Что такое ядерная энергия?

В конце 1930-х годов мы обнаружили, что некоторые особо крупные атомы, встречающиеся в природе, можно разделить на две (или деление), высвобождая шокирующее количество энергии в виде тепла. Поскольку энергия исходит из ядра атома, мы называем это ядерная энергия.

Когда эти атомы правильно расположены в машине, называемой ядерным реактором, каждое расщепляющееся ядро ​​может побудить своих соседей расщепиться по очереди, создавая управляемую цепную реакцию. Реакторы могут преобразовывать выделяющееся ядерное тепло в электричество, мощность на валу (для питания кораблей), отопление зданий, опресненную воду, водород и многое другое, полезное для человеческой цивилизации.

Сегодня около 430 коммерческих атомных электростанций по всему миру производят около 400 ГВт электроэнергии, что достаточно для питания 400 миллионов средних домохозяйств. Около одной пятой электроэнергии США приходится на ядерную энергетику, которая составляет около половины электроэнергии страны с нулевым выбросом углерода.

Ядерная энергия вызывает споры из-за опасений по поводу радиации. Государственная поддержка варьируется в зависимости от географического положения, но ядерная энергия, как правило, является одной из наименее популярных форм энергии.

Почему некоторые люди так воодушевлены атомной энергетикой?

Нажмите на каждый из заголовков Больше подробностей.

Экстремальная плотность энергии приводит к незначительному загрязнению и потребности в минералах

Поскольку ядерное топливо содержит в миллионы раз больше энергии на единицу массы, чем что-либо другое, можно исключить все побочные продукты из биосферы, в отличие от ископаемого топлива и биотоплива, которые выбрасывают большую часть отходов своего сгорания в воздух, вызывая серьезные проблемы со здоровьем и окружающей средой. В следующей таблице показано, как долго может работать 100-ваттная лампочка при использовании 1 кг различных видов топлива. Природный уран подвергается ядерному делению и, таким образом, достигает чрезвычайно высокой плотности энергии (энергии, запасенной в единице массы).

Плотность энергии различных источников энергии в МДж/кг и время, в течение которого 1 кг каждого материала может работать с нагрузкой 100 Вт. Природный уран не подвергался обогащению (0,7% U-235), уран реакторного качества имеет 5% U-235. Между прочим, 1 кг оружейного урана (95% U-235) мог бы питать все США в течение 177 секунд. Все цифры предполагают 100% преобразование тепла в электричество. Подробнее см. на нашей странице плотности энергии ядерного топлива.

Ядерная энергия не содержит углерода

Расщепление атомов — это безуглеродный процесс, поэтому ядерная энергетика — это глобальное решение проблемы изменения климата. Хотя некоторые процессы в общем жизненном цикле в настоящее время связаны с выбросом углерода, конечным результатом является то, что атомная энергетика почти настолько низкоуглеродна, насколько это возможно. Как только мы электрифицируем строительное и горнодобывающее оборудование и приведем все это в действие с помощью ядерных и других процессов с нулевым выбросом углерода, общий выброс углерода будет стремиться к нулю.

Ядерные реакторы могут производить энергию по мере необходимости

Одной загрузки топлива в реактор хватает на 18+ месяцев, и они, как правило, работают в течение этого времени без остановок. Ни пасмурные дни, ни тихие ночи не помешают доставке ядерной энергии тем, кто от нее зависит. Несмотря на то, что сегодняшние ядерные реакторы делают это нечасто из-за существующей рыночной структуры, они вполне способны увеличивать и уменьшать свою мощность ежедневно до уровня 2-5% полной мощности в минуту! Это может быть важным дополнением к низкоуглеродным, но неконтролируемо прерывистым источникам энергии, таким как ветер и солнечная энергия.

Ядерная энергия устойчива

У нас достаточно ресурсов ядерного топлива, чтобы снабжать мир современными реакторами буквально миллиарды лет. Даже с обычными реакторами до пика урана еще далеко.

Люди потребляют много энергии, и с каждым днем ​​мы используем все больше. В период с 2000 по 2010 год общее потребление энергии в мире выросло на поразительные 29% [1].Выбор в отношении нашего потребления энергии имеет основополагающее значение для основных геополитических и экологических проблем наших дней. Ядерная энергия является сильным кандидатом на то, чтобы снабжать нас энергией, одновременно облегчая эту борьбу.

