Выбор основного оборудования электростанции Расчёт пароводяного подогревателя. Реакторы на быстрых нейтронах и их роль в становлении «большой» атомной энергетики


Добыча урана в год (в 1989 г.) достигла 25 тыс. т. Всего в СССР было добыто более 700 тыс. т урана, почти половина добытого в мире. В связи с разработанными новыми технологиями подземного выщелачивания урана, без контакта человека с урановой рудой, полнота и себестоимость его извлечения из недр были самыми эффективными и экономными в мире.

В прогнозах Мирового энергетического агентства признается, что ядерная энергетика по сравнению с другими источниками энергии не только помогает удовлетворить растущий спрос на энергию и повысить безопасность энергоснабжения, но и уменьшает выброс углерода в атмосферу, поскольку на предприятия, производящие энергию из органического топлива, приходится около половины антропогенных выбросов парниковых газов.

Рост энергетических потребностей во всем мире, нестабильность цен на нефть и природный газ, экологические ограничения в связи с использованием органического топлива, озабоченность в отношении надежности энергоснабжения в ряде стран делают актуальной своевременную подготовку новых энергетических технологий. Активные исследования новых возобновляемых источников энергии и управляемого термоядерного синтеза пока не позволяют рассматривать их в качестве реалистичных конкурентоспособных способов крупномасштабного замещения традиционного топлива.

Ядерные технологии производства энергии обладают важными принципиальными особенностями по сравнению с другими энерготехнологиями:

ядерное топливо имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии и практически неисчерпаемые ресурсы;

отходы ядерной энергетики имеют относительно малые объёмы и могут быть надёжно локализованы, а наиболее опасные из них можно «дожигать» в ядерных реакторах;

ядерный топливный цикл (ЯТЦ) может быть реализован таким образом, что радиоактивность и радиотоксичность отходов не превысят их значений для руды, из которой добывается уран.

Таким образом, ядерная энергетика потенциально обладает всеми необходимыми качествами для постепенного замещения значительной части энергетики на ископаемом органическом топливе и становления в обозримом будущем в качестве доминирующей энерготехнологии.

Создание атомной энергетики является масштабной, дорогостоящей и очень сложной задачей для любого государства вне зависимости от имеющегося в стране научно-технического потенциала. В этой связи не вызывает сомнений целесообразность подхода, при котором странами, начинающими процесс создания атомной энергетики, в максимальной степени учитывается предшествующий международный опыт. Этот опыт обобщен в серии документов МАГАТЭ о порядке внедрения атомной энергетики в развивающихся странах, которые издаются с начала 70-х гг. прошлого столетия.

В этом смысле нет причин и оснований для утверждения, что Казахстан может и должен изобрести свой собственный путь развития атомной энергетики. Рациональная постановка задачи состоит в том, чтобы при строительстве атомной энергетики в Республике Казахстан использовать имеющийся международный опыт с максимальным учетом национальных факторов.

На сегодняшний день в Казахстане имеются все объективные предпосылки для создания и развития атомной отрасли:

наличие значительного количества разведанных запасов урана;

наличие развитой уранодобывающей и ураноперерабатывающей промышленности, предприятий производства топлива и конструкционных материалов для ядерных энергетических реакторов, с использованием современных технологий, представленных в РК Национальной атомной компанией «Казатомпром» (НАК «Казатомпром»);

наличие атомной науки, представленной РГП Национальный ядерный центр РК (РГП НЯЦ РК) с базовыми экспериментальными установками, включая исследовательские реакторы, способной решать задачи мирового уровня по направлениям развития атомной энергетики и обеспечения условий ее безопасного применения, выполнять исследования в области ядерной физики, физики и техники ядерных реакторов;

наличие кадрового потенциала высококвалифицированных специалистов, как в атомной промышленности РК, так и в атомной науке, включая специалистов, принимавших участие в эксплуатации энергетического реактора БН-350 и принимающих участие в эксплуатации исследовательских реакторов ИВГ, ИГР и ВВР-К РГП НЯЦ РК; 

существенный задел в области разработки и внедрения ядерных технологий для получения медицинских радиофармпрепаратов, радиоизотопов, трансмутации, стерилизации материалов, по созданию электродвигательных установок и др.;

законодательно оформленная нормативно-правовая база регулирова­ния вопросов использования атомной энергии, делящихся и ядерных материалов, соответствующая требованиям МАГАТЭ, но нуждающаяся в доработке и дальнейшем развитии;

наличие опыта ликвидации и рекультивации объектов геологоразведочной, уранодобывающей и ураноперерабатывающей деятельности бывшего Министерства среднего машиностроения СССР, а также ликвидации последствий испытаний оружия массового поражения на Семипалатинском испытательном ядерном полигоне;

наличие системы мониторинга сейсмических событий;

угроза потери энергетической независимости уже не в столь отдаленном будущем вследствие однобокого развития энергетической отрасли, ориентированной только на запасы органического топлива.

Основным постулатом рационального подхода к созданию атомной энергетики, оправданного международным опытом, является решение всех стоящих задач на основе объективных оценок и тщательного планирования, учитывающего долговременные перспективные потребности страны в энергии и текущее состояние и перспективы развития атомной энергетики в мире.

Атомная промышленность

По данным МАГАТЭ около 19 % от всех разведанных мировых запасов сосредоточено в недрах Республики Казахстан. Общие запасы и ресурсы страны оцениваются в 1 609 тыс. тонн урана.

В настоящее время в мире существует дисбаланс между потребностью в топливе для АЭС в пересчёте на природный урана и количеством свежедобытого природного урана: при производстве топлива для АЭС вместо свежедобытого урана используются и другие - вторичные источников (складские запасы добытого ранее природного урана, регенерированный уран, МОХ топливо и др.).

По мере развития атомной энергетики и сокращения поставок за счет вторичных источников с 2014 года прогнозируется дефицит природного урана. В результате чего появляется ниша, которую будут стремиться занять страны, обладающие значительными ресурсами урана, такие как Австралия, Канада, Нигер, Центральноафриканская Республика. С целью занятия появившейся ниши, покрытия ожидаемого дефицита природного урана, удовлетворения возрастающих потребностей мировой атомной энергетики планируется увеличение добычи урана и выход Республики Казахстан по данному показателю на первое место в мире.

С целью расширения сырьевой базы, необходимой для поддержания добычи урана на требуемом уровне, была разработана Комплексная Программа развития минерально-сырьевой базы урана на 2007-2030гг., предусматривающая расширение сырьевой базы урана и обеспечения действующих уранодобывающих предприятий АО «НАК «Казатомпром» необходимыми запасами урана.

В 2008 году по добыче урана Казахстан уже вышел на 2 позицию в мире после Австралии, добыв 8 512 тонн урана в концентрате.

В декабре 2009 года Республика Казахстан вышла на первое место по добыче урана в мире.  Добыча природного урана на 21 декабря 2009 г. составила 13500 тонн. До конца года было добыто еще 520 тонн.

Объем добычи урана в Республике Казахстан в I квартале 2010 года составил 4060 тонн, что на 63% выше аналогичного периода прошлого года. Такая динамика роста была достигнута благодаря увеличению объемов производства практически на всех предприятиях холдинга, в том числе с началом добычи на рудниках ТОО «Байкен–U» и ТОО «Кызылкум», а также началом опытной добычи АО «СП «Акбастау».

В настоящее время добыча природного урана осуществляется на 21 руднике. Достигнутая мощность по добыче в 2010 году природного урана по этим рудникам составляет 18 131 тонн урана в год, проектная мощность – 22 000 тонн.

При реализации мероприятий настоящей программы необходимо обеспечить эффективное использование ресурсного потенциала страны для создания и сохранения стратегического запаса ядерного топлива в первую очередь для становления и развития в стране национальной атомной энергетики в долгосрочной и отдаленной перспективе.

