Branduolinė energija: kas tai, veikimo principas ir pavojai
Branduolinė energija - tai kontroliuojamas branduolinės energijos naudojimas. Branduolinė energija — tai energija, esanti "skylančiuose" elementuose, pavyzdžiui, urane, kuri gali būti išlaisvinta vykstant branduolinėms reakcijoms įrenginyje, vadinamame branduoliniu reaktoriumi. Ši energija paverčiama elektros energija, kuri vėliau gali būti naudojama mašinoms maitinti ir namams šildyti. 2007 m. 14 % pasaulio elektros energijos buvo pagaminta iš branduolinės energijos. Atominėse elektrinėse taip pat susidaro radioaktyviųjų atliekų, kurios gali būti kenksmingos, jei yra netinkamai saugomos.
Kaip veikia branduolinė elektrinė
Tipinėje branduolinio reaktoriaus schemoje pagrindiniai elementai yra branduolinis kuras (dažniausiai urano izotopai), moderatorius (parenkamas tam, kad lėtinant neutronus būtų palaikyta grandininė reakcija), valdymo strypai (absorbavę neutronus leidžia reguliuoti reakcijos intensyvumą) ir aušinimo sistema (perneša išsiskiriančią šilumą). Branduolinės skaldymo metu (fizijos) atomai skyla, išskirdami šilumą ir neutronus — šiluma paverčiama garu, kuris suka turbiną ir gamina elektros energiją. Reaktoriuose taikomi daugiasluoksniai saugumo principai, kad būtų užkirstas kelias radiacijos nutekėjimui arba koreliaciniams gedimams.
Branduolinės fizijos pagrindai
Branduolinė energija daugiausia išgaunama dviem būdais:
- Fizija — sunkiojo atomo branduolio skaldymas (pvz., urano U-235), kuri sukelia grandininę reakciją ir išskiria didelį kiekį šilumos.
- Sintezė — lengvųjų branduolių, pavyzdžiui vandenilio izotopų, susijungimas į sunkesnį branduolį, kuris išskiria dar daugiau energijos nei fizija; ši technologija kol kas yra eksperimentinė.
Nauda ir privalumai
- Didelė energijos išeiga — mažai kuro reikalinga palyginti su iškastiniu kuru.
- Mažesnės šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos elektros gamybos metu nei deginant anglį ar dujas.
- Stabili, pastovi elektros gamyba, nepriklausanti nuo oro sąlygų (skirtingai nei vėjo ar saulės energetika).
Pavojai ir iššūkiai
Branduolinė energetika kelia kelių rūšių rizikas:
- Avarijos — istorijoje pasitaikė rimtų incidentų (pvz., TMI, Černobylis, Fukušima), kurių pasekmės gali būti plačios tiek žmonėms, tiek aplinkai.
- Radioaktyviosios atliekos — ypač naudojamas kuras yra itin aktyvus ir reikalauja ilgalaikio saugojimo (aušinimo baseinuose, vėliau sausose talpyklose arba geologinėse saugyklose).
- Branduolinių medžiagų platinimo rizika — technologija ir medžiagos, naudojamos energetikai, gali būti panaudotos ir ginklų kūrimui, todėl reikalinga griežta tarptautinė priežiūra.
- Decomisijavimas ir ekonomika — elektrinių uždarymas ir radioaktyvių dalių šalinimas yra brangūs ir užtrunka ilgai.
Radioaktyviųjų atliekų tvarkymas
Atliekos skirstomos pagal aktyvumo lygį: mažo, vidutinio ir aukšto aktyvumo. Pirmiausia panaudotas kuras saugomas aušinimo baseinuose, vėliau perdedamas į sausas talpyklas arba ruošiama ilgalaikiam saugojimui geologinėse saugyklose. Saugus atliekų tvarkymas reikalauja technologinių sprendimų, teisėkūros ir visuomenės sutikimo.
Branduolių sintezės perspektyvos
Nuo XX a. vidurio žmonės taip pat tyrinėja galimybę naudoti branduolių sintezės energiją, kuri gamina daug daugiau energijos ir nesukuria tokių pat trukmės radioaktyviųjų atliekų kaip fizija. Šiuo metu vystomi tokie projektai kaip Tokamak tipo reaktoriai (pvz., ITER) ir kiti eksperimentai. Tačiau komerciniai branduolių sintezės reaktoriai dar neegzistuoja — technologiniai iššūkiai (aukšta temperatūra, plazmos stabilizacija ir efektyvi tritio tiekimo grandinė) yra dideli ir reikalauja papildomų tyrimų.
Saugumo priemonės ir reguliavimas
Branduolinės energetikos saugumą užtikrina keli sluoksniai: techninės saugos priemonės reaktoriaus konstrukcijoje, griežtos eksploatacijos procedūros, nuolatinė priežiūra, personalo mokymai ir tarptautinės institucijos (pvz., Tarptautinė atominės energijos agentūra), kurios nustato standartus ir stebi jų laikymąsi. Po rimtų avarijų daugelyje šalių buvo sustiprinti reglamentai, gerinta įrangos konstrukcija ir avarijų valdymo procedūros.
Baigiamosios pastabos
Branduolinė energija suteikia didelį potencialą patikimai ir mažiau anglies dioksido išskiriančiai elektros energijai, tačiau ją lydi specifinės rizikos ir sudėtingos atliekų tvarkymo problemos. Sprendimas, ar plėtoti branduolinę energetiką, dažnai priklauso nuo energetinės politikos, ekonominių apskaičiavimų, visuomenės nuomonės bei gebėjimo užtikrinti ilgalaikį saugumą ir skaidrumą. Tuo pačiu metu branduolių sintezės moksliniai projektai žada ateities alternatyvas, bet kol kas lieka eksperimentiniai.
2011 m. duomenimis, Cattenom elektrinė netoli Metzo yra didžiausia Prancūzijos atominė elektrinė. Drėgnomis dienomis didelė dalis vandens garų kondensuojasi.
Istorija
1941 m. Enrico Fermi sukūrė pirmąjį branduolinį reaktorių. Daug reaktorių buvo pastatyta JAV Antrojo pasaulinio karo metais vykdant Manheteno projektą. 1954 m. Obninske netoli Maskvos pradėjo veikti pirmoji atominė elektrinė. Dauguma branduolinių elektrinių JAV buvo pastatytos septintajame ir aštuntajame dešimtmetyje. Branduoliniai reaktoriai taip pat maitina kai kuriuos didelius karinius laivus ir povandeninius laivus.
Energijos gamyba
Branduoliniuose reaktoriuose vyksta procesas, vadinamas branduolių dalijimusi, kurio metu naudojami tokie atomai kaip uranas ar plutonis (ypač izotopas uranas 235) ir dalijami dalelėmis, vadinamomis neutronais. Taip dalis masės paverčiama energija pagal Einšteino lygtį E=mc2. Skilimui tinkami elementai sudedami į strypus, vadinamus kuro strypais. Kuro strypai panardinami į vandenį, o energija, išsiskirianti vykstant dalijimosi reakcijai, įkaitina vandenį, kuris virsta garais.
Garo garai suka turbiną, kuri gamina elektros energiją. Po to garas kondensuojamas didžiuliuose aušinimo bokštuose, jis vėl virsta vandeniu ir vėl siunčiamas į reaktorių.
Reakciją galima valdyti tarp kuro strypų įdėjus "valdymo strypus". Valdymo strypai paprastai gaminami iš boro, kuris sugeria neutronus ir stabdo reakciją.
Branduolinis skilimas gali įvykti, kai reakcija nekontroliuojama ir pradeda gamintis pavojingos radioaktyviosios dujos (pvz., kriptonas). Priešingai populiariam įsitikinimui, branduoliniai reaktoriai negali sprogti kaip branduolinės bombos, tačiau iš jų ištrūkusios radioaktyviosios medžiagos kelia pavojų.
Nelaimingi atsitikimai
Įvyko keletas rimtų branduolinių avarijų. Buvo sudaryta avarijų pavojingumo skalė. Ji vadinama Tarptautine branduolinių įvykių skale. Skalę sudaro 8 lygiai (0-7), o 7 lygis yra pats blogiausias.
- 1986 m. įvykusi Černobylio katastrofa, priskirta 7 lygiui.
- Fukušimos branduolinė katastrofa įvyko 2011 m. dėl 7-ojo lygio žemės drebėjimo.
- Mayak avarija; įvyko 1957 m. Išsiskyrusios radiacijos kiekis ir bendras pavojus buvo didesnis nei Černobylio avarijoje. Tačiau paveikta teritorija buvo mažesnė. Dėl šių priežasčių avarija priskiriama tik 6 lygiui.
- 1957 m. kilęs gaisras Windscale ir 1979 m. avarija Three Mile Island saloje - 5 lygio.
- Tokaimuroje įvykusios branduolinės avarijos 4 lygis
Branduolinių povandeninių laivų avarijos: sovietinio povandeninio laivo K-19 reaktoriaus avarija (1961 m.), sovietinio povandeninio laivo K-27 reaktoriaus avarija (1968 m.) ir sovietinio povandeninio laivo K-431 reaktoriaus avarija (1985 m.).
Per 2011 m. Japonijoje įvykusią avariją Fukušimos Daiči branduolinėje elektrinėje sprogimai apgadino tris branduolinius reaktorius.
Ekonomika
Branduolinės energijos ekonominė nauda yra sudėtinga, o po 2011 m. įvykusios Fukušimos branduolinės katastrofos šiuo metu veikiančių ir naujų branduolinių elektrinių sąnaudos greičiausiai didės dėl padidėjusių reikalavimų, susijusių su panaudoto branduolinio kuro tvarkymu vietoje, ir padidėjusių projektinių grėsmių.
Diskusijos
Diskutuojama dėl branduolinės energijos naudojimo. Šalininkai, pavyzdžiui, Pasaulinė branduolinės energetikos asociacija ir TATENA, teigia, kad branduolinė energija yra tvarus energijos šaltinis, mažinantis anglies dioksido išmetimą. Be to, ji nesukelia smogo ir rūgščiųjų lietų. Branduolinės energijos priešininkai, pavyzdžiui, "Greenpeace International" ir Branduolinės informacijos ir išteklių tarnyba, mano, kad branduolinė energija kelia grėsmę žmonėms ir aplinkai.
Naujausi pokyčiai
2007 m. atominės elektrinės pagamino apie 2600 TWh elektros energijos ir tiekė 14 proc. pasaulyje suvartojamos elektros energijos, t. y. 2 proc. mažiau nei 2006 m. 2010 m. gegužės 9 d. duomenimis, pasaulyje veikė 438 (372 GW) branduoliniai reaktoriai. Didžiausias rodiklis buvo pasiektas 2002 m., kai veikė 444 branduoliniai reaktoriai.
Japonijos Fukušimos Daiči branduolinėje elektrinėje ir kituose branduoliniuose objektuose įvykusios avarijos sukėlė klausimų dėl branduolinės energijos ateities. Platts teigė, kad "krizė Japonijos Fukušimos atominėse elektrinėse paskatino pagrindines energiją vartojančias šalis peržiūrėti esamų reaktorių saugumą ir sukėlė abejonių dėl planuojamos plėtros greičio ir masto visame pasaulyje". Po Fukušimos branduolinės katastrofos Tarptautinė energetikos agentūra perpus sumažino numatomus iki 2035 m. pastatyti papildomus branduolinės energijos gamybos pajėgumus.
Slėginio vandens indų galvutės
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra branduolinė energija?
A: Branduolinė energija - tai kontroliuojamas branduolinės energijos naudojimas elektros energijai gaminti.
K: Kaip veikia branduolinis reaktorius?
A: Branduolinis reaktorius naudoja branduolines reakcijas, kad išlaisvintų energiją, kuri vėliau užvirina vandenį ir įjungia garo variklį, gaminantį elektros energiją.
K: Kokią dalį pasaulio elektros energijos 2007 m. pagamino branduolinė energija?
A: 2007 m. 14 % pasaulio elektros energijos buvo pagaminta iš branduolinės energijos.
K: Kokie galimi pavojai, susiję su branduolinės energijos naudojimu?
A: Atominėse elektrinėse susidaro radioaktyviųjų atliekų, kurios gali būti kenksmingos, jei yra netinkamai saugomos.
K: Kokios rūšies alternatyvūs energijos šaltiniai buvo tiriami nuo XX a. vidurio?
A: Nuo XX a. vidurio žmonės tyrinėja branduolių sintezės energiją kaip alternatyvų energijos šaltinį.
K: Kuo branduolių sintezės energija skiriasi nuo tradicinės branduolinės energijos?
A: Branduolių sintezės energija pagamina daug daugiau energijos nei tradicinė branduolinė energija ir nesusidaro radioaktyviųjų atliekų.
K: Ar jau galima įsigyti branduolių sintezės reaktorių?
A.: Branduolių sintezės reaktorių dar nėra ir jie vis dar kuriami.
