Экологические характеристики атомной энергетики

Важную роль во многих странах играет атомная энергетика. В наиболее распространенных атомных электростанциях на тепловых нейтронах через реактор, в котором находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) с обогащенным ураном (концентрация ²³⁵и повышена до 2—4,4%, остальное —²³⁸и), протекает теплоноситель, обычно вода. В результате распада атомов²³⁵под действием тепловых нейтронов в ТВЭЛах происходит выделение энергии, и температура протекающей воды повышается. Далее эта вода поступает в парогенератор, там возникает пар, который действует на турбину, связанную с ротором синхронного генератора, где генерируется электрическая энергия, направляющаяся по линиям электропередачи к потребителям (как и в случае ТЭС). Пар охлаждается в конденсаторе теплообменника с помощью воды и снова поступает в парогенератор.

В нашей стране построены атомные реакторы двух типов: ВВЭР-1000 — водо-водяной энергетический реактор (18 реакторов) и РБМК-1000 — реактор большой мощности канальный (11 реакторов).

Чтобы представить себе габариты и параметры реактора, приведем эти данные для реактора ВВЭР Нововоронежской АЭС. Реактор имеет диаметр 46 м и высоту около 11 м. Масса корпуса 304 т. Масса урана в активной зоне 66 т. Толщина стенок корпуса для обеспечения биологической защиты 12 см. В качестве теплоносителя используется дистиллированная вода, которая прокачивается через реактор под давлением 100 атм. Вода поступает в реактор при температуре 269 °С и покидает его при температуре 300 °С, нагреваясь на 31 °С. Для управления атомной реакцией в реактор вводятся графитовые стержни. В парогенераторе образуется пар под давлением 47 атм.

В 1997 г. в мире эксплуатировалось 437 энергоблоков АЭС. Электроэнергия на АЭС вырабатывается в 25 странах мира. По абсолютной мощности первое место занимают США (109 реакторов), второе — Франция (56 реакторов), третье — Япония (51 реактор), четвертое — Великобритания (35 реакторов), пятое — Россия (29 реакторов). Удельный вес атомной энергетики в производстве электроэнергии в разных странах составлял: в нашей стране 15 %, в США — 19, Японии — 28, ФРГ — 34, Швеции — 51, Франции — 75, во всем мире — 17 %. В Японии находится крупнейшая в мире АЭС «Фукусима» (10 блоков мощностью 8 ГВт).

Использование ядерного топлива не создает на АЭС двуокиси углерода СО₂, т.е. не способствует развитию парникового эффекта, а также не создает окислов серы и азота, приводящих к кислотным осадкам. Теплотворная способность ядерного топлива примерно в 2 млн раз выше, чем у углеродсодержащего топлива.

Если все АЭС в мире заменить на ТЭС (на угле), то потребовалось бы дополнительно 600 млн т угля, в окружающую среду поступило бы 2 млрд т углекислого газа, более 30 млн т оксидов азота, 50 млн т серы, 4 млн т летучей золы. Эксплуатация АЭС позволяет экономить в мире 400 млн т нефти ежегодно. Себестоимость энергии на АЭС в нашей стране в 1,5 — 2 раза меньше, чем на ТЭС. Однако в расчете на единицу производимой электрической энергии АЭС сбрасывают в окружающую среду больше тепла, чем ТЭС в аналогичных условиях. Это связано с меньшим КПД АЭС.

Тепловое загрязнение окружающей среды АЭС и ТЭС может быть весьма большим. В ФРГ рассматривался перспективный план строительства 15 АЭС и 8 ТЭС в бассейне Рейна, однако выяснилось, что когда в действие вступят все станции, температура в ряде притоков Рейна поднимется до 45 °С, и всякая жизнь в них будет уничтожена.

На АЭС в основном используются реакторы на тепловых нейтронах. Таких реакторов 80 % от их общего числа. Они способны использовать только 1 — 2 % энергии урана ²³⁵. В настоящее время наиболее перспективной представляется ветвь атомной энергетики, связанная с реакторами на быстрых нейтронах (бридеры), в которых идет деление дешевого изотопа урана²³⁸U, запасы которого достаточно велики.

Однако такие реакторы работают в режиме расширенного производства плутония — основы ядерного оружия. Развитая на данной базе мировая энергетика введет в международный оборот много сотен тонн плутония. Ясно, что возникающая при этом возможность его «утечки» находится в противоречии с интересами безопасности, предотвращения ядерной войны.

Кроме того, наличие большого количества АЭС приведет к переработке (остекловывание отходов и захоронение в глубинных стабильных геологических формациях), транспортировке и захоронению в шахтах или на дне моря больших количеств продуктов радиоактивного распада, способных уничтожить все человечество. Опасность для людей представляют и аварии на АЭС, сопровождающиеся выбросом радиоактивных продуктов распада в атмосферу.

Неизгладимое впечатление на человечество произвела катастрофа на Чернобыльской АЭС. Из-за недостатков конструкции реактора и ошибочных действий персонала в 1 ч 24 мин ночи 26 мая 1986 г. вышел из-под контроля реактор РБМК четвертого блока, раздался взрыв, начался пожар и из 180 т радиоактивного топлива в воздух взлетело около 63 кг радиоактивных продуктов деления, что примерно в 100 раз превышает количество продуктов деления (740 г) в атомной бомбе, взорванной над Хиросимой. Сотни тысяч человек подверглись радиоактивному облучению. В результате территория вокруг Чернобыльской АЭС на 300 лет стала опасной для жизни.

Радиоактивные облака двинулись в Европу через Белоруссию, Польшу до Скандинавии и на юг через Киев, Болгарию, Турцию до Израиля.

Более 2/3 радиоактивного пепла выпало в Белоруссии и покрыло пятую часть ее территории. Смертельной угрозе подвергся генофонд нации. В течение 5 лет после катастрофы зафиксирован рост числа раковых заболеваний щитовидной железы у детей в 22 раза, в 90 раз возросло число больных саркомой (раком крови) среди взрослых. Ущерб, нанесенный Чернобылем Республике Беларусь, превышает 200 млрд дол. В результате Чернобыльской катастрофы загрязнено около 58 тыс. км²площадей в России, где проживает 2 млн 650 тыс. человек. Наибольшее количество радиоактивно зараженных территорий расположено в Брянской, Калужской, Тульской и Орловской областях.

Кроме того, следует помнить, что АЭС могут быть взорваны с помощью обычного оружия при возникновении военных действий или в результате деятельности террористов; возможно также хищение радиоактивных материалов с АЭС. Разрушение крупной АЭС сопоставимо по последствиям со взрывом ядерной бомбы мегатонной мощности.

В результате отношение мирового общественного мнения к атомной энергетике резко изменилось. Парламент Швеции принял решение о закрытии в 1998 г. первой АЭС, а к 2010 г. —последней АЭС, аналогичное решение принято в ФРГ. Многие государства, в том числе Италия, отказались от строительства новых АЭС. Однако продолжают их возводить Индия, Южная Корея, Япония, Словакия, Россия, Иран, Пакистан, Бразилия, Украина, Чехия, Франция.

С целью повышения безопасности АЭС академик А.Д. Сахаров предлагал строить их под землей, подсчитав, что себестоимость строительства увеличится только на 20%. Во Франции разрабатываются безопасные реакторы с двумя защитными оболочками. Внутренняя рассчитана на давление теплоносителя, возникающее при разрушении корпуса реактора, удержание продуктов деления и ядерного топлива. Наружная предохраняет реактор от внешнего воздействия (падения самолета, террористического акта и т.п.).

Лауреат Нобелевской премии К. Руббиа (Италия) предлагает создать подкритичные (неспособные самостоятельно поддерживать ядерную реакцию) реакторы с ториевым (а не урановым) топливом с ускорителем частиц. При отключении ускорителя ядерная реакция прекращается. В таком реакторе не образуется плутоний — материал для атомных бомб. Запасы тория на Земле огромны, их хватит на многие тысячелетия. В течение 5 лет (с 1997 г.) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) под руководством К. Руббиа предполагается завершить работу по созданию ядерного реактора, способного превращать радиоактивные отходы в нерадиоактивные.