Що таке ядерний поділ?

Ядерний поділ — це розщеплення ядра атома з утворенням двох (або більше) легших елементів.

Хоча іноді це може відбуватися спонтанно в ізотопах деяких важких елементів, таких як торій і уран, зазвичай воно викликається нейтроном, який впливає на ядро ​​з потрібною силою.

Раптова переповненість робить згусток протонів і нейтронів нестабільним і схильним до розпаду, залишаючи не тільки менші ядра або продукти розщеплення, але й викидаючи більше вільних нейтронів разом зі спалахом фотонів високої енергії у вигляді гамма-випромінювання.

Енергія, що вивільняється при цьому розділенні ядерних частинок, використовується як джерело енергії з середини 20 століття.

Хоча процес виробництва енергії не виділяє таких неприємних парникових газів, як спалювання викопного палива, занепокоєння щодо ризиків розплавлення, довготривалих небезпечних відходів і витрат означає, що атомне майбутнє, про яке багато хто мріяв у минулому, може бути нелегким досяжним.

Як ядерний поділ використовується для отримання ядерної енергії?

Експерименти 1930-х років , пов’язані з бомбардуванням атомів ядерними частинками, привели до моделей поділу, які обіцяли вивільнення значної кількості енергії з правильних ізотопів важких елементів, таких як уран.

Теорія передбачала, що для урану-235 набагато більше шансів зазнати поділу порівняно з іншими ізотопами, особливо якщо нейтрони, що вражають його ядро, рухаються з відносно повільною швидкістю.

Вивільнення додаткових нейтронів у процесі поділу може призвести до того, що інші найближчі атоми U-235 також розпадуться. Щоб відбулася ця ланцюгова реакція, має бути відносно висока щільність U-235, стиснутого разом – те, що називається «критичною масою» матеріалу.

До кінця 1930-х років фізики винайшли методи уповільнення нейтронів, достатні для захоплення та збагачення сумішей ізотопів урану з природних ресурсів для формування критичної маси U-235. Вони також винайшли спосіб контролювати ланцюгову реакцію, щоб експоненціальне виробництво нейтронів не вийшло з-під контролю, і в цьому випадку процес міг стати вибуховим.

Протягом наступного десятиліття технологічний прогрес у ядерному поділі буде застосовано для виробництва нових класів суперзброї . Лише після Другої світової війни інженери знову звернули увагу на можливість застосування процесу ядерного поділу для тривалого виробництва тепла для виробництва електроенергії.

Подібно до того, як пара, що утворюється в результаті спалювання викопного палива в котлі, обертає турбіну, пов’язану з електричним генератором, пара з «ядерного котла» також може бути використана для виробництва енергії.

Технологічний прогрес з часом продовжував підвищувати ефективність і безпеку, у деяких випадках відмовившись від сповільнювачів, які сповільнюють нейтрони, щоб дозволити матеріалам, що розщеплюються, захоплювати «швидші» частинки . Сьогодні в усьому світі працює близько 440 атомних електростанцій , причому майже 100 у Сполучених Штатах. У сукупності ці електростанції виробляють близько 10 відсотків світової електроенергії, що на 7 відсотків нижче свого піку в 1993 році.

У епоху, коли виробництво приблизно 60 відсотків світової електроенергії призводить до викиду парникових газів зі швидкістю, яка загрожує катастрофічному глобальному потеплінню, ядерна енергетика представляє порівняно чистішу альтернативу .

Але є витрати, які можуть обмежити те, наскільки ми повинні звертатися до ядерної енергії для порятунку від кліматичної кризи.

У чому проблема атомної енергетики?

Коли справа доходить до пошуку економічно ефективних альтернатив викопному паливу з низьким рівнем викидів, ми могли б зробити гірше, ніж атомна енергетика. Важливо те, що ми могли б досягти кращих результатів завдяки технологіям відновлюваної енергії, таким як сонячна та вітер, які з кожним роком стають дешевшими .

Виклики ядерної енергетики поділяються на три категорії: відходи, ризики та витрати. Ось кілька прикладів кожного.

Відходи

Одне з найбільших занепокоєнь громадськості щодо ядерної енергетики за останні десятиліття полягало в тому, що робити з урановим паливом, коли воно настільки забите продуктами розщеплення, що більше не є ефективним для виробництва енергії.

Ці високоактивні відходи містять ізотопи, яким можуть знадобитися тисячі років, щоб знизити радіоактивність до рівня, приблизно відповідного рівню руди, з якої вони походять. Зараз більше чверті мільйона метричних тонн високорадіоактивних відходів знаходяться в сховищах по всьому світу, очікуючи на захоронення або переробку.

Це погано? Хоча ядерні відходи, що зберігаються, не обов’язково становлять безпосередню загрозу, якщо вони добре локалізовані, питання про довгострокове поводження та можливість неправильного поводження та нещасних випадків роблять зберігання зростаючої купи ядерних відходів суперечливим питанням.

Вуглець також є відходом, який слід враховувати. Хоча процес поділу та перетворення ядерної енергії на електрику відносно вільний від викидів вуглецю, валовий бюджет вуглецю для видобутку та обробки руди, необхідної для поділу та будівництва бетонної електростанції, не дорівнює нулю .

Протягом свого терміну експлуатації нова атомна електростанція може викидати приблизно 4 грами CO ₂ на кожну кіловат-годину виробленої електроенергії. Деякі оцінки показують, що вихід значно вищий, коливається від 10 грамів CO ₂ до 130 грамів у деяких випадках.

Тим не менш, заміна вугільних електростанцій на атомні може заощадити в атмосфері понад мільйони тонн CO ₂ щороку, не кажучи вже про тверді частки та інші забруднюючі речовини. Відповідно до тих самих міркувань, чисті відновлювані джерела енергії, такі як вітряні турбіни та сонячні батареї, також не матимуть нульових викидів через їх виробництво та встановлення. Вуглецеві сліди для сонячних і вітряних електростанцій більш-менш можна порівняти з нижчим показником для ядерних електростанцій.

Загалом, енергія, отримана від ядерної енергетики, (у кращому випадку) не містить вуглецю приблизно так само, як енергія від сонця та вітру, хоча й з непопулярною проблемою відходів, яку мало хто хоче мати на своєму задньому дворі.

Ризик

Минуло більше трьох десятиліть з тих пір, як Україна радянської епохи дала світу відчути, як може виглядати найгірший сценарій ядерної аварії. Після розплавлення під час технічного випробування в 1986 році Чорнобильська атомна електростанція розвалилася в радіоактивні руїни серед ландшафту, отруєного своїми опадами.

У 2011 році японський ядерний реактор Фукусіма також зазнав аварій після землетрусу.

Такі руйнівні події досить рідкісні, щоб заслуговувати на шокуючі заголовки. Проте деякі оцінки свідчать про те, що такі розплавлення можуть відбуватися раз на 10-20 років , ризикуючи поширенням радіоактивного матеріалу на сотні чи навіть тисячі кілометрів ландшафту.

Наскільки це може бути погано? Важко сказати, це залежить від великої кількості факторів, пов’язаних із щільністю населення, ступенем впливу та концентрацією ізотопів. За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я , «переміщене населення Фукусіми страждає від психосоціальних та психічних наслідків для здоров’я після переселення, розриву соціальних зв’язків людей, які втратили домівку та роботу, розриву сімейних зв’язків і стигматизації».

Іншими словами, нам слід хвилюватися не лише про ризик радіоактивності.

Тим не менш, оскільки ми настільки звикли до впливу спалювання викопного палива на здоров’я, ми мало замислюємося про вплив на здоров’я твердих часток , які виділяються під час спалювання вугілля. Який сам по собі теж не зовсім вільний від радіоактивних матеріалів.

Вартість

Щоб порівняти витрати на виробництво електроенергії, дослідники використовують так звану вирівняну вартість енергії, або LCOE. Це міра середньої чистої вартості генерації, прогнозованої протягом терміну служби сайту.

Ця цифра залежатиме від багатьох факторів, пов’язаних із розташуванням і коливаннями ресурсів. Але все ще можна отримати загальне уявлення про LCOE у всьому світі для порівняння технологій .

Відповідно до Звіту про стан світової ядерної промисловості за 2020 рік , LCOE для ядерної енергії підскочив на 26 відсотків за десятиліття з 2009 по 2019 рік до 155 доларів США за мегават-годину. У той же час вугілля подешевшало на 2 відсотки до 109 доларів США.

З іншого боку, вартість сонячної фотоелектричної енергії впала майже на 90 відсотків до 41 долара США. Приблизно стільки ж впав і вітер.

Чи можуть ядерні електростанції врятувати світ?

Звичайно, нові технології завжди можуть змінити ситуацію. Пошук кращих способів уловлювання ядерних відходів може зробити їх безпечнішими або принаймні дати суспільству впевненість у тому, що вони стануть меншою загрозою в майбутньому. Альтернативи ізотопам урану могли б усунути занепокоєння, пов’язане з розплавленням, і можливість використання ядерної зброї. Зміна технологій може вплинути на масштаби реакторів або навіть повністю покращити їх LCOE.

Але, швидше за все, буде надто пізно .

Аналіз впровадження ядерної та відновлюваної енергетики в більш ніж ста країнах за останні 25 років виявив, що ядерна енергетика просто не досягла таких же результатів у скороченні викидів вуглецю, як відновлювані джерела енергії.

Більше того, інвестиції в ядерну енергетику є безповоротними витратами, що ускладнює перехід до майбутнього з відновлюваними джерелами енергії.

Усе це не означає, що ядерній енергетиці не буде місця у майбутньому виробництві енергії. Дослідження космосу , наприклад, може отримати користь від прогресу в технології ядерного поділу. Окрім виробництва енергії, виробництво певних ізотопів для медицини та досліджень, за допомогою ділення, є безцінною галуззю.

Можливо, це не врятує нас від кліматичної кризи, але ядерна ера дає інші технологічні переваги, які будуть з нами ще довго.