Урок - лекция по теме "Атомная энергетика, проблемы экологии"
план-конспект урока по физике (9 класс) по теме

Урок – лекция

МКОУ «Липецкая ООШ»

Сариогло Н.Н.

9 класс.

Цели и задачи:

Всестороннее изучение вопросов, касающихся атомной энергетики: получение ядерной энергии на АЭС;

принцип работы атомной электростанции;

экономические проблемы АЭС;

экологические проблемы АЭС.

Ход урока:

Общий обзор:

Доля атомной энергетики в мировом производстве электрической энергии составляет примерно 17% (около 2000 млрд кВт ч). По данным международного агентства по атомной энергетики (МАГАТЭ) мировую атомную энергетику представляют 450 атомных реакторов, работающих в 31 стране. Три страны мира, в которых доля атомных электростанций в общей выработке электроэнергии наибольшая –Франция (77 %), Бельгия (56 %), Швеция (53 %). В США она составляет 19 %, а в России – 11%.

На территории России расположены 9 наиболее крупных атомных электростанций . Из них 8 на территории Европейской части России: это Курская, Тверская, Нововоронежская, Ленинградская, Балаковская, Белоярская, Кольская АЭС и Билибинская. Самая крупная – Курская. Она имеет мощность – 4000 МВт.

Получение ядерной энергии на АЭС.

Вещество, используемое в ядерных реакторах для осуществления ядерной цепной реакции, называется ядерным топливом. Естественное природное ядерное топливо – уран.

Строительство первых АЭС по программе «Мирный атом» (термин предложен американским президентом Д. Эйзенхауэром) началось в 50-е года прошлого века в СССР и США, а затем в других странах. Первая в мире АЭС была пущена в 1954 году в Советском Союзе в городе Обнинске Калужской области. Она имела мощность 5 МВт и КПД 16%.

Принцип работы атомной электростанции.

Главную часть АЭС составляет ядерный реактор. Основные части ядерного реактора любого типа – активная зона, где находится ядерное топливо, протекает управляемая цепная реакция ядерного деления и выделяется тепловая энергия; отражатель нейтронов, окружающий активную зону; оболочка биологической защиты от нейтронов и гамма-излучения, обычно выполненная из бетона с железным наполнителем. Ядерное топливо размещено в реакторе в тепловыделяющих элементах, представляющих собой металлические или карбидные пеналы.

В состав реактора входят также блоки замедлители из графита и регулирующие стержни из бора или кадмия, сильно поглощающие нейтроны. Введение этих стержней в активную зону реактора подавляет цепную реакцию, а выделение, наоборот, активизирует.

В активной зоне реактора находится система труб, по которым прокачивают теплоноситель (воду), поглощающий энергию, выделяемой при ядерной реакции. Вода, находящаяся под давлением 100 атм, нагревается до 270 С и поступает в парогенератор, где отдаёт большую часть своей внутренней энергии воде второго контура и с помощью насоса вновь поступает в активную зону реактора. Вода второго контура в парогенераторе превращается в пар, который поступает в паровую турбину, приводящую в действие электрогенератор.

Через трансформаторы, распределительные устройства и линии электропередач выработанная электрическая энергия поступает к потребителю.

Прошедший через турбину пар поступает в конденсатор, где охлаждается и превращается в воду, которая насосом подаётся в парогенератор. Охлаждение пара в конденсаторе происходит холодной водой третьего контура, которая через заборное устройство поступает из водоёма. Пройдя змеевик конденсатора, вода третьего контура либо сбрасывается через трубу в водоём,

либо частично возвращается в систему охлаждения.  

Экономические проблемы АЭС.

Производство электроэнергии на АЭС не связано с процессами горения и, следовательно, с потреблением атмосферного кислорода, столь необходимого биосфере. АЭС стали единственным крупным производителем электрической энергии, которые не способствуют ни усилению парникового эффекта, ни выпадению кислотных осадков.

Если бы те 17 % мирового производства электроэнергии, которые дают АЭС, производили бы ТЭС, работающие на угле, то в атмосферу дополнительно поступало бы около 1 млрд т углекислого газа в год, а также десятки миллионов тонн оксидов серы, азота и других вредных выбросов.

Сравним количество топлива, потребляемое обычными тепловыми станциями и АЭС. Атомные станции не требуют такого количества дефицитного ископаемого органического топлива, как ТЭС, они не вызывают загрузки перевозками угля железнодорожный транспорт (в нашей стране эти перевозки составляют 40% грузооборота железных дорог).

Рассмотрим вопрос о стоимости электрической энергии, вырабатываемой на АЭС. АЭС имеет ограниченный временной ресурс работы: 25-30 лет. Такой короткий срок службы АЭС объясняется тем, что со временем, несмотря на все меры защиты, оборудование станции становится опасным  в радиационном отношении. Наблюдается также явление «охрупчивания», когда под влиянием нейтронного излучения металлические конструкции теряют прочность и становятся хрупкими.

