5.3. Атомна енергетика
Сучасна ядерна енергетика базується на використанні енергії, яка виділяється при поділі ядер урану. В енергетичних ядерних установках за певних умов, що контролюються, здійснюється бомбардування нейтронами ядер ізотопів урану. Трапляється ланцюгова реакція поділу ядер важких елементів, яка супроводжується виділенням великої кількості енергії.
Теплота згоряння 1 кг ядерного палива в 2,85∙106 рази більша за теплоту згоряння 1 кг умовного органічного палива, що потрібно ТЕС для вироблення тієї ж кількості електроенергії. Це дає можливість позбутись від величезної кількості відходів у вигляді шлаків, золи і ін. Крім того, ядерне паливо, виділяючи енергію ядерного розпаду не потребує для здійснення реакції кисню або будь-якої іншої сторонньої речовини.
На думку генерального директора МАГАТЕ (Міжнародне агентство з атомної енергетики) Х. Блікса переваги атомної енергетики наступні:
дешевизна;
незалежність постачання енергією споживачів усередині країни від можливих потрясінь на світовому ринку;
можливість використання вугілля, газу, нафти на інші потреби;
негативний вплив ядерних енергетичних установок на навколишнє середовище значно менший порівняно з ТЕС.
В світі приблизно четверта частина країн має атомні реактори (в Україні їх нараховується 17 штук). Після Чорнобильської катастрофи багато країн, де виробляється атомна енергія, почали переглядати свою політику у відношенні її подальшого розвитку. Неядерного напрямку розвитку енергетики дотримуються Австрія, Австралія, Данія, Нова Зеландія, Норвегія, Швеція, Філіппіни. В той же час такі великі держави як США, Китай, Росія, ФРН, Англія і Україна спрямовують свою політику на підтримку ядерної енергетики.
Головна різниця в схемі технологічного процесу вироблення електроенергії між ТЕС і АЕС полягає в тому, що на останніх замість котла, який працює на органічному паливі, застосовують атомні реактори.
Рис. 24. Схема технологічного процесу охолодження води атомних реакторів:
1 – атомний реактор; 2 – парогенератор; 3 – турбіна; 4 – конденсаторний бак; 5 – насос; 6 – градирня; 7 – ставок-охолоджувач; 8 – джерело поповнення води
Біля ядерного реактора утворюється радіоактивний контур, вихід якого в навколишнє середовище блокується багатоступеневою системою радіоактивного захисту. Але частина радіонуклідів (наведена радіоактивність) може потрапляти в теплоносій – перегріту (понад 100˚С) воду. Щоб виключити потрапляння радіонуклідів в парогенератори і далі в систему охолодження, застосовують декілька замкнених контурів передачі тепла від реактора до парогенератора. На рисунку 24 зображено два таких контури. В кожному контурі існує своє джерело нагріву і охолодження робочого тіла (реактор, теплообмінники, градирні, ставки-охолоджувачі).
В звичайних умовах експлуатації існує можливість витоків радіоактивних газів, але їх концентрації в силу постійного відсмоктування із приміщень і розсіювання в повітряному просторі не перевищують ГДК. Для безпеки при аварійних ситуаціях АЕС відокремлюють від житлових масивів і промислових підприємств зонами санітарної охорони.
Тепловий вплив АЕС на навколишнє середовище більш потужний, ніж ТЕС. Основне тепловиділення в повітря тут йде в конденсаторах паротурбінних установок. Об’єми і температура охолоджуваної води на АЕС збільшуються внаслідок більш великої питомої витрати пари. Це вимагає будови значної кількості градирень і ставків-охолоджувачів. Дані споруди є значними постачальниками тепла і вологи в навколишнє середовище. Щоб виключити зв’язок охолоджувальної системи з природними водними джерелами водопостачання АЕС технічною водою здійснюється по водозворотній схемі. Природна вода постачається лише на компенсацію випаровування з градирень і ставків і аварійні витоки. Значна увага приділяється гідроізоляції дна і берегів ставків-охолоджувачів, щоб виключити гідравлічний зв’язок його води з природними водними джерелами.
Найбільш складною екологічною проблемою є вплив прихованої радіоактивності від радіоактивних викидів та відходів на живі організми, що обумовлює генетичні зміни в них, негативний ефект яких може виявитись через декілька поколінь.
В світі існує багато нуклідів (калій, кальцій та інші), які використовують для своєї життєдіяльності рослини і тварини. Але на відміну від радіонуклідів, вони не накопичуються в організмах, виводяться з них. Концентрація радіонуклідів в деяких рослинах у зараженій зоні зросла в 70 – 100 разів. Риби і водні рослини накопичують небезпечні радіонукліди до концентрацій, що в десятки і сотні тисяч разів перевищують норму. Потрапляючи далі з їжею в організм людини, накопичуючись там, вони створюють небезпечніше внутрішнє опромінення.
В результаті багаторічної експлуатації ядерних установок в світі накопичилось багато тисяч тонн використаного ядерного палива і відходів атомної промисловості. Не зважаючи на великі технологічні удосконалення захоронення або утилізації ядерних відходів, включаючи відпрацьоване обладнання, ця проблема все ще до кінця залишається не розв’язаною. Особливу стурбованість світової спільноти викликають викиди ядерних відходів в моря і океани, а також розміщення їх на територіях невеликих країн, які не мають можливості забезпечити вимоги міжнародних гарантій. Всі країни, які експлуатують ядерне устаткування, зобов’язані розміщувати відходи на своїй території або в місцях, які передбачені міжнародними угодами і підлягають суворому контролю. Передбачається декілька варіантів поховання та утилізації ядерних відходів:
розміщення їх в контейнерах з тугоплавкого скла глибоко в надрах землі в стійких водонепроникних породах;
повторне використання (виготовлення ядерної зброї);
періодична дезактивація обладнання в місцях їх встановлення з захороненням концентрованих відходів і стічних вод.
Прогнозні дані свідчать, що запасів сировини для роботи АЕС вистачить на 30…40 років. Тому виправдані пошуки рішень і розробка проектів нових термоядерних електростанцій. В термоядерних реакторах енергія утворюється внаслідок реакції злиття двох ізотопів водню (дейтерію і тритію) з утворенням гелію. При цьому вивільнюється в 10 млн. разів більше енергії, ніж при спалюванні звичайного органічного палива. Сто кілограм ядерного палива можуть замінити мільйони тонн вугілля при використанні трьох мільйонів тонн кисню. Ці станції екологічно безпечніші, технічно надійніші, але реакція суміші ізотопів водню протікає при температурі 100 млн. градусів Цельсія, на жаль поки немає можливості зробити такі реактори.