МОУ Синявская СОШ

Учебный проект на тему:

Настоящее и будущее атомной энергетики в России и в мире

ФИО автора Свистова Юлия Сергеевна

ФИО преподавателя Гаврилина Лариса Алексеевна

Аннотация к проекту «Настоящее и будущее атомной энергетики в России и в мире»

Цель данного проекта: показать насколько полезна ядерная энергия и каково развитие будущей атомной энергетики в России и в мире.

В работе рассмотрены вопросы:

история атомного века, развитие ядерной энергетики, перспективы строительства атомных электростанций, воздействие ядерной энергии на окружающую среду.

Учебный проект рассматривает классификацию ядерных реакторов, использование различных радиоактивных элементов, преимущество ядерной энергетики по сравнению с традиционными технологиями.

Эта исследовательская работа позволяет сделать вывод о том, что ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире.

В истории человечества не было научного события, более выдающегося по своим последствиям, чем открытие деления ядер урана и овладения ядерной энергией. Человек получил в свое распоряжение огромную, ни с чем несравнимую силу, новый могучий источник энергии, заложенный в ядрах атомов.

История атомного века началась, конечно, раньше августа 1945 г. когда весть о трагедии Хиросимы потрясла мир. В развитие ядерной физики, овладение тайнами ядерной энергии внесли свой вклад такие учёные, как Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Макс Планк, Эрнест Резерфорд и другие, заложившие прочный фундамент науки об атомах. Целая плеяда выдающихся ученых из разных стран мира создала стройное учение об атоме.

Энергия атома на сегодняшний день является одним из наиболее спорных источников энергии. Повсюду продолжается бурная дискуссия между сторонниками и противниками АЭС. В таких европейских странах, как Швеция и Германия, "зеленые", похоже, одержали важную победу, добившись свертывания ядерной программы. Однако в других государствах, особенно в Азии, эти программы успешно развиваются.

В связи с этим в данной работе рассматриваются роль ядерной энергии (положительные моменты) и проблемы ядерной энергетики (отрицательные моменты). Изначально ядерная энергетика являлась побочным продуктом военных технологий, и ее развитие субсидировалось государством.

Первый ядерный реактор был пущен в США 2 декабря 1942 г. под руководством итальянского ученого Энрико Ферми. Атомная бомба была создана усилиями ученых многих стран мира, эмигрировавших в США во время второй мировой войны. Ее испытание было проведено 16 июля 1945 г. в пустынной местности штата Нью - Мексико, а в августе 1945 г. две атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и На­гасаки.

В Советском Союзе все работы, связанные с расщеплением атомного ядра, были прерваны с началом войны и вновь возобновились лишь в се­редине 1943 г., но уже в декабре 1946 г. в Москве на территории Инсти­тута атомной энергии (носящего сейчас имя его основателя И. В. Курча­това) был введен в действие первый в Европе и Азии исследовательский ядерный реактор. В августе 1949 г. было проведено испытание атомной бомбы, а в августе 1953 г. - водородной. Советские ученые овладели тай­нами ядерной энергии, лишив США монополии на ядерное оружие. Но, создавая ядерное оружие, советские специалисты думали об исполь­зовании ядерной энергии в интересах народного хозяйства, промышлен­ности, науки, медицины и других областей человеческой деятельности. В декабре 1946 г. в СССР был пущен первый в Европе ядерный реактор. В июне 1954 г. вошла в строй первая в мире атомная электростанция в подмосковном городе Обнинске. В 1959 г. спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин». Таким образом, ядерная физика создала научную основу атомной тех­нике, а атомная техника в свою очередь явилась фундаментом ядерной энергетики, которая, опираясь на ядерную науку и технику, стала в на­стоящее время развитой отраслью электроэнергетического производства. Исторические решения XXVI съезда КПСС определили пути развития народного хозяйства страны на ближайшие годы и на дальнюю перспек­тиву. Был также намечен ход развития ядерной науки и техники, в том числе ядерной энергетики как вполне определившейся самостоятельной отрасли электроэнергетического производства

Эра расцвета ядерной энергетики приходится на 70-е годы. Нефтяной кризис 1973 г. поставил развитые страны перед необходимостью обеспечения энергетической безопасности, в том числе за счет выбора дешевых и доступных источников энергии, а также их диверсификации. Всем этим критериям удовлетворяла ядерная энергетика. Ее доля в общем объеме производства электроэнергии в странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) возросла с 5% в 1974 г. до 25% к середине 90-х годов. Доля же нефти в производстве электроэнергии за тот же период упала с 25% ниже 10%.

