Принцип роботи атомної електростанції та електростанцій, що спалюють звичайне паливо (вугілля, газ, мазут, торф) однаковий: за рахунок тепла, що виділяється вода перетворюється в пар, який під тиском подається на турбіну і обертає її. Турбіна, в свою чергу, передає обертання на генератор електричного струму, який перетворює механічну енергію обертання в електричну енергію, тобто генерує струм. У разі теплових електростанцій перетворення води в пару відбувається за рахунок енергії згоряння вугілля, газу і т. П. В разі АЕС - за рахунок енергії ділення ядра урану-235.
Для перетворення енергії ділення ядра в енергію водяної пари використовуються установки різних типів, які отримали назву ядерних енергетичних реакторів (установок). Уран зазвичай використовується у вигляді діоксиду - U02.
Оксид урану в складі спеціальних конструкцій поміщають в сповільнювач - речовина, при взаємодії з яким нейтрони швидко втрачають енергію (сповільнюються). Для цих цілей використовується вода або графіт - відповідно до цього реактори називають водними або графітовими.
Для перенесення енергії (іншим словом - тепла) від активної зони до турбіни використовують теплоносій - воду, рідкий метал (наприклад, натрій) або газ (наприклад, повітря або гелій). Теплоносій омиває зовні розігріті герметичні конструкції, всередині яких відбувається реакція поділу. В результаті цього теплоносій нагрівається і, переміщаючись по спеціальних трубах, переносить енергію (у вигляді власного тепла). Нагрітий теплоносій використовується для створення пари, який під високим тиском подається на турбіну.
Ріс.Ж.1. Принципова схема АЕС: 1 - ядерний реактор, 2 - циркуляційний насос, 3 - теплообмінник, 4 - турбіна, 5 - генератор електричного струму
У разі газового теплоносія ця стадія відсутня, і на турбіну подається безпосередньо нагрітий газ.
У російській (в радянській) атомній енергетиці набули поширення два типи реакторів: так звані Реактор Великий Потужності Канальний (РБМК) і Водо-водяний енергетичний Реактор (ВВЕР). На прикладі РБКМ розглянемо принцип роботи АЕС трохи більш докладно.
РБМК є джерелом електроенергії потужністю 1000 МВт, що відображає запис РБМК-1000. Реактор розміщується в залізобетонній шахті на спеціальній опорної конструкції. Навколо нього, зверху і знизу розташована біологічний захист (захист від іонізуючого випромінювання). Активну зону реактора заповнює графітова кладка (тобто певним чином складені блоки графіту розміром 25x25x50 см) циліндричної форми. По всій висоті зроблені вертикальні отвори (рис. Ж.2.). У них поміщають металеві труби, звані каналами (звідси назва «канальний»). В канали встановлюють або конструкції з паливом (ТВЕЛ - тепловиділяючих елемент), або стрижні для управління реактором. Перші називаються паливними каналами, другі - каналами управління і захисту. Кожен канал є самостійною герметичній конструкціей.Управленіе реактором здійснюється зануренням в канал стрижнів, що поглинають нейтрони (для цієї мети використовуються такі матеріали, як кадмій, бор, европий). Чим глибше такий стрижень входить в активну зону, тим більше нейтронів поглинається, отже, число ядер, що діляться зменшується, енерговиділення падає. Сукупність відповідних механізмів називається системою управління і захисту (СУЗ).
До кожного паливному каналу знизу підводиться вода, яка подається в реактор спеціальним потужним насосом, - він називається головний циркуляційний насос (ГЦН). Омиваючи ТВС, вода закипає, і на виході з каналу утворюється пароводяна суміш. Вона надходить в барабан-сепаратор (БС) - апарат, що дозволяє відокремити (сепарувати) сухий пар від води. Відокремлена вода прямує головним циркуляційним насосом назад в реактор, замикаючи тим самим контур «реактор - барабан-сепаратор - ГНЦ - реактор». Він називається контуром багаторазової примусової циркуляції (КМПЦ). Таких контурів в РБМК два.
Кількість оксиду урану, необхідного для роботи РБМК, становить близько 200 тонн (при їх використанні виділяється така ж енергія, як при спалюванні близько 5 мільйонів тонн вугілля). Паливо «працює» в реакторі 3-5 років.
Теплоносій знаходиться в замкнутому контурі, ізольованому від зовнішнього середовища, виключаючи скільки-небудь значущу радіаційне забруднення. Це підтверджується дослідженнями радіаційної обстановки навколо АЕС як самими службами станцій, так і контролюючими органами, екологами, міжнародними організаціями
Охолоджуюча вода надходить з водойми біля станції. При цьому забирається вода має природну температуру, а надходить назад у водойму - приблизно на 10 ° С вище. Існують суворі нормативи по температурі нагріву, які додатково посилюються з урахуванням місцевих екосистем, але так зване «теплове забруднення» водойми є, ймовірно, найбільш значущим екологічними збитками від атомних електростанцій. Цей недолік не є принциповим і непереборним. Щоб уникнути його, поряд з водоймами-охолоджувачами (або замість них) використовуються градирні. Вони являють собою величезні споруди у вигляді конічних труб великого діаметру. Охолоджуюча вода, після нагрівання в конденсаторі, подається в численні трубки, розташовані всередині градирні. Ці трубки мають невеликі отвори, через які вода витікає, утворюючи всередині градирні «гігантський душ». Падаюча вода охолоджується за рахунок атмосферного повітря і збирається під градирнею в басейні, звідки забирається для охолодження конденсатора. Над градирнею в результаті випаровування води утворюється біла хмара.
Радіоактивні викиди АЕС на 1-2 порядки нижче гранично допустимих (тобто прийнятно безпечних) значень, а концентрація радіонуклідів в районах розташування АЕС в мільйони разів менше ГДК і в десятки тисяч разів менше природного рівня радіоактивності.
Радіонукліди, що надходять в ОС при роботі АЕС, являють собою в основному продукти ділення. Основну частину з них складають інертні радіоактивні гази (ІРГ), які мають малі періоди напіврозпаду і тому не справляють відчутного впливу на навколишнє середовище (вони розпадаються раніше, ніж встигають впливати). Крім продуктів поділу деяку частину викидів складають продукти активації (радіонукліди, що утворилися з стабільних атомів під дією нейтронів). Значущими з точки зору радіаційного впливу є довгоживучі радіонукліди (ДЖН, основні дозоутворюючими радіонукліди - цезій-137, стронцій-90, хром-51, марганець-54, кобальт-60) і радіоізотопи йоду (в основному йод-131). При цьому їх частка у викидах АЕС вкрай незначна і становить тисячні частки відсотка.
Важливим аргументом на користь ядерної енергетики є компактність палива. Округлені оцінки такі: з 1 кг дров можна зробити 1 кВт-год електроенергії, з 1 кг вугілля - 3 кВт-год, з 1 кг нафти - 4 кВт-год, з 1 кг ядерного палива (низькозбагаченого урану) -300 000 кВт- ч.
Атомний енергоблок потужністю 1 ГВт споживає приблизно 30 тонн низькозбагаченого урану на рік (тобто приблизно один вагон на рік). Для забезпечення року роботи такий же за потужністю вугільної електростанції необхідно близько 3 мільйонів тонн вугілля (тобто близько п'яти поїздів в день).
Викиди довгоживучих радіонуклідів вугільної або мазутної електростанцій в середньому в 20-50 (а за деякими оцінками в 100) разів вище, ніж АЕС такої ж потужності.
Вугілля идругие викопні види палива містять калій-40, уран-238, торій-232, питома активність кожного з яких становить від декількох одиниць до декількох сотень Бк / кг (і, відповідно, такі члени їх радіоактивних рядів, як радій-226, радій -228, свинець-210, полоній-210, радон-222 і інші радіонукліди). Ізольовані від біосфери в товщі земної породи, при спалюванні вугілля, нафти і газу вони звільняються і викидаються в атмосферу. Причому це в основному найбільш небезпечні з точки зору внутрішнього опромінення альфа-активні нукліди. І хоч природна радіоактивність вугілля, як правило, відносно невисока, кількість палива, що спалюється на одиницю виробленої енергії колосально.
В результаті дози опромінення населення, що проживає поблизу вугільної електростанції (при ступені очистки димових викидів на рівні 98-99%) більше. ніж дози опромінення населення поблизу АЕС в 3-5 разів.
Крім викидів в атмосферу необхідно враховувати, що в місцях концентрації відходів вугільних станцій спостерігається значне підвищення радіаційного фону, яке може приводити до дозам, що перевищує, гранично допустимі. Частина природній активності вугілля концентрується в золі, яка на електростанціях накопичується у величезних кількостях. При цьому в пробах золи Кансько-Ачинського родовища відзначаються рівні більше 400 Бк / кг. Радіоактивність летючого попелу донбаського кам'яного вугілля перевищує 1000 Бк / кг. І ці відходи ніяк не ізольовані від навколишнього середовища. Виробництво ГВт-року електроенергії за рахунок спалювання вугілля призводить до потрапляння в навколишнє середовище сотень ГБК активності (в основному альфа).
Слід все ж зазначити, що радіоактивні викиди як АЕС, так і ТЕС, не призводять до помітних наслідків для здоров'я населення. Навіть для вугільних станцій - це третьестепенний екологічний фактор, який за значимістю істотно нижче інших: хімічних і аерозольних викидів, відходів та ін.