Каковы недостатки атомной энергетики?

Конечно, нет ничего идеального. В отношении ядерной энергии существует множество давних вопросов и опасений. Нажми для деталей.

Что с отходами?

Когда тяжелые атомы расщепляются и высвобождают энергию, остаются два меньших атома (называемых продукты деления) часто остаются с некоторой дополнительной энергией, которую можно отдать. Эта энергия высвобождается в течение определенного периода времени (самые долгоживущие отходы существуют более 100 000 лет) в виде энергетических частиц, называемых радиация. Высокая радиация опасна и должна быть изолирована от биосферы. Мы еще не договорились о том, что делать с этими высокоактивными ядерными отходами.

Решения для отходов

Мы знаем, как безопасно обращаться с ядерными отходами. Финны просто решили пойти дальше и решить проблему ядерных отходов и построили хранилище в Онкало. У нас есть хороший опыт глубокого геологического захоронения в соляных отложениях, которые были стабильными в течение 250 миллионов лет. Исследования в области технологий глубокого бурения также выглядят многообещающе. Наконец, если мы замкнем топливный цикл и переработаем отработавшее топливо, то оно разложится до безопасного уровня за несколько сотен лет, а не за сотни тысяч. Кроме того, несмотря на опасения, лишь немногие люди когда-либо были ранены хранящимися коммерческими ядерными отходами.

У нас есть подробная страница, посвященная ядерным отходам здесь.

Как насчет срывов?

Радиоактивные продукты деления имеют наибольшую температуру при первом останове реактора. По сути, вы не можете полностью отключить реактор. Это остаточное тепло должно охлаждаться, иначе защитная оболочка, содержащая топливо и отходы, может разрушиться, выпустив радиацию в биосферу. Аварии на Фукусиме и Три-Майл-Айленде были вызваны этим эффектом.Нестабильная конструкция и работа реактора в Чернобыле привели к скачку мощности и повсеместному рассеиванию радиоактивных материалов. Поэтому люди беспокоятся о безопасности реактора.

Решения по безопасности

Атомная энергетика на самом деле сохранен более 1,8 миллиона жизней за счет вытеснения смертей, связанных с загрязнением воздуха, которые произошли бы, если бы заводы, работающие на ископаемом или биотопливе, были построены вместо атомных заводов с чистым воздухом [2]. Сюда входят последствия ядерных аварий для здоровья. Так что они как самолеты; когда один выходит из строя, это большая катастрофа и огромная история, но когда вы смотрите на данные, становится ясно, что ядерные реакторы являются одним из самых безопасных известных способов производства энергии. А передовые конструкции могут сделать их еще более безопасными.

Как насчет распространения ядерного оружия?

Первое применение деления было в качестве атомной бомбы. Пока ядерные реакторы и атомные бомбы существенно различных машин, существует некоторое дублирование технологий, особенно в установках топливного цикла, таких как заводы по обогащению и переработке. Итак, некоторые люди утверждают, что наличие реакторов может облегчить распространение ядерного оружия.

Решения для распространения

Для ядерных установок важно контролировать ядерный материал. Тем не менее, разрабатываются передовые конструкции, которые уменьшают зависимость от обогащения. На самом деле ядерные реакторы полезны для мирного уничтожения ядерного оружия, и в период с конца 1990-х по 2013 год целых 10% электроэнергии США производилось в ядерных реакторах с использованием демонтированных бывших советских ядерных боеголовок в рамках программы «Мегатонны в мегаватты».

Что насчет экономики?

Ядерные реакторы, как правило, большие и сложные, с большим количеством железобетонных и ядерных программ обеспечения качества. В результате их строительство обходится дорого. После того, как они построены, топливо и эксплуатационные расходы становятся относительно дешевыми, но капитальные затраты являются серьезным препятствием.

Экономические решения

Если углекислый газ когда-либо будет рассматриваться как загрязняющее вещество, то ядерные реакторы станут намного более конкурентоспособными.Но определенно есть куда расти! Во многих местах ведутся исследования по снижению стоимости ядерных реакторов. Страны, выбравшие стандартную конструкцию и построившие многие из них, преуспели в снижении затрат.

Тонкая реальность

Способность ядерного деления ответственно производить в глобальном масштабе, круглосуточно и без выходных, (почти) безуглеродную энергию не имеет себе равных среди известных технологий.

Существуют конструкции реакторов следующего поколения, которые могут еще больше сократить количество отходов, повысить безопасность, повысить устойчивость к распространению и снизить затраты. Даже если кто-то не поддерживает нынешнюю атомную энергетику, им трудно игнорировать все возможные усовершенствования. Мы, люди, уже добились впечатляющих достижений.

Из всех известных энергетических ресурсов атомная энергетика, пожалуй, вызывает самые бурные споры и наименее понятную. Наша цель — объяснить, что заставляет одних людей так воодушевляться и поддерживать, а других так страстно сопротивляться. У каждой истории много сторон. Давайте исследуем их глубже.

Деление и синтез

Для производства энергии рассматриваются два основных ядерных процесса: деление и синтез.

• деление представляет собой энергетическое расщепление больших атомов, таких как уран или плутоний, на два меньших атома, называемых продуктами деления. Чтобы расщепить атом, нужно ударить по нему нейтроном. Также высвобождается несколько нейтронов, которые могут расщеплять другие близлежащие атомы, вызывая цепную ядерную реакцию с устойчивым выделением энергии. Эта ядерная реакция была первой из двух открытых. Все действующие коммерческие атомные электростанции используют эту реакцию для выработки тепла, которое они превращают в электричество.
• Слияние представляет собой объединение двух небольших атомов, таких как водород или гелий, для производства более тяжелых атомов и энергии. Эти реакции могут высвобождать больше энергии, чем деление, но при этом не производят столько радиоактивных побочных продуктов.На Солнце происходят термоядерные реакции, обычно использующие водород в качестве топлива и производящие гелий в качестве отходов (забавный факт: гелий был обнаружен на Солнце и назван в честь греческого бога Солнца Гелиоса). Эта реакция еще не получила коммерческого развития и представляет серьезный исследовательский интерес во всем мире из-за ее обещания почти безграничной энергии с низким уровнем загрязнения и нераспространения. Подробнее читайте на нашей странице Fusion.

Куда пойти отсюда

Взгляните на панель навигации в верхней части страницы (или щелкните значок линии, если вы находитесь на маленьком экране). Вы найдете информацию по всевозможным актуальным темам. Для начала ознакомьтесь с тем, что такое ядерный реактор? страница.

Другие основные моменты включают в себя:

• История развития ядерных реакторов
• Возраст Земли
• Радиация на рейсах

Одна из наших наиболее уникальных особенностей — это личный рассказ об аварии на Чернобыльской АЭС, написанный матерью и отцом одного из наших авторов, которые жили поблизости.

Вот слайды из нашего выступления 1 ноября 2016 года в Naked City.

Избранные страницы

Наша цель

Чтобы ответить на это общее мнение:

«Честно говоря, я чувствую, что не поддерживаю это, но я почти ничего об этом не знаю».

Девушка в Анн-Арборе, Мичиган
Парень стоит там

Товар

«Энергия является частью исторического процесса, заменой человеческого труда. По мере того, как развиваются человеческие устремления, растет и развивается потребность в энергии и ее использование».

Дэвид Лилиенталь, Атомная энергия: новое начало

использованная литература

1. International Energy Outlook, Управление энергетической информации США.
2. Хареча и Хансен, «Предотвращение смертности и выбросов парниковых газов от исторической и проектируемой ядерной энергетики»,Окружающая среда. науч. Технол., 2013, 47 (9), стр. 4889–4895.
3. Schlomer S., et.al., 2014: Приложение III: Параметры стоимости и производительности для конкретных технологий. В: Изменение климата 2014: смягчение последствий изменения климата. Вклад Рабочей группы III в 5-й оценочный доклад МГЭИК)
4. Технические и экономические аспекты отслеживания нагрузки на атомных электростанциях (ОЭСР-АЯЭ, 2011 г.)