الطاقة النووية باختصار. الطاقة النووية في روسيا هي قاطرة لتطوير الصناعات الأخرى

تم استخدام الطاقة النووية لتحويلها إلى كهرباء لأول مرة في بلدنا في عام 1954. وتم تشغيل أول محطة للطاقة النووية (NPP) بسعة 5000 كيلووات في أوبنينسك. تم استخدام الطاقة المنطلقة في مفاعل نووي لتحويل الماء إلى بخار، والذي يقوم بعد ذلك بتدوير توربين متصل بمولد. تطوير الطاقة النووية. تعمل محطات نوفوفورونيج ولينينغراد وكورسك وكولا وغيرها من محطات الطاقة النووية على نفس المبدأ. وتبلغ قدرة مفاعلات هذه المحطات 500-1000 ميجاوات. يتم بناء محطات الطاقة النووية في المقام الأول في الجزء الأوروبي من البلاد. ويرجع ذلك إلى مميزات محطات الطاقة النووية مقارنة بمحطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالوقود الأحفوري. ولا تستهلك المفاعلات النووية الوقود العضوي النادر ولا تثقل كاهل النقل بالسكك الحديدية بنقل الفحم. لا تستهلك محطات الطاقة النووية الأكسجين الجوي ولا تلوث البيئة بالرماد ومنتجات الاحتراق. ومع ذلك، فإن إقامة محطات الطاقة النووية في المناطق المكتظة بالسكان يشكل تهديدا محتملا. وفي مفاعلات النيوترونات الحرارية (أي البطيئة)، يتم استخدام 1-2% فقط من اليورانيوم. ويتم تحقيق الاستخدام الكامل لليورانيوم في مفاعلات النيوترونات السريعة، والتي تضمن أيضًا إنتاج وقود نووي جديد على شكل بلوتونيوم. في عام 1980، تم إطلاق أول مفاعل نيوتروني سريع في العالم بقدرة 600 ميجاوات في محطة الطاقة النووية في بيلويارسك. الطاقة النووية، مثل العديد من الصناعات الأخرى، لها آثار بيئية ضارة أو خطيرة. الخطر المحتمل الأكبر هو التلوث الإشعاعي. تنشأ مشاكل معقدة عند التخلص من النفايات المشعة وتفكيك محطات الطاقة النووية القديمة. تبلغ مدة خدمتها حوالي 20 عامًا، وبعد ذلك يصبح من المستحيل استعادة المحطات بسبب التعرض طويل الأمد للإشعاع على المواد الإنشائية. تم تصميم محطة الطاقة النووية مع الأخذ في الاعتبار أقصى درجات السلامة للعاملين في المحطة والجمهور. تظهر تجربة تشغيل محطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم أن المحيط الحيوي محمي بشكل موثوق من التأثيرات الإشعاعية لمحطات الطاقة النووية في التشغيل العادي. ومع ذلك، أظهر انفجار المفاعل الرابع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية أن خطر تدمير قلب المفاعل بسبب أخطاء الموظفين وسوء التقدير في تصميم المفاعلات لا يزال واقعا، لذلك يتم اتخاذ الإجراءات الأكثر صرامة للحد من هذا الخطر. . يتم تركيب المفاعلات النووية على الغواصات النووية وكاسحات الجليد. السلاح النووي. يتم إجراء تفاعل متسلسل غير منضبط مع عامل تكبير نيوتروني كبير في القنبلة الذرية. من أجل حدوث إطلاق فوري للطاقة (الانفجار)، يجب أن يستمر التفاعل مع النيوترونات السريعة (دون استخدام 235 وسيطًا). المادة المتفجرة هي يورانيوم نقي g2U أو 239 بلوتونيوم 94Pu. ولكي يحدث انفجار، يجب أن تتجاوز المادة الانشطارية حجمًا حرجًا. ويتم تحقيق ذلك إما عن طريق الجمع السريع بين قطعتين من المواد الانشطارية ذات أبعاد دون الحرجة، أو عن طريق ضغط قطعة واحدة بشكل حاد إلى حجم ينخفض ​​عنده تسرب النيوترونات عبر السطح كثيرًا بحيث تصبح أبعاد القطعة فوق الحرجة. ويتم تنفيذ كلا العمليتين باستخدام متفجرات تقليدية. عندما تنفجر قنبلة تصل درجة الحرارة إلى عشرات الملايين من الكلفن. عند درجة الحرارة هذه، يرتفع الضغط بشكل حاد وتتشكل موجة انفجارية قوية. وفي الوقت نفسه، يحدث إشعاع قوي. تكون منتجات التفاعل المتسلسل الناتجة عن انفجار قنبلة شديدة الإشعاع وخطيرة على الكائنات الحية. استخدمت الولايات المتحدة القنابل الذرية في نهاية الحرب العالمية الثانية ضد اليابان. وفي عام 1945، ألقيت القنابل الذرية على مدينتي هيروشيما وناجازاكي اليابانيتين. تستخدم القنبلة النووية الحرارية (الهيدروجينية) انفجار قنبلة ذرية موضوعة داخل القنبلة النووية الحرارية لبدء تفاعل اندماجي. تبين أن الحل غير التافه هو أن انفجار القنبلة الذرية لا يستخدم لزيادة درجة الحرارة، بل لضغط الوقود النووي الحراري بقوة بواسطة الإشعاع الناتج أثناء انفجار قنبلة ذرية. في بلدنا، تم طرح الأفكار الرئيسية لإنشاء انفجار نووي حراري من قبل أ.د.ساخاروف. ومع ظهور الأسلحة النووية، أصبح الفوز في الحرب مستحيلا. يمكن أن تؤدي الحرب النووية إلى تدمير البشرية، ولهذا السبب تكافح الشعوب في جميع أنحاء العالم باستمرار من أجل حظر الأسلحة النووية.

"الطاقة النووية"

مقدمة

تعتبر الطاقة أهم فرع من فروع الاقتصاد الوطني، إذ تغطي موارد الطاقة وإنتاجها وتحويلها ونقلها واستخدامها بمختلف أنواعها. وهذا هو أساس اقتصاد الدولة.

يمر العالم بعملية تصنيع تتطلب استهلاكًا إضافيًا للمواد، مما يزيد من تكاليف الطاقة. ومع النمو السكاني، تزداد تكاليف الطاقة اللازمة لزراعة التربة وحصادها وإنتاج الأسمدة وما إلى ذلك.

في الوقت الحالي، يتم استنفاد العديد من موارد الكوكب الطبيعية التي يمكن الوصول إليها بسهولة. يجب استخراج المواد الخام من أعماق كبيرة أو على الرفوف البحرية. ويبدو أن احتياطيات العالم المحدودة من النفط والغاز تعرض البشرية لاحتمال حدوث أزمة طاقة. ومع ذلك، فإن استخدام الطاقة النووية يمنح البشرية الفرصة لتجنب ذلك، لأن نتائج الأبحاث الأساسية في فيزياء النواة الذرية تجعل من الممكن تجنب خطر أزمة الطاقة باستخدام الطاقة المنبعثة خلال تفاعلات معينة للنواة الذرية. .

تاريخ تطور الطاقة النووية

وفي عام 1939، أصبح من الممكن تقسيم ذرة اليورانيوم لأول مرة. ومرت 3 سنوات أخرى، وتم إنشاء مفاعل في الولايات المتحدة لإجراء تفاعل نووي خاضع للرقابة. ثم، في عام 1945، تم تصنيع واختبار قنبلة ذرية، وفي عام 1954، تم تشغيل أول محطة للطاقة النووية في العالم في بلدنا. وفي كل هذه الحالات، تم استخدام الطاقة الهائلة الناتجة عن اضمحلال النواة الذرية. يتم إطلاق كمية أكبر من الطاقة نتيجة اندماج النوى الذرية. في عام 1953، تم اختبار قنبلة نووية حرارية لأول مرة في الاتحاد السوفياتي، وتعلم الإنسان إعادة إنتاج العمليات التي تحدث في الشمس. في الوقت الحالي، لا يمكن استخدام الاندماج النووي للأغراض السلمية، ولكن إذا أصبح ذلك ممكنًا، فسوف يزود الناس أنفسهم بالطاقة الرخيصة لمليارات السنين. لقد كانت هذه المشكلة واحدة من أهم مجالات الفيزياء الحديثة على مدار الخمسين عامًا الماضية.

حتى عام 1800 تقريبًا، كان الخشب هو الوقود الرئيسي. يتم الحصول على الطاقة الخشبية من الطاقة الشمسية المخزنة في النباتات خلال حياتها. منذ الثورة الصناعية، اعتمد الناس على المعادن مثل الفحم والنفط، والتي تأتي طاقتها أيضًا من الطاقة الشمسية المخزنة. عند حرق وقود مثل الفحم، تتحد ذرات الهيدروجين والكربون الموجودة في الفحم مع ذرات الأكسجين الموجودة في الهواء. عند حدوث ثاني أكسيد الكربون أو الماء، تنطلق درجة حرارة عالية تعادل حوالي 1.6 كيلووات/ساعة لكل كيلوغرام أو حوالي 10 إلكترون فولت لكل ذرة كربون. تعتبر هذه الكمية من الطاقة نموذجية للتفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى تغيرات في التركيب الإلكتروني للذرات. بعض الطاقة المنطلقة على شكل حرارة كافية لاستمرار التفاعل.

تم إطلاق أول محطة طاقة نووية تجريبية في العالم بقدرة 5 ميجاوات في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في 27 يونيو 1954 في أوبنينسك. قبل ذلك، كانت طاقة النواة الذرية تستخدم في المقام الأول للأغراض العسكرية. كان إطلاق أول محطة للطاقة النووية بمثابة افتتاح اتجاه جديد في مجال الطاقة، والذي حظي بالاعتراف في المؤتمر العلمي والتقني الدولي الأول للاستخدام السلمي للطاقة الذرية (أغسطس 1955، جنيف).

في عام 1958، تم تشغيل المرحلة الأولى من محطة الطاقة النووية السيبيرية بقدرة 100 ميجاوات (إجمالي القدرة التصميمية 600 ميجاوات). في نفس العام، بدأ بناء محطة الطاقة النووية الصناعية بيلويارسك، وفي 26 أبريل 1964، قام مولد المرحلة الأولى (وحدة 100 ميجاوات) بتزويد التيار لنظام الطاقة سفيردلوفسك، الوحدة الثانية بسعة 200 ميجاوات. تم تشغيل MW في أكتوبر 1967. ومن السمات المميزة لمحطة Beloyarsk NPP ارتفاع درجة حرارة البخار (حتى يتم الحصول على المعلمات المطلوبة) مباشرة في مفاعل نووي، مما جعل من الممكن استخدام التوربينات الحديثة التقليدية عليه دون أي تعديلات تقريبًا.

في سبتمبر 1964، تم إطلاق الوحدة الأولى من محطة نوفوفورونيج للطاقة النووية بقدرة 210 ميجاوات. انخفضت تكلفة 1 كيلووات ساعة من الكهرباء (أهم مؤشر اقتصادي لتشغيل أي محطة للطاقة) في محطة الطاقة النووية هذه بشكل منهجي: بلغت 1.24 كوبيل. في عام 1965، 1.22 كوبيل. في عام 1966، 1.18 كوبيل. في عام 1967، 0.94 كوبيل. في عام 1968. تم بناء الوحدة الأولى من محطة نوفوفورونيج للطاقة النووية ليس فقط للاستخدام الصناعي، ولكن أيضًا كمنشأة تجريبية لإظهار قدرات ومزايا الطاقة النووية، وموثوقية محطات الطاقة النووية وسلامتها. في نوفمبر 1965، في مدينة مليكيس بمنطقة أوليانوفسك، تم تشغيل محطة للطاقة النووية مزودة بمفاعل ماء-ماء من النوع "المغلي" بقدرة 50 ميجاوات، وتم تجميع المفاعل وفقًا لتصميم الدائرة الواحدة. وتسهيل تخطيط المحطة. وفي ديسمبر 1969، تم إطلاق الوحدة الثانية من محطة نوفوفورونيج للطاقة النووية (350 ميجاوات).

وفي الخارج، تم تشغيل أول محطة للطاقة النووية الصناعية بقدرة 46 ميجاوات في عام 1956 في كالدر هول (إنجلترا). وبعد مرور عام، بدأ تشغيل محطة للطاقة النووية بقدرة 60 ميجاوات في شيبينغبورت (الولايات المتحدة الأمريكية).

أساسيات الطاقة النووية

النواة الذريةتتميز بالشحنة Ze، والكتلة M، واللف J، والعزم الرباعي المغناطيسي والكهربائي Q، ونصف قطر معين R، واللف النظائري T وتتكون من النيوكليونات - البروتونات والنيوترونات. تنقسم جميع النوى الذرية إلى مستقرة وغير مستقرة. تظل خصائص النوى المستقرة دون تغيير إلى أجل غير مسمى. تخضع النوى غير المستقرة لأنواع مختلفة من التحولات.

تم اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي، أو التحلل التلقائي للنوى، على يد الفيزيائي الفرنسي أ. بيكريل في عام 1896. واكتشف أن اليورانيوم ومركباته تبعث أشعة أو جسيمات تخترق الأجسام المعتمة ويمكن أن تضيء لوحة فوتوغرافية، وأثبت بيكريل أن تتناسب شدة الإشعاع فقط مع تركيز اليورانيوم ولا تعتمد على الظروف الخارجية (درجة الحرارة والضغط) وعلى ما إذا كان اليورانيوم موجودًا في أي مركبات كيميائية.

اضمحلال ألفا

تميز طاقة الارتباط للنواة مقاومتها للتفكك إلى الأجزاء المكونة لها. إذا كانت طاقة ربط النواة أقل من طاقة ربط نواتج اضمحلالها، فهذا يعني أن النواة يمكن أن تضمحل تلقائيًا. أثناء اضمحلال ألفا، تحمل جسيمات ألفا كل الطاقة تقريبًا، ويذهب 2٪ منها فقط إلى النواة الثانوية. أثناء اضمحلال ألفا، يتغير العدد الكتلي بمقدار 4 وحدات والعدد الذري بمقدار وحدتين.

الطاقة الأولية لجسيم ألفا هي 4-10 MeV. وبما أن جسيمات ألفا لها كتلة كبيرة وشحنة كبيرة، فإن متوسط ​​مسارها الحر في الهواء قصير. على سبيل المثال، متوسط ​​المسار الحر في الهواء لجسيمات ألفا المنبعثة من نواة اليورانيوم هو 2.7 سم، وتلك المنبعثة من الراديوم 3.3 سم.

اضمحلال بيتا

هي عملية تحول نواة الذرة إلى نواة أخرى مع تغير العدد الذري دون تغير العدد الكتلي. هناك ثلاثة أنواع من اضمحلال بيتا: الإلكترون، والبوزيترون، والتقاط الإلكترون المداري بواسطة نواة الذرة. النوع الأخير من الاضمحلال يسمى أيضًا ل- الالتقاط، لأنه في هذه الحالة من المرجح أن يتم امتصاص الإلكترون الأقرب إلى النواة لاصداف. امتصاص الإلكترونات من لو مالقذائف ممكنة أيضًا، ولكنها أقل احتمالًا. يختلف عمر النصف للنواة النشطة ب على نطاق واسع جدًا.

ويبلغ عدد نوى بيتا النشطة المعروفة حاليًا حوالي ألف ونصف، ولكن 20 منها فقط هي نظائر بيتا المشعة الموجودة بشكل طبيعي. يتم الحصول على جميع الآخرين بشكل مصطنع.

يتم تفسير التوزيع المستمر للطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة أثناء الاضمحلال من خلال حقيقة أنه مع الإلكترون ينبعث أيضًا مضاد النيوترينو. إذا لم تكن هناك نيوترينوات مضادة، فسيكون للإلكترونات زخم محدد بدقة، يساوي زخم النواة المتبقية. ويلاحظ حدوث انقطاع حاد في الطيف عند قيمة طاقة حركية تساوي طاقة اضمحلال بيتا. في هذه الحالة، تكون الطاقات الحركية للنواة والنيوترينو المضاد تساوي الصفر ويحمل الإلكترون كل الطاقة المنطلقة أثناء التفاعل.

أثناء الاضمحلال الإلكتروني، يكون للنواة المتبقية رتبة أكبر من الترتيب الأصلي بواحد، مع الحفاظ على العدد الكتلي. وهذا يعني أنه في النواة المتبقية زاد عدد البروتونات بمقدار واحد، وعلى العكس من ذلك، أصبح عدد النيوترونات أقل: ن= أ– (ز+1).

اضمحلال غاما

النوى المستقرة تكون في حالة تقابل أدنى طاقة. هذه الحالة تسمى الأساسية. ومع ذلك، من خلال تشعيع النوى الذرية بجسيمات مختلفة أو بروتونات عالية الطاقة، يمكن نقل طاقة معينة إليها، وبالتالي نقلها إلى الحالات المقابلة للطاقة الأعلى. الانتقال بعد مرور بعض الوقت من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية، يمكن للنواة الذرية أن تنبعث منها إما جسيم، إذا كانت طاقة الإثارة عالية بما فيه الكفاية، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة - كم جاما. وبما أن النواة المثارة في حالات طاقة منفصلة، ​​فإن إشعاع جاما يتميز بطيف خطي.

من الخصائص الرائعة والمهمة للغاية لتفاعل الانشطار أنه يتم إنتاج نيوترونات متعددة نتيجة للانشطار. هذا الظرف يجعل من الممكن تهيئة الظروف للحفاظ على تفاعل متسلسل ثابت أو متطور للانشطار النووي. في الواقع، إذا تسبب نيوترون واحد في وسط يحتوي على نواة انشطارية في حدوث تفاعل انشطاري، فإن النيوترونات الناتجة عن التفاعل يمكن أن تسبب، مع احتمال معين، انشطارًا نوويًا، مما قد يؤدي، في ظل الظروف المناسبة، إلى تطوير عملية انشطار غير منضبطة.

المفاعلات النووية

عند انشطار النوى الثقيلة، يتم إنتاج عدة نيوترونات حرة. وهذا يجعل من الممكن تنظيم ما يسمى بتفاعل سلسلة الانشطار، عندما يمكن للنيوترونات، التي تنتشر في وسط يحتوي على عناصر ثقيلة، أن تتسبب في انشطارها مع انبعاث نيوترونات حرة جديدة. إذا كانت البيئة تؤدي إلى زيادة عدد النيوترونات التي تم إنشاؤها حديثًا، فإن عملية الانشطار تزداد مثل الانهيار الجليدي. في حالة انخفاض عدد النيوترونات أثناء الانشطارات اللاحقة، يتلاشى التفاعل النووي المتسلسل.

للحصول على تفاعل نووي متسلسل ثابت، من الواضح أنه من الضروري تهيئة الظروف بحيث تطلق كل نواة تمتص نيوترونًا، عند الانشطار، نيوترونًا واحدًا في المتوسط، والذي يتجه نحو انشطار النواة الثقيلة الثانية.

مفاعل نوويهو جهاز يتم من خلاله تنفيذ وصيانة تفاعل متسلسل متحكم فيه لانشطار نوى ثقيلة معينة.

لا يمكن أن يحدث التفاعل النووي المتسلسل في المفاعل إلا مع عدد معين من النوى الانشطارية، والتي يمكن أن تنشطر عند أي طاقة نيوترونية. ومن المواد الانشطارية، أهمها نظير 235U، الذي تبلغ حصته في اليورانيوم الطبيعي 0.714% فقط.

على الرغم من أن 238U انشطاري بواسطة النيوترونات التي تتجاوز طاقتها 1.2 MeV، إلا أن التفاعل المتسلسل الذاتي على النيوترونات السريعة في اليورانيوم الطبيعي غير ممكن بسبب الاحتمالية العالية للتفاعل غير المرن لنواة 238U مع النيوترونات السريعة. في هذه الحالة، تصبح طاقة النيوترونات أقل من عتبة الطاقة الانشطارية لنواة 238U.

يؤدي استخدام وسيط إلى انخفاض في امتصاص الرنين في 238U، حيث يمكن للنيوترون أن يمر عبر منطقة الطاقات الرنانة نتيجة الاصطدامات مع النوى الوسيطة ويتم امتصاصه بواسطة نوى 235U، 239Pu، 233U، المقطع العرضي الانشطاري لـ والتي تزداد بشكل ملحوظ مع انخفاض طاقة النيوترونات. يتم استخدام المواد ذات العدد الكتلي المنخفض والمقطع العرضي الصغير للامتصاص (الماء، الجرافيت، البريليوم، إلخ) كمهدئات.

فاصل صفحة--

لتوصيف التفاعل المتسلسل الانشطاري، يتم استخدام كمية تسمى عامل الضرب ل. هذه هي نسبة عدد النيوترونات من جيل معين إلى عدد النيوترونات من الجيل السابق. لتفاعل الانشطار المتسلسل الثابت ل=1. نظام تربية (مفاعل) فيه ل=1 يسمى حرجة. لو ل>1، يزداد عدد النيوترونات في النظام، ويسمى في هذه الحالة بالحالة فوق الحرجة. في ل< 1 происходит уменьшение числа нейтронов и система называется подкритической. В стационарном состоянии реактора число вновь образующихся нейтронов равно числу нейтронов, покидающих реактор (нейтроны утечки) и поглощающихся в его пределах. В критическом реакторе присутствуют нейтроны всех энергий. Они образуют так называемый энергетический спектр нейтронов, который характеризует число нейтронов различных энергий в единице объема в любой точке реактора. Средняя энергия спектра нейтронов определяется долей замедлителя, делящихся ядер (ядра горючего) и других материалов, которые входят в состав активной зоны реактора. Если большая часть делений происходит при поглощении тепловых нейтронов, то такой реактор называется реактором на тепловых нейтронах. Энергия нейтронов в такой системе не превышает 0.2 эВ. Если большая часть делений в реакторе происходит при поглощении быстрых нейтронов, такой реактор называется реактором на быстрых нейтронах.

في قلب مفاعل النيوترون الحراري، إلى جانب الوقود النووي، توجد كتلة كبيرة من مادة وسيطة، تتميز بمقطع عرضي كبير متناثر ومقطع عرضي امتصاصي صغير.

تكون المنطقة النشطة للمفاعل دائمًا تقريبًا، باستثناء المفاعلات الخاصة، محاطة بعاكس يعيد بعض الخلايا العصبية إلى المنطقة النشطة بسبب التشتت المتعدد. في مفاعلات الخلايا العصبية السريعة، تكون المنطقة النشطة محاطة بمناطق التكاثر. أنها تتراكم النظائر الانشطارية. بالإضافة إلى ذلك، تعمل مناطق التكاثر أيضًا بمثابة عاكس. في المفاعل النووي، تتراكم منتجات الانشطار، والتي تسمى الخبث. يؤدي وجود الخبث إلى خسائر إضافية في النيوترونات الحرة.

تنقسم المفاعلات النووية، اعتمادًا على الموقع النسبي للوقود والمهدئ، إلى مفاعلات متجانسة وغير متجانسة. في المفاعل المتجانس، يكون القلب عبارة عن كتلة متجانسة من الوقود والوسيط والمبرد على شكل محلول أو خليط أو ذوبان. يسمى المفاعل الذي يتم فيه وضع الوقود على شكل كتل أو مجموعات وقود في وسيط، مما يشكل شبكة هندسية منتظمة فيه، غير متجانس.

مميزات المفاعل النووي كمصدر للحرارة

أثناء تشغيل المفاعل، تنطلق الحرارة بكميات متفاوتة في عناصر الوقود (قضبان الوقود)، وكذلك في جميع عناصره الهيكلية. ويرجع ذلك، في المقام الأول، إلى تباطؤ شظايا الانشطار، وإشعاعات بيتا وجاما، وكذلك تفاعل النوى مع النيوترونات، وأخيرا، إلى تباطؤ النيوترونات السريعة. يتم تصنيف الشظايا الناتجة عن انشطار نواة الوقود وفقًا للسرعات المقابلة لدرجات حرارة تصل إلى مئات المليارات من الدرجات.

في الواقع، E = م ش 2= ​​​​3RT، حيث E – الطاقة الحركية للشظايا، MeV؛ R = 1.38·10-23 J/K – ثابت بولتزمان. بالنظر إلى أن 1 MeV = 1.6 10-13 J، نحصل على 1.6 10-6 E = 2.07 10-16 T، T = 7.7 109E. قيم الطاقة الأكثر احتمالا لشظايا الانشطار هي 97 ميغا إلكترون فولت للجزء الخفيف و 65 ميغا إلكترون فولت للجزء الثقيل. ومن ثم تكون درجة الحرارة المقابلة لشظية خفيفة هي 7.51011 كلفن، وللشظية الثقيلة 51011 كلفن. على الرغم من أن درجة الحرارة التي يمكن تحقيقها في مفاعل نووي تكاد تكون غير محدودة من الناحية النظرية، إلا أنه من الناحية العملية، يتم تحديد القيود من خلال الحد الأقصى لدرجة الحرارة المسموح بها للمواد الهيكلية والوقود. عناصر.

خصوصية المفاعل النووي هي أن 94٪ من طاقة الانشطار تتحول إلى حرارة على الفور، أي. خلال الوقت الذي لا يتوفر فيه الوقت للتغيير بشكل ملحوظ في قوة المفاعل أو كثافة المواد الموجودة فيه. لذلك، عندما تتغير طاقة المفاعل، يتبع إطلاق الحرارة عملية انشطار الوقود دون تأخير. ومع ذلك، عندما يتم إيقاف تشغيل المفاعل، عندما ينخفض ​​معدل الانشطار بأكثر من عشرات المرات، تبقى فيه مصادر إطلاق الحرارة المتأخر (إشعاع جاما وبيتا من منتجات الانشطار)، والتي تصبح سائدة.

تتناسب قوة المفاعل النووي مع كثافة تدفق الخلايا العصبية فيه، لذا فإن أي قوة يمكن تحقيقها من الناحية النظرية. ومن الناحية العملية، يتم تحديد الطاقة القصوى بمعدل إزالة الحرارة المنبعثة في المفاعل. تبلغ نسبة إزالة الحرارة النوعية في مفاعلات الطاقة الحديثة 102 – 103 ميجاوات/م3، وفي المفاعلات الدوامية – 104 – 105 ميجاوات/م3.

تتم إزالة الحرارة من المفاعل بواسطة سائل تبريد يدور من خلاله. ومن السمات المميزة للمفاعل إطلاق الحرارة المتبقية بعد توقف تفاعل الانشطار، الأمر الذي يتطلب إزالة الحرارة لفترة طويلة بعد إغلاق المفاعل. على الرغم من أن الطاقة الحرارية للاضمحلال أقل بكثير من الطاقة الاسمية، إلا أنه يجب ضمان دوران سائل التبريد عبر المفاعل بشكل موثوق للغاية، حيث لا يمكن التحكم في حرارة الاضمحلال. يُمنع منعًا باتًا إزالة سائل التبريد من المفاعل الذي يعمل لبعض الوقت لتجنب ارتفاع درجة الحرارة وتلف عناصر الوقود.

تصميم مفاعلات الطاقة النووية

مفاعل الطاقة النووية هو جهاز يتم فيه تنفيذ تفاعل متسلسل متحكم فيه لانشطار نواة العناصر الثقيلة، ويتم إزالة الطاقة الحرارية المنبعثة خلال هذه العملية بواسطة المبرد. العنصر الرئيسي في المفاعل النووي هو اللب. يحتوي على وقود نووي وينفذ سلسلة من التفاعلات الانشطارية. النواة عبارة عن مجموعة من عناصر الوقود التي تحتوي على وقود نووي موضوعة بطريقة معينة. تستخدم مفاعلات النيوترونات الحرارية وسيطًا. يتم ضخ سائل التبريد من خلال القلب لتبريد عناصر الوقود. وفي بعض أنواع المفاعلات، يتم أداء دور الوسيط والمبرد بواسطة نفس المادة، على سبيل المثال الماء العادي أو الماء الثقيل.

للتحكم في تشغيل المفاعل، يتم إدخال قضبان التحكم المصنوعة من مواد ذات مقطع عرضي كبير لامتصاص النيوترونات في قلب المفاعل. يحيط بقلب مفاعلات الطاقة عاكس نيوتروني - وهي طبقة من مادة معتدلة لتقليل تسرب النيوترونات من القلب. بالإضافة إلى ذلك، بفضل العاكس، يتم تعادل كثافة النيوترونات وإطلاق الطاقة في جميع أنحاء حجم النواة، مما يجعل من الممكن الحصول على طاقة أكبر لحجم منطقة معين، وتحقيق احتراق وقود أكثر انتظامًا، وزيادة وقت تشغيل المفاعل دون التحميل الزائد على الوقود، وتبسيط نظام إزالة الحرارة. يتم تسخين العاكس بواسطة طاقة التباطؤ وامتصاص النيوترونات وكميات جاما، لذلك يتم توفير تبريده. يتم وضع القلب والعاكس والعناصر الأخرى في مبيت أو غلاف مغلق، وعادةً ما يكون محاطًا بدرع بيولوجي.

تصنيف المفاعل

يتم تصنيف المفاعلات وفقًا لمستوى طاقة النيوترونات المشاركة في التفاعل الانشطاري، ووفقًا لمبدأ وضع الوقود والوسيط، والغرض المقصود، ونوع الوسيط والمبرد وحالتهما الفيزيائية.

وفقًا لمستوى النيوترونات النشطة: يمكن أن تعمل المفاعلات على نيوترونات سريعة وعلى نيوترونات حرارية ونيوترونات ذات طاقات متوسطة (رنانة)، ووفقًا لهذا، يتم تقسيمها إلى مفاعلات على نيوترونات حرارية وسريعة ومتوسطة (أحيانًا للإيجاز فهي تسمى الحرارية والسريعة والمتوسطة).

في مفاعل نيوتروني حراريتحدث معظم الانشطارات النووية عندما تمتص نوى النظائر الانشطارية النيوترونات الحرارية. تسمى المفاعلات التي يتم فيها الانشطار النووي بشكل رئيسي بواسطة النيوترونات ذات الطاقات الأكبر من 0.5 ميغا إلكترون فولت، بمفاعلات النيوترونات السريعة. المفاعلات التي تحدث فيها معظم الانشطارات نتيجة لامتصاص النيوترونات المتوسطة بواسطة نوى النظائر الانشطارية تسمى مفاعلات النيوترونات المتوسطة (الرنانة).

حاليا، مفاعلات النيوترونات الحرارية هي الأكثر انتشارا. وتتميز المفاعلات الحرارية بتراكيز الوقود النووي 235U في القلب من 1 إلى 100 كجم/م3 ووجود كتل كبيرة من المهدئ. يتميز مفاعل النيوترونات السريعة بتركيزات من الوقود النووي 235U أو 239U تصل إلى 1000 كجم/م3 وعدم وجود وسيط في القلب.

في مفاعلات النيوترونات المتوسطة، يوجد القليل جدًا من الوسيط في القلب، ويتراوح تركيز الوقود النووي 235U فيه من 100 إلى 1000 كجم/م3.

في مفاعلات النيوترونات الحرارية، يحدث انشطار نواة الوقود أيضًا عندما تلتقط النواة النيوترونات السريعة، لكن احتمالية حدوث هذه العملية ضئيلة (1 - 3٪). ترجع الحاجة إلى وسيط نيوتروني إلى حقيقة أن المقاطع العرضية الانشطارية الفعالة لنواة الوقود أكبر بكثير في الطاقات النيوترونية المنخفضة منها في الطاقات الكبيرة.

يجب أن يحتوي قلب المفاعل الحراري على وسيط - وهي مادة ذات عدد كتلة نواتها منخفض. يتم استخدام الجرافيت والماء الثقيل أو الخفيف والبريليوم والسوائل العضوية كمهدئ. ويمكن للمفاعل الحراري أن يعمل باليورانيوم الطبيعي إذا كان الوسيط عبارة عن ماء ثقيل أو جرافيت. ويتطلب المشرفون الآخرون استخدام اليورانيوم المخصب. وتعتمد الأبعاد الحرجة المطلوبة للمفاعل على درجة التخصيب بالوقود، فكلما زادت درجة التخصيب تصبح أصغر. العيب الكبير لمفاعلات النيوترونات الحرارية هو فقدان النيوترونات البطيئة نتيجة لالتقاطها بواسطة الوسيط والمبرد والمواد الهيكلية ومنتجات الانشطار. لذلك، في مثل هذه المفاعلات، من الضروري استخدام مواد ذات مقاطع عرضية صغيرة لالتقاط النيوترونات البطيئة كمهدئ ومبرد ومواد هيكلية.

في مفاعلات نيوترونية وسيطة، حيث تحدث معظم أحداث الانشطار بسبب نيوترونات ذات طاقات أعلى من الحرارية (من 1 فولت إلى 100 كيلو فولت)، تكون كتلة الوسيط أقل من المفاعلات الحرارية. تكمن خصوصية تشغيل مثل هذا المفاعل في أن المقطع العرضي لانشطار الوقود مع زيادة انشطار النيوترونات في المنطقة المتوسطة يتناقص بشكل أقل من المقطع العرضي للامتصاص للمواد الإنشائية ومنتجات الانشطار. وبالتالي فإن احتمالية حدوث الانشطار تزداد مقارنة بأحداث الامتصاص. متطلبات الخصائص النيوترونية للمواد الإنشائية أقل صرامة ونطاقها أوسع. وبالتالي، يمكن تصنيع قلب مفاعل النيوترونات الوسيط من مواد أكثر متانة، مما يجعل من الممكن زيادة إزالة الحرارة المحددة من سطح تسخين المفاعل. يجب أن يكون تخصيب الوقود بالنظائر الانشطارية في المفاعلات الوسيطة، بسبب انخفاض المقطع العرضي، أعلى منه في المفاعلات الحرارية. إن تكاثر الوقود النووي في مفاعلات النيوترونات الوسيطة أكبر منه في مفاعل النيوترونات الحرارية.

المواد ذات النيوترونات الضعيفة تستخدم كمبردات في المفاعلات الوسيطة. على سبيل المثال، المعادن السائلة. الوسيط هو الجرافيت والبريليوم وما إلى ذلك.

يحتوي قلب مفاعل النيوترونات السريعة على قضبان وقود ذات وقود عالي التخصيب. يحيط بالنواة منطقة تكاثر تتكون من عناصر وقود تحتوي على مواد أولية للوقود (اليورانيوم المنضب والثوريوم). يتم التقاط النيوترونات الهاربة من القلب في منطقة التكاثر بواسطة نوى المواد الخام للوقود، مما يؤدي إلى تكوين وقود نووي جديد. الميزة الخاصة للمفاعلات السريعة هي إمكانية تنظيم التكاثر الموسع للوقود النووي فيها، أي. بالتزامن مع توليد الطاقة، إنتاج وقود نووي جديد بدلاً من الوقود النووي المحترق. لا تحتاج المفاعلات السريعة إلى وسيط، ولا يحتاج المبرد إلى إبطاء النيوترونات.

استمرار
--فاصل صفحة--

اعتمادا على طريقة وضع الوقود في القلب، يتم تقسيم المفاعلات إلى متجانسة وغير متجانسة.

في مفاعل متجانسيتم خلط الوقود النووي والمبرد والمهدئ (إن وجد) جيدًا ويكونان في نفس الحالة الفيزيائية، أي. قلب المفاعل المتجانس تمامًا هو خليط متجانس سائل أو صلب أو غازي من الوقود النووي أو المبرد أو الوسيط. يمكن أن تكون المفاعلات المتجانسة إما حرارية أو نيوترونية سريعة. في مثل هذا المفاعل، تقع المنطقة النشطة بأكملها داخل جسم كروي فولاذي وتمثل خليطًا سائلًا متجانسًا من الوقود والمهدئ على شكل محلول أو سبيكة سائلة (على سبيل المثال، محلول كبريتات اليورانيل في الماء، محلول من اليورانيوم في البزموت السائل)، والذي يعمل في نفس الوقت كمبرد.

ويحدث تفاعل الانشطار النووي في محلول الوقود داخل وعاء المفاعل الكروي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحلول. يدخل المحلول القابل للاشتعال من المفاعل إلى المبادل الحراري، حيث ينقل الحرارة إلى ماء الدائرة الثانوية، ويتم تبريده وإرساله مرة أخرى إلى المفاعل بواسطة مضخة دائرية. ولضمان عدم حدوث تفاعل نووي خارج المفاعل، يتم اختيار أحجام خطوط أنابيب الدائرة والمبادل الحراري والمضخة بحيث يكون حجم الوقود الموجود في كل قسم من الدائرة أقل بكثير من الحجم الحرج. تتمتع المفاعلات المتجانسة بعدد من المزايا مقارنة بالمفاعلات غير المتجانسة. وهو تصميم بسيط للنواة وأبعادها الدنيا، والقدرة على إزالة نواتج الانشطار بشكل مستمر وإضافة وقود نووي جديد أثناء التشغيل دون إيقاف المفاعل، وسهولة تحضير الوقود، وأيضاً حقيقة أنه يمكن التحكم في المفاعل عن طريق التغيير تركيز الوقود النووي.

ومع ذلك، فإن المفاعلات المتجانسة لها أيضًا عيوب خطيرة. ينبعث من الخليط المتجانس الذي يدور عبر الدائرة إشعاعات مشعة قوية، الأمر الذي يتطلب حماية إضافية ويعقد التحكم في المفاعل. يوجد جزء فقط من الوقود في المفاعل ويستخدم لتوليد الطاقة، بينما الجزء الآخر موجود في خطوط الأنابيب الخارجية والمبادلات الحرارية والمضخات. يسبب الخليط المتداول تآكلًا شديدًا وتآكلًا في أنظمة وأجهزة المفاعلات والدوائر. يتطلب تكوين خليط متفجر متفجر في مفاعل متجانس نتيجة للتحلل الإشعاعي للمياه أجهزة لحرقه اللاحق. كل هذا أدى إلى حقيقة أن المفاعلات المتجانسة لا تستخدم على نطاق واسع.

في مفاعل غير متجانسيتم وضع الوقود على شكل كتل في الوسيط، أي. يتم فصل الوقود والمشرف مكانيًا.

حاليا، تم تصميم المفاعلات غير المتجانسة فقط لأغراض الطاقة. يمكن استخدام الوقود النووي في مثل هذا المفاعل في الحالات الغازية والسائلة والصلبة. ومع ذلك، تعمل المفاعلات غير المتجانسة الآن على الوقود الصلب فقط.

اعتمادًا على المادة المعتدلة، تنقسم المفاعلات غير المتجانسة إلى جرافيت، وماء خفيف، وماء ثقيل، ومفاعل عضوي. وبحسب نوع سائل التبريد فإن المفاعلات غير المتجانسة هي الماء الخفيف والماء الثقيل والغاز والمعادن السائلة. يمكن أن تكون المبردات السائلة داخل المفاعل في حالة أحادية الطور أو ثنائية الطور. في الحالة الأولى، لا يغلي سائل التبريد الموجود داخل المفاعل، لكنه في الحالة الثانية يغلي.

تسمى المفاعلات التي تكون في قلبها درجة حرارة سائل التبريد أقل من نقطة الغليان مفاعلات الماء المضغوط، والمفاعلات التي يغلي فيها سائل التبريد داخلها تسمى مفاعلات الماء المغلي.

اعتمادًا على الوسيط والمبرد المستخدم، يتم تصميم المفاعلات غير المتجانسة وفقًا لتصميمات مختلفة. في روسيا، الأنواع الرئيسية من مفاعلات الطاقة النووية هي مفاعلات مبردة بالماء ومفاعلات الجرافيت المائية.

بناءً على تصميمها، تنقسم المفاعلات إلى مفاعلات على شكل وعاء ومفاعلات على شكل قناة. في مفاعلات السفنيتم نقل ضغط سائل التبريد بواسطة السكن. يتدفق تدفق سائل التبريد المشترك داخل وعاء المفاعل. في مفاعلات القناةيتم توفير سائل التبريد لكل قناة مع مجموعة الوقود بشكل منفصل. ولا يتم تحميل وعاء المفاعل بضغط سائل التبريد، بل يتم نقل هذا الضغط بواسطة كل قناة على حدة.

اعتمادا على الغرض منها، يمكن أن تكون المفاعلات النووية مفاعلات طاقة، ومحولات ومولدات، ومفاعلات بحثية ومتعددة الأغراض، ووسائل النقل والصناعية.

مفاعلات الطاقة النوويةتُستخدم لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية، وفي محطات توليد الطاقة على متن السفن، وفي محطات الطاقة والحرارة النووية المشتركة (CHPs)، وكذلك في محطات الإمداد بالحرارة النووية (HTs).

تسمى المفاعلات المصممة لإنتاج الوقود النووي الثانوي من اليورانيوم الطبيعي والثوريوم المحولاتأو مربي. وفي مفاعل التحويل، ينتج الوقود النووي الثانوي أقل مما تم استهلاكه في البداية. في مفاعل التوليد، يتم تنفيذ الاستنساخ الموسع للوقود النووي، أي. اتضح أكثر مما تم إنفاقه.

مفاعلات الأبحاثيعمل على دراسة عمليات تفاعل النيوترونات مع المادة، ودراسة سلوك مواد المفاعلات في المجالات المكثفة لإشعاع النيوترونات وجاما، والبحوث الكيميائية الإشعاعية والبيولوجية، وإنتاج النظائر، والبحث التجريبي لفيزياء المفاعلات النووية. تتمتع المفاعلات بقدرات مختلفة، وأنماط تشغيل ثابتة أو نبضية. وأكثرها انتشارًا هي مفاعلات أبحاث الماء المضغوط التي تستخدم اليورانيوم المخصب. تختلف الطاقة الحرارية لمفاعلات الأبحاث على نطاق واسع وتصل إلى عدة آلاف من الكيلووات.

متعددة الأغراضتسمى المفاعلات التي تخدم أغراضًا متعددة، مثل توليد الطاقة وإنتاج الوقود النووي، بالمفاعلات.

الطاقة النووية: إيجابيات وسلبيات

لا يمكن تصور الحضارة الحديثة بدون الطاقة الكهربائية. يتزايد إنتاج واستخدام الكهرباء كل عام، لكن شبح مجاعة الطاقة المستقبلية يلوح بالفعل أمام البشرية بسبب استنزاف رواسب الوقود الأحفوري وزيادة الخسائر البيئية عند الحصول على الكهرباء.
إن الطاقة المنبعثة في التفاعلات النووية أعلى بملايين المرات من تلك التي تنتجها التفاعلات الكيميائية التقليدية (على سبيل المثال، تفاعلات الاحتراق)، وبالتالي فإن القيمة الحرارية للوقود النووي أكبر بما لا يمكن قياسه من الوقود التقليدي. يعد استخدام الوقود النووي لتوليد الكهرباء فكرة مغرية للغاية.
إن مزايا محطات الطاقة النووية (NPP) مقارنة بمحطات الطاقة الحرارية (CHP) ومحطات الطاقة الكهرومائية (HPP) واضحة: لا توجد نفايات ولا انبعاثات غازية، وليست هناك حاجة لتنفيذ كميات ضخمة من البناء وبناء السدود و دفن الأراضي الخصبة في قاع الخزانات. ولعل المحطات الوحيدة الأكثر صداقة للبيئة من محطات الطاقة النووية هي محطات الطاقة التي تستخدم الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. لكن توربينات الرياح ومحطات الطاقة الشمسية لا تزال منخفضة الطاقة ولا يمكنها تلبية احتياجات الناس من الكهرباء الرخيصة - وهذه الحاجة تتزايد بشكل أسرع فأسرع. ومع ذلك، فإن جدوى بناء وتشغيل محطات الطاقة النووية غالبا ما تكون موضع تساؤل بسبب الآثار الضارة للمواد المشعة على البيئة والإنسان.

التجربة العالمية وآفاق تطوير الطاقة النووية

ووفقاً للوكالة الدولية للطاقة الذرية، يتم حالياً إنتاج أكثر من 18% من الكهرباء على مستوى العالم بواسطة المفاعلات النووية، والتي لا تلوث الغلاف الجوي، على عكس محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري. الميزة التي لا يمكن إنكارها للطاقة النووية هي تكلفتها، وهي أقل من معظم الأنواع الأخرى من محطات الطاقة. ووفقا لتقديرات مختلفة، يوجد في العالم حوالي 440 مفاعلا نوويا بقدرة إجمالية تزيد عن 365 ألف ميجاوات، موزعة في أكثر من 30 دولة. ويجري حاليًا بناء 29 مفاعلًا بقدرة إجمالية تبلغ حوالي 25 ألف ميجاوات في 12 دولة.

