Ядерные энергетические установки (Лекция №1)

Балльно-Рейтинговая структура дисциплины
Перечень контрольных мероприятий текущего контроля успеваемости по дисциплине:
КМ-1 контрольная работа 1; Вес раздела 0,25
КМ-2 контрольная работа 2; Вес раздела 0,25
КМ-3 контрольная работа 3; Вес раздела 0,25
КМ-4 контрольная работа 4. Вес раздела 0,25

Темы контрольных работ и номер недели
КР1: Состояние и перспективы развития ЯЭ. Ядерные реакции. Нейтронно-физические процессы в ядерном реакторе (ЯР). Управление реактором 3 - неделя; СРС 6 часов
КР2: . Особенности реактора как источника энергии. Топливный цикл ЯЭ. Классификация ЯЭУ. Функционирование АЭС, аварийные защиты, системы безопасности.
Нормы радиационной безопасности. Вывод из эксплуатации.
7 - неделя; СРС 6 часов
КР3: Сравнительный анализ АЭС с реакторами ВВЭР, РБМК, БН и БРЕСТ. Проекты АЭС с ВВЭР. Судовая, космическая и малая ЯЭ. Примеры решения практических задач.
11 неделя; СРС 6 часов
КР4: Актуальные проблемы ЯЭ: продление срока службы,
обеспечение замкнутого топливного цикла; повышение безопасности, cейсмостойкости; совершенствование методов и систем диагностики; управления технологически ми процессами и тяжелыми авариями.
14 - неделя; СРС 4 часа

Лекция 1. Современное состояние атомной энергетики и перспективы развития в мире
Обеспечение человечества энергией является одной из главнейших проблем, решение которой определяет его устойчивое развитие, т.е. развитие без истощения природных, экономических, экологических и социальных ресурсов.
Энергетика, построенная на углеводородах, исторически себя исчерпала. Запасы ископаемого топлива сокращаются, а продолжение его использования в качестве энергоисточника ухудшает экологическую ситуацию.
Огромным преимуществом АЭС является ее относительная экологическая чистота

Из табл. 1.1 видно, сколь огромны выбросы вредных веществ ТЭС, работающих на различных органических топливах
Сравнительные данные по топливу и отходам для АЭС мощностью 1000 МВт (тонн в год):топливо :27 (160 т. природного урана в год) , отходы: 27 высокоактивные; 310 среднеактивные; 460 низкоактивные
Подобные выбросы на АЭС просто отсутствуют. Если ТЭС мощностью 1000 МВт потребляет в год 8 млн. т. кислорода для окисления топлива, то АЭС не потребляет кислорода вообще.

Табл. 1.1 Выбросы вредных веществ ТЭС, работающих на различных органических топливах

Стоимости капитальных затрат на установленный kW

Типы и количество ядерных реакторов, находящихся в эксплуатации и строительстве приведены в табл. 1.2
В 31 стране мира действуют 442 ядерных реактора, общей электрической мощностью 365 ГВт.
Первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт построена в городе Обнинске и пущена в эксплуатацию 27 июня 1954 года.

Таблица 1.2

Действующие АЭС России
На март 2018 года в России, на 10 действующих АЭС, эксплуатировалось 36 энергоблоков общей мощностью 29 000 МВт,
из них 20 реакторов с водой под давлением —
13ВВЭР-1000 (12 блоков 1000 МВт и 1 блок 1100 МВт), 2 ВВЭР-1200 (1200 МВт), 5 ВВЭР-440(4 блока 440 МВт и 1 блок 417 МВт);
14 канальных кипящих реакторов — 10 РБМК-1000 (1000 МВт каждый) и 4 ЭГП-6 (12 МВт каждый);
2 реактора на быстрых нейтронах —БН-600 (600 МВт) и БН-800 (880 МВт).

Действующие АЭС.
1.Балаковская АЭС
2.Белоярская АЭС
3.Билибинская АЭС
4.Калининская АЭС
5.Кольская АЭС
6.Курская АЭС
7.Ленинградская АЭС
8.Нововоронежская АЭС
9.Ростовская АЭС
10.Смоленская АЭС

Построенные или строящиеся в России атомные электростанции

БЕЗОПАСНОСТЬ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В 1979 г. на АЭС «Три Майл Айленд» (США) произошла авария с расплавлением активной зоны реактора.
Принятые меры по увеличению безопасности АЭС привели к заметному удорожанию их электроэнергии.
Еще более серьезный удар развитию атомной энергетики нанесла авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. и ее катастрофические последствия.В ряде стран был принят мораторий на строительство новых АЭС.
Авария на АЭС Фукусима-1 — крупная радиационная авария, произошедшая 11 марта2011 года в результате сильнейшего землетрясения в Японии. Схема разрушений и повреждений на АЭС Фукусима-1 приведена на рис.1.3. Все это привело к мощному выбросу радиации, заразившей обширную зону вокруг станции. Агентство по атомной и промышленной безопасности относит аварию на АЭС "Фукусима-1" к высшему, седьмому, уровню опасности. Ранее он был присвоен только катастрофе на Чернобыльской АЭС.

Схема разрушений и повреждений на АЭС Фукусима-1

Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине ХХI века
Современная ядерная энергетика базируется на тепловых реакторах. Это ограничивает возможности ядерной энергетики в будущем. При планируемой к 2030 г. суммарной мощности АЭС России 60 ГВт, они будут обеспечены дешевым ядерным топливом в течение 60 лет.
Оценка мировых запасов природного урана показывает, что на них нельзя базировать долговременное устойчивое развитие ядерной энергетики на тепловых реакторах.
Поэтому в будущем ядерная энергетика будет широко использовать технологию реакторов на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом. В России имеется в эксплуатации энергоблоки БН-600 и БН- 800.

ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Схема ядерного топливного цикла

ОБОГАЩЕНИЕ ТОПЛИВА
В АЭС с реакторами на тепловых нейтронах используется слабообогащенное (2—5% 235U) урановое топливо.
В реакторах на быстрых нейтронах содержание 235U (до 30%).
Прежде чем изготавливать топливо, природный уран, содержащий только 0,72% 235U, необходимо обогатить — разделить изотопы 235U и 238U.
Химические методы невозможны (так как изотопы имеют одинаковые химические свойства), поэтому необходимы физические методы разделения изотопов.
Обогащение урана методом газовой диффузии основано на явлении молекулярной диффузии через пористую перегородку с мельчайшими отверстиями.
Центрифужный метод обогащения основан на эффекте разделения изотопов в центробежном поле, усиливающемся противоточной циркуляцией газа вцентрифуге. Под действием возникающей внутри высокоскоростной центрифуги центробежной силы более тяжелые молекулы 238UF6 движутся ближе к стенке центрифуги, чем более легкие молекулы 235UF6. Таким образом, происходит частичное разделение изотопов в радиальном направлении.

Преимущества и недостатки АЭС по сравнению с ТЭС
Главным преимуществом АЭС перед любыми другими электростанциями является их практическая независимость от удаленности месторождений урана и радиохимических заводов.
Энергетический эквивалент ядерного топлива в миллионы раз больше, чем органического топлива, и поэтому, расходы на его перевозку ничтожны. Это особенно важно для европейской части России, где доставка угля из Кузбасса и Сибири слишком дорога. Кроме того, замена выработки электроэнергии на газомазутных (фактически — газовых) ТЭС производством электроэнергии на АЭС — важный способ поддержания экспортных поставок газа в Европу.
Это преимущество трансформируется в другое: для большинства стран, в том числе и России, производство электроэнергии на АЭС не дороже, чем на газомазутных и тем более пылеугольных ТЭС. Падение цен на нефть, конечно, автоматически снижает конкурентоспособность АЭС.
Затраты на строительство АЭС находятся примерно на таком же уровне, как и на строительство пылеугольных ТЭС или несколько выше
Огромным преимуществом АЭС является ее относительная экологическая чистота и отсутствие потребления кислорода.
Московский Энергетический Институт Кафедра АЭС

Главный недостаток АЭС — тяжелые последствия аварий в реакторном отделении с его разгерметизацией и выбросом радиоактивных веществ в атмосферу с заражением громадных пространств.
Подобно тому, как ТЭС имеет отходы в виде золы и других выбросов, АЭС также имеет отходы, однако они особого вида. Это в первую очередь отработавшее ядерное топливо, а также другие радиоактивные остатки.
Эти отходы утилизируют: сначала их выдерживают в специальных бассейнах для уменьшения радиоактивности, а потом направляют на переработку на радиохимические заводы, где из них извлекают ценные компоненты, в том числе и несгоревшее в реакторе топливо.
Московский Энергетический Институт Кафедра АЭС

Для обеспечения радиационной безопасности АЭС оборудуют специальной приточно-вытяжной системой вентиляции, сложность которой не идет ни в какое сравнение с вентиляционной системой ТЭС
Серьезной проблемой для АЭС является их ликвидация после выработки ресурса,
которая по оценкам может составлять до 20 % стоимости их строительства.
«Абсолютная величина нашей атомной генерации в пять раз меньше, чем в Соединенных Штатах, в три раза меньше, чем во Франции, в два раза меньше, чем в Японии. Доля производства атомного электричества у нас в 2,5 раза ниже, чем в Евросоюзе: там примерно 35-40% электроэнергии производят на АЭС, у нас — примерно 16 %

Устойчивое развитие АЭС. IV поколение
Системы IV поколения обеспечат оптимальное использование природных ресурсов и надежность энергоснабжения.
Слабой стороной существующих ядерных технологий является их ограниченная способность к использованию энергетического потенциала уранового топлива. Тепловые реакторы I и II поколений используют изотоп урана, который составляет лишь менее 1% общего количества урана, встречающегося в природе.
Реакторы-размножители способны использовать значительную часть энергетического потенциала, недоступного тепловым легководным реакторам, в результате чего из того же исходного количества урана может быть произведено в 50 раз больше энергии.
Такие реакторы способны преобразовывать 238U в делящийся 239Pu даже интенсивнее, чем сами поглощают делящийся материал (свойство, называемое «размножением»). Кроме того, они могут использовать топливо с очень низким содержанием урана, соответствующим руде. Образование отходов будет минимальным.

Недостатки открытого топливного цикла
Недостатком открытого топливного цикла, предусматривающего захоронение отработавшего ядерного топлива без переработки, является большой объем, уровень радиотоксичности и остаточное тепловыделение ОЯТ.
По прогнозным оценкам на ближайшие несколько десятилетий, к 2060 году накопится настолько значительное количество требующего захоронения ОЯТ, что это станет неприемлемым для человеческого общества.
Эта проблема, однако, была частично решена в странах, где принято решение о промышленной переработке ОЯТ с целью извлечения плутония (замкнутый ядерный цикл с частичным рециклированием), – Франции, Великобритании, России, Японии и Индии.
Передовые технологии деления и трансмутации являются предметом многочисленных исследовательских проектов, выполняемых в рамках развития систем IV поколения.

Ядерно-химические технологии позволяют выполнять
разделение отработавшего топлива на различные составляющие в зависимости от их дальнейшего использования или требований к захоронению.