В 70-х годах казалось, что ядерная энергетика - это энергетика будущего. Однако аварии (на станции Three Mile Island в США в 1979 г. и на Чернобыльской АЭС в 1986 г.) вызвали громкий протест широкой публики против ядерной энергетики. К тому же рост цен на энергоносители оказался не таким значительным, как предсказывали в 70-х годах. Явного экономического преимущества ядерной энергии по сравнению с традиционными видами топлива уже не было. Кроме того, ужесточение требований к безопасности работы атомных станций привело к росту стоимости производимой энергии. В результате ядерная программа в некоторых странах начала сворачиваться, и темп строительства ядерных объектов был замедлен. Если в 70-е годы производство электроэнергии в мире атомными станциями росло со среднегодовым темпом 19%, то в 80-е годы прирост замедлился до 10,5%, а в 90-е упал до 2,3%. Тем не менее, сегодня ядерная энергетика является из основных источников энергии.

Ядерная энергетика - очень молодая отрасль науки и техники. Первая в мире атомная электростанция (АЭС) в г. Обнинске Калужской области вошла в строй всего четверть века назад: 27 июня 1954 г. она выдала электрическую энергию в Московскую энергосеть. За это время ядерная энергетика выросла, возмужала и вышла на широкую дорогу промышлен­ного производства электрической энергии во многих странах мира - Со­ветском Союзе, США, Англии, Франции, Канаде, Италии, ФРГ, Японии, Швеции, Чехословакии, ГДР, Болгарии, Швейцарии, Испании, Индии, Пакистане, Аргентине и др. На январь 1981 г. во всем мире введено бо­лее 250 атомных электростанций (блоков) установленной мощностью около 140 млн. кВт. Ни одна отрасль техники не развивалась так быстро, как ядерная энергетика. Обычным электростанциям понадобилось 100 лет, чтобы достичь такого уровня инженерной техники и эксплуатации, какого достигла уже к 1975 г. ядерная энергетика является существенным.

Такому росту ядерной энергетики способствует ряд обстоятельств. С одной стороны - уменьшение природных запасов органического топлива (газа, нефти, а во многих экономических районах и угля), их повышенная сернистость, зольность, вызывающая загрязнение окружающей среды при сжигании этих видов топлива, резкое удорожание и сложность их добычи и т. д., с другой - постоянный рост потребности человечества в топливе и электроэнергии. При истощении запасов органического топлива исполь­зование ядерного топлива (урана, тория и плутония) - пока единствен­ный реальный путь надежного обеспечения человечества так необходимой ему энергией. Как известно, при делении ядер урана и плутония выделяет­ся огромное количество энергии, использование которой позволяет созда­вать крупные АЭС промышленного типа. Действительно, открытие деления тяжелых ядер при захвате нейтронов, сделавшее наш век атомным, прибавило к запасам энергетического ископаемого топлива существенный клад ядерного горючего.

Уран широко распространен в природе, но богатых по содержанию залежей урановых руд (как, скажем, железа или угля) нет. Промышлен­ные урансодержащие руды имеют очень небольшую концентрацию: 0,1-0,5% и даже меньше 0,08-0,05%. Правда, встречаются богатые, уни­кальные месторождения с содержанием до 10%, но их очень мало и за­пасы урана в них сравнительно невелики. В земной коре урана много, но он почти весь находится в рассеянном состоянии и не в собственно урановых, а в урансодержащих минералах, где он изоморфно замещает торий, цирконий, редкоземельные элементы. Уран содержится и в гранитах, и в базальтах, но концентрация его там настолько мала (4-10~⁴ и 1-10~*% соответственно), что извлечение станет возможным только в очень отдаленном будущем. Однако эти микроколичества представляют собой грандиозную цифру: 300 тыс. Q (=3-10¹⁴ кВт-ч). По некоторым прогно­зам, запасы урана и тория в земной коре могут обеспечить челове­чество энергией на протяжении 3 млрд. лет при ежегодном потреблении З-Юккал.

