19953

Современный этап развития ядерной энергетики. Реакторы на тепловых и быстрых нейтронах

Лекция

Физика

Конкретные пути решения задач, поставленных Президентом, представлены в «Стратегии развития ядерной энергетики России до середины XXI века», принятой Минатомом России в 2000-м году и одобренной Правительством РФ. В последующие годы были разработаны и приняты к исполнению ряд конкретных программ по направлениям. Некоторые из них включают разделы связанные непосредственно с решением проблем экологии и выводом АЭС из эксплуатации, эти задачи обеспечиваются значительной финансовой поддержкой.

Русский

2013-08-13

87.44 KB

12 чел.

Конспект занятия 1.

Цель.

Дать общие представления о современном этапе развития атомной энергетики. Рассмотреть последовательность этого развития от первоначальной идеи к техническому воплощению, основываясь на конкретных примерах и исторической хронологии.

План.

  1. Современный этап развития ядерной энергетики. Реакторы на тепловых и быстрых нейтронах.
  2. Концепция Э. Ферми и А. Лейпунского. Историческая справка о развитии реакторов на быстрых нейтронах.  
  3. Энергетические реакторы на быстрых нейтронах: действующие и перспективные, их сравнительные характеристики, проблемы безопасности.

Развитие человеческой цивилизации всегда было связано с поиском и использованием источников энергии. Прошлый и настоящий век в истории, наверное, будут названы веками освоения и использования энергии атома.

Инициатива Президента Российской Федерации 6 сентября 2000 года в ООН непосредственно касалось будущего развития ядерной энергетики. Отмечены следующие наиболее важные, в том числе политически, моменты развития современной энергетики:

- обеспечение устойчивого развития человечества энергией без ограничений со стороны ресурсов топлива и отравления внешней среды продуктами горения.

- закрытие каналов получения «ядерной взрывчатки», связанной с ядерной энергетикой.

- завершение сокращения ядерных арсеналов, начатого РФ и США, всеобщим и полным запрещением и ликвидацией ядерного оружия.

Конкретные пути решения задач, поставленных Президентом, представлены в «Стратегии  развития ядерной энергетики России до середины XXI века», принятой Минатомом России в 2000-м году и одобренной Правительством РФ. В последующие годы были разработаны и приняты к исполнению ряд конкретных программ по направлениям. Некоторые из них включают разделы связанные непосредственно с решением проблем экологии и выводом АЭС из эксплуатации, эти задачи обеспечиваются значительной финансовой поддержкой.

Необходимо подчеркнуть существенную разницу двух направлений развития ядерной энергетики при использовании реакторов на тепловых и быстрых нейтронах[1].

Первое направление (реакторы на тепловых нейтронах) в настоящее время весьма широко используется в ядерной энергетике, но имеет ряд существенных недостатков:

- проблема топливных ресурсов решается за счет увеличения добычи урана.

- радиоактивные отходы в основной своей массе не перерабатываются, а захораниваются.

- вопросы безопасности сводятся к рассмотрению наиболее вероятных аварий, увеличению требований к оборудованию и персоналу.

-проблема нераспространения решается усилением контроля за делящимися материалами.

Второе направление (реакторы на быстрых нейтронах) в настоящее время не имеют широкого применения в ядерной энергетике, но представляются достаточно перспективными по следующим причинам:

- проблема топливных ресурсов может быть решена естественным воспроизводством ядерного топлива в реакторах на быстрых нейтронах.

- радиационно-эквивалентное захоронение радиоактивных отходов без нарушения природного радиационного баланса за счет глубокой очистки отходов, возвращения и сжигания их в быстрых реакторах.

- естественная безопасность подразумевает исключение тяжелых аварий за счет присущих быстрым реакторам внутренних физических качеств и закономерностей.

Считаю  необходимым привести цитату из лекции профессора В.В.Орлова [1]:

  «Недавно стали известны выступления Э.Ферми в 1944г.- создателя первого в мире ядерного реактора (Чикаго,1942 г.)- относительно использования ядерной энергии в мирных целях. Основную цель он видел в овладении ресурсами ядерного топлива на основе воспроизводства. К тем же идеям в СССР в 1947г. пришел А.И. Лейпунский (ФЭИ, г. Обнинск).

  Они впервые показали, что роль быстрых реакторов в крупномасштабной ядерной энергетике определяется, в первую очередь, уникальным избытком нейтронов в расчете на сгоревшее ядро плутония. Такой избыток служит фундаментальной физической предпосылкой воспроизводства и даже бридинга плутония, решения проблем безопасности, радиоактивных отходов, нераспространения ядерного оружия и связанной с ним экономики »

Рассмотрим хронологическую последовательность разработки объектов ядерной энергетики, использующей реакторы на быстрых нейтронах (РБН). Нас будут интересовать (Таблица 1.): страна и дата пуска (остановки), наименование объекта, мощность тепловая, топливо, теплоноситель.

Таблица 1.

США

Дата пуска

(остановки)

Наименование

Мощность

Тепловая

(электри-ческая)

Топливо

Тепло-носитель

СССР

Дата пуска

(остановки)

1949

1951

1963

1963

(1967)

(1967)

(1980)

Клементина

EBR-1

БР-1

БР-2

БР-5

8 РБН для под-водных лодок.

Энрико Ферми EBR-2

EBR-1(авария)

Энрико Ферми

(авария)

БОР-60

БН-350

БН-600

Приостановка

работ по РБН.

25 кВт

(200 кВт)

0 кВт

100 кВт

5 МВт

200(65) МВт 62(20) MBт

60МВт

1000(350)МВт

1800(600)МВт

Pu

U

Pu

Pu

PuО2

U

U

UО2 

UО2- PuО2

UО2- PuО2

Hg

Na-K

Hg

Hg

Na

Pb-Bi

Na

Na

Na

Na

Na

1952

1956

1958

1962

1969

1972

1980

Примечание:

Энрико Ферми - итальянский физик, лауреат Нобелевской премии, один из разработчиков американской атомной бомбы, создатель первого в мире ядерного реактора (Чикаго, 1942 г.)

Александр Ильич Лейпунский - академик УССР, руководитель отечественной программы по РБН, директор Физико-энергетического института (ФЭИ) г. Обнинск, первый декан инженерно-физического факультета Московского механического института боеприпасов (ММИ), названный позднее МИФИ.

В таблице 1 показана история развития программ создания АЭС с РБН в СССР и США.    Программа США не была выполнена.

Программа СССР имеет логическое завершение: успешно работает АЭС с РБН БН-600, 25 лет устойчиво проработал РБН БН-350 в Казахстане (г. Шевченко). Он был выведен из эксплуатации в 1997 году по решению правительства Казахстана.

Во Франции успешно развивается программа по РБН, разработаны и действуют исследовательские РБН Рапсодия и Рапсодия-форте, эксплуатируются АЭС с РБН Феникс и Супер-Феникс.

Почему «подарок природы», выраженный в концепции Энрико Ферми и Александра Ильича Лейпунского, не воплотился в широкомасштабную атомную энергетику?

По моему мнению, главной причиной являлся интерес к собственной, государственной безопасности стран, способных реализовать  в тот период времени подобный проект. Способ получения плутония в тепловых реакторах был более очевиден и дешев, что дало в конечном итоге иметь достаточное количество атомных зарядов противоборствующим сторонам, что бы, как не странно, сохранить на земле относительный мир и жизнь.

После тяжелых аварий на АЭС в «Три-Майл Айленд» (США, 1979 г.) и в Чернобыле (СССР, 1986г.) снизился интерес к атомной энергетике как основной альтернативе углеводородной. Разработчиками АЭС в последние 15 лет сделано не мало для обеспечения безопасной работы действующих и проектируемых АЭС.

Настоящий период развития ядерной энергетики часто называют ренессансом. Каким будет возрождение, покажет время.

На графике (рис. 1) представлен прогноз изменения мощности электростанций в мире при использовании топливного потенциала ядерной энергетики с РБН и РТН. Из представленного графика видно, что использование в АЭС:

Рис. 1.Топливный потенциал развития ядерной энергетики

при использовании быстрых реакторов.

    - РТН приводит исчерпанию запасов 235-го урана к 2080 году, а плутония к 2100 году. Введение же в оборот технологически существенно более сложного ториевого цикла приводит к незначительному росту вводимых мощностей.

    - РБН приводит к устойчивому значительному росту вводимых мощностей из-за высокого по сравнению РТН коэффициенту воспроизводства и вовлечения в энергетику плутония, полученного из 238-го урана.

    Следует остановиться ещё на одном  важном вопросе: какое экологическое наследие мы оставим нашим потомкам?

На рис.2 представлена зависимость десятичного логарифма приведённой активности от времени хранения радиоактивных отходов, кривые 1-3 соответствуют различной степени очистки с учётом их качественного состава. Исходя из определения S, зеленая и коричневая горизонтальные прямые соответствуют активности отходов равной природной урановой среде и десятикратное её превышение соответственно.

Рис.2. Радиационная эквивалентность топливного цикла крупномасштабной ядерной энергетики.

Приведу цитату из [1]: «Радиационно-эквивалентное захоронение радиоактивных отходов (без нарушения природного радиационного баланса) за счет глубокой очистки отходов от всех актиноидов, возвращения и сжигания их (трансмутации) в быстрых реакторах (актиноиды - семейство из радиоактивных элементов (металлов) с Z=90-103, образующихся в результате захвата нейтронов с последующими бета-распадами). Стратегическим направлением здесь является замыкание ядерного топливного цикла, в результате чего достигается а) практически полное использование природного ядерного топлива и искусственных делящихся материалов (плутония и др.), б) минимизация образования радиоактивных отходов от переработки ядерного топлива и в) обеспечение баланса (равенства) между радиационной опасностью захораниваемых радиоактивных отходов и урана, извлекаемого из недр.» 

Кривая 1 (рис 2.) соответствует сегодняшнему положению дел в этой области, кривая 3 – при широком использовании  АЭС с РБН и замкнутого цикла, кривая 2- некоторый промежуточный вариант.

В таблице 2 представлены технико-экономические показатели АЭС с быстрыми и тепловыми реакторами РФ (в ценах 1991 г.), сравниваются проектируемые АЭС с показателями действующей на базе реактора ВВЭР-1000.

Таблица 2.

Характеристика

Брест-1200

БН-800

ВВЭР-1000

ВВЭР-1500

Удельные капитальные вложения, (руб/кВт)

875

1106

920

827

Себестоимость отпускаемой электроэнергии, коп/кВт-час

1,5

2,49

2,11

1,62

Срок службы, лет

60

30

40

50

Собственные нужды, %

5,7

7,6

5,8

5,7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79236. Экономическая система Дж. КЕйнса (1883-1946) и ее значение для развития мировой экономической мысли 318 KB
  Книга озаглавлена так для того чтобы мои аргументы и выводы противопоставить аргументам и выводам классической1 теории на которой я воспитывался и которая – как и 100 лет назад – господствует над практической и теоретической экономической мыслью правящих и академических кругов нашего поколения. Я приведу доказательства того что постулаты классической теории применимы не к общему а только к особому случаю так как экономическая ситуация которую она рассматривает является лишь предельным случаем возможных состояний равновесия. ГЛАВА 2...
79237. Неолиберализм. Монетаризм как альтернатива кейнсианству 347 KB
  Оптимальное количество денег В теории денег есть нечто напоминающее японский сад. Стало распространенным утверждение что в теории денег нет ничего менее существенного чем их количество выраженное в долларах фунтах или песо. Действительно если бы единицей счета вместо доллара стал вдруг цент то нам пришлось бы просто умножить количество денег на 100 как и все другие номинальные величины цены активы обязательства; но никаких других эффектов в экономике это не вызвало бы. Совсем иначе обстоит дело с количеством денег в реальном...
79238. Институционализм как идейно-теоретическая база либерального реформизма 181 KB
  И эта основа становится менее прочной как раз тогда когда высокий уровень издержек и длительный период созревания изделий обусловленные современной техникой требуют значительно большей надежности рынков. Назначение книги ОСНОВУ книги составляют три статьи Природа фирмы 1937 Спор о предельных издержках 1946 и Проблема социальных издержек 1960. Чтобы объяснить почему фирмы существуют и что именно они делают я счел необходимым ввести понятие которое я в этой статье обозначил как издержки использования механизма цен издержки...
79239. Экономическая мысль периода генезиса капитализма: меркантилизм как первая концепция рыночных отношений. Экономическая система физиократов 177.5 KB
  Нация распадается на три класса граждан: класс производительный класс собственников и класс непроизводительный. Непроизводительный класс состоит из всех граждан которые заняты другими услугами и видами труда кроме земледелия и затраты которых оплачиваются производительным классом и классом собственников в свою очередь получающим свои доходы от производительного класса. Экономическая таблица охватывает три указанных класса и ежегодно получаемое ими богатство и описывает обмен commerce между ними в следующей форме. Класс собственников...
79240. Классическая политическая экономия. Экономические системы А. Смита (1723-1790) и Д. Рикардо (1772 - 1823 гг.) 152 KB
  Годичный труд каждого народа представляет собою первоначальный фонд который доставляет ему все необходимые для существования и удобства жизни продукты потребляемые им в течение года и состоящие всегда или из непосредственных продуктов этого труда или из того что приобретается в обмен на эти продукты у других народов. Напротив у народов цивилизованных и процветающих – хотя у них большое число людей совсем не работает причем многие неработающие потребляют в десять а часто и в сто раз большего труда чем...
79241. Идеи классической политической экономии в учениях Т. Мальтуса, Ж.-Б. Сэя., Дж. Ст. Милля 192.5 KB
  Это обстоятельство а также внимание оказанное обществом моему Опыту обязывали меня произвести некоторые исторические исследования с целью изучить влияние закона народонаселения на прошедшее и настоящее состояния общества. Нищета и бедствия производимые чрезмерно быстрым размножением населения бы ли уже замечены и жестокие меры против этих бедствий были указываемы со времен Платона и Аристотеля. Не говоря уже о том что сравнение между возрастанием населения и средств потребления не было никем изложено с достаточной силой и ясностью...
79242. Экономическое учение западно-европейских социалистов и демократическая мысль России 1-й половины XIX века 303.5 KB
  Лучшим средством привлечь их на свою сторону будет возможно полное разъяснение этого вопроса; вот цель какую я себе ставлю обращаясь к различным группам человечества разделяемого мною на три класса: первый – это тот к которому имеем честь принадлежать мы с вами; он шествует под знаменем прогресса человеческого духа и состоит из ученых художников и всех людей разделяющих либеральные идеи. Это такое брожение когда все отношения между членами нации становятся непрочными и величайший из всех бичей – анархия – свободно производит свои...
79243. Марксистская политическая экономия. Структура и логика «Капитала» К. Маркса 313 KB
  Но товарная форма продукта труда или форма стоимости товара есть форма экономической клеточки буржуазного общества. Этот его характер не зависит от того много или мало труда стоит человеку присвоение его потребительных свойств. Как потребительная стоимость он не заключает в себе ничего загадочного будем ли мы его рассматривать с той точки зрения что он своими свойствами удовлетворяет человеческие потребности или с той точки зрения что он приобретает эти свойства как продукт человеческого труда. Потому что вопервых как бы...
79244. Основные идеи русского марксизма. Экономическая мысль России второй половины XIX – начала XX веков. Экономические взгляды народников, Г. В. Плеханова (1856-1918 гг.), В. И. Ленина (1870-1924 гг.) 323 KB
  Для социальной науки предмет которой не личность а коллектив весь капитализм с его бесчисленными противоречиями непрерывной борьбой неустойчивыми равновесиями движением от одних кризисов и революций к другим есть не более как переходная фаза между двумя органическими общественными системами длительная революция методов производства и форм сотрудничества. Но и они должны переходить ко все более глубоким пластам и при нынешней скорости расширения производства угольное будущее этих стран также становится все более темным. Эволюция...