому середовищу. Щоб відвернути таку небезпеку, реактори обладнають оболонкою з нержавіючої сталі, а довкола тієї оболонки будують міцні залізобетонні споруди. І все ж сильні вибухи пари або дія зовнішніх сил (вибухи бомб, урагани) можуть за екстремальних обставин призвести до аварії, незважаючи на зазначені запобіжні засоби.

Крім того реактор може розтопитися. Як що реактор функціонує нормально, вода проходить між комплектами паливних стрижнів і охолоджує активну зону. Якщо система охолодження відмовляє - чи то внаслідок неполадок у системі постачання електроенергією, чи внаслідок виходу з ладу помпи або магістралі подачі води, - починають працювати запасні охолоджувальні системи. Проте як що всі ці системи вийдуть з ладу, реактор може розтопитися.

Звичайна активна зона реактора занурена у воду. Але якщо потік охолоджувальної води припиниться, то вода, яка вже