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.

За прошедшие 50 лет с начала развития мировой атомной энергетики сменилось несколько поколений коммерческих реакторов. Каждое поколение реакторов является очередной ступенью в повышении безопасности, надёжности реакторов и снижении себестоимости вырабатываемой энергии. В настоящее время в мире эксплуатируются в основном коммерческие реакторы поколения II.

В период до 2030 г. будут строиться новые коммерческие реакторы. В основном это будут реакторы III и III+ поколения, последние из которых являются модификацией концепции реакторов на легкой воде третьего поколения. Реакторы III и III+ поколения справляются с последовательностью аварий с применением пассивных мер безопасности. Пассивные меры или средства безопасности исключают вмешательство человека в управлении аварийным процессом. Первые реакторы поколения III эксплуатируются сейчас в Японии (реакторы ABWR).

Проекты реакторов IV поколения будут готовы для применения через 20-30 лет. Все реакторы IV Поколения будут иметь наибольшую безопасность, надёжность и экономичность, что позволит АЭС с такими реакторами быть конкурентоспособными с энергетическими установками с любыми источниками энергии.

Современные тенденции развития мировой ядерной энергетики включают в себя:

Совершенствование легководных реакторов (LWR) большой единичной электрической мощности (1000-1600 МВт) и их широкомасштабное внедрение в коммерческую эксплуатацию (внедрение реакторов поколения III).

Разработку проектов легководных усовершенствованных реакторов малой и средней мощности (до ~ 600 МВт) и их широкомасштабное внедрение в коммерческую эксплуатацию, в основном, в развивающихся странах, имеющих небольшие электрические сети или ограниченную инфраструктуру.

Интенсификацию исследований и разработок элементов замкнутого топливного цикла (из-за ограниченности ресурсов урана-235), включая технологии переработки и вторичного использования отработанного ядерного топлива. Переход к замкнутому ядерному топливному циклу, что позволит существенно уменьшить количество отходов и технологически обеспечить поддержание режима нераспространения ядерных материалов за счет использования ядерно-опасных материалов внутри топливного цикла.

Разработку на основе международного сотрудничества и внедрение в коммерческое использование реакторов поколения IV, в том числе:

реакторов на быстрых нейтронах, позволяющих решить проблему исчерпания топлива (урана-235) для легководных реакторов на тепловых нейтронах, а также проблему утилизации актиноидов и избыточного плутония, образующихся при эксплуатации LWR;

высокотемпературных газоохлаждаемых (гелиевых) реакторов (ВТГР), позволяющих поднять термический КПД АЭС в газотурбинном цикле до 50%, а также создавать широкомасштабные производства водорода.

и др.

Организацию широкомасштабных теоретических и экспериментальных НИОКР по созданию новых видов топлив и конструкционных материалов для реакторов поколения IV.

Перспективным является применение атомной энергии в промышленности, где требуется высокотемпературное технологическое тепло (с температурой до 1000 С), в связи с чем среди проектов реакторов поколения IV рассматриваются высокотемпературные газовые реакторы (ВТГР), которые смогут обеспечить высокоэнтальпийной тепловой энергией и электричеством различные отрасли промышленного производства (предприятия производящие железо и сталь, нефтепродукты, осуществляющих газификацию угля, производство водорода и т.д.).

В настоящее же время высокотемпературные технологии реализуются с использованием органических топлив, продукты сгорания которых, загрязняя атмосферу, создают тяжелую экологическую нагрузку на окружающую среду. ВТГР - технология является достойной альтернативой энергетическим технологиям, использующим органическое топливо, и находится в русле разработок наукоемких технологий, обеспечивающих переход к атомно-водородной энергетике, неизбежность перехода к которой осознана промышленно развитыми странами. По оценке специалистов ВТГР являются более безопасными и экономически эффективными, чем реакторы других типов.

Реакторы поколения IV работающие на быстрых нейтронах, будут готовы для полномасштабного коммерческого применения ближе к середине настоящего столетия. Строительство реакторов на быстрых нейтронах позволит уйти от критической недостаточности ресурсной базы – т.н. «природно-урановой зависимости» и использовать в качестве топлива плутоний (в том числе из оружейных запасов) и уран-238, которые могут делиться от быстрых нейтронов, а также гигантское количество уже накопленных в мире ядерных «отходов» (отработанное топливо тепловых реакторов).

Критический анализ состояния мировой ядерной энергетики показал, что дальнейшее ее развитие немыслимо без тесной связи двух ее важнейших для человечества аспектов: долговременного обеспечения энергией безопасным и экономически приемлемым способом и предотвращения ее использования для целей создания ядерного оружия. Использование ядерно-опасных материалов внутри топливного цикла реакторов на быстрых нейтронах будет способствовать поддержанию режима нераспространения ядерных материалов, а в силу замкнутости их топливного цикла, на таких реакторах можно в течение практически неограниченного времени получать необходимое количество энергии для удовлетворения энергетических потребностей человечества при любом прогнозируемом сценарии развития цивилизации.

Обзор зарубежного опыта строительства АЭС

С начала 1990-х годов темпы строительства новых АЭС снизились по сравнению с предыдущим периодом. Некоторые развитые энергонасыщенные страны, такие как, Бельгия, Германия и Швеция стали проводить политику свертывания выработки электроэнергии на АЭС. Австрия, Дания и Ирландия также заявили о принятии политики, направленной против ядерной энергетики. Такое отношение к ядерной энергетике в немалой степени было обусловлено крупными авариями на АЭС «Три-Майл-Айленд» (США) и в Чернобыле (СССР), которые продемонстрировали недостаточный уровень безопасности АЭС первых поколений. Однако, несмотря на кризис в развитии ядерной энергетики в 90-х годах прошлого столетия не следует забывать о том, что она сохраняет свои позиции как один из основных мировых источников энергии.

Во Франции после нефтяного кризиса 1970-х годов было решено сделать ставку именно на ядерную энергетику. В результате сегодня в стране 77% электроэнергии вырабатывается с помощью 59 ядерных энергоблоков. Сократились и затраты на производство электроэнергии: в 1981 г. они составляли 5% ВВП, а сейчас — всего 1,8%. Страна имеет самые высокие показатели потребления «атомного электричества» на душу населения в мире и планирует строительство в Фламанвилле французского демонстрационного блока "Фламанвиль 3" (1600 МВт эл) с реактором EPR. В период 2005-2006 гг. проведены необходимые организационно-административные мероприятия, а само строительство блока начато в 2007 году. Реактор должен быть введен в эксплуатацию к 2012 году. Компания «Электрисите де Франс» (EDF) объявила о планах замены, начиная с 2020 г., 59 своих действующих реакторов на реакторы EPR. Этот вариант стратегии развития был выбран EDF на основании экономических оценок и экологических показателей атомной энергетики. Предполагаемый темп замены - один энергоблок мощностью 1600 МВт (эл.) в год.

Одна из крупных в Азии ядерно-энергетических программ у Японии, где в настоящее время в эксплуатации находится 53 реактора. Япония к 2017 году планирует дополнительно подключить к энергосети 15 новых энергоблоков, в результате чего доля ядерной энергетики в производстве электроэнергии в Японии превысит 40%, а к 2050 г. ожидается удвоение её атомных энергетических мощностей до 90 ГВт. Япония реализует планы создания энергетических реакторов на быстрых нейтронах и планирует ввести их в коммерческую эксплуатацию в 2050 году.

Согласно энергетической стратегии к 2030 г. Россия намерена увеличить атомные электроэнергетические мощности до 300 ГВт с текущих 160 ГВт, введя в эксплуатацию дополнительные 44 блока.

Крупнейший в мире парк АЭС США, состоящий из 104 реакторов, и обеспечивающий 20% энергопотребностей страны, также планируется увеличить на 32 новых реактора, не считая возведения новых реакторов на базе существующих площадок АЭС.

Две заявки на подготовку площадок были поданы в Канаде.

Энергетические предприятия Латвии, Литвы и Эстонии начали совместное технико-экономическое обоснование сооружения новой АЭС, которая будет эксплуатироваться в интересах всех трех стран.

Самые масштабные планы развития атомной энергетики приняты в Китае, где к 2030 году планируется увеличение атомных энергетических мощностей до 160 ГВт (дополнительно около 149 новых реакторов к действующим 11), а к 2050 атомный парк страны, согласно государственной программе, должен составить 240 реакторов.

Пятикратный прирост ядерных мощностей ожидается также в Индии, где годовой рост ядерной энергетики только до 2012 г. составит 10%, а в целом до 2020 г. будет введен в эксплуатацию 31 новый реактор в дополнение к действующим на сегодня 17 реакторам средней мощности.

Некоторые государства азиатско-тихоокеанского региона планируют включить ядерную энергетику в структуру своей энергетики. Например, Индонезия недавно объявила о своем решении построить в центре острова Ява два реактора мощностью 1000 МВт, а Вьетнам заявил о своем намерении продолжить осуществление ядерно-энергетической программы.

 

Предпосылки развития атомной отрасли РК

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.

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