ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Наука — 03.12.19
    ТЕКСТ: В’ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Сповнений енергії

    Ядерна енергетика може бути як мирною, так і небезпечною для людини. Детонація атомних бомб призводить до дуже сильного вибуху й численних людських жертв (внаслідок бомбардування Нагасакі та Хіросіми загинуло щонайменше 130 тисяч людей). Але атом буває корисним для суспільства: атомні електростанції (АЕС) – невід’ємна складова енергетики багатьох країн. Саме про використання ядерної енергетики на благо людства і йтиметься далі.

    Для більшості українців абревіатури ТВЕЛ (тепловидільний елемент), ВЯП (відпрацьоване ядерне паливо) та РАВ (радіоактивні відходи) маловідомі. Можливо, вони чули їх по телевізору або читали статтю, пов’язану із Зоною відчуження біля Чорнобильської АЕС. Але мало хто знає, що саме ядерне паливо забезпечує понад половину потреб енергетики всієї України (і не тільки її). До того ж кількість генеруючих потужностей АЕС (обладнання, встановленого на території електростанції) значно нижча, ніж у теплових електростанцій та інших джерел електроенергії. Станом на 2018 рік атомні електростанції виробляють 54,48% електроенергії, теплові електростанції – 29,5%, гідроелектростанції – 7,66%, теплоелектроцентралі – 6,45%, відновлювані джерела – 1,9%. 

     

    Проте теплові електростанції займають 50,6% генеруючих потужностей, атомна енергія – 25%, теплоелектроцентралі – 11,7%, гідроенергія – 8,5%, відновлювані джерела – 4,2%. 

     

    Але так було не завжди: до 26 вересня 1977 року, коли почала свою роботу перша атомна станція на території України, наявність напруги у розетці забезпечували здебільшого ТЕС (теплові електростанції), а ще до того – ГЕС (гідроелектростанції).

     

    Основною проблемою АЕС є те, що вони не можуть завжди працювати на повну потужність. Потужність навмисно занижується, щоби не допустити різких перепадів у загальній енергосистемі (електроенергія нерівномірно споживається протягом доби). До того ж потужність АЕС неможливо змінити швидко. Для цього використовуються борові стержні, які поступово вводяться у гарячу камеру реактора й охолоджують його. Мабуть, усі бачили пояснення цього процесу в серіалі «Чорнобиль» від HBO і зрозуміли, що вводити ці стержні швидко – погана ідея. Саме тому ТЕС є гнучкішими з точки зору вироблення електроенергії. 

     

    Додаткових труднощів додає той факт, що більшість українських ядерних реакторів були запущені ще за часів СРСР і вже наступного року збігає їхній передбачуваний термін експлуатації. Оператор українських АЕС – державне підприємство «Енергоатом» – продовжить цей термін, адже інших реакторів просто немає. Проте необхідно буде проводити додаткові перевірки, профілактичні роботи та вимушене відключення окремих енергоблоків. 

     

    З чого все почалося

     

    Перший успішний експеримент з розщеплення ядра літію в далекому 1932 році провела у Харкові група радянських вчених на чолі з Антоном Вальтером та Кирилом Синельниковим. Що стосується урану, то його змогли розділити лише через сім років. У 1939 році на знаменитій конференцій з теоретичної фізики всесвітньо відомий фізик та лауреат Нобелівської премії Нільс Бор вперше заявив про відкриття механізму ділення ядра урану-235. Тоді ця новина так вразила присутніх на конференції фізиків, що вони, не дочекавшись кінця доповіді, почали покидати засідання, аби перевірити повідомлення у своїх лабораторіях.

     

    Ділення уранового ядра під час опромінення нейтронами може супроводжуватися ланцюговою реакцією (далі розповімо про це детальніше). У 1930-х роках вчені вже розуміли, що це потужна енергетика. Але щоб використовувати ланцюгову реакцію ділення ядер як джерела енергії, потрібно знати, як керувати процесом та за яких умов він відбувається. Цю проблему першим вирішив видатний італійський фізик Енріко Фермі. Саме він у 1942 році отримав контрольовану ланцюгову реакцію ділення ядер урану в лабораторії у Чикаго. Через кілька місяців був збудований і перший атомний реактор з тепловою потужністю всього 200 Вт (сучасні реактори мають у мільйони разів більшу потужність).

     

    Що таке ядерне паливо

     

    Ядерне паливо принципово відрізняється від інших видів палива насамперед енергоємністю та шкідливим впливом на людину. Це зумовлює чимало обмежень у його використанні. Для роботи з таким паливом потрібні спеціальні технічні умови й особлива підготовка для персоналу (найкращий сценарій – автоматизація усіх виробничих процесів, проте навіть у розвинених європейських країнах немає повністю автоматизованих АЕС). Адже робітники, що працюють з радіоактивними матеріалами та опроміненим обладнанням, отримують за рік випромінювання до 20 мілізівертів, що еквівалентно 20 знімкам на рентгенівському апараті. Це гранично допустима норма для України (у деяких країнах обмеження встановлено на рівні 30-50 мілізівертів).

