Атомная электростанция

редактировать

Ядерный реактор PWR, окруженный градирнями, находится внутри сферической защитной оболочки.

Атомная электростанция (иногда сокращенно АЭС) — тепловая электростанция, в которой источником тепла является ядерный реактор. Как это обычно бывает на тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электроэнергию. По состоянию на 2022 год Международное агентство по атомной энергии сообщило, что в 32 странах мира эксплуатируется 439 ядерных энергетических реакторов.

Атомные станции очень часто используются для базовой нагрузки, поскольку их эксплуатация, техническое обслуживание и затраты на топливо находятся в нижней части спектра затрат. Однако строительство атомной электростанции часто занимает от пяти до десяти лет, что может привести к значительным финансовым затратам в зависимости от того, как финансируются первоначальные инвестиции.

Атомные электростанции имеют углеродный след, сравнимый с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные и ветряные электростанции, и намного меньший, чем ископаемые виды топлива, такие как природный газ и бурый уголь. Несмотря на некоторые впечатляющие катастрофы, атомные электростанции являются одними из самых безопасных способов производства электроэнергии, сравнимыми с солнечными и ветряными электростанциями.

Содержание

  • 1 История
  • 2 основных компонента
    • 2.1 Системы
  • 3 Экономика
  • 4 Безопасность и несчастные случаи
  • 5 Противоречие
  • 6 Переработка
  • 7 Возмещение ущерба от несчастного случая
  • 8 Вывод из эксплуатации
    • 8.1 Сроки и отсрочка вывода из эксплуатации
  • 9 Гибкость
  • 10 См. также
  • 11 сносок
  • 12 Внешние ссылки

История

Основная статья: История ядерной энергетики

Впервые тепло ядерного реактора было использовано для выработки электроэнергии 20 декабря 1951 года на экспериментальном реакторе-размножителе I, который питал четыре лампочки.

27 июня 1954 года в Обнинске, в Советском Союзе, начала работу первая в мире атомная электростанция, вырабатывающая электроэнергию для энергосистемы, Обнинская АЭС. Первая в мире полномасштабная электростанция, Колдер Холл в Соединенном Королевстве, открылась 17 октября 1956 года. Первая в мире полномасштабная электростанция, предназначенная исключительно для производства электроэнергии — Колдер Холл также предназначалась для производства плутония — Атомная электростанция Шиппорт в Пенсильвания, США — был подключен к сети 18 декабря 1957 года.

Основные компоненты

Системы

Реактор с кипящей водой (BWR)

Преобразование в электрическую энергию происходит опосредованно, как и на обычных тепловых электростанциях. Деление в ядерном реакторе нагревает теплоноситель реактора. Теплоносителем может быть вода или газ, или даже жидкий металл, в зависимости от типа реактора. Затем теплоноситель реактора поступает в парогенератор и нагревает воду для получения пара. Затем пар под давлением обычно подают в многоступенчатую паровую турбину. После того, как паровая турбина расширилась и частично сконденсировала пар, оставшийся пар конденсируется в конденсаторе. Конденсатор представляет собой теплообменник, который подключен к вторичной стороне, такой как река или градирня. Затем вода закачивается обратно в парогенератор, и цикл начинается снова. Цикл воды и пара соответствует циклу Ренкина.

Ядерный реактор — сердце станции. В центральной части активная зона реактора вырабатывает тепло за счет ядерного деления. Благодаря этому теплу теплоноситель нагревается при прокачке через реактор и тем самым отбирает энергию у реактора. Тепло от ядерного деления используется для производства пара, который проходит через турбины, которые, в свою очередь, приводят в действие электрические генераторы.

Ядерные реакторы обычно используют уран для подпитки цепной реакции. Уран — это очень тяжелый металл, который в изобилии встречается на Земле и содержится в морской воде, а также в большинстве горных пород. Встречающийся в природе уран встречается в двух разных изотопах : уран-238 (U-238), на долю которого приходится 99,3%, и уран-235 (U-235), на который приходится около 0,7%. U-238 имеет 146 нейтронов, а U-235 имеет 143 нейтрона.

Различные изотопы ведут себя по-разному. Например, U-235 является делящимся, что означает, что он легко расщепляется и выделяет много энергии, что делает его идеальным для ядерной энергетики. С другой стороны, U-238 не обладает этим свойством, несмотря на то, что это тот же элемент. Различные изотопы также имеют разные периоды полураспада. U-238 имеет более длительный период полураспада, чем U-235, поэтому для его распада требуется больше времени. Это также означает, что U-238 менее радиоактивен, чем U-235.

Поскольку ядерное деление создает радиоактивность, активная зона реактора окружена защитным экраном. Эта защитная оболочка поглощает радиацию и предотвращает выброс радиоактивных материалов в окружающую среду. Кроме того, многие реакторы оснащены бетонным куполом для защиты реактора как от внутренних повреждений, так и от внешних воздействий.

Реактор с водой под давлением (PWR)

Целью паровой турбины является преобразование тепла, содержащегося в паре, в механическую энергию. Машинное отделение с паровой турбиной обычно конструктивно отделено от главного здания реактора. Он выровнен таким образом, чтобы предотвратить попадание мусора от разрушения работающей турбины в сторону реактора.

В случае водо-водяного реактора паровая турбина отделена от ядерной системы. Для обнаружения течи в парогенераторе и, таким образом, проникновения радиоактивной воды на ранней стадии монтируется измеритель активности для отслеживания пара на выходе из парогенератора. Напротив, реакторы с кипящей водой пропускают радиоактивную воду через паровую турбину, поэтому турбина остается частью радиологически контролируемой зоны атомной электростанции.

Электрический генератор преобразует механическую энергию, подаваемую турбиной, в электрическую энергию. Применяются малополюсные синхронные генераторы переменного тока большой номинальной мощности. Система охлаждения отводит тепло от активной зоны реактора и переносит его в другую часть станции, где тепловую энергию можно использовать для производства электроэнергии или другой полезной работы. Обычно горячий хладагент используется в качестве источника тепла для котла, а сжатый пар от него приводит в действие один или несколько электрических генераторов с паровой турбиной.

В случае аварийной ситуации можно использовать предохранительные клапаны, чтобы предотвратить разрыв труб или взрыв реактора. Клапаны сконструированы таким образом, что они могут получать все подаваемые значения расхода с небольшим повышением давления. В случае BWR пар направляется в камеру пожаротушения и там конденсируется. Камеры на теплообменнике подключены к промежуточному контуру охлаждения.

Главный конденсатор представляет собой большой кожухотрубный теплообменник с поперечным потоком, который забирает влажный пар, смесь жидкой воды и пара в условиях насыщения, из выхлопных газов турбогенератора и конденсирует его обратно в переохлажденную жидкую воду, чтобы ее можно было перекачивается обратно в реактор конденсатным и питательным насосами.

Некоторые ядерные реакторы используют градирни для конденсации пара, выходящего из турбин. Весь выпускаемый пар никогда не контактирует с радиоактивностью

В главном конденсаторе выхлопные газы турбины влажного пара соприкасаются с тысячами трубок, по которым с другой стороны течет гораздо более холодная вода. Охлаждающая вода обычно поступает из естественного водоема, такого как река или озеро. Атомная электростанция Пало-Верде, расположенная в пустыне примерно в 97 километрах (60 миль) к западу от Феникса, штат Аризона, является единственным ядерным объектом, который не использует естественный водоем для охлаждения, вместо этого он использует очищенные сточные воды из мегаполиса Феникс. область. Вода, поступающая из охлаждающего водоема, либо перекачивается обратно в источник воды с более высокой температурой, либо возвращается в градирню, где она либо охлаждается для дальнейшего использования, либо испаряется в водяной пар, который поднимается вверх по градирне.

Уровень воды в парогенераторе и ядерном реакторе регулируется с помощью системы питательной воды. Насос питательной воды предназначен для забора воды из конденсатной системы, повышения давления и подачи ее либо в парогенераторы — в случае реактора с водой под давлением — либо непосредственно в реактор для реакторов с кипящей водой.

Непрерывное электроснабжение установки имеет решающее значение для обеспечения безопасной работы. Большинству атомных станций требуется по крайней мере два отдельных внешних источника энергии для резервирования. Обычно они обеспечиваются несколькими трансформаторами, которые достаточно разделены и могут получать энергию от нескольких линий передачи. Кроме того, на некоторых атомных станциях турбогенератор может питать нагрузки станции, пока станция находится в сети, без внешнего источника питания. Это достигается с помощью сервисных трансформаторов станции, которые отбирают мощность с выхода генератора до того, как она достигнет повышающего трансформатора.

экономика

Атомная электростанция Брюса, крупнейшая действующая атомная электростанция в мире.

Экономика атомных электростанций — спорный вопрос, и многомиллиардные инвестиции зависят от выбора источника энергии. Атомные электростанции, как правило, имеют высокие капитальные затраты, но низкие прямые затраты на топливо, при этом затраты на добычу, переработку, использование и хранение отработавшего топлива являются внутренними затратами. Поэтому сравнение с другими методами производства электроэнергии сильно зависит от предположений о сроках строительства и капитальном финансировании атомных станций. В оценках затрат учитываются затраты на вывод станции из эксплуатации и хранение или переработку ядерных отходов в Соединенных Штатах в соответствии с Законом Прайса Андерсона.

С перспективой того, что все отработавшее ядерное топливо потенциально может быть переработано с использованием будущих реакторов, проектируются реакторы поколения IV, чтобы полностью замкнуть ядерный топливный цикл. Однако до настоящего времени фактической массовой переработки отходов АЭС не проводилось, а пристанционное временное хранение до сих пор используется практически на всех площадках АЭС из-за проблем со строительством глубоких геологических хранилищ. Только в Финляндии имеются стабильные планы захоронения отходов, поэтому с мировой точки зрения затраты на долгосрочное хранение отходов являются неопределенными.

Атомная электростанция Олкилуото в Эурайоки, Финляндия. На этом месте находится один из самых мощных реакторов, известный как EPR.

Строительство или капитальные затраты в сторону, меры по смягчению последствий глобального потепления, такие как налог на выбросы углерода или торговля выбросами углерода, все больше благоприятствуют экономике ядерной энергетики. Ожидается, что дальнейшая эффективность будет достигнута за счет более совершенных конструкций реакторов. Реакторы поколения III обещают быть как минимум на 17% более эффективными по топливу и иметь более низкие капитальные затраты, в то время как реакторы поколения IV обещают дальнейшее повышение эффективности использования топлива и значительное сокращение ядерных отходов.

Блок 1 АЭС Чернаводэ в Румынии

В Восточной Европе ряд давно существующих проектов изо всех сил пытаются найти финансирование, в частности, Белене в Болгарии и дополнительные реакторы в Чернаводэ в Румынии, и некоторые потенциальные спонсоры отказались от них. Там, где доступен дешевый газ и его будущие поставки относительно безопасны, это также создает серьезную проблему для ядерных проектов.

Анализ экономики ядерной энергетики должен учитывать, кто несет риски будущих неопределенностей. На сегодняшний день все действующие атомные электростанции были построены государственными или регулируемыми коммунальными предприятиями, где многие риски, связанные со стоимостью строительства, эксплуатационными характеристиками, ценами на топливо и другими факторами, ложились на плечи потребителей, а не поставщиков. Многие страны в настоящее время либерализовали рынок электроэнергии, где эти риски и риск появления более дешевых конкурентов до возмещения капитальных затрат несут поставщики и операторы станций, а не потребители, что приводит к существенно разной оценке экономики новых атомных электростанций..

После аварии на АЭС «Фукусима » в Японии в 2011 году затраты на действующие и новые атомные электростанции, вероятно, вырастут из-за повышенных требований к обращению с отработавшим топливом на площадке и повышенных проектных угроз. Однако во многих проектах, таких как строящийся в настоящее время AP1000, используются пассивные системы охлаждения для ядерной безопасности, в отличие от проектов на Фукусиме -1, где требовались активные системы охлаждения, что в значительной степени устраняет необходимость в дополнительных расходах на резервное резервное оборудование безопасности.

В 2020 март

  • Атомная энергетика конкурентоспособна по стоимости с другими формами производства электроэнергии, за исключением случаев, когда есть прямой доступ к дешевым ископаемым видам топлива.
  • Затраты на топливо для атомных электростанций составляют незначительную часть общих затрат на производство электроэнергии, хотя капитальные затраты выше, чем у угольных электростанций, и намного выше, чем у газовых.
  • Системные затраты на ядерную энергетику (а также на уголь и газ) намного ниже, чем на прерывистые возобновляемые источники энергии.
  • Создание стимулов для долгосрочных крупных капиталовложений в нерегулируемые рынки, обусловленные краткосрочными ценовыми сигналами, представляет собой проблему обеспечения диверсифицированной и надежной системы электроснабжения.
  • При оценке экономики атомной энергетики полностью учитываются затраты на вывод из эксплуатации и захоронение отходов.
  • Строительство атомных электростанций типично для крупных инфраструктурных проектов по всему миру, стоимость и проблемы с доставкой которых, как правило, недооцениваются.

Безопасность и несчастные случаи

Гипотетическое количество смертей в мире, которые произошли бы в результате производства энергии, если бы производство энергии в мире обеспечивалось из одного источника, в 2014 году.

Современные конструкции ядерных реакторов претерпели множество улучшений безопасности по сравнению с ядерными реакторами первого поколения. Атомная электростанция не может взорваться, как ядерное оружие, потому что топливо для урановых реакторов недостаточно обогащено, а ядерное оружие требует высокоточных взрывчатых веществ, чтобы сжать топливо в достаточно маленьком объеме, чтобы стать сверхкритическим. Большинству реакторов требуется постоянный контроль температуры, чтобы предотвратить расплавление активной зоны, которое несколько раз случалось в результате аварий или стихийных бедствий, высвобождая радиацию и делая окружающую территорию непригодной для жизни. Заводы должны быть защищены от кражи ядерных материалов и нападения вражеских военных самолетов или ракет.

Наиболее серьезными авариями на сегодняшний день являются авария на Три-Майл-Айленде в 1979 году, Чернобыльская катастрофа в 1986 году и ядерная катастрофа на Фукусима-дайити в 2011 году, что соответствует началу эксплуатации реакторов поколения II.

Профессор социологии Чарльз Перроу утверждает, что множественные и неожиданные сбои встроены в сложные и тесно связанные системы ядерных реакторов общества. Такие несчастные случаи неизбежны и не могут быть спланированы. Междисциплинарная группа из Массачусетского технологического института подсчитала, что с учетом ожидаемого роста ядерной энергетики с 2005 по 2055 год в этот период можно ожидать как минимум четыре серьезных ядерных аварии. В исследовании Массачусетского технологического института не учитываются улучшения в области безопасности с 1970 года.

Споры

На заднем плане виден украинский город Припять, заброшенный из-за аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 года.

Дебаты в области ядерной энергетики о развертывании и использовании ядерных реакторов деления для выработки электроэнергии из ядерного топлива в гражданских целях достигли пика в 1970-х и 1980-х годах, когда в некоторых странах они «достигли беспрецедентной интенсивности в истории технологических споров».

Сторонники утверждают, что ядерная энергетика является устойчивым источником энергии, который сокращает выбросы углерода и может повысить энергетическую безопасность, если его использование вытеснит зависимость от импортного топлива. Сторонники выдвигают идею о том, что ядерная энергетика практически не загрязняет воздух, в отличие от основной жизнеспособной альтернативы ископаемому топливу. Сторонники также считают, что атомная энергетика является единственным жизнеспособным курсом на достижение энергетической независимости для большинства западных стран. Они подчеркивают, что риски хранения отходов невелики и могут быть дополнительно снижены за счет использования новейших технологий в новых реакторах, а показатели эксплуатационной безопасности в западном мире превосходны по сравнению с другими основными типами электростанций.

Оппоненты говорят, что ядерная энергетика представляет множество угроз для людей и окружающей среды, а затраты не оправдывают выгод. Угрозы включают риски для здоровья и ущерб окружающей среде от добычи, переработки и транспортировки урана, риск распространения ядерного оружия или саботажа, а также нерешенную проблему радиоактивных ядерных отходов. Еще одной экологической проблемой является сброс горячей воды в море. Горячая вода изменяет условия окружающей среды для морской флоры и фауны. Они также утверждают, что реакторы сами по себе являются чрезвычайно сложными механизмами, в которых многое может пойти не так и происходит, и было много серьезных ядерных аварий. Критики не верят, что эти риски можно уменьшить с помощью новых технологий, несмотря на быстрое развитие условий содержания и методов хранения.

Противники утверждают, что, если рассматривать все энергоемкие этапы цепочки ядерного топлива, от добычи урана до вывода из эксплуатации ядерной энергетики, ядерная энергетика не является источником электроэнергии с низким уровнем выбросов углерода, несмотря на возможность переработки и долгосрочного хранения на ядерной установке.. Те страны, в которых нет урановых рудников, не могут добиться энергетической независимости за счет существующих ядерно-энергетических технологий. Фактические затраты на строительство часто превышают оценки, а затраты на обращение с отработавшим топливом трудно определить.

1 августа 2020 года ОАЭ запустили первую в арабском регионе атомную электростанцию. Первый блок станции Барака в районе Аль-Дафра в Абу-Даби начал вырабатывать тепло в первый день запуска, а остальные 3 блока находятся в стадии строительства. Однако глава Nuclear Consulting Group Пол Дорфман предупредил, что инвестиции страны Персидского залива в завод представляют риск «дальнейшей дестабилизации нестабильного региона Персидского залива, нанесения ущерба окружающей среде и повышения вероятности распространения ядерного оружия».

Переработка

Технология ядерной переработки была разработана для химического выделения и извлечения делящегося плутония из облученного ядерного топлива. Повторная обработка служит нескольким целям, относительная важность которых со временем менялась. Первоначально переработка использовалась исключительно для извлечения плутония для производства ядерного оружия. С коммерциализацией ядерной энергетики переработанный плутоний снова перерабатывался в МОХ-топливо для тепловых реакторов. Переработанный уран, составляющий основную часть отработавшего топливного материала, в принципе также может быть повторно использован в качестве топлива, но это экономически целесообразно только при высоких ценах на уран или его утилизации. Наконец, реактор- размножитель может использовать не только переработанный плутоний и уран в отработанном топливе, но и все актиниды, замыкая ядерный топливный цикл и потенциально увеличивая энергию, извлекаемую из природного урана, более чем в 60 раз.

Ядерная переработка уменьшает объем высокоактивных отходов, но сама по себе не снижает радиоактивность или выделение тепла и, следовательно, не устраняет необходимость в геологическом хранилище отходов. Переработка была политически противоречивой из-за потенциальной возможности способствовать ядерному распространению, потенциальной уязвимости перед ядерным терроризмом, политических проблем, связанных с размещением хранилищ (проблема, которая в равной степени относится к прямому захоронению отработавшего топлива), а также из-за ее высокой стоимости по сравнению с прямоточный топливный цикл. В Соединенных Штатах администрация Обамы отказалась от планов президента Буша по промышленной переработке и вернулась к программе, ориентированной на научные исследования, связанные с переработкой.

Возмещение ущерба от несчастного случая

Атомная энергетика работает в рамках системы страхования, которая ограничивает или структурирует ответственность за аварии в соответствии с Парижской конвенцией об ответственности перед третьими лицами в области ядерной энергии, Брюссельской дополнительной конвенцией и Венской конвенцией о гражданской ответственности за ядерный ущерб. Однако государства, располагающие большей частью мировых атомных электростанций, включая США, Россию, Китай и Японию, не являются участниками международных конвенций об ответственности за ядерный ущерб.

Соединенные Штаты
В Соединенных Штатах страхование от ядерных или радиологических инцидентов покрывается (для объектов, лицензированных до 2025 года) Законом о возмещении убытков ядерной промышленности Прайса-Андерсона.
Соединенное Королевство
В соответствии с энергетической политикой Соединенного Королевства в соответствии с Законом о ядерных установках 1965 года ответственность регулируется за ядерный ущерб, за который несет ответственность обладатель ядерной лицензии Великобритании. Закон требует выплаты компенсации за ущерб в размере до 150 миллионов фунтов стерлингов ответственным оператором в течение десяти лет после инцидента. Через десять-тридцать лет после этого правительство выполняет это обязательство. Правительство также несет дополнительную ограниченную трансграничную ответственность (около 300 млн фунтов стерлингов) в соответствии с международными конвенциями ( Парижская конвенция об ответственности перед третьими лицами в области ядерной энергии и Брюссельская конвенция, дополняющая Парижскую конвенцию).

Вывод из эксплуатации

Вывод из эксплуатации атомной электростанции — это демонтаж атомной электростанции и дезактивация площадки до состояния, больше не требующего защиты от радиации для населения. Основным отличием от демонтажа других электростанций является наличие радиоактивного материала, требующего особых мер предосторожности для удаления и безопасного перемещения в хранилище отходов.

Вывод из эксплуатации включает множество административных и технических действий. Он включает в себя всю очистку от радиоактивности и постепенный снос станции. После вывода объекта из эксплуатации не должно больше существовать никакой опасности радиационной аварии или для любых лиц, посещающих его. После полного вывода объекта из эксплуатации он выводится из-под регулирующего контроля, и лицензиат станции больше не несет ответственности за ее ядерную безопасность.

Сроки и отсрочка вывода из эксплуатации

Вообще говоря, атомные станции изначально были рассчитаны на срок службы около 30 лет. Новые станции рассчитаны на срок службы от 40 до 60 лет. Centurion Reactor — это ядерный реактор будущего, который рассчитан на 100 лет.

Одним из основных ограничивающих факторов износа является износ корпуса реактора под действием нейтронной бомбардировки, однако в 2018 году Росатом объявил о разработке метода термического отжига корпусов реактора, который снижает радиационные повреждения и продлевает срок службы на 15–15 30 лет.

Гибкость

Атомные станции используются в основном для базовой нагрузки по экономическим соображениям. Стоимость топлива для атомной станции меньше, чем стоимость топлива для работы угольных или газовых электростанций. Поскольку большая часть затрат на атомную электростанцию ​​​​является капитальными затратами, экономия затрат при ее эксплуатации не на полную мощность практически отсутствует.

Атомные электростанции обычно широко используются во Франции в режиме следования нагрузки, хотя «общепризнано, что это не идеальная экономическая ситуация для атомных станций». Блок А на выведенной из эксплуатации немецкой атомной электростанции Библис был спроектирован так, чтобы его мощность 15% в минуту изменялась от 40% до 100% от его номинальной мощности.

Смотрите также

Сноски

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-08-11 01:23:30
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте