Kodolenerģija: definīcija, darbības princips un riski

Uzzini kodolenerģijas definīciju, darbības principu un riska aspektus — kā darbojas kodolreaktori, radioaktīvie atkritumi un kodolsintēzes perspektīvas.

Kodolenerģija ir kontrolēta kodolenerģijas izmantošana. Tā izmanto "skaldāmo" elementu, piemēram, urāna, enerģiju, ko atbrīvo kodolreakcijās iekārtā, ko sauc par kodolreaktoru. Šī enerģija parasti tiek pārvērsta elektroenerģijā un siltumā — elektroenerģija var darbināt mašīnas, rūpnīcas un apgādāt mājokļus ar elektrību, savukārt radušais siltums var tikt izmantots apsildīšanai vai rūpnieciskos procesos. Mūsdienās aptuveni 10 % no pasaules elektroenerģijas tiek ražoti ar kodoliekārtu palīdzību. Kodolspēkstacijās rodas arī radioaktīvie atkritumi, kas, ja netiek pareizi apsaimniekoti, var radīt ilgtermiņa vides un veselības riskus.

Darbības princips

Kodolreaktoru darbība balstās uz kodolšķelšanu (fīziju), kurā smagu atomu kodoli (piemēram, urāns-235) sadalās mazākos kodolos, atbrīvojot lielu daudzumu enerģijas un brīvos neitronus. Šie neitroni var izraisīt turpmākas šķelšanas reakcijas, veidojot ķēdes reakciju. Reaktoru darbībā ķēdes reakcija tiek kontrolēta ar šādiem elementiem:

• kūdras un kodola elementi (degvielas stieņi), kuros notiek šķelšana;
• moderators (piemēram, ūdens vai grafīts), kas palēnina neitronus, lai palielinātu šķelšanās varbūtību;
• kontroles stieņi, kas absorbē neitronus un regulē reakcijas ātrumu;
• aukstaisants (dzesētājs), kas novada radušos siltumu uz tvaika ģeneratoru vai tieši uz turbīnām;
• drošības apvalks (kontainment), kas noslēdz reaktoru un aizsargā vidi no radioaktīviem izmešiem.

Galvenie reaktoru veidi

Ir vairāki komerciāli izplatīti reaktoru tipi: spiediena ūdens reaktori (PWR), vārsta ūdens reaktori (BWR), smago ūdeņu reaktori (CANDU) u. c. Katrā no tiem atšķiras moderators, dzesētājs un tehniskie risinājumi, taču pamatprincipi ir līdzīgi — kontrolēta ķēdes reakcija, siltuma pārveide un elektroenerģijas ražošana.

Drošība un riski

Kodolenerģijas izmantošana prasa stingras drošības procedūras. Galvenie riski ir:

• Kodolkatastrofas — kontrolētu sistēmu kļūmes var novest pie reaktora pārkaršanas un radioaktīvu vielu izplūdes (piemēri: TMI, Černobiļa, Fukušima);
• ilgtermiņa radioaktīvo atkritumu uzglabāšanas un uzraudzības problēmas, jo daļa radionuklīdu ir bīstami tūkstošiem gadu;
• nolietoto degvielu un izstrādājumu pārvietošana, kas var radīt vides un drošības izaicinājumus;
• proliferācija — iespēja, ka kodolmateriālu vai tehnoloģiju var izmantot ieroču ražošanai;
• cilvēkfaktors, infrastruktūras novecošana un dabas katastrofu ietekme uz iekārtu darba drošību.

Lai mazinātu šos riskus, reaktori ir aprīkoti ar vairākām neatkarīgām aizsardzības līnijām, avārijas dzesēšanas sistēmām, automatizētiem izslēgšanas mehānismiem un stingrām regulatīvām prasībām un uzraudzību.

Radioaktīvo atkritumu apsaimniekošana

Atkritumi tiek klasificēti pēc aktivitātes un pusperioda: zema, vidēja un augsta aktivitāte. Risinājumi ietver:

• starpposma uzglabāšanu baseinos uz vietas vai sausās konteineru krātuvēs;
• vitrifikāciju un ilgtermiņa izolāciju;
• pēdējā posma risinājumus, piemēram, dziļās ģeoloģiskās krātuves (Onkalo Somijā ir viens no starptautiski sekojamajiem projektiem);
• daļēju pārstrādi (reprocesu), kas var samazināt augstas aktivitātes atkritumu apjomu, taču rada papildu tehniskus un drošības jautājumus.

Priekšrocības un trūkumi

• Priekšrocības: zemas oglekļa emisijas ekspluatācijas laikā, liela enerģijas blīvuma ražošana, stabils bāzes slodzes avots un mazāks zemes platības patēriņš nekā daudziem atjaunojamiem risinājumiem, ja salīdzina ar saražoto enerģijas apjomu.
• Trūkumi: augstas uzsākšanas izmaksas un garš būvniecības laiks, ilgtermiņa atkritumu jautājums, potenciāls nopietnu avāriju un drošības risku dēļ, kā arī politiskas un sabiedriskas pretestības aspekti.

Nākotnes tehnoloģijas

Ilgtermiņa pētījumi ietver:

• mazo modulāro reaktoru (SMR) izstrādi — mazāki, rūpnīcā ražoti reaktori ar potenciāli zemākām izmaksām un ātrāku būvniecību;
• kodolsintēzes enerģiju, kas teorētiski varētu radīt ļoti daudz enerģijas ar mazāku radioaktīvo atkritumu rašanos; šīs tehnoloģijas attīstība turpinās projektiem, piemēram, ITER, taču komerciāli darbspējīgu sintēzes reaktoru vēl nav;
• uzlabotas degvielas un reaktoru sistēmas, kas palielina efektivitāti un drošību, kā arī iespējas reģenerēt vai samazināt atkritumu apjomu.

Kopsavilkums

Kodolenerģija ir jaudīgs un zemu oglekļa emisiju avots, kas var nodrošināt stabilu elektroenerģijas piegādi, taču tai ir būtiski tehniski, vides un sociāli politiski izaicinājumi. Drošības pasākumi, uzlabotas tehnoloģijas, atkritumu apsaimniekošanas risinājumi un starptautiska sadarbība ir būtiski, lai samazinātu riskus un maksimāli izmantojot kodolenerģijas priekšrocības.

Negadījumi

Ir notikuši vairāki nopietni kodolnegadījumi. Lai novērtētu, cik bīstamas ir avārijas, tika izveidota skala. To sauc par Starptautisko kodolnegadījumu skalu. Skalai ir 8 līmeņi (0-7), un 7 līmenis ir vissliktākais.

• Černobiļas katastrofa, kas notika 1986. gadā; klasificēta 7. līmenī.
• Fukušimas kodolkatastrofa notika 2011. gadā zemestrīces rezultātā, 7. līmeņa zemestrīces rezultātā.
• Maijaka avārija; notika 1957. gadā. Izdalītās radiācijas daudzums un vispārējais apdraudējums bija lielāks nekā Černobiļas avārijā. Tomēr skartā teritorija bija mazāka. Šo iemeslu dēļ avārija ir klasificēta tikai kā 6. līmeņa avārija.
• Vindskāles ugunsgrēks 1957. gadā un avārija Trīs milu salā 1979. gadā - 5. līmenis.
• Tokaimuras kodolnegadījums 4. līmenī

Ar kodoldzinējiem darbināmu zemūdeņu avārijas ir padomju zemūdenes K-19 reaktora avārija (1961), padomju zemūdenes K-27 reaktora avārija (1968) un padomju zemūdenes K-431 reaktora avārija (1985).

2011. gadā Japānā Fukušimas Daiči atomelektrostacijas avārijas laikā sprādzienu rezultātā tika bojāti trīs kodolreaktori.

Jaunākie notikumi

2007. gadā atomelektrostacijas saražoja aptuveni 2600 TWh elektroenerģijas un nodrošināja 14% no pasaulē patērētās elektroenerģijas, kas ir par 2% mazāk nekā 2006. gadā. 2010. gada 9. maijā pasaulē darbojās 438 (372 GW) kodolreaktori. Maksimums tika sasniegts 2002. gadā, kad darbojās 444 kodolreaktori.

Kodolnegadījumi Japānas Fukušimas Daiči atomelektrostacijā un citās kodoliekārtās radīja jautājumus par kodolenerģijas nākotni. Platts norādīja, ka "krīze Japānas Fukušimas atomelektrostacijās ir pamudinājusi vadošās enerģiju patērējošās valstis pārskatīt savu esošo reaktoru drošību un apšaubīt plānotās paplašināšanas ātrumu un mērogu visā pasaulē". Pēc Fukušimas kodolkatastrofas Starptautiskā Enerģētikas aģentūra uz pusi samazināja savu aplēsi par papildu kodolspēkstaciju jaudu, kas jāuzbūvē līdz 2035. gadam.

Spiediena ūdens tvertņu galvas

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kodolenerģija?

J: Kā darbojas kodolreaktors?

J: Kādu daļu no pasaules elektroenerģijas 2007. gadā saražoja no kodolenerģijas?

Kādi ir daži iespējamie riski, kas saistīti ar kodolenerģijas izmantošanu?

J: Kāda veida alternatīvs enerģijas avots ir pētīts kopš 20. gadsimta vidus?

J: Ar ko kodolsintēzes enerģija atšķiras no tradicionālās kodolenerģijas?

J: Vai kodolsintēzes reaktori jau ir pieejami?

Meklēt pēc burta