Слайд 1 - Международный энергетический форум
advertisement
НИЦ “Курчатовский Институт” Будущее развитие ядерной энергетики и роль термоядерного источника нейтронов Экологически приемлемая ядерная энергетика Е.П. Велихов 1 Распределение первичной энергии в мире, ВВП, % 16 июль 2008 14 Область неустойчивой экономики 12 10 8 6 май 2009 4 2 0 1975 1980 1985 исторически (средн. за год) 1990 1995 исторически (средн. за месяц) 2000 2005 2010 прогноз (средн. за месяц) 2 Комментарии • Большая пропорция стоимости источников энергии в ВВП ограничивает экономическое развитие, приводит к стагнации или спаду в экономике. Значит, пропорциональный рост энергетики в будущем должен происходить только за счёт таких источников энергии, которые не очень дороги, способны покрыть дефицит и обеспечить нормальные условия функционирования экономики. • Сегодня вопрос развития ядерной энергетики в разных странах видится как долгосрочное стратегическое направление развития энергетики. • Полагаясь только на отработанные ядерные технологии, которые основываются на реакторах с водой под давлением и незамкнутом топливном цикле, мало оснований рассматривать это как основной стабилизирующий фактор. 3 Доступность источников энергии в зависимости от стоимости их добычи Газ Уран 238 Уголь Топливные ресурсы Нефть Суммарное потребление первичной энергии в XXI веке («средние сценарии») Уран 235 Стоимость добычи, относительные единицы 4 Проблемы современной ЯЭ Современная ЯЭ не может рассматриваться как основа устойчивого развития по следующим причинам: •Неэффективное использование топлива (эффективность ниже, чем в случае нефти и газа); •Деградация нейтронного потенциала (потребление урана 235, нет воспроизводства ядерного топлива); •Накопление отходов пропорционально выработке энергии (придёт момент, когда тарифы на электричество будут недостаточны для управления ОЯТ и РАО); •Ограничение масштабов и регионов использования; •Увеличение угрозы неконтролируемого использования ядерных материалов. 5 Незамкнутый топливный цикл 2030г. – 600 ГВт(эл) 2