Атом электр станциясынан энергия қалай аламыз? Маман түсіндіріп берді

Қазақстандық ядролық физика маманы Бақытжан Оразбеков ядролық физика саласын меңгеруді елордалық университеттен бастап, Мәскеудегі Дубна университетінде жалғастырған. Сондай-ақ Италиядағы Луиджи Ванвителли атындағы Кампания университетінде докторантура бағдарламасын тәмамдаған. Шетелде білімін жетілдіріп, Қазақстанға оралып, саланың одан әрі жандануына өз үлесін қосып жүр. Ол «Biz» арнасына берген сұхбатында атом электр станциясының маңызы мен ядролық реакциялардан энергияның қалай бөлінетінін түсіндіріп берді, деп хабарлайды El.kz ақпарат агенттігі.

Ядролық физика мамандары немен айналысады?

Өзім Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің түлегімін. Біздің Ядролық физика деген мамандықтың жақсы тұстары бар. Біздің кафедрада мемлекетаралық төртжақты келісім бар. Осы келісімнің аясында ядродық физика мамандары даярланады. Бұл келісімге Қазақстанның бір университеті және Энергетика министрлігіне қарасты Алматыдағы ядролық физика институты және шетелдік тараптан екі университет қатысады. Олар – Ресейдің технологиялық ғылым салаларына негізделген Дубна мемлекеттік университеті мен Еуропаның ядролық зерттеу мекемесі. Аталмыш мекеме – жоғары энергия физикасының әлемдегі ең үлкен лабароториясы, ЕуроОдақтағы мемлекетаралық ғылыми ұйым. Көптеген мемлекеттер осы институтқа бірігіп, өздерінің ғылыми зерттеулерін жүзеге асырады. Осы келісімшарттың аясында 5-курста ғылыми жұмысты Дубна қаласына барып оқыдым. Ядролық физика мамандығының негізгі жұмысымен сол кезде ғана таныстым десем болады. Өз көзіммен үлкен үдеткіштерді көріп, ғалымдармен таныстым. Ядролық реакцияларды, ядроның құрылымын, әлемнің пайда болу моделін үйрендік. Астрофизикада болып жатқан процестермен танысамыз. Дубнадағы зерттеуім тіклей ядролық реакцияларда болатын ядролардың кластерлік құрылымына бағытталған. Жұмысымның басты объектісі – бериллий (Be) металы. Ол өз ішінде төрт протоннан және 5 нейтроннан тұрады. Олар қанша жерден араласып жатса, топтасу қабілетіне ие. Осындай микроәлемде болып жатқан топтасуды біз қалай байқаймыз? Осы араласып жатқан ботқаны басқа қарапайым бөлшекпен соқтығысу процесін жасаймыз. Сол кезде ғана кішкентай бөлшек шашырайды. Ал шашырау жолын зерттеу арқылы біз болып жатқан оқиғалар мен құрылымды түсінеміз.  Берилий ядросы 2 альфа бөлшектен және 1 нейтроннан тұрады деп есептеу жасаймыз. Сосын мына жақтан тағы басқа альфа бөлшек шашырайды, оны біз детектор арқылы тіркейміз. Оның қалай шашырағанын көру арқылы ішкі құрылысымен таныс бола аламыз. Қарапайым тілмен айтқанда, сіздің көзіңіз байлаулы болады. Сізге бөлменің ортасында не орналасқанын айт деген тапсырма береді. Сіз қолыңыздағы көлемі шексіз кішкентай доптарды лақтыру арқылы сол заттың адам не басқа нәрсе екенін білуіңіз керек. Ол ыдыс болса сынады, адам болса дыбыс шығарады. Сондай аналогиямен біз микроәлемде болып жатқан дүниелерді  басқа қарапайым затпен соққылау арқылы немесе шашырату арқылы түсінеміз.

Атом электр станциясынан энергияны қалай аламыз?

Атом энергиясы күнделікті өмірде от жанады, сол кезде атом молекулалары өзара әсерлесіп, тотығу-тотықсыздану процесі болып, энергия бөлінеді. Химиялық қарапайым реакциялар атомдық әсерлесудің нәтижесінде пайда болады. Ал атом электр станциясында ядролық реакциялар жүзеге асады. Атом электр станциясының энергия көзі – осы тізбекті ядролық реакцияларға байланысқан. Тізбекті ядролық реакциялар дегеніміз не? АЭС-те отын ретінде уран қолданылатыны белгілі. Уранның табиғатта кездесетін екі изотобы бар. 235-ші және 238-ші уран. АЭС-те 235-ші уран көбірек пайдаланылады. Осы уранның ядроларының ішінде көптеген протон, нейтрондары бар. Сәл ғана тиіп қалсаң бытырай бастайды. Ядролық тізбекті реакцияларды бастау үшін бізге нейтрондардың шоғыры керек. Өйткені, ол бейтарап зарядталған бөлшек. Кез келген заттың құрамына ене береді. Ядроға ешқандай кедергісіз тікелей барып түседі. Уран 235 ядросы бар. Оған нейтрон қоссаң, бытырайды. Бытырағаннан кейін кем дегенде 2-3 бөлшекке бөлінеді. Одан бөлек нейтрондар тағы да атқылай бастайды. Олар басқа уранға тиіп, ыдырап, тізбекті ядролық реакция деген пайда болады. Осындай реакция жалғасуы үшін бізге көп мөлшерде уран қажет болады. Егер 3-4 уранды алып, жарам десеңіз, жарыла қоймайды. Кем дегенде 50 келідей уран қажет болады.

Физикада энергияның сақталу заңы деген бар. Бастапқыда болған бөлшектердің массасы және соңында болған бөлшектердің массасы бірдей болуы керек. Бірақ бұл жерде бастапқыда болған масса көбірек болып қалады да нәтижесінде шыққан масса азырақ болады. Қалған энергия осы бөлшектердің қозғалысына кетеді. Кішкентай қарапайым таблетка көлеміндегі уран мен үлкен камазға тиелген көмірді жаққандағы энергиямен тең болады.

Атом электр станциясының қандай артықшылығы бар?

АЭС дегеніміз – кешенді, күрделі құрылыс болып есептеледі. Кем дегенде 2-3 блоктардан тұрады. Әрбір блоктың ішінде реакторлар болады. Ал реактордың ішінде белсенді зона болады. Тізбекті ядролық реакциядан бастайық. Жоғарыда айтқанымдай, энергия сақталу заңының арқасында энергия бөлінеді. Осы бөлініп шыққан бөлшектер артылып қалған энергияны өзіне кинетикалық энергия ретінде қабылдайды. Кинетикалық энергия – қарапайы қозғалыс. Осы қозғалыстың арқасында отын қатты қызады. Қатты қызған кезде энергияны жылу алмастырғыш затқа береді. Біздің елімізде салынғалы жатқан реактор белсенді зона мен жылу алмастырғыш зат ретінде суды қолданатын болады. Яғни, бізде энергия суға өтеді, ол су контурды айналып жүреді. Энергия ядролық реакциядан бірінші контурдағы суға кетеді, суды қыздырдық, енді осы энергияны басқа жерге жіберуіміз керек. Екінші контурда айналып жатқан суға береміз. Одан кейін жаңағы энергия турбина деген құрылғыны айналдырады. Ол кезде генератор да қосыла айналады. Генератор айналған кезде магниттік өрісті тудырады, магнит өрісі өзімен қатар электр өрісін тудырады. Электр өрісі тудырғанда кернеулік пайда болып, электрондар қозғалып, ток пайда болады.

Атом электр станциясының негізгі 2 артықшылығы бар. Біріншісі – қуаттылығы, екіншісі – тұрақтылығы. Күн панельдері күннің шығуына тәуелді. Жел де үнемі бола бермейді. Күн, жел электр станцияларынан шыққан энергия бір жерде сақталып тұруы керек. Соның өзінде оның қуаттылығы АЭС-тен шыққан энергиямен шамалас бола бермейді. Өндіріске жетпейді. Күнделікті тұрмысты ғана қамти алады. Қауіпсіздік мәселесінде АЭС-ты ғана қозғап жатады. Бірақ баламалы энергия көздерінің де қауіпсіз тұстары бар екенін көпшілік біле бермейді. Мысалы, күннен шыққан энергияны аккумуляторларда сақтаймыз. Ол аккумуляторлар үшін литийді қолдануға тура келеді және өзінің жұмыс істеу мерзімі болады. Гидроэлектр станцияларында дамбалардың бұзылу ықтималдығын ешкім қозғамайды. АЭС-тың да өз тәуекелдері бар. Ғалымдар бір авариялық жағдай 10 миллон жылдың ішінде бір-ақ рет болатынын болжаған.

Чернобыльде екінші буынға жататын электр станциялары болды. Яғни, 1970-2000 жылдары аралығында салынған станциялар екінші буынға жатады. ІІІ және ІІІ+ буындағы атом электр станциялары қауіпсіздік шараларында адамның қатысуын 80%-ға дейін төмендеткен және қауіпсіздік шараларын пассивті басқаруға ауыстырылған. Пассивті жұмыс істеу режимі дегеніміз – цунами болсын, басқа табиғи апат болсын электр кернеулігі, электр көзі тоқтайды. Сол кезде реакторда болып жатқан процестерді тоқтату керек. Жылуды тарату керек. Бізде контурдың ішіндегі сұйықтықтарды қозғалтып отыратын насостар бар, осы насостарға келетін электр тогы тоқтап қалатын болса не істейміз? Реактор қыза берсе атылып кетеді. Пассивті басқару осы кезде қажет болады. Физика заңдарына бағынып, белсенді зонадағы реакцияларды тоқтату үшін нейтрондарды жұтқыш материал тартылыс күші арқылы құлайды. Нейтрондардың көзі жойылса, тізбекті ядролық реакция тоқтайды. Ал жылуды конвекция арқылы жібереміз. Яғни, атом электр станцияларындағы реакторларды суыту үшін конвекцияны пайдаланамыз. Әрбір елдің технологиясы әртүрлі болады.

Атом электр станцияларының тағы бір артықшылығы бар. Жаңа буынды реакторлар экономикалық тұрғыда арзанырақ түседі. Кіші модульді реакторларды салу құны төменірек. Мысалы, атом электр станциясы бір жыл бойы өндіретін энергияны жылу электр станциясы өндіреді деп есептейік. Бір жылдың ішінде шамамен ураннан 50 тонна қажет, қалдықтары 10 жыл сайын ауыстырылып отырады. 10 жылдың ішінде 50-100 тонна аралығында қалдық шығады дейік. Ал тура сондай энергияны ЖЭС 800 мыңдап, миллион тоннаға дейін жетуі мүмкін. Газды жақсаңыз да, көмірді жақсаңыз да көмірқышқыл газы бөлінеді. Көмірқышқыл газы біз күнделікті тыныс алып жүрген ауадан ауыр, жерге келіп қонады, сосын жел болмайынша ешқайда кетпейді. Париж келісімі аясында, парнитік газдардың мөлшерін азайтуымыз керек.

Ядролық физика мамандары тапшы ма?

Қай мемлекетті алсаңыз да, олар өз елдерінде электр энергиясын 100 пайыз атом электр станциясынан алып отыр деп айта алмаймыз. АЭС-тен алынған энергия 20%-ға жетуі мүмкін. Сондықтан елдегі АЭС-тен өндірілетін энергияны кем дегенде 20%-ға жеткізу керек боп тұр. АЭС салынған күннің өзінде баламалы энергия көздерін де дамыта береміз. Ядролық физика мамандығы елімізде әл-Фараби университеті мен Шығыс Қазақстандағы университетте және ЕҰУ-да оқытылады. Мамандар тапшы деп айтпас едім. Себебі, атом электр станциясын белгілі бір қалыпта сақтап тұрудың өзіне күш салу керек. Мысалы, Алматыдағы Ядролық физика институтындағы кеңес заманынан қалған ғылыми зерттеулерге арналған реактор бар. Мұндай реакторлар көрші мемлекеттерде де бар, дегенмен, олар жұмыс істеп тұрған жоқ. Ал Қазақстандағы реактор жұмыс істейді. Бұдан шығатын қорытынды, жаңағы реактордың жұмысын әрі қарай жалғастыруына біздің ғалымдардың еңбектері сеп болған. Ал Қазақстанда АЭС салынғанға дейін үкімет кадр даярлау саясатын жолға қоятыны анық. Бұл жерде АЭС-ты салатындар мен оның жұмысын жүргізетін мамандардың бөлек екенін түсіну керек. АЭС-те тек электр ғана емес, айналып жатқан турбиналар мен генераторларды бақылайтын да мамандар қажет болады. Одан бөлек, Маңғыстау облысында БН-350 реакторы жұмыс істеп тұр.

Қазақстанда төрт мемлекет атом электр станциясын салуға ниет білдірген. Олар: Франция, Оңтүстік Корея, Ресей, Қытай. Қай елдің технологиясы мықты болатынын нақты айта алмаймын. Дегенмен, соңғы оқыған ғылыми зерттеулердегі деректер бойынша, ІІІ+ буынды реакторларды Оңтүстік Корея салған екен. Тәжірибе жағынан қарасақ, Қытай өз жерінде 20-дан аса реактор салып жатыр. Ресейдің де басқа елдермен салыстырғанда бәсекеге қабілетті технологиясы бар. Франция пассивті басқару технологиясын тиімді пайдаланып отыр.

Бүгінге дейін ғалымдардың бастамасы қолдау таппай, қиындықтарға кездесетін. Елімізде ғалымдардың күн-көрісі қазіргі деңгеймен салыстырғанда нашар болды. Қазір мемлекет қабылдаған стратегиямен ядролық физика мамандарынан бастап ғылымға бөлінетін қаржы көбейді. Жыл сайын зерттеуге арналған гранттар бөлінеді. Тұрғын-үй мәселесін шешу үшін төмен пайызбен ипотекалық бағдарламалар іске қосылды.

Ядролық физика мамандығына грантқа түсу балы басқа мамандықтармен салыстырғанда кішкене төменірек. Дегенмен, мамандық жоғары сұранысқа ие. Оңтүстік Корея мен араб елдерінен арнайы келіп оқитын шетелдік студенттер де бар.