§ 35. Ядерний цикл. Атомна енергетика України

Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

1. Ядерне паливо має багато переваг перед традиційним (газ, нафта, вугілля): енергетична ефективність ядерного палива вища в мільйони разів; для його спалювання не потрібен кисень; АЕС майже не випускають парникові гази. Але чому досі існують теплові електростанції? Чому частина країн, серед яких Італія, Австрія, Німеччина, Австралія, узагалі відмовилися від атомної енергії, а частина країн планують відмовитись? Яка ваша думка щодо цього питання?

Теплові електростанції продовжують працювати насамперед тому, що вони здатні швидко змінювати свою потужність під час пікових навантажень в енергосистемі, тоді як атомні реактори розраховані на тривалу безперервну роботу зі стабільною потужністю. Крім того, будівництво АЕС вимагає колосальних початкових коштів, а країни, багаті на власне вугілля чи газ, використовують дешевші для швидкого запуску ТЕС.

Відмова низки держав від ядерної енергетики зумовлена високими екологічними та техногенними ризиками, спогадами про катастрофи на Чорнобильській АЕС та «Фукусімі-1», а також надзвичайно складною і дорогою проблемою захоронення високорадіоактивних відходів на тисячі років. Ці країни роблять стратегічну ставку на розвиток відновлюваних джерел — сонячних, вітрових та гідроелектростанцій, тоді як для інших держав атомна енергія залишається надійним способом забезпечити незалежність від викопного палива та зменшити викиди парникових газів.

2. Поміркуйте над аргументами «за» і «проти» надання місць у сховищі відпрацьованого ядерного палива іншим країнам.

Головним аргументом «за» є економічна вигода, адже зберігання та переробка іноземного відпрацьованого палива приносять державі мільярдні валютні надходження, які можна спрямувати на розвиток вітчизняної енергетики й ліквідацію радіаційних наслідків. Оскільки територія Чорнобильської зони відчуження вже непридатна для життя людей на тривалий час і має створену інфраструктуру, такий підхід розглядається як раціональне використання відчужених земель.

Вагомими аргументами «проти» є високі ризики додаткового радіаційного забруднення країни, суттєва небезпека під час транспортування ядерних матеріалів територією України, а також покладання моральної та безпекової відповідальності за чужі ядерні відходи на майбутні покоління українців.

3. З обговорення на форумі: який допис, на вашу думку, є правильним? Складіть свій допис.

Серед висловлювань на форумі правильними є дописи третього та четвертого учасників. Третій учень цілком справедливо зауважив, що радіація — це не лише електромагнітні хвилі, адже існують корпускулярні випромінювання (потоки альфа-частинок, бета-частинок та нейтронів). Четвертий дописувач абсолютно точно пояснив, що уран не згорає повністю: із вигорянням урану-235 і накопиченням продуктів поділу ланцюгова реакція згасає через нестачу нейтронів, тому ТВЕЛ підлягає обов’язковій заміні задовго до повного розпаду речовини. Перший учасник помиляється, вважаючи, що можна спалити весь уран до стабільних елементів, а другий помилково ототожнює корпускулярну радіацію винятково з оптичним світлом.

Власний допис для форуму: «У реакторі підтримується керована ланцюгова реакція, для якої потрібна критична концентрація ядер урану-235. Коли паливо частково вигоряє, у ТВЕЛах накопичуються радіоактивні уламки, що поглинають нейтрони, тому реакція припиняється і паливо стає відпрацьованим. Таке паливо не можна просто розщепити до кінця чи безпечно викинути, його необхідно охолоджувати та надійно ізолювати у спеціальних підземних сховищах на сотні років».

4. Тож зараз людство опинилося перед дилемою: поступове вичерпання традиційних енергоносіїв нібито підштовхує до розвитку атомної енергетики, але водночас від жахливих аварій не застраховані навіть такі технологічно розвинені країни, як Японія. А яка ваша думка щодо цього питання? Поміркуйте над аргументами «за» і «проти».

Розвиток атомної енергетики є об’єктивною необхідністю сучасного перехідного етапу, оскільки запаси нафти, газу та вугілля вичерпуються, а спалювання органічного палива руйнує клімат викидами вуглекислого газу та шкідливого попелу. Атомні електростанції забезпечують стабільну базову потужність цілодобово за будь-якої погоди, що поки що не можуть гарантувати сонце чи вітер.

Водночас людство зобов’язане кардинально вдосконалювати системи безпеки, впроваджувати реактори нових поколінь із пасивним захистом, який спрацьовує фізично навіть за повної відмови електрики, та розробляти замкнений ядерний цикл із безпечною утилізацією відходів, паралельно готуючи глобальну енергетику до поступового переходу на чисті відновлювані джерела.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Перелічіть переваги й недоліки використання ядерного палива.

До головних переваг ядерного палива належать його колосальна енергоємність (один кілограм урану замінює тисячі тонн кам’яного вугілля), відсутність потреби в кисні для протікання реакції та відсутність викидів парникових газів і сажі в атмосферу за умов безаварійної роботи станції.

Основними недоліками є наявність високої небезпеки масштабних радіаційних катастроф під час технічних аварій чи стихійних лих, утворення небезпечних радіоактивних відходів, які вимагають сотень років надійного зберігання, а також величезна вартість будівництва нових енергоблоків і майбутнього виведення їх з експлуатації.

2. Якою є послідовність операцій ядерного циклу?

Ядерний цикл включає п’ять послідовних технологічних етапів: видобуток і первинне перероблення уранової руди, збагачення урану за вмістом подільного ізотопу уран-235, виготовлення паливних таблеток та тепловидільних елементів (ТВЕЛів), експлуатація ТВЕЛів у реакторах на атомних електростанціях і заключний етап — витримка, перероблення та тривала підземна утилізація відпрацьованих паливних елементів.

3. Назвіть атомні електростанції України.

В енергетичній системі України діють чотири атомні електростанції: Запорізька АЕС (6 енергоблоків — найпотужніша станція в Європі), Рівненська АЕС (4 енергоблоки), Південноукраїнська АЕС (3 енергоблоки) та Хмельницька АЕС (2 енергоблоки).

4. Що ви знаєте про Чорнобильську трагедію?

Чорнобильська катастрофа сталася 26 квітня 1986 року внаслідок вибуху 4-го енергоблока під час проведення експерименту в непередбаченому конструкцією режимі низької потужності, що призвело до неконтрольованої ланцюгової реакції та зруйнування активної зони.

У навколишнє середовище потрапила величезна кількість радіоактивних речовин, гасіння палаючого графіту тривало понад десять днів ціною життів героїчних пожежників та ліквідаторів, усе населення 30-кілометрової зони було назавжди евакуйовано, а над зруйнованим реактором звели захисний бетонний саркофаг, який пізніше накрили новим безпечним конфайhead-аркою.

ВПРАВА № 35

1. На Хмельницькій АЕС установлено реактори типу ВВЕР-1000 (електрична потужність — $1000\text{ МВт}$ ), теплова потужність кожного з яких $3000\text{ МВт}$ . Визначте ККД реакторів цього типу.

Дано:	Пошук математичної моделі, розв’язання
$P_{\text{ел}} = 1000\text{ МВт}$ $P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}$ Знайти: $\eta - ?$	Коефіцієнт корисної дії (ККД) реактора визначається як відношення корисної електричної потужності станції до повної виділеної теплової потужності реактора: $\eta = \dfrac{P_{\text{ел}}}{P_{\text{тепл}}} \cdot 100\%$

Остаточно одержуємо:
$\eta = \dfrac{P_{\text{ел}}}{P_{\text{тепл}}} \cdot 100\%$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[\eta] = \dfrac{\text{МВт}}{\text{МВт}} = 1\text{ (або \%)}$

Обчислення:
$\eta = \dfrac{1000}{3000} \cdot 100\% = \dfrac{1}{3} \cdot 100\% \approx 33{,}3\% \approx 33\%$

Відповідь: $\eta \approx 33\%$ .

Короткий запис

Дано:	Розв’язання:
$P_{\text{ел}} = 1000\text{ МВт}$ $P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}$ $\eta - ?$	$\eta = \dfrac{P_{\text{ел}}}{P_{\text{тепл}}} \cdot 100\%$ $\eta = \dfrac{1000}{3000} \cdot 100\% \approx 33\%$ Відповідь: $\eta \approx 33\%$

2. На двох блоках Рівненської АЕС установлено реактори типу ВВЕР-440 (електрична потужність — $440\text{ МВт}$ ), а ще на двох блоках — реактори типу ВВЕР-1000 (електрична потужність — $1000\text{ МВт}$ ). Скільки енергії (у $\text{кВт}\cdot\text{год}$ ) може виробити Рівненська АЕС за добу, працюючи на повну потужність?

