Не так страшны, как кажутся: в Пермском Политехе рассказали, что скрывает сложный мир атомных станций

Маленький гигант энергетики

Атомная электрическая станция — это мощный и сложный механизм по генерации электрической и тепловой энергий для наших домов, заводов и городов.

— Ядерный реактор – ключевой элемент АЭС. Безопасность и эффективность работы в нем обеспечивается многоконтурной системой защиты, которая подобна матрешке — каждый последующий контур защищает предыдущий, надежно локализуя радиацию. В сердце реактора происходит управляемое деление ядер урана или плутония, генерируя тепло. Оно передается воде в первом, радиоактивном контуре, а затем во втором, где тепловая энергия преобразуется в механическую, приводя в движение турбины для генерации электричества, — рассказывает Андрей Матрунчик, старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и водоснабжения, водоотведения Пермского Политеха.

Как системы АЭС предотвращают катастрофу при остановке

Чтобы управлять цепной реакцией деления, в реактор опускают специальные поглощающие стержни, которые работают как «тормоза». Они поглощают нейтроны, необходимые для деления ядер урана, тем самым замедляя или полностью прекращая выделение энергии.

— В случае нештатной ситуации, когда необходимо срочно остановить реакцию, срабатывает система аварийной защиты. Она мгновенно, за считанные секунды, вводит все поглощающие стержни в активную зону, подавляя цепную реакцию и предотвращая развитие аварии, — поясняет Андрей Затонский, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Березниковского филиала Пермского Политеха.

Андрей Затонский. Фото: пресс-служба ПНИПУ

Уран-235: почему именно этот элемент — ключ к энергии

Уникальные свойства сделали элемент Уран-235 идеальным топливом для атомных реакторов. Он способен самоподдерживать цепную реакцию деления. При поглощении нейтрона ядро урана-235 расщепляется, высвобождая не только энергию, но и новые нейтроны, которые, в свою очередь, вызывают деление других ядер.

— В отличие от некоторых других делящихся изотопов, он присутствует в природном уране, что делает его относительно доступным. Кроме того, уран-235 эффективно взаимодействует с медленными нейтронами, что упрощает конструкцию ядерных реакторов и позволяет применять различные материалы в качестве замедлителей для контроля скорости реакции и обеспечения стабильной и эффективной работы реактора, — объясняет Андрей Матрунчик.

Добыча изотопа начинается с извлечения урановой руды из месторождений по всему миру. Затем сырье подвергается сложной обработке для получения концентрата, известного как «желтый кек». Он содержит лишь небольшую долю урана-235, поэтому требуется процесс обогащения до уровня, необходимого для использования в ядерных реакторах. Обогащение осуществляется различными методами. Газовая диффузия предполагает пропускание газообразного урана через пористые мембраны: легкий изотоп (уран-235) проходит быстрее. Центрифугирование же раскручивает газ с высокой скоростью. Под действием центробежной силы более тяжелые атомы концентрируются у стенок, а необходимые элементы скапливаются ближе к центру, что позволяет их разделить.

Как топливная таблетка размером с монетку заменяет целый баррель нефти

1 грамм урана-235 выделяет 80 ТДж/кг энергии, тогда как нефть — всего 42 МДж/кг, что в миллионы раз меньше. Таким образом, одна таблетка массой приблизительно 5 грамм после переработки дает столько же, сколько ~160 кг нефти (1 баррель).

— Это происходит из-за того, что при ядерном распаде возникает дефект массы: тяжелое ядро распадается на два, но в сумме они легче исходного. Куда же делась эта маленькая часть массы? Она превратилась в энергию. Согласно теории Эйнштейна, E=mc², скорость света в квадрате — огромная величина. Поэтому даже если дефект массы совсем маленький, при умножении на это большое значение выделяется так много энергии, — рассказывает Андрей Затонский.

Почему атомная энергия считается «зеленой»

Несмотря на определенные риски и проблемы, связанные с ядерной энергетикой, существует ряд аргументов в пользу ее экологичности, особенно в сравнении с традиционными источниками энергии, такими как уголь и газ.

— Основные загрязняющие вещества при работе тепловой электростанции на любом виде топлива — это выбросы парниковых газов в атмосферу (например, углекислого), которые являются основной причиной глобального потепления и изменения климата. При использовании угля эти показатели одни из самых высоких. При этом именно угольные станции и котельные строят в мире гораздо активнее других. При работе АЭС нет выбросов в атмосферу, но образуются отходы ядерного топлива, которые необходимо особым образом обезвреживать и хранить, — говорит Андрей Матрунчик, старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и водоснабжения, водоотведения Пермского Политеха.

— Ключевым фактором, позволяющим считать АЭС относительно экологичными, является замкнутый цикл производства энергии. Единственным прямым контактом «зеленой» станции с окружающей средой является выброс пара из градирен, где он конденсируется в воду, которая не содержит вредных веществ, — поясняет Андрей Затонский, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Березниковского филиала Пермского Политеха.

Захоронение или переработка: куда исчезают отходы

— Основной метод «переработки» опасных отходов — это время и естественный распад. Радиоактивные элементы со временем превращаются в стабильные изотопы, но этот процесс может занимать годы, десятилетия и даже тысячелетия. Задача состоит в том, чтобы обеспечить безопасное хранение отработавших элементов. Для этого упакованное в бетон, стекло или керамику топливо транспортируют к специально оборудованным местам захоронения, которые выбираются с учётом геологических особенностей местности. Эти места должны обеспечивать долгосрочную изоляцию от биосферы, предотвращая попадание вредных веществ в грунтовые воды и другие природные ресурсы, — комментирует Андрей Затонский.

Тем не менее человечество уже сейчас умеет превращать отходы обратно в топливо. Например, в России реактор БН-800 на Белоярской атомной станции успешно работает на смеси урана и плутония, извлечённых из отработанного топлива.

Жить рядом с АЭС — опасно? Разрушаем миф о радиации

Существует распространенное заблуждение о том, что жить и работать рядом с атомной электростанцией опасно для здоровья. Настороженность в обществе по этому поводу сохраняется из-за недостатка знаний о безопасности атомной энергетики.

— В отличие от теплоэлектростанций, атомная станция не загрязняет воздух токсинами и парниковыми газами. Она не производит вредных выбросов, а ее реакторы окружены герметичной оболочкой, стальными корпусами и бетонными стенами толщиной в несколько метров. Кроме того, АЭС редко расположена в черте города — обычно она находится далеко за его пределами. Значительно опаснее жить в мегаполисах, где много химико-технологических производств, — отмечает эксперт Пермского Политеха Андрей Затонский.