Демонтаж АЭС – наука и одновременно сложнейшее производство. Полностью демонтировать АЭС и довести окружающую среду до состояния «зелёной лужайки» не представляется возможным.

Поэтому в стоимость производимой АЭС энергии необходимо включать не только затраты на строительство станции, но и расходы на её демонтаж, стоимость которого сравнима со стоимостью самого сооружения.

В середине 70-х годов прошлого века политика США в области ядерной энергетики резко изменилась: строительство новых АЭС было прекращено. Произошло это прежде всего по экономическим причинам после расчёта стоимости электроэнергии, производимой АЭС.

На тепловых станциях, работающих на угле, образуются сотни тысяч тонн зольных шлаков в год, тогда как твёрдые отходы АЭС составляют всего несколько тонн. Но дело в том, что если отходы ТЭС можно без особых затрат и с заметным экономическим эффектом использовать (например, для производства строительных материалов), то утилизация отходов АЭС – серьёзная технологическая и финансовая проблема, не имеющая до сих пор удовлетворительного решения.

Ядерная энергетика создавалась в обстановке холодной войны, противостояния двух мировых держав – США и СССР, гонки вооружений. В то время вопрос о стоимости ядерных объектов стоял на втором плане. При этом радиоактивной безопасности и уничтожению радиоактивных отходов, образующихся в процессе получения ядерного топлива и в ходе работы АЭС, - вопросам, актуальнейшим на сегодняшний день, должного внимания не уделялось.

Экологические проблемы АЭС.

Положительный экологический фактор, связанный с работой АЭС, - небольшой выброс вредных веществ в атмосферу.

Отрицательных – несколько.

Первый – тепловое загрязнение. Тепловые потери АЭС в 1,5 раз больше, чем ТЭС аналогичной мощности; поэтому КПД атомных электростанций невелик (20-25%), и их работа сопровождается «сбросом» огромного количества теплоты в воздух и воду.

Тепловое загрязнение изменяет климат региона, где расположена АЭС. Увеличивается влажность воздуха, особенно в осенне-зимний период, что неблагоприятно влияет на здоровье людей, на состояние посевов, лесов, зданий и сооружений.

Повышение температуры естественных водоёмов, куда сбрасывают тёплую воду из систем охлаждения станций, приводит к снижению концентрации растворённого в воде кислорода, что приводит к гибели рыб. В нагретой воде водоёмов происходит бурное развитие сине-зелёных водорослей, наступает «цветение» воды. Такие водоёмы нельзя использовать для питьевого водоснабжения.

Второй фактор – наличие радиоактивных отходов. Экологические проблемы возникают на всех этапах топливного цикла.

Урановая руда добывается на рудниках подземным или открытым способом. Как и любая другая отрасль горнодобывающего производства, она ухудшает окружающую среду, выводя из хозяйственного использования значительные территории, изменяя ландшафт и гидрологический режим, загрязняя воздух, почву, подземные и поверхностные воды. На поверхности оказываются природные радионуклиды с большим периодом полураспада.

Многие сторонники ядерной энергетики утверждают: сами АЭС при их нормальной работе полностью безопасны и не создают особых экологических проблем. Но даже при нормальном функционировании обычных АЭС определённое количество радионуклидов выделяется в воздух. Небольшое количество радионуклидов поступает в водоём вместе со сбрасываемой водой. Хотя эти выбросы невелики, они могут оказывать неблагоприятное воздействие на живые организмы, а также на людей, работающих на станции или живущих в зоне её расположения.  

Твёрдые и жидкие отходы обладают очень высокой радиоактивностью и требуют специальной переработки и специального захоронения.

По данным Госатомнадзора, мощности крупнейших в России предприятий по переработке и хранению отходов уже использованы на 50-70%. На сегодня в России накоплено более 14 тыс. т. отработанного ядерного топлива. Радиоактивность его в 900 раз больше радиоактивности выброса при взрыве четвёртого энергоблока Чернобыльской АЭС.

Третий фактор - радиоактивное излучение. Это самая главная опасность атомной энергетики. Радиоактивные излучения оказывают пагубное действие на все живые организмы.

Под действием радиации поражаются клетки тканей, прежде всего их ядра, нарушается способность клеток к делению и обмен веществ в них. Наиболее чувствительны к радиационному воздействию кроветворные органы (костный мозг, селезёнка, лимфатические железы), эпителий слизистых оболочек (в частности кишечника), щитовидная железа. В результате действия радиоактивных излучений на органы человека возникают тяжелейшие заболевания: лучевая болезнь, злокачественная опухоль. Облучение оказывает сильное влияние на генетический аппарат, приводя к появлению потомства с уродливыми отклонениями или врождёнными тяжёлыми заболеваниями организма.