Дано:	Пошук математичної моделі, розв’язання
$N_1 = 2$ $P_1 = 440\text{ МВт}$ $N_2 = 2$ $P_2 = 1000\text{ МВт}$ $t = 1\text{ доба}$ Знайти: $W - ?$	Загальна встановлена електрична потужність чотирьох блоків станції дорівнює сумі потужностей усіх блоків: $P_{\text{заг}} = N_1 \cdot P_1 + N_2 \cdot P_2$ Переведемо потужність у кіловати, а час у години: $P_{\text{заг}} = 2 \cdot 440\text{ МВт} + 2 \cdot 1000\text{ МВт} = 2880\text{ МВт} = 2{,}88 \cdot 10^6\text{ кВт}$ $t = 24\text{ год}$ Вироблена енергія визначається за формулою: $W = P_{\text{заг}} \cdot t$

Дано:

Пошук математичної моделі, розв’язання

N_1 = 2

P_1 = 440\text{ МВт}

N_2 = 2

P_2 = 1000\text{ МВт}

t = 1\text{ доба}

Знайти:

W - ?

Загальна встановлена електрична потужність чотирьох блоків станції дорівнює сумі потужностей усіх блоків:

P_{\text{заг}} = N_1 \cdot P_1 + N_2 \cdot P_2

Переведемо потужність у кіловати, а час у години:

P_{\text{заг}} = 2 \cdot 440\text{ МВт} + 2 \cdot 1000\text{ МВт} = 2880\text{ МВт} = 2{,}88 \cdot 10^6\text{ кВт}

t = 24\text{ год}

Вироблена енергія визначається за формулою:

W = P_{\text{заг}} \cdot t

Остаточно одержуємо:
$W = (N_1 \cdot P_1 + N_2 \cdot P_2) \cdot t$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[W] = \text{кВт} \cdot \text{год} = \text{кВт}\cdot\text{год}$

Обчислення:
$W = 2{,}88 \cdot 10^6 \cdot 24 = 69{,}12 \cdot 10^6\text{ кВт}\cdot\text{год} \approx 69 \cdot 10^6\text{ кВт}\cdot\text{год}$

Відповідь: $W \approx 69 \cdot 10^6\text{ кВт}\cdot\text{год}$ .

Короткий запис

Дано:	Розв’язання:
$N_1 = 2$ $P_1 = 440\text{ МВт}$ $N_2 = 2$ $P_2 = 1000\text{ МВт}$ $t = 1\text{ доба}$ $W - ?$	$P_{\text{заг}} = 2 \cdot 440 + 2 \cdot 1000 = 2880\text{ МВт} = 2{,}88 \cdot 10^6\text{ кВт}$ $t = 24\text{ год}$ $W = P_{\text{заг}} \cdot t$ $W = 2{,}88 \cdot 10^6 \cdot 24 \approx 69 \cdot 10^6\text{ кВт}\cdot\text{год}$ Відповідь: $W \approx 69 \cdot 10^6\text{ кВт}\cdot\text{год}$

3. Скільки енергії за добу виробляла Запорізька АЕС, якщо один її блок перебував на плановому ремонті, а решта працювали на повну потужність? Теплова потужність кожного реактора — $3000\text{ МВт}$ , ККД — $33{,}3\,\%$ .

Дано:	Пошук математичної моделі, розв’язання
$N_{\text{заг}} = 6$ $N_{\text{рем}} = 1$ $P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}$ $\eta = 33{,}3\,\%$ $t = 1\text{ доба}$ Знайти: $W - ?$	Кількість працюючих енергоблоків становить: $N = N_{\text{заг}} - N_{\text{рем}} = 6 - 1 = 5$ Переведемо фізичні величини в систему СІ: $P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт} = 3 \cdot 10^9\text{ Вт}$ $\eta = 33{,}3\,\% \approx \dfrac{1}{3}$ $t = 24\text{ год} = 24 \cdot 3600\text{ с} = 86\,400\text{ с}$ Корисна електрична потужність одного блоку: $P_{\text{ел}} = \eta \cdot P_{\text{тепл}}$ Енергія, вироблена всіма працюючими блоками: $W = N \cdot P_{\text{ел}} \cdot t = N \cdot \eta \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t$

Дано:

Пошук математичної моделі, розв’язання

N_{\text{заг}} = 6

N_{\text{рем}} = 1

P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}

\eta = 33{,}3\,\%

t = 1\text{ доба}

Знайти:

W - ?

Кількість працюючих енергоблоків становить:

N = N_{\text{заг}} - N_{\text{рем}} = 6 - 1 = 5

Переведемо фізичні величини в систему СІ:

P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт} = 3 \cdot 10^9\text{ Вт}

\eta = 33{,}3\,\% \approx \dfrac{1}{3}

t = 24\text{ год} = 24 \cdot 3600\text{ с} = 86\,400\text{ с}

Корисна електрична потужність одного блоку:

P_{\text{ел}} = \eta \cdot P_{\text{тепл}}

Енергія, вироблена всіма працюючими блоками:

W = N \cdot P_{\text{ел}} \cdot t = N \cdot \eta \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t

Остаточно одержуємо:
$W = N \cdot \eta \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[W] = 1 \cdot 1 \cdot \text{Вт} \cdot \text{с} = \text{Дж}$

Обчислення:
$W = 5 \cdot \dfrac{1}{3} \cdot 3 \cdot 10^9 \cdot 86\,400 = 5 \cdot 10^9 \cdot 86\,400 = 432\,000 \cdot 10^9\text{ Дж} = 432 \cdot 10^{12}\text{ Дж} = 432\text{ ТДж}$

Відповідь: $W = 432\text{ ТДж}$ .

Короткий запис

Дано:	Розв’язання:
$N = 5$ $P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}$ $\eta = 33{,}3\,\%$ $t = 1\text{ доба}$ $W - ?$	$P_{\text{тепл}} = 3 \cdot 10^9\text{ Вт}$ $\eta \approx \dfrac{1}{3}$ $t = 86\,400\text{ с}$ $W = N \cdot \eta \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t$ $W = 5 \cdot \dfrac{1}{3} \cdot 3 \cdot 10^9 \cdot 86\,400 = 432 \cdot 10^{12}\text{ Дж} = 432\text{ ТДж}$ Відповідь: $W = 432\text{ ТДж}$

4. Скільки кілограмів урану-235 щодоби спалюють реактори Південноукраїнської АЕС, якщо теплова потужність кожного реактора дорівнює $3000\text{ МВт}$ ? Під час поділу одного ядра урану-235 виділяється $3{,}2 \cdot 10^{-11}\text{ Дж}$ енергії, яка повністю передається теплоносію (воді).

Дано:	Пошук математичної моделі, розв’язання
$N = 3$ $P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}$ $E_0 = 3{,}2 \cdot 10^{-11}\text{ Дж}$ $t = 1\text{ доба}$ $M = 235\text{ г/моль}$ $N_{\text{A}} = 6{,}02 \cdot 10^{23}\text{ моль}^{-1}$ Знайти: $m - ?$	На Південноукраїнській АЕС діють $N = 3$ реактори. За добу вони виділяють сумарну теплову енергію: $Q = N \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t$ Переведемо фізичні величини в систему СІ: $P_{\text{тепл}} = 3 \cdot 10^9\text{ Вт}$ $t = 24 \cdot 3600\text{ с} = 86\,400\text{ с}$ $M = 235 \cdot 10^{-3}\text{ кг/моль}$ Кількість ядер, що мають поділитися: $N_{\text{ядер}} = \dfrac{Q}{E_0} = \dfrac{N \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t}{E_0}$ Маса урану пов’язана з числом ядер співвідношенням: $m = \dfrac{N_{\text{ядер}}}{N_{\text{A}}} \cdot M$

Дано:

Пошук математичної моделі, розв’язання

N = 3

P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}

E_0 = 3{,}2 \cdot 10^{-11}\text{ Дж}

t = 1\text{ доба}

M = 235\text{ г/моль}

N_{\text{A}} = 6{,}02 \cdot 10^{23}\text{ моль}^{-1}

Знайти:

m - ?

На Південноукраїнській АЕС діють

N = 3

реактори. За добу вони виділяють сумарну теплову енергію:

Q = N \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t

Переведемо фізичні величини в систему СІ:

P_{\text{тепл}} = 3 \cdot 10^9\text{ Вт}

t = 24 \cdot 3600\text{ с} = 86\,400\text{ с}

M = 235 \cdot 10^{-3}\text{ кг/моль}

Кількість ядер, що мають поділитися:

N_{\text{ядер}} = \dfrac{Q}{E_0} = \dfrac{N \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t}{E_0}

Маса урану пов’язана з числом ядер співвідношенням:

m = \dfrac{N_{\text{ядер}}}{N_{\text{A}}} \cdot M

Остаточно одержуємо:
$m = \dfrac{N \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t \cdot M}{E_0 \cdot N_{\text{A}}}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[m] = \dfrac{1 \cdot \text{Вт} \cdot \text{с} \cdot \text{кг/моль}}{\text{Дж} \cdot \text{моль}^{-1}} = \dfrac{\text{Дж} \cdot \text{кг}}{\text{Дж}} = \text{кг}$

Обчислення:
$Q = 3 \cdot 3 \cdot 10^9 \cdot 86\,400 = 7{,}776 \cdot 10^{14}\text{ Дж}$
$N_{\text{ядер}} = \dfrac{7{,}776 \cdot 10^{14}}{3{,}2 \cdot 10^{-11}} = 2{,}43 \cdot 10^{25}$
$m = \dfrac{2{,}43 \cdot 10^{25} \cdot 235 \cdot 10^{-3}}{6{,}02 \cdot 10^{23}} = \dfrac{5{,}7105 \cdot 10^{25} \cdot 10^{-3}}{6{,}02 \cdot 10^{23}} = \dfrac{571{,}05}{60{,}2} \approx 9{,}49\text{ кг} \approx 9{,}5\text{ кг}$

Відповідь: $m \approx 9{,}5\text{ кг}$ .

Короткий запис

Дано:	Розв’язання:
$N = 3$ $P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}$ $E_0 = 3{,}2 \cdot 10^{-11}\text{ Дж}$ $t = 1\text{ доба}$ $M = 235\text{ г/моль}$ $N_{\text{A}} = 6{,}02 \cdot 10^{23}\text{ моль}^{-1}$ $m - ?$	$P_{\text{тепл}} = 3 \cdot 10^9\text{ Вт}$ $t = 86\,400\text{ с}$ $M = 0{,}235\text{ кг/моль}$ $Q = N \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t$ $N_{\text{ядер}} = \dfrac{Q}{E_0}$ $m = \dfrac{N_{\text{ядер}}}{N_{\text{A}}} \cdot M$ $Q = 3 \cdot 3 \cdot 10^9 \cdot 86\,400 = 7{,}776 \cdot 10^{14}\text{ Дж}$ $N_{\text{ядер}} = \dfrac{7{,}776 \cdot 10^{14}}{3{,}2 \cdot 10^{-11}} = 2{,}43 \cdot 10^{25}$ $m = \dfrac{2{,}43 \cdot 10^{25} \cdot 0{,}235}{6{,}02 \cdot 10^{23}} \approx 9{,}5\text{ кг}$ Відповідь: $m \approx 9{,}5\text{ кг}$

Дано:

Розв’язання:

N = 3

P_{\text{тепл}} = 3000\text{ МВт}

E_0 = 3{,}2 \cdot 10^{-11}\text{ Дж}

t = 1\text{ доба}

M = 235\text{ г/моль}

N_{\text{A}} = 6{,}02 \cdot 10^{23}\text{ моль}^{-1}

m - ?

P_{\text{тепл}} = 3 \cdot 10^9\text{ Вт}

t = 86\,400\text{ с}

M = 0{,}235\text{ кг/моль}

Q = N \cdot P_{\text{тепл}} \cdot t

N_{\text{ядер}} = \dfrac{Q}{E_0}

m = \dfrac{N_{\text{ядер}}}{N_{\text{A}}} \cdot M

Q = 3 \cdot 3 \cdot 10^9 \cdot 86\,400 = 7{,}776 \cdot 10^{14}\text{ Дж}

N_{\text{ядер}} = \dfrac{7{,}776 \cdot 10^{14}}{3{,}2 \cdot 10^{-11}} = 2{,}43 \cdot 10^{25}

m = \dfrac{2{,}43 \cdot 10^{25} \cdot 0{,}235}{6{,}02 \cdot 10^{23}} \approx 9{,}5\text{ кг}

Відповідь:

m \approx 9{,}5\text{ кг}

5. Дізнайтеся про перспективи розвитку атомної енергетики України.

Стратегічний розвиток вітчизняної атомної енергетики орієнтований на повну інтеграцію в європейський енергопростір та досягнення абсолютної незалежності у паливному секторі. Головним напрямком є співпраця з провідними світовими лідерами, зокрема американською компанією Westinghouse, паливо якої успішно замінило російські збірки на всіх діючих блоках українських АЕС. Крім того, на Хмельницькій АЕС розпочато підготовчі роботи для будівництва нових енергоблоків за найсучаснішою американською технологією реакторів покоління III+ (АР1000).

Іншим перспективним напрямом є розвиток концепції малих модульних реакторів (ММР), які вирізняються підвищеним рівнем внутрішньої пасивної безпеки, вимагають значно менших капіталовкладень та можуть розміщуватися близько до великих міст і промислових вузлів замість зруйнованих вугільних ТЕС. Україна також розбудовує власний повний цикл зберігання відпрацьованого палива в Чорнобильській зоні (ЦСВЯП), що заощаджує сотні мільйонів доларів щороку та гарантує довгострокову енергетичну стійкість нашої держави.

§ 35. Ядерний цикл. Атомна енергетика України

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

ВПРАВА № 35

Оцініть матеріал

Коментарі

Залишити відповідь: