Scopul combustibilului nuclear. Ce este combustibilul nuclear uzat? Centrale nucleare – centrale nucleare – ecologie

Combustibil nuclear

Combustibilul nuclear este aproape gata de plecare.

Combustibil nuclear- o substanță care este utilizată în reactoarele nucleare pentru a efectua o reacție nucleară în lanț de fisiune. Combustibilul nuclear este fundamental diferit de alte tipuri de combustibil folosit de omenire este extrem de eficient, dar și foarte periculos pentru oameni și poate provoca accidente foarte grave, ceea ce impune multe restricții de utilizare din motive de siguranță. Din acest motiv și din multe alte motive, combustibilul nuclear este mult mai dificil de utilizat decât orice tip de combustibil organic și necesită multe măsuri tehnice și organizatorice speciale atunci când îl folosește, precum și personal înalt calificat care se ocupă de el.

Informații generale

O reacție nucleară în lanț implică împărțirea unui nucleu în două părți, numite fragmente de fisiune, cu eliberarea simultană a mai multor (2-3) neutroni, care, la rândul lor, pot provoca fisiunea nucleelor ​​ulterioare. Această fisiune are loc atunci când un neutron lovește nucleul unui atom. material de pornire. Fragmentele de fisiune formate în timpul fisiunii nucleare au energie cinetică mare. Inhibarea fragmentelor de fisiune în materie este însoțită de eliberarea unei cantități mari de căldură. Fragmentele de fisiune sunt nuclee formate direct ca urmare a fisiunii. Fragmentele de fisiune și produsele lor de descompunere radioactivă sunt de obicei numite produse de fisiune. Nucleele fisionate de neutroni de orice energie se numesc combustibil nuclear (de regulă, acestea sunt substanțe cu un număr atomic impar). Există nuclee care sunt fisionate doar de neutroni cu energii peste o anumită valoare de prag (de regulă, acestea sunt elemente cu număr atomic par). Astfel de nuclee sunt numite materii prime, deoarece atunci când un neutron este captat de un nucleu de prag, se formează nuclee de combustibil nuclear. Combinația dintre combustibil nuclear și materie primă se numește combustibil nuclear. Mai jos este distribuția energiei de fisiune a nucleului de 235 U între diferitele produse de fisiune (în MeV):

Uraniul natural este format din trei izotopi: 238 U (99,282%), 235 U (0,712%) și 234 U (0,006%). Nu este întotdeauna potrivit ca combustibil nuclear, mai ales dacă materialele structurale și moderatorul absorb intens neutronii. În acest caz, combustibilul nuclear este fabricat din uraniu îmbogățit. Reactoarele de putere cu neutroni termici folosesc uraniu cu o îmbogățire mai mică de 6%, în timp ce reactoarele cu neutroni rapidi și intermediari utilizează o îmbogățire cu uraniu care depășește 20%. Uraniul îmbogățit este produs la instalații speciale de îmbogățire.

Clasificare

Combustibilul nuclear este împărțit în două tipuri:

• Uraniu natural care conține nuclee fisionabile 235 U, precum și materii prime 238 U, capabile să formeze plutoniu 239 Pu la captarea neutronilor;
• Combustibili secundari care nu se găsesc în natură, inclusiv 239 Pu, obținuți din primul tip de combustibil, precum și izotopii 233 U formați atunci când neutronii sunt capturați de nucleele de toriu 232 Th.

După compoziția chimică, combustibilul nuclear poate fi:

Aspecte teoretice de aplicare

Într-un fragment selectat al acestui ansamblu de combustibil manechin, cu sectoare de elemente de combustibil decupate pentru ușurință de vizualizare, sunt vizibile peleții de combustibil.

Combustibilul nuclear este utilizat în reactoarele nucleare sub formă de tablete cu dimensiuni de câțiva centimetri, unde este de obicei situat în elemente de combustibil închise ermetic (elemente de combustibil), care, la rândul lor, pentru ușurință în utilizare, sunt combinate în câteva sute în ansambluri de combustibil ( FA).

Combustibilul nuclear este supus unor cerințe ridicate de compatibilitate chimică cu placarea barelor de combustibil, trebuie să aibă temperaturi suficiente de topire și evaporare, o conductivitate termică bună, o ușoară creștere a volumului în timpul iradierii cu neutroni și capacitatea de fabricație.

Utilizarea uraniului metalic, în special la temperaturi peste 500 °C, este dificilă din cauza umflării acestuia. După fisiunea nucleară, se formează două fragmente de fisiune, al căror volum total este mai mare decât volumul unui atom de uraniu (plutoniu). Unii dintre atomii fragmentului de fisiune sunt atomi de gaz (cripton, xenon etc.). Atomii de gaz se acumulează în porii uraniului și creează presiune internă, care crește odată cu creșterea temperaturii. Datorită modificărilor volumului atomilor în timpul fisiunii și creșterii presiunii interne a gazelor, uraniul și alți combustibili nucleari încep să se umfle. Umflarea se referă la modificarea relativă a volumului de combustibil nuclear asociată cu fisiunea nucleară.

Umflarea depinde de arderea și temperatura barelor de combustibil. Numărul de fragmente de fisiune crește odată cu creșterea arderii, iar presiunea internă a gazului crește odată cu creșterea arderii și a temperaturii. Umflarea combustibilului nuclear poate duce la distrugerea învelișului barei de combustibil. Combustibilul nuclear este mai puțin susceptibil la umflare dacă are proprietăți mecanice ridicate. Uraniul metal nu este unul dintre aceste materiale. Prin urmare, utilizarea uraniului metalic ca combustibil nuclear limitează adâncimea de ardere, care este una dintre principalele caracteristici ale combustibilului nuclear.

Rezistența la radiații și proprietăți mecanice combustibilii sunt îmbunătățiți după alierea uraniului, timp în care nu se adaugă uraniu număr mare molibden, aluminiu și alte metale. Aditivii de aliere reduc numărul de neutroni de fisiune per neutron captat de combustibilul nuclear. Prin urmare, ei tind să aleagă aditivi de aliere pentru uraniu din materiale care absorb slab neutronii.

Combustibilii nucleari buni includ unii compuși refractari ai uraniului: oxizi, carburi și compuși intermetalici. Cea mai utilizată ceramică este dioxidul de uraniu UO2. Punctul său de topire este de 2800 °C, densitatea este de 10,2 g/cm³. Dioxidul de uraniu nu are tranziții de fază și este mai puțin susceptibil la umflare decât aliajele de uraniu. Acest lucru vă permite să creșteți epuizarea la câteva procente. Dioxidul de uraniu nu reacționează cu zirconiu, niobiu, oțel inoxidabil și alte materiale atunci când temperaturi ridicate Oh. Principalul dezavantaj al ceramicii este conductivitatea termică scăzută - 4,5 kJ/(m K), ceea ce limitează puterea specifică a reactorului în ceea ce privește temperatura de topire. Astfel, densitatea maximă a fluxului de căldură în reactoarele VVER pe dioxid de uraniu nu depășește 1,4 10 3 kW/m², în timp ce temperatura maximă în barele de combustibil ajunge la 2200 °C. În plus, ceramica fierbinte este foarte fragilă și se poate crăpa.

Aplicație practică

Chitanță

Combustibil cu uraniu

Regenerare

Când un reactor nuclear funcționează, combustibilul nu se arde complet are loc procesul de reproducere a izotopilor individuali (Pu). În acest sens, barele de combustibil uzat sunt trimise spre reciclare pentru a regenera combustibilul și a-l reutiliza.

În prezent, cel mai utilizat proces în aceste scopuri este procesul Purex, a cărui esență este următoarea: barele de combustibil sunt tăiate în bucăți și dizolvate în acid azotic, apoi soluția este purificată din produse de fisiune și elemente de coajă și U pur. și compușii Pu sunt izolați. Apoi, dioxidul de plutoniu PuO 2 rezultat este trimis pentru producerea de noi miezuri, iar uraniul este fie folosit pentru producerea de miezuri, fie pentru îmbogățirea cu 235 U.

Reciclarea și recuperarea sunt mari substanțe radioactive- un proces complex și costisitor. După îndepărtarea din reactoare, barele de combustibil sunt învechite timp de câțiva ani (de obicei 3-6) în depozite speciale. Dificultățile sunt cauzate și de procesarea și eliminarea deșeurilor care nu sunt adecvate pentru regenerare. Costul tuturor acestor măsuri are un impact semnificativ asupra eficienta economica centrale nucleare.

Note

Literatură

• Petunin V.P. Ingineria termoenergetica a instalatiilor nucleare M.: Atomizdat, 1960.
• Levin V. E. Fizică nucleară și reactoare nucleare a 4-a ed. - M.: Atomizdat, 1979.

Tehnologia nucleară
Inginerie
Materiale
Energie nucleară
Medicina nucleara
Arme nucleare

Energie structura pe produse si industrii
Industria energiei electrice: electricitate	Tradiţional Termic centrale electrice Centrală electrică în condensare (CPS) Centrală combinată de energie termică și electrică (CHP) Hidroenergie Centrală hidroelectrică (HPP) Centrală cu acumulare prin pompare (PSPP) Nuclear Centrală nucleară (CNP) Centrală nucleară plutitoare (FNPP) Alternativă geotermal Centrale geotermale (GeoTES) Hidroenergie Mici hidrocentrale (SHPP) Centrale mareomotrice (TPP) Centrale electrice pe valurile Centrale osmotice Energia eoliană Centrale eoliene (WPP) Solar Centrale solare (SPP) Hidrogen Centrale electrice pe hidrogen Centrale cu celule de combustie Bioenergie Centrale bioelectrice (BioTES) Mic Centrale diesel Centrale electrice cu piston pe gaz Unități cu turbine cu gaz de putere mică Centrale electrice pe benzină Rețea electrică Substații electrice Linii de transport a energiei electrice (PTL) Suporturi pentru liniile electrice
Furnizare de căldură: energie termică
Descentralizat

Energia nucleară este utilizată în ingineria energiei termice, atunci când energia sub formă de căldură este obținută din combustibilul nuclear din reactoare. Este folosit pentru a genera energie electrică în centrale nucleare (CNP), pentru centralele mari nave maritime, pentru desalinizarea apei de mare.

Energia nucleară își datorează apariția, în primul rând, naturii neutronului, descoperit în 1932. Neutronii fac parte din toate nucleele atomice, cu excepția nucleului de hidrogen. Neutronii legați în nucleu există la nesfârșit. În forma lor liberă, sunt de scurtă durată, deoarece fie se descompun cu un timp de înjumătățire de 11,7 minute, transformându-se într-un proton și emițând un electron și un neutrin, fie sunt capturați rapid de nucleele atomilor.

Energia nucleară modernă se bazează pe utilizarea energiei eliberate în timpul fisiunii unui izotop natural uraniu-235. La centralele nucleare se desfășoară o reacție controlată de fisiune nucleară în reactor nuclear. Conform energiei neutronilor care produc fisiunea nucleară, distinge între reactoarele termice și cele cu neutroni rapidi.

Unitatea principală a unei centrale nucleare este un reactor nuclear, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 1. Obțin energie din combustibilul nuclear, iar apoi este transferată într-un alt fluid de lucru (apă, metal sau lichid organic, gaz) sub formă de căldură; apoi se transformă în energie electrică după aceeași schemă ca în cele convenționale.

Ei controlează procesul, mențin reacția, stabilizează puterea, pornesc și opresc reactorul folosind o mișcare specială tije de control 6 Şi 7 din materiale care absorb intens neutronii termici. Ele sunt conduse de un sistem de control 5 . Acțiuni tije de control se manifestă printr-o schimbare a puterii fluxului de neutroni din miez. Pe canale 10 apa circula, racind betonul de protectie biologica

Tijele de control sunt fabricate din bor sau cadmiu, care sunt rezistente termic, la radiații și la coroziune, puternice din punct de vedere mecanic și au proprietăți bune de transfer de căldură.

În interiorul unei carcase masive de oțel 3 există un coș 8 cu elemente de combustibil 9 . Lichidul de răcire intră prin conductă 2 , trece prin miez, spală toate elementele de combustibil, se încălzește și prin conductă 4 intră în generatorul de abur.

Orez. 1. Reactorul nuclear

Reactorul este adăpostit în interiorul unui beton gros biologic dispozitiv de protectie 1 , care protejează spațiul înconjurător de fluxul de neutroni, radiații alfa, beta, gamma.

Elemente de combustibil (tije de combustibil)- partea principală a reactorului. O reacție nucleară are loc direct în ele și toate celelalte părți servesc la izolarea, controlul și îndepărtarea căldurii. Din punct de vedere structural, elementele de combustibil pot fi realizate din tijă, placă, tubulară, sferică etc. Cel mai adesea sunt tije, cu lungimea de până la 1 metru, cu diametrul de 10 mm. Ele sunt de obicei asamblate din pelete de uraniu sau din tuburi scurte și plăci. La exterior, elementele de combustibil sunt acoperite cu o carcasă metalică subțire, rezistentă la coroziune. Zirconiu, aluminiu, aliaje de magneziu, precum și oțel inoxidabil aliat sunt utilizate pentru carcasă.

Transferul căldurii eliberate în timpul unei reacții nucleare în miezul reactorului către corpul de lucru al motorului (turbinei) centralelor electrice se realizează conform schemelor cu un singur circuit, cu dublu și cu trei circuite (Fig. 2).

Orez. 2. Centrală nucleară
a – după o schemă cu un singur circuit; b – după o schemă cu dublu circuit; c – după o schemă cu trei circuite
1 – reactor; 2, 3 – protectie biologica; 4 – regulator de presiune; 5 – turbină; 6 – generator electric; 7 – condensator; 8 – pompa; 9 – capacitate de rezervă; 10 – încălzitor regenerativ; 11 – generator de abur; 12 – pompa; 13 – schimbător de căldură intermediar

Fiecare circuit este un sistem închis. Reactor 1 (în toate circuitele termice) situate în interiorul primarului 2 si secundar 3 protectie biologica. Dacă centrala nucleară este construită conform unui circuit termic cu un singur circuit, abur din reactor prin regulatorul de presiune 4 intră în turbină 5 . Axul turbinei este conectat la arborele generatorului electric 6 , în care este produs curent electric. Aburul evacuat intră în condensator, unde este răcit și complet condensat. Pompa 8 direcționează condensul către încălzitorul regenerativ 10 , și apoi intră în reactor.

Într-o schemă cu dublu circuit, lichidul de răcire încălzit în reactor intră în generatorul de abur 11 , unde căldura este transferată prin încălzirea suprafeței către lichidul de răcire al fluidului de lucru (apa de alimentare din circuitul secundar). În reactoarele răcite cu apă, lichidul de răcire din generatorul de abur este răcit cu aproximativ 15...40 o C și apoi de o pompă de circulație. 12 este trimis înapoi în reactor.

Într-un proiect cu trei circuite, lichidul de răcire (de obicei sodiu lichid) din reactor este direcționat către un schimbător de căldură intermediar 13 si de acolo cu pompa de circulatie 12 se întoarce în reactor. Lichidul de răcire din al doilea circuit este și sodiu lichid. Acest circuit nu este iradiat și, prin urmare, este neradioactiv. Sodiul din circuitul secundar intră în generatorul de abur 11 , degajă căldură fluidului de lucru și apoi este trimis înapoi la schimbătorul de căldură intermediar de către pompa de circulație.

Numărul de circuite de circulație determină tipul de reactor, lichidul de răcire utilizat, proprietățile fizice nucleare ale acestuia și gradul de radioactivitate. Circuitul cu o singură buclă poate fi utilizat în reactoare cu apă fierbinte și în reactoare răcite cu gaz. Cel mai răspândit circuit cu dublu circuit atunci când utilizați apă, gaz și lichide organice ca lichid de răcire. Schema cu trei circuite este utilizată la centralele nucleare cu reactoare rapide cu neutroni care utilizează lichide de răcire din metale (aliaje de sodiu, potasiu, sodiu-potasiu).

Combustibilul nuclear poate fi uraniu-235, uraniu-233 și plutoniu-232. Materii prime pentru obținerea combustibilului nuclear - uraniu și toriu natural. Reacția nucleară a unui gram de material fisionabil (uraniu-235) eliberează energie echivalentă cu 22 × 10 3 kW × h (19 × 10 6 cal). Pentru a obține această cantitate de energie, este necesar să ardeți 1900 kg de ulei.

Uraniul-235 este ușor disponibil, iar rezervele sale de energie sunt aproximativ aceleași cu cele ale combustibililor fosili. Cu toate acestea, dacă combustibilul nuclear este utilizat cu o eficiență atât de scăzută pe cât este disponibil în prezent, sursele de uraniu disponibile se vor epuiza în 50-100 de ani. În același timp, „depozitele” de combustibil nuclear sunt practic inepuizabile - acesta este uraniu dizolvat în apa de mare. Există de sute de ori mai mult în ocean decât pe uscat. Costul obținerii unui kilogram de dioxid de uraniu din apa de mare este de aproximativ 60-80 USD, iar în viitor va scădea la 30 USD, iar costul dioxidului de uraniu extras în cele mai bogate zăcăminte de pe uscat este de 10-20 USD. Prin urmare, după ceva timp, costurile pe uscat și „pe apă de mare” vor deveni de aceeași ordine.

