Атомные электростанции работают в десятках стран и обеспечивают около 9% мировой выработки электричества. При выработке электроэнергии АЭС практически не выбрасывают углекислый газ. Но атомная энергетика по-прежнему вызывает страх. Причина понятна: радиацию нельзя увидеть, почувствовать или определить без специального прибора. А аварии на Чернобыльской АЭС и Фукусиме показали, что последствия серьёзной аварии могут быть масштабными.
Разберёмся, как работает ядерный реактор, откуда берётся электричество, чем опасна радиация и почему аварию на АЭС нельзя сравнивать со взрывом атомной бомбы.
Атомная и ядерная энергия: в чём разница
В быту чаще говорят «атомная энергия», но технически точнее — «ядерная». В обоих случаях речь идёт об энергии, которая выделяется при процессах с ядром атома. Термин «атомная» закрепился исторически: так называются атомные электростанции и целые отраслевые организации. Но непосредственно в реакторе происходит ядерная реакция.
Поэтому сравнительно небольшое количество ядерного топлива может вырабатывать огромное количество электроэнергии. В реакторе при этом поддерживается цепная реакция: одно деление ядра вызывает появление нейтронов, которые могут вызвать деление других ядер.
Как работает атомная электростанция
Что происходит внутри ядерного реактора
Ядерный реактор — установка, в которой цепная реакция деления ядер поддерживается и контролируется в заданном режиме. При делении ядер урана-235 выделяется тепло. Топливо находится внутри тепловыделяющих элементов, собранных в топливные сборки. Когда нейтрон сталкивается с ядром урана-235, ядро делится на более лёгкие фрагменты и выпускает новые нейтроны. Они, в свою очередь, могут столкнуться с другими ядрами — так возникает цепная реакция.
Вода в реакторе одновременно отводит тепло и, в реакторах определённых типов, замедляет нейтроны. Это помогает поддерживать реакцию в нужном режиме. Сам реактор окружён несколькими защитными барьерами.
Как управляют цепной реакцией
Чтобы реакция не ускорялась бесконтрольно, в реакторе используют управляющие стержни из материалов, которые поглощают нейтроны. Если стержни вводят глубже в активную зону, они поглощают больше нейтронов и снижают мощность реакции. Если выводят — мощность увеличивается.
У современных реакторов есть системы аварийного заглушения. При серьёзном отклонении от штатного режима они автоматически переводят реактор в остановленное состояние.
От тепла до электричества
По принципу выработки электричества АЭС похожа на обычную тепловую электростанцию: сначала получают тепло, затем превращают его в механическую энергию турбины, а потом — в электрическую.
В реакторе тепло выделяется при делении ядер и передаётся воде первого контура. Она нагревает воду второго контура через парогенератор. Образовавшийся пар вращает турбину, а та приводит в действие генератор.
В реакторах типа ВВЭР и PWR вода первого и второго контуров разделена. Это позволяет не допускать попадания радиоактивной воды из реактора непосредственно к турбине. Есть и другой распространённый вариант — кипящие реакторы BWR. В них вода закипает непосредственно в реакторе, а получившийся пар направляется к турбине.
Что такое радиация и чем она опасна
Три вида излучения: альфа, бета и гамма
Радиация — это излучение, которое возникает при распаде нестабильных атомных ядер. Для радиационной безопасности особенно важны три его вида: альфа-, бета- и гамма-излучение.
Альфа-частицы имеют небольшую проникающую способность: их может остановить даже верхний слой кожи. Поэтому при внешнем облучении альфа-частицы обычно не представляют большой опасности: их задерживает верхний слой кожи.
Бета-излучение проникает глубже. Для защиты от него используют экраны из подходящих материалов, например пластика или металла.
Гамма-излучение — электромагнитное излучение высокой энергии. Оно обладает большой проникающей способностью, поэтому для защиты от него используют плотные материалы, например бетон или свинец.
Как радиация влияет на организм
Воздействие ионизирующего излучения зависит от полученной дозы, мощности дозы и других факторов. Большие дозы могут повреждать клетки и ткани и приводить к лучевой болезни. Воздействие ионизирующего излучения также связано с повышением риска некоторых онкологических заболеваний.
При меньших дозах повреждения могут быть менее выраженными, а клетки организма способны восстанавливать часть повреждений.
Естественный радиационный фон
Радиация существует не только рядом с ядерными объектами. Естественный радиационный фон есть повсюду: он связан с космическим излучением, горными породами, почвой, воздухом и некоторыми продуктами питания.
