Что такое ядерные и термоядерные реакторы?
В горячей зоне реактора в обоих случаях происходят ядерные реакции, которые приводят к выделению тепла. Разница в том, что в АЭС основными реакциями является деление тяжёлых ядер, в первую очередь урана, на более лёгкие. В термоядерных ставка сделана на реакции синтеза лёгких ядер с образованием более тяжёлых. Основная реакция в данном случае – превращение водорода в гелий.
После загрузки топливных сборок в атомный реактор (30–200 тонн урана в зависимости от модели) он может длительное время работать и вырабатывать электричество без добавления или замены сборок. В этом существенное отличие АЭС от угольных и газовых теплоэлектростанций (ТЭС), которым требуется бесперебойная поставка больших партий того либо другого. Получается, топлива нужно совсем немного, и его хватает надолго. В случае термоядерных реакторов его нужно будет ещё меньше, так как энерговыделение от одного килограмма топлива в реакциях синтеза выше, чем в реакциях деления.
Какие у ядерных и термоядерных реакторов плюсы?
АЭС являются абсолютными лидерами с точки зрения минимизации выброса парниковых газов. По оценке Агентства по ядерной энергии Организации экономического сотрудничества и развития, при выработке 1 кВт⋅ч электроэнергии на АЭС выделяется эквивалентно около 10 граммов углекислого газа – приблизительно столько же, сколько при генерации энергии на ветряных станциях. На всех остальных электростанциях (включая водные и солнечные) суммарные выбросы углекислого газа при изготовлении, эксплуатации и утилизации станций оказываются гораздо выше. Для сравнения: угольные и газовые электростанции при производстве 1 кВт⋅ч энергии производят по 1000 и 500 граммов углекислого газа соответственно. Однако нужно упомянуть, что АЭС всё же вносят свой вклад в глобальное потепление: они вырабатывают много тепла, только часть которого затем превращается в электричество.
Не менее важный фактор – безопасность станций для сотрудников. Задумываетесь ли вы, сколько людей может погибнуть, чтобы в вашем дома всегда горел свет? При добыче и транспортировке угля и нефти из-за аварий и несчастных случаев в мире погибает много шахтеров, нефтяников и других сотрудников энергетических компаний. Для угольной и нефтяной отрасли – это 120 и 100 человек в год для того, чтобы обеспечить производство электричества мощностью 1000 ГВт. В случае современных АЭС при сопоставимом объёме энергии погибает всего 0,01 человека в год, в десять тысяч раз меньше! А для термоядерных станций этот показатель будет ещё ниже.
Какие у ядерных и термоядерных реакторов недостатки?
В первую очередь, это опасность аварий и инцидентов с радиоактивным топливом и самим реактором. На современных атомных станциях вероятность подобных событий существенно снижена после аварии на Чернобыльской АЭС, но всё равно не является нулевой.
Ещё одной особенностью АЭС является то, что нежелательно менять её мощность. Для ядерного реактора оптимальный и самый безопасный вариант – работать длительное время на постоянном энерговыделении и при неизменных параметрах (например, температуре внутри горячей зоны). Но потребителям (населению и предприятиям) не нужно всё время одинаковое количество электроэнергии. Ночью мы спим, и почти все электроприборы выключены. Утром мы просыпаемся и идём на кухню греть чайник – наше энергопотребление резко возрастает. Получается, электростанции должны менять свою мощность (маневрировать), подстраиваясь под потребности пользователей. Для ядерных реакторов изменение мощности нежелательно, поэтому они должны работать в связке с другими электростанциями, которые могут без проблем маневрировать, например с гидроэлектростанциями.
Какая мощность у станций, которые строят сейчас?
Последние десятилетия во всем мире современные реакторы идут по пути увеличения мощности одного энергоблока: например, самый современный ВВЭР-1200 имеет электрическую мощность около 1200 МВт. Примерно столько потребляет днём половина города-миллионника Новосибирска, то есть мощные атомные станции нужны в первую очередь крупным городам и большим заводам. Для менее крупных потребителей была бы оптимальна умеренная мощность (100–500 МВт). Такую электростанцию, особенно если она компактная и может маневрировать, можно поставить где угодно.
Строительство более мощных АЭС обусловлено высокой стоимостью лицензирования, разрешительной документации и также затратами на этапе строительства. В общем, выгоднее построить более мощный реактор, так как он вырабатывает больше энергии, при продаже которой будет получено больше денег за тот же самый промежуток времени.
Если говорить о перспективных термоядерных станциях, то, видимо, они смогут легко маневрировать, изменяя выделяемую в реакциях синтеза мощность. Кроме того, их можно будет строить и с меньшей мощностью для менее крупных потребителей. Для безтритиевых термоядерных реакторов получить разрешение, согласовать строительство и эксплуатацию будет намного легче, потому что радиоактивные материалы не будут использоваться в качестве поставляемого на данную станцию топлива и не будут в большом количестве храниться на площадке станции, как это происходит на АЭС сейчас.
Какие перспективы у ядерных и термоядерных реакторов?
Доля атомной энергетики в общей выработке электричества в России сейчас составляет 20%, в мире – около 11%. Наибольшее количество электроэнергии вырабатывается на АЭС в США, Франции и Китае. Россия находится на четвёртом месте в мире по количеству вырабатываемой на ядерных реакторах электрической энергии – более 200 миллиардов кВт⋅ч за год.
Последнее десятилетие вклад атомных электростанций в производство электроэнергии в мире снижается: если в 1996 году АЭС давали почти 18% мировой электроэнергии, то сейчас только 11%. Очень активно идёт стройка новых реакторов в Китае и в Азии в целом, то есть развитие ядерной энергетики в мире не останавливается, несмотря на растущую радиофобию в западных странах.
Согласно Энергетической стратегии России, планируется продолжить строительство новых реакторов поколения «3+», которые исходно спроектированы с возможностью маневрировать мощностью в диапазоне 50–100%. Доля таких реакторов к 2035 году должна достигнуть 40%. В России продолжается развитие реакторов малой мощности, а также реакторов на быстрых нейтронах для замыкания ядерного топливного цикла.
Термоядерные реакторы пока не вырабатывают электричество: сейчас все действующие установки являются исследовательскими. В ближайшее десятилетие ситуация не изменится, так как освоение термоядерного синтеза требует от человечества больших усилий . Такие реакторы смогут вырабатывать электроэнергию только тогда, когда станут гораздо более эффективными и мощными, чем сейчас.
Иллюстрация Елены Рюминой
Может быть интересно:
