2.4. Система технологій аес і проблеми радіаційного захисту

Перший атомний реактор було побудовано у 1942 році в США під керівництвом італійського вченого Е. Фермі, а на європейському континенті – в колишньому СРСР – у 1946 році під керівництвом І.В. Курчатова. Його потужність складала 0,5 МВт (м. Обнінськ поблизу Москви). В Україні зараз експлуатуються 4 атомних електростанції: Ровенська, Хмельницька, Південо-Українська і Запорізька (табл. 2.1). Атомна електростанція (АЕС) – складна технічна споруда, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється в електричну.

У загальному виді це відбувається в такий спосіб (рис. 2.2). Тепло, яке виділяють при розщеплені ядра радіоактивних речовин (ядерне пальне – на сьогодні це – уран (ізотопи, плутоній та торій), нагріває теплоносій, який прокачують через активну зону реактора (рідина/вода, що містить 16 % борної кислоти або газ), який відбирає тепло від

ядерного пального. Ця замкнена система з теплоносіями називається першим контуром. У теплообміннику тепло першого контуру нагріває до кипіння воду другого контуру. Пара, що утворюється, надходить до звичайної турбіни, за допомогою якої виробляється електрика, а також використовується

для обігріву будинків. Отже, атомні електростанції відрізняються від інших тільки засобом перетворення води в пару, що використовується для виробництва електроенергії.

Таблиця 2.1

Назва АЕС	Тип реактора на енергоблоках	Кількість енергоблоків на АЕС	Сумарна потужність АЕС, млн кВт	Рік введення в експлуатацію
Рівненська	ВВЕР-440 ВВЕР-1000	2 1	0,8 1	№ 1 – 1980 № 2 – 1981 № 3 – 1986
Запорізька	ВВЕР-1000	5	5	№ 1 – 1984 № 2 – 1985 № 3 – 1986 № 4 – 1987 № 5 – 1989
Південно- Українська	ВВЕР-1000	3	3	№ 1 – 1982 № 2 – 1985 № 3 – 1989
Хмельницька	ВВЕР-1000	1	1	№ 1 – 1987
Всього:		12	10,8

Діючи атомні електростанції (АЕС) України

Рис.2.2. Технологічна схема атомної електростанції (АЕС)

У реакторі відбувається керована ядерна реакція. Вона відрізняється від ланцюгової реакції в атомній бомбі тим, що за допомогою спеціальних регулюючих стрижнів із речовини, добре поглинаючої нейтрони, кількість нейтронів, що вступають у реакцію, підтримується на безпечному рівні.

Чим глибше занурені стрижні в активну зону реактора, тим менше там нейтронів, спроможних продовжувати реакцію і виділяти тепло, і навпаки. Не випадково в аварійній установці реактора передбачені аварійні стрижні: вони швидко падають в активну зону, і відбувається пов­не припинення ядерної реакції.

Атомна станція будь-якого типу (а сьогодні цих типів уже дуже багато, і вони багато в чому відрізняються в різних країнах), крім системи керування реакцією в активній зоні реактора й аварійного захисту, має багато захисних устроїв для забезпечення безпеки людей. Адже під час ланцюгової реакції частина нейтронів вилітає з активної зони, навіть захищеної спеціальним устроєм – відбивачем. Крім того, розподіл ядер радіоактивних речовин супроводжується сильним випромінюванням, як при будь-якій ядерній реакції. Тому активну зону будь-якого реактора з усіх боків оточують стіною біологічного захисту, що послабляє небезпечне випромінювання до такого ступеня, щоб людина могла перебувати поблизу працюючого реактора. Як правило, це масивне спорудження з бетону з товщиною стін більш 2 м. У деяких випадках для біологічного захисту використовують звичайну воду, а іноді – сполучення сталі з водою або бетоном.

У приміщеннях, де працюють люди, що обслуговують реактор, інтенсивність радіоактивного випромінювання вимірюється встановленими тут спеціальними приладами-дозиметрами.

Теплоносій, що відбирає тепло у теплообмінників першого контуру й тепловиділяючі елементи (ТВЕЛи), що складаються з двоокису урану або іншого радіоактивного палива, “одягнені” у герметичні оболонки.

Природна радіоактивність урану незначна (період піврозпаду урану 3600 років), проте в процесі роботи, завдяки накопиченню продуктів поділу ядерного палива, що є джерелом потужного гама-випромінювання, у ТВЕЛів з’являється дуже висока радіоактивність, порівняна з активністю декількох кілограмів радію. Тому вивантаження з реактора відпрацьованих ТВЕЛів здійснюється дистанційно, за допомогою спеціальних механізмів, за товстою захисною стіною, що охороняє від згубного випромінювання.

Потужне нейтронне випромінювання атомних реакторів робить речовини і матеріали, що знаходяться в них, радіоактивними. Тому для роботи з предметами, що побували в реакторі, теж застосовується дистанційна техніка: механічні “руки” та інші спеціальні маніпулятори. Крім цих внутрішніх заходів для захисту від небезпечного випромінювання атомні станції різноманітних конструкцій мають ті або інші зовнішні захисні оболонки. Більшість атомних станцій у всьому світі мають так звані скафандри, що охороняють реактори навіть від таких малоймовірних аварій, як падіння метеорита або літака, що потерпів аварію, а також розраховані на випадок аварії усередині станції. Скафандри АЕС мають витримати падіння на них величезного пасажирського літака типу “Боінг-747” або винищувача “Фантом”. Під таким “ковпаком” залишаться небезпечні радіоактивні речовини, що можуть бути викинуті з реактора у випадку непередбаченої пожежі або вибуху. На жаль, такі зовнішні захисні оболонки мають далеко не всі атомні станції колишнього СРСР. Так, для типу реактора ВВЕР-440 (водо-водяні корпус­ні потужністю 440 МВт) і реакторів чорнобильського типу – РБМК (водографітові канальні потужністю від 1000 до 1500 МВт) класична захисна оболонка не була передбачена. У результаті станції саме цих типів, що розташовані в основному на території Росії та України, є зараз найнебезпечнішими.

При діленні 1 г урану 235 визволяється біля 22,5 МВт·г енергії, що еквівалентно енергії спалювання 2,7 т умовного палива.

Встановлено, що світові енергетичні ресурси ядерного палива істотно перевищують енергоресурси природних запасів органічного палива (нафти, вугілля, природного газу і т. ін.). У світі працює понад 440 енергетичних атомних реакторів загальною потужністю понад 74,692 ГВт. На території України експлуатуються атомні енергоблоки з реакторами на теплових нейтронах. У той же час в атомній енергетиці розроблені й споруджені ядерні реактори на швидких нейтронах великої потужності, що працюють на поширенішому в природі урані 238. Вважається, що рішення цієї проблеми дасть можливість у 30-40 разів збіль­шити ефективність використання ядерних ресурсів. У деяких державах реактори на теплових нейтронах виробляють від 30…40 % (Болгарія, Швейцарія, Швеція) до 50...67 % (Бельгія, Франція) енергії. Україна виробляє на атомних електростанціях біля 50 % електроенергії.

Поряд з атомними реакторами з графітною кладкою типу РВПК-1000 (реактор великої потужності канальний, Чорнобильська АЕС) були впроваджені в реактори ВВЕР-1000.

Основні обгрунтування економічних і екологічних переваг АЕС базуються на таких твердженнях:

1. Витрати на транспортування і конверсію ядерного палива в порівнянні з вугіллям на одиницю енергії незрівнянно менші. За масою на 1 кВт·год потреба в урані менше в 20 000 разів.

2. Ресурси урану для атомної енергетики рівні ресурсам вугілля, нафти і газу разом узятих.

3. Економія дефіцитного органічного палива (нафти і газу).

4. АЕС не споживає кисень і майже не викидає шкідливих газів і твердих продуктів.

5. При збільшенні потужності всіх чинних електростанцій навіть у декілька десятків разів глобальне радіоактивне забруднення буде складати не більше 1% рівня природної радіації на планеті.

Головний недолік АЕС – тяжкі наслідки аварій, для виключення яких АЕС обладнуються складними системами безпеки з багаторазовими запасами і резервуванням. Серйозною проблемою для АЕС є їх ліквідація після виробки ресурсу, по оцінкам вона може становити до 20% від вартості їх будівництва. 26 квітня 1986 року в Україні трапилася катастрофа – вибухнув атомний реактор РБМК-1000 Чорнобильської АЕС. Це була перша і єдина аварія такого великого масштабу. Всіма державами світу була переглянута і значно скорочена програма подальшого будівництва АЕС. На сьогодні в деяких державах домінує думка не форсувати будівництво атомної енергетики до часу, поки не будуть відкриті нові, безпеч­ні методи одержання атомної енергії – від видобутку сировини до знешкодження, переробки і поховання радіоактивних відходів, демонтажу АЕС і виводу їх з експлуатації.

Сьогодні науковий потенціал економічно розвинених країн у галузі енергетики спрямований на вирішення проблем за рахунок потужнішого джерела – ядерного синтезу.

Термоядерні реактори, по підрахункам, будуть споживати менше палива на одиницю енергії, і як саме це паливо (дейтерій, літій, гелій), так і продукти їх синтезу не радіоактивні і, отже, екологічно безпечні. На відміну від звичайних атомних реакторів, на яких енергія утворюється в результаті реакції ядерного розпаду, цей реактор буде генерувати енергію по типу термоядерних реакцій, що відбуваються на Сонці. А іменно: буде використовуватися енергія тепла, яка виділяється при злитті атомів дейтерія. В даний час при участі Росії, США, Японії і Євросоюзу на півдні Франції ведеться будівництво міжнародного експериментального термоядерного реактора ІТЕR.