ووفقا لخبراء الوكالة الدولية للطاقة الذرية، بحلول عام 2030، ستزداد احتياجات العالم من الطاقة بنسبة 50-60٪ على الأقل. جنبا إلى جنب مع النمو في استهلاك الطاقة، هناك استنفاد سريع كارثي لناقلات الطاقة العضوية الأكثر سهولة في الوصول إليها وملاءمة - الغاز والنفط. وفقًا للحسابات المتوقعة، كما أشار مركز المعلومات والتحليل التابع لإدارة رئيس الدولة، فإن عمر احتياطياتها يتراوح بين 50 إلى 100 عام. يؤدي الطلب المتزايد على موارد الطاقة حتماً إلى الارتفاع التدريجي في أسعارها.

الطاقة النووية هي أحد المصادر الرئيسية لإمدادات الطاقة في العالم. وفقا لنفس الوكالة الدولية للطاقة الذرية، فقط في الفترة 2000-2005. تم تشغيل 30 مفاعلًا جديدًا. وتتركز قدرات التوليد الرئيسية في أوروبا الغربية والولايات المتحدة الأمريكية.

تحدد استراتيجية الطاقة لروسيا للفترة حتى عام 2020، والتي تمت الموافقة عليها بموجب مرسوم حكومة الاتحاد الروسي بتاريخ 28 أغسطس 2003 رقم 1234-ر، الأهداف والغايات والاتجاهات الرئيسية والمعايير لتطوير توازن الوقود والطاقة ، مما يتيح التغلب على ميل الغاز الطبيعي للسيطرة على سوق الطاقة المحلية مع انخفاض حصته في إجمالي استهلاك الوقود وموارد الطاقة، ولا سيما بسبب زيادة توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية والكهرومائية (من 10.8 إلى 12 %).

نتيجة لتحسين توازن الوقود والطاقة، تم تحديد الأولويات للموقع الإقليمي لقدرات التوليد: في الجزء الأوروبي من روسيا، يُنصح بتطوير صناعة الطاقة الكهربائية من خلال إعادة التجهيز الفني للطاقة الحرارية الموجودة. إنشاء محطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة وتحقيق الحد الأقصى من تطوير محطات الطاقة النووية، والتي ستغطي إلى حد كبير الاحتياجات المتزايدة لهذه المنطقة من الكهرباء.

في سيناريو متفائل للتنمية الاقتصاديةينبغي أن يرتفع إنتاج الطاقة NPP إلى 200 مليار كيلووات ساعة في عام 2010 (1.4 مرة) وإلى 300 مليار كيلووات ساعة في عام 2020 (مرتين). بالإضافة إلى ذلك، من المخطط تطوير إنتاج الطاقة الحرارية من مصادر الطاقة النووية إلى 30 مليون جيجا كالوري سنوياً.

مع نسخة معتدلة من التنمية الاقتصاديةوقد تصل الحاجة لإنتاج الكهرباء في محطات الطاقة النووية إلى 230 مليار كيلووات ساعة في عام 2020. ويرتبط إمكانية زيادة إنتاج الطاقة في محطات الطاقة النووية إلى 270 مليار كيلوواط ساعة بإنشاء محطات الطاقة النووية - محطات توليد الطاقة المخزنة بالضخ، وزيادة حجم إنتاج واستهلاك الطاقة الحرارية في المناطق التي توجد بها محطات الطاقة النووية القائمة والجديدة و توجد محطات الطاقة النووية (ما يصل إلى 30 مليون جيجا كالوري سنويًا)، وكذلك مع نقل محطات ضخ الغاز وخطوط الأنابيب الرئيسية للمحرك الكهربائي من محطات الطاقة النووية، وتطوير الصناعات كثيفة الاستهلاك للطاقة (الألومنيوم والغاز المسال والوقود السائل الاصطناعي ، إلخ.).

ومن المتوقع أن ترتفع حصة إنتاج الكهرباء في محطات الطاقة النووية في الجزء الأوروبي من روسيا إلى 32% بحلول عام 2020.

ومع معدل نمو إنتاج الكهرباء في روسيا بأكثر من 2% سنويا، فإن الطاقة النووية في مهمة ضمان زيادة سنوية في إنتاج الطاقة تزيد عن 4% مع معدل زيادة في إنتاج الكهرباء إلى 8 مليار كيلوواط ساعة والحرارة. إلى 1.5 مليون جيجا كالوري سنويًا.

يتمتع مجمع الطاقة النووية الروسي بإمكانية التطوير الديناميكي وفقًا للمعايير التي حددتها استراتيجية الطاقة الروسية للفترة حتى عام 2020.

تم تحديد تخطيط الدولة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في الثمانينيات من القرن العشرين بحلول بداية القرن الحادي والعشرين لإنشاء محطات طاقة نووية في روسيا تصل إلى 50 جيجاوات بمعدل نمو يصل إلى 2 جيجاوات سنويًا وإنتاج حراري يصل إلى 40 مليونًا جيجا كالوري في السنة. بالإضافة إلى ذلك، تم تصور إنشاء محطات طاقة نووية – محطات تخزين ضخ للتخزين (تصل إلى 10 جيجاوات من الطاقة القصوى). وفي الواقع، تم تشغيل ما يقرب من نصف قدرة محطة الطاقة النووية المخطط لها (يصل معدل النمو المحقق إلى 1 جيجاوات سنويًا). وفي الوقت الحالي، هناك أكثر من عشرين وحدة للطاقة النووية بقدرة إجمالية تبلغ حوالي 20 جيجاوات في مراحل مختلفة من البناء غير المكتمل (تبلغ الاستثمارات أكثر من 2.5 مليار دولار، أو حوالي 15٪ من إجمالي التكاليف الرأسمالية لإنشاء هذه القدرات).

لضمان المستويات المتوقعة لاستهلاك الكهرباء والحرارة في سيناريو الطلب الأقصى، من الضروري تشغيل محطات الطاقة النووية بقدرات توليد تصل إلى 6 جيجاوات في العقد الحالي (وحدة الطاقة 3 في محطة كالينين للطاقة النووية، ووحدة الطاقة 5 في محطة كورسك للطاقة النووية). NPP، وحدة الطاقة 2 في Volgodonsk NPP، وحدتي الطاقة 5 و 6 في Balakovo NPP، وحدة الطاقة 4 في Beloyarsk NPP ) وما لا يقل عن 15 جيجاوات حتى عام 2020 (مع الأخذ في الاعتبار إعادة إنتاج وحدات طاقة الجيل الأول - 5.7 جيجاوات ) ، بالإضافة إلى ما يصل إلى 2 جيجاوات من محطات الطاقة النووية. ونتيجة لذلك، ينبغي أن يرتفع إجمالي القدرة المركبة لمحطات الطاقة النووية في روسيا إلى 40 جيجاوات بمتوسط ​​قدرة يصل إلى حوالي 85% (مستوى الدول الرائدة ذات الطاقة النووية المتقدمة).

استمرار
--فاصل صفحة--

وبناء على ذلك فإن الأهداف الرئيسية لتطوير الطاقة النووية هي:

تحديث وتمديد العمر التشغيلي لوحدات الطاقة في محطات الطاقة النووية الحالية بمقدار 10-20 سنة؛

زيادة كفاءة إنتاج الطاقة واستخدام الطاقة في محطات الطاقة النووية؛

إنشاء مجمعات لمعالجة النفايات المشعة من محطات الطاقة النووية ونظام لمعالجة الوقود النووي المشعع؛

إعادة إنتاج وحدات الطاقة من الجيل الأول المتقاعدة، بما في ذلك من خلال التجديد بعد انتهاء فترة خدمتها الممتدة (مع إنشاء الاحتياطيات في الوقت المناسب)؛

توسيع القدرة على إعادة الإنتاج (متوسط ​​معدل النمو - حوالي 1 جيجاوات سنويًا) واحتياطيات البناء للفترات المستقبلية؛

إتقان تقنيات المفاعلات الواعدة (BN-800، VVER-1500، ATPP، وما إلى ذلك) مع تطوير قاعدة الوقود المقابلة.

ويتطلب حل هذه المشاكل تطوير مجمع البناء والتركيب وهندسة الطاقة النووية (لزيادة معدل تشغيل القدرة من 0.2 إلى 1.5 جيجاوات سنويا)، فضلا عن زيادة الموارد البشرية.

إن أهم عوامل تطوير الطاقة النووية هي زيادة كفاءة إنتاج الطاقة في محطات الطاقة النووية عن طريق خفض تكاليف وحدة الإنتاج (الاحتياطيات الداخلية) وتوسيع أسواق مبيعات الطاقة من محطات الطاقة النووية (الإمكانات الخارجية).

ل الاحتياطيات الداخلية لمحطات الطاقة النووية(حوالي 20% من إنتاج الطاقة) وتشمل:

زيادة NIUM إلى 85% بمعدل نمو يصل إلى 2% سنويًا في المتوسط ​​بسبب قصر أوقات الإصلاح وزيادة فترة التنفيذ، وإطالة دورات الوقود، وتقليل عدد أعطال المعدات أثناء تحديثها وتجديدها، مما سيضمن إنتاج إضافي للكهرباء في محطات الطاقة النووية العاملة بحوالي 20 مليار كيلووات في الساعة سنويًا (أي ما يعادل تشغيل قدرة مركبة تصل إلى 3 جيجاوات بتكاليف رأسمالية محددة تصل إلى 150 دولارًا لكل كيلووات)؛

زيادة كفاءة وحدات الطاقة من خلال تحسين الخصائص والأساليب التشغيلية من خلال توليد إضافي في محطات الطاقة النووية الحالية بأكثر من 7 مليارات كيلووات في الساعة سنويًا (أي ما يعادل تشغيل 1 جيجاوات من الطاقة بتكاليف رأسمالية محددة تبلغ حوالي 200 دولار لكل كيلووات)؛

خفض تكاليف الإنتاج، بما في ذلك عن طريق تقليل استهلاك الطاقة للاحتياجات الخاصة (لقيم تصميمية تبلغ حوالي 6٪) وتقليل العدد المحدد للموظفين.

الإمكانات الخارجية– توسيع الأسواق القائمة وإنشاء أسواق جديدة لاستخدام الطاقة والطاقة في محطات الطاقة النووية (أكثر من 20٪ من إنتاج الطاقة):

تطوير إنتاج الطاقة الحرارية وإمدادات الحرارة (بما في ذلك إنشاء محطات الطاقة النووية)، وتجميع الحرارة الكهربائية لتوفير الحرارة للمدن الكبيرة، واستخدام الحرارة المنخفضة الجودة؛

تحويل محطات ضغط أنظمة نقل الغاز بقدرة إجمالية تزيد عن 3 جيجاواط إلى الدفع الكهربائي من محطات الطاقة النووية، مما سيضمن توفير الغاز بأكثر من 7 مليارات متر مكعب سنويا؛

المشاركة في تغطية عدم انتظام جدول الأحمال اليومي من خلال إنشاء مجمعات الطاقة لمحطات الطاقة النووية - محطات توليد الطاقة المخزنة بالضخ - طاقة ذروة تصل إلى 5 جيجاوات؛

تطوير إنتاج الألمنيوم كثيف الاستهلاك للطاقة والغاز المسال والوقود السائل الاصطناعي والهيدروجين باستخدام محطات الطاقة النووية.

وتحدد المعايير المخططة لتطوير الطاقة النووية زيادة معتدلة في تعريفات إنتاج الكهرباء من محطات الطاقة النووية إلى 2.4 سنتًا لكل كيلوواط ساعة بحلول عام 2015. ومن المتوقع أن يكون المكون التشغيلي لتعريفة الشراكة عبر المحيط الهادئ (حوالي 3 سنتات/(كيلوواط ساعة) - تكاليف الوقود بشكل رئيسي) أعلى من تعريفة محطات الطاقة النووية. وسيكون متوسط ​​هامش القدرة التنافسية لمحطات الطاقة النووية أكثر من 1.5 سنت/(كيلوواط ساعة)، أو حوالي 30%. وتشير التقديرات إلى أن الحد الأقصى لتطوير الطاقة النووية بحلول عام 2020 سيضمن استقرار تعريفة البيع للمستهلكين وسيمنع زيادتها إلى 10٪ في حالة تعليق تطوير محطات الطاقة النووية.

يتضمن تحقيق المعايير المحددة للتطوير الاستراتيجي للطاقة النووية في روسيا تنفيذ ما يلي:

إمكانية تعظيم كفاءة محطات الطاقة النووية، وإعادة إنتاج (تجديد) وتطوير قدرات محطات الطاقة النووية؛

سياسة الاستثمار طويلة الأجل في قطاع الطاقة النووية التابع للدولة في الاقتصاد؛

المصادر والآليات الفعالة للاستثمار الكافي وفي الوقت المناسب.

الفرص المحتملة والمبادئ الأساسية والاتجاهات للتنمية المستقبلية للطاقة النووية في روسيا، مع الأخذ في الاعتبار قدرات قاعدة الوقود، تحددها استراتيجية تطوير الطاقة النووية في روسيا في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين، المعتمدة في عام 2000 من قبل حكومة الاتحاد الروسي.

إن الاحتياطيات المستكشفة والمحتملة من اليورانيوم الطبيعي، والاحتياطيات المتراكمة من اليورانيوم والبلوتونيوم، وقدرات دورة الوقود النووي الحالية مع الاستثمار السليم اقتصاديًا وسياسة التصدير والاستيراد تضمن أقصى قدر من التطوير للطاقة النووية حتى عام 2030 باستخدام مفاعلات من نوع VVER في دورة الوقود النووي المفتوحة. .

وترتبط آفاق تطوير الطاقة النووية على المدى الطويل بإمكانية حقيقية لتجديد وتجديد موارد الوقود النووي دون فقدان القدرة التنافسية والسلامة للطاقة النووية. تنص سياسة تكنولوجيا الصناعة على الإدخال التطوري في الفترة 2010-2030 لتقنيات الجيل الرابع الجديدة للطاقة النووية في المفاعلات السريعة ذات دورات الوقود النووي المغلقة ووقود اليورانيوم والبلوتونيوم، مما يزيل القيود المفروضة على المواد الخام للوقود في المستقبل المنظور.

سيؤدي تطوير الطاقة النووية إلى تحسين توازن موارد الوقود والطاقة، والحد من ارتفاع تكلفة الطاقة الكهربائية والحرارية للمستهلكين، وسيساهم أيضًا في النمو الاقتصادي الفعال ونمو الناتج المحلي الإجمالي، وزيادة الإمكانات التكنولوجية لتطوير الطاقة على المدى الطويل القائم على محطات الطاقة النووية الآمنة والفعالة من حيث التكلفة.

علم البيئة

حتى لو كانت محطة الطاقة النووية تعمل بشكل مثالي ودون أدنى فشل، فإن تشغيلها يؤدي حتماً إلى تراكم المواد المشعة. لذلك، يتعين على الناس حل مشكلة خطيرة للغاية، اسمها التخزين الآمن للنفايات.

إن النفايات الناتجة عن أي صناعة ذات الحجم الهائل لإنتاج الطاقة والمنتجات والمواد المختلفة تخلق مشكلة كبيرة. التلوث البيئي والجوي في العديد من مناطق كوكبنا يسبب القلق والقلق. نحن نتحدث عن إمكانية الحفاظ على النباتات والحيوانات ليس في شكلها الأصلي، ولكن على الأقل في حدود المعايير البيئية الدنيا.

تتولد النفايات المشعة في جميع مراحل الدورة النووية تقريبًا. وهي تتراكم على شكل مواد سائلة وصلبة وغازية بمستويات متفاوتة من النشاط والتركيز. معظم النفايات منخفضة المستوى: المياه المستخدمة لتنظيف غازات وأسطح المفاعلات، والقفازات والأحذية، والأدوات الملوثة والمصابيح المحترقة من الغرف المشعة، والمعدات المستهلكة، والغبار، ومرشحات الغاز، وغير ذلك الكثير.

يتم تمرير الغازات والمياه الملوثة من خلال مرشحات خاصة حتى تصل إلى درجة نقاء الهواء الجوي ومياه الشرب. يتم إعادة تدوير المرشحات التي أصبحت مشعة مع النفايات الصلبة. يتم خلطها مع الأسمنت وتحويلها إلى كتل أو سكبها في حاويات فولاذية مع البيتومين الساخن.

أصعب شيء في التحضير للتخزين طويل المدى هو النفايات عالية المستوى. من الأفضل تحويل هذه "القمامة" إلى زجاج وسيراميك. وللقيام بذلك، يتم تكليس النفايات ودمجها مع المواد التي تشكل كتلة من الزجاج والسيراميك. تشير التقديرات إلى أن الأمر سيستغرق ما لا يقل عن 100 عام لإذابة 1 مم من الطبقة السطحية لهذه الكتلة في الماء.

على عكس العديد من النفايات الكيميائية، فإن مخاطر النفايات المشعة تتناقص بمرور الوقت. يبلغ نصف عمر معظم النظائر المشعة حوالي 30 عامًا، لذلك ستختفي تمامًا تقريبًا خلال 300 عام. لذلك، للتخلص النهائي من النفايات المشعة، من الضروري بناء مرافق تخزين طويلة الأجل من شأنها أن تعزل النفايات بشكل موثوق عن تغلغلها في البيئة حتى التحلل الكامل للنويدات المشعة. تسمى مرافق التخزين هذه أماكن الدفن.

ويجب أن يؤخذ في الاعتبار أن النفايات ذات المستوى العالي تولد كمية كبيرة من الحرارة لفترة طويلة. ولذلك، غالبا ما تتم إزالتها إلى المناطق العميقة من القشرة الأرضية. يتم إنشاء منطقة مراقبة حول منشأة التخزين، حيث يتم فرض قيود على الأنشطة البشرية، بما في ذلك الحفر والتعدين.

تم اقتراح طريقة أخرى لحل مشكلة النفايات المشعة، وهي إرسالها إلى الفضاء. وبالفعل فإن حجم النفايات صغير، لذا يمكن إزالتها إلى مدارات فضائية لا تتقاطع مع مدار الأرض، وسيتم القضاء على التلوث الإشعاعي إلى الأبد. ومع ذلك، تم رفض هذا المسار بسبب خطر عودة مركبة الإطلاق بشكل غير متوقع إلى الأرض في حالة حدوث أي مشاكل.

تدرس بعض الدول جدياً طريقة دفن النفايات المشعة الصلبة في المياه العميقة للمحيطات. هذه الطريقة مثيرة للإعجاب ببساطتها وفعاليتها من حيث التكلفة. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة تثير اعتراضات جدية على أساس الخصائص المسببة للتآكل لمياه البحر. هناك مخاوف من أن التآكل سوف يدمر بسرعة سلامة الحاويات، وسوف تصل المواد المشعة إلى الماء، وسوف تنشر التيارات البحرية النشاط عبر البحر.

لا يصاحب تشغيل محطات الطاقة النووية خطر التلوث الإشعاعي فحسب، بل يصاحبه أيضًا أنواع أخرى من التأثيرات البيئية. التأثير الرئيسي هو التأثير الحراري. وهو أعلى بمقدار مرة ونصف إلى مرتين من محطات الطاقة الحرارية.

أثناء تشغيل محطة الطاقة النووية، هناك حاجة لتبريد بخار الماء العادم. إن أبسط طريقة هي التبريد بالماء من نهر أو بحيرة أو بحر أو حمامات سباحة مبنية خصيصًا. يعود الماء الذي يتم تسخينه بمقدار 5-15 درجة مئوية إلى نفس المصدر. لكن هذه الطريقة تحمل في طياتها خطر تدهور الوضع البيئي في البيئة المائية في مواقع محطات الطاقة النووية.

والأكثر استخدامًا هو نظام إمداد المياه باستخدام أبراج التبريد، حيث يتم تبريد المياه بسبب التبخر الجزئي والتبريد.

يتم تجديد الخسائر الصغيرة عن طريق التجديد المستمر للمياه العذبة. مع نظام التبريد هذا، يتم إطلاق كمية كبيرة من بخار الماء وقطرات الرطوبة في الغلاف الجوي. وهذا يمكن أن يؤدي إلى زيادة في كمية هطول الأمطار، وتواتر تشكيل الضباب، والغيوم.

وفي السنوات الأخيرة، بدأ استخدام نظام تبريد الهواء لبخار الماء. في هذه الحالة، لا يوجد فقدان للمياه، وهو الأكثر ملاءمة للبيئة. ومع ذلك، فإن مثل هذا النظام لا يعمل في درجات الحرارة المحيطة المتوسطة العالية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تكلفة الكهرباء ترتفع بشكل كبير.

خاتمة

تعد مشكلة الطاقة واحدة من أهم المشاكل التي يتعين على البشرية حلها اليوم. لقد أصبحت إنجازات العلوم والتكنولوجيا مثل الاتصالات الفورية والنقل السريع واستكشاف الفضاء شائعة بالفعل. لكن كل هذا يتطلب كميات هائلة من الطاقة. وقد أدت الزيادة الحادة في إنتاج الطاقة واستهلاكها إلى ظهور مشكلة حادة جديدة تتمثل في التلوث البيئي، الذي يشكل خطرا جسيما على البشرية.

سوف تتزايد احتياجات العالم من الطاقة بسرعة في العقود المقبلة. ولن يتمكن أي مصدر واحد من مصادر الطاقة من توفيرها، لذا لا بد من تطوير جميع مصادر الطاقة واستخدام موارد الطاقة بكفاءة.

في المرحلة التالية من تطوير الطاقة (العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين)، ستظل طاقة الفحم والطاقة النووية ذات المفاعلات الحرارية والنيوترونية السريعة هي الأكثر واعدة. ومع ذلك، يمكننا أن نأمل ألا تتوقف البشرية على طريق التقدم المرتبط باستهلاك الطاقة بكميات متزايدة باستمرار.

فهرس

1) كيسلر "الطاقة النووية" موسكو: إنرغويزدات، 1986.

2) خ.مارجولوفا "الطاقة النووية اليوم وغداً" موسكو: المدرسة العليا، 1989

3) ج. كولير، ج. هيويت "مقدمة للطاقة النووية" موسكو: Energoatomizdat، 1989

تميز القرن العشرون بتطور نوع جديد من الطاقة الموجودة في نوى الذرات، وأصبح قرن الفيزياء النووية. وهذه الطاقة أكبر بعدة مرات من طاقة الوقود التي استخدمتها البشرية طوال تاريخها.

بحلول منتصف عام 1939، كان لدى العلماء في جميع أنحاء العالم اكتشافات نظرية وتجريبية مهمة في مجال الفيزياء النووية، مما جعل من الممكن طرح برنامج بحثي واسع النطاق في هذا الاتجاه. اتضح أن ذرة اليورانيوم يمكن أن تنقسم إلى قسمين. وهذا يطلق كمية هائلة من الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تطلق عملية الانشطار النيوترونات، والتي بدورها يمكن أن تقسم ذرات اليورانيوم الأخرى وتتسبب في تفاعل نووي متسلسل. إن تفاعل الانشطار النووي لليورانيوم فعال للغاية ويفوق بكثير التفاعلات الكيميائية العنيفة. دعونا نقارن ذرة اليورانيوم وجزيء مادة متفجرة - ثلاثي نيترو التولوين (TNT). يطلق اضمحلال جزيء TNT 10 إلكترون فولت من الطاقة، كما يطلق اضمحلال نواة اليورانيوم 200 مليون إلكترون فولت، أي 20 مليون مرة أكثر.

أحدثت هذه الاكتشافات ضجة كبيرة في العالم العلمي: لم يكن هناك في تاريخ البشرية حدث علمي أكثر أهمية في عواقبه من اختراق الذرة للعالم والسيطرة على طاقتها. لقد فهم العلماء أن غرضها الأساسي هو إنتاج الكهرباء واستخدامها في مناطق سلمية أخرى. مع تشغيل أول محطة للطاقة النووية الصناعية في العالم بقدرة 5 ميجاوات في الاتحاد السوفييتي عام 1954 في أوبنينسك، بدأ عصر الطاقة النووية. وكان مصدر إنتاج الكهرباء هو انشطار نواة اليورانيوم.

أظهرت تجربة تشغيل محطات الطاقة النووية الأولى حقيقة وموثوقية تكنولوجيا الطاقة النووية لإنتاج الكهرباء الصناعية. بدأت الدول الصناعية المتقدمة في تصميم وبناء محطات الطاقة النووية بمفاعلات من مختلف الأنواع. وبحلول عام 1964، زادت القدرة الإجمالية لمحطات الطاقة النووية في العالم إلى 5 ملايين كيلوواط.

ومنذ ذلك الوقت، بدأ التطور السريع للطاقة النووية، التي أصبحت، من خلال تقديم مساهمة متزايدة الأهمية في إجمالي إنتاج الكهرباء في العالم، بديلاً جديدًا واعدًا للطاقة. بدأت طفرة في طلبات بناء محطات الطاقة النووية في الولايات المتحدة، وبعد ذلك في أوروبا الغربية واليابان والاتحاد السوفييتي. وقد وصل معدل نمو الطاقة النووية إلى حوالي 30% سنوياً. وبحلول عام 1986، كانت هناك 365 وحدة طاقة بقدرة إجمالية مركبة قدرها 253 مليون كيلووات تعمل في محطات الطاقة النووية في العالم. وفي ما يقرب من 20 عاما، زادت قوة محطات الطاقة النووية 50 مرة. تم تنفيذ بناء محطات الطاقة النووية في 30 دولة (الشكل 1.1).

وبحلول ذلك الوقت، أصبحت أبحاث نادي روما، وهي مجتمع موثوق به من العلماء المشهورين عالميًا، معروفة على نطاق واسع. وتلخصت استنتاجات مؤلفي الدراسات في حتمية الاستنزاف الوثيق إلى حد ما للاحتياطيات الطبيعية من موارد الطاقة العضوية، بما في ذلك النفط، وهو مفتاح الاقتصاد العالمي، والارتفاع الحاد في أسعاره في المستقبل القريب. ومع أخذ هذا في الاعتبار، فإن الطاقة النووية لم تكن لتأتي في وقت أفضل. احتياطيات الوقود النووي المحتملة (2 8 U، 2 5 U، 2 2 Th) على المدى الطويل حلت المشكلة الحيوية المتمثلة في إمدادات الوقود في ظل سيناريوهات مختلفة لتطوير الطاقة النووية.

كانت ظروف تطوير الطاقة النووية مواتية للغاية، كما ألهمت المؤشرات الاقتصادية لمحطات الطاقة النووية التفاؤل؛ فقد تمكنت محطات الطاقة النووية من التنافس بنجاح مع محطات الطاقة الحرارية.

أتاحت الطاقة النووية تقليل استهلاك الوقود الأحفوري والحد بشكل كبير من انبعاثات الملوثات في البيئة من محطات الطاقة الحرارية.

استند تطوير الطاقة النووية إلى قطاع الطاقة القائم في المجمع الصناعي العسكري - مفاعلات صناعية ومفاعلات للغواصات متطورة إلى حد ما تستخدم دورة الوقود النووي (NFC) التي تم إنشاؤها بالفعل لهذه الأغراض، والمعرفة المكتسبة والخبرة الكبيرة. إن الطاقة النووية، التي حظيت بدعم حكومي هائل، تتلاءم بنجاح مع نظام الطاقة الحالي، مع مراعاة القواعد والمتطلبات المتأصلة في هذا النظام.

مشكلة أمن الطاقة التي تفاقمت في السبعينيات من القرن العشرين. فيما يتعلق بأزمة الطاقة الناجمة عن الزيادة الحادة في أسعار النفط، فإن اعتماد إمداداتها على الوضع السياسي أجبر العديد من البلدان على إعادة النظر في برامج الطاقة الخاصة بها. إن تطوير الطاقة النووية، من خلال الحد من استهلاك الوقود الأحفوري، يقلل من اعتماد الطاقة لدى البلدان التي لا تملك الوقود والطاقة الخاصة بها أو قامت بالحد من استهلاكها

الموارد الطبيعية من وارداتها ويعزز أمن الطاقة في هذه البلدان.

في عملية التطور السريع للطاقة النووية، من بين النوعين الرئيسيين من مفاعلات الطاقة النووية - النيوترونات الحرارية والسريعة - أصبحت مفاعلات النيوترونات الحرارية الأكثر انتشارًا في العالم.

أصبحت أنواع وتصميمات المفاعلات ذات الوسائط والمبردات المختلفة التي طورتها بلدان مختلفة أساسًا للطاقة النووية الوطنية. وهكذا، في الولايات المتحدة الأمريكية، أصبحت مفاعلات الماء المضغوط ومفاعلات الماء المغلي هي المفاعلات الرئيسية، وفي كندا - مفاعلات الماء الثقيل باستخدام اليورانيوم الطبيعي، في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية السابق - مفاعلات الماء المضغوط (VVER) ومفاعلات الماء المغلي اليوراغرافيت (RBMK)، الوحدة زادت قوة المفاعلات . وهكذا، تم تركيب مفاعل RBMK-1000 بقوة كهربائية تبلغ 1000 ميجاوات في محطة لينينغراد للطاقة النووية في عام 1973. ووصلت قوة محطات الطاقة النووية الكبيرة، على سبيل المثال، محطة زابوروجي للطاقة النووية (أوكرانيا)، إلى 6000 ميجاوات.

مع الأخذ في الاعتبار أن وحدات محطات الطاقة النووية تعمل بقوة ثابتة تقريبًا

محطة الطاقة النووية في جزيرة ثري مايل (الولايات المتحدة الأمريكية)

الجزء الأساسي من جدول الأحمال اليومي لأنظمة الطاقة المتكاملة؛ وبالتوازي مع محطات الطاقة النووية، تم بناء محطات طاقة تخزينية عالية القدرة على المناورة في جميع أنحاء العالم لتغطية الجزء المتغير من الجدول الزمني وسد الفجوة الليلية في جدول الأحمال.

إن الوتيرة العالية لتطوير الطاقة النووية لا تتوافق مع مستوى سلامتها. واستناداً إلى تجربة تشغيل منشآت الطاقة النووية، وزيادة الفهم العلمي والتقني للعمليات والعواقب المحتملة، كانت هناك حاجة إلى مراجعة المتطلبات الفنية، مما أدى إلى زيادة الاستثمارات الرأسمالية وتكاليف التشغيل.

تم توجيه ضربة خطيرة لتطوير الطاقة النووية من خلال حادث خطير في محطة الطاقة النووية في جزيرة ثري مايل في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1979، وكذلك في عدد من المنشآت الأخرى، مما أدى إلى مراجعة جذرية لمتطلبات السلامة، وتشديد تسببت اللوائح الحالية ومراجعة برامج تطوير محطات الطاقة النووية في جميع أنحاء العالم في أضرار معنوية ومادية هائلة لصناعة الطاقة النووية. في الولايات المتحدة، التي كانت رائدة في مجال الطاقة النووية، توقفت طلبات بناء محطات الطاقة النووية في عام 1979، كما انخفض بنائها في بلدان أخرى.

الحادث الخطير الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية في أوكرانيا عام 1986، تأهل على المستوى الدولي للحوادث النووية كحادث من الدرجة السابعة الأعلى وتسبب في كارثة بيئية على مساحة شاسعة، وخسائر في الأرواح، وتشريد مئات الآلاف من الأشخاص. الناس، وقوضت ثقة المجتمع الدولي في الطاقة النووية.

"إن المأساة في تشيرنوبيل هي بمثابة تحذير. قال الأكاديمي ف.أ. ليجاسوف ، عضو اللجنة الحكومية ، النائب الأول للأكاديمي أ.ب. ألكساندروف، الذي ترأس معهد الطاقة الذرية الذي يحمل اسم آي في. كورتشاتوفا.

وفي العديد من البلدان، تم تعليق برامج تطوير الطاقة النووية، وفي عدد من البلدان، تم التخلي تماما عن الخطط المخطط لها سابقا لتطويرها.

وعلى الرغم من ذلك، بحلول عام 2000، أنتجت محطات الطاقة النووية العاملة في 37 دولة 16% من إنتاج الكهرباء العالمي.

إن الجهود غير المسبوقة لضمان سلامة تشغيل محطات الطاقة النووية جعلت من الممكن تحقيق ذلك في بداية القرن الحادي والعشرين. استعادة ثقة الجمهور في الطاقة النووية. لقد حان الوقت لـ "نهضة" في تطورها.

وبالإضافة إلى الكفاءة الاقتصادية العالية والقدرة التنافسية، وتوافر موارد الوقود، والموثوقية، والسلامة، فإن أحد العوامل المهمة هو أن الطاقة النووية هي واحدة من أكثر مصادر الكهرباء صديقة للبيئة، على الرغم من أن مشكلة التخلص من الوقود المستهلك لا تزال قائمة.

أصبحت الحاجة إلى استنساخ (تربية) الوقود النووي واضحة، أي. بناء مفاعلات النيوترونات السريعة (المولدات)، وإدخال معالجة الوقود الناتج. كان لتطوير هذه المنطقة حوافز وآفاق اقتصادية جادة وتم تنفيذها في العديد من البلدان.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، بدأ أول عمل تجريبي للاستخدام الصناعي لمفاعلات النيوترونات السريعة

عام 1949، ومن منتصف الخمسينيات بدأ تشغيل سلسلة من المفاعلات التجريبية BR-1، BR-5، BOR-60 (1969)، وفي عام 1973 تم إنشاء محطة طاقة نووية مزدوجة الغرض بقوة مفاعل 350 ميجاوات لإنتاج الكهرباء. وتحلية مياه البحر، وفي عام 1980، تم إطلاق المفاعل الصناعي BN-600 بقدرة 600 ميجاوات.

تم تنفيذ برنامج تطوير واسع النطاق في هذا المجال في الولايات المتحدة الأمريكية. في 1966-1972 تم بناء المفاعل التجريبي إنريكو فيرمي إل، وفي عام 1980 تم تشغيل أكبر مفاعل أبحاث في العالم، FFTF بقدرة 400 ميجاوات. وفي ألمانيا، بدأ تشغيل المفاعل الأول في عام 1974، ولكن المفاعل عالي الطاقة SNR-2، الذي تم بناؤه، لم يتم تشغيله مطلقًا. وفي فرنسا تم إطلاق مفاعل فينيكس بقدرة 250 ميجاوات عام 1973، وفي عام 1986 تم إطلاق مفاعل سوبرفينيكس بقدرة 1242 ميجاوات. بدأت اليابان تشغيل مفاعل جويو التجريبي في عام 1977، ومفاعل مونجو بقدرة 280 ميجاوات في عام 1994.

في سياق الأزمة البيئية التي دخل بها المجتمع العالمي القرن الحادي والعشرين، يمكن للطاقة النووية أن تقدم مساهمة كبيرة في ضمان إمدادات الطاقة الموثوقة وتقليل انبعاثات غازات الدفيئة والملوثات في البيئة.

تلبي الطاقة النووية على أفضل وجه مبادئ التنمية المستدامة المقبولة دوليا، والتي من أهم متطلباتها توافر ما يكفي من الوقود وموارد الطاقة مع استهلاك ثابت على المدى الطويل.

وفقا للتنبؤات المستندة إلى حسابات ونمذجة تطور المجتمع والاقتصاد العالمي في القرن الحادي والعشرين، سيبقى الدور المهيمن لصناعة الطاقة الكهربائية. بحلول عام 2030، وفقا لتوقعات وكالة الطاقة الدولية، سيتضاعف إنتاج الكهرباء العالمي ويتجاوز 30 تريليون. كيلوواط ساعة، وبحسب توقعات الوكالة الدولية للطاقة الذرية، وفي إطار “نهضة” الطاقة النووية، سترتفع حصتها إلى 25% من إنتاج الكهرباء العالمي، وسيتم بناء أكثر من 100 مفاعل جديد في العالم. العالم على مدى السنوات الـ 15 المقبلة، ومن المتوقع أن تزيد محطات الطاقة النووية من 370 مليون كيلووات في عام 2006 إلى 679 مليون كيلووات في عام 2030.

وفي الوقت الحالي، تعمل البلدان التي لديها حصة عالية من إجمالي حجم الكهرباء المولدة على تطوير الطاقة النووية، بما في ذلك الولايات المتحدة الأمريكية واليابان وكوريا الجنوبية وفنلندا. نجحت فرنسا، من خلال إعادة توجيه صناعة الطاقة الكهربائية في البلاد إلى الطاقة النووية ومواصلة تطويرها، في حل مشكلة الطاقة لعدة عقود. تصل حصة محطات الطاقة النووية في إنتاج الكهرباء في هذا البلد إلى 80٪. وتقوم البلدان النامية التي لا تزال حصتها ضئيلة من توليد الطاقة النووية ببناء محطات للطاقة النووية بمعدل مرتفع. وهكذا، أعلنت الهند عزمها على المدى الطويل بناء محطة للطاقة النووية بقدرة 40 مليون كيلوواط، والصين - أكثر من 100 مليون كيلوواط.

ومن بين 29 وحدة من محطات الطاقة النووية قيد الإنشاء في عام 2006، كانت 15 منها موجودة في آسيا. تخطط تركيا ومصر والأردن وتشيلي وتايلاند وفيتنام وأذربيجان وبولندا وجورجيا وبيلاروسيا ودول أخرى لتشغيل محطات الطاقة النووية لأول مرة.

وتخطط روسيا لمواصلة تطوير الطاقة النووية، حيث تعتزم بناء محطة للطاقة النووية بقدرة 40 مليون كيلووات بحلول عام 2030. في أوكرانيا، وفقًا لاستراتيجية الطاقة في أوكرانيا للفترة حتى عام 2030، من المخطط زيادة إنتاج محطات الطاقة النووية إلى 219 مليار كيلووات في الساعة، والحفاظ عليه عند مستوى 50٪ من إجمالي الإنتاج، وزيادة قدرة محطات الطاقة النووية بنسبة ما يقرب من مرتين، ليصل إلى 29.5 مليون كيلوواط، مع عامل استخدام القدرة المركبة (IUR) بنسبة 85٪، بما في ذلك من خلال تشغيل وحدات جديدة بقدرة تتراوح بين 1-1.5 مليون كيلوواط وتمديد العمر التشغيلي للطاقة النووية الحالية وحدات المحطات (في عام 2006 في أوكرانيا، بلغت قدرة محطات الطاقة النووية 13.8 مليون كيلوواط بإنتاج 90.2 مليار كيلوواط ساعة من الكهرباء، أو حوالي 48.7% من إجمالي الإنتاج).

إن العمل الجاري في العديد من البلدان لمواصلة تحسين مفاعلات النيوترونات الحرارية والسريعة سيؤدي إلى تحسين موثوقيتها وكفاءتها الاقتصادية وسلامتها البيئية. وفي هذا الصدد، يصبح التعاون الدولي مهما. وبالتالي، مع تنفيذ المشروع الدولي GT MSR (مفاعل توربينات الغاز المعياري المبرد بالطاقة الشمسية) في المستقبل، والذي يتميز بمستوى عالٍ من الأمان والقدرة التنافسية، وتقليل النفايات المشعة، قد تزداد الكفاءة. ما يصل إلى 50٪.

إن الاستخدام الواسع النطاق في المستقبل لبنية الطاقة النووية المكونة من عنصرين، بما في ذلك محطات الطاقة النووية ذات مفاعلات النيوترونات الحرارية ومفاعلات النيوترونات السريعة التي تنتج الوقود النووي، سيزيد من كفاءة استخدام اليورانيوم الطبيعي ويقلل من مستوى تراكمه. النفايات المشعة.

وتجدر الإشارة إلى الدور الأهم في تطوير الطاقة النووية لدورة الوقود النووي (NFC)، والتي هي في الواقع عامل تشكيل نظامها. يحدث هذا بسبب الظروف التالية:

• ويجب تزويد دورة الوقود النووي بجميع الحلول الهيكلية والتكنولوجية والتصميمية اللازمة للتشغيل الآمن والفعال؛
• إن دورة الوقود النووي شرط للقبول الاجتماعي والكفاءة الاقتصادية للطاقة النووية واستخدامها على نطاق واسع؛
• سيؤدي تطوير دورة الوقود النووي إلى ضرورة الجمع بين مهام ضمان المستوى المطلوب من الأمان لمحطات الطاقة النووية المولدة للكهرباء وتقليل المخاطر المرتبطة بإنتاج الوقود النووي، بما في ذلك تعدين اليورانيوم ونقله وإعادة معالجته المستهلك. الوقود النووي (SNF) والتخلص من النفايات المشعة (نظام موحد لمتطلبات السلامة)؛
• تؤدي الزيادة الحادة في إنتاج واستخدام اليورانيوم (المرحلة الأولى من دورة الوقود النووي) إلى زيادة خطر دخول النويدات المشعة الطبيعية طويلة العمر إلى البيئة، الأمر الذي يتطلب زيادة كفاءة استخدام الوقود، وتقليل كمية النفايات وإغلاق دورة الوقود.

تعتمد الكفاءة الاقتصادية لمحطة الطاقة النووية بشكل مباشر على دورة الوقود، بما في ذلك تقليل الوقت اللازم للتزود بالوقود وزيادة خصائص أداء مجمعات الوقود (FA). ولذلك، من المهم مواصلة تطوير وتحسين دورة الوقود النووي بمعدل استخدام مرتفع للوقود النووي وإنشاء دورة وقود مغلقة منخفضة النفايات.

تنص استراتيجية الطاقة في أوكرانيا على تطوير دورة الوقود الوطنية. وبالتالي، ينبغي أن يرتفع إنتاج اليورانيوم من 0.8 ألف طن إلى 6.4 ألف طن في عام 2030، وسيتم تطوير الإنتاج المحلي من الزركونيوم وسبائك الزركونيوم ومكونات مجمعات الوقود، وفي المستقبل إنشاء دورة وقود مغلقة، فضلا عن المشاركة في التعاون الدولي لإنتاج الوقود النووي. ومن المتوخى مشاركة أوكرانيا من جانب الشركات في إنشاء مرافق لإنتاج مجمعات الوقود لمفاعلات VVER وفي إنشاء المركز الدولي لتخصيب اليورانيوم في روسيا، وانضمام أوكرانيا إلى البنك الدولي للوقود النووي الذي اقترحته الولايات المتحدة.

إن توفير الوقود للطاقة النووية له أهمية قصوى بالنسبة لآفاق تطويرها. ويبلغ الطلب الحالي على اليورانيوم الطبيعي في العالم نحو 60 ألف طن، ويبلغ الاحتياطي الإجمالي نحو 16 مليون طن.

في القرن ال 21 وسوف يتزايد دور الطاقة النووية بشكل حاد في ضمان زيادة إنتاج الكهرباء في العالم باستخدام تقنيات أكثر تقدما. ولا يوجد حتى الآن للطاقة النووية منافس جدي على المدى الطويل. ومن أجل تحقيق تطورها على نطاق واسع، كما سبقت الإشارة، يجب أن تتمتع بالخصائص التالية: الكفاءة العالية، وتوافر الموارد، وتكرار الطاقة، والسلامة، والأثر البيئي المقبول. يمكن تلبية المتطلبات الثلاثة الأولى باستخدام هيكل مكون من عنصرين للطاقة النووية، يتكون من مفاعلات حرارية وسريعة. مع مثل هذا الهيكل، من الممكن زيادة كفاءة استخدام اليورانيوم الطبيعي بشكل كبير، وتقليل إنتاجه والحد من مستوى دخول غاز الرادون إلى المحيط الحيوي. إن الطرق لتحقيق المستوى المطلوب من الأمان وخفض التكاليف الرأسمالية لكلا النوعين من المفاعلات معروفة بالفعل، ويلزم تنفيذها الوقت والمال. وبحلول الوقت الذي يدرك فيه المجتمع الحاجة إلى مواصلة تطوير الطاقة النووية، سيتم بالفعل إعداد تكنولوجيا الهيكل المكون من عنصرين، على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير مما يتعين القيام به فيما يتعلق بتحسين محطات الطاقة النووية وهيكل الصناعة، بما في ذلك الوقود. مؤسسات الدورة.

يتم تحديد مستوى التأثير البيئي بشكل أساسي من خلال كمية النويدات المشعة في دورة الوقود (اليورانيوم والبلوتونيوم) وفي مرافق التخزين (Np، Am، Cm، المنتجات الانشطارية).

يمكن تقليل المخاطر الناجمة عن التعرض للنظائر قصيرة العمر، على سبيل المثال 1 1 I و9 0 Sr وl 7 Cs، إلى مستوى مقبول عن طريق زيادة أمان محطات الطاقة النووية ومرافق التخزين ومؤسسات دورة الوقود. ويمكن إثبات قبول مثل هذا الخطر في الممارسة العملية. ولكن من الصعب إثبات ومن المستحيل إثبات موثوقية التخلص من الأكتينيدات ومنتجات الانشطار طويلة العمر على مدى ملايين السنين.

مما لا شك فيه أنه لا يمكننا التخلي عن البحث عن طرق للتخلص بشكل موثوق من النفايات المشعة، ولكن لا بد من تطوير إمكانية استخدام الأكتينيدات لتوليد الطاقة، أي. إغلاق دورة الوقود ليس فقط لليورانيوم والبلوتونيوم، ولكن أيضًا للأكتينيدات (Np، Am، Cm، إلخ). سيؤدي تحويل منتجات الانشطار الخطيرة طويلة العمر في نظام مفاعلات النيوترونات الحرارية إلى تعقيد هيكل الطاقة النووية بسبب العمليات التكنولوجية الإضافية لإنتاج ومعالجة الوقود النووي أو زيادة عدد أنواع محطات الطاقة النووية. إن إدخال Np وAm وCm والأكتينيدات الأخرى ومنتجات الانشطار في وقود المفاعلات سيؤدي إلى تعقيد تصميمها، ويتطلب تطوير أنواع جديدة من الوقود النووي، وسيؤثر سلبًا على السلامة.

وفي هذا الصدد، يتم النظر في إمكانية إنشاء هيكل ثلاثي المكونات للطاقة النووية، يتكون من مفاعلات حرارية وسريعة ومفاعلات لحرق Np وAm وCm والأكتينيدات الأخرى وتحويل بعض منتجات الانشطار.

وأهم المشاكل هي معالجة النفايات المشعة والتخلص منها والتي يمكن تحويلها إلى وقود نووي.

في النصف الأول من القرن الحادي والعشرين، سيتعين على البشرية تحقيق اختراق علمي وتقني نحو تطوير أنواع جديدة من الطاقة، بما في ذلك الطاقة النووية الإلكترونية باستخدام مسرعات الجسيمات المشحونة، وفي المستقبل الطاقة النووية الحرارية، الأمر الذي يتطلب توحيد القوى والتعاون الدولي.

تعد محطة تيانوان للطاقة النووية الأكبر من حيث سعة وحدة وحدات الطاقة بين جميع محطات الطاقة النووية قيد الإنشاء حاليًا في الصين. وينص مخططها الرئيسي على إمكانية بناء أربع وحدات طاقة بقدرة 1000 ميجاوات لكل منها. وتقع المحطة بين بكين وشانغهاي على شواطئ البحر الأصفر. بدأت أعمال البناء في الموقع في عام 1998. تم إطلاق أول وحدة طاقة لمحطة الطاقة النووية مع مفاعل الماء المبرد بالماء VVER-1000/428 والتوربين K-1000-60/3000، والتي تم إطلاقها في مايو 2006، وتم تشغيلها في 2 يونيو 2007، والثانية تم تشغيل وحدة من نفس النوع في 12 سبتمبر 2007. حاليًا، تعمل وحدتا الطاقة في المحطة النووية بثبات بنسبة 100٪ وتوفران الكهرباء لمقاطعة جيانغسو الصينية. ومن المخطط بناء وحدتي الطاقة الثالثة والرابعة في محطة تيانوان للطاقة النووية.

أولئك. في الدول الصناعية التي لا تتوفر فيها موارد الطاقة الطبيعية. وتولد هذه البلدان ما بين ربع ونصف احتياجاتها من الكهرباء من محطات الطاقة النووية. وتنتج الولايات المتحدة فقط ثمن احتياجاتها من الكهرباء من محطات الطاقة النووية، لكن هذا يمثل حوالي خمس الإنتاج العالمي.

ولا تزال الطاقة النووية موضع نقاش حاد. ويختلف مؤيدو ومعارضو الطاقة النووية بشكل حاد في تقييماتهم لسلامتها وموثوقيتها وكفاءتها الاقتصادية. بالإضافة إلى ذلك، هناك تكهنات واسعة النطاق حول احتمال تسرب الوقود النووي من توليد الكهرباء واستخدامه في إنتاج الأسلحة النووية.

دورة الوقود النووي.

الطاقة النووية صناعة معقدة تتضمن العديد من العمليات الصناعية التي تشكل معًا دورة الوقود. هناك أنواع مختلفة من دورات الوقود، اعتمادًا على نوع المفاعل وكيفية حدوث المرحلة النهائية من الدورة.

عادةً ما تتكون دورة الوقود من العمليات التالية. يتم استخراج خام اليورانيوم في المناجم. ويتم سحق الخام لفصل ثاني أكسيد اليورانيوم، ويتم التخلص من النفايات المشعة. ويتم تحويل أكسيد اليورانيوم الناتج (الكعكة الصفراء) إلى سداسي فلوريد اليورانيوم، وهو مركب غازي. ولزيادة تركيز اليورانيوم-235، يتم تخصيب سداسي فلوريد اليورانيوم في محطات فصل النظائر. ثم يتم تحويل اليورانيوم المخصب مرة أخرى إلى ثاني أكسيد اليورانيوم الصلب، والذي يستخدم لصنع كريات الوقود. يتم جمع عناصر الوقود (عناصر الوقود) من الكريات، والتي يتم دمجها في مجموعات لإدخالها في قلب المفاعل النووي لمحطة الطاقة النووية. يحتوي الوقود المستهلك الذي يتم إزالته من المفاعل على مستوى عالٍ من الإشعاع، وبعد تبريده على أراضي محطة الطاقة، يتم إرساله إلى منشأة تخزين خاصة. كما يتم اتخاذ الترتيبات اللازمة لإزالة النفايات الإشعاعية ذات المستوى المنخفض التي تتراكم أثناء تشغيل وصيانة المحطة. وفي نهاية عمر الخدمة، يجب إخراج المفاعل نفسه من الخدمة (مع إزالة التلوث والتخلص من مكونات المفاعل). يتم تنظيم كل مرحلة من مراحل دورة الوقود لضمان سلامة الأشخاص وحماية البيئة.

المفاعلات النووية.

تم تطوير المفاعلات النووية الصناعية في البداية فقط في البلدان التي تمتلك أسلحة نووية. كانت الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفييتي وبريطانيا العظمى وفرنسا تستكشف بنشاط خيارات مختلفة للمفاعلات النووية. ومع ذلك، في وقت لاحق، هيمنت ثلاثة أنواع رئيسية من المفاعلات على صناعة الطاقة النووية، وتختلف بشكل رئيسي في الوقود، والمبرد المستخدم للحفاظ على درجة الحرارة الأساسية المطلوبة، والوسيط المستخدم لتقليل سرعة النيوترونات المنبعثة أثناء عملية الاضمحلال والضرورية. للحفاظ على التفاعل المتسلسل.

من بينها، النوع الأول (والأكثر شيوعًا) هو مفاعل اليورانيوم المخصب، حيث يكون الماء العادي أو "الخفيف" هو المبرد والمهدئ (مفاعل الماء الخفيف). هناك نوعان رئيسيان من مفاعل الماء الخفيف: مفاعل يتم فيه توليد البخار الذي يقوم بتدوير التوربينات مباشرة في القلب (مفاعل الماء المغلي)، ومفاعل يتم فيه توليد البخار في دائرة خارجية أو ثانية متصلة إلى الدائرة الأولية بواسطة المبادلات الحرارية ومولدات البخار (مفاعل الطاقة المائية - VVER). بدأ تطوير مفاعل الماء الخفيف في إطار برامج القوات المسلحة الأمريكية. وهكذا، في الخمسينيات من القرن الماضي، طورت شركتا جنرال إلكتريك وويستينجهاوس مفاعلات الماء الخفيف للغواصات وحاملات الطائرات التابعة للبحرية الأمريكية. وشاركت هذه الشركات أيضًا في برامج عسكرية لتطوير تقنيات تجديد وتخصيب الوقود النووي. وفي نفس العقد، طور الاتحاد السوفييتي مفاعل الماء المغلي المهدئ بالجرافيت.

النوع الثاني من المفاعلات الذي وجد تطبيقًا عمليًا هو مفاعل مبرد بالغاز (مع وسيط من الجرافيت). كما ارتبط إنشائها ارتباطًا وثيقًا ببرامج الأسلحة النووية المبكرة. في أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات من القرن العشرين، ركزت بريطانيا العظمى وفرنسا، سعياً إلى صنع قنابل ذرية خاصة بهما، على تطوير مفاعلات مبردة بالغاز تنتج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة بكفاءة عالية، ويمكن أيضاً أن تعمل باليورانيوم الطبيعي.

النوع الثالث من المفاعلات الذي حقق نجاحًا تجاريًا هو المفاعل الذي يكون فيه كل من المبرد والمهدئ عبارة عن ماء ثقيل، ويكون الوقود أيضًا من اليورانيوم الطبيعي. في بداية العصر النووي، تم استكشاف الفوائد المحتملة لمفاعل الماء الثقيل في عدد من البلدان. ومع ذلك، تركز إنتاج مثل هذه المفاعلات في المقام الأول في كندا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى احتياطياتها الهائلة من اليورانيوم.

تطوير الصناعة النووية.

منذ الحرب العالمية الثانية، تم استثمار عشرات المليارات من الدولارات في قطاع الكهرباء في جميع أنحاء العالم. وكانت طفرة البناء هذه مدفوعة بالطلب المتزايد بسرعة على الكهرباء، والذي فاق بكثير نمو السكان والدخل القومي. وكان التركيز الرئيسي على محطات الطاقة الحرارية (TPPs) التي تحرق الفحم، وبدرجة أقل، النفط والغاز، وكذلك محطات الطاقة الكهرومائية. لم تكن هناك محطات للطاقة النووية من النوع الصناعي قبل عام 1969. وبحلول عام 1973، كانت جميع البلدان الصناعية تقريباً قد استنفدت موارد الطاقة الكهرومائية على نطاق واسع. إن ارتفاع أسعار الطاقة بعد عام 1973، والنمو السريع في الطلب على الكهرباء، والمخاوف المتزايدة بشأن فقدان استقلال الطاقة الوطني، كلها عوامل ساهمت في النظر إلى الطاقة النووية باعتبارها المصدر البديل الوحيد للطاقة في المستقبل المنظور. ولّد الحظر النفطي العربي في الفترة 1973-1974 موجة إضافية من الطلبات والتوقعات المتفائلة لتطوير الطاقة النووية.

لكن كل سنة لاحقة أجرت تعديلاتها الخاصة على هذه التوقعات. فمن ناحية، كان للطاقة النووية مؤيدوها في الحكومات وصناعة اليورانيوم ومختبرات الأبحاث وشركات الطاقة المؤثرة. ومن ناحية أخرى نشأت معارضة قوية وحدت الجماعات التي تدافع عن مصالح السكان ونظافة البيئة وحقوق المستهلك. وقد ركز النقاش، الذي لا يزال مستمرا حتى يومنا هذا، بشكل رئيسي على الآثار الضارة لمختلف مراحل دورة الوقود على البيئة، واحتمال وقوع حوادث المفاعلات وعواقبها المحتملة، وتنظيم بناء وتشغيل المفاعلات، والخيارات المقبولة للطاقة. التخلص من النفايات النووية، واحتمال وقوع أعمال تخريبية وهجمات إرهابية على محطات الطاقة النووية، فضلا عن قضايا مضاعفة الجهود الوطنية والدولية في مجال منع انتشار الأسلحة النووية.

القضايا الأمنية.

لقد أوضحت كارثة تشيرنوبيل وغيرها من حوادث المفاعلات النووية في السبعينيات والثمانينيات، من بين أمور أخرى، أن مثل هذه الحوادث لا يمكن التنبؤ بها في كثير من الأحيان. على سبيل المثال، في تشيرنوبيل، تعرض مفاعل وحدة الطاقة الرابعة لأضرار جسيمة نتيجة لزيادة حادة في الطاقة حدثت أثناء إغلاقه المقرر. كان المفاعل موجودًا في هيكل خرساني ومجهز بنظام تبريد للطوارئ وأنظمة أمان حديثة أخرى. لكن لم يخطر ببال أحد أنه عند إيقاف تشغيل المفاعل يمكن أن تحدث قفزة حادة في الطاقة وينفجر غاز الهيدروجين المتكون في المفاعل بعد هذه القفزة الممزوج بالهواء بحيث يؤدي إلى تدمير مبنى المفاعل. ونتيجة للحادث، توفي أكثر من 30 شخصا، وتلقى أكثر من 200 ألف شخص في كييف والمناطق المجاورة جرعات كبيرة من الإشعاع، وتلوثت إمدادات المياه في كييف. وإلى الشمال من موقع الكارثة - مباشرة في مسار السحابة الإشعاعية - توجد مستنقعات بريبيات الشاسعة، والتي تعتبر حيوية للبيئة في بيلاروسيا وأوكرانيا وغرب روسيا.

وفي الولايات المتحدة، واجهت مرافق بناء وتشغيل المفاعلات النووية أيضًا العديد من مشكلات السلامة التي أدت إلى تباطؤ البناء، وأجبرت العديد من التغييرات على معايير التصميم والتشغيل، وزيادة التكاليف وتكاليف الطاقة. ويبدو أن هناك مصدرين رئيسيين لهذه الصعوبات. أحدها هو نقص المعرفة والخبرة في قطاع الطاقة الجديد هذا. والسبب الآخر هو تطوير تكنولوجيا المفاعلات النووية، الأمر الذي يطرح مشاكل جديدة. ولكن تبقى أيضًا بعض الأشياء القديمة، مثل تآكل أنابيب مولد البخار وتشقق خطوط أنابيب مفاعل الماء المغلي. لم يتم حل مشكلات السلامة الأخرى بشكل كامل، مثل الأضرار الناجمة عن التغيرات المفاجئة في تدفق سائل التبريد.

اقتصاديات الطاقة النووية.

إن الاستثمار في الطاقة النووية، مثل الاستثمار في المجالات الأخرى لتوليد الكهرباء، له ما يبرره اقتصاديا إذا تم استيفاء شرطين: ألا تزيد تكلفة كيلوواط/ساعة عن أرخص طريقة إنتاج بديلة، وأن يكون الطلب المتوقع على الكهرباء مرتفعا بما يكفي بحيث يمكن بيع الطاقة المنتجة بسعر يتجاوز تكلفتها. في أوائل سبعينيات القرن العشرين، بدت التوقعات الاقتصادية العالمية مواتية للغاية للطاقة النووية: فقد كان الطلب على الكهرباء وأسعار الوقود الرئيسي، الفحم والنفط، في ارتفاع سريع. أما بالنسبة لتكلفة بناء محطة للطاقة النووية، فقد كان جميع الخبراء تقريبا مقتنعين بأنها ستكون مستقرة أو حتى ستبدأ في الانخفاض. ومع ذلك، في أوائل الثمانينيات، أصبح من الواضح أن هذه التقديرات كانت خاطئة: فقد توقف نمو الطلب على الكهرباء، ولم تعد أسعار الوقود الطبيعي ترتفع فحسب، بل بدأت في الانخفاض، وأصبح بناء محطات الطاقة النووية أكثر أهمية بكثير. باهظة الثمن مما كان متوقعا في التوقعات الأكثر تشاؤما. ونتيجة لذلك، دخلت الطاقة النووية في كل مكان فترة من الصعوبات الاقتصادية الخطيرة، وكانت أكثر خطورة في البلد الذي نشأت فيه وتطورت بكثافة أكبر - في الولايات المتحدة.

إذا أجرينا تحليلا مقارنا لاقتصاديات الطاقة النووية في الولايات المتحدة، يصبح من الواضح لماذا فقدت هذه الصناعة قدرتها التنافسية. منذ أوائل السبعينيات، ارتفعت تكاليف محطات الطاقة النووية بشكل حاد. تتكون تكاليف محطة الطاقة الحرارية التقليدية من الاستثمارات الرأسمالية المباشرة وغير المباشرة، وتكاليف الوقود، وتكاليف التشغيل، وتكاليف الصيانة. على مدى عمر خدمة محطة الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم، تبلغ تكاليف الوقود في المتوسط ​​50-60% من إجمالي التكاليف. وفي حالة محطات الطاقة النووية، تهيمن الاستثمارات الرأسمالية، حيث تمثل حوالي 70% من إجمالي التكاليف. وتتجاوز التكاليف الرأسمالية للمفاعلات النووية الجديدة في المتوسط ​​بشكل كبير تكاليف الوقود لمحطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم طوال فترة خدمتها بأكملها، مما ينفي ميزة توفير الوقود في حالة محطات الطاقة النووية.

آفاق الطاقة النووية.

ومن بين هؤلاء الذين يصرون على ضرورة مواصلة البحث عن سبل آمنة وفعالة من حيث التكلفة لتطوير الطاقة النووية، يمكن التمييز بين اتجاهين رئيسيين. ويعتقد أنصار الخيار الأول أن كافة الجهود لابد وأن تركز على إزالة انعدام الثقة العامة في سلامة التكنولوجيا النووية. وللقيام بذلك، من الضروري تطوير مفاعلات جديدة أكثر أمانًا من مفاعلات الماء الخفيف الموجودة. هناك نوعان من المفاعلات المثيرة للاهتمام هنا: المفاعل "الآمن للغاية من الناحية التكنولوجية" والمفاعل "النموذجي" عالي الحرارة والمبرد بالغاز.

تم تطوير نموذج أولي لمفاعل معياري مبرد بالغاز في ألمانيا، وكذلك في الولايات المتحدة الأمريكية واليابان. على عكس مفاعل الماء الخفيف، فإن تصميم المفاعل المعياري الذي يتم تبريده بالغاز يضمن سلامة تشغيله بشكل سلبي - دون إجراءات مباشرة من قبل المشغلين أو أنظمة الحماية الكهربائية أو الميكانيكية. وتستخدم المفاعلات الآمنة للغاية من الناحية التكنولوجية أيضًا نظام حماية سلبي. ويبدو أن مثل هذا المفاعل، الذي طُرحت فكرته في السويد، لم يتجاوز مرحلة التصميم. لكنها تلقت دعما قويا في الولايات المتحدة بين أولئك الذين يرون مزايا محتملة مقارنة بالمفاعلات المعيارية المبردة بالغاز. لكن مستقبل كلا الخيارين غير مؤكد بسبب تكاليفهما غير المؤكدة، وصعوبات التنمية، والمستقبل المثير للجدل للطاقة النووية نفسها.

ويعتقد أنصار المدرسة الفكرية الأخرى أنه لم يتبق سوى القليل من الوقت لتطوير تكنولوجيات مفاعلات جديدة قبل أن تحتاج البلدان المتقدمة إلى محطات جديدة لتوليد الطاقة. ويرى هؤلاء أن الأولوية الأولى هي تحفيز الاستثمار في الطاقة النووية.

ولكن بالإضافة إلى هذين الاحتمالين لتطوير الطاقة النووية، ظهرت وجهة نظر مختلفة تماما. وهي تعلق آمالها على الاستخدام الكامل للطاقة المتوفرة، وموارد الطاقة المتجددة (الألواح الشمسية، وما إلى ذلك) والحفاظ على الطاقة. ووفقا لمؤيدي وجهة النظر هذه، إذا تحولت الدول المتقدمة إلى تطوير مصادر إضاءة أكثر اقتصادا، والأجهزة الكهربائية المنزلية، ومعدات التدفئة ومكيفات الهواء، فإن الكهرباء المحفوظة ستكون كافية للاستغناء عن جميع محطات الطاقة النووية الموجودة. يُظهر الانخفاض الكبير الملحوظ في استهلاك الكهرباء أن الكفاءة يمكن أن تكون عاملاً مهمًا في الحد من الطلب على الكهرباء.

ومن ثم، فإن الطاقة النووية لم تجتاز بعد اختبارات الكفاءة والأمان وحسن النية العامة. ويعتمد مستقبلها الآن على مدى فعالية وموثوقية السيطرة على بناء وتشغيل محطات الطاقة النووية، فضلاً عن مدى النجاح في حل عدد من المشاكل الأخرى، مثل مشكلة التخلص من النفايات المشعة. ويعتمد مستقبل الطاقة النووية أيضاً على مدى جدوى منافسيها الأقوياء وتوسعهم - محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم، والتكنولوجيات الجديدة الموفرة للطاقة، وموارد الطاقة المتجددة.

تتركز طاقة التفاعل النووي في نواة الذرة. الذرة هي جسيم صغير يشكل كل المادة في الكون.

إن كمية الطاقة الناتجة عن الانشطار النووي هائلة ويمكن استخدامها لتوليد الكهرباء، ولكن يجب أولاً إطلاقها من الذرة.

الحصول على الطاقة

يتم تسخير الطاقة الناتجة عن التفاعل النووي من خلال المعدات التي يمكنها التحكم في الانشطار الذري لإنتاج الكهرباء.

الوقود المستخدم في المفاعلات وإنتاج الطاقة هو في أغلب الأحيان كريات من عنصر اليورانيوم. في المفاعل النووي، تضطر ذرات اليورانيوم إلى الانهيار. عندما تنقسم الذرات، فإنها تطلق جسيمات صغيرة تسمى نواتج الانشطار. تعمل منتجات الانشطار على ذرات اليورانيوم الأخرى للفصل - ويبدأ التفاعل المتسلسل. الطاقة النووية المنطلقة من هذا التفاعل المتسلسل تولد الحرارة. الحرارة المنبعثة من المفاعل النووي تجعله ساخنًا جدًا، لذا يحتاج إلى التبريد.

عادةً ما يكون الماء هو أفضل سائل تبريد من الناحية التكنولوجية، لكن بعض المفاعلات النووية تستخدم معدنًا سائلًا أو أملاحًا منصهرة. المبرد الذي يتم تسخينه من القلب ينتج البخار. يعمل البخار على التوربين البخاري ويديره. يتم توصيل التوربين من خلال ناقل حركة ميكانيكي بمولد ينتج الكهرباء.
يتم التحكم في المفاعلات باستخدام قضبان التحكم التي يمكن ضبطها حسب كمية الحرارة المتولدة. تصنع قضبان التحكم من مادة مثل الكادميوم أو الهافنيوم أو البورون لامتصاص بعض المنتجات الناتجة عن الانشطار النووي. توجد القضبان أثناء التفاعل المتسلسل للتحكم في التفاعل. ستسمح إزالة القضبان للتفاعل المتسلسل بالتطور بشكل أكبر وإنشاء المزيد من الكهرباء.

يتم توليد حوالي 15 بالمائة من الكهرباء في العالم بواسطة محطات الطاقة النووية.

تمتلك الولايات المتحدة أكثر من 100 مفاعل، على الرغم من أن الولايات المتحدة تولد معظم احتياجاتها من الكهرباء من الوقود الأحفوري والطاقة الكهرومائية.

يوجد في روسيا 33 وحدة طاقة في 10 محطات للطاقة النووية - أي 15% من رصيد الطاقة في البلاد.

وتستهلك ليتوانيا وفرنسا وسلوفاكيا معظم احتياجاتها من الكهرباء من محطات الطاقة النووية.

الوقود النووي المستخدم لتوليد الطاقة

اليورانيوم هو الوقود الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لإنتاج طاقة التفاعل النووي. وذلك لأن ذرات اليورانيوم تتفكك بسهولة نسبيًا. والنوع المحدد من اليورانيوم المنتج، والذي يسمى U-235، نادر. يشكل اليورانيوم 235 أقل من واحد بالمائة من اليورانيوم الموجود في العالم.

يتم استخراج اليورانيوم في أستراليا وكندا وكازاخستان وروسيا وأوزبكستان ويجب معالجته قبل استخدامه.

وبما أن الوقود النووي يمكن استخدامه لصنع الأسلحة، فإن الإنتاج يخضع لمعاهدة حظر الانتشار النووي لاستيراد اليورانيوم أو البلوتونيوم أو أي وقود نووي آخر. وتعزز المعاهدة الاستخدام السلمي للوقود، فضلا عن الحد من انتشار هذا النوع من الأسلحة.

الطاقة النووية والناس

تنتج الطاقة النووية الطاقة الكهربائية التي يمكن استخدامها لتشغيل المنازل والمدارس والشركات والمستشفيات.

تم بناء أول مفاعل لتوليد الكهرباء في ولاية أيداهو بالولايات المتحدة الأمريكية وبدأ تشغيله بشكل تجريبي في عام 1951.

في عام 1954، تم إنشاء أول محطة للطاقة النووية في أوبنينسك بروسيا، وهي مصممة لتوفير الطاقة للناس.

يتطلب بناء المفاعلات لاستخراج طاقة التفاعل النووي مستوى عالٍ من التكنولوجيا، ولا يمكن إلا للدول التي وقعت على معاهدة حظر الانتشار النووي الحصول على اليورانيوم أو البلوتونيوم المطلوب. ولهذه الأسباب، تقع معظم محطات الطاقة النووية في الدول المتقدمة في العالم.

تنتج محطات الطاقة النووية موارد متجددة وصديقة للبيئة. فهي لا تلوث الهواء أو تنتج انبعاثات غازات الدفيئة. يمكن بناؤها في المناطق الحضرية أو الريفية ولا تغير البيئة المحيطة بها بشكل جذري.

المواد المشعة من محطات توليد الطاقة

المواد المشعة في صالمفاعل آمن لأنه يتم تبريده في هيكل منفصل يسمى برج التبريد. ويتحول البخار مرة أخرى إلى ماء ويمكن استخدامه مرة أخرى لإنتاج الكهرباء. يتم إعادة تدوير البخار الزائد ببساطة إلى الغلاف الجوي، حيث لا يكون ضارًا مثل الماء النقي.

ومع ذلك، فإن الطاقة الناتجة عن التفاعل النووي لها منتج ثانوي في شكل مادة مشعة. المواد المشعة هي عبارة عن مجموعة من النوى غير المستقرة. تفقد هذه النوى طاقتها ويمكن أن تؤثر على العديد من المواد المحيطة بها، بما في ذلك الكائنات الحية والبيئة. يمكن أن تكون المواد المشعة شديدة السمية، وتسبب المرض، وتزيد من خطر الإصابة بالسرطان، واضطرابات الدم، وتسوس العظام.

النفايات المشعة هي ما يتبقى من تشغيل المفاعل النووي.

تغطي النفايات المشعة الملابس الواقية التي يرتديها العمال والأدوات والأقمشة التي كانت على اتصال بالغبار المشع. النفايات المشعة طويلة الأمد. يمكن أن تظل المواد مثل الملابس والأدوات مشعة لآلاف السنين. تنظم الحكومة كيفية التخلص من هذه المواد بحيث لا تلوث أي شيء آخر.

الوقود والقضبان المستخدمة مشعة للغاية. ويجب تخزين كريات اليورانيوم المستخدمة في حاويات خاصة تشبه حمامات السباحة الكبيرة، كما تقوم بعض المصانع بتخزين الوقود الذي تستخدمه في صهاريج تخزين جافة فوق الأرض.

لا يتلامس الماء الذي يبرد الوقود مع النشاط الإشعاعي وبالتالي فهو آمن.

هناك أيضًا أنواع معروفة لها مبدأ تشغيل مختلف قليلاً.

استخدام الطاقة النووية والسلامة الإشعاعية

ويشعر منتقدو استخدام طاقة التفاعل النووي بالقلق من أن مرافق تخزين النفايات المشعة سوف تتسرب أو تتشقق أو تنهار. ويمكن للمواد المشعة بعد ذلك تلويث التربة والمياه الجوفية بالقرب من الموقع. وهذا يمكن أن يؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة للأشخاص والكائنات الحية في المنطقة. سيتعين على جميع الناس الإخلاء.

وهذا ما حدث في تشيرنوبيل بأوكرانيا عام 1986. أدى انفجار بخاري في إحدى محطات توليد الطاقة بالمفاعل النووي الرابع إلى تدميرها واندلع حريق فيها. وتشكلت سحابة من الجسيمات المشعة، التي سقطت على الأرض أو انجرفت مع الريح، ودخلت الجسيمات دورة الماء في الطبيعة على شكل أمطار. وسقطت معظم المخلفات الإشعاعية في بيلاروسيا.

حدثت العواقب البيئية لكارثة تشيرنوبيل على الفور. على بعد كيلومترات حول الموقع، جفت غابة الصنوبر، وأكسب اللون الأحمر لأشجار الصنوبر الميتة المنطقة لقب الغابة الحمراء. أصبحت الأسماك من نهر بريبيات القريب مشعة ولن يتمكن الناس من تناولها بعد الآن. ماتت الماشية والخيول. وتم إجلاء أكثر من 100 ألف شخص بعد الكارثة، لكن من الصعب تحديد عدد الضحايا البشريين من تشيرنوبيل.

وتظهر آثار التسمم الإشعاعي فقط بعد سنوات عديدة. بالنسبة لأمراض مثل السرطان، فمن الصعب تحديد المصدر.

مستقبل الطاقة النووية

تستخدم المفاعلات انشطار أو انقسام الذرات لإنتاج الطاقة.

يمكن أيضًا إنتاج طاقة التفاعل النووي عن طريق دمج الذرات أو ضمها معًا. في الانتاج. فالشمس، على سبيل المثال، تخضع باستمرار للاندماج النووي لذرات الهيدروجين لتكوين الهيليوم. وبما أن الحياة على كوكبنا تعتمد على الشمس، فيمكننا القول أن الانشطار يجعل الحياة على الأرض ممكنة.

لا تمتلك محطات الطاقة النووية حتى الآن القدرة على إنتاج الطاقة بشكل آمن وموثوق من خلال الاندماج النووي (الاندماج)، لكن العلماء يستكشفون الاندماج النووي لأنه من المرجح أن تكون العملية آمنة وأكثر فعالية من حيث التكلفة كشكل بديل للطاقة.

إن طاقة التفاعل النووي هائلة ويجب أن يستخدمها الناس. التحدي الذي يواجه الحصول على هذه الطاقة هو كثرة التصاميم المتنافسة مع سوائل التبريد ودرجات حرارة التشغيل وضغوط التبريد والمهدئات وغيرها، بالإضافة إلى مجموعة من مخرجات الطاقة التصميمية. وبالتالي، فإن الخبرة التصنيعية والتشغيلية سوف تلعب دورا رئيسيا.