Вопросы гарантированных поставок ядерного топлива, а также необходимость реализации масштабных программ по строительству новых АЭС привело к консолидации крупнейших компаний и фирм, вовлеченных в ЯТЦ. Такая консолидация повышает конкурентоспособность стран и компаний на мировых рынках. На сегодняшний день в мире существуют следующие альянсы: Toshiba-Westinghouse-Казатомпром, Areva-Mitsubishi, General Electric-Hitachi, а также Росатом, где консолидированы все российские ядерные активы. Для Казахстана, обладающего значительными запасами природного урана и производством компонентов ядерного топлива, сотрудничество в рамках вышеназванных альянсов позволит обеспечить не только самодостаточность во всех звеньях ЯТЦ, но и иметь свою долю на мировом рынке поставщиков ядерного топлива и высокотехнологичной урановой продукции. Ключевой задачей сотрудничества является эффективное использование ресурсного потенциала страны для укрепления позиций Казахстана на мировом ядерном рынке при сохранении стратегического запаса ядерного топлива для становления и развития в стране национальной атомной энергетики в долгосрочной и отдаленной перспективе.

Для занятия Казахстаном стратегически важных позиций в мировом ядерно-топливном цикле необходимо построение вертикально-интегрированной компании ЯТЦ в альянсе с ведущими зарубежными компаниями. При этом Казахстан, используя свой имидж, ресурсный потенциал и международные связи, может объединить усилия с ведущими компаниями ЯТЦ для участия в одном из самых перспективных сегментов атомной отрасли – в строительстве атомных станций. Реализация этой возможности важна для Казахстана как в плане роста экспортного потенциала экономики, развития инновационных отраслей и повышения престижа страны в мировом сообществе, так и в плане потенциального обеспечения производства электроэнергии в стране.

Существовавшая в Казахстане структура ядерно-топливного цикла образовалась в силу исторически сложившихся обстоятельств. Во времена Советского Союза урановая промышленность Казахстана была лишь одним из сегментов сложной единой структуры, которая представляла собой ядерный военно-промышленный комплекс, известный под названием «Министерство среднего машиностроения». После развала СССР Казахстану достался разорванный ядерно-топливный цикл: добыча природного урана и производство топливных таблеток.

Построение вертикально-интегрированной компании ЯТЦ заключается в создании промышленных производств ядерно-топливного цикла, элементы которого в настоящее время отсутствуют в атомной промышленности Казахстана, представленной НАК Казатомпром, который является национальным оператором Республики Казахстан по импорту-экспорту урана, редких металлов, ядерного топлива для атомных энергетических станций, специального оборудования, технологий и материалов двойного назначения. Введение отсутствующих элементов ЯТЦ позволит выпускать высокотехнологичную урановую продукцию и перейти от сырьевой составляющей в продукции предприятий урановой промышленности страны к выпуску урановой продукции  с высокой добавленной стоимостью. Освоение выпуска высокотехнологичной урановой продукции позволит решить проблему снабжения отечественных АЭС топливом и обеспечить Республике Казахстан самостоятельную позицию на мировом рынке урановой продукции.

Энергетика

Анализ динамики производства и потребления электроэнергии в различных регионах Казахстана показывает значительное увеличение темпов роста электропотребления, и эта тенденция сохранится в будущем. Значительное увеличение темпов роста электропотребления обусловлено развитием предприятий корпорации Евразийской промышленной ассоциации, ростом темпов жилищного строительства, восстановлением производства на предприятиях промышленности, созданием сельскохозяйственных и агропромышленных кластеров, ростом объемов добычи нефти и газа.

В связи с развитием всех отраслей экономики, ожидается тенденция роста электропотребления Республики Казахстан с 77,9 млрд. кВт.ч в 2009 году до 173 млрд. кВт. ч к 2030 году.

Преобладающее производство электроэнергии в Казахстане сконцентрировано на электростанциях, сжигающих органическое топливо – около 87% установленных мощностей. При этом нынешнюю основу электроэнергетики Казахстана составляют угольные ТЭС, которые производят около 70% электроэнергии.

Генерирующие мощности страны способны вырабатывать сегодня порядка 80 млрд. киловатт-часов, но по данным топливно-энергетического баланса, уже в 2010 году этого объема будет недостаточно.

Основные электрогенерирующие мощности, вырабатывающие почти 60% всей производимой электроэнергии, сосредоточены в северной зоне Казахстана. Это обусловлено тем, что угольные месторождения, главным образом, расположены в Северном и Центральном Казахстане. Северная зона передает электроэнергию на юг, запад Казахстана по протяженным (более 1000 км) линиям электропередачи, что приводит к значительным потерям и не обеспечивает в полной мере энергетические потребности данных регионов. Западные области, являющиеся основной нефтегазовой провинцией страны, импортируют часть электроэнергии из России. Восточный Казахстан обеспечивается электроэнергией за счет расположенных в регионе ГЭС. Дефицит электроэнергии на востоке Казахстана также покрывается за счет перетока электроэнергии из Северной зоны Казахстана.

В настоящее время более половины существующих электростанций выработали расчетный ресурс, и физический износ оборудования на них составляет более 70%. По прогнозам специалистов, к 2010 году "коэффициент физического износа основного электрооборудования достигнет 82% существующих сегодня мощностей". Уже сегодня половина оснащения высоковольтных линий и диспетчерских пунктов отработала свой положенный срок и теперь грозит массовым выходом из строя. Энергетики предупреждают, что надежность энергообеспечения страны приближается к критической отметке. Таким образом, они обосновывают свои требования значительного повышения цен на электроэнергию.

Для решения проблем, связанных с необходимостью развития электрогенерирующих мощностей, предусматривается техническое перевооружение и реконструкция оборудования действующих электростанций, ввод новых мощностей на действующих электростанциях, строительство новых электростанций, а также вовлечение в баланс возобновляемых источников энергии, таких как гидро-, ветро- и гелиоэлектростанции.

По данным АО КазНИПИИТЭС “Энергия”, начиная с 2013-2015 г. прогнозируется дефицит в электроэнергии как в целом по Казахстану, так и по энергетическим регионам Республики, который будет частично покрываться за счет намеченных объемов технического перевооружения и ввода новых мощностей на действующих и намечаемых к строительству электростанциях. Однако для полного покрытия дефицита в выработке электроэнергии необходим ввод до 2030 года новых станций базовой мощности, решение по строительству которых еще не принято.

Необходимая суммарная электрическая мощность новых станций базовой мощности для покрытия дефицита в выработке ЭЭ в Республике с учетом межгосударственных перетоков мощности в РФ в размере 1000 МВт и при выполнении в полном объеме намеченных объемов технического перевооружения и ввода новых мощностей на действующих и намечаемых к строительству электростанциях (включая угольные ТЭС на Балхаше), составляет на уровне 2030 года ~6,6 ГВт (Приложение 1).

В качестве таких источников базовой мощности могут рассматриваться электростанции с атомными энергоблоками.

При разработке планов развития электроэнергетики необходимо помнить, что однобокое развитие энергетической отрасли, ориентированной на запасы органического топлива, ввиду его исчерпаемости, может грозить потерей энергетической независимости и снижением уровня жизни уже не в столь отдаленном будущем.

Согласно данным мировой геологической науки по запасам первичных энергоносителей для развития «базовой» энергетики уран и торий являются единственной реальной альтернативой углеводородному топливу. Рано или поздно Казахстан будет вынужден развивать собственную ядерную энергетику, и уже сейчас необходимо начинать обязательную и длительную подготовительную работу.

Анализ современного состояния атомной энергетики в мире, состояния энергетической отрасли в Казахстане, а также прогноз энергопотребления в будущем показывает назревшую необходимость развития в стране атомной отрасли. Безопасное развитие атомной энергетики позволит создать основу для совершенствования научно-технической базы развития ядерных технологий, что будет способствовать сохранению и развитию «ядерной компетентности» и повысит конкурентный статус Казахстана в мире.

