Реакторы на быстрых нейтронах и развитие мировой энергетики
advertisement
Реакторы на быстрых нейтронах и развитие мировой энергетики Бычков А.В. Научно-исследовательский институт атомных реакторов, Димитровград Переслегин С.Б., Переслегина Е.Б., Ютанов Н.Ю., Ютанова Е.Ю., Желтов А.В. Исследовательская группа «Конструирование Будущего», Санкт-Петербург Уровень мирового потребления электроэнергии возрастает Уровень мирового потребления электроэнергии растет экспоненциально. За 25-30 лет он увеличился почти вдвое Признаки глобального энергетического кризиса • Международное опоздание с вводом в эксплуатацию генерирующих мощностей • Неадекватное географическое положение существующих генерирующих мощностей • Устаревание энергораспределительных сетей и механизмов перетока Дефицит электроэнергии уже в 2010-е годы Сценарий локальной / региональной нехватки электроэнергии, часть 1: Стадия 1: Отказ от энергоемких проектов развития. Объясняется «борьбой с глобальным потеплением», стратегией «мудрого отказа», «надлежащего самоограничения», «сохранения окружающей среды» Стадия 2: Торможение развития бизнеса Объясняется «компания по сокращению коммунального потребления», «нормы потребления», «штрафные тарифы за сверхнормативное использование электроэнергии» Причины замедлению экономического роста, сбои в финансовой системе, проблемы с социальной сферой Сценарий локальной / региональной нехватки электроэнергии, часть 2: Стадия 3: Крах государственной политики Кризисы энергосистем. Блэкауты. Энергосберегающая политика не дает результатов. Попытка государства искусственно стимулировать вывод экономики из депрессии через войну или глобальный проект. Пути и методы, затратность и последствия энергосбережения Типы и модели генерации энергии • По физике процесса: тепловая / потоковая / ядерная • По структуре потребления: местная / базовая / расширенная / универсальная • По типу потребляемых ресурсов: физически неисчерпаемая / практически неисчерпаемая / исчерпаемая Типы и модели генерации энергии, продолжение Методология оценки генерации энергии Методология, предназначенная для долгосрочной оценки типов генерации энергии учитывает следующие факторы: • • • • • • Основной тип генерации Первично потребляемые ресурсы – используются напрямую для получения энергии (напр., сжигание угля) Вторичные ресурсы – используются не напрямую для генерации энергии (напр. территория водохранилища для гидроэлектростанции) Прямые первичные обременения - напр., ядерные отходы Непрямые вторичные обременения – напр., возрастание заболевания раком легких на угольных электростанциях Виртуальные (несуществующие) обременения – напр., парниковые газы Оценка типов генерации энергии Сценарные развилки Основные константы сценария развития глобальной энергетики • Нефть сохранит свое значение ключевого ресурса. Абсолютное потребление нефти будет расти, относительное – снизится. • Привязка цены газа к цене нефти сохраниться. • Потребление угля будет расти быстрее, нежели потребление нефти и газа. • Потребление низкоуглеродных топлив снизится, хотя этот тип генерации сохранится в местном секторе энергетики. • Потоковая энергетика (напр., гидро-, ветро- и приливная энергетика) будет развиваться, но ее вклад в общий топливный и энергетический баланс останется небольшим. Основные константы сценария развития глобальной энергетики, продолжение • Развитие тепловой атомной энергетики будет сдерживаться высокой ценой генерации, в которую будут включены затраты на утилизацию РАО и ОЯТ. • Следовательно, атомная энергетика неизбежно разделится на традиционную (медленные нейтроны) и инновационную (быстрые нейтроны, ЗЯТЦ). Сценарии развития глобальной атомной энергетики «Энергосберегающее будущее» • Инерционный сценарий, без неожиданных отклонений • Нет необходимости в проявлениях политической воли для перемен • Политика энергосбережения продолжается до кризиса социальной системы. • Атомная энергетика развивается экстенсивно. • Обращение с ОЯТ осуществляется через водное хранение, объем ОЯТ возрастает. Сценарии развития глобальной атомной энергетики «Угольный Ренессанс» • Традиционный сценарий. Контролируемое отступление цивилизации. • Расширение «золотого миллиарда» с сокращением его привилегий. Отказ от пенсионной системы и системы социального страхования. • Требует политической воли к определенным переменам. • Нефть и газ остаются топливными ресурсами, вытесняются из базовой генерации. • Растет роль потоковой энергетики (ветер + солнце) • Атомная энергетика растет, радиофобия утрачивает социальную значимость. • Развивается «мокрая» и «сухая» переработка ОЯТ. Сценарии развития глобальной атомной энергетики «Атомный прорыв» • Прорывной сценарий. • Требует сильной политической воли и стратегического подхода • Современная Технологическая Платформа, как системный интегратор энергетики: тепловые и быстрые реакторы. • Замкнутый топливный цикл, «сухая» переработка и жидкосолевые дожигатели. • Проблема ОЯТ решена. Современная Технологическая Платформа в Ядерной Энергетике • • • • Генерирующие мощности Утилизация ОЯТ Экспансия ядерной энергетики Изменения в структуре потребления первичных ресурсов в ядерной энергетики Будущие изменения в структуре потребления энергии Проблема стратегического выбора • Сконцентрировать ресурсы на реакторах поколения 3+ или бросить их на создание нового поколения энергоблоков? • Современные экономические расчеты занижают рентабельность «быстрых реакторов» с замкнутым циклом • Первая же созданная в мире ядерная технологическая платформа с рециклингом и минимальным обременением ОЯТ станет стандартом «де факто» • Это сделает традиционные реакторы устаревшими и коммерчески не привлекательными. «Дилемма заключенного» и «Новая атомная гонка» Если никто не начинает работать над «быстрыми реакторами» и ЗЯТЦ, пролонгируется текущая ситуация. Если кто-то создает современную технологическую платформу, а остальные – нет, происходит перераспределение рынка в пользу инноватора. Если в создании новых энергоблоков преуспевают все, атомная энергетика получает ряд бонусов за счет тепловой, но в самой атомной энергетике начинается жесткая конкурентная борьба. Как только «дилемма заключенного» будет осознана, развернется «гонка дизайнов» энергетической системы нового поколения. NB: В октябре 2010 года «Новая атомная гонка» началась. Пространство выбора: тип энергетики • Традиционная тепловая энергетика. • Потоковая энергетика, прежде всего – солнечная, ветровая, гидроэнергетика. • Ядерная энергетика. Стратегический выбор: тип генерации • Ядерная энергетика, основанная на делении тяжелых ядер. • Термоядерная энергетика, основанная на синтезе легких ядер. • Кварковая энергетика, гипотетическая энергетика новых физических принципов. Стратегический выбор: технологическая платформа • Традиционная технологическая платформа Сертифицированные реакторы на медленных нейтронах, «кипящие» или построенные по технологии «воды под давлением». • Инновационная технологическая платформа Реакторы на быстрых нейтронах вытесняющие «медленные» реакторы. Эти реакторы необходимо проектировать, строить, лицензировать, сертифицировать. • Смешанная технологическая платформа: Реакторы на быстрых нейтронах включены в систему реакторов на медленных нейтронах в качестве важного, хотя и второстепенного компонента. Стратегический выбор: тип реактора • Быстрые реакторы – размножители коэффициент размножения 1,2 и выше, топливный цикл замыкается вне станции • Быстрые реакторы – замкнутый цикл коэффициент размножения около 1,0, топливный цикл замыкается внутри станции • Быстрые реакторы – дожигатели коэффициент размножения не имеет значения, оптимизируется процесс утилизации ОЯТ, топливный цикл замыкается вне станции • Быстрые реакторы – производители водорода • «Экономичные реакторы» Стратегический выбор: теплоноситель • • • • • Металлический натриевый теплоноситель. Металлический свинцово-висмутовый теплоноситель. Металлический свинцовый теплоноситель Газовый теплоноситель: углекислотный или гелиевый Жидкосолевой теплоноситель: расплавы или растворы солей. • Реакторы с водяным теплоносителем со сверхкритическими параметрами, вихревые установки с гомогенной рабочей зоной и т.п. Стратегический выбор: мощность типового реактора • Сверхмощные энергетические установки (электрическая мощность выше 1,5 ГВт) • Мощные энергетические установки (750 МВт – 1,5 ГВт) • Установки средней мощности (350 –750 МВт) • Малые установки (100 – 350 МВт) • Локальные установки (10 – 100 МВт) • Сверхмалые энергетические установки (1 – 10 МВт) • Ядерные источники энергии до 1 МВт Стратегический выбор: топливный цикл • Урановый топливный цикл • Ториевый топливный цикл • Смешанный топливный цикл (уран – эрбий или уран – торий – эрбий) Стратегический выбор: топливо • • • • • Оксид урана Нитрид урана Карбид урана Металлический уран Урано-плутониевое топливо, в различных версиях (в т.ч. МОХ-топливо). Стратегические приоритеты • Время - единственный критический параметр. • Современная технологическая платформа = натриевые реакторы БН + свинцовые реакторы «Брест» + свинцово-висмутовые реакторы СВБР. • Возникнет потребность в «перспективной» технологической платформе, основой которой станут солевые реакторы. Стратегический маневр • Отказ от исследований в области «медленных» реакторов, • Сосредоточение НИОКРов на задачах современной технологической платформы (ЗЯТЦ, металлический теплоноситель) • Сосредоточение НИРов на задачах перспективной технологической платформы • Опережающее создание экспериментальной базы, математических моделей и расчетных кодов. • Создание современной технологической платформы при одновременном конструировании перспективной технологической платформы. • Перспективная технологическая платформа должна развертываться с отставанием на 6 –7 лет от современной. Будущая ядерная экономика • Ядерная энергетика поможет создать новую экономическую структуру – эконоценоз • Экоценоз следует за кластером. Это взаимоувязанная система логистически оптимизированного безотходного производства. • Ядерный экоценоз включает в себя: – Систему деятельностей, непосредственно завязанную на строительство и эксплуатацию АЭС; – Кадры, инфраструктуру, производство, транспорт, логистику, торговлю и т.д., которые предоставляет АЭС – Городскую, производственную и технологическую среду, увязывающая эти системы деятельности, территорию, расселение.