Например, в организме человека есть калий-40 — природный радиоактивный изотоп калия. Дополнительную дозу люди получают во время авиаперелётов, поскольку на большой высоте защита атмосферы от космического излучения слабее.
Для измерения радиации используют дозиметры. Они могут показывать мощность дозы, например в микрозивертах в час.
Аварии на АЭС: Чернобыль и Фукусима
Чернобыльская катастрофа
26 апреля 1986 года на четвёртом энергоблоке Чернобыльской АЭС проводили испытание систем безопасности. Во время эксперимента реактор оказался в нестабильном режиме, после чего произошёл резкий рост мощности. Ситуацию усугубила конструкция реактора РБМК: при определённых условиях она могла способствовать дальнейшему увеличению мощности.
В результате произошли взрывы, разрушившие реактор, после чего начался пожар. Радиоактивные вещества попали в атмосферу и распространились на большие территории.
После аварии над разрушенным энергоблоком сначала построили защитный объект, известный как «саркофаг». Позже его заменило новое защитное сооружение — Новый безопасный конфайнмент, предназначенный для изоляции разрушенного реактора.
Авария на Фукусиме
Авария на АЭС «Фукусима-1» произошла в марте 2011 года после мощного землетрясения и цунами. Реакторы автоматически остановились после землетрясения, но даже остановленный реактор продолжает выделять остаточное тепло. Цунами вывело из строя часть систем электроснабжения и охлаждения. Без достаточного охлаждения активные зоны трёх энергоблоков перегрелись, произошло повреждение топлива и расплавление активных зон.
Обе аварии получили максимальный, седьмой уровень по международной шкале ядерных событий INES. При этом характер аварий, устройство реакторов и масштабы выбросов существенно различались.
Плюсы и минусы атомной энергии
Почему атомная энергия востребована
Во время работы АЭС практически не выбрасывает углекислый газ. Поэтому атомную энергетику относят к низкоуглеродным источникам энергии. Ещё одно преимущество — стабильная выработка. АЭС может производить электроэнергию круглосуточно и не зависит от солнечного света или ветра.
Ядерные отходы: куда они деваются
Отработавшее ядерное топливо остаётся радиоактивным, поэтому его нельзя просто выбросить или хранить как обычный промышленный отход. После выгрузки из реактора топливо помещают в бассейны выдержки. Вода одновременно охлаждает его и защищает от излучения. Затем топливо может перемещаться в специальные хранилища. В некоторых странах отработавшее топливо перерабатывают, чтобы извлечь и повторно использовать часть содержащихся в нём материалов.
Для долгосрочной изоляции высокоактивных отходов рассматривают глубокие геологические хранилища. Идея заключается в том, чтобы разместить отходы глубоко под землёй в стабильных геологических формациях и обеспечить их изоляцию на очень длительный срок.
Атомная энергия в России сегодня
В России работают атомные электростанции в нескольких регионах страны. На них эксплуатируются десятки энергоблоков, а атомная генерация обеспечивает примерно пятую часть производства электроэнергии. АЭС расположены в разных регионах страны. Среди них — Ленинградская, Калининская, Белоярская, Балаковская, Нововоронежская и другие станции. В городах рядом с АЭС живут сотрудники станций и их семьи. Работа таких объектов сопровождается постоянным радиационным и экологическим контролем.
В долгосрочных планах её предполагается увеличить за счёт строительства новых энергоблоков и развития реакторов на быстрых нейтронах.
Безопасность современных атомных станций
Современные реакторы проектируют с учётом возможности различных аварийных сценариев. В их конструкции используют несколько независимых уровней защиты, а часть систем безопасности способна работать без действий оператора.
На АЭС также постоянно контролируют радиационную обстановку. Отклонения от установленных параметров фиксируются системами мониторинга. Опыт крупных аварий привёл к пересмотру требований к безопасности и модернизации существующих реакторов.
Заключение
Ядерный реактор превращает энергию деления атомных ядер в тепло, затем тепло — в пар, а пар — в электричество. Радиация может быть опасной, но степень опасности зависит от типа излучения, дозы и продолжительности воздействия.
Чернобыль и Фукусима показали, что тяжёлые аварии возможны даже в ядерной энергетике. Одновременно эти аварии привели к развитию требований к безопасности и изменению конструкций реакторов.