Наука в атомной сфере

Устойчивое развитие атомной отрасли в долговременной перспективе обеспечивается эффективным функционированием научных организаций Республики Казахстан. Основная деятельность в области атомной науки и техники сосредоточена сегодня в таких организациях Республики, как:

РГП «НЯЦ РК» (Институт атомной энергии, Институт ядерной физики, Институт радиационной безопасности и экологии, Институт геофизических исследований),

НАК КАЗАТОМПРОМ (Институт высоких технологий, Казахстанский ядерный университет, Волковгеология),

НТЦ «БЯТ» и др.,

служащих тем базисом, на котором возможно эффективное развитие и внедрение современных ядерно-физических технологий в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и, конечно же, в энергетике, обеспечивающих исследования в области развития и безопасности атомной энергетики, ядерной физики, радиационной физики твердого тела, радиационного материаловедения, физики и техники ядерных реакторов, ядерных и радиационных технологий, в области создания перспективных промышленных технологий ядерно-топливного цикла, радиоэкологии, технологий контроля за сейсмическими событиями. Часть работ, выполняемых научными организациями, осуществляется по контрактам с зарубежными организациями, что подтверждает и позволяет сохранить высокую квалификацию их специалистов.

В целях научного сопровождения развития атомной отрасли и подготовки кадров необходимо использовать научно-технический потенциал отечественных университетов и научно-исследовательских институтов (Казахский национальный университет имени аль-Фараби, Казахский национальный технический университет имени К. Сатпаева, Восточно-Казахстанский государственный технический университет имени Д. Серикбаева, Институт геологических наук имени К. Сатпаева, Институт металлургии и обогащения, Физико-технический институт и др.).

Выполнение исследований, направленных на научно-техническую поддержку развития атомной отрасли осуществляется с использованием имеющейся научно-технической базы РГП НЯЦ РК. Необходимо отметить, что исследовательские ядерные реакторы, входящие в состав экспериментальной базы эксплуатируются длительное время и их системы нуждаются в модернизации под современные задачи исследований и для расширения экспериментальных возможностей базы. Программой предусматривается совершенствование научной и экспериментальной базы атомной отрасли, проведение исследований в поддержку развития атомной энергетики и атомной промышленности.

Для устойчивого развития атомной энергетики необходимо развивать не только энерготехнологии, но и другие наукоемкие ядерные технологии, применяемые в медицине и различных отраслях промышленности. В последние десятилетия в республике произошел развал радиологических и радиоизотопных лабораторий медицинских учреждений из-за дороговизны радиофармпрепаратов, использовавшихся для диагностики различных заболеваний. В настоящее время во всем мире прогрессирует применение ядерных и радиоизотопных методов диагностики и лечения в медицине. Радионуклидная диагностика, благодаря ее высокой эффективности, стала незаменимой частью клинической практики в развитых странах. В некоторых случаях эти методы являются практически единственными для успешного лечения или правильной постановки диагноза заболеваний. Необходимость развития радионуклидной диагностики и терапии обусловлена серьезным отставанием республики в области применения ядерных методов для диагностики и лечения социально-значимых заболеваний не только от среднемировых показателей, но и от менее развитых в экономическом отношении стран. Другим важным направлением применения радионуклидных источников являются различные приборы и установки, широко используемые в промышленности для измерения плотности, расхода веществ, неразрушающего контроля и т.д.

Подготовка кадров

С начала 90-х годов предприятия и научные организации отрасли нуждаются в подготовке специалистов ядерного профиля. Это инженеры-физики, физики, экологи, инженеры-радиохимики, инженеры-механики, математики и программисты. В советские времена подготовка кадров для атомной отрасли осуществлялась ВУЗами бывшего СССР, в основном России. После распада СССР практически все ВУЗы, осуществлявшие целевую подготовку специалистов для атомной отрасли, оказались за пределами Казахстана.

С 1997 года на базе РГП НЯЦ РК функционирует  филиал кафедры технической физики. Основной целью филиала кафедры является подготовка студентов по специальностям 0104 «Физика» и «Ядерные реакторы и энергетические установки» с привлечением ведущих специалистов Казахстана и России в учебном процессе. Филиал осуществляет связь между университетскими кафедрами (общей физики, техники и физики низких температур, технологии машиностроения, прикладной математики и информатики, химии, биологии, экологии) с отделами реакторных исследований, реакторного материаловедения, автоматизации реакторных исследований, электрофизических, технологических установок, реакторными комплексами «Байкал» и ИГР, ВВР-К.

