Ядерная энергетика - один из наиболее перспективных путей утоления энергетического голода человечества в условиях энергетических проблем, связанных с использованием ископаемого горючего топлива.
Плюсы АЭС 1. Потребляет мало топлива 2. Более экологически чистая, чем ТЭС и ГЭС (которые работают на мазуте, торфе и другом топливе.): т. к. АЭС работает на уране и частично на газе. 3. Можно строить в любом месте. 4. Не зависит от дополнительного источника энергии:
Расходы на перевозку ядерного топлива, в отличие от традиционного, ничтожны. В России это особенно важно в европейской части, так как доставка угля из Сибири слишком дорога. Вагон для перевозки ядерного топлива
Огромным преимуществом АЭС является её относительная экологическая чистота. На ТЭС суммарные годовые выбросы вредных веществ на 1000 МВт установленной мощности составляют примерно от 13 000 до 165 000 тонн в год.
ТЭС мощностью 1000 МВт потребляет 8 миллионов тонн кислорода в год для окисления топлива, АЭС же не потребляют кислорода вообще.
Наиболее мощные АЭС в мире «Фукусима» «Брус» «Гравелин» «Запорожская» «Пикеринг» «Пало Верде» «Ленинградская» «Трикастен»
Минусы АЭС 1. Тепловое загрязнение окружающей среды; КПД на современных АЭС составляет примерно 30 -35%, а на ТЭЦ 35 -40%. Это означает, что большая часть тепловой энергии (60 -70 %) выбрасывается в окружающую среду. 2. Утечка радиоактивности (радиоактивные выбросы и сбросы) 3. Транспортировка радиоактивных отходов; 4. Аварии ядерных реакторов;
Кроме того, больший удельный (на единицу произведенной электроэнергии) выброс радиоактивных веществ даёт угольная станция. В угле всегда содержатся природные радиоактивные вещества, при сжигании угля они практически полностью попадают во внешнюю среду. При этом удельная активность выбросов ТЭС в несколько раз выше, чем для АЭС
Объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.
Затраты на строительство АЭС находятся примерно на таком же уровне, как и строительство ТЭС, или несколько выше. Билибинская АЭС - единственная в зоне вечной мерзлоты атомная электростанция.
АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при правильной их эксплуатации – это чистые источники энергии.
Мирный атом должен жить! Атомная энергетика, испытав тяжёлые уроки Чернобыля и других аварий, продолжает развиваться, максимально обеспечивая безопасность и надёжность! Атомные станции вырабатывают электроэнергию самым экологически чистым способом. Если люди будут ответственно и грамотноситься к эксплуатации АЭС, то будущееза ядерной энергетикой. Люди не должны бояться мирного атома, ведь аварии происходят по вине человека.
Главные аргументы в пользу развития атомной энергетики – это сравнительная дешевизна энергии и небольшое количество отходов. В пересчете на единицу производимой энергии отходы от АЭС в тысячи раз меньше, чем на угольных ТЭС (1 стакан урана-235 дает столько же энергии, сколько 10 тыс. т угля). Достоинством АЭС является и отсутствие выбросов в атмосферу диоксида углерода, которое сопровождает производство электроэнергии при сжигании углеродистых энергоносителей.
Сегодня уже совершенно очевидно, что при нормальной работе АЭС экологический риск при получении энергии несравненно ниже, чем в угольной промышленности.
По примерным расчетам, закрытие уже существующих АЭС потребовало бы дополнительно сжигать ежегодно 630 млн. т угля, что привело бы к поступлению в атмосферу 2 млрд. т диоксида углерода и 4 млн. т токсичной и радиоактивной золы. Замена АЭС на ТЭС привела бы к 50-кратному увеличению смертности от атмосферного загрязнения. Для извлечения из атмосферы этого дополнительного диоксида углерода потребовалось бы посадить лес на площади, которая в 4-8 раз превышает территорию ФРГ.
У атомной энергетики есть серьезные оппоненты. Как неконкурентоспособную ее рассматривает в последних работах Л. Браун (Brown, 2001). Аргументами против развития атомной энергетики являются сложность обеспечения полной безопасности ядерного топливного цикла, а также риск аварий на АЭС. Историю развития атомной энергетики омрачают тяжелые аварии, которые произошли в Кыштыме и Чернобыле. Однако, вероятность аварий на современных АЭС крайне низка. Так, в Великобритании она составляет не более чем 1:1000000. В Японии строятся новые АЭС (в том числе и самая крупная в мире «Фукусима») в сейсмически опасных районах на берегу океана.
Перспективы атомной энергетики .
Исчерпание углеродистых энергоносителей, ограниченные возможности энергетики на основе ВИЭ и возрастающая потребность в энергии подталкивает большинство стран мира к развитию атомной энергетики, причем строительство АЭС начинается в развивающихся странах Южной Америки, Азии и Африки. Возобновляется ранее приостановленное строительство АЭС даже в странах, пострадавших от Чернобыльской катастрофы, – Украине, Белоруссии, РФ. Возобновляется работа АЭС в Армении.
Повышаются технологический уровень атомной энергетики и ее экологическая безопасность. Уже разработаны проекты внедрения новых, более экономичных реакторов, способных расходовать на получение единицы электроэнергии в 4-10 раз меньше урана, чем современные. Обсуждается вопрос об использовании в качестве «топлива» тория и плутония. Японские ученые считают, что плутоний можно сжигать без остатка и АЭС на плутонии могут быть самыми экологически чистыми, так как не дают радиоактивных отходов (РАО). По этой причине Япония активно скупает плутоний, освобождающийся при демонтаже ядерных боеголовок. Однако для перевода АЭС на плутониевое топливо нужна дорогостоящая модернизация ядерных реакторов.
Меняется ядерный топливный цикл, т.е. совокупность всех операций, сопровождающих добычу сырья для ядерного топлива, его подготовку к сжиганию в реакторах, процесс получения энергии и переработку, хранение и захоронение РАО. В некоторых странах Европы и в РФ осуществляется переход к закрытому циклу, при котором образуется меньше РАО, так как значительная часть их после переработки дожигается. Это позволяет не только снизить риск радиоактивного загрязнения среды (см. 10.4.4), но и в сотни раз уменьшить расходы урана, ресурсы которого исчерпаемы. При открытом цикле РАО не перерабатываются, а захораниваются. Он более экономичен, но экологически не оправдан. По этой схеме пока работают АЭС США.
В целом вопросы переработки и безопасного захоронения РАО технически разрешимы. В пользу развития атомной энергетики в последние годы высказывается и Римский клуб, эксперты которого сформулировали следующее положение: «Нефть – слишком дорого, уголь – слишком опасно для природы, вклад ВИЭ – слишком незначителен, единственный шанс – придерживаться ядерного варианта».
Потребление энергии в мире растет намного быстрее, чем ее производство, а промышленное использование новых перспективных технологий в энергетике по объективным причинам начнется не ранее 2030 года. Все острее встает проблема нехватки ископаемых энергоресурсов. Возможности строительства новых гидроэлектростанций тоже весьма ограниченны. Не стоит забывать и о борьбе с парниковым эффектом, накладывающей ограничения на сжигание нефти, газа и угля на тепловых электростанциях.
Решением проблемы может стать активное развитие ядерной энергетики. На данный момент в мире обозначилась тенденция, получившая название «ядерный ренессанс». На эту тенденцию не смогла повлиять даже авария на атомной станции «Фукусима». Даже самые сдержанные прогнозы МАГАТЭ говорят, что к 2030 году на планете может быть построено до 600 новых энергоблоков (сейчас их насчитывается более 436). На увеличении доли ядерной энергетики в мировом энергобалансе могут сказаться такие факторы, как надежность, приемлемый уровень затрат по сравнению с другими отраслями энергетики, сравнительно небольшой объем отходов, доступность ресурсов. Учитывая всё выше сказанное сформулируем основные преимущества и недостатки ядерной энергетики:
Преимущества атомной энергетики
- 1. Огромная энергоемкость используемого топлива. 1 килограмм урана, обогащенный до 4 %, при полном выгорании выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн высококачественного каменного угля или 60 тонн нефти.
