Атомная энергетика: проблемы и перспективы

Введение

Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного топлива (уран, плутоний и т. д.) существенно превышают энергетические ресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и т. д.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать увеличение потребления угля и нефти для технологических целей глобальной химической промышленности, которая становится серьезным конкурентом тепловым электростанциям. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование методов его добычи, существует тенденция к относительному увеличению его стоимости в мире. Это создает самые сложные условия для стран с ограниченными запасами ископаемого топлива.
Цель работы – рассмотреть проблемы и перспективы атомной энергетикию
Задачи:
- Рассмотреть сферы применения ядерной энергии
- Изучить плюсы и минусы использования ядерной энергии
- Изучить историю создания ядерных реакторов
- Рассмотреть классификацию ядерных реакторов
- Рассмотреть проблемы эксплуатационной безопасности
- Рассмотреть состояние атомной энергетики на сегодняшний день и перспективы её развития
Повсеместное применение ядерной энергии началось благодаря научно-техническому прогрессу не только в военной области, но и в мирных целях. Сегодня нельзя обойтись без нее в промышленности, энергетике и медицине.
Вместе с тем, использование ядерной энергии имеет не только преимущества, но и недостатки. Прежде всего, это опасность радиации, как для человека, так и для окружающей среды.
Применение ядерной энергии развивается в двух направлениях: использование в энергетике и использование радиоактивных изотопов.
Изначально атомную энергию предполагалось использовать только в военных целях, и все разработки шли в этом направлении.

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
1.1 Применение ядерной энергии
Использование ядерной энергии в промышленности
Атомная энергия используется для повышения чувствительности химического анализа и производства аммиака, водорода и других химических реагентов, которые используются для производства удобрений.
Ядерная энергия также используется для опреснения соленой воды. Использование в черной металлургии позволяет восстанавливать железо из железной руды. В цветной - используется для производства алюминия.
Использование ядерной энергии в сельском хозяйстве
Использование ядерной энергии в сельском хозяйстве решает проблему размножения и помогает в борьбе с вредителями.
Ядерная энергия используется для создания мутаций в семенах. Это сделано для получения новых сортов, которые дают большие урожаи и устойчивы к болезням растений. Таким образом, более половины пшеницы, выращенной в Италии для производства макаронных изделий, было получено путем мутации.
Также с помощью радиоизотопов определяют оптимальные способы внесения удобрений. Например, они определили, что выращивание риса может сократить использование азотных удобрений. Это не только сэкономило деньги, но и спасло окружающую среду.
Немного странное использование ядерной энергии - облучение личинок насекомых. Это делается для того, чтобы убрать их безвредно для окружающей среды. В таком случае насекомые, появившееся из облученных личинок, не имеют потомства, но в остальном они совершенно нормальные.
Ядерная медицина
Медицина использует радиоактивные изотопы для постановки точного диагноза. Медицинские изотопы имеют короткий период полураспада и не представляют особой опасности как для других, так и для пациента.
Недавно было обнаружено другое применение ядерной энергии в медицине. Это позитронно-эмиссионная томография. Она может быть использован для выявления рака на ранних стадиях.
1.2 Плюсы и минусы использования ядерной энергии
Сегодня на ядерную энергетику приходится около 17 процентов мирового производства энергии. Хотя человечество использует ископаемое топливо, его запасы не бесконечны.
Поэтому ядерное топливо используется в качестве альтернативы. Но процесс его производства и использования связан с большим риском для жизни и окружающей среды.
Конечно, ядерные реакторы постоянно совершенствуются, принимаются все возможные меры безопасности, но иногда этого недостаточно. Примером считается авария на Чернобыльской АЭС и на АЭС Фукусима.
С одной стороны, правильно работающий реактор не выделяет никакого излучения в окружающую среду, в то время как большое количество вредных веществ поступает в атмосферу от тепловых электростанций.
Наиболее опасным является отработанное топливо, его переработка и хранение. Потому что сегодня нет абсолютно безопасного способа утилизации ядерных отходов.
1.3 История создания ядерных реакторов
Научная работа в Германии.
Теоретическую группу «Урановый проект» нацистской Германии, работающую в Обществе кайзера Вильгельма, возглавлял Вайцзеккер, но лишь формально. Фактическим лидером был Гейзенберг, разрабатывающий теоретические основы цепной реакции, Вайцзеккер же с группой участников сосредоточился на создании «урановой машины» - первого реактора.
Поздней весной 1940 года один из учёных группы - Хартек - провёл первый опыт с попыткой создания цепной реакции, используя оксид урана и твёрдый графитовый замедлитель

. Однако имеющегося в наличии делящегося материала не хватило для достижения этой цели.
В 1941 году в Лейпцигском университете участником группы Гейзенберга Дёпелем был построен стенд с тяжеловодным замедлителем, в экспериментах на котором к маю 1942 года удалось достичь производства нейтронов в количестве, превышающем их поглощение.
Полноценной цепной реакции немецким учёным удалось достичь в феврале 1945 года в эксперименте, проводимом в горной выработке близ Хайгерлоха. Однако спустя несколько недель ядерная программа Германии прекратила существование.
Научная работа в США.
Цепная реакция деления ядер (кратко - цепная реакция) была впервые осуществлена американскими учеными в декабре 1942 года.  Группа физиков Чикагского университета, возглавляемая Э. Ферми, создала первый в мире ядерный реактор, названный «Чикагской поленницей» (Chicago Pile-1, CP-1). Он состоял из графитовых блоков, между которыми были расположены шары из природного урана и его диоксида. Быстрые нейтроны, появляющиеся после деления ядер 235U, замедлялись графитом до тепловых энергий, а затем вызывали новые деления ядер. Реакторы, подобные СР-1, в которых основная доля делений происходит под действием тепловых нейтронов, называют реакторами на тепловых нейтронах. В их состав входит очень много замедлителя по сравнению с ядерным топливом.
Научная работа в СССР.
В СССР теоретические и экспериментальные исследования особенностей пуска, работы и контроля реакторов были проведены группой физиков и инженеров под руководством академика И. В. Курчатова.
Первый советский реактор Ф-1 был построен в Лаборатории № 2 АН СССР (Москва). Этот реактор был выведен в критическое состояние 25 декабря 1946 года. Реактор Ф-1 был собран из графитовых блоков и имел форму шара диаметром примерно 7,5 м. В центральной части шара диаметром 6 м по отверстиям в графитовых блоках размещены урановые стержни. Реактор Ф-1, как и реактор CP-1, не имел системы охлаждения, поэтому работал на очень малых уровнях мощности (Средняя мощность не превышала 20 Вт. Для сравнения, первый американский реактор CP-1 редко превышал 1 Вт мощности). Результаты исследований на реакторе Ф-1 стали основой проектов более сложных по конструкции промышленных реакторов. В 1948 году введён в действие реактор И-1 (по другим данным он назывался А-1) по производству плутония.
27 июня 1954 года начала работать первая в мире атомная электростанцияэлектрической мощностью 5 МВт в городе Обнинске.
1.4 Классификация ядерных реакторов
По назначению и характеру использования ядерные реакторы подразделяются на:
- энергетические реакторы, предназначенные для производства электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, а также для опреснения морской воды (опреснительные реакторы также классифицируются как промышленные). Основное применение таких реакторов было получено на атомных электростанциях. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт.
- транспортные реакторы, предназначенные для питания двигателей транспортных средств. Наиболее широко используются реакторы морского транспорта, используемые на подводных лодках и различных надводных судах, а также реакторы, используемые в космической технике.
- Экспериментальные реакторы, предназначенные для исследования различных физических величин, величина которых необходима для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов. Мощность таких реакторов обычно не превышает нескольких кВт.
- Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, генерируемые в ядре, используются для исследований в области ядерной физики, физики твердого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (включая части ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов обычно не превышает 100 МВт. Выделенная энергия, как правило, не используется.
- Промышленные (оружейные, изотопные) реакторы, используемые для производства изотопов, используемых в различных областях. Наиболее широко используются для производства ядерного оружия материалы, например 239Pu. Также к промышленным ядерным реакторам относятся реакторы, используемые для опреснения морской воды.
Часто ядерные реакторы используются для двух либо более разных задач, в этом случае их называют многоцелевыми. Например, некоторые энергетические реакторы, особенно на заре атомной энергии, предназначались главным образом для экспериментов. Реакторы на быстрых нейтронах могут производить как энергию, так и изотопы. Промышленные реакторы, помимо своей основной задачи, часто вырабатывают электрическую и тепловую энергию.

1.5 Проблема эксплуатационной безопасности
Относительно недолгая история ядерной энергетики содержит огромное количество незапланированных остановок реакторов и тысячи аварий, в том числе такие крупные, как «Уиндскейл» (1957 г., Великобритания), ныне Селлафилд, Три-Майл-Айленд (1979г., США), Чернобыль (1986г.)