Поиск урана, и, главное, определение его запасов как очень ценного и важного стратегического сырья проводится во многих странах мира. В капиталистических странах первые три места по запасам и содержанию урана в рудах занимают Канада, ЮАР и США. По добыче первое место занимают США, второе Канада, третье ЮАР. В природе есть один-единственный изотоп урана, который под­держивать цепную реакцию деления ядра урана - это уран-235. В одном акте деления ядра урана выделяется энергия на один атом в 200 млн. раз большая, чем при любой химической реакции. Если бы все изотопы в 1 г урана подверглись делению, то выделилась бы энергия в 20 млн. ккал, что соответствует 23 тыс. кВт-ч тепловой энергии. Однако в природном Уране очень трудно получить самоподдерживающуюся цепную реакцию деления, так как делящийся изотоп уран-235 в нем содержится в незна­чительном количестве-всего 0, 71%, а остальные 99, 29% составляет не­делящийся изотоп уран-238. Поэтому создаются специальные устройства - ядерные котлы, реакторы, в которых при определенных контролируемых условиях происходит самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер тяжелых элементов. Такие реакторы, имеющие в своем составе ядер­ное топливо (горючее), специальные виды замедлителя нейтронов, отра­жатель и охладитель, позволяют из неделящихся изотопов урана-238 или тория-232 получать делящиеся изотопы урана-233 и новый вид ядерного топлива - плутоний-239, которые затем могут быть использованы в ка­честве ядерного горючего.

В настоящее время в мире существует большое количество реакторных систем. Теория и практика ядерных реакторов движется по линии усо­вершенствования, улучшения уже освоенных типов и создания новых ви­дов ядерных энергетических реакторов, применения новых видов тепло­носителей, замедлителей нейтронов, новых видов материалов для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов)

Классификация ядерных реакторов

Ядерные реакторы делятся на несколько групп:

• в зависимости от средней энергии спектра нейтронов - на быстрые, промежуточные и тепловые;

• по конструктивным особенностям активной зоны - на корпусные и канальные;

• по типу замедлителя - водяные, тяжеловодные, натриевые;

Для энергетический целей, для производства электроэнергии применяются:

• водоводяные реакторы с не кипящей или кипящей водой под давлением,

• уран графитовые реакторы с кипящей водой или охлаждаемые углекислым газом,

• тяжеловодные канальные реакторы и др.

По размещению ядерного топлива различаются реакторы гетерогенного и гомогенного типов. В гетерогенных реакторах, получивших наибольшее распространение, ядерное горючее расположено в замедлителе в виде отдельных блоков. В гомогенных ядер­ное топливо находится в виде жидкости, раствора или мелко размельчен­ного порошка, которые полностью смешиваются с твердым или жидким замедлителем. Ядерные реакторы также различаются по спектру нейтро­нов (тепловые, быстрые и промежуточные), по видам замедлителей медлителя - на водяные, графитовые, тяжеловодные и др.

В настоящее время в разных странах мира для получения электроэнер­гии преимущественно используются энергетические реакторы на тепловых нейтронах как более простые и освоенные. В перспективном плане ядер­ной энергетики и строительства АЭС основное внимание отводится реак­торам на быстрых нейтронах, которые не только обеспечивают себя ядер­ным топливом, но и накапливают его. Источниками нейтронов могут быть ускорители заряженных частиц, различные генераторы, ядерные реакторы и др. В ядерной энергетике используются реакторы - один из мощнейших источников нейтронов. В будущем будут широко применяться реакторы на быстрых нейтронов, охлаждаемые жидкими металлами (натрий и другие); в которых принципиально реализуем режим воспроизводства топлива, т.е. создание количества делящихся изотопов плутония Pu-239 превышающего количество расходуемых изотопов урана U-235. Параметр, характеризующий воспроизводство топлива называется плутониевым коэффициентом. Он показывает, сколько актов атомов Pu-239 создается при реакциях захвата нейтронов в U-238 на один атом U-235, захватившего нейтрон и претерпевшего деление или радиационное превращение U-235.

Преимущество ядерной энергетики по сравнению с традиционными технологиями, используемыми для производства электричества, заключается, прежде всего, в низких операционных издержках АЭС и дешевизне ядерного топлива. При нынешней цене природного урана - около 25 долл. за кг после его обработки и обогащения - стоимость 1 кг ядерного топлива составляет примерно 800 долл. Этого количества достаточно для производства 315 тыс. кВт/ч электроэнергии. Таким образом, стоимость произведенной энергии составляет всего 0,26 центов за кВт/ч.

В настоящее время 17 % мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции. Заметную роль АЭС играют в США и России.

Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды.

Отметим наиболее существенные факторы:

• локальное механическое воздействие на рельеф - при строительстве,

• повреждение особей в технологических системах - при эксплуатации,

• сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты.

Исходными событиями, которые, развиваясь во времени, в конечном счете, могут привести к вредным воздействиям на человека и окружающую среду, являются выбросы и сбросы радиоактивности и токсических веществ. Известна озабоченность ученых по поводу «парникового эффекта», возникающего из-за выбросов углекислого газа при сжигании органического топлива, и соответствующего глобального потепления климата на нашей планете. Да и проблема загазованности воздушного бассейна, «кислых» дождей, отравление рек приблизились во многих районах к критической черте.

Атомная энергетика не потребляет кислорода и не имеет ничтожное количество выбросов при нормальной эксплуатации. Если атомная энергетика заменит обычную энергетику, то возможности возникновения «парника» с тяжелыми экологическими последствиями глобального потепления будут устранены.

Так нужно ли развивать атомную энергетику? Выработка энергии на АЭС и ACT (атомных станциях теплоснабжения) - это наиболее экологически чистый способ получения энергии из всех, какие человечество может широко использовать в ближайшем будущем. Чрезвычайным важным обстоятельством является тот факт, что атомная энергетика доказала свою экономическую эффективность практически во всех районах земного шара. Кроме того, даже при большом масштабе энергопроизводства на АС атомная энергетика не создает особых транспортных проблем, поскольку требует ничтожных транспортных расходов, что освобождает общество от бремени постоянных перевозок огромных количеств органического топлива. Не может произойти замены атомной энергии на энергию ветра, солнца, подземного тепла и т.д. Согласно прогнозу в США в начале XXI в. на все подоб­ные способы получения энергии будет приходиться менее 10% общей выработки энергии.

Спасти нашу планету от загрязнения миллионами тонн угле­кислого газа, окиси азота и серы, которые постоянно выбрасы­ваются ТЭЦ, работающими на угле, мазуте, перестать сжигать в огромных количествах кислород, можно лишь с помощью атом­ной энергетики. Но только при выполнения одного условия: «Чернобыль» не должен повториться. Для этого необходимо соз­дать абсолютно надежный энергетический реактор. Но в приро­де не бывает ничего абсолютно надежного, все процессы, не противоречащие законам природы, происходят с большей или меньшей вероятностью.

Развитые страны с большим населением в обозримом будущем не смогут из-за экологических проблем обойтись без атомной энергетики даже при некоторых запасах обычных видов топлива. Режим экономии энергии может лишь на некоторое время отодвинуть проблему, но не решить ее. В последнее время предлагаются различные конструктивные решения атомных станций. В частности, компактную АЭС разработали специалисты Санкт-Петербургского морского бюро машиностроения "Малахит". Предлагаемая станция предназначается для Калининградской области, где проблема энергоресурсов стоит достаточно остро.
Разработчики предусмотрели использование в АЭС жидкометаллического теплоносителя и исключают возможность возникновения на ней радиационно-опасных аварий, в том числе при любых внешних воздействиях. Станция отличается экологической чистотой и экономической эффективностью.
Все ее основное оборудование предполагается разместить глубоко под землей в проложенном среди скальных пород туннеле диаметром в 20 м. Это дает возможность свести к минимуму число наземных сооружений и площадь отчуждаемых земель.

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро влияют на подвижность материковых плит.

Литература

1. Бадев В.В., Егоров Ю.А., Казаков С.В.. Охрана окружающей среды при эксплуатации АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: Культура и спорт, 1997. - 520 с.

3. Никитин Д., Новиков Ю. Окружающая среда и человек. - М.: Высш. школа, 1986.

4. Сивинцев Ю.В. Радиация и человек. - М.: Знание, 1987.