Для удовлетворения потребностей атомной отрасли в квалифицированных специалистах необходимо создание и организация отечественной системы подготовки и переподготовки инженерно-технических кадров, в том числе специалистов по проектирова­нию, конструированию и строительству объектов атомной энергетики и промышлен­ности, инженерно-технического персонала АЭС, специалистов для атомной промышленности, специалистов по радиоэкологии, дозиметрии, ядерной медицине. В рамках реализации мероприятий по совершенствованию системы подготовки и переподготовки кадров для атомной отрасли следует предусмотреть введение в учебные планы ВУЗов в рамках государственного заказа подготовку специалистов по базовым специальностям атомной отрасли.

Социально-экономические последствия сооружения АЭС

Реализация мероприятий Программы позволит оптимально и сбалансировано использовать имеющиеся топливные и минеральные ресурсы, повысить экспортный потенциал страны, обеспечить экологическую чистоту энерге­тических технологий, развивать ядерные технологии для использования в различных отраслях экономики, обеспечить социально-экономическое развитие территорий Республики в регионах строительства атомных электростанций (АЭС), включая следующие социально-экономические последст­вия сооружения АЭС

покрытие дефицита мощностей, увеличение энергетического потенциала и устойчивое развитие региона строительства и страны в целом;

диверсификация энергетического производства;

создание объектов социальной сферы для населения, проживающего в районе строительства АЭС, строительство населенных пунктов для работников АЭС и т.д.;

увеличение доли высококвалифицированного инженерно-технического персонала в районе строительства и, следовательно, повышение культурного и образовательного уровня жителей региона;

рост производства в регионе за счет снижения тарифов на электроэнергию;

 увеличение инвестиционной привлекательности региона и развитие бизнеса;

рост налоговых поступлений в Республиканский и местный бюджеты;

дополнительный импульс к развитию атомной науки, наукоемких технологий и базы подготовки специалистов для атомной энергетики;

снижение социальной напряженности населения (новые рабочие места для энергетиков и работников смежных областей, получение льгот на оплату тепла и электроэнергии);

снижение экологической нагрузки на регион за счет сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду (при замещении традиционных энергоисточников).

Современные тенденции развития мировой ядерной энергетики

Мировая энергетика накопила опыт эксплуатации ядерных энергоустановок около ~13 500 реакторо-лет. По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) и Всемирной ядерной ассоциации (WNA), в настоящее время в 30 странах мира эксплуатируется 436 ядерных реакторов суммарной установленной мощностью свыше 370 ГВт эл. («Новости мирового атомного рынка»  2009. № 5). В настоящее время ядерная энергетика обеспечивает около 16% объема производимой во всем мире электроэнергии.

Легководные реакторы (LWR), являются основным видом реакторов современного производства ядерной энергии. Их разработка начата в 50-х годах, и в настоящее время приобретен большой опыт в проектировании, строительстве и эксплуатации LWR. На сегодняшний день количество LWR достигает 359 (более 80 % действующих энергоблоков), включая реакторы с водой под давлением (PWR) и кипящие реакторы (BWR). АЭС с водоохлаждаемыми реакторами обеспечивают потребителя электроэнергией (КПД преобразования тепловой энергии в электрическую до ~33%) и низкоэнтальпийным теплом.

В программе Международной энергетической ассоциации обосновывается необходимость ускоренного развития энергетических мощностей в мире, обеспечивающих увеличение производства и потребления электроэнергии в мире к 2030 г. в 1,5 раза. При этом особо подчеркивается приоритет ядерной энергетики. По расчетам МЭА будет к 2030 г. вдвое увеличено количество реакторов в мире - с 439 до 880. Существенно расширится круг стран, которые впервые столкнутся с проблемами ядерной энергетики. Потребуется преодолеть недостаток квалифицированного персонала, чтобы освоить технологии, решить проблемы сырья и отходов. В ряде стран возникнет желание создать собственное ядерное оружие.
Теплотехника