Проблемы ядерной энергетики: воздействие АЭС на окружающую среду

Сильные и слабые стороны ядерной энергетики

Как заявляют политические предприниматели и их сторонники, проблемы ядерной энергетики имеют свою долю сильных и слабых сторон.
Сторонники обычно подчеркивают фундаментальные преимущества ядерной энергии перед другими источниками.

Сильные стороны: это относительно дешевый источник энергии с высокой плотностью и высокой нагрузкой, который вырабатывает электроэнергию 24 часа в сутки с минимальными выбросами парниковых газов, без загрязнения воздуха и использует импортное урановое топливо из разных стран со стабильной демократией.

Слабые стороны: критики часто указывают на внутренние затраты, такие как ядерное топливо, опасность удаления ядерных отходов, рост затрат на компенсацию семьям, перемещенным в результате ядерных кризисов (реальных и предполагаемых), предполагаемые риски для здоровья от воздействия радиации, проблемы безопасности, связанные с потенциальными продуктами питания радиационные поставки, терроризм, а иногда и безопасность, связанная с разработкой ядерного оружия.

Проблемы ядерной энергии проявляются в сфере массового восприятия позиционирования, лицензирования и строительства станций, во многом зависящих от макроэкономической среды и изображений в СМИ, содержащихся в каждой стране.

В 1970-е годы борьба за строительство атомных электростанций была ослаблена ростом цен на нефть, ростом инфляции, замедлением роста ВВП и запоздалыми усилиями по управлению спросом после нефтяного шока 1973-74 годов, которые снизили спрос на энергию и потребность в ней быстрое строительство атомных электростанций.

Кроме того, громоздкие правила, разработанные для защиты населения от аварий, в сочетании с нехваткой высококвалифицированной рабочей силы для выполнения строительства привели к дополнительным расходам и задержкам, которые только усугублялись сообщениями о ядерных авариях во всем мире. Это привело к все более негативному имиджу ядерной энергетики в различных политических и финансовых структурах

Однако возникает вопрос: зависит ли будущее развития ядерной энергетики от развивающихся, быстрорастущих полуавторитарных режимов, доминирующих в медиа-имидже ядерной энергетики?

450 ядерных реакторов находятся в эксплуатации в 31 стране мира, а 72 новых электростанции строятся в 15 странах.

Ядерная авария на японской атомной электростанции Фукусима после землетрясения 11 марта 2011 года, возможно, оказала значительное влияние на принятие политических решений в нескольких высокоразвитых европейских странах, но ее последствия для остального мира в будущем, с неопределенным вопросом о самой Японии выглядит довольно скромно.
Почему? Частично это связано с той же причиной, которая препятствовала развитию атомной отрасли в 1970-е годы: темпами экономического роста.

Мифы ториевой энергетики

Начнем с самого простого. Торий — это ядерный яд. То есть сам по себе он не может инициировать цепную реакцию: торий в реакторе нуждается в элементе-инициаторе. Таковым может служить только уран, в основном изотоп уран-235 или плутоний-239.

Следовательно, уже в рамках конструкции реактора потребуются урановые сборки. Отказаться от обогащения и добычи урана не удастся. Однако его количество будет в 3-10 раз меньше, чем у традиционных АЭС. Это означает, что нынешний уровень потребления урана — более 65 килотонн в год может быть резко снижен.

Второй важный момент — проблема повторного использования отработанного ядерного топлива, которого накопилось много. Ториевому реактору просто не нужно столько урана и плутония. Получается, палка о двух концах: да, мы снизим потребление урана и плутония, но мы не можем отказаться от их обработки и захоронения ядерных отходов. Это отдельная проблема, которая не решается в рамках нового направления ядерной энергетики.

Третий фактор связан с запасами тория. Дело в том, что торий добывают из монацита, минерала с содержанием фосфата тория 6-7%. Монацит содержится в магматических и других породах, но его самые высокие концентрации обнаруживаются в россыпных месторождениях, где сосредоточены другие тяжелые минералы. То есть без промышленной добычи редкоземельных элементов производство тория сейчас нерентабельно. Добывать уран экономически выгоднее.

Следовательно, ториевые реакторы не имеют экономического преимущества перед традиционными атомными электростанциями. Единственная страна, где это не работает, — Индия. В стране большие запасы тория, и перевод местных атомных электростанций на торий может быть прибыльным. Кроме того, Индия испытывает настоящий голод энергии. И по мере того, как страна превращается из аграрной в городскую, будет требоваться все больше и больше энергии. Но усовершенствованный тяжеловодный реактор (AHWR) индийского производства, работающий на торий-урановой и торий-плутониевой сборках, еще не закончен.

Другая проблема заключается в том, что ториевый реактор представляет собой высококоррозионную среду. Также в результате реакции в нем образуется изотоп урана-232. Продукты его распада, висмут-212 и таллий-208, характеризуются гамма-лучами, которые трудно экранировать. Следовательно, уровень безопасности и защиты персонала и электроники ториевых реакторов теоретически должен быть выше, чем у традиционной атомной электростанции.

Однако эти теоретические расчеты можно проверить только на действующих ториевых реакторах различных моделей. И их пока не так много. Вся надежда на китайский завод и на то, что данные о его работе не будут засекречены.

Россия тоже пытается не отставать от ториевого клуба. В ближайшие 15-20 лет планируется использовать торий в существующих реакторах ВВЭР и БН. А затем в планируемых реакторах Супер-ВВЭР, в которых значительная часть отработавшего ядерного топлива будет использоваться для производства новых.

Остается вопрос с отходами ториевых реакторов. Согласно исследованию Министерства энергетики США в 2014 году, отходы торий-уранового цикла имеют такую ​​же 100-летнюю радиоактивность, что и уран-плутониевые топливные циклы, и более высокую радиоактивность в течение 100000 лет. Кроме того, если мы знаем, как работать с отходами уран-плутониевых циклов, то у нас нет опыта работы с отходами ториевых реакторов.

При всем позитивном отношении автора этих строк к новым технологиям в области атомной энергетики, чтобы сказать, что торий — это светлое будущее этой области, потребуется еще как минимум 10 лет, а сейчас появилось больше мифов, маркетинга и попыток. Поиск инвесторов для проектов, которые вообще не нужны, будет экономически и экологически более выгодным, чем повышение безопасности и технологичности уже используемых ядерных технологий.

Самые опасные последствия эксплуатации атомных электростанций

По мнению ученых, одним из самых страшных видов негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека является мощная энергия, вырабатываемая атомными электростанциями. Потенциальные опасности, которые могут быть вызваны работой станции, требуют адекватной оценки для предотвращения аварийных ситуаций с серьезными последствиями для биосферы и жизни человека.

Крупномасштабными техногенными катастрофами стали взрывы на Чернобыльской АЭС в Украине и на Фукусиме-1 в Японии. Экология этих территорий сильно пострадала, и процесс восстановления займет много времени.

Захоронение отходов

Ученые не нашли безопасного способа утилизации отработавшего ядерного топлива, которое может быть опаснее атомной бомбы. Единственный относительно приемлемый вариант управления этим — долговременное хранение.

Утилизация отработавшего ядерного топлива — проблема, которая беспокоит все государства, на территории которых действуют атомные станции. Постоянно увеличивающиеся объемы отходов атомных электростанций представляют потенциальную угрозу глобальной экологической безопасности.

Влияние темпов экономического роста

Такие страны, как Китай, Саудовская Аравия, Вьетнам и Эмираты, взяли на себя обязательство построить ядерные реакторы.

В то время как Соединенные Штаты пережили экономический спад, который привел к сокращению спроса на электроэнергию и необходимости строительства дорогостоящих сооружений, в этих странах наблюдаются значительные темпы роста, которые еще больше стимулируют спрос на электроэнергию. Конечно, многие страны, не имеющие ядерного потенциала, могут в значительной степени не знать о проблемах и затратах, связанных с созданием, эксплуатацией и соблюдением глобальных стандартов безопасности.

Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) прогнозирует ядерную энергию до 2035 года в различных сценариях государственной политики. Их анализ разумен, хотя и несколько вводит в заблуждение. Без дальнейшего строительства к 2050 году атомная энергетика может значительно упасть.

Если ядерная отрасль сохранит свою долю рынка в 11%, к 2050 году потребуется строительство новых атомных электростанций, чтобы удовлетворить растущий спрос на электроэнергию и заменить выведенные из эксплуатации атомные электростанции.

