Как работает ядерная энергетика
На базовом уровне ядерная энергетика — это практика расщепления атомов для кипячения воды, вращения турбин и выработки электроэнергии.
Принципы ядерной энергетики
Принципы ядерной энергетики
Атомы устроены подобно миниатюрным солнечным системам. В центре атома находится ядро; вокруг него вращаются электроны.
Ядро состоит из протонов и нейтронов, очень плотно упакованных вместе. Водород, самый легкий элемент, имеет один протон; самый тяжелый природный элемент, уран, имеет 92 протона.
Ядро атома удерживается вместе с огромной силой, «самой сильной силой в природе». При бомбардировке нейтроном он может быть разделен на части, процесс, называемый делением (на фото справа). Поскольку атомы урана такие большие, атомная сила, которая связывает их вместе, относительно слаба, что делает уран пригодным для деления.
На атомных электростанциях нейтроны сталкиваются с атомами урана, расщепляя их. Это расщепление высвобождает нейтроны из урана, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами, вызывая цепную реакцию. Эта цепная реакция управляется с помощью «регулирующих стержней», которые поглощают нейтроны.
В активной зоне ядерных реакторов при делении атомов урана высвобождается энергия, которая нагревает воду примерно до 520 градусов по Фаренгейту. Эта горячая вода затем используется для вращения турбин, которые подключены к генераторам, производящим электроэнергию.
Добыча и переработка
Добыча и переработка ядерного топлива
Уран — один из наименее распространенных минералов, составляющий всего две части на миллион в земной коре, — но из-за своей радиоактивности он является обильным источником энергии. Один фунт урана обладает такой же энергией, как три миллиона фунтов угля.
Радиоактивные элементы постепенно распадаются, теряя свою радиоактивность. Время, необходимое для потери половины своей радиоактивности, называется «периодом полураспада». U-238, наиболее распространенная форма урана, имеет период полураспада 4,5 миллиарда лет.
Уран содержится в ряде геологических образований, а также в морской воде. Однако, чтобы его можно было добывать в качестве топлива, он должен быть достаточно концентрированным, составляющим не менее одной сотни частей на миллион (0,01 процента) породы, в которой он находится.
В США уран добывают из месторождений песчаника в тех же регионах, что и уголь. Вайоминг и регион Четыре угла производят большую часть урана в США.
Процесс добычи аналогичен добыче угля, как открытым, так и подземным способом. Он оказывает аналогичное воздействие на окружающую среду с дополнительной опасностью радиоактивности хвостов урановых рудников. Подземные воды могут быть загрязнены не только тяжелыми металлами, присутствующими в отходах шахт, но и следами радиоактивного урана, все еще остающимися в отходах. Половина людей, занятых в уранодобывающей промышленности, занимаются очисткой шахт после использования.
По оценкам Министерства энергетики, доказанные запасы урана в США составляют не менее 300 миллионов фунтов, в основном в Нью-Мексико, Техасе и Вайоминге. Электростанции США ежегодно используют более 40 миллионов фунтов уранового топлива. Вероятно, гораздо больше урана будет доступно за пределами наших разведанных запасов.
Уран бывает двух видов: U-235 и U-238.Уран, встречающийся в природе, состоит более чем на 99 процентов из U-238; к сожалению, U-235 — это то, что используется в силовых установках. U-238 также может быть переработан в плутоний, который также расщепляется.
После добычи урановая руда отправляется на перерабатывающий завод для концентрирования в полезное топливо. В США 16 перерабатывающих заводов, хотя восемь из них бездействуют. Большая часть уранового концентрата производится путем выщелачивания урана из руды кислотами. (Иногда концентрат производится под землей, без извлечения урановой руды.) По завершении урановая руда превращается в U3O8, топливную форму урана, и формуется в небольшие окатыши.
Затем гранулы упаковываются в стержни длиной 12 футов, называемые топливными стержнями. Стержни связываются вместе в тепловыделяющие сборки, готовые к использованию в активной зоне реактора.
По состоянию на 2012 год более 80% урана, закупаемого для гражданских ядерных реакторов, импортировалось в США, а не добывалось внутри страны, что создавало торговый дефицит. Основными поставщиками являются Россия, Канада, Австралия, Казахстан и Намибия.
Ядерные реакторы
Ядерные реакторы
В настоящее время в США эксплуатируется 99 коммерческих ядерных реакторов. Более дюжины коммерческих реакторов были остановлены навсегда, и, вероятно, в ближайшие годы будет объявлено о выводе из эксплуатации новых реакторов.
Большинство действующих станций представляют собой «легководные» реакторы, то есть они используют обычную воду в активной зоне реактора. За границей используются различные реакторные технологии, например, реакторы на «тяжелой воде» в Канаде. На американские реакторы приходится более четверти мощностей атомной энергетики в мире.
В Соединенных Штатах две трети реакторов представляют собой реакторы с водой под давлением (PWR), а остальные — реакторы с кипящей водой (BWR). В реакторе с кипящей водой, показанном выше, вода превращается в пар, а затем направляется через турбину для производства электроэнергии.
В водо-водяных реакторах вода в активной зоне находится под давлением и не допускает кипения.Тепло передается воде за пределами активной зоны с помощью теплообменника (также называемого парогенератором), кипячения внешней воды, выработки пара и питания турбины. В реакторах с водой под давлением кипящая вода не участвует в процессе деления и поэтому не становится радиоактивной.
После того, как пар используется для питания турбины, он охлаждается, чтобы снова сконденсироваться в воду. Некоторые заводы используют воду из рек, озер или океана для охлаждения пара, в то время как другие используют высокие градирни. Градирни в форме песочных часов — знакомая достопримечательность многих атомных электростанций. На каждую единицу электроэнергии, произведенной атомной электростанцией, в окружающую среду выбрасывается около двух единиц сбросного тепла.
Мощность коммерческих атомных электростанций варьируется от примерно 60 МВт для станций первого поколения в начале 1960-х годов до более 1000 МВт. Многие станции содержат более одного реактора. Например, электростанция Пало-Верде в Аризоне состоит из трех отдельных реакторов, каждый мощностью 1334 МВт.
В некоторых зарубежных конструкциях реакторов используются охлаждающие жидкости, отличные от воды, для отвода тепла деления от активной зоны. Канадские реакторы используют воду, насыщенную дейтерием (так называемую «тяжелую воду»), в то время как другие имеют газовое охлаждение. На одном заводе в Колорадо, который в настоящее время закрыт навсегда, в качестве хладагента использовался газообразный гелий (так называемый высокотемпературный реактор с газовым охлаждением). Некоторые заводы используют жидкий металл или натрий.
Ядерные отходы
Ядерные отходы
К концу 2011 года ядерными реакторами в США было произведено более 67 000 метрических тонн высокорадиоактивных отходов. Это увеличивается примерно на 2000 метрических тонн каждый год.
До середины 1970-х планировалось перерабатывать отработанный уран в новое топливо.
Поскольку побочным продуктом переработки является плутоний, который можно использовать для изготовления ядерного оружия, президент Картер приказал прекратить переработку, сославшись на риски для безопасности. Переработке также было трудно экономически конкурировать с новым урановым топливом.
С тех пор Министерство энергетики занимается изучением хранилищ для долгосрочного захоронения отходов, особенно на горе Юкка в Неваде. Под видом исследований Министерство энергетики построило полномасштабную систему туннелей в горах стоимостью более 5 миллиардов долларов.
Хотя Юкка-Маунтин еще официально не выбрана, другие места не рассматриваются.
Тем временем радиоактивные отходы хранятся на атомных станциях, где они производятся. Наиболее распространенным вариантом является хранение его в бассейнах охлаждения отработавшего топлива, больших резервуарах со стальной футеровкой, которые используют электричество для циркуляции воды. По мере заполнения этих бассейнов некоторые топливные стержни перемещаются в большие стальные и бетонные контейнеры, которые считаются более безопасными.
Помимо отработавшего топлива, на самих станциях содержатся радиоактивные отходы, которые необходимо утилизировать после их остановки. Установки можно либо немедленно разобрать, либо хранить в хранилище в течение нескольких лет, чтобы дать время радиации снизиться. Большая часть завода считается «низкоактивными отходами» и может храниться в менее безопасных местах.
В настоящее время низкоактивные отходы принимаются только на двух объектах: в Барнуэлле в Южной Каролине и Хэнфорде в Вашингтоне. NRC оценивает затраты на вывод из эксплуатации в диапазоне от 133 до 303 миллионов долларов на станцию, но до сих пор не было выведено из эксплуатации ни одного крупного реактора. Некоторые из них находятся на хранении в ожидании вывода из эксплуатации в будущем.
Рост ядерной энергетики
Рост ядерной энергетики
Принципы ядерной энергетики были сформулированы физиками в начале 20 века. В 1939 году немецкие ученые открыли процесс деления, спровоцировав гонку с американскими учеными за использование невероятной силы деления для создания бомбы.
Благодаря напряженным усилиям Манхэттенского проекта к 1945 году была создана атомная бомба, которая использовалась для уничтожения Хиросимы и Нагасаки в конце Второй мировой войны.
После войны «великая атомная энергия» рассматривалась как потенциальный новый источник энергии.Правительственная программа Plowshare Program считала, что атомные взрывы будут экономичным способом рытья каналов и резервуаров с питьевой водой, а также добычи газа и нефти. Еще в 1960-х годах над землей и под землей запускали бомбы для проверки различных идей.
К 1980 году взрывы воронок, вероятно, станут достаточно безопасными, чтобы брать на себя гигантские земляные работы, такие как строительство нового судоходного канала через Панамский перешеек. Эту работу можно было бы выполнить с помощью 651 водородной бомбы общей мощностью 42 мегатонны. Чтобы построить его с помощью обычных взрывчатых веществ, потребуется почти шесть миллиардов долларов, а с использованием ядерных взрывов чуть больше двух миллиардов. Раскопки, которые заняли почти 20 лет для старого канала, могут занять всего пять лет для нового.
«Энергия» из Библиотеки наук о жизни, под редакцией Митчелла Уилсона, Time Incorporated, Нью-Йорк, 1963.
Подпишитесь на электронную почту UCS сегодня
Получайте последние новости о нашей работе, чтобы сделать выбор в пользу экологически чистой энергии, и о том, как вы можете помочь, прямо из вашего почтового ящика.
Зарегистрировавшись, вы будете получать электронные письма от UCS. Вы можете отказаться от участия в любой момент.
Более успешное использование атомной энергии было в ядерных реакторах. Адмирал Хайман Риковер руководил разработкой малых реакторов для подводных лодок, значительно увеличив их радиус действия и мощность. USS Nautilus был спущен на воду в 1954 году.
К концу 1950-х годов ядерная энергетика начала развиваться для коммерческого производства электроэнергии, сначала в Англии. В Моррисе, штат Иллинойс, в 1960 году был построен первый в США коммерческий реактор, завод в Дрездене. Завод в Шиппорте, штат Пенсильвания, был запущен в 1957 году, но не находился в коммерческой собственности.
Глава Комиссии по атомной энергии Льюис Штраус сказал в 1954 году, что «не слишком много ожидать, что наши дети будут получать в своих домах электроэнергию, слишком дешевую для измерения». AEC была активным пропагандистом ядерной энергетики на протяжении 1950-х и 60-х годов. В то же время он должен был стать регулятором отрасли.В результате многие из ранних опасений по поводу безопасности ядерной энергетики были подавлены. Любое рассмотрение долгосрочных эффектов и опасностей было преуменьшено.
В 1963 году General Electric продала завод Oyster Creek в Нью-Джерси компании General Public Utilities (позже перешедшей в собственность Three Mile Island) за 60 миллионов долларов, что намного меньше фактической стоимости строительства. Business Week охарактеризовал завод как «лидера с наибольшими убытками в американской промышленности», оценив, что GE потеряла 30 миллионов долларов на сделке, чтобы выиграть тендер. Это положило начало тенденции строительства атомных станций «под ключ» — станций, которые продавались коммунальным предприятиям только после завершения строительства. Такие заводы «под ключ» позволили атомной промышленности начать работу, и в конце 1960-х годов количество заказов на заводы резко возросло.
Падение ядерной энергетики
Падение ядерной энергетики
Поглотив как можно больше убытков, производители прекратили предлагать готовые изделия. К 1970-м годам было построено, строятся или планируются около 200 заводов. Но ряд факторов положил конец ядерному буму.
Во-первых, перерасход средств показал истинную стоимость атомных станций. Как только коммунальные предприятия начали строить заводы по своим собственным проектам, отсутствие у них опыта работы с технологиями, использование уникальных проектов для каждого завода и подход «строительство с опережением проекта» привели к огромному перерасходу средств.
Поскольку на строительство ушли годы, коммунальные предприятия вложили в завод огромные суммы денег до того, как возникли какие-либо проблемы. Cincinnati Gas and Electric, например, влезла в долги на 716 миллионов долларов, чтобы построить свою атомную электростанцию Zimmer, что составляет около 90 процентов чистой стоимости коммунального предприятия. Тем не менее, коммунальное предприятие отменило строительство завода в 1983 году.
Во-вторых, цены на энергоносители быстро росли в 1970-х годах из-за нефтяного эмбарго ОПЕК, проблем с рабочей силой в угольной промышленности и нехватки природного газа. Эти высокие цены привели к повышению энергоэффективности и снижению спроса на энергию.После многих лет ежегодного увеличения спроса на электроэнергию на 7% к концу 1970-х годов годовой рост упал всего до 2%. Поскольку атомные электростанции были большими, часто более 1000 МВт каждая, замедление роста спроса означало, что они были недостаточно загружены, что еще больше усугубляло долговое бремя коммунальных предприятий.
В-третьих, рост цен на энергоносители спровоцировал рост инфляции. Высокая инфляция означала высокие кредитные ставки. Коммунальные предприятия по уши в долгах от атомных электростанций столкнулись с ростом процентных ставок и были вынуждены поднять цены на электроэнергию. Государственные комиссии по коммунальным предприятиям, которые уделяли мало внимания финансам коммунальных предприятий в эпоху снижения тарифов, внезапно проявили живой интерес к решениям коммунальных предприятий об инвестициях в электростанции.
В-четвертых, критически важные комиссии коммунальных служб с меньшей вероятностью переложили все инвестиционные затраты на плательщиков коммунальных услуг. В Нью-Йорке комиссия постановила, что четверть стоимости атомной электростанции в Шорхэме не была «понесена благоразумно» и вызвала убыток в размере 1,35 миллиарда долларов для акционеров коммунального предприятия. Инвесторы быстро стали с подозрением относиться к рискованным и крупным инвестициям в ядерную энергетику.
В-пятых, общественная оппозиция атомным станциям набрала обороты в 1970-х годах. Заводы в Сибруке, Нью-Гэмпшир, и Шорхэме, Лонг-Айленд, были в центре интенсивных антиядерных протестов. Вмешиваясь в решения о размещении и лицензировании, антиядерные группы, правительства штатов и местные органы власти смогли заблокировать или отсрочить строительство станций.
В 1979 году расплавление активной зоны реактора на АЭС «Три-Майл-Айленд» стало просто последней из ряда проблем для отрасли. Более пристальное внимание со стороны Комиссии по ядерному регулированию вынудило строителей станций изменить проект в процессе производства. Хотя сторонники ядерной энергетики обвиняют государственное регулирование в бедах отрасли, федеральное правительство остается самым сильным союзником отрасли. Только после Три-Майл-Айленда «сторожевой пес» был готов выполнить свой долг.
К 1980-м годам атомная промышленность столкнулась с серьезными проблемами.После 1978 г. новые заводы не заказывались, а все заводы, заказанные с 1973 г., позже были аннулированы. Журнал Forbes сообщил в 1985 году, что выборка из 35 строящихся заводов, как ожидается, будет стоить в шесть-восемь раз больше их первоначальной оценки, а на строительство уйдет вдвое больше времени, чем планировалось, — с шести до двенадцати лет.
Они назвали атомную энергетику «величайшей управленческой катастрофой в истории бизнеса». В конце концов, в период с 1972 по 1990 год было закрыто 120 заводов, больше, чем было построено.
Будущее ядерной энергетики
Будущее ядерной энергетики
Реакторы в США изначально имели лицензию на эксплуатацию до 40 лет. Начиная с двух реакторов на атомной электростанции Calvert Cliffs в Мэриленде, многие владельцы обратились в NRC за разрешением на продление лицензий на эксплуатацию реакторов еще на 20 лет.
Почти три четверти американского флота были повторно лицензированы, и NRC рассматривает несколько других запросов на продление лицензии. Второй раунд продления лицензии на 20 лет в настоящее время обсуждается между NRC, Министерством энергетики и атомной промышленностью.
В 2012 году NRC выдала лицензии на два новых реактора на атомной электростанции Vogtle в Джорджии и два новых реактора на атомной станции Virgil C. Summer в Южной Каролине. Это первые лицензии на новые реакторы, выданные почти за два десятилетия.
Разрешение, выданное в 2012 году на строительство и эксплуатацию четырех новых реакторов, было компенсировано решениями 2013 года о окончательном закрытии четырех действующих реакторов — энергоблока 3 «Кристал-Ривер» во Флориде, энергоблока Кевони в Висконсине и энергоблоков 2 и 3 в Сан-Онофре в Калифорнии. Жесткая конкуренция со стороны природного газа повлияла на решение вывести Kewaunee из эксплуатации, в то время как непредвиденные проблемы, возникшие при замене стареющих компонентов, привели к закрытию трех других реакторов. В 2013 году было также объявлено, что осенью 2014 года будет окончательно остановлен пятый реактор, атомная электростанция Vermont Yankee. Другие реакторы по всей стране последовали этому примеру.
Степень, в которой ядерная энергетика остается основным источником энергии в США, зависит от многих переменных, включая ее роль в борьбе с изменением климата, ядерную безопасность, стоимость и рост других источников энергии.
