§ 34. ДОСЛІДЖУЄМО ВИКОРИСТАННЯ ЯДЕРНОЇ ЕНЕРГІЇ

• Назад до змісту довідника

ПОМІРКУЙТЕ

Чому у світі існують енергетичні проблеми? Невже не достатньо ядерної енергії, щоб подолати кризи?

Енергетичні проблеми виникають через швидке вичерпання запасів викопного палива (вугілля, нафти, газу), нерівномірний розподіл цих ресурсів між країнами та стрімке зростання споживання електроенергії промисловістю й побутом. Хоча ядерної енергії потенційно достатньо для задоволення потреб людства, її розвиток стримують висока вартість будівництва АЕС, складність переробки та безпечного захоронення радіоактивних відходів, а також суворі вимоги до безпеки через ризик масштабних радіаційних катастроф.

ДОСЛІДЖУЙ

• Проаналізуй приблизний розподіл світового виробництва електроенергії за типами електричних станцій: стаціонарні теплові електростанції (ТЕС) — ~61 %; гідроелектростанції (ГЕС) — ~14 %; атомні електростанції (АЕС) — ~9 %; відновлювані (сонце, вітер, біоенергія тощо) — ~13–14 %. Висунь гіпотези, чому кількість атомних станцій набагато менша, ніж теплових чи гідроелектростанцій.

Більшість електроенергії у світі виробляють теплові станції, адже технології спалювання органічного палива є звичними, доступними та дешевшими під час початкового будівництва. Кількість атомних станцій значно менша через кілька важливих чинників:

• проектування, спорудження та введення АЕС в експлуатацію потребують колосальних капіталовкладень і тривають понад $5\text{–}10$ років;
• до вибору будівельного майданчика висувають жорсткі вимоги щодо сейсмостійкості, наявності водних ресурсів та віддаленості від населених пунктів;
• після аварій на Чорнобильській АЕС та АЕС «Фукусіма-1» у суспільстві виник значний супротив атомній енергетиці, і деякі держави закрили власні ядерні програми;
• залишається технологічно складною і дорогою проблема остаточного захоронення довгоживучих радіоактивних відходів.

• Знайди інформацію про переваги та недоліки атомної енергетики.

Переваги атомної енергетики:

• відсутність викидів парникових газів, сажі та кіптяви в атмосферу під час вироблення електрики;
• надзвичайно висока концентрація енергії в ядерному паливі (поділ 1 г Урану дає стільки ж тепла, скільки спалювання приблизно $2{,}8\text{ т}$ вугілля);
• тривалий термін роботи на одному завантаженні палива (від 1 до 3 років без зупинки);
• мала залежність вартості виробленого кіловата від коливань світових цін на уранову руду.

Недоліки атомної енергетики:

• ризик важких аварій із руйнуванням активної зони та забрудненням великих територій радіонуклідами;
• необхідність тривалого й технологічно складного зберігання відпрацьованого ядерного палива, яке залишається радіоактивним тисячі років;
• дуже висока вартість виведення енергоблоків з експлуатації після завершення терміну їхньої служби;
• термальне забруднення водойм водою охолоджувальних систем.

• Які технології або рішення могли б зробити атомну енергетику безпечнішою та доступнішою?

Зробити атомну галузь безпечнішою й доступнішою дозволяють такі сучасні рішення:

• перехід на реактори покоління IV з пасивними системами безпеки, які здатні заглушити ланцюгову реакцію й охолодити реактор самопливом без електрики та дій персоналу;
• малі модульні реактори (ММР), які мають меншу потужність, виготовляються цілісними блоками на заводах і потребують набагато менших інвестицій;
• перехід на торієвий паливний цикл, що унеможливлює розгін реактора та залишає значно менше довгоживучих радіоактивних відходів;
• використання реакторів на швидких нейтронах, які здатні замикати ядерний цикл і спалювати небезпечні продукти поділу як паливо.

ДУМАЙ

1. Чим відрізняються керовані й некеровані ядерні реакції?

У керованій ядерній реакції коефіцієнт розмноження нейтронів підтримують рівним одиниці ($k = 1$). Кількість поділів ядер тримають під постійним контролем за допомогою регулюючих стрижнів із поглиначів нейтронів, тому енергія виділяється стабільно протягом тривалого часу (так працює енергетичний реактор на АЕС). У некерованій реакції коефіцієнт $k > 1$, кількість поділів ядер лавиноподібно зростає за мільйонні частки секунди, що призводить до миттєвого вивільнення енергії та руйнівного вибуху (так спрацьовує атомна бомба).

2. Як виробляють електроенергію на атомній електростанції?

В активній зоні ядерного реактора внаслідок ланцюгового поділу ядер Урану виділяється тепло. Вода першого радіоактивного контуру під великим тиском прокачується крізь активну зону, нагрівається понад $300\text{ }^\circ\text{C}$ і надходить до парогенератора. У парогенераторі тепло першого контуру передається воді другого нерадіоактивного контуру, яка перетворюється на пару високого тиску. Ця пара надходить на лопаті парової турбіни та змушує її обертатися. Турбіна рухає вал електрогенератора, який і виробляє змінний електричний струм.

3. У чому принципова відмінність між атомними й тепловими електростанціями? Які переваги й недоліки атомних електростанцій?

Принципова відмінність полягає у джерелі тепла для утворення пари. На ТЕС воду нагрівають хімічним спалюванням викопного органічного палива (вугілля, мазуту, газу), а на АЕС тепло виділяється під час ядерного поділу важких ядер Урану або Плутонію.

Переваги АЕС над ТЕС:

• екологічна чистота повітря: відсутність викидів вуглекислого газу, оксидів азоту й сірки, а також сажі;
• колосальна теплотворна здатність уранового палива за малого об’єму;
• відсутність потреби в щоденному підвезенні сотень вагонів палива.

Недоліки АЕС порівняно з ТЕС:

• потреба в надійній ізоляції та сховищах для радіоактивних відходів;
• небезпека радіаційних катастроф у разі важких позаштатних ситуацій;
• висока вартість будівництва та подальшого демонтажу енергоблоків.

4. Під час вибухів атомних бомб у серпні 1945 року — 6 серпня над Хіросімою («Little Boy», уранова бомба) і 9 серпня над Наґасакі («Fat Man», плутонієва бомба) — у навколишнє середовище було викинуто велику кількість радіоактивних елементів, які утворилися в результаті ланцюгової реакції поділу ядер Урану-235 та Плутонію-239 (Цезій-137, Стронцій-90, Йод-131, Барій-140, Рутеній-106, Цирконій-95, Криптон-85, Ксенон-133, Уран-235, Плутоній-239, Нептуній-239, Америцій-241, Телур-132, Йод-133, Лантан-140). Які з них становили небезпеку тільки в перші години після вибуху, а які можуть загрожувати життю людей і зараз?

Небезпеку тільки в перші години та дні після вибуху становили короткоживучі радіоактивні ізотопи, періоди напіврозпаду яких вимірюються годинами або днями. До них належать Йод-133 ($T_{1/2} \approx 20{,}8\text{ год}$), Лантан-140 ($T_{1/2} \approx 40\text{ год}$), Нептуній-239 ($T_{1/2} \approx 2{,}35\text{ доби}$), Телур-132 ($T_{1/2} \approx 3{,}25\text{ доби}$), Ксенон-133 ($T_{1/2} \approx 5{,}2\text{ доби}$), Йод-131 ($T_{1/2} \approx 8\text{ діб}$), Барій-140 ($T_{1/2} \approx 12{,}7\text{ доби}$) та Цирконій-95 ($T_{1/2} \approx 64\text{ доби}$). Вони дали максимальну дозу радіації в момент удару та незабаром повністю розпалися.

Загрожувати життю та здоров’ю людей і зараз продовжують довгоживучі ізотопи, період напіврозпаду яких вимірюється десятками, тисячами й мільйонами років:

• Цезій-137 ($T_{1/2} \approx 30\text{ років}$) і Стронцій-90 ($T_{1/2} \approx 28{,}8\text{ років}$), які за 80 років розпалися лише частково й продовжують забруднювати ґрунти та воду;
• Америцій-241 ($T_{1/2} \approx 432\text{ роки}$);
• Плутоній-239 ($T_{1/2} \approx 24\,100\text{ років}$);
• Уран-235 ($T_{1/2} \approx 704\text{ млн років}$).

5. Що розуміють під екологічними проблемами атомної енергетики?

Під екологічними проблемами атомної енергетики розуміють:

• накопичення, транспортування та надійну довготривалу ізоляцію відпрацьованого ядерного палива й радіоактивних відходів;
• ризик радіоактивного зараження природного середовища внаслідок можливих аварій на станціях;
• скидання теплої води третього контуру в природні водойми, що спричиняє теплове забруднення річок та озер і порушує життєдіяльність водної фауни;
• екологічний вплив урановидобувної та переробної промисловості, пов’язаний із відвалами руди та утворенням радону.

ДІЙ. ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Досліди карти сейсмічної активності, водних ресурсів, щільності населення, клімату, екосистем.

• Сейсмічна активність: більша частина центральних і північних областей України розташована в межах стійкого Українського кристалічного щита, де сейсмічність становить до 5–6 балів за шкалою MSK-64, тому ці території є безпечними для спорудження міцних споруд реакторних блоків.
• Водні ресурси: робота АЕС вимагає постійного відведення тепла від конденсаторів турбін, тому енергоблоки розташовують біля великих річок (Дніпро, Південний Буг, Стир) або споруджують спеціальні штучні наливні ставки-охолоджувачі.
• Щільність населення: майданчики АЕС проектують на значній відстані від міст-мільйонників та густих агломерацій для забезпечення санітарно-захисної зони радіусом щонайменше 2–3 км та зручності контролю безпеки.
• Клімат та екосистеми: важливо аналізувати переважаючі вітри (розу вітрів) та не допускати прямого зливу гарячої технологічної води в дрібні річки, щоб уникнути цвітіння води й загибелі риби.

2. Опиши, яку типову конструкцію реактора (наприклад, водо-водяний енергетичний реактор ВВЕР) обереш, і чому.

Для будівництва доцільно обрати водо-водяний енергетичний реактор корпусного типу (ВВЕР). Це найбільш випробувана і надійна технологія, на якій працюють усі діючі атомні блоки України. У ВВЕР звичайна знесолена вода слугує одночасно теплоносієм і сповільнювачем нейтронів. Реактор має надійну двоконтурну схему: перший радіоактивний контур повністю замкнений усередині герметичної оболонки реакторного відділення, тому на турбіну надходить чиста нерадіоактивна пара другого контуру. Важливою перевагою ВВЕР є його внутрішня саморегуляція: якщо вода в реакторі википить або перегріється, реакція поділу автоматично припиняється через брак уповільнювача нейтронів.

3. Визнач, як АЕС впливатиме на повітря, воду, довкілля. Знайди способи мінімізувати ризики.

Вплив АЕС на повітря зводиться лише до випаровування чистої води з градирень, оскільки викидів газів немає. Вплив на воду полягає в її нагріванні після проходження крізь конденсатори. Головна небезпека для ґрунту й довкілля — це утворення радіоактивних відходів.

Шляхи мінімізації ризиків:

• використання вентиляторних та сухих градирень замкненого циклу для зменшення теплового навантаження на річки;
• будівництво міцного залізобетонного контайнменту (гермооболонки), який витримує як внутрішній високий тиск пари, так і зовнішнє падіння літака чи смерч;
• будівництво сучасних сухих сховищ відпрацьованого ядерного палива (ССВЯП) з багаторівневим моніторингом радіаційного фону.

4. Проведи мініопитування серед однокласників / однокласниць: «Чи підтримали б ви будівництво АЕС у нашому регіоні?»

Під час опитування 10 однокласників відповіді розділилися так:

• 4 учні висловилися за будівництво, оскільки АЕС дає потужну й дешеву енергію, не забруднює димом атмосферу і створює багато високооплачуваних робочих місць;
• 5 учнів висловилися проти, мотивуючи свою думку страхом перед аваріями на зразок Чорнобиля, воєнними загрозами та накопиченням радіоактивних відходів;
• 1 учень вагався з відповіддю, зазначивши, що підтримка можлива лише за умови використання сучасних реакторів із пасивною безпекою та незалежного громадського контролю.

5. Які критерії потрібно врахувати під час вибору місця для АЕС?

Під час вибору місця для спорудження АЕС обов’язково враховують такі критерії:

• повну сейсмічну стабільність ділянки без тектонічних розломів;
• наявність надійного та повноводного джерела води для контуру охолодження;
• безпечну відстань від міст, заповідників і рекреаційних зон;
• високу несучу здатність ґрунтів і глибоке залягання ґрунтових вод для запобігання підтопленню важких споруд;
• напрямок панівних вітрів у регіоні та відсутність частих екстремальних метеорологічних явищ.