Costul combustibilului nuclear este de aproximativ două ori mai mic decât cel al cărbunelui fosil. La centralele pe cărbune, ponderea combustibilului scade cu 50-70% din costul energiei electrice, iar la centralele nucleare - 15-30%. O centrală termică modernă cu o capacitate de 2,3 milioane kW (de exemplu, Centrala electrică a districtului de stat Samara) consumă aproximativ 18 tone de cărbune (6 trenuri) sau 12 mii de tone de păcură (4 trenuri) în fiecare zi. Nuclearul, de aceeași putere, consumă doar 11 kg de combustibil nuclear pe zi și 4 tone pe parcursul anului. Cu toate acestea, o centrală nucleară este mai scumpă decât o centrală termică din punct de vedere al construcției, exploatării și reparațiilor. De exemplu, construcția unei centrale nucleare cu o capacitate de 2 - 4 milioane kW costă cu aproximativ 50-100% mai mult decât una termică.

Este posibilă reducerea costurilor de capital pentru construcția de centrale nucleare datorită:

1. standardizarea și unificarea echipamentelor;
2. dezvoltarea de proiecte de reactoare compacte;
3. îmbunătățirea sistemelor de management și reglementare;
4. reducerea duratei de oprire a reactorului pentru realimentarea cu combustibil.

O caracteristică importantă a centralelor nucleare (reactoare nucleare) este eficiența ciclului combustibilului. Pentru a îmbunătăți eficiența ciclului de combustibil, ar trebui să:

• creșterea consumului de combustibil nuclear;
• crește rata de reproducere a plutoniului.

Cu fiecare fisiune a nucleului de uraniu-235 sunt eliberați 2-3 neutroni. Dintre aceștia, doar unul este folosit pentru reacția ulterioară, restul sunt pierdute. Cu toate acestea, este posibil să le folosiți pentru a reproduce combustibilul nuclear, creând reactoare rapide cu neutroni. Când se operează un reactor cu neutroni rapidi, este posibil să se obțină simultan aproximativ 1,7 kg de plutoniu-239 la 1 kg de uraniu-235 ars. În acest fel, eficiența termică scăzută a centralelor nucleare poate fi acoperită.

Reactoarele cu neutroni rapidi sunt de zeci de ori mai eficiente (în ceea ce privește utilizarea combustibilului nuclear) decât reactoarele cu neutroni cu combustibil. Nu conțin un moderator și folosesc combustibil nuclear foarte îmbogățit. Neutronii care scapă din miez sunt absorbiți nu de materialele structurale, ci de uraniul-238 sau toriu-232 situat în jurul lor.

Pe viitor, principalele materiale fisionabile pentru centralele nucleare vor fi plutoniul-239 și uraniul-233, obținute respectiv din uraniu-238 și, respectiv, toriu-232 în reactoare cu neutroni rapizi. Transformarea uraniului-238 în plutoniu-239 în reactoare va crește resursele de combustibil nuclear de aproximativ 100 de ori, iar toriu-232 în uraniu-233 de 200 de ori.

În fig. Figura 3 prezintă o diagramă a unei centrale nucleare care utilizează neutroni rapizi.

Caracteristicile distinctive ale unei centrale nucleare cu neutroni rapidi sunt:

1. modificarea criticității unui reactor nuclear se realizează prin reflectarea unei părți a neutronilor de fisiune ai combustibilului nuclear de la periferie înapoi în miez folosind reflectoare. 3 ;
2. reflectoare 3 se poate roti, modificând scurgerea de neutroni și, prin urmare, intensitatea reacțiilor de fisiune;
3. combustibilul nuclear este reprodus;
4. Excesul de energie termică este îndepărtat din reactor folosind un frigider cu radiator 6 .

Orez. 3. Diagrama unei centrale nucleare folosind neutroni rapizi:
1 – elemente de combustibil; 2 – combustibil nuclear reproductibil; 3 – reflectoare de neutroni rapizi; 4 – reactor nuclear; 5 – consumator de energie electrică; 6 – frigider-emițător; 7 – convertor de energie termică în energie electrică; 8 – protecția împotriva radiațiilor.

Convertoare de energie termică în energie electrică

Pe baza principiului utilizării energiei termice generate de o centrală nucleară, convertoarele pot fi împărțite în 2 clase:

1. mașină (dinamică);
2. fără mașină (convertoare directe).

În convertoarele de mașini, o unitate de turbină cu gaz este de obicei conectată la reactor, în care fluidul de lucru poate fi hidrogen, heliu sau un amestec de heliu-xenon. Eficiența conversiei căldurii furnizate direct turbogeneratorului în energie electrică este destul de mare - eficiența convertorului η = 0,7-0,75.

Diagrama unei centrale nucleare cu un convertor dinamic de turbină cu gaz (mașină) este prezentată în Fig. 4.

Un alt tip de convertor de mașină este un generator magnetogasdinamic sau magnetohidrodinamic (MGDG). Diagrama unui astfel de generator este prezentată în Fig. 5. Generatorul este un canal dreptunghiular, dintre care doi pereți sunt din dielectric și doi din material conductiv electric. Un fluid de lucru conductiv electric se deplasează prin canale - lichid sau gazos, care este pătruns câmp magnetic. După cum se știe, atunci când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, apare o fem, care peste electrozi 2 transferat consumatorului de energie electrică 3 . Sursa de energie pentru fluxul de căldură de lucru este căldura eliberată într-un reactor nuclear. Această energie termică este cheltuită pe sarcini în mișcare într-un câmp magnetic, adică. este transformată în energia cinetică a unui jet conducător de curent, iar energia cinetică în energie electrică.

Orez. 4. Schema unei centrale nucleare cu convertor cu turbină cu gaz:
1 – reactor; 2 – circuit cu lichid de răcire metalic lichid; 3 – schimbător de căldură pentru alimentarea cu căldură a gazului; 4 – turbină; 5 – generator electric; 6 – compresor; 7 – frigider-emițător; 8 – circuit de îndepărtare a căldurii; 9 – pompa de circulatie; 10 – schimbător de căldură pentru îndepărtarea căldurii; 11 – schimbător de căldură-regenerator; 12 – circuit cu fluidul de lucru al convertorului turbinei cu gaz.

Convertizoarele directe (fără mașină) de energie termică în energie electrică sunt împărțite în:

1. termoelectric;
2. termoionică;
3. electrochimic.

Generatoarele termoelectrice (TEG) se bazează pe principiul Seebeck, care constă în faptul că într-un circuit închis format din materiale diferite, apare un termo-EMF dacă se menține o diferență de temperatură în punctele de contact ale acestor materiale (Fig. 6). ). Pentru a genera energie electrică, este indicat să folosiți TEG-uri cu semiconductori care au o eficiență mai mare, în timp ce temperatura joncțiunii fierbinți trebuie ridicată la 1400 K și mai mare.

Convertizoarele termoionice (TEC) fac posibilă generarea de energie electrică ca urmare a emisiei de electroni de la un catod încălzit la temperaturi ridicate (Fig. 7).

Orez. 5. Generator magnetogasdinamic:
1 – câmp magnetic; 2 – electrozi; 3 – consumator de energie electrică; 4 – dielectric; 5 – conductor; 6 – fluid de lucru (gaz).

Orez. 6. Schema de funcționare a unui generator termoelectric

Orez. 7. Schema de funcționare a convertorului termoionic

Pentru a menține curentul de emisie, caldura este furnizată catodului Q 1. Electronii emiși de catod, depășind spațiul de vid, ajung la anod și sunt absorbiți de acesta. Când electronii se „condensează” la anod, se eliberează energie egală cu funcția de lucru a electronilor cu semnul opus. Dacă oferim o alimentare continuă de căldură catodului și îl scoatem din anod, atunci prin sarcină R va curge curent continuu. Emisia de electroni are loc eficient la temperaturi ale catodului peste 2200 K.

Siguranța și fiabilitatea centralelor nucleare

Una dintre principalele probleme în dezvoltarea energiei nucleare este asigurarea fiabilității și siguranței centralelor nucleare.

Securitatea radiațiilor este asigurată de:

1. crearea de structuri și dispozitive fiabile pentru protecția biologică a personalului împotriva radiațiilor;
2. purificarea aerului și apei care părăsesc incinta centralei nucleare;
3. extracția și localizarea fiabilă a contaminării radioactive;
4. monitorizarea zilnică a radiațiilor a incintelor centralei nucleare și monitorizarea radiațiilor individuale a personalului.

Spațiile CNE, în funcție de modul de funcționare și de echipamentele instalate în acestea, sunt împărțite în 3 categorii:

1. zona de inalta securitate;
2. zonă restrânsă;
3. zona de mod normal.

Personalul se află permanent în încăperi de a treia categorie, aceste încăperi la stație sunt sigure pentru radiații.

In timpul functionarii centralelor nucleare se genereaza deseuri radioactive solide, lichide si gazoase. Ele trebuie eliminate într-o manieră care să nu creeze poluare a mediului.

Gazele îndepărtate din incintă în timpul ventilației pot conține substanțe radioactive sub formă de aerosoli, praf radioactiv și gaze radioactive. Ventilația stației este construită în așa fel încât fluxurile de aer să treacă de la cel mai „curat” la cel „poluat”, iar fluxurile în sens invers să fie excluse. În toate zonele stației, înlocuirea completă a aerului se efectuează în cel mult o oră.

În timpul funcționării centralelor nucleare se pune problema eliminării și eliminării deșeurilor radioactive. Elementele de combustibil petrecute în reactoare sunt păstrate un anumit timp în bazine de apă direct la centrala nucleară până când izotopii cu timpi de înjumătățire scurt sunt stabilizați, după care elementele de combustibil sunt trimise la instalații radiochimice speciale pentru regenerare. Acolo, combustibilul nuclear este extras din barele de combustibil, iar deșeurile radioactive sunt supuse înmormântării.

Energia nucleară este formată dintr-un număr mare de întreprinderi pentru diverse scopuri. Materiile prime pentru această industrie sunt extrase din minele de uraniu. Apoi este livrat la fabricile de producere a combustibilului.

Combustibilul este apoi transportat la centralele nucleare, unde intră în miezul reactorului. Când combustibilul nuclear ajunge la sfârșitul duratei de viață utilă, acesta este supus eliminării. Este de remarcat faptul că deșeurile periculoase apar nu numai după reprocesarea combustibilului, ci și în orice etapă - de la extracția uraniului până la lucrul în reactor.

Combustibil nuclear

Există două tipuri de combustibil. Primul este uraniul extras în mine, care este de origine naturală. Conține materii prime care pot forma plutoniu. Al doilea este combustibilul care este creat artificial (secundar).

Combustibilul nuclear este, de asemenea, împărțit în funcție de compoziția sa chimică: metalic, oxid, carbură, nitrură și mixt.

Extracția uraniului și producția de combustibil

O mare parte din producția de uraniu provine din doar câteva țări: Rusia, Franța, Australia, SUA, Canada și Africa de Sud.

Uraniul este principalul element de combustibil în centralele nucleare. Pentru a intra în reactor, acesta trece prin mai multe etape de procesare. Cel mai adesea, zăcămintele de uraniu sunt situate lângă aur și cupru, astfel încât extracția acestuia se realizează cu extracția metalelor prețioase.

În timpul exploatării miniere, sănătatea umană este expusă unui mare risc deoarece uraniul este un material toxic, iar gazele care apar în timpul exploatării sale provoacă diverse forme de cancer. Deși minereul în sine conține o cantitate foarte mică de uraniu - de la 0,1 la 1 la sută. Populația care locuiește în apropierea minelor de uraniu este, de asemenea, expusă unui mare risc.

Uraniul îmbogățit este principalul combustibil pentru centralele nucleare, dar după utilizarea lui rămâne o cantitate imensă de deșeuri radioactive. În ciuda tuturor pericolelor sale, îmbogățirea uraniului este un proces integral de creare a combustibilului nuclear.

În forma sa naturală, uraniul practic nu poate fi folosit nicăieri. Pentru a fi folosit, trebuie să fie îmbogățit. Pentru îmbogățire se folosesc centrifugele cu gaz.

Uraniul îmbogățit este folosit nu numai în energia nucleară, ci și în producția de arme.

Transport

În orice etapă a ciclului combustibilului există transport. Se realizează prin toate mijloacele disponibile: pe uscat, pe mare, pe aer. Acesta este un risc mare și un pericol mare nu numai pentru mediu, ci și pentru oameni.

În timpul transportului combustibilului nuclear sau a elementelor acestuia, au loc multe accidente, având ca rezultat eliberarea de elemente radioactive. Acesta este unul dintre numeroasele motive pentru care este considerat nesigur.

Dezafectarea reactoarelor

Niciunul dintre reactoare nu a fost demontat. Chiar și infamul Cernobîl Ideea este că, potrivit experților, costul dezmembrării este egal cu, sau chiar depășește, costul construirii unui nou reactor. Dar nimeni nu poate spune cu exactitate de câți bani va fi nevoie: costul a fost calculat pe baza experienței de demontare a stațiilor mici pentru cercetare. Experții oferă două opțiuni:

1. Puneți reactoarele și combustibilul nuclear uzat în depozite.
2. Construiți sarcofage peste reactoare dezafectate.

În următorii zece ani, aproximativ 350 de reactoare din întreaga lume vor ajunge la sfârșitul duratei de viață și trebuie scoase din funcțiune. Dar din moment ce cea mai potrivită metodă din punct de vedere al siguranței și prețului nu a fost inventată, această problemă este încă în curs de rezolvare.

În prezent, în întreaga lume funcționează 436 de reactoare. Desigur, aceasta este o mare contribuție la sistemul energetic, dar este foarte nesigur. Cercetările arată că în 15-20 de ani, centralele nucleare vor putea fi înlocuite cu stații care funcționează cu energie eoliană și panouri solare.

Deșeuri nucleare

O cantitate imensă de deșeuri nucleare este generată ca urmare a activităților centralelor nucleare. Reprocesarea combustibilului nuclear lasă în urmă și deșeuri periculoase. Cu toate acestea, niciuna dintre țări nu a găsit o soluție la problemă.

Astăzi, deșeurile nucleare sunt păstrate în depozite temporare, în bazine de apă sau îngropate la mică adâncime sub pământ.

Cea mai sigură metodă este depozitarea în spații speciale de depozitare, dar și scurgerea radiațiilor este posibilă aici, ca și în cazul altor metode.

De fapt, deșeurile nucleare au o anumită valoare, dar necesită respectarea strictă a regulilor de depozitare a acestora. Și aceasta este cea mai presantă problemă.

Un factor important este timpul în care deșeurile sunt periculoase. Fiecare are propria sa perioadă de degradare în care este toxic.

Tipuri de deșeuri nucleare

În timpul funcționării oricărei centrale nucleare, deșeurile acesteia intră în mediu. Aceasta este apă pentru turbine de răcire și deșeuri gazoase.

Deșeurile nucleare sunt împărțite în trei categorii:

1. Nivel scăzut - îmbrăcămintea angajaților centralei nucleare, echipamente de laborator. Astfel de deșeuri pot proveni și din institutii medicale, laboratoare stiintifice. Nu prezintă un mare pericol, dar necesită respectarea măsurilor de siguranță.
2. Nivel intermediar - containere metalice în care se transportă combustibil. Nivelul lor de radiații este destul de ridicat, iar cei care sunt aproape de ei trebuie protejați.
3. Nivelul ridicat este combustibilul nuclear uzat și produsele sale de reprocesare. Nivelul de radioactivitate scade rapid. Deșeurile de mare activitate sunt foarte mici, aproximativ 3 la sută, dar conțin 95 la sută din toată radioactivitatea.

Miezul unui reactor nuclear (A.Z.ENR)- aceasta este partea din volumul său în care sunt organizate structural condițiile pentru implementarea unei reacții continue în lanț auto-susținută de fisiune a combustibilului nuclear și îndepărtarea echilibrată a căldurii generate în acesta în scopul utilizării sale ulterioare.

După ce ne gândim la semnificația acestei definiții în raport cu miezul unui reactor nuclear termic, se poate înțelege că componentele fundamentale ale unui astfel de nucleu sunt combustibilul nuclear, moderatorul, lichidul de răcire și alte materiale structurale Acestea din urmă sunt necesare în mod obiectiv, deoarece nucleare combustibilul și moderatorul în miez și zona miezului în sine ar trebui să fie fixate fix în reactor, reprezentând, dacă este posibil, o unitate tehnologică demontabilă.

Combustibilul nuclear este de obicei înțeles ca totalitatea tuturor nuclizilor fisionali din miez. Majoritatea ENR-urilor termice utilizate în unitățile de alimentare cu energie electrică CNE în stadiul inițial de funcționare funcționează cu combustibil uraniu pur, dar în timpul campaniei reproduc o cantitate semnificativă de combustibil nuclear secundar - plutoniu-239, care imediat după formarea sa este inclus în proces. de multiplicare a neutronilor în reactor . Prin urmare, combustibilul din astfel de reactoare nucleare în orice moment arbitrar al campaniei ar trebui considerat o combinație de trei componente fisile: 235 U, 238 U și 239 Pu. Uraniul-235 și plutoniul-239 sunt fisionați de neutroni de orice energie din spectrul reactorului, iar 238 U, așa cum s-a menționat deja, este fisionat numai de neutroni rapid peste prag (cu E > 1,1 MeV).

Principala caracteristică a combustibilului nuclear cu uraniu este îmbogățirea sa inițială (x), care este înțeleasă ca ponderea (sau procentul) nucleelor ​​de uraniu-235 dintre toate nucleele de uraniu. Și deoarece mai mult de 99,99% din uraniu este format din doi izotopi - 235 U și 238 U, valoarea de îmbogățire este:
x = N5 /N U = N5 /(N5 +N8) (4.1.1)
Uraniul metalic natural conține aproximativ 0,71% nuclee de 235 U, iar mai mult de 99,28% este 238 U. Alți izotopi ai uraniului (233 U, 234 U, 236 U și 237 U) sunt prezenți în uraniul natural în cantități atât de mici încât este posibil să nu să fie luate în considerare.

În reactoarele centralelor nucleare se utilizează uraniu îmbogățit la 1,8 ÷ 5,2%, în reactoarele de transport maritim centrale nucleareÎmbogățirea inițială a combustibilului nuclear este de 20 ÷ 45%. Utilizarea combustibilului cu îmbogățire scăzută la centralele nucleare se explică prin considerente economice: tehnologia de producere a combustibilului îmbogățit este complexă, consumatoare de energie, necesită echipamente complexe și voluminoase și, prin urmare, este o tehnologie costisitoare.

Uraniul metalic este instabil termic, supus transformărilor alotropice la temperaturi relativ scăzute și instabil chimic și, prin urmare, inacceptabil ca combustibil pentru reactoarele de putere. Prin urmare, uraniul din reactoare nu este utilizat sub formă metalică pură, ci sub formă de compuși chimici (sau metalurgici) cu alte elemente chimice. Aceste conexiuni sunt numite combustibil compozitii.

Cele mai comune compoziții de combustibil în tehnologia reactoarelor sunt:
UO 2, U 3 O 8, UC, UC 2, UN, U 3 Si, (UAl 3) Si, UBe 13.

Celălalt element chimic al compoziției combustibilului se numește diluant de combustibil. În primele două dintre compozițiile de combustibil enumerate, diluantul este oxigenul, în al doilea - carbon, în cele ulterioare, respectiv, azot, siliciu, aluminiu cu siliciu și beriliu.
Cerințele de bază pentru un diluant sunt aceleași ca și pentru un moderator într-un reactor: acesta trebuie să aibă o microsecțiune mare pentru împrăștiere elastică și o microsecțiune posibil mai mică pentru absorbția neutronilor termici și rezonanți.

Cea mai comună compoziție a combustibilului în reactoarele nucleare este dioxid de uraniu(UO 2), iar diluantul său - oxigenul - îndeplinește pe deplin toate cerințele menționate .

Punctul de topire al dioxidului (2800 o C) și stabilitatea sa termică ridicată vă permit să aveți temperatură ridicată combustibil cu o temperatură de funcționare admisă de până la 2200 o C.

O centrală nucleară, sau pe scurt CNP, este un complex de structuri tehnice concepute pentru a genera energie electrică prin utilizarea energiei eliberate în timpul unei reacții nucleare controlate.

În a doua jumătate a anilor 40, înainte de a lucra la crearea primului bombă atomică care a fost testat la 29 august 1949, oamenii de știință sovietici au început să dezvolte primele proiecte pentru utilizarea pașnică a energiei atomice. Obiectivul principal al proiectelor a fost energia electrică.

În mai 1950, lângă satul Obninskoye Regiunea Kaluga, a început construcția primei centrale nucleare din lume.

Electricitatea a fost produsă pentru prima dată folosind un reactor nuclear pe 20 decembrie 1951 în statul Idaho din SUA.

Pentru a-i testa funcționalitatea, generatorul a fost conectat la patru lămpi cu incandescență, dar nu mă așteptam să se aprindă lămpile.

Din acel moment, omenirea a început să folosească energia unui reactor nuclear pentru a produce electricitate.

Primele centrale nucleare

Construcția primei centrale nucleare din lume cu o capacitate de 5 MW a fost finalizată în 1954, iar la 27 iunie 1954 a fost lansată și a început să funcționeze.

În 1958, a fost pusă în funcțiune prima etapă a centralei nucleare din Siberia cu o capacitate de 100 MW.

Construcția centralei nucleare industriale de la Beloyarsk a început și în 1958. La 26 aprilie 1964, generatorul de treapta 1 a furnizat curent consumatorilor.

În septembrie 1964, a fost lansată prima unitate a NPP Novovoronezh cu o capacitate de 210 MW. A doua unitate cu o capacitate de 350 MW a fost lansată în decembrie 1969.

În 1973, a fost lansată Centrala Nucleară Leningrad.

În alte țări, prima centrală nucleară industrială a fost pusă în funcțiune în 1956 la Calder Hall (Marea Britanie) cu o capacitate de 46 MW.

În 1957, în Shippingport (SUA) a intrat în funcțiune o centrală nucleară de 60 MW.

Liderii mondiali în producția de energie nucleară sunt:

1. SUA (788,6 miliarde kWh/an),
2. Franța (426,8 miliarde kWh/an),
3. Japonia (273,8 miliarde kWh/an),
4. Germania (158,4 miliarde kWh/an),
5. Rusia (154,7 miliarde kWh/an).

Clasificarea CNE

Centralele nucleare pot fi clasificate în mai multe moduri:

După tipul de reactor

• Reactoarele cu neutroni termici care folosesc moderatori speciali pentru a crește probabilitatea de absorbție a neutronilor de către nucleele atomilor de combustibil
• Reactoare cu apă ușoară
• Reactoare cu apă grea
• Reactoare rapide
• Reactoarele subcritice care folosesc surse externe neutroni
• Reactoare de fuziune

După tipul de energie eliberată

1. Centrale nucleare (CNP) concepute pentru a genera numai energie electrică
2. Centrale nucleare combinate de căldură și energie (CHP), care generează atât energie electrică, cât și energie termică

La centralele nucleare situate în Rusia există instalații de încălzire, acestea sunt necesare pentru încălzirea apei din rețea.

Tipuri de combustibil folosit la centralele nucleare

La centralele nucleare, este posibil să se utilizeze mai multe substanțe, datorită cărora este posibilă generarea de energie electrică nucleară, combustibilii pentru centralele nucleare moderne sunt uraniu, toriu și plutoniu.

Combustibilul cu toriu nu este folosit în centralele nucleare astăzi, din mai multe motive.

În primul rând, este mai dificil să se transforme în elemente de combustibil, elemente de combustibil prescurtate.

Barele de combustibil sunt tuburi metalice care sunt plasate în interiorul unui reactor nuclear. Interior

Elementele de combustibil conțin substanțe radioactive. Aceste tuburi sunt instalații de stocare a combustibilului nuclear.

În al doilea rând, utilizarea combustibilului cu toriu necesită o prelucrare complexă și costisitoare a acestuia după utilizarea la centralele nucleare.

Combustibilul cu plutoniu nu este, de asemenea, utilizat în inginerie nucleară, din cauza faptului că această substanță are un complex foarte complex compozitia chimica, un sistem de utilizare completă și sigură nu a fost încă dezvoltat.

Combustibil cu uraniu

Principala substanță care produce energie la centralele nucleare este uraniul. Astăzi, uraniul este extras în mai multe moduri:

• minerit în cariera deschisă
• închis în mine
• leşierea subterană, folosind forajul minier.

Leșierea subterană, folosind forajul minelor, are loc prin plasarea unei soluții de acid sulfuric în puțurile subterane, soluția este saturată cu uraniu și pompată înapoi.

Cele mai mari rezerve de uraniu din lume se află în Australia, Kazahstan, Rusia și Canada.

Cele mai bogate zăcăminte sunt în Canada, Zair, Franța și Cehia. În aceste țări, dintr-o tonă de minereu se obțin până la 22 de kilograme de materie primă de uraniu.

În Rusia, dintr-o tonă de minereu se obține puțin mai mult de un kilogram și jumătate de uraniu. Siturile de exploatare a uraniului sunt neradioactive.

În forma sa pură, această substanță prezintă un pericol mic pentru oameni, un pericol mult mai mare este gazul radioactiv incolor, care se formează în timpul descompunerii naturale a uraniului.

Prepararea uraniului

Uraniul nu este folosit sub formă de minereu în centralele nucleare; minereul nu reacționează. Pentru a utiliza uraniul la centralele nucleare, materia primă este procesată în pulbere - oxid de uraniu, iar după aceea devine combustibil de uraniu.

Pulberea de uraniu este transformată în „tablete” metalice - este presată în baloane mici, îngrijite, care sunt arse în timpul zilei la temperaturi de peste 1500 de grade Celsius.

Aceste pelete de uraniu sunt cele care intră în reactoarele nucleare, unde încep să interacționeze între ele și, în cele din urmă, oferă oamenilor energie electrică.

Aproximativ 10 milioane de pelete de uraniu lucrează simultan într-un reactor nuclear.

Înainte de a introduce peletele de uraniu în reactor, acestea sunt plasate în tuburi metalice din aliaje de zirconiu - elemente de combustibil, tuburile sunt conectate între ele în mănunchiuri și formează ansambluri de combustibil - ansambluri de combustibil.

Ansamblurile de combustibil sunt numite combustibil pentru centrale nucleare.

Cum reprocesează combustibilul din centralele nucleare?

După un an de utilizare a uraniului în reactoare nucleare, este necesară înlocuirea acestuia.

Elementele de combustibil sunt răcite timp de câțiva ani și trimise spre tocare și dizolvare.

Ca urmare a extracției chimice, se eliberează uraniu și plutoniu, care sunt reutilizate și folosite pentru a produce combustibil nuclear proaspăt.

Produșii de descompunere ai uraniului și plutoniului sunt utilizați pentru fabricarea surselor de radiații ionizante, sunt folosiți în medicină și industrie.

Tot ceea ce rămâne după aceste manipulări este trimis la cuptor pentru încălzire, sticla este făcută din această masă, o astfel de sticlă este depozitată în spații speciale de depozitare.

Sticla este făcută din reziduuri nu pentru aplicare în masă, sticla este folosita pentru depozitarea substantelor radioactive.

Este dificil să extragi din sticlă resturile de elemente radioactive care pot dăuna mediului. Recent, a apărut o nouă modalitate de eliminare a deșeurilor radioactive.

Reactoare nucleare rapide sau reactoare cu neutroni rapizi, care funcționează cu reziduuri de combustibil nuclear reprocesat.

Potrivit oamenilor de știință, rămășițele de combustibil nuclear, care sunt în prezent depozitate în depozite, sunt capabile să furnizeze combustibil pentru reactoare cu neutroni rapidi timp de 200 de ani.

În plus, noile reactoare rapide pot funcționa cu combustibil de uraniu, care este fabricat din uraniu 238, această substanță nu este utilizată în centralele nucleare convenționale; Este mai ușor pentru centralele nucleare de astăzi să proceseze 235 și 233 de uraniu, din care a mai rămas puțin în natură.

Astfel, noile reactoare sunt o oportunitate de a folosi zăcăminte uriașe de 238 de uraniu, care nu au fost folosite până acum.

Principiul de funcționare al centralelor nucleare

Principiul de funcționare al unei centrale nucleare bazată pe un reactor cu apă sub presiune cu dublu circuit (VVER).

Energia eliberată în miezul reactorului este transferată la agentul de răcire primar.

La ieșirea din turbine, aburul intră în condensator, unde este răcit de o cantitate mare de apă care vine din rezervor.

Compensatorul de presiune este o structură destul de complexă și greoaie care servește la egalizarea fluctuațiilor de presiune din circuit în timpul funcționării reactorului care apar din cauza expansiunii termice a lichidului de răcire. Presiunea din primul circuit poate ajunge până la 160 de atmosfere (VVER-1000).

Pe lângă apă, sodiul topit sau gazul poate fi folosit și ca agent de răcire în diferite reactoare.

Utilizarea sodiului face posibilă simplificarea designului carcasei miezului reactorului (spre deosebire de circuitul de apă, presiunea din circuitul de sodiu nu depășește presiunea atmosferică) și de a scăpa de compensatorul de presiune, dar își creează propriile dificultăți asociată cu activitatea chimică crescută a acestui metal.

Numărul total de circuite poate varia pentru diferite reactoare, diagrama din figură este prezentată pentru reactoare de tip VVER (Water-Water Energy Reactor).

Reactoarele de tip RBMK (High Power Channel Type Reactor) folosesc un circuit de apă, iar reactoarele BN (Fast Neutron Reactor) utilizează două circuite de sodiu și unul de apă.

Dacă nu este posibilă utilizarea unei cantități mari de apă pentru condensarea aburului, în loc să folosiți un rezervor, apa poate fi răcită în turnuri speciale de răcire, care, datorită dimensiunilor lor, sunt de obicei partea cea mai vizibilă a unei centrale nucleare.

Structura reactorului nuclear

Un reactor nuclear folosește un proces de fisiune nucleară în care un nucleu greu se rupe în două fragmente mai mici.

Aceste fragmente sunt într-o stare foarte excitată și emit neutroni, alte particule subatomice și fotoni.

Neutronii pot provoca noi fisiuni, ducând la emiterea mai multor dintre ele și așa mai departe.

O astfel de serie continuă de diviziuni auto-susținută se numește reacție în lanț.

Aceasta eliberează o cantitate mare de energie, a cărei producere este scopul utilizării centralelor nucleare.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear și al unei centrale nucleare este astfel încât aproximativ 85% din energia de fisiune este eliberată într-o perioadă foarte scurtă de timp după începerea reacției.

Restul este produs de dezintegrarea radioactivă a produselor de fisiune după ce au emis neutroni.

Dezintegrarea radioactivă este un proces în care un atom ajunge într-o stare mai stabilă. Continuă după ce diviziunea este finalizată.

Elementele de bază ale unui reactor nuclear

• Combustibil nuclear: uraniu îmbogățit, izotopi de uraniu și plutoniu. Cel mai des folosit este uraniul 235;
• Lichid de răcire pentru îndepărtarea energiei generate în timpul funcționării reactorului: apă, sodiu lichid etc.;
• Tije de control;
• moderator de neutroni;
• Manta de protectie impotriva radiatiilor.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

În miezul reactorului există elemente de combustibil (elemente de combustibil) - combustibil nuclear.

Acestea sunt asamblate în casete care conțin câteva zeci de bare de combustibil. Lichidul de răcire curge prin canale prin fiecare casetă.

Barele de combustibil reglează puterea reactorului. O reacție nucleară este posibilă numai la o anumită masă (critică) a tijei de combustibil.

Masa fiecărei tije individual este sub cea critică. Reacția începe când toate tijele sunt în zona activă. Prin introducerea și îndepărtarea barelor de combustibil, reacția poate fi controlată.

Deci, atunci când masa critică este depășită, elementele de combustibil radioactiv emit neutroni care se ciocnesc cu atomii.

Ca urmare, se formează un izotop instabil, care se descompune imediat, eliberând energie sub formă de radiație gamma și căldură.

Particulele care se ciocnesc împart energie cinetică între ele, iar numărul dezintegrarilor crește exponențial.

Aceasta este o reacție în lanț - principiul funcționării unui reactor nuclear. Fără control, are loc cu viteza fulgerului, ceea ce duce la o explozie. Dar într-un reactor nuclear procesul este sub control.

Astfel, în miez este eliberată energie termică, care este transferată în apa care spală această zonă (circuit primar).

Aici temperatura apei este de 250-300 de grade. În continuare, apa transferă căldură către al doilea circuit și apoi către paletele turbinei care generează energie.

Conversia energiei nucleare în energie electrică poate fi reprezentată schematic:

• Energia internă a unui nucleu de uraniu
• Energia cinetică a fragmentelor de nuclee degradate și a neutronilor eliberați
• Energia internă a apei și aburului
• Energia cinetică a apei și aburului
• Energia cinetică a rotoarelor turbinei și generatoarelor
• Energie electrică

Miezul reactorului este format din sute de casete unite printr-o carcasă metalică. Acest înveliș joacă, de asemenea, rolul unui reflector de neutroni.

Printre casete sunt introduse tije de control pentru reglarea vitezei de reacție și tije de protecție în caz de urgență a reactorului.

Stație de alimentare cu căldură nucleară

Primele proiecte ale unor astfel de stații au fost dezvoltate încă din anii 70 ai secolului XX, dar din cauza revoltelor economice care au avut loc la sfârșitul anilor 80 și a opoziției publice severe, niciunul dintre ele nu a fost pe deplin implementat.

Excepție este centrala nucleară Bilibino de mică capacitate, care furnizează căldură și electricitate satului Bilibino din Arctica (10 mii de locuitori) și întreprinderilor miniere locale, precum și reactoare de apărare (produc plutoniu):

• Centrala nucleară din Siberia, care furnizează căldură la Seversk și Tomsk.
• Reactorul ADE-2 de la combinatul minier și chimic Krasnoyarsk, care furnizează energie termică și electrică orașului Zheleznogorsk din 1964.

La momentul crizei, începuse construcția mai multor AST-uri bazate pe reactoare similare cu VVER-1000:

• Voronezh AST
• Gorki AST
• Ivanovo AST (numai planificat)

Construcția acestor AST-uri a fost oprită în a doua jumătate a anilor 1980 sau începutul anilor 1990.

În 2006, concernul Rosenergoatom plănuia să construiască o centrală nucleară plutitoare pentru Arkhangelsk, Pevek și alte orașe polare, pe baza reactorului KLT-40, folosit la spărgătoarele de gheață nucleare.

Există un proiect de construcție a unei centrale nucleare nesupravegheate bazată pe reactorul Elena și a unei centrale mobile (pe cale ferată) cu reactor Angstrem.

Dezavantajele și avantajele centralelor nucleare

Orice proiect de inginerie are părțile sale pozitive și negative.

Aspecte pozitive ale centralelor nucleare:

• Fără emisii nocive;
• Emisiile de substanțe radioactive sunt de câteva ori mai mici decât energia electrică de cărbune. stații de putere similară (centralele termice cu cenușă de cărbune conțin un procent de uraniu și toriu suficient pentru extracția lor rentabilă);
• Volumul mic de combustibil folosit și posibilitatea de reutilizare după prelucrare;
• Putere mare: 1000-1600 MW per unitate de putere;
• Cost redus al energiei, în special al energiei termice.

Aspecte negative ale centralelor nucleare:

• Combustibilul iradiat este periculos și necesită măsuri complexe și costisitoare de reprocesare și depozitare;
• Funcționarea cu putere variabilă nu este de dorit pentru reactoarele cu neutroni termici;
• Consecințele unui posibil incident sunt extrem de grave, deși probabilitatea acestuia este destul de mică;
• Mare investitii de capital, atât specifice, la 1 MW de putere instalată pentru unitățile cu o capacitate mai mică de 700-800 MW, cât și generale, necesare construcției stației, infrastructurii acesteia, precum și în cazul unei eventuale lichidări.

Evoluții științifice în domeniul energiei nucleare

Desigur, există neajunsuri și preocupări, dar în același timp energie atomica pare cel mai promițător.

Metodele alternative de obținere a energiei din energia mareelor, vântului, soarelui, surselor geotermale etc. nu au în prezent nivel înalt energia primită și concentrația sa scăzută.

Tipurile necesare de producere a energiei au riscuri individuale pentru mediu și turism, de exemplu, producția de celule fotovoltaice, care poluează mediul, pericolul parcurilor eoliene pentru păsări și modificări ale dinamicii valurilor.

Oamenii de știință dezvoltă proiecte internaționale reactoare nucleare de nouă generație, de exemplu GT-MGR, care va îmbunătăți siguranța și va crește eficiența centralelor nucleare.

Rusia a început construcția primei centrale nucleare plutitoare din lume, care ajută la rezolvarea problemei deficitului de energie în zonele de coastă îndepărtate ale țării.

SUA și Japonia dezvoltă minicentrale nucleare cu o capacitate de aproximativ 10-20 MW în scopul alimentării cu energie termică și electrică a industriilor individuale, ansamblurilor rezidențiale și, în viitor, caselor individuale.

O scădere a capacității fabricii implică o creștere a nivelului de producție. Reactoarele de dimensiuni mici sunt create folosind tehnologii sigure care reduc foarte mult posibilitatea de scurgere nucleară.

Producția de hidrogen

Guvernul SUA a adoptat Inițiativa privind hidrogenul atomic. Impreuna cu Coreea de Sud Se lucrează la crearea unei noi generații de reactoare nucleare capabile să producă cantități mari de hidrogen.

INEEL (Idaho National Engineering Environmental Laboratory) prezice că o unitate a centralei nucleare de următoarea generație va produce hidrogen echivalent cu 750.000 de litri de benzină zilnic.

Sunt finanțate cercetări privind fezabilitatea producerii hidrogenului la centralele nucleare existente.

Energia de fuziune

O perspectivă și mai interesantă, deși relativ îndepărtată, este utilizarea energiei de fuziune nucleară.

Reactoarele termonucleare, conform calculelor, vor consuma mai puțin combustibil pe unitatea de energie și atât acest combustibil în sine (deuteriu, litiu, heliu-3), cât și produsele sintezei lor sunt neradioactive și, prin urmare, sigure pentru mediu.

În prezent, cu participarea Rusiei, construcția reactorului termonuclear experimental internațional ITER este în curs de desfășurare în sudul Franței.

Ce este eficienta

Factorul de eficiență (eficiența) este o caracteristică a eficienței unui sistem sau dispozitiv în raport cu conversia sau transmiterea energiei.

Este determinată de raportul dintre energia utilizată util și cantitatea totală de energie primită de sistem. Eficiența este o mărime adimensională și este adesea măsurată ca procent.

Eficiența centralei nucleare

Cea mai mare randament (92-95%) este avantajul hidrocentralelor. Acestea generează 14% din energia electrică a lumii.

Cu toate acestea, acest tip de stație este cel mai solicitant în ceea ce privește șantierul și, după cum a demonstrat practica, este foarte sensibil la respectarea regulilor de funcționare.

Exemplul evenimentelor de la CHE Sayano-Shushenskaya a arătat ce consecințe tragice pot rezulta din neglijarea regulilor de funcționare într-un efort de a reduce costurile de exploatare.

Centralele nucleare au randament ridicat (80%). Ponderea lor în producția globală de energie electrică este de 22%.

Dar centralele nucleare necesită o atenție sporită la problema siguranței, atât în ​​faza de proiectare, în timpul construcției, cât și în timpul funcționării.

Cea mai mică abatere de la reglementările stricte de siguranță pentru centralele nucleare este plină de consecințe fatale pentru întreaga umanitate.

Pe lângă pericolul imediat în caz de accident, utilizarea centralelor nucleare este însoțită de probleme de siguranță asociate cu eliminarea sau eliminarea combustibilului nuclear uzat.

Eficiența centralelor termice nu depășește 34% ele generează până la șaizeci la sută din energia electrică mondială.

Pe lângă energie electrică, termocentralele produc energie termică, care sub formă de abur fierbinte sau apă caldă poate fi transmisă consumatorilor pe o distanță de 20-25 de kilometri. Asemenea stații se numesc CHP (Heat Electric Central).

TPP-urile și centralele combinate de căldură și energie nu sunt costisitoare de construit, dar dacă nu se iau măsuri speciale, acestea au un impact negativ asupra mediului.

Impactul negativ asupra mediului depinde de ce combustibil este utilizat în unitățile termice.

Cele mai dăunătoare produse sunt arderea cărbunelui și a produselor petroliere grele; gazele naturale sunt mai puțin agresive.

Centralele termice sunt principalele surse de energie electrică în Rusia, SUA și majoritatea țărilor europene.

Cu toate acestea, există și excepții, de exemplu, în Norvegia, electricitatea este generată în principal de centrale hidroelectrice, iar în Franța, 70% din electricitate este generată de centrale nucleare.

Prima centrală electrică din lume

Prima centrală electrică centrală, Pearl Street, a fost pusă în funcțiune pe 4 septembrie 1882 în New York City.

Stația a fost construită cu sprijinul Edison Illuminating Company, care a fost condusă de Thomas Edison.

Pe el au fost instalate mai multe generatoare Edison cu o capacitate totală de peste 500 kW.

Stația a furnizat energie electrică unei întregi zone din New York cu o suprafață de aproximativ 2,5 kilometri pătrați.

Stația a ars din temelii în 1890, doar o dinam a supraviețuit, care se află acum în Greenfield Village Museum, Michigan.

La 30 septembrie 1882, prima centrală hidroelectrică, strada Vulcan din Wisconsin, a început să funcționeze. Autorul proiectului a fost G.D. Rogers, șeful Appleton Paper & Pulp Company.

La stație a fost instalat un generator cu o putere de aproximativ 12,5 kW. Era suficientă electricitate pentru a alimenta casa lui Rogers și cele două fabrici de hârtie ale lui.

Centrala electrică din Gloucester Road. Brighton a fost unul dintre primele orașe din Marea Britanie care a avut o sursă de energie neîntreruptă.

În 1882, Robert Hammond a fondat Hammond Electric Light Company, iar la 27 februarie 1882 a deschis centrala electrică Gloucester Road.

Stația a constat dintr-un dinam cu perii, care a fost folosit pentru a acționa șaisprezece lămpi cu arc.

În 1885, Gloucester Power Station a fost achiziționată de Brighton Electric Light Company. Ulterior, pe acest teritoriu a fost construită o nouă stație, formată din trei dinamo de perii cu 40 de lămpi.

Centrala Electrică a Palatului de Iarnă

În 1886, în una din curțile Schitului Nou a fost construită o centrală electrică.

Centrala electrică a fost cea mai mare din toată Europa, nu doar la momentul construcției, ci și în următorii 15 ani.

Anterior, lumânările erau folosite pentru a ilumina Palatul de iarnă, în 1861, au început să fie folosite lămpi cu gaz. Deoarece lămpile electrice aveau un avantaj mai mare, au început dezvoltările pentru introducerea iluminatului electric.

Înainte ca clădirea să fie transformată complet la energie electrică, iluminatul cu lampă a fost folosit pentru a ilumina sălile palatului în timpul Crăciunului și Sărbătorile de Anul Nou 1885.

La 9 noiembrie 1885, proiectul pentru construirea unei „fabrici de electricitate” a fost aprobat de împăratul Alexandru al III-lea. Proiectul a inclus electrificarea Palatului de Iarnă, a clădirilor Schitului, a curții și a împrejurimilor pe parcursul a trei ani până în 1888.

Era nevoie de eliminarea posibilității de vibrație a clădirii din funcționarea motoarelor cu abur, centrala electrică a fost amplasată într-un pavilion separat din sticlă și metal. A fost amplasată în a doua curte a Schitului, numită de atunci „Electric”.

Cum arăta stația

Clădirea gării a ocupat o suprafață de 630 m² și a fost compusă dintr-o sală de mașini cu 6 cazane, 4 mașini cu abur și 2 locomotive și o cameră cu 36 dinamo electrice. Puterea totală a ajuns la 445 CP.

O parte din încăperile din față au fost primele iluminate:

• Anticameră
• Sala Petrovsky
• Sala Mareșalului Mareșal
• Sala Armorialului
• Sala Sf. Gheorghe

Au fost oferite trei moduri de iluminare:

• aprindere completă (de vacanță) de cinci ori pe an (4888 de lămpi cu incandescență și 10 lumânări Yablochkov);
• de lucru – 230 lămpi cu incandescență;
• taxă (noapte) - 304 lămpi cu incandescență.
  Stația consuma aproximativ 30 de mii de puds (520 de tone) de cărbune pe an.

Mari centrale termice, centrale nucleare și hidrocentrale din Rusia

Cele mai mari centrale electrice din Rusia după districtul federal:

Central:

• Centrala electrică a districtului de stat Kostroma, care funcționează cu păcură;
• Stația Ryazan, principalul combustibil pentru care este cărbunele;
• Konakovskaya, care poate funcționa cu gaz și păcură;

Ural:

• Surgutskaya 1 și Surgutskaya 2. Stații, care sunt una dintre cele mai mari centrale electrice din Federația Rusă. Ambele funcționează cu gaze naturale;
• Reftinskaya, care funcționează pe cărbune și este una dintre cele mai mari centrale electrice din Urali;
• Troitskaya, tot pe cărbune;
• Iriklinskaya, principala sursă de combustibil pentru care este păcura;

Privolzhsky:

• Centrala electrică din districtul de stat Zainskaya, care funcționează cu păcură;

Districtul Federal Siberian:

• Centrala electrică din districtul de stat Nazarovo, care consumă păcură;

Sudul:

• Stavropolskaya, care poate funcționa și cu combustibil combinat sub formă de gaz și păcură;

Nord-Vest:

• Kirishskaya cu păcură.

Lista centralelor rusești care generează energie folosind apă, situate pe teritoriul cascadei Angara-Yenisei:

Yenisei:

• Sayano-Shushenskaya
• Centrala hidroelectrică Krasnoyarsk;

Angara:

• Irkutsk
• Bratskaya
• Ust-Ilimskaya.

Centrale nucleare din Rusia

CNE Balakovo

Situat lângă orașul Balakovo, regiunea Saratov, pe malul stâng al lacului de acumulare Saratov. Este format din patru unități VVER-1000, puse în funcțiune în 1985, 1987, 1988 și 1993.

CNE Beloyarsk

Situat în orașul Zarechny, în Regiunea Sverdlovsk, a doua centrală nucleară industrială din țară (după Siberia).

La stație au fost construite patru unități de putere: două cu reactoare cu neutroni termici și două cu reactoare cu neutroni rapizi.

În prezent, unitățile de putere în exploatare sunt a 3-a și a 4-a unități de putere cu reactoare BN-600 și BN-800 cu o putere electrică de 600 MW, respectiv 880 MW.

BN-600 a fost pus în funcțiune în aprilie 1980 - prima unitate de putere din lume scara industriala cu un reactor rapid cu neutroni.

BN-800 a fost pus în funcțiune comercială în noiembrie 2016. Este, de asemenea, cea mai mare unitate de putere din lume cu un reactor cu neutroni rapidi.

CNE Bilibino

Situat lângă orașul Bilibino, Chukotka Okrug autonom. Este format din patru unități EGP-6 cu o capacitate de 12 MW fiecare, puse în funcțiune în 1974 (două unități), 1975 și 1976.

Produce energie electrică și termică.

CNE Kalinin

Este situat în nordul regiunii Tver, pe malul sudic al lacului Udomlya și în apropierea orașului cu același nume.

Este format din patru unități de putere cu reactoare de tip VVER-1000 cu o capacitate electrică de 1000 MW, care au fost puse în funcțiune în 1984, 1986, 2004 și 2011.

La 4 iunie 2006, a fost semnat un acord privind construcția celei de-a patra unități de putere, care a fost pusă în funcțiune în 2011.

CNE Kola

Situat lângă orașul Polyarnye Zori, regiunea Murmansk, pe malul lacului Imandra.

Este format din patru unități VVER-440, puse în funcțiune în 1973, 1974, 1981 și 1984.
Puterea stației este de 1760 MW.

CNE Kursk

Una dintre cele mai mari patru centrale nucleare din Rusia, cu aceeași capacitate de 4000 MW.

Situat lângă orașul Kurchatov, regiunea Kursk, pe malul râului Seim.

Este format din patru unități RBMK-1000, puse în funcțiune în 1976, 1979, 1983 și 1985.

Puterea stației este de 4000 MW.

CNE Leningrad

Una dintre cele mai mari patru centrale nucleare din Rusia, cu aceeași capacitate de 4000 MW.

Situat lângă orașul Sosnovy Bor, regiunea Leningrad, pe coasta Golfului Finlandei.

Este format din patru unități RBMK-1000, puse în funcțiune în 1973, 1975, 1979 și 1981.

Puterea stației este de 4 GW. În 2007, producția a fost de 24,635 miliarde kWh.

CNE Novovoronezh

Situat în regiunea Voronezh, lângă orașul Voronezh, pe malul stâng al râului Don. Constă din două unități VVER.

85% este asigurat de regiunea Voronezh energie electrica, asigură căldură 50% din orașul Novovoronezh.

Puterea stației (excluzând ) este de 1440 MW.

CNE Rostov

Situat în regiunea Rostov, lângă orașul Volgodonsk. Puterea electrică a primei unități de putere este de 1000 MW în 2010, a doua unitate de putere a stației a fost conectată la rețea.

În 2001-2010, stația a fost numită CNE Volgodonsk odată cu lansarea celei de-a doua unități de energie a CNE, stația a fost redenumită oficial CNE Rostov.

În 2008, centrala nucleară a produs 8,12 miliarde kWh de energie electrică. Factorul de utilizare a capacității instalate (IUR) a fost de 92,45%. De la lansare (2001), a generat peste 60 de miliarde de kWh de energie electrică.

CNE Smolensk

Situat în apropierea orașului Desnogorsk, regiunea Smolensk. Stația este formată din trei unități de putere cu reactoare de tip RBMK-1000, care au fost puse în funcțiune în 1982, 1985 și 1990.

Fiecare unitate de putere include: un reactor cu o putere termică de 3200 MW și două turbogeneratoare cu o putere electrică de 500 MW fiecare.

centrale nucleare din SUA

Centrala nucleară Shippingport, cu o capacitate nominală de 60 MW, a fost deschisă în 1958 în Pennsylvania. După 1965, a avut loc o construcție intensivă de centrale nucleare în toată Statele Unite.

Cea mai mare parte a centralelor nucleare din America au fost construite în cei 15 ani de după 1965, înainte de primul accident grav la o centrală nucleară de pe planetă.

Dacă accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl este amintit ca fiind primul accident, atunci nu este așa.

Cauza accidentului au fost nereguli în sistemul de răcire a reactorului și numeroase erori ale personalului de exploatare. Drept urmare, combustibilul nuclear s-a topit. A fost nevoie de aproximativ un miliard de dolari pentru a elimina consecințele accidentului, procesul de lichidare a durat 14 ani.

După accident, guvernul Statelor Unite ale Americii a ajustat condițiile de siguranță pentru funcționarea tuturor centralelor nucleare din stat.

Acest lucru a dus, în consecință, la continuarea perioadei de construcție și la o creștere semnificativă a prețului instalațiilor „atomi pașnici”. Astfel de schimbări au încetinit dezvoltarea industriei generale în Statele Unite.

La sfârșitul secolului al XX-lea, Statele Unite aveau 104 reactoare în funcțiune. Astăzi, Statele Unite se află pe primul loc pe pământ în ceea ce privește numărul de reactoare nucleare.

De la începutul secolului al XXI-lea, patru reactoare au fost închise în America din 2013, iar construcția altor patru a început.

De fapt pe momentul de aziÎn SUA, funcționează 100 de reactoare la 62 de centrale nucleare, care produc 20% din toată energia din stat.

Ultimul reactor construit în Statele Unite a intrat în funcțiune în 1996 la centrala electrică Watts Bar.

Autoritățile americane au adoptat noi linii directoare de politică energetică în 2001. Include vectorul dezvoltării energiei nucleare, prin dezvoltarea de noi tipuri de reactoare, cu un factor de eficiență mai potrivit, și noi opțiuni de reprocesare a combustibilului nuclear uzat.

Planurile până în 2020 au inclus construcția a câteva zeci de reactoare nucleare noi, cu o capacitate totală de 50.000 MW. În plus, să se realizeze o creștere a capacității centralelor nucleare existente cu aproximativ 10.000 MW.

SUA este lider în număr de centrale nucleare din lume

Datorită implementării acestui program, în America a început în 2013 construcția a patru noi reactoare - dintre care două la centrala nucleară Vogtl, iar celelalte două la VC Summer.

Aceste patru reactoare cel mai recent model– AR-1000, fabricat de Westinghouse.