Звідки береться ядерна енергія? Наукові засади ядерної енергетики

Бажаєте дізнатися більше про діяльність МАГАТЕ? Підпишіться на нашу щомісячну електронну розсилку, щоб бути в курсі найважливіших новин, отримувати аудіо- та відеоматеріали та багато іншого.

Ядерна енергія є різновидом енергії, яка вивільняється з ядра — центральної частини атомів, що складається з протонів і нейтронів. Джерелом цієї енергії можуть бути два фізичні процеси: розподіл, коли ядра атомів розпадаються на кілька частин, і синтез, коли ядра зливаються разом.

Ядерна енергія, що використовується сьогодні у всьому світі для виробництва електроенергії, виробляється за допомогою поділу ядра, тоді як технологія виробництва електроенергії на основі синтезу поки що знаходиться на етапі досліджень та експериментальних розробок. У цій статті ми докладніше зупинимося на розподілі ядра. Дізнатися більше про ядерний синтез можна з цієї статті.

Що таке ядерний поділ?

Ядерний поділ - це реакція, в ході якої ядро ​​атома розщеплюється на два або більше ядра, при цьому відбувається вивільнення енергії.

Наприклад, ядро ​​атома урану-235, при попаданні в нього нейтрону, розщеплюється на ядро ​​барію та ядро ​​криптону і ще два або три нейтрони. Ці додаткові нейтрони стикаються з іншими ядрами урану-235, що знаходяться навколо, які також розщеплюються і породжують додаткові нейтрони з ефектом багаторазового збільшення, в результаті чого за частку секунди формується ланцюгова реакція.

Щоразу така реакція супроводжується вивільненням енергії у вигляді тепла та випромінювання.Подібно до того, як для отримання електроенергії використовується тепло від викопних видів палива, таких як вугілля, газ і нафта, на атомній електростанції ця теплова енергія може бути перетворена на електроенергію.

Ядерна реакція поділу (Графіка: А. Варгас/МАГАТЕ)

Як працює атомна електростанція?

У реакторі атомної електростанції за допомогою відповідного обладнання локалізується та контролюється ланцюгова ядерна реакція, найчастіше з використанням палива на основі урану-235, в результаті розподілу якого виробляється тепло. Це тепло використовується для нагрівання теплоносія реактора, як правило, води, щоб отримати пару. Потім пара прямує на турбіни, змушуючи їх обертатися та активуючи електричний генератор, що дозволяє виробляти електроенергію без викидів вуглекислого газу.

Докладніше про різні типи ядерних енергетичних реакторів читайте на цій сторінці.

Найбільшого поширення у світі набули реактори з водою під тиском (PWR). (Графіка: А. Варгас/МАГАТЕ)

Видобуток, збагачення та утилізація урану

Уран це метал, який зустрічається в гірських породах по всьому світу. Уран має кілька природних ізотопів, які є формами елемента, що відрізняються за масою і фізичними властивостями, але з однаковими хімічними властивостями. Уран має два первинні ізотопи: уран-238 і уран-235. На уран-238 припадає більша частина урану у світі, але він не здатний вступати в ланцюгову реакцію розподілу, тоді як уран-235 може використовуватися для отримання енергії в результаті розподілу, але становить менше 1 відсотка від світових запасів урану.

Щоб підвищити ймовірність поділу природного урану, необхідно збільшити кількість урану-235, що міститься в ньому, за допомогою процесу, званого збагаченням урану. Після збагачення урану він може ефективно використовуватися протягом трьох-п'яти років як ядерне паливо на АЕС, після чого він все ще залишається радіоактивним і повинен утилізуватися відповідно до суворих нормативних вимог щодо захисту людей та навколишнього середовища. Використане паливо, так зване відпрацьоване паливо, може також бути перероблене в інші види палива, які можуть застосовуватися як нове паливо для спеціальних АЕС.

Що таке ядерний паливний цикл?

Ядерний паливний цикл — це виробничий процес, який включає кілька етапів, необхідний для вироблення електроенергії з використанням урану в ядерних енергетичних реакторах. Цей цикл починається зі видобутку урану та завершується похованням радіоактивних відходів.

Ядерні відходи

У процесі експлуатації АЕС утворюються відходи з різним рівнем радіоактивності. Залежно від рівня радіоактивності та кінцевої мети застосовуються різні стратегії поводження з ними. Більш детальну інформацію на цю тему ви знайдете в наведеному нижче анімованому ролику.