Степень биологического воздействия радиации зависит от вида излучения, его интенсивности и продолжительности.

Специфическая особенность радиоактивных излучений: они не воспринимаются органами чувств человека и даже при смертельных дозах не вызывают болевых ощущений.

Четвёртый фактор – аварийные ситуации на ядерных объектах.

Взрыв на четвёртом блоке Чернобыльской АЭС – одна из таких ситуаций. Он произошёл 26 апреля 1986 года в 01 ч 23 мин 40 сек и вызвал прежде всего разрушение верхней защитной плиты реактора (массой 2 тыс. т.), топливных кассет и взрывной выброс ядерного топлива. Первая стадия аварии – два взрыва; в течении первого за 1 сек радиоактивность реактора возросла в 100 раз, а в ходе второго – через 3 сек – радиоактивность увеличилась в 440 раз.

Вторая стадия аварии – горение графитовых стержней (26 апреля – 2 мая).

Третья стадия – расплавление ядерного топлива (2-6 мая).

В период горения стержней температура внутри реактора не опускалась ниже 1500 С, а после 2 мая стала повышаться, приблизилась к 3000 С. Это вызвало расплавление оставшегося ядерного топлива. Горение реактора продолжалось ещё до 10 мая.

Отечественные эксперты установили главную причину аварии: взрыв на ЧАЭС стал результатом инженерно-конструкторского дефекта технической схемы водографитового реактора. Реактор этого типа имеет борсодержащие стержни-поглотители нейтронов. При выводе стержней из реактора увеличивается количество тепловых нейтронов. Поэтому в первый момент после нажатия кнопки аварийной остановки  

Реактора происходит не снижение скорости реактора, а наоборот. Это вызвало неконтролируемый разгон реактора при работе на запредельной мощности в момент аварии. Конструкция реактора не могла обеспечить его остановку в этих условиях.

Некоторые данные и следствия аварии на ЧАЭС:

Неправильная оценка ситуации не позволила принять необходимые меры безопасности. В момент взрыва образовалось огромное (высотой 2 км) облако радиоактивностью в десятки миллионов кюри. На территории четвёртого блока после взрыва оказались крупные обломки топливных кассет и графита, которые ликвидаторы последствий аварии собирали бульдозерами и лопатами. По всей территории станции были разбросаны сплавившиеся с асфальтом более мелкие куски ядерного топлива, которые невозможно было собрать.

В западном и северо-западном направлениях, куда стало распространяться первое самое концентрированное облако горячих радиоактивных частиц и радиоактивных газов, не оказалось городов и больших населённых пунктов, но изменение направления ветра на противоположное через неделю, когда ещё продолжалось истечение высокорадиоактивной газоаэрозольной струи из зоны реактора, привело к широкому разбросу радиоактивных продуктов.

По оси перемещения взрывного радиоактивного облака уже через несколько дней после взрыва стала появляться пятикилометровая полоса умирающего леса, названного «рыжим лесом», так как иглы сосен изменили свой цвет с зелёного на жёлто-красный. Образовалась полоса мёртвого леса. В этом лесу погибли все мелкие млекопитающие.

После того, как из окружающей среды исчезли короткоживущие радиоактивные изотопы, главную опасность стала представлять радиоактивная пыль из сухих частиц ядерного топлива, поскольку она могла легко подниматься ветром и попадать в лёгкие. Даже спустя 5 лет у диких млекопитающих, обитающих в зоне отчуждения, были обнаружены в тканях лёгких до 25000 таких частиц на 1 кг ткани. В то время на заражённой территории проживало 250 тысяч человек.

Лишь спустя несколько лет после катастрофы в печати появляются некоторые данные о тех изменениях в живых организмах, которые произошли в результате облучения во время и после аварии. Стало известно, что йодной профилактикой в 1986 году было охвачено свыше 1,5 млн детей.

Последствия Чернобыльской катастрофы проявляются до сих пор. Площадь радиоактивно загрязнённых сельскохозяйственных угодий сейчас составляет 3,5 млн. га. В 1999 году в Брянской области было зарегистрировано наибольшая плотность загрязнения цезием-137 и обнаружено его высокое содержание в продуктах питания. В Калужской, Орловской, Тульской и других областях радиационная обстановка и сейчас остаётся по- прежнему неблагоприятной.

В результате Чернобыльской катастрофы погибло 80 тысяч человек, пострадало более 3 млн человек, из которых 1 млн – дети. Чернобыль принёс убытки, сравнимые с бюджетами целых государств.

Вывод:

Дадим его в интерпретации известного учёного-эколога А. Яблокова: «С позиции экономической безопасности страны радиоактивное загрязнение – одна из самых главных угроз. И доля атомных энергетических установок в создании этой угрозы очень значительна. Возможно мы преувеличиваем, но только один Чернобыль полностью оправдывает это наше мнение».