     

    Кераміка – неорганічна речовина, що виготовляється під дією високої температури з наступним охолодженням.

    Як ядерне паливо найчастіше використовують оксид урану(IV), він же діоксид урану (UO2). Здивований читач може запитати: навіщо використовувати саме діоксид, якщо можна просто взяти металізований уран? Відповідь криється у фізичних та хімічних властивостях матеріалів: металізований уран має низьку температуру плавлення і під час нагрівання до понад 500 градусів розбухає. А ось кераміка (той самий діоксид урану) має значно вищий температурний поріг і не схильна до фазових перетворень, тобто не змінює свої механічні та теплові властивості під час нагрівання. Завдяки цьому за умови використання оксидного палива ступінь згоряння (відпрацювання частки матеріалу) урану більший, а отже більший коефіцієнт корисної дії.

     

    Зазвичай ядерне паливо спікають (формують у печах за високої температури) у невеликі «таблетки», які потім поміщають у циліндричні тепловидільні збірки – набори тепловидільних елементів. Збірку кладуть у реактор для опромінення нейтронами й отримання енергії. Її конструкція доволі складна, вони мають кілька шарів. Збірка міститься всередині цирконієвої оболонки. На АЕС та інших ядерних установках паливо доставляють саме у вигляді таких готових збірок. Залежно від типу реактора їх завантажують безпосередньо під час його роботи (замість «вигорілих» збірок) або масштабної ремонтної кампанії. Тепловидільні збірки з ядерним паливом у реакторах міняють кожні 3-5 років.

     

    Чому ядерна енергетика потужніша та корисніша за теплову

     

    Щоб уявити потужність ядерної енергії, потрібно зрозуміти процес поділу ядра. Візьмемо один атом урану. Як і атоми інших елементів, він складається з ядра та електронів. Ядро, своєю чергою, складається з протонів та нейтронів, що утримуються разом за допомогою ядерних сил. Якщо по атому урану ззовні «вдарити» нейтроном, то його ядро, що має атомну масу 235, ділиться на два менших ядра, які називають уламками, виділяючи під час цього процесу енергію в 200 мегаелектронвольт (МеВ), що дорівнює приблизно 77 мільярдам джоулів на грам речовини (кількох грамів урану могло б вистачити, аби опалювати невеликий будинок протягом одного зимового місяця). Колосальна енергія від акту ділення ядра урану нагріває воду, пара з якої крутить турбіну, що і виробляє електроенергію.

     

    Принцип дії теплових станцій також полягає в обертанні турбіни під дією водяної пари. Але нагрівання води відбувається за рахунок горіння вугілля, теплота згоряння якого у понад мільйон разів менша за енергію поділу ядер урану. Тому для роботи ТЕС потрібно надзвичайно багато палива: одна ТЕС, що обслуговує невелику область, за день поглинає приблизно 5 тисяч тонн вугілля (100 вагонів). Це робить теплову енергію значно менш ефективною за атомну і збільшує вартість електроенергії для споживачів – кожен 1 кВт*год коштує дорожче.

     

    Ядерна енергетика має ще один козир у суперництві з тепловими станціями: значно менші викиди вуглецю в атмосферу. На частку ТЕС в Україні припадає 28% від загальної кількості викидів або близько 100 мільйонів тонн СО2 щорічно. Під час експлуатації АЕС вуглець майже не виділяється, що надає їм суттєву перевагу в контексті боротьби проти глобального потепління й за чистоту планети.

     

    Альтернативні та відновлювані джерела енергії теж поки що не витримують конкуренції з ядерним паливом. Звісно, вони не мають недоліків у вигляді шкідливих викидів або високої радіоактивності, проте наразі не можуть забезпечити потрібний рівень потужності. Так, якщо ви побудували будинок поблизу моря або у полі, де завжди є сонце, то можна встановити вітряк чи кілька сонячних батарей. Але зараз ціна таких джерел живлення досить висока, а ще вони майже не підлягають ремонту. Втім, якщо врахувати, що уряд України приєднався до Європейського енергетичного співтовариства і взяв на себе зобов’язання до 2035 року виробляти 25% електроенергії із відновлюваних джерел, ми можемо розраховувати на оптимістичний розвиток подій. 

    Ізотопи – різновиди атомів, що мають одну кількість протонів, але різну кількість нейтронів у ядрі. Деякі з них стабільні, а інші – радіоактивні, тобто можуть випромінювати -альфа, -бета, -гамма або нейтронне випромінювання.

    Поділ атома та утворення домішок

     

    Уранове паливо має кілька ізотопів. Під дією нейтронного випромінювання ділиться лише ізотоп U-235, якого у ядерному паливі близько 5% відсотків, решта – U-238. Такий склад пояснюється тим, що збагачувати U-238 до U-235 доволі складно і дорого. Невелика частина урану-238 (близько 2%) поглинає нейтрони й перетворюється на зауранові елементи: плутоній, кюрій, америцій тощо. І якщо більшість перерахованих елементів залишаються у відпрацьованому ядерному паливі, то плутоній також ділиться на два уламки з меншими ядрами. Його енергія під час ділення навіть більша за уранову, але оскільки його значно менше, то і вплив невеликий.

     

    Але це зовсім не означає, що решта елементів не відчуває на собі хімічних перетворень. Молекула діоксиду урану-235 (того, який ділиться) розвалюється, а отже, утворюється вільний кисень, який своєю чергою може з’єднуватися з уламками (атомами, що утворилися після поділу урану та плутонію).

     

    І якщо це комусь може здатися недостатньо складним, то процеси сегрегації, теплової дифузії та інші фізичні та хімічні процеси, які відбуваються в ядерному паливі під час роботи реактора, призводять до утворення справді складних сполук. Зрештою, коли реактори відпрацьовують своє паливо, у ВЯП можна знайти пів таблиці Мєндєлєєва. Тут вам і оксиди радіоактивних металів, і актиноїди, і навіть гази. Але найбільше у ВЯП урану-238 – того самого, який не ділиться, а лише поглинає нейтрони. 

     

    Що робити з відпрацьованим ядерним паливом

     

    Одна з найважливіших і найнагальніших проблем, що постають перед атомною енергетикою не тільки в Україні, але і у світі ­– це проблема поводження з радіоактивними відходами та відпрацьованим ядерним паливом. Щодо України, то в нас за рік його напрацьовується приблизно 300 тонн. Уряд не ухвалив остаточного рішення стосовно цієї проблеми. Є державні програми із захоронення радіоактивних відходів та відпрацьованого палива. Це величезні бункери, у які вкладаються герметичні контейнери з відпрацьованим паливом. Зараз такі «могильники» розташовані на території самих АЕС, але ухвалене рішення про будівництво центрального сховища ВЯП, яке буде розташоване поблизу Чорнобиля і зможе вміщувати усе ВЯП, яке напрацьовується в Україні.

    Переробка відпрацьованого ядерного палива – це процес, під час якого з нього виділяють Уран, Плутоній та інші радіоактивні ізотопи задля повторного використання в атомних реакторах.

    У програми захоронення радіоактивних відходів є одна проблема: всі сховища –  тимчасові, тож після закінчення їхнього проектного терміну експлуатації ВЯП потрібно виймати й транспортувати до кінцевого пункту захоронення або переробки. Чи варто казати, що ВЯП дуже радіоактивне і створює зону відчуження довкола місця захоронення, негативно впливаючи на навколишнє середовище. З цієї точки зору переробка не тільки дозволить знизити кількість радіоактивних відходів, що потребують захоронення, але й створить можливість повторного використання уранового палива. 

     

    На сьогодні переробку ВЯП у промислових масштабах використовують переважно французи, також заводи з переробки мають Англія, Росія та Японія. Для цього цілі тепловидільні збірки занурюють у кислоту, а потім за допомогою хімічних реагентів виділяють потрібні елементи. Французи настільки впевнені у своїх силах, що навіть приймають паливо від сусідніх країн і переробляють його. Технологія працює, але потребує великого об’єму води (приблизно 2000 літрів на тонну ВЯП), тому активно впроваджуються наукові програми з мільйонними (а інколи й мільярдними) бюджетами, спрямовані на створення безводних технологій переробки. 

     

    Що далі?

     

    Використання атома з мирною метою дозволяє задовольнити енергетичні потреби більшої частини населення та промислових об’єктів країни. А задля зменшення ризиків впроваджуються нові, менш потужні, але більш контрольовані та енергоефективні типи реакторів, що згодом замінять наявні ВВЕР-1000 в Україні.

     

    Менеджер проектів перспективного прогнозу розвитку атомної енергетики Департаменту атомної енергетики МАГАТЕ Андрій Грицевський зауважує, що атомна енергетика здатна не тільки забезпечити економічно ефективне виробництво електроенергії, а й стати джерелом тепла для використання у різних хімічних виробництвах. За його прогнозами, кількість генеруючих потужностей на АЕС у світі до 2050 року буде збільшена майже вдвічі: з 392 до 748 атомних енергоблоків.

     

    Для України використання ядерного палива та будівництво нових АЕС виправдане наявністю гірничо-збагачувального комбінату поблизу Дніпра. Поступовий рух уряду в бік використання низьковуглецевої технології виробництва електроенергії після підписання кліматичного договору у Парижі лише підтверджує ці перспективи розвитку.

     

    Як сказав генеральний директор Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ) Юкіо Амано на міжнародній конференції «Ядерна енергетика у ХХІ сторіччі»: «Важко уявити, як світ відповість на виклик, що полягає у необхідності забезпечити попит на електроенергію та одночасно знизити вплив кліматичних змін, не використовуючи більше ядерної енергетики».

     

    ТЕКСТ: В’ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: