Библиографическое описание:

Сурков М. С. Использование ядерных материалов в мирных целях // Молодой ученый. — 2015. — №22.5. — С. 13-15.

 

Электроэнергетика России занимает существенное место в национальной экономике. В 1954 году в Советском Союзе вступила в строй первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кВт. Запущена она в 17 часов 45 минут 26 июня 1954 года в посёлке Обнинское Калужской области (в настоящее время город Обнинск), на базе «Лаборатории В». В декабре 2007 г. в соответствии с Указом Президента РФ была образована Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», объединяющая более 350 предприятий и научных организаций, в числе которых все гражданские компании атомной отрасли России, предприятия ядерного оружейного комплекса, научно-исследовательские организации и единственный в мире атомный ледокольный флот.

Доля выработки электроэнергии атомными станциями в России составляет около 16 % от всего производимого электричества. При этом в европейской части страны доля атомной энергетики достигает 30 %, а на Северо-Западе — 37 %. На сегодняшний день в России эксплуатируется 10 атомных электростанций (в общей сложности 33 энергоблока установленной мощностью 25,2 ГВт), которые вырабатывают около 16 % всего производимого электричества.

Принципиальная схема АЭС с водоводяным реактором представлена на рис. 1.

shema2

Рис. 1. Принципиальная схема АЭС с водоводяным реактором

 

Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора, отбирается водой (теплоносителем) 1-го контура, которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор), где передаёт тепло, полученное в реакторе, воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образующийся пар поступает в турбину. В проточной части турбины параметры пара постепенно уменьшаются, тепло превращается в механическую энергию ротора турбины, связанного с ротором электрогенератора. В электрогенераторе механическая энергия преобразуется в электрическую.

Использованиеядерныхматериалов, оборудованияиликомпонентов в мирных целях включает исследования и достижения в таких областях какпроизводствоэлектроэнергии, медицина,сельскоехозяйство, промышленность. Одним из проектов является плавучая атомная электростанция.

Плавучая атомная станция малой мощности (АСММ) состоит из гладкопалубного несамоходного судна с двумя реакторными установками КЛТ-40С ледокольного типа, разработанными ОАО «ОКБМ им. Африкантова». Длина судна — 144 метра, ширина — 30 метров. Водоизмещение — 21,5 тысячи тонн. Плавучая станция может использоваться для получения электрической и тепловой энергии, а также для опреснения морской воды. В сутки она может выдать от 40 до 240 тысяч тонн пресной воды. Установленная электрическая мощность каждого реактора — 35 МВт, тепловая мощность — 140 гигакалорий в час. Срок эксплуатации станции составит минимум 36 лет: три цикла по 12 лет, между которыми необходимо осуществлять перегрузку активных зон реакторных установок.

Атомный ледокольный флот России насчитывает 6 атомных ледоколов, 1 контейнеровоз и 4 судна технологического обслуживания. Его задача — обеспечивать стабильное функционирование Северного морского пути, а также доступ к районам Крайнего Севера и арктическому шельфу.

Ядерная медицина — это ветвь медицинской лучевой диагностики, в которой используется небольшое количество радиоактивного материала для диагностики и лечения различных заболеваний. Применение ядерных материалов позволяет исследовать практически все системы органов человека и находит применение в неврологии, кардиологии, онкологии, эндокринологии, пульмонологии и других разделах медицины.

В июне 2011 года ГК «Росатом» и компания Philips подписали соглашение о стратегическом партнерстве в области создания современного высокотехнологичного медицинского оборудования на территории Российской Федерации. Основная задача — это производство молибдена — 99, который генерирует короткоживущий изотоп технеций-99m — основной диагностический радионуклид современной ядерной медицины. C помощью 99mTc в настоящее время диагностируется большое количество заболеваний, в первую очередь онкологических и сердечно-сосудистых. Количество диагностических процедур ядерной медицины с использованием технеция-99m превышает 25 миллионов в год.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — это диагностическое исследование ядерной медицины, позволяющее оценить работу (функцию) органов и тканей. Метод основан на введении в организм радиофармацевтических препаратов, испускающих энергию в виде гамма-лучей, которые во время исследования фиксируются гамма-камерой (датчиками, позитронно-эмиссионным сканером). Компьютер, который связан с позитронно-эмиссионным томографом измеряет количество радиоактивного вещества, поглощенного организмом, и, исходя из этого, строит изображения, сочетающие в себе данные о структуре и функции органов и тканей. Технеций-99m — короткоживущий изотоп (период полураспада 6 часов). При изомерном переходе в 99Tc он испускает только γ-кванты, что обеспечивает достаточную проникающую способность и значительно меньшую дозу облучения пациента по сравнению с другими изотопами.

Исследование действия ионизирующей радиации на биологические объекты в зависимости от дозы, мощности облучения и состояния облучаемого объекта послужило основой разработки и внедрения в сельское хозяйство радиационно-биологической технологии (РБТ). В качестве источников излучения используют гамма-установки с радионуклидами 60Со и 137Cs, ускорители электронов с энергией до 10 МэВ, а также источники излучения, связанные с ядерными реакторами (радиационные контуры, частично или полностью отработанные ТВЭЛы — радиоактивные отходы атомной энергетики).

Радиационные контуры и ТВЭЛы применяют в РБТ в настоящее время только для экспериментальных целей. Это связано с тем, что они должны быть расположены вблизи ядерных реакторов, хотя использование их как источников излучения одновременно могло бы решить вопрос утилизации отходов атомной промышленности.

В нашей стране для нужд сельского хозяйства и научных исследований в области радиационно-биологической технологии создан целый ряд передвижной и стационарной техники. Передвижные гамма-установки типа «Колос», «Стебель», «Гамма-панорама» смонтированы на автомобилях или автоприцепах. Источником излучения у них служит 137Cs, запаянный в двойную ампулу из нержавеющей стали и находящийся за защитным экраном в нерабочем положении установки. «Колос» и «Стебель» предназначены для предпосевного облучения семян зерновых, зернобобовых, технических и других культур в условиях хозяйств, а «Гамма-панорама» — для облучения сельскохозяйственных растений и животных в целях селекции и стимуляции их роста и развития. Стационарные установки типа «Гамма-поле» и «Стерилизатор» с источником 60Со предназначены соответственно для длительного и разового облучения сельскохозяйственных растений в селекционной работе и для стерилизации в промышленных масштабах ветеринарных и медицинских материалов и инструментов.

Будущее космонавтики немыслимо без управления ядерными реакциями. Впервые ядерный реактор был выведен на орбиту в 1965 году. Американская установка SNAP-10A проработала 43 дня. Реактор на тепловых нейтронах использовал обогащенный до 10 % уран-235 в качестве горючего, гидрид циркония в качестве замедлителя и натрий-калиевый теплоноситель. Источник энергии мог выполнять возложенные на него задачи (в частности, питание ионного двигателя), но КПД составлял всего 1,5 %. Из 40 кВт выделяющейся энергии лишь 500–600 Вт переводилось в электрическую форму. SNAP-10А остался в истории как единственный энергетический ядерный реактор, не способный обеспечить работу обычного электрочайника. Советский космический реактор БЭС-5 «Бук», серийно производившийся с 1970 года, отличался чуть лучшими характеристиками.

БЭС-5 «Бук» была использована на спутнике радиолокационной разведки УС-А. В состав установки входил реактор на быстрых нейтронах БР-5А с тепловой мощностью 100 кВт. В качестве топлива использовался уран, в качестве теплоносителя — калий-натриевый расплав. Получение электрического тока обеспечивалось полупроводниковым термоэлектрическим генератором. От установки с выходной электрической мощностью 3 кВт питался бортовой радиолокатор бокового обзора. Всего с 1970 по 1988 было запущено 32 КА с этой установкой. Поскольку УС-А функционировали на низких орбитах высотой всего лишь 270 км, по окончании работы производилось отделение радиационно-опасной части аппарата и её увод на орбиту захоронения высотой около 1000 км. На такой орбите реактор может существовать сотни лет, прежде чем сойдёт с орбиты из-за торможения об атмосферу. Это позволяет иметь существенный запас времени для решения вопроса безопасной утилизации такого радиоактивного мусора.

В дальнейшем совершенствование реакторов космического назначения велось путем включения в конструкцию термоэмиссионного преобразователя, позволяющего повысить КПД, увеличить ресурс и уменьшить массу и габариты установки. В частности, количество урана-235 удалось снизить до 11,5 кг (против 30 кг у «Бука»), при этом электрическая мощность составила от 5 до 6,6 кВт (при тепловой 150 кВт).

В 1998 г. Правительство Российской Федерации приняло постановление «О концепции развития космической ядерной энергетики в России». Эта Концепция направлена на сохранение лидирующих позиций России в области космических ядерных технологий, высококвалифицированных кадров, уникальной экспериментальной и производственно-технологической баз, инфраструктуры научных центров и предприятий, которые осуществляют работы в данной области.

Изобретатель и руководитель компании LaserPowerSystems — Чарльз Стивенс представил концепт Thorium — проект автомобиля с двигателем, который работает на ядерной энергии. Идея создания автомобиля с использованием ядерной энергии была реализована еще в 2009 году. Cadillac представил концепт кар, использующий в качестве топлива радиоактивный металл, но это был лишь макет. Не было попыток воплотить в реальность проект ядерного реактора размерами и мощностью сопоставимыми с автомобильными характеристиками. Чарльз Стивенс и группа инженеров сумели разработать такой реактор. В концепте Thorium будет использоваться тяжелый слаборадиоактивный металл торий. По мнению ученых, один грамм этого элемента сможет заменить 7.5 тысяч галлонов бензина — около 30 тысяч литров.

Ранее торий рассматривался как альтернатива плутонию и урану. Однако работы с этим радиоактивным элементом были прекращены из-за невозможности использования его в военных целях. Исследователи из России, Индии, Китая и США все больше обращают внимания на торий. Элемент сложно использовать для создания ядерного оружия, но он вполне подходит как источник для мирной атомной энергии (мирный атом). Запасы тория в земной коре превышают запасы урана в три раза. Этот элемент содержится в десятках минералов, месторождения которых обнаружены в Индии, Австралии, Норвегии, США, Бразилии, Пакистане и других странах.

Ученые из LaserPowerSystems создали мини ядерный ректор. В ходе исследований они обнаружили, что лазер на основе тория не являет собой направленный луч света, как это случается обычно, а испускает мощные тепловые волны. Эта особенность и послужила основой для создания ядерного двигателя Thorium. Предполагается, что в основе системы будет находиться 250-киловаттный генератор весом около 230 килограмм, способный легко уместиться под капотом автомобиля.

Таким образом, бесспорна перспективность использования ядерных материалов в мирных целях — для ускорения вулканизации автомобильных покрышек, для производства полимерных материалов, при крекировании сырой нефти в бензин, для целей стерилизации медикаментов, обеззараживания зерна и зернопродуктов, предпосевного облучения семян и во многих других процессах. Это важное направление использования атомной энергии, дающее уже сейчас значительный экономический эффект. Такое многообразие областей использования атомной энергии в мирных целях делает необходимым создание большого числанаучно-исследовательских институтов и опытных установок, предназначенных для глубокого изучения всех аспектов этих проблем.

 

Литература:

 

  1. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Правила оценки соответствия оборудования, комплектующих, материалов и полуфабрикатов, поставляемых на объекты использования атомной энергии, НП-071–06.
  2. Федеральный закон от 21.11.1995 г. N 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии».
  3. http://www.rosenergoatom.ru

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle