Как человечество научилось получать электричество
Первые электростанции появились ещё в конце XIX века. Сначала это были угольные и дровяные котлы: в них сжигали топливо, нагревали воду, получали пар, пар крутил турбину, турбина вращала генератор, который вырабатывал ток. Потом появились большие ГЭС и газовые станции — это был прогресс. Но у всех этих источников был один общий минус: зависимость от дополнительных ресурсов. Уголь нужно постоянно возить вагонами, а газ передавать по трубам, к тому же запасы природных ресурсов исчерпаемы. В свою очередь ГЭС зависят от уровня воды в реке: начинается засуха — и мощность падает.
В 1938 году немецкими физиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом было открыто деление ядра урана. Они облучали ядро урана нейтронами и обнаружили, что в ходе реакции образуются более лёгкие элементы, в частности барий, а также выделяется огромное количество энергии. Это открытие положило начало развитию ядерной физики и индустрии атомной энергетики. После этого Лиза Мейтнер и Отто Фриш теоретически объяснили процесс деления как расщепление ядра урана на две части, которое сопровождается генерацией энергии, примерно в 20 миллионов раз большей, чем при химическом горении.
Этот прорыв сделал возможным использование ядерной энергии для производства электроэнергии. Сегодня 1 кг урана с обогащением около 4% при полном выгорании даёт столько же энергии, сколько примерно 100 т угля или 60 т нефти. Представьте себе: небольшой чемодан с топливом способен заменить тысячи вагонов с углём или нефтью. Это позволяет снабжать электричеством миллиарды людей — круглосуточно и экологично.
Чтобы все жители страны были обеспечены электричеством в любое время года, запущен нацпроект «Новые атомные и энергетические технологии». В его рамках строят новые энергоблоки в уже существующих атомных станциях и создают АЭС малой мощности. В будущем планируется строительство 38 энергоблоков мощностью около 30 ГВт: впервые атомная энергия придёт в семь новых регионов, включая Сибирь и Дальний Восток. Также разрабатываются реакторы нового поколения с замкнутым топливным циклом — это гарантирует свет и тепло даже в самых удалённых уголках страны.
Что происходит внутри атомной станции
На первый взгляд работа АЭС похожа на работу обычной тепловой станции: есть котёл, пар, турбина и генератор. Но вместо сжигания угля или газа внутри реактора происходит управляемая цепная реакция деления ядер урана-235. При каждом делении вырабатывается огромное количество тепла. Это тепло нагревает воду первого контура до 320–330 °C, при этом она не кипит из-за высокого давления. Далее тепло передаётся во второй контур, там простая чистая вода превращается в пар. А дальше всё как обычно: пар крутит турбину, турбина — генератор, и в итоге мы получаем электричество.
Есть ещё одна важная особенность: радиоактивные вещества никогда не контактируют ни с паром, который идёт в турбину, ни с окружающей средой. Всё заперто в трёх-четырёх независимых контурах и толстых защитных оболочках.
Почему атомные станции работают в любых условиях
АЭС выдаёт полную мощность 330–340 дней в году. Вот четыре основные причины устойчивой работы:
- Ядерный реактор использует цепную реакцию деления ядер урана, а это управляемый источник тепла, который не зависит от погоды и климата.
- Современные АЭС оборудованы комплексными системами резервного электроснабжения и аварийного охлаждения. Они поддерживают и контролируют реакцию даже при отключении внешних источников питания.
- Территория станции и её объекты проектируются с учётом сейсмических, климатических и техногенных факторов — АЭС должна устоять даже при стихийном бедствии.
Насколько безопасны современные АЭС
Сегодня в России строят и эксплуатируют реакторы поколения III+ (ВВЭР-1200, ВВЭР-ТОИ). У них несколько независимых уровней защиты:
- Четыре физических барьера на пути радиоактивных веществ: топливная таблетка, оболочка тепловыделяющего элемента, корпус реактора и защитная оболочка здания.
- «Ловушка расплава» под реактором: если вдруг что-то пойдёт не так, расплавленное топливо соберётся в специальной ёмкости и остынет.
- Пассивные системы безопасности, которые работают без электричества и вмешательства человека.
Вероятность тяжёлой аварии с выходом радиоактивных веществ за пределы станции — менее 1 случая на 10 миллионов лет работы одного реактора.
Как работают станции в России
В России работают 35 энергоблоков на 11 АЭС и плавучая станция на Чукотке. Они дают около 20% всей электроэнергии страны — это больше, чем все солнечные и ветряные станции, вместе взятые. Один новый энергоблок ВВЭР-1200 мощностью 1 200 МВт может обеспечить электричеством город-миллионник. К 2035 году планируется запустить ещё 12 энергоблоков плюс малые АЭС для Севера и Дальнего Востока.
Параллельно Россия промышленно перерабатывает отработанное ядерное топливо, возвращая до 97% материалов обратно в цикл. Дополнительно планируется создать жидкосолевой реактор для переработки отходов и базу для синтеза сверхтяжёлых элементов. Также в стране разрабатывают сверхпрочные материалы для реакторов, способные выдерживать экстремальные температуры и радиацию. Для развития атомной энергетики в России готовятся кадры в инженерных школах Росатома и научных центрах, где студенты могут погрузиться в реальные проекты.
По нацпроекту «Новые атомные и энергетические технологии» отрабатывается повторное использование ядерного топлива и технологии термоядерной плазмы. Параллельно создаются собственные аккумуляторы следующего поколения, оборудование для солнечных и ветряных станций, системы передачи и хранения энергии. Планируется, что к 2030–2035 годам доля российского оборудования в энергетике достигнет 80–90%.