- 2. Возможность повторного использования топлива (после регенерации). Расщепляющийся материал (уран-235) может быть использован снова (в отличие от золы и шлаков органического топлива). С развитием технологии реакторов на быстрых нейтронах в перспективе возможен переход на замкнутый топливный цикл, что означает полное отсутствие отходов.
- 3. Ядерная энергетика не способствует созданию парникового эффекта. Ежегодно атомные станции в Европе позволяют избежать эмиссии 700 миллионов тонн СО 2 . Действующие АЭС,например, в России ежегодно предотвращают выброс в атмосферу 210 млн тонн углекислого газа. Таким образом, интенсивное развитие ядерной энергетики можно косвенно считать одним из методов борьбы с глобальным потеплением.
- 4. Уран -- относительно недорогое топливо. Месторождения урана распространены достаточно широко в мире.
- 5. Техническое обслуживание ядерных электростанций -- процесс очень важный, но его не нужно проводить так же часто, как дозаправку и техобслуживание традиционных электростанций.
- 6. Ядерные реакторы и связанные с ними периферийные устройства могут работать в отсутствие кислорода. Это значит, что они могут быть целиком изолированы и при необходимости помещены под землю или под воду без вентиляционных систем.
- 7. Ядерные электростанции, построенные и эксплуатируемые с соблюдением всех мер предосторожности, могут помочь мировой экономике избавиться от чрезмерной зависимости от ископаемого топлива для производства электричества.
Недостатки атомной энергетики
- 1. Добыча и обогащение урана могут подвергнуть занятый на этих работах персонал воздействию радиоактивной пыли, а также привести к выбросу этой пыли в воздух или в воду.
- 2. Отходы ядерных реакторов остаются радиоактивными долгие годы. Существующие и перспективные методы их утилизации сопряжены с техническими, экологическими и политическими проблемами.
- 3. Несмотря на то что риск диверсии на ядерных электростанциях невелик, потенциальные ее последствия -- выброс радиоактивных материалов в окружающую среду -- очень серьезны. Пренебрегать такими рисками нельзя.
- 4. Перевозка расщепляющихся материалов на электростанции для использования в качестве топлива и перевозка радиоактивных отходов к местам их утилизации (захоронения) никогда не могут быть абсолютно безопасным делом. Последствия нарушения системы безопасности могут быть катастрофическими.
- 5. Попадание расщепляющихся ядерных материалов не в те руки может спровоцировать ядерный терроризм или шантаж.
- 6. Из-за перечисленных выше факторов риска широкому применению ядерных электростанций сопротивляются различные общественные организации. Это способствует росту настороженного отношения в обществе к ядерной энергетике в целом, особенно в США.
В одном из разделов "Живого Журнала" инженер - электронщик постоянно пишет про ядерные и термоядерные машины - реакторы, установки, исследовательские лаборатории, ускорители, а так же про . Новая российская ракета, показания во время ежегодного послания Президента, вызвала живейший интерес блогера. И вот что он нашел по этой теме.
Да,исторически разработки крылатых ракет с прямоточным ядерным воздушным двигателем были: это ракета SLAM в США с реактором TORY-II, концепт Avro Z-59 в Великобритании, проработки в СССР.
Современный рендер концепта ракеты Avro Z-59, массой около 20 тонн.
Однако все эти работы шли в 60-х как НИОКР разной степени глубины (дальше всех зашли США, о чем ниже) и продолжения в виде образцов на вооружении не получили. Не получили по той же причине, что и многие другие проработки Atom Age - самолеты, поезда, ракеты с ЯЭУ. Все эти варианты транспортных средств при некоторых плюсах, которые дает бешенная плотность энергии в ядерном топливе, имеют очень серьезные минусы - дороговизна, сложность эксплуатации, требования постоянной охраны, наконец неудовлетворительные результаты разработок, про которые обычно что мало известно (публикуя результаты НИОКР всем сторонам выгоднее выставлять достижения и скрывать неудачи).
В частности, для крылатых ракет гораздо проще создать носитель (подводную лодку или самолет), который "подтащит" множество КР к месту пуска, чем морочиться с небольшим парком (а большой парк освоить невероятно сложно) крылатых ракет, запускаемых со своей территории. Универсальное, дешевое, массовое средство победило в итоге малосерийное, дорогое и с неоднозначными плюсами. Атомные крылатые ракеты не пошли дальше наземных испытаний.
Этот концептуальный тупик 60-х годов КР с ЯЭУ, на мой взгляд, актуален и сейчас, поэтому основной вопрос к показанному "зачем??". Но еще более выпуклым его делают проблемы, которые возникают при разработке, испытаниях и эксплуатации подобного оружия, о чем говорим дальше.
Итак, начнем с реактора. Концепты SLAM и Z-59 были трехмаховым низколетящими ракетами внушительных габаритов и массы (20+ тонн после сброса стартовых ускорителей). Страшно затратный низколетящий сверхзвук позволял по максимуму использовать наличие практически не ограниченного источника энергии на борту, кроме того, важной чертой ядерного воздушного реактивного двигателя является улучшения кпд работы (термодинамического цикла) при росте скорости, т.е. та же идея, но на скоростях в 1000 км/ч имела бы гораздо более тяжелый и габаритный двигатель. Наконец, 3М на высоте в сотню метров в 1965 году означало неуязвимость для ПВО.Получается, что раньше концепция КР с ЯЭУ "завязывалась" на высокой скорости, где преимущества концепции были сильными, а конкуренты с углеводородным топливом ослабевали.Показанная же ракета, на мой взгляд, околозвуковая или слабосверхзвуковая (если, конечно, верить, что на видео именно она). Но при этом габарит реактора уменьшился значительно по сравнению с TORY-II от ракеты SLAM, где он составлял аж 2 метра включая радиальный отражатель нейтронов из графита
Активная зона первого тестового реактора TORY-II-A во время сборки.
Можно ли вообще уложить реактор в диаметр 0,4-0,6 метра?
Начнем с принципиально минимального реактора - болванки из Pu239. Хороший пример реализации такой концепции - космический реактор Kilopower, где, правда, используется U235. Диаметр активной зоны реактора всего 11 сантиметров! Если перейти на плутоний 239 размеры АЗ упадут еще в 1,5-2 раза.Теперь от минимального размера мы начнем шагать к реальном ядерному воздушному реактивному двигателю, вспоминая про сложности.
Самым первым к размеру реактора добавляется размер отражателя - в частности в Kilopower BeO утраивает размеры. Во-вторых мы не можем использовать болванку U или Pu - они элементарно сгорят в потоке воздуха буквально через минуту. Нужна оболочка, например из инкалоя, который противостоит мгновенному окислению до 1000 С, или других никелевых сплавов с возможным покрытием керамикой. Внесение большого количества материала оболочек в АЗ сразу в несколько раз увеличивает необходимое количество ядерного топлива - ведь "непродуктивное" поглощение нейтронов в АЗ теперь резко выросло!
Размер всего ПВРД с ЯЭУ TORY-II
Более того, металлическая форма U или Pu теперь не годится - эти материалы и сами не тугоплавкие (плутоний вообще плавится при 634 С), так еще и взаимодействуют с материалом металлических оболочек. Переводим топливо в классическую форму UO2 или PuO2 - получаем еще одно разбавление материала в АЗ, теперь уже кислородом.
Наконец, вспоминаем предназначение реактора. Нам нужно прокачивать через него много воздуха, которому мы будем отдавать тепло. Примерно 2/3 пространства займут "воздушные трубки".
В итоге минимальный диаметр АЗ вырастает до 40-50 см (для урана), а диаметр реактора с 10-сантиметровым бериллиевым отражателем до 60-70 см. Мои наколеночные прикидки "по подобию" подтверждаются проектом ядерного реактивного двигателя MITEE , предназначенного для полетов в атмосфере Юпитера. Этот совершенно бумажный проект (например температура АЗ предусматривается в 3000 К, а стенки из бериллия, выдерживающего от силы 1200 К) имеет рассчетный по нейтронике диаметр АЗ в 55.4 см, при том, что охлаждение водородом позволяет слегка уменьшить размеры каналов, по которым прокачивается теплоноситель.
На мой взгляд, воздушный ядерный реактивный двигатель можно впихнуть в ракету диаметром около метра, что, впрочем, все же не кардинально больше озвученных 0,6-0,74 м, но все же настораживает.Так или иначе, ЯЭУ будет иметь мощность ~несколько мегаватт, питаемые ~10^16 распадов в секунду. Это означает, что сам реактор будет создавать радиационное поле в несколько десятков тысяч рентген у поверхности, и до тысячи рентген вдоль всей ракеты. Даже установка нескольких сот кг секторной защиты не сильно снизит эти уровни, т.к. нейтронны и гамма-кванты будут отражаться от воздуха и "обходить защиту".
За несколько часов такой реактор наработает ~10^21-10^22 атомов продуктов деления c с активностью в несколько (несколько десятков) петабеккерелей, которые и после остановки создадут фон в несколько тысяч рентген возле реактора.
Конструкция ракеты будет активирована до примерно 10^14 Бк, хотя изотопы будут в основном бета-излучателями и опасны только тормозным рентгеном. Фон от самой конструкции может достигать десятки рентген на расстоянии 10 метров от корпуса ракеты.
Все эти "веселости" дают представление, что и разработка и испытания подобной ракеты - задача на грани возможного. Необходимо создать целый набор радиационно-стойкого навигационного и управляющего оборудования, испытать это все довольно комплексным образом (радиация, температура, вибрации - и все это на статистику). Летные испытания с работающим реактором в любой момент могут превратиться в радиационную катастрофу с выбросом от сотен террабеккерелей до единиц петабеккерелей. Даже без катастрофических ситуаций весьма вероятная разгерметизация отдельных твэлов и выброс радионуклидов.
Конечно, в России до сих пор есть Новоземельский полигон на котором можно проводить такие испытания, однако это будет противоречить духу договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах (запрещение вводилось с целью недопущения планомерного загрязнения атмосферы и океана радинуклидами).
Наконец, интересно, кто в РФ мог бы заниматься разработкой подобного реактора. Традиционно изначально высокотемпературными реакторами занимался Курчатовский институт (общее проектирование и расчеты), Обнинский ФЭИ (экспериментальная отработка и топливо), НИИ "Луч" в Подольске (топливо и технологии материалов). Позже к проектированию подобных машин подключился коллектив НИКИЭТ (например реакторы ИГР и ИВГ - прообразы активной зоны ядерного ракетного двигателя РД-0410).
Сегодня НИКИЭТ обладает коллективом конструкторов, которые выполняют работы по проектированию реакторов (высокотемпературный газоохлаждаемый РУГК , быстрые реакторы МБИР , ), а ФЭИ и "Луч" продолжают заниматься сопутствующими расчетами и технологиями соотвественно. Курчатовский институт же в последние десятилетия больше перешел к теории ядерных реакторов.
Резюмируя, хочется сказать, что создание крылатой ракеты с воздушным реактивным двигателеям с ЯЭУ является в целом выполнимой задачей, но одновременно крайне дорогой и сложной, требующей значимой мобилизации людских и финансовых ресурсов, как мне кажется в большей степени, чем все остальные озвученные проекты ("Сармат", "Кинжал", "Статус-6", "Авангард"). Очень странно, что эта мобилизация не оставила ни малейшего следа. А главное, совершенно не понятно, в чем польза от получения подобных образцов вооружений (на фоне имеющихся носителей), и как они могут перевесить многочисленные минусы - вопросы радиционной безопасности, дороговизны, несовместимости с договорами о сокращении стратегических вооружений.
P.S. Впрочем "источники" уже начинают смягчать ситуацию: "Источник, близкий к ВПК, рассказал « Ведомостям », что радиационная безопасность при испытаниях ракеты была обеспечена. Ядерную установку на борту представлял электрический макет, говорит источник.
Плюсы атомной энергетики в сравнении с другими видами получения энергии очевидны. Высокая мощность и низкая итоговая себестоимость энергии открыли в свое время большие перспективы для развития атомной энергетики и строительства АЭС. В большинстве стран мира плюсы атомной энергетики учитываются и сегодня – строятся все новые и новые энергоблоки и заключаются контракты на строительство АЭС в будущем.
Одним из основных плюсов атомной энергетики является ее рентабельность. Она складывается из многих факторов, и важнейший из них – низкая зависимость от транспортировки топлива. Сравним ТЭЦ мощностью 1 млн. кВт и равнозначный по мощности блок АЭС. Для ТЭЦ в год требуется от 2 до 5 млн. тонн топлива, расходы на его перевозку могут составить до 50% себестоимости получаемой энергии, а на АЭС потребуется доставить примерно 30 т. урана, что практически не отразится на итоговой цене энергии.
Также в плюсы атомной энергетики можно смело записать и то, что использование ядерного топлива не сопровождается процессом горения и выбросом в атмосферу вредных веществ и парниковых газов, а значит, строительства дорогостоящих сооружений для очистки выбросов в атмосферу не потребуется. Четверть всех вредных выбросов в атмосферу приходится на долю ТЭЦ, что очень негативно сказывается на экологической обстановке городов, расположенных вблизи них, и в целом на состоянии атмосферы. Города же, расположенные недалеко от атомных станций, функционирующих в штатном режиме, в полной мере ощущают плюсы атомной энергетики и считаются одними из самых экологически чистых во всех странах мира. В них производится постоянный контроль радиоактивного состояния земли, воды и воздуха, а также анализ флоры и фауны – такой постоянный мониторинг позволяет реально оценить минусы и плюсы атомной энергетики и ее влияние на экологию региона. Стоит заметить, что за время наблюдений в районах расположения АЭС ни разу не регистрировались отклонения радиоактивного фона от нормального, если речь не шла о чрезвычайных ситуациях.
На этом плюсы атомной энергетики не заканчиваются. В условиях надвигающегося энергетического голода и истощения запасов углеродного топлива, естественным образом встает вопрос и о запасах топлива для АЭС. Ответ на названный вопрос весьма оптимистичен: разведенные запасы урана и других радиоактивных элементов в земной коре составляют несколько миллионов тонн, и при текущем уровне потребления их можно считать практически неисчерпаемыми
Но плюсы атомной энергетики распространяются не только на АЭС. Энергия атома используется на сегодняшний день и в иных целях, помимо снабжения населения и промышленности электрической энергией. Так, нельзя переоценить плюсы атомной энергетики для подводного флота и атомных ледоколов. Использование атомных двигателей позволяет им долгое время существовать автономно, перемещаться на любые расстояния, а подлодкам – месяцами находиться под водой. На сегодняшний день в мире ведутся разработки подземных и плавучих АЭС и ядерных двигателей для космических летальных аппаратов.
Учитывая плюсы атомной энергетики, можно смело утверждать, что в будущем человечество продолжит использовать возможности атомной энергии, которая при осторожном обращении меньше загрязняет окружающую среду и практически не нарушает экологическое равновесие на нашей планете. Но плюсы атомной энергетики существенно померкли в глазах мировой общественности после двух серьезнейших аварий: на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году. Масштабы этих происшествий таковы, что их последствия способны перекрыть практически все плюсы атомной энергетики, известные человечеству. Трагедия в Японии для ряда стран стала толчком к переработке энергетической стратегии и смещения акцентов в сторону использования альтернативных источников энергии.