Как местные сообщества в этих странах отреагируют на такой шаг — вопрос открытый.

Последствия эксплуатации АЭС

Несмотря на то, что сама атомная энергия экологически чиста и без нее невозможно представить мировую энергетическую систему, нельзя исключать образование радиоактивных отходов при эксплуатации атомной электростанции.

Ядерный реактор мощностью 1000 МВт за 1 год эксплуатации может выбросить на захоронение 60 тонн отходов. Процедура сложная и дорогая.

Можно указать несколько общих последствий эксплуатации атомной электростанции:

• в тех местах, где добывается минерал, происходит разрушение экологической системы;
• тысячи гектаров территории страны конфискованы для строительства станций и их инфраструктуры;
• при эксплуатации АЭС используется большое количество природной воды;
• происходит радиоактивное загрязнение атмосферы и почвы.

Безопасность

Конечно, не все опасения, связанные с ядерной энергетикой, неразумны. Выше было показано, что правильно функционирующая атомная электростанция более экологична, чем тепловая, но ключевые слова здесь — «правильно функционирующая». Сегодня 40% стоимости строительства АЭС уходит на системы безопасности. Чернобыльская катастрофа, произошедшая более тридцати лет назад, стала возможностью сделать грамотные выводы. После аварии на всех станциях были проведены дополнительные исследования возможных аварийных ситуаций и способов их преодоления.

При нынешних темпах технологического развития тридцать лет — это целая эпоха, а то и несколько. Теперь апеллировать к этой долгой истории — все равно что говорить о крушении первого фанерного самолета в условиях безопасности современных международных рейсов. События 2011 года на станции Фукусима-1 также оказали большое влияние на конструкцию энергоблоков. Многие правила называются правилами постфукусимы. Штатные системы безопасности обеспечивают работу станции во всех мыслимых и немыслимых режимах, в том числе и в нештатных.

Меры ядерной безопасности — это действительно обширная и очень интересная тема, здесь мы можем привести лишь несколько примеров того, как современные атомные электростанции становятся более надежными, чем их предшественники.

В случае острой необходимости остановить цепную реакцию ядерные устройства оснащаются специальными стержнями с борсодержащим веществом — поглотителем нейтронов. В критической ситуации стержни вводятся в активную зону и реакция прекращается. На старых станциях их вводили снизу с помощью электрического механизма. В случае внезапного отключения электроэнергии механизм вставки абсорбирующего стержня может не сработать.

Намного надежнее другое конструктивное решение, когда-то предложенное российскими специалистами. Стержни с поглотителем подвешены на реакторе и удерживаются электромагнитами. В случае внезапного отключения электроэнергии электромагниты отключатся, и стержни войдут в активную зону просто под действием силы тяжести. Такая система защиты, не требующая дополнительных команд персонала, называется пассивной, и стержни с амортизатором, подвешенным на магнитах, являются лишь одним из ее элементов.

Активная зона реактора RMBC предназначена для формирования естественной отрицательной обратной связи. Если поток нейтронов увеличивается, температура в реакторе увеличивается, а паросодержание увеличивается. Но такое же увеличение содержания пара в активной зоне приводит к ускоренному поглощению нейтронов и завершению цепной реакции.

На всех действующих станциях в России есть несколько систем, которые включаются одна за другой в случае отключения электроэнергии, что полностью исключает возможность такого развития событий, которые произошли в Японии.

В реакторе с водой под давлением (одной из разновидностей которого является российский ВВЭР) вода не кипит, а место паросодержания занимает другой показатель — температурный коэффициент реактивности по температуре теплоносителя. Но работает так же. Увеличение потока нейтронов увеличивает коэффициент, что автоматически приводит к поглощению ускоренных нейтронов. Эти реакторы на сегодняшний день являются самыми популярными в мире из-за их высокой надежности. В совокупности они имеют более 1400 лет абсолютно безотказной работы.

Функционирование станций регулярно проверяется национальными и международными организациями. Для облегчения мониторинга была установлена ​​международная шкала INES, которая разделяет аварии на АЭС по степени тревожности на семь уровней. Первый уровень — аномалия, второй — авария, третий — серьезная авария, четвертый — авария с локальными последствиями, пятый — авария с широко распространенными последствиями, шестой — серьезная авария, седьмой — авария серьезная авария.

Также существует уровень 0, отклонение от неядерной безопасности и радиация, авария, при которой не нарушаются пределы и условия эксплуатации, а контроль осуществляется в соответствии с надлежащими процедурами. «Аномалия» (Уровень 1) — происшествие с отклонением от допустимого режима работы, но без существенных нарушений техники безопасности, значительного распространения радиоактивного загрязнения или чрезмерного облучения работников.

Это может быть связано с отказом оборудования, человеческой ошибкой или несоблюдением рабочих процедур. Также по мере увеличения тяжести последствий уровень повышается. Критерии включены в специальные таблицы. С 1998 г нарушений выше первого уровня на российских АЭС не зафиксировано.

Токамак, или как запрячь энергию Солнца

Человечество ломало голову над тем, как получить термоядерный реактор с середины 20 века. Речь идет о физике процесса. В отличие от ядерных реакторов, где энергия выделяется за счет деления активной зоны тяжелых элементов, в термоядерных реакторах энергия получается за счет образования элементов тяжелее легких.

Для этого дейтерий и тритий бросают в термоядерный реактор и нагревают до температуры выше 150 миллионов градусов по Цельсию. Газ превращается в плазму, которая удерживается мощными магнитами в тепловом контуре реактора.

Проблемы с утилизацией отходов решаются сразу, нет необходимости развивать промышленность по обогащению и добыче урана. Топливом должны служить тяжелые изотопы водорода — тритий и дейтерий, а также гелий-3 и бор. Резко снижается нагрузка на окружающую среду на планете. Теоретически АЭС должны быть во много раз эффективнее АЭС, чище и безопаснее. Вопрос небольшой: создать АЭС и получать дешевую энергию. И здесь мы столкнулись с проблемами.

Температура плазмы в токамаках достигает десятков миллионов градусов Цельсия. Например, в китайском токамаке EAST плазма нагрелась до 100 миллионов градусов. Это в 8 раз выше, чем центр Солнца.

Второй момент: для управления термоядерным синтезом необходимо научиться удерживать плазму. Китайцам удалось это сделать за 101 секунду. Корейцы в токамаке KSTAR в 2020 году держали ионы, нагретые до 100 миллионов градусов, в течение 20 секунд. Это рекордные цифры. Но для правильной работы реактора плазма должна удерживаться несколько минут или дольше. Пока человечество далеко от таких достижений.

Следующая проблема — это тип самого термоядерного реактора. Наибольшей популярностью сегодня пользуется токамак тороидальной («бубликовой») конструкции. Плазма удерживается внутри сверхсильными магнитами, не касаясь стенок реактора. Это сделано как для безопасности — иначе плазма просто сожжет все, что может достичь, — так и для того, чтобы в ионизированном газе не было примесей.

Это условие устанавливает определенный уровень качества при изготовлении материалов. Он должен быть выше, чем у атомных электростанций, многие из которых уже контролируются промышленностью. Например, для международного термоядерного реактора ITER, который сейчас находится на завершающей стадии сборки структур, сверхмощные магнитные катушки, содержащие плазму, являются уникальными продуктами.

KSTAR — вид изнутри.

То есть уже на этапе создания опытных образцов термоядерные реакторы оказываются сложными и дорогостоящими объектами. Оценка международного проекта ИТЭР уже превысила первоначальную оценку в три раза: с 6 миллиардов евро до 18-22 миллиардов. По пессимистическим прогнозам, реактор фактически будет стоить 45-65 миллиардов долларов. И это для завода мощностью 0,5 ГВт. Для сравнения: стоимость строительства турецкой АЭС «Аккую» мощностью 4,8 ГВт составляет примерно 20 миллиардов долларов. Термоядерный реактор не построен и уже в несколько раз менее эффективен, чем атомная электростанция. И это без учета времени, необходимого для строительства ИТЭР, которое прерывалось несколько раз. Теперь запуск намечен на конец 2025 года, если сроки не переносятся. В данном случае речь идет об испытательных установках, на которых ученые и инженеры фактически научатся управлять термоядерными процессами. Однако у нас есть вариант сферического токамака от Tokamak Energy. Он меньше по размеру, если его испытания в 2022 году пройдут успешно, мы будем на шаг ближе к небольшому термоядерному реактору.

В России решили пойти своим путем и создать гибрид ядерных и термоядерных реакторов. Плазма вместо урана будет служить источником ионов, которые будут бомбардировать ядерное топливо — торий. Итак, у нас есть два в одном: торий-термоядерный.

Но путь к коммерческому внедрению еще долог, первые образцы мы получим в лучшем случае лет через 20, а то и все 50. Если не будет технологического прорыва.

Топливо для звезды

А вот с топливом для термоядерных реакторов нам повезло. Дейтерий содержится в океанской воде в больших количествах: в каждом кубическом метре 33 грамма. Его нужно будет очистить, чтобы растения с тяжелой водой остались. Производство дейтерия в настоящее время дешево, порядка 1 доллара за грамм. Тритий дороже. По оценке американских военных, производство 1 грамма в 2017 году обошлось в 110-170 долларов. По официальным данным, реакторам ИТЭР потребуется 125 кг трития и 125 кг дейтерия. Это очень маленькие объемы, которые в сотни тысяч, в десятки миллионов раз меньше, чем те, которые нужны для угольных или газовых заводов.

Более того, мы сейчас говорим об оптимизации и сокращении даже такого объема. Кроме того, тритий теоретически можно было производить в самом реакторе ИТЭР. Это еще больше снизит потребность в стороннем производстве.

У реактора ИТЭР есть свой канал на Youtube, на котором можно следить за ходом работ:

Оказывается, хотя получение электричества с помощью термоядерного реактора сейчас во многом фантастика, в области топлива, экологичности и безопасности все намного лучше, чем с ториевыми АЭС. Смущает только время реализации — 30-50 лет. У нас это есть? И не лучше ли сосредоточиться на решении тех проблем, которые у всех на уме: адаптация к экстремальным погодным условиям, сокращение добычи углеводородов, охрана природы, переработка и повторное использование отходов ресурсов и, наконец, восстановление разрушенных или разрушаемых экологических ландшафтов?

Ответ в том, что эти меры необходимо сочетать. Поскольку на энергию приходится 73% выбросов углерода в атмосферу, замена угольных электростанций реакторами на расплаве соли в течение 10-20 лет радикально снизит выбросы и высвободит средства для реализации стратегий адаптации к изменениям климата. Если в этот период удастся запустить производство термоядерной энергии, человечество попадет в цель, что даст реальную надежду на выход из экологического кризиса.

Способы улучшения ситуации

Для решения проблем ядерной энергетики ученые предлагают следующие методы:

1. Постоянно модернизируйте и улучшайте качество оборудования, используемого при эксплуатации АЭС. В этом случае нужно использовать все новейшие исследования и разработки.
2. Непосредственно на атомную энергетику для дублирования наиболее уязвимых систем, повреждение которых может привести к техногенной катастрофе.
3. Ставить высокие требования к персоналу АЭС, постоянно повышать квалификацию специалистов.
4. Правильно организовать и всегда следить за защитой окружающей среды от вредного излучения.
5. Ищите новые способы обращения с ядерными отходами, чтобы они не создавали опасного для биосферы загрязнения воздуха и почвы.

Ученые считают, что решение о захоронении ядерных отходов на севере может снизить нагрузку на густонаселенные районы. В условиях вечной мерзлоты радиоактивные элементы не причинят вреда человечеству.

Оборудование АЭС постоянно модернизируется и совершенствуется.

Основные экологические проблемы атомных электростанций кратко

Современные энергоустановки строятся с учетом минимизации всех возможных рисков, но, несмотря на все меры предосторожности, экологическая ситуация значительно ухудшается из-за следующих факторов:

• различные виды излучения: альфа, бета, гамма; нейроны и рентгеновские лучи;
• химическое загрязнение территории, прилегающей к станции: особенно опасны радионуклиды и нерадиоактивные изотопы;
• вредное тепловое излучение от систем охлаждения;
• механические напряжения.

Эксплуатация атомной электростанции для человеческого организма очень опасна из-за гамма-излучения, которое способствует возникновению серьезных генетических заболеваний, серьезных заболеваний и, в особо тяжелых случаях, смерти.

Читайте также: Переработка полиэтилена в гранулы: методы утилизации отходов