Схема атомной электростанции

Главную часть АЭС составляет ядер­ный реактор 1 (например, уран-графи­товый водяного типа), в котором ядер­ным горючим служит обогащенный уран, замедлителем нейтронов — графит, а теплоносителем — вода.

Основные части ядерного реактора любого типа — активная зона А, где на­ходится ядерное топливо, протекает уп­равляемая цепная реакция ядерного де­ления и выделяется тепловая энергия; отражатель нейтронов Б, окружающий активную зону; оболочка В биологической защиты от нейтронного и g-излучения, обычно выполненная из бетона с желез­ным наполнителем.

Ядерное топливо в реакторе размеще­но в тепловыделяющих элементах (ТВЭлах) 2, представляющих собой, как пра­вило, металлические или карбидные пе­налы (карбиды-соединения углерода с металлами, а также с кремнием и бором), содержащие уран-235.

В состав реактора входят также блоки замедлителя 3 из графита и регулирую­щие стержни 4 из бора или кадмия, силь­но поглощающие нейтроны. Введение этих стержней в активную зону реакто­ра подавляет цепную реакцию, а выве­дение, наоборот, активизирует.

В активной зоне реактора находится система труб, по которым прокачивают теплоноситель (воду) 5, поглощающий энергию, выделяемую при ядерной ре­акции. Вода, находящаяся под давлени­ем 100 атм, нагревается до 270 °С и по­ступает в парогенератор 6, где отдает большую часть своей внутренней энер­гии воде второго контура 7 и с помощью насоса 8-1 вновь поступает в активную зону реактора. Вода 7 второго контура в парогенераторе превращается в пар 9, который поступает в паровую турбину 10, приводящую в действие электрогенера­тор 11.

Через трансформаторы, распредели­тельные устройства и линии электропе­редачи 12 выработанная электрическая энергия поступает к потребителю.

Прошедший через турбину пар 13 по­ступает в конденсатор 14, где охлаждает­ся и превращается в воду 7, которая на­сосом 8-2 подается в парогенератор 6. Охлаждение пара в конденсаторе проис­ходит холодной водой 15 третьего конту­ра, которая через заборное устройство 16 поступает из водоема 17. Пройдя змее­вик конденсатора, вода третьего конту­ра либо сбрасывается через трубу 18 в водоем 17, либо частично возвращается в систему охлаждения, пройдя через гра­дирни (устройства для охлаждения воды атмосферным воздухом). Пейзаж с боль­шими «кувшинами» - градирнями харак­терен для многих АЭС так же, как и ТЭС или ТЭЦ.

2.4. Экологические проблемы ядерной энергетики.

Положительный экологический фактор, связанный с ра­ботой АЭС, — небольшой выброс вред­ных веществ в атмосферу.

Отрицательных — несколько.

Первый и самый очевидный вид «порчи» окружающей среды атомными электростанциями — тепловое загрязнение.

Тепловые потери АЭС в 1,5 раза боль­ше, чем ТЭС аналогичной мощности; поэтому КПД атомных электростанций невелик (20—25%), и их работа сопро­вождается «сбросом» огромного количе­ства теплоты в воздух и воду.

Тепловое загрязнение изменяет кли­мат региона, где расположена АЭС. Уве­личивается влажность воздуха, особен­но в осенне-зимний период, что небла­гоприятно влияет на здоровье людей, на состояние посевов, лесов, зданий и со­оружений, в том числе распределитель­ных устройств и линий электропередач.

Повышение температуры естествен­ных водоемов, куда сбрасывают теплую воду из систем охлаждения станций, приводит к снижению концентрации растворенного в воде кислорода, что уг­нетает развитие рыбной молоди и при­водит к гибели рыб. В нагретой теплой воде водоемов происходит бурное раз­витие сине-зеленых водорослей, наступает «цветение» воды; это явление, по­лучившее название эвтрофизации, дела­ет невозможным использование таких водоемов для питьевого водоснабжения.

Второй фактор — наличие радиоак­тивных отходов.

Экологические проблемы возникают на всех этапах топливного цикла. Рас­смотрим этап А.

Урановая руда добывается на рудни­ках подземным или открытым способом. Как и любая другая отрасль горнодобы­вающего производства, она ухудшает окружающую среду, выводя из хозяйст­венного использования значительные территории, изменяя ландшафт и гидро­логический режим, загрязняя воздух, почву, поверхностные и подземные воды. Разработка урановых месторождений усугубляет эти проблемы тем, что на поверхности оказываются природные радионуклиды с большим периодом по­лураспада, что повышает радиоактив­ность особенно в отвалах рудной поро­ды. Отходы на стадии добычи и пер­вичной переработки природного урана очень велики и составляют 99,8%.

Использование воды в процессах до­бычи урановой руды и ее первичной переработки создает проблему безопас­ного хранения и утилизации жидких от­ходов, содержащих токсичные радиоак­тивные вещества. Из резервуаров для хранения жидких отходов радиоактив­ные вещества могут попадать в грунто­вые воды и расположенные рядом по­верхностные водоемы.

Многие сторонники ядерной энерге­тики утверждают: сами АЭС при их нор­мальной работе полностью безопасны и не создают особых экологических про­блем. Думается, что это не совсем так. Ведь даже при нормальном функциони­ровании обычных АЭС определенное количество радионуклидов выделяется в воздух. Вот как это происходит. Радио­активный изотоп йод-135 (один из глав­ных продуктов распада в работающем ядерном реакторе) не накапливается в составе отработанного топлива, поскольку его период полураспада мал и состав­ляет всего 6,7 ч; он в результате ряда радиоактивных распадов превращается в радиоактивный газ ксенон-135, активно поглощающий нейтроны и потому пре­пятствующий цепной реакции. Для пре­дотвращения «ксенонового отравления» реактора радиоактивный ксенон посто­янно удаляют из реактора через высокую трубу.

Небольшое количество радионукли­дов поступает в водоем вместе со сбра­сываемой водой.

Хотя эти радиационные выбросы в воздух и воду при нормальной работе АЭС невелики, благодаря аккумулирую­щему эффекту они могут оказывать не­благоприятное воздействие на живые организмы, а также на людей, работаю­щих на станции или живущих в зоне ее расположения.

Твердые и жидкие отходы, возникаю­щие при регенерации ядерного топлива, обладают очень высокой радиоактивно­стью и требуют специальной переработ­ки и специального захоронения в целях обеспечения безопасности.

Имеются серьезные основания счи­тать, что все существующие в настоящее время методы обезвреживания радиоак­тивных отходов (РАО), в том числе хи­мические, недостаточно надежны и представляют собой источник постоян­ной опасности для жизни во всех прост­ранственных структурах биосферы.

Кроме того, по данным Госатомнад­зора, мощности крупнейших в России предприятий по переработке и хранению РАО (ПО «Маяк» и Красноярский гор­но-химический комбинат) уже исполь­зованы на 50—70%.

На всех работающих до последнего времени в России предприятиях по добыче и переработке урановых руд в от­валах и хранилищах находится 10⁸ м³ РАО с активностью 1,8 • 10⁵ Ки (Ки - кюри — внесистемная единица радиоак­тивности; 1 Ки = 3,7 • 10'° распадов за 1 с). На сегодня в России накоплено бо­лее 14 тыс. т отработанного ядерного топлива АЭС (без учета отработанного топлива транспортных установок) с ра­диоактивностью 45 млрд. Ки, что в 900 (!) раз больше радиоактивности выброса при взрыве четвертого энергоблока Чер­нобыльской АЭС.

Третий фактор - радиоактивные из­лучения (РИ): они — самая главная опас­ность атомной энергетики, существую­щая, как следует из вышесказанного, на всех этапах топливного цикла и работы АЭС. РИ оказывают пагубное воздейст­вие на все живые организмы.

Механизм биологического действия РИ сложен и до конца не изучен. Иони­зация и возбуждение атомов и молекул живых тканей, происходящие при погло­щении последними излучений, — лишь начальный этап в сложной цепи после­дующих биохимических превращений. Установлено, что ионизация приводит к разрыву молекулярных связей, измене­нию структуры химических соединений и, в конечном счете, к разрушению нук­леиновых кислот и белка. Под действи­ем радиации поражаются клетки тканей, прежде всего их ядра, нарушаются спо­собность клеток к делению и обмен ве­ществ в них. Наиболее чувствительны к радиационному воздействию кроветвор­ные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы), эпителий слизи­стых оболочек (в частности, кишечника), щитовидная железа. В результате действия радиоактивных излучений на органы че­ловека возникают тяжелейшие заболева­ния: лучевая болезнь, злокачественные опухоли, приводящие нередко к смертель­ному исходу. Облучение оказывает силь­ное влияние на генетический аппарат, приводя к появлению потомства с урод­ливыми отклонениями или врожденными тяжелыми заболеваниями организма.

Степень биологического воздействия радиации зависит от вида излучения, его интенсивности и продолжительности облучения организма.

Специфическая особенность радиоак­тивных излучений: они не воспринима­ются органами чувств человека и даже при смертельных дозах не вызывают болевых ощущений в момент облучения; в этом — их «коварство».

Четвертый фактор — аварийные ситуации на ядерных объектах, в том числе на АЭС.

Взрыв четвертого энергоблока Черно­быльской атомной электростанции (ЧАЭС) — одна из таких ситуаций. Он произошел 26 апреля 1986 г. в 01 ч 23 мин 40 с и вызвал прежде всего механичес­кое разрушение верхней защитной пли­ты реактора (массой 2 тыс. т), топлив­ных кассет и взрывной выброс значи­тельного количества диспергированного ядерного топлива, содержащего более 100 различных радионуклидов.

Первая стадия аварии — два взрыва; в течение первого за 1 с радиоактивность реактора возросла в 100 раз, а в ходе второго — через 3 с — радиоактивность реактора увеличилась в 440 раз.

Вторая стадия аварии (26 апреля -2 мая) — горение графитовых стержней.

Третья стадия (2—6 мая) — расплавле­ние ядерного топлива.

В период горения стержней темпера­тура внутри реактора не опускалась ниже 1500°С, а после 2 мая стала повышаться, приблизившись к 3000°С, что вызвало расплавление оставшегося ядерного топ­лива (цирконий, из которого изготавли­вают ТВЭЛы для всех типов реакторов, имеет температуру плавления 1852°С). Горение реактора (хотя и с меньшей си­лой) продолжалось до 10 мая.

Отечественные эксперты по атомной энергетике установили главную причи­ну аварии: взрыв на ЧАЭС стал резуль­татом инженерно-конструкторского де­фекта технической схемы водографитового реактора серии РБМК (Реактор Большой Мощности Кипящий). Реактор этого типа имеет борсодержащие стерж­ни-поглотители нейтронов с графитовы­ми цилиндрами-концевиками. При вы­воде стержней из реактора увеличивает­ся количество тепловых нейтронов (а именно на них работает реактор). По­этому в первый момент после нажатия кнопки аварийной остановки реактора происходит не снижение скорости реак­ции, а, наоборот, ее активация в нижней части устройства. Это и вызвало некон­тролируемый «разгон» реактора при ра­боте на запредельной мощности в мо­мент аварии. Конструкция реактора не могла обеспечить его остановку в этих условиях.

Для безаварийного функционирова­ния АЭС очень важен человеческий фак­тор. Именно он стал второй причиной аварии на ЧАЭС. Преступное пренебре­жение правилами работы и техникой безопасности, допущенное частью пер­сонала, сыграло свою пагубную роль.