Как работает атомная электростанция

Как работает атомная электростанция?

Чудесная штука этот ядерный реактор. Ни дыма, ни гари, ни эшелонов с углем, ни цистерн с мазутом. Но жару реактор дает будь здоров. Чтобы понять, откуда этот жар берется, совершим маленькую экскурсию в атомную физику. Все многообразие мира состоит из небольшого количества первоэлементов. Древние думали, что их немного – огонь, вода, земля, воздух. Ученые последующих веков поправили мудрецов прошлого: первоэлементов действительно не так уж много, но все же гораздо больше, чем пальцев на одной руке.

Что такое первоэлементы?

Что такое первоэлементы?

Первоэлементов (или просто элементов) на свете всего чуть больше сотни. Каждый такой элемент представлен типом атома – микроскопической, невидимой глазу частички материи. Атом тоже не очень прост. Он состоит из элементарных частиц. Ядро атома «слеплено» из протонов и нейтронов. Вокруг ядра по орбитам (или орбиталям) несутся электроны. Тип атома, его принадлежность к тому или иному элементу определяется количеством электронов и протонов. Вот, например, атомы, в которых ядра состоят из одного протона, а по орбите бегает один электрон, образуют элемент водород. Водород – газ. Два атома водорода и один атом другого газа – кислорода – составляют молекулу воды. Иначе говоря, вода состоит из атомов двух разных элементов. Атом алюминия выглядит посложнее. Ядро в нем состоит из 14 нейтронов и 13 протонов, ну и электронов тоже 13. Если кусок алюминия положить в какой-нибудь контейнер, а потом открыть этот контейнер через несколько миллионов лет, что окажется внутри? Алюминий. Его атомы, как и прежде, будут насчитывать по 14 нейтронов, 13 протонов и 13 электронов. Алюминий, как говорят ученые, это стабильный элемент. Но не всем элементам «нравится» такая стабильная жизнь. Атомы некоторых из них (например, металла урана) с течением времени в некотором смысле «тают», теряя протоны и нейтроны. Эти элементарные частицы, разлетаясь в стороны, создают явление, называемое радиацией, которая, как вы наверное слышали, очень опасна для человека. Сам же «облегченный» атом становится атомом другого элемента. Уран, например, в конечном итоге превращается в свинец.

Как работает атомная электростанция?

Как работает атомная электростанция?

Ядерный бильярд

С нестабильными, или радиоактивными, элементами порой происходят и другие интересные вещи. Вот атом разновидности урана – уран-235 – может не просто излучать радиацию, но даже самопроизвольно делиться. Его ядро вдруг распадается, образуя два более легких ядра. При этом выделяется большое количество энергии. Большое по сравнению с крошкой-атомом, конечно. А что если как-нибудь заставить сразу много ядер урана-235 разделиться и выделить энергию? Тогда энергии будет о-го-го сколько! Можно ли так сделать? Можно! Если ядро урана-235 обстрелять одним-единственным нейтроном, то это ядро распадется (получатся ядра элементов барий и криптон). Кроме этих двух ядер, из бывшего атома урана вылетит несколько нейтронов. Они ударятся в соседние атомы урана-235, те тоже распадутся, выбросят энергию и нейтроны, те опять разобьют несколько соседних ядер… что получится? Получится цепная реакция деления ядер. В микроскопические доли секунды несметное число ядер урана будут расщеплены. Высвободится чудовищное количество энергии в виде потока нейтронов, тепла и радиоактивного гамма-излучения. Если вы еще не догадались – поясняем. Вы только что прочитали, что происходит во время атомного взрыва. Именно из урана-235 была сделана бомба, разрушившая Хиросиму 6 августа 1945 года.

Как работает атомная электростанция?

Управление цепной реакцией деления атомных ядер

Ядерный взрыв – есть не что иное, как неуправляемая цепная реакция деления атомных ядер. Для разрушения городов и убийства сотен тысяч людей такая технология вполне подходит. Но вот для использования атома в мирных целях пришлось придумать, как цепной реакцией управлять. Что для этого нужно сделать? Во-первых, требуется немного замедлять скорость нейтронов, крушащих ядра атомов, как бильярдные шары сложенную на столе пирамиду. Во-вторых, нужно иметь возможность выводить «с поля боя» часть беснующихся нейтронов. Этим задачам и служит конструкция ядерного реактора.

Ядерное топливо, куда входит уран-235, спрессовывается в специальные гранулы, по форме напоминающие большие таблетки. Эти таблетки столбиком помещаются внутрь стержней, в оболочке которых используются материалы, слабо поглощающие нейтроны (алюминий и цирконий). Стержни эти еще называют ТВЭЛами – тепловыделяющими элементами. ТВЭЛы собирают в кассеты, или топливные сборки. Топливную сборку опускают в активную зону реактора. Тут-то все и начинается.

Как работает атомная электростанция?

Атомный кипятильник

Есть такой простейший бытовой прибор – электрокипятильник. Состоит из вилки, провода и спирали нагревателя. Опускаем спираль в воду, втыкаем вилку в розетку – и несколько минут спустя вода закипела. Пока вокруг кипятильника есть вода – с ним ничего не произойдет. Вода разогревается до температуры кипения и не дает металлу, подогреваемому электричеством, достичь более высокой температуры. Она не даст спирали перегреться, отбирая у кипятильника часть тепла, то есть охлаждая его. Но как только кипящая вода испарится, прибор уже не сможет охлаждаться. Он перегорит и перестанет работать, а то и взорвется (известны такие случаи).

Топливная сборка, опускаемая в реактор, в чем-то подобна кипятильнику, которому нельзя дать перегреться. Дело в том, что ядерное топливо в реакторе находится в так называемом сверхкритическом состоянии. Это значит, что цепная реакция уже идет, и если ее не замедлять, то ТВЭЛы расплавятся, а реактор взорвется подобно бомбе. Как и в случае с кипятильником, саморазогревающиеся урановые стержни опущены в воду. Вода нагревается и охлаждает ТВЭЛы, а также заодно замедляет бег нейтронов. Но, конечно, одной воды для замедления реакции недостаточно. В управлении делением ядер участвуют так называемые контрольные стержни, которые сделаны из материала, поглощающего нейтроны. Когда ТВЭЛы сильно разогреваются, оператор атомного реактора опускает вниз контрольные стержни, которые встают между ТВЭЛами и вбирают в себя избыточные нейтроны. Надо «поддать жару» – контрольные стержни снова поднимают. Если же контрольные стержни опустить на всю длину топливных стержней, цепная реакция прекратится. Или, как говорят, реактор будет заглушен.

Как работает атомная электростанция?

Вода греет воду

Ну теперь, кажется все понятно. Ядерный кипятильник разогревает воду, вода превращается в пар, пар крутит турбину… Нет! Такая конструкция была бы слишком опасной. Нейтроны и гамма-излучение, разлетающиеся в стороны во время деления ядер, представляют собой смертельную угрозу для человека. Поэтому надо сделать всё, чтобы продукты ядерного распада не вышли за пределы реактора. Иначе беда! Именно поэтому реактор оборудован отражателем нейтронов, помещен в прочный металлический корпус и со всех сторон укрыт толстенным панцирем из бетона. Именно поэтому радиоактивную воду, которую нагревают ТВЭЛы, нельзя подпускать к турбине, иначе избежать утечки радиации будет очень трудно. На самом деле нагретая в реакторе вода нагревает… другую воду. Рядом с реактором находится заполненный водой котел. Через этот котел проходит труба, а в трубу поступает разогретая до 300 градусов Цельсия вода из реактора. Радиоактивная вода нагревает трубу, а труба нагревает уже самую обычную воду в котле. И уже эта вода превращается в пар, вращает турбину, а затем поступает в систему охлаждения и вновь становится водой. Пар, вьющийся над огромной охлаждающей башней (градирней), без которой не обходится ни одна атомная электростанция, – это обычный пар. Радиации в нем нет, так как радиоактивная вода в эту систему не попадает. Остается последний вопрос. Вроде бы каждый знает, что вода, нагретая до 100 градусов, испаряется. Почему же вода из реактора имеет температуру 300 градусов? Все очень просто. Эта вода находится под большим давлением. Там просто нет места для образования пара (то есть превращения воды в газ).

ЧАЭС

ЧАЭС

Чем опасны атомные электростанции?

Атомные электростанции не чадят, не выбрасывают в атмосферу углекислый газ, не потребляют вагонами ценные и невозобновимые полезные ископаемые, которым можно найти лучшее применение. Так почему же не отказаться от электростанций, работающих на угле или мазуте, и не заменить их атомными? Дело в том, что «мирный атом» не такой уж мирный.

За 60 лет, что работают атомные электростанции, на них произошло больше полутора сотен аварий, в том числе, например, такая страшная по своим последствиям катастрофа, как взрыв реактора на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 года. Тогда из-за халатности персонала контролируемая реакция деления ядер вышла из-под контроля. Сразу погибли три десятка человек. Еще тысячи ликвидаторов-чернобыльцев поплатились жизнями и здоровьем за проделки «мирного атома». И еще не известно, какие сюрпризы в будущем готовит спрятанный под бетонным саркофагом разрушенный ядерный реактор. Вот поэтому при строительстве атомных станций особые требования предъявляются к надежности всех конструкций и систем. А это лишние затраты – минус в сравнении с обычными тепловыми электростанциями. Есть и другая проблема. Отработанное ядерное топливо останется радиоактивным еще тысячи лет. Его надо либо перерабатывать и использовать снова, либо где-то надежно хранить, не допуская утечек радиации. И это еще один минус. Ну и, наконец, в наши неспокойные времена ядерные электростанции могут стать мишенью для террористов, а, значит, эти объекты требуют усиленной охраны.

Что придет на замену атомным электростанциям?

Что придет на замену атомным электростанциям?

Что окажется сильнее – плюсы или минусы? Время покажет. Пока атомная энергетика продолжает развиваться, и например, во Франции около двух третей всей электроэнергии вырабатывается с помощью ядерных реакторов. Многие считают, что от атомных электростанций откажутся лишь тогда, когда люди научатся управлять термоядерной реакцией. Той самой, что происходит при взрыве водородной бомбы или в недрах Солнца и прочих звезд. Термоядерные электростанции станут куда более безопасными и экологически чистыми, чем атомные. Одна беда: их появление – дело неопределенного будущего.

©При частичном или полном использовании данной статьи — активная гиперссылка ссылка на alfaed.ru ОБЯЗАТЕЛЬНА

Вас это заинтересует:

Тэги: АЭС, Будущее, Как работает, Технологии, Экология, Энергетика

Еще нет комментариев

Добавить комментарий