Экология энергетики Атомные станции Атомная энергетика Первая в мире атомная электростанция. Реакторы на тепловых нейтронах Радиоактивные вещества, образующиеся при работе АЭС. Альфа-излучение

Ядерное топливо. Общие сведения

27 июня 1954 г. в СССР, в г. Обнинске Калужской области, была пущена первая в мире атомная электростанция. Этим была доказана возможность мирного использования энергии атомного ядра. За короткий срок атомная энергетика стала крупной отраслью хозяйства многих стран мира. Если на тепловой электростанции источником энергии является органическое топливо, то на атомной уран или плутоний. Главное достоинство атомной энергии  ее энергоемкость. Например, 1 т урана по выделяемой теплоте эквивалентна 2,53 млн. т каменного угля. Мировые запасы разведанного урана позволяют обеспечить человечество ядерными энергоресурсами на многие столетия.

В связи с развитием атомной энергетики возникла проблема обеспечения безопасных условий труда персонала АЭС, а также предотвращения радиоактивного загрязнения окружающей среды. Объясняется это тем, что в процессе деления ядерного топлива в реакторе накапливается большое количество радиоактивных веществ (радионуклидов) продуктов деления урана или плутония, которые могут нанести ущерб здоровью персонала и населения в случае их неконтролируемой утечки. В этой связи при проектировании, строительстве и эксплуатации АЭС вопросам радиационной безопасности уделяется основное внимание.

Использование ядерной энергии на АЭС стало возможным благодаря открытию реакции деления ядер тяжелых элементов под воздействием нейтронов и созданию специальных установок ядерных реакторов для осуществления регулируемой, самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Каждый акт деления тяжелых ядер сопровождается поглощением одного нейтрона, появлением двух-трех новых нейтронов и, как правило, двух осколков. Полное выделение энергии за один акт примерно составляет 200 МэВ, из которой около 5 МэВ приходится на вторичные нейтроны. Следует иметь в виду, что для обеспечения цепной реакции деления не нужны сторонние нейтроны: они образуются в уране вследствие спонтанного (самопроизвольного) деления. Период самопроизвольного полураспада (Т1/2) урана 235U составляет около 1017 лет. При делении ядер урана примерно 83% энергии преобразуется в кинетическую энергию продуктов деления; 3% связано с энергией g-излучения, еще 3% уносится образующимися при делении нейтронами. Остальные 11% энергии выделяются постепенно в виде энергии b- и g-излучения в процессе радиоактивного распада ядер нуклидов, образующихся при делении. Конденсатные насосы

Природный уран представляет смесь двух изотопов 235U и 238U. Основным делящимся веществом является 235U, содержание которого в естественном уране составляет всего 0,7%. Ядра 235U делятся под воздействием как быстрых, так и тепловых нейтронов. Что же касается ядер 238U, содержание которых в природной смеси достигает 99,3%. то они делятся только под воздействием быстрых нейтронов с энергией больше 1,1 МэВ. Поэтому изотоп 238U является в основном поглотителем нейтронов и, следовательно, препятствует протеканию цепной реакции деления на ядрах 235U. Для ее осуществления необходимо или обогатить природный уран (более чем в 10 раз увеличить содержание 235U), или обеспечить в зоне реакции тепловые скорости нейтронов.

Для осуществления незатухающей цепной реакции деления необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов был не меньше единицы. (Коэффициент размножения показывает, во сколько раз число нейтронов каждого последующего поколения, образующихся при делении ядер 235U, больше числа нейтронов предыдущего поколения). Такие условия можно создать, если природный уран поместить в вещество, которое эффективно замедляет быстрые нейтроны, образующиеся при делении 235U до * силовых энергий (Е»0,025 эВ). Эффективными замедлителями являются углерод (графит), тяжелая вода, бериллий или оксид бериллия. Обычная вода обладает сравнительно большим сечением захвата тепловых нейтронов, и она может быть использована в качестве замедлителя при работе реактора на обогащенном уране 235U. Описанная цепная реакция используется в так называемых тепловых реакторах.

Помимо тепловых реакторов существуют реакторы на быстрых нейтронах («быстрые» реакторы). Такие реакторы не требуют замедлителя. В реакторах на быстрых нейтронах используется высокообогащенное ядерное топливо, благодаря чему образуется значительный избыток нейтронов, которые обеспечивают воспроизводство вторичного ядерного топлива, в частности плутония 239Рu. Этот процесс характеризуется коэффициентом воспроизводства, равным отношению количества накопленных нуклидов к исходным.

Прежде чем использовать природный уран в реакторе, его подвергают переработке, соответствующей типу реактора. В большинстве случаев уран обогащают изотопом 235U на заводе по разделению изотопов, затем, как правило, превращают в порошок UO2, который спекают в топливные таблетки.

Основная часть любого ядерного реактора активная зона, образуемая загруженным ядерным топливом в виде тепловыделяющих элементов (твэлов). В ней протекает цепная реакция деления. Теплота, выделяющаяся в твэлах, отводится непрерывно циркулирующим теплоносителем.

Важная часть реактора  система управления и защиты реактора (СУЗ), с помощью которой осуществляется управление работой реактора, включая запуск и выключение, в том числе и аварийное. К СУЗ относятся также специальные стержни, которые содержат вещества, сильно поглощающие нейтроны (бор, кадмий и др.). Ввод этих стержней в каналы СУЗ активной зоны приводит к останову реактора, т. е. прекращению цепной реакции деления.

Особенность реактора на тепловых нейтронах наличие замедлителя в активной зоне. Им могут быть специальные вещества, помещаемые в активной зоне, или сам теплоноситель.

Декларация начинается с тезиса о том, что человек является одновременно и продуктом, и создателем окружающей его среды. Окружающая среда предопределяет интеллектуальный, социальный и духовный рост человека. В Декларации подчеркивается, что охрана и улучшение окружающей среды выступают необходимым условием для человеческого благополучия, причем ответственность за осуществление деятельности в этом направлении возлагается не только на правительства, но и на отдельных людей.

Вторая часть Стокгольмской декларации представляет собой свод двадцати четырех руководящих принципов, которым государства и международные организации должны следовать, предпринимая действия, способные повлиять на состояние окружающей среды. Первый из этих принципов имеет, пожалуй, фундаментальное значение, поскольку он устанавливает неразрывную связь между охраной окружающей среды и реализацией основных нрав и свобод человека. Последующие шесть принципов формируют то, что, по выражению одного из авторов, является сердцем Декларации. В них подчеркивается, что естественные ресурсы, под которыми следует понимать не только нефть и полезные ископаемые, но и воздух, воду, почву, растения и животных, требуют бережного отношения в интересах настоящего и будущих поколений. На человеке лежит особая ответственность за сохранение природного наследия.

Помимо Декларации участники Стокгольмской конференции одобрили План мероприятий в отношении окружающей человека среды — пространный документ, содержавший 109 рекомендаций по различным аспектам международного природоохранного сотрудничества. План не только указывал на необходимость проведения тех или иных мероприятий, но и определял организационные формы их осуществления На основании рекомендаций, содержавшихся в Плане, Генеральная Ассамблея ООН учредила в 1972 г. ЮНЕП — Программу ООН по окружающей среде. Перед Программой была поставлена задача свести воедино и усилить деятельность, начатую еще до Стокгольма некоторыми органами и учреждениями ООН.

Иными словами, речь шла не о создании нового специализированного учреждения или существенном расширении компетенции ООН в области охраны природы, а о рационализации и повышении эффективности уже существующих проектов. За ЮНЕП закреплялась каталитическая и координирующая роль, в то время как ответственность за исполнение и финансирование природоохранных проектов возлагалась на Организацию Объединенных Наций в целом. Как отмечается в докладе ООН, посвященном двадцатилетию Стокгольмской конференции, с появлением ЮНЕП возникла реальная движущая сила, побуждающая большинство органов и учреждений системы ООН не только включать природоохранные элементы в свою деятельность, но и создавать подразделения и департаменты, занимающиеся экологическими вопросами.


Основы политики Минатома России