Поводження з радіоактивними відходами

На радіоактивні відходи посідає невелика частка загального обсягу відходів. Це побічний продукт мільйонів медичних процедур, що проводяться щороку, промислових та сільськогосподарських застосувань випромінювання та роботи ядерних реакторів, які виробляють близько 10 відсотків електрики у світі.В анімаційному відео розповідається про те, як здійснюється поводження з радіоактивними відходами, щоб забезпечити захист людей та навколишнього середовища від випромінювання сьогодні та в майбутньому.

При роботі наступного покоління АЕС на основі так званих інноваційних удосконалених реакторів утворюватиметься значно менше ядерних відходів, ніж сьогоднішніх реакторів. Очікується, що будівництво таких станцій розпочнеться ближче до 2030 року.

Ядерна енергетика та зміна клімату

Ядерна енергія є низьковуглецевим джерелом енергії, оскільки, на відміну від електростанцій, що працюють на вугіллі, нафтопродуктах або природному газі, атомні електростанції під час своєї роботи практично не виробляють CO.₂. Атомні електростанції використовуються для генерації майже третини світової безвуглецевої електроенергії та мають вирішальне значення для досягнення цілей у галузі боротьби зі зміною клімату.

Яку роль грає МАГАТЕ?

• МАГАТЕ встановлює міжнародні норми та керівні принципи безпечного та надійного використання ядерної енергії для захисту людей та навколишнього середовища та сприяє проведенню їх у життя.
• МАГАТЕ підтримує існуючі та нові ядерно-енергетичні програми по всьому світу, пропонуючи технічну допомогу та послуги з управління знаннями. Дотримуючись віхового підходу, МАГАТЕ надає необхідні технічні знання та рекомендації країнам, які виводять свої ядерні об'єкти з експлуатації.
• У рамках своєї діяльності в галузі гарантій та перевірки МАГАТЕ стежить за тим, щоб не відбувалося перемикання ядерних матеріалів та технологій із мирного використання на інші цілі.
• Методичну основу для організації необхідної діяльності протягом усього життєвого циклу виробництва ядерної енергії, від видобутку урану до спорудження, технічного обслуговування та виведення з експлуатації атомних електростанцій та поводження з ядерними відходами забезпечують місії з експертної оцінки та консультаційні послуги під керівництвом МАГАТЕ.
• Під управлінням МАГАТЕ знаходиться запас низькозбагаченого урану (НОУ) в Казахстані, який може використовуватися у разі нагальної потреби країнами, які терміново потребують постачання НОУ для мирних цілей.

Матеріали на тему

Переломний момент: у Брюсселі завершився перший в історії саміт з ядерної енергії

Ядерна наука сприяє досягненню цілей у сфері сталого розвитку: боротьба зі зміною клімату

Ресурси на тему

Фабрика реакторів: як розвивається атомна енергетика

У підсумкову резолюцію Конференції ООН з питань зміни клімату COP28, що відбулася у грудні 2023 року в Дубаї, було вперше внесено зобов'язання двохсот країн-учасниць знижувати споживання не лише вугілля, а й нафти з газом для боротьби з глобальним потеплінням. Альтернатив спалюванню викопного палива небагато: відновлювані джерела енергії та атомна енергетика.
Те, що АЕС може бути ефективним способом зниження вуглецевого сліду енергетики, міжнародні чиновники відзначають дедалі частіше. «Атомна енергія є джерелом низьковуглецевої енергії та тепла, який може сприяти досягненню вуглецевої нейтральності.За останні 50 років використання атомної енергії дозволило скоротити глобальні викиди приблизно на 74 гігатони, що еквівалентно сумарному обсягу глобальних викидів, пов'язаних з енергетикою, приблизно за два роки», — йдеться у доповіді Європейської економічної комісії ООН.

За статистикою МАГАТЕ (щорічна доповідь «Ядерні енергетичні реактори у світі», серпень 2023 року), діючі атомні станції мають сьогодні сумарні потужності 371 ГВт, причому з 2012 по 2022 рік вони зросли більш ніж на 20 ГВт (на 5,8%) . І темп введення нових потужностей збільшується: лише у 2022 році чистий приріст становив 4,1 ГВт, що вдвічі більше, ніж у середньому за десятиліття.
Всесвітня ядерна асоціація (WNA) розробила ініціативу "нульових викидів ядерної індустрії", спрямовану на триразове збільшення ядерної генерації до 2050 року. Цей документ був представлений там же на COP28 і підписаний найбільшими світовими атомними компаніями, включаючи «Росатом».

У деяких суспільствах насторожене ставлення до ядерної енергетики зберігається, наприклад, у Японії та Німеччині, де закрилася остання АЕС, зазначає Валерій Семикашев, завідувач лабораторії Інституту народногосподарського прогнозування РАН. Однак, зазначає експерт, у багатьох інших країнах ставлення до мирного атома нейтральне і навіть позитивне: атомна енергетика розглядається як чи не єдиний спосіб забезпечити потреби глобального Півдня в низьковуглецевій електроенергії, які зростають.

«Ринок будівництва реакторів слід оцінювати, виходячи з приблизної вартості енергоблоку в $5 млрд, — розмірковує Валерій Семикашев. — З урахуванням запланованої кількості енергоблоків їхня сумарна вартість — $300–400 млрд.Цю суму потрібно розділити на 12–15 років, протягом яких станції буде зведено, тобто йдеться про обсяг замовлення на рік $30 млрд».

Енергоблоки на конвеєрі

Вже в 2022 році «Росатом», за даними держкорпорації, зміг наростити зарубіжний виторг до $11,2 млрд, а в 2023 році очікується його зростання ще на 25%, до $14 млрд, повідомлялося в листопаді. У компанії зазначають, що обидва показники є історичними рекордами.

Санкції заважають лише незначною мірою, зазначають експерти. «Санкції не можуть вплинути на блокуючу дію, оскільки російські підприємства здатні виробляти все ключове обладнання для АЕС, — каже головний редактор галузевого порталу Atominfo Олександр Уваров. — Приклад — лютнева заборона влади Бангладеш на заходи до портів цієї країни російських суден, які потрапили під санкції. Заборона не позначилася на графіку будівництва блоків АЕС «Куданкулам» в Індії, оскільки для постачання обладнання було знайдено інші маршрути». Основні проблеми від санкцій — у європейських країнах, каже Валерій Семикашев: «Санкції вплинули на фінський проект (2022 року Фінляндія відмовилася від співпраці з «Росатомом» у будівництві АЕС «Ханхіківі-1»). РБК). Але це менша частина зовнішньоторговельного бізнесу «Росатому», основні замовлення спочатку розміщувалися у країнах, які сьогодні не беруть участі у санкційній політиці».

Олександр Уваров перераховує основні напрямки зарубіжної активності «Росатому» у 2023 році: для АЕС «Ель Дабаа» в Єгипті заплановано до зведення одразу чотири енергоблоки по 1,2 тис. МВт кожен. Розпочато підготовчі роботи з будівництва двох нових енергоблоків (також по 1,2 тис. МВт) на АЕС «Пакш» в Угорщині.Нарешті йде будівництво АЕС «Аккую» в Туреччині (велика станція на чотири енергоблоки, покликана закрити 10% енергетичних потреб країни), перший блок якої днями отримав дозвіл на введення в експлуатацію. І в листопаді після здачі другого енергоблоку завершено будівництво Білоруської АЕС, яка стала першим повністю реалізованим закордонним проектом «Росатому», оснащеним флагманськими реакторами ВВЕР-1200. Вони, стверджують у держкорпорації, відповідають постфукусімським вимогам до безпеки та мають проектний термін служби до 80 років.

МАГАТЕ зазначає, що у світі діють 411 реакторів, а в різній стадії будівництва перебувають ще 58 — і коли вони увійдуть до ладу, це додасть до сьогоднішньої генерації ще приблизно 60 ГВт, або 16%. З цього обсягу енергоблоків, що будуються, 20 зводяться в Китаї силами китайських підприємств. У портфелі «Росатому» 22 проекти, і його сумарна вартість, за словами генерального директора держкорпорації Олексія Ліхачова, становить близько $200 млрд. Частку «Росатому» на ринку експорту АЕС голова компанії оцінює у 88%, зазначаючи, що цього року компанія виготовила рекордне для російської атомної промисловості кількість комплектів реакторного обладнання - п'ять (проти трьох за радянських часів).

«Росатом» у 2023 році трансформувався на фабрику з виробництва реакторів», — зазначав Олексій Лихачов.

Експортні позиції

Олександр Уваров пояснює, що держкорпорація навчилася серійно виробляти свій флагманський реактор - ВВЕР-1200 - у короткі і, головне, передбачувані терміни. "Для замовника важливо, скільки проектів було зроблено виробником, це знижує шанси на те, що "поїдуть" терміни та вартість", - каже експерт.

Іншим фактором, який привертає увагу до російських підрядників, є вартість реакторів: оскільки проект ВВЕР-1200 багаторазово випробувано, витрати на його реалізацію гранично оптимізовані, додає Валерій Семикашев. При будівництві АЕС «Аккую» реалізовано модель Build-Own-Operate: після закінчення будівництва «Росатом» продовжить володіти станцією та експлуатувати її.

Олександр Уваров підкреслює особливості «Росатому»: «У Росії це держкорпорація, до складу якої входять всі необхідні підрозділи. В американців в атомній галузі — приватні компанії, кожна зі своєю спеціалізацією, їм, щоби щось побудувати, треба в консорціуми об'єднуватися, а це не завжди виходить вдало».

"Аналіз економічної діяльності компанії "Росатом" дозволяє сказати, що її частка у високотехнологічному експорті Росії (26,5% - за даними Конференції ООН з торгівлі та розвитку (ЮНКТАД) у 2022 році) демонструє лідерство в сегменті", - вважає голова правління АНО «Рада щодо розвитку зовнішньої торгівлі» Максим Черешнєв. Причому 2013 року ця частка, за словами експерта, становила 15,7% і останнє десятиліття постійно зростала. І, ймовірно, продовжить зростати, зазначають експерти.

Так, за даними Всесвітньої ядерної асоціації, до 2040 року обсяг атомної генерації у світі планується довести до 686 ГВт, що приблизно в 1,7 раза вище за поточний рівень. У тому числі, за рахунок атомних станцій малої потужності (АСММ). «Росатом» у Якутії у 2023 році почав будувати АСММ в Усть-Куйзі, на Чукотці вже чотири роки працює плавучий енергоблок «Академік Ломоносів», які разом із досвідом будівництва великих АЕС є серйозною заявкою на збереження лідерства «Росатома» у високотехнологічному експорті.

Де виробляють атомні реактори

Історія ядерних реакторів розпочалася у першій половині XX століття. У 1930-ті роки вчені активно досліджували процеси розподілу атомного ядра та можливості використання цього явища для отримання енергії.

У Радянському Союзі роботи зі створення ядерних реакторів розпочалися одразу після закінчення Другої світової війни.

Перший радянський ядерний реактор Ф-1 було запущено 25 грудня 1946 року під керівництвом Ігоря Курчатова.

Він був уран-графітовим і використовувався переважно для дослідницьких цілей.

Дивіться інші об'єкти

ВВЕР-210

1961 року на Іжорському заводі, розташованому неподалік Ленінграда, стався поворотний момент в історії ядерної енергетики. З воріт підприємства виїхав перший реактор ВВЕР-210. Його доставили на майданчик Нововоронезької АЕС і через три роки успішно ввели в експлуатацію.

Завод, який створив такого гіганта, вже тоді вважався одним із флагманів вітчизняної промисловості.

До кінця 1970-х років він залишався головним підприємством країни з випуску обладнання атомних електростанцій. До 1975 року тут було зроблено реакторні установки для 19 атомних енергоблоків.

Успіх проекту дав поштовх зростанню потужності реакторів та будівництву аналогічних установок на батьківщині. 1979 року на заводі виготовили реактор потужністю 1 тисяча МВт для Нововоронезької АЕС, а вже 2011 року — перший ВВЕР-1200 уже для Нововоронезької АЕС-2.

Сучасні підприємства Іжорського промислового майданчика входять до машинобудівного дивізіону Росатому і сьогодні здатні виробляти атомні реактори ВВЕР потужністю 1 тисяча та 1,2 тисячі МВт (ВВЕР-1000 та ВВЕР-1200).

ВВЕР-210 показав, що водо-водяні реактори можуть бути ефективним та надійним джерелом енергії. Саме завдяки надійному енергопостачанню промисловості у 1960-ті роки було збудовано та піднявся у повітря перший у світі надзвуковий пасажирський літак Ту-144, а до космосу вирушив перший радянський супутник зв'язку «Блискавка-1».

Дивіться інші об'єкти

ВВЕР-440

У 1970-ті роки були розроблені та впроваджені реактори серії ВВЕР-440, потужніші та безпечніші, ніж прабатько.

Вони набули широкого поширення на території Радянського Союзу та європейських країн.

Досі їх успішно експлуатують на АЕС «Пакш» в Угорщині, АЕС «Дуковани» у Чехії та АЕС «Ловіїза» у Фінляндії.

Стабільне енергопостачання є критично важливим для роботи обчислювальних центрів, космічних апаратів, медичного обладнання та промислових підприємств.

Тому саме цього десятиліття почала діяти програма орбітальних станцій «Салют», з'явилися перші кишенькові калькулятори, персональні комп'ютери та системи комп'ютерної та магнітно-резонансної томографії.

Дивіться інші об'єкти

ВВЕР-1000

Наступним значним етапом розвитку стали реактори серії ВВЕР-1000, ще потужніші та надійніші. Перший енергоблок з таким реактором було введено в експлуатацію на Нововоронезькій АЕС у 1980 році.

У це десятиліття на земній космічній орбіті затишно влаштувалася орбітальна станція «Мир», у людства з'явилися перші суперкомп'ютер та мобільний телефон, на промислових підприємствах людей почали поступово замінювати роботи, а супутникова навігація перейшла з фантастики у реальність.

Дивіться інші об'єкти

Ростовська АЕС

Реактори ВВЕР — символ стабільного та надійного енергопостачання, що є критично важливим для функціонування великих підприємств та комфортного життя населення.

Яскравим прикладом впливу АЕС з реакторами ВВЕР на розвиток регіону є історія міста Волгодонська. Будівництво Ростовської АЕС, розпочате 1977 року, стало каталізатором розвитку району.

Тут розмістилися заводи атомного машинобудування, виробництва синтетичних волокон та інші підприємства, які залучені перспективою стабільного енергопостачання.

Дивіться інші об'єкти

Реакторний кіт

На одній із АЕС із реактором ВВЕР стався курйозний випадок: під час планового огляду обладнання у турбінній залі виявили кота, який якимось чином проник на станцію.

Тварину благополучно спіймали та повернули до найближчого селища, а історія стала місцевою легендою.

Дивіться інші об'єкти

ВВЕР-1200

Сучасний етап розвитку ВВЕР розпочався у 2000-ті з появою ВВЕР-1200. Вони оснащені новітньою системою пасивної безпеки, яка здатна забезпечувати охолодження активної зони без участі операторів та зовнішніх джерел енергії.

Перший реактор цього типу було введено в експлуатацію в Росії у 2017 році на Нововоронезькій АЕС-2.

Без стабільних джерел енергії неможливо розвивати хмарні обчислення, штучний інтелект, машинне навчання та квантові комп'ютери. Енергія ВВЕР живить найпотужніші дата-центри, електромобілі та високошвидкісні поїзди «Ластівка» та «Сапсан», лабораторії та наукові центри, де створюються нові матеріали, унікальні технології очищення води та повітря та багато іншого.

Дивіться інші об'єкти

Волгодонський Атоммаш

Реактори ВВЕР є основним експортним продуктом Росії серед енергетичних реакторів. Виробництво ВВЕР у нашій країні зосереджено на підприємствах Держкорпорації "Росатом", яка є найбільшим гравцем на російському та світовому ринках ядерної енергетики.

Важливим виробником обладнання для АЕС з реакторами ВВЕР є волгодонський «Атоммаш», що входить до машинобудівного дивізіону Росатома.

Будівництво «Атоммашу» в 1970-і роки було ударним всесоюзним комсомольським будівництвом, і в 1976 завод почав свою роботу. Проект індустріального гіганта передбачав створення справжнього конвеєра для виробництва атомного устаткування, розрахованого випуск восьми комплектів устаткування ВВЕР-1000 на рік.

Незважаючи на те, що фактичні потужності підприємства були меншими за проектні, «Атоммаш» випустив за часів СРСР понад 100 одиниць ключового обладнання для АЕС у Росії та за кордоном.

По-справжньому потужним атомним конвеєром завод став уже у складі машинобудівного дивізіону Росатому, встановивши у 2023 році світовий рекорд атомного машинобудування, відвантаживши протягом одного року п'ять реакторів та 18 парогенераторів для Росії, Туреччини, Індії та Китаю.

"Атоммаш" оснащений сучасним обладнанням та технологіями, що дозволяє йому виробляти продукцію світового рівня.

Підприємство використовує низку передових технологій, у тому числі роботизовані комплекси для зварювання великогабаритних виробів, неруйнівний контроль якості, включаючи ультразвукову дефектоскопію та рентгенографію, цифрове моделювання, 3D-друк складних компонентів та прототипів, автоматизовані системи управління виробництвом.

Дивіться інші об'єкти