Ядрена енергия — принципи, реактори, ползи и рискове

Ядрена енергия: принципи, видове реактори, ползи и рискове. Разберете как се произвежда електроенергия, проблемите с отпадъците и перспективите на термоядрения синтез.

Ядрената енергия е контролираното използване на ядрена енергия. Тя се освобождава предимно чрез ядрени реакции в устройство, наречено ядрен реактор. Отделената топлина се използва за нагряване на вода и производство на пара, която задвижва турбини и генератори за производство на електроенергия. През 2007 г. около 14 % от световната електроенергия е била произведена от ядрената енергия. Атомните електроцентрали обаче произвеждат и радиоактивни отпадъци, които могат да бъдат опасни за здравето и околната среда, ако не се управляват и съхраняват правилно.

Принципи на действие

Основният начин за получаване на ядренa енергия в момента е чрез делене (фисия) на тежки ядра — най-често на уран-235 или плутоний-239. При фисия едно ядро се разделя на по-малки фрагменти, като се отделя голямо количество енергия и допълнителни неутрони. Тези неутрони могат да предизвикат нови деления и да създадат верижна реакция. За да бъде тази реакция контролирана, се използват:

• модератори (например вода или графит), които забавят неутроните;
• контролни пръти (обикновено от бор или кадмий), които абсорбират неутрони и регулират темпа на реакцията;
• охлаждаща среда (вода, газ или течен метал), която отвежда топлината от активната зона към парогенератори;
• система за физическа защита и контейнмънт, която предотвратява изпускане на радиоактивни материали в околната среда.

Типове ядрени реактори

Съществуват различни проекти и поколения реактори, всеки със свои предимства и недостатъци. Най-разпространените са:

• Пресовановодни реактори (PWR) — използват вода под налягане като модератор и охладител; най-много разпространени в света.
• Кипящоводни реактори (BWR) — водата кипи директно в активната зона и парата директно върти турбината.
• CANDU — канадски тежководен реактор, работещ с природен уран и позволяващ презареждане по време на работа.
• RBMK — международно известен от случая Чернобил; има специфична конструкция с графитен модератор и воден охладител.
• Бързи реактори и размножители — използват бързи неутрони, могат да преработват и използват по-дълбоко горивото, включително плутоний.
• Малки модулни реактори (SMR) — нов подход с по-малки единици, лесни за фабрично производство и по-нисък първоначален финансов риск.
• Поколение IV — концептуални и развиващи се проекти с подобрена безопасност, икономика и устойчиво използване на горивото.

Ползи

• Висока енергийна плътност: малко количество ядрено гориво произвежда голямо количество енергия.
• Ниски емисии на CO2 по време на експлоатация, което помага за борба с климатичните промени.
• Постоянно (базово) производство на електроенергия, което допълва вариращите възобновяеми източници като слънце и вятър.
• Възможност за дългосрочно използване чрез повторно обогатяване и рециклиране на гориво (в някои технологии).

Рискове и мерки за безопасност

Ядрената енергия носи няколко значими рискове:

• Аварии и инциденти: тежки аварии могат да доведат до освобождаване на радиация в околната среда — най-известните примери са авариите в Чернобил (1986) и Фукушима (2011). Уроците от тези инциденти са довели до подобрени стандарти за проектиране и оперативна безопасност.
• Радиоактивни отпадъци: управлението им изисква дългосрочни решения по съхранение и обезопасяване поради дългите полуживоти на някои изотопи.
• Разпространение на ядрени материали: технологии и материали за мирно използване могат да бъдат използвани и за военни цели, затова международното наблюдение и контрол са необходими.
• Термично и водно въздействие: отделяната топлина и охлаждащите води могат да променят локалните екосистеми.
• Финансови рискове: високи първоначални инвестиции, дълъг период за строителство и скъпо декомисииране.

За смекчаване на тези рискове се прилагат многопластови системи за защита: пасивни и активни системи за безопасност, контейнмънт конструкции, излишни системи за охлаждане, строги регулаторни изисквания и международен контрол.

Управление на радиоактивните отпадъци

Отпадъците се делят поради активност и време на полуразпад:

• Ниско- и средноактивни отпадъци — обикновено се обработват и обезвреждат в специални съоръжения или се съхраняват за определен период.
• Високоактивни отпадъци (главно изгорялото гориво) — изискват охлаждане и изолация. Първо се съхраняват в басейни за охлаждане, след това често се преместват в подсилени хранилища на повърхността или в подземни хранилища.
• Дългосрочното решение за високоактивните отпадъци, което се разглежда в много страни, е геологичното погребване в стабилни скални формации.

Термоядрен синтез и перспективи за бъдещето

От средата на 20-ти век се изследва и възможността за използване на термоядрена енергия — процес, при който леки ядра (напр. изотопи на водорода) се сливат и отделят огромно количество енергия. Термоядреният синтез обещава по-малко радиоактивни отпадъци и по-голяма сигурност от гледна точка на неконтролируеми верижни реакции, но към днешна дата практическите реактори за ядрен синтез все още не са налични за комерсиално производство и продължават да се разработват в рамките на големи международни проекти (напр. ITER и други демонстрационни установки).

Заключение

Ядрената енергия е мощен и ефективен източник на електроенергия с потенциал да намали въглеродните емисии и да осигури стабилно базово електричество. В същото време тя изисква внимателно управление на рисковете — безопасност при експлоатация, дългосрочно съхранение на отпадъците, международен контрол срещу разпространението на ядрени материали и големи финансови инвестиции. Технологичният напредък, включително развитие на по-безопасни и ефективни реакторни дизайни и евентуалното комерсиализиране на термоядрения синтез, може значително да промени ролята на ядрената енергия в бъдещата енергийна система.

Злополуки

Настъпиха някои сериозни ядрени аварии. Изготвена е скала за измерване на опасността от аварии. Тя се нарича Международна скала за ядрени събития. Скалата има 8 нива (0-7), като 7 е най-лошото.

• Чернобилската катастрофа, станала през 1986 г.; класифицирана на ниво 7.
• Ядрената катастрофа във Фукушима се случи през 2011 г. в резултат на земетресение от 7-а степен.
• Авария в Маяк; случила се през 1957 г. Количеството освободена радиация и общата опасност са по-високи от тези в Чернобил. Засегнатата област обаче е по-малка. Поради тези причини аварията е класифицирана само като ниво 6.
• Пожар в Уиндскейл през 1957 г. и авария в Три Майл Айлънд през 1979 г. - ниво 5.
• Ядрена авария в Токаймура на ниво 4

Авариите на подводници с ядрен двигател включват аварията с реактора на съветската подводница К-19 (1961 г.), аварията с реактора на съветската подводница К-27 (1968 г.) и аварията с реактора на съветската подводница К-431 (1985 г.).

 
По време на аварията в атомната електроцентрала "Фукушима Даичи" в Япония през 2011 г. три ядрени реактора бяха повредени от експлозии.  

Последни разработки

През 2007 г. атомните електроцентрали са произвели около 2600 TWh електроенергия и са осигурили 14% от използваната в света електроенергия, което представлява спад от 2% в сравнение с 2006 г. Към 9 май 2010 г. в света работят 438 (372 GW) ядрени реактора. Пикът е достигнат през 2002 г., когато работят 444 ядрени реактора.

Аварийните ситуации в японската атомна електроцентрала "Фукушима-1" и в други ядрени съоръжения повдигнаха въпроси за бъдещето на ядрената енергия. От Platts заявиха, че "кризата в японските атомни електроцентрали във Фукушима е накарала водещите държави, които консумират енергия, да преразгледат безопасността на съществуващите си реактори и да поставят под съмнение скоростта и мащаба на планираните разширения по света". След ядрената катастрофа във Фукушима Международната агенция по енергетика намали наполовина оценката си за допълнителните ядрени мощности, които трябва да бъдат изградени до 2035 г.

 
Глави на съдове за вода под налягане  

Въпроси и отговори

В: Какво представлява ядрената енергия?

В: Как работи един ядрен реактор?

Въпрос: Какъв процент от световното електричество е било произведено от ядрена енергия през 2007 г.?

В: Какви са някои потенциални рискове, свързани с използването на ядрена енергия?

Въпрос: Кой вид алтернативен източник на енергия е проучван от средата на 20-ти век?

В: По какво се различава термоядрената енергия от традиционната ядрена енергия?

В: Има ли вече термоядрени реактори?

Търсене по буква