файл: Lectures-7

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Основные даты и события
27 июня 1954 г.
г. Обнинск
5 МВт(эл)
1956 г.
Колдер-Холл (Англия)
45 МВт(эл)
1957 г.
Шиппиндпорт (США)
67 МВт(эл)
1959 г.
Атомоход «Ленин»
ЯЭУ 44.000 л.с.
1975 г.
Атомоход «Арктика»
75.000 л.с.
1978 г.
Атомоход «Сибирь»
75.000 л.с.
1980 г.
Белоярская АЭС
БН-600
Атомная отрасль России
Главная цель ГК «Росатом» является устойчивое обеспечение
электроэнергией, вырабатываемой на АЭС
«Росатом» сегодня — это 16% производства электрической
энергии в России
«Росатом» занимает 2 место по запасам природного урана
«Росатом» обеспечивает 45% услуг по обогащению урана
«Росатом» обеспечивает 17% производства ядерного топлива для
АЭС
«Росатом» занимает лидирующие позиции на международном
рынке строительства АЭС
«Росатом» — одна из немногих компаний мирового уровня,
обладающая всеми ядерными технологиями
Схема выработки электроэнергии
Схема активной зоны
Изотопы естественного урана
Изотоп
Содержание в
природном
уране, %
Радиоактивность
в природном
уране
Период
полураспада
U-238
99,284
47,9
4,46 млрд лет
U-235
0,711
2,3
704 млн лет
U-234
0,0055
49,8
245 тыс. лет
УРАНОВАЯ СМОЛКА (U3O8)
Плотность 6,5 - 10,95 г/см³
Реакция деления ядер
Осколки:
80% энергии
U  n  ( f1  f 2 )    n  200 МэВ
235
92
200  1,02  10
13
при делении 1 кг
Дж / ядро
U выделяется 8  10 Дж
235
13
Типы ядерных реакторов
Параметры
сравнения
ВВЭР
РБМК
Реактор на тяжелой
воде CANDU
Тепловыделитель
4,5%-й U
2.8%-й U
2-3%-й U
Замедлитель и его
свойства
Легкая вода. Очень
хорошо замедляет
нейтроны и сильно
поглощает нейтроны.
Очень дешева.
Графит. Хорошо
замедляет нейтроны,
почти не поглощает
нейтроны. Достаточно
дешев.
Тяжелая вода. Очень
хорошо замедляет
нейтроны, почти не
поглощает нейтроны.
Дорога.
Особенности активной зоны, определяемые параметрами
замедлителя
Кол-во контуров
Теплоноситель
Тесное расположение Редкое расположение
Редкое расположение
ТВЭЛ, необхоТВЭЛ, возможность
ТВЭЛ возможность
димость повышенНОУ или ОЯТ
НОУ или ОЯТ
ного обогащения
Два
Легкая вода в обоих
контурах. Одновременно является
замедлителем.
Один
Два
Легкая вода.
Тяжелая вода в
Замедляющий эффект первом контуре,
незначителен.
легкая вода во втором.
Тяжелая вода
замедлителем.
Типы ядерных реакторов (продолжение)
Параметры
сравнения
Регулирование
ВВЭР
РБМК
Реактор на
тяжелой воде
Регулирующие стержни из бороциркониевого сплава
и оксида европия.
Перегрузки топлива 1 раз в 4-6 месяцев,
с полной остановкой реактора и
вскрытием его
корпуса. Каждый
ТВЭЛ переставляется в реакторе
трижды до
извлечения.
Перезагрузка
отдельных ТВЭЛ.
Каждый элемент
переставляется
внутри реактора
несколько раз до
извлечения.
Наружный
отражатель
Графитовая кладка Наружный
толщиной 65 см.
металлический
Наружный корпус
не обязателен.
Наружный
металлический
корпус.
Раз в несколько
месяцев, с полной
остановкой
реактора.
Типы реакторов и стоимость,
ресурс (в единицах Q)
Реакторы на
тепловых
нейтронах
Реакторы на
быстрых
нейтронах
Термоядерные
реакторы
< 130 дол/кг U
30
< 130 дол/кг U
< 300 дол/кг U
запасы U в океане
земная кора < 500м
Li < 60 дол/кг
Li в океане
D в океане
900
2,5∙103
3,4∙104
6,7∙106
1,8∙103
2,65∙106
3,8∙109
Подтвержденные извлекаемые запасы U (2009 г.)
Страна
Количество урана, т
Запасы, (%)
Австралия
1 673 000
31
Казахстан
651 000
12
Канада
Россия
ЮАР
Намибия
Бразилия
Нигер
США
Китай
Иордания
485 000
480 000
295 000
284 000
279 000
272 000
207000
171000
112000
9
9
5
5
5
5
4
3
2
Узбекистан
Украина
Индия
Монголия
Другие страны
111000
105000
80000
49000
150000
2
2
1,5
1
3
Мировые запасы
5404000
Число атомных блоков
(2011 г.)
в 31 стране:
436 атомных блока
Строятся:
44 атомных блока
Вырабатываемая мощность, ГВт (эл)
Общая мощность
2030 г.
2050 г.
370
500
1500
Россия
2015 г.
2030 г.
25,242
+10
+ 40
Количество атомных блоков по
странам
Страна
Количество атомных блоков
США
104
Франция
59
Япония
54
Англия
33
Россия
33
+10 (2015 г.)
Доля ядерной энергетики в производстве
электричества по странам
Атомные станции России
Структура ЯТЦ
Предприятие
Рудник
Гидрометаллургический
завод
Аффинажный завод
Газодиффузионный завод
Завод по изготовлению
ТВЭЛов
АЭС, мощность 1 ГВт(эл)
Радиохимический завод
Деятельность
Добыча урановой руды
Механическая обработка руды дробление,
измельчение. Выщелачивание, экстракция из
растворов
Очистки уранового сырья, прокаливание,
получение очищенной U3O8
Получение гексафторида урана UF6,
центрифугирование, получение обогащенной UO2
Прессование, спекание, упаковка топлива в
оболочку. Герметизация ТВЭЛа изготовление ТВС
Загрузка ТВС в активную зону, извлечение
отработавших ТВС и их установка в хранилище
Механическое разделение ТВС, растворение
оболочек и топлива, экстракция урана и плутония
из растворов, переработка отходов
Газовое центрифугирование
Необходимо от 3000 до 7000
центрифуг для создания оружия,
эквивалентного сброшенному на
Хиросиму
Диоксид урана (UO2) – топливные
таблетки
Этапы получения ядерной энергии
1. Добыча урана (тория) и изготовление свежего ядерного топлива извлечение природных радионуклидов из-под природных барьеров:
основной риск связан с радоном и радием
2. Облучение ядерного топлива в ядерном реакторе, в процессе которого
происходит генерация трех новых видов радионуклидов: искусственные
актиниды, продукты деления, продукты активации.
3. Охлаждение облученного топлива и его переработка. Большая часть
активности обусловлена ядрами с периодом полураспада от I до 30 лет
4. Охлаждение продуктов деления, продуктов активации и актинидов,
которые не удалось вернуть в топливный цикл, перед окончательным
захоронением. Большая часть активности обусловлена ядрами с
периодом полураспада от 30 до 1000 лет
5. Окончательное захоронение продуктов деления, активации и актинидов
или ОЯТ. Большая часть активности этих продуктов обусловлена ядрами с
периодом полураспада больше 1000 лет.
Схема производства урана
ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И
ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ
Экологические проблемы, накопленные в начальный период
создания ядерного оружия, вынужденная отработка на ходу
необходимых технологий, недостаточность внимания и знаний в
вопросах радиационной безопасности и радиоэкологии
Экологические последствия аварий и инцидентов для населения и
персонала, а также окружающей среды за весь период функционирования
ядерного комплекса СССР/России
Экологические риски современных ядерных технологий в нормальном
режиме эксплуатации в сравнении с другими техногенными
экологическими рисками
Оценка потенциальной экологической безопасности ядерных технологий в
будущем с учетом перспектив широкомасштабного развития атомной
энергетики. Место атомной энергетики в реализации стратегии
устойчивого развития
Источники радиоактивного загрязнения
при нормальной эксплуатации АЭС
Продукты деления
Продукты активации
Активация продуктов коррозии происходит тепловыми нейтронами по
реакции (n, ) и в отдельных случаях на железе, никеле, кобальте —
быстрыми нейтронами.
Миграция радионуклидов на АЭС
Благородные газы (Ar, Xe, Kr), тритий, летучие (I, Cs) и
нелетучие (Sr, Rb) вещества
Радиоактивные отходы АЭС
Газообразные отходы Жидкие радиоактивные отходы
Твердые отходы
Проблема трития
После прекращение испытаний ядерного оружия
основным источником трития - ОИАЭ
ВВЭР-1000 выделяет 1000 Ки/год. Фильтров не
существует
Завод по переработке ОЯТ выделяет до 1 млн Ки/год
Всего в мире от всех мирных реакторов выделяется
400 тыс. Ки/год
В России УВ для неорганических соединений трития
7700 Бк/л, для орган связан трития (ОСТ) - 3300 Бк/л
Для сравнения в США - 740 Бк/л, в ЕС – 100 Бк/л
В России питьевая вода – 3700 пКи/л, в США – 400 пКи/л
ОСТ, содержащий пурины, за 50 лет подвергают
дегенерации 2% генома
Барьеры безопасности АЭС
Продукты активации
Ar 40(n,γ)Ar 41
в воздухе,
в охлаждающей воде
Замедлитель, теплоноситель
Вода первого контура
D(n,γ)T
14
N ( n, p )14C
17
O (n,  )14C
6
13
C (n,  )14C
10
Li(n,α)T
B(n,2α)T
Экологические преимущества ядерной
энергетики
ТЭС
3,5 млн.т угля,
7000 т угля/сутки
АЭС
1,5 т обогащенного U
(1000 т урановой руды),
80 кг урана/сутки
6 млн т CO2 в атмосферу
Не выделяют
50 тыс.т SO2,
30 тыс.т NOx
100 тыс.т золы
400 тыс.т шлака
400 т тяжелых металлов в
золе
Не образуются
2 т РАО (~50 м3),
из них несколько м3
очень радиоактивны
Ежегодный выброс токсических веществ
на ТЭС в тоннах
As
90
B
300
Hg
20
V
70
Использование энергии на ТЭС и АЭС
для мощности 1 ГВт (эл)
Показатель
АЭС
ТЭС
КПД
33%
40%
Сброс тепла в
водоём –
охладитель
2 ГВт (67%)
1,25 ГВт(45%)
Сброс тепла в
0%
трубу
Эквивалентная ВВЭР: 2,5 10-8 Зв/год
доза
РБМК: 1,210-6 Зв/год
0,25 ГВт(15%)
5,3 10-8 Зв/год
Зауральские радиоактивные аварии
Событие
Время
Сброс в
1949–
р. Теча
1956
ВУРС
1957
(Кыштым)
Выброс из 1967
оз Карачай
Радионуклидный состав, %
90Sr
95Zr
106Ru
137Cs
144Ce
11,6
13,6
29,9
12,2
—
Полная
активность,
ПБк
100
5,4
24,9
3,7
0,036
66
74
34
—
—
48
18
0,022
INES
The international nuclear and radiological event scale
Примеры ядерных событий
Распределение полной дозы в результате
Чернобыльской аварии
52%
Европейские страны
37%
Территория бСССР
10%
Азия
1%
Африка
0,3%
Северная и Южная Америка
Полная ожидаемая эффективная доза
более 1 млн. чел.-Зв
Обращение с РАО
Предыдущие расчеты
Проект
(в долларах США)
Комплекс
17,5 млрд (30-летний
Юкка Маунтин расчет затрат на 1990 г. в
переводе на доллары
2000 г.)
Последние расчеты
(в долларах США)
58 млрд (затраты на 100 лет,
расчет в 2000 г.).
Подрядчики сказали, что
суммы затрат были
занижены на 3 млрд долл.,
т.к. хранилище для отходов
не открылось и в 2010 г.,
как было намечено
Хранилище камерного типа
Процесс разрушения инженерных
барьеров
Реалистичный подход
(детализация процесса разрушения инженерных барьеров)
Агрессивность воды
(cульфаты,
хлориды)
Геохимическая
обстановка
Периодическое
замораживание и
оттаивание
Физическое
напряжение
Выщелачивание
цемента
Коррозия
контейнеро
в
(точечная,
общая)
НТС НТЦ, 19 мая 2005 г.
44
Инженерные барьеры
Коррозия контейнеров
УСТАНОВКА ПРЕССОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАО
Швеция определилась с выбором места, где в будущем начнется
строительство колоссального подземного хранилища ядерных отходов
Транспортно-упаковочного комплекта ТУК-84: 86,5 т (9 т - пенал);
длина 15 м; диаметр 1,4 м; срок службы 50 лет;
МЭД=0,3 на поверхности и 0,05 Зв/ч на расстоянии 2 м;
Принципы и задачи правового
регулирования в области использования
атомной энергии
Обеспечение безопасности при использовании АЭ,
защита населения и окружающей среды
доступность информации, связанной с использованием АЭ
участие граждан и организаций в обсуждении гос. политики в
области использования АЭ
возмещение ущерба, причиненного радиационным
воздействием
предоставление работникам объектов АЭ компенсаций за
дополнительные факторы риска
обеспечение социальной защиты граждан, проживающих
рядом с объектами АЭ
50
Объекты применения Закона
ядерные установки
пункты хранения ядерных материалов и
радиоактивных веществ
ядерные материалы, содержащие
делящиеся ядерные вещества
ТВЭЛы
ОЯТ
радиоактивные вещества , испускающие
ионизирующее излучение
РАО
51
От атомной энергетики на сегодняшнем
этапе требуется:
продолжать работу по укреплению надёжности и безопасности АЭС
заручиться поддержкой общественного мнения
сохранять и развивать необходимые компетенции у специалистов отрасли
искать пути эффективного обращения с ОЯТ и РАО
продемонстрировать на практике возможность окончательного
захоронения высокоактивных отходов
совершенствовать способы и процедуры транспортировки топлива
поддерживать доверие к способности атомной энергетики противостоять
угрозам распространения
создать необходимую инфраструктуру в странах, только начинающих
развивать атомную энергетику;
разрабатывать проекты реакторов, подходящие для конкретных стран;
выйти в долгосрочной перспективе на эффективное использование
ресурсов.
Плавучая АЭС "Академик Ломоносов”
ПАТЭС комплектуется двумя реакторами по 35 МВт.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Эволюция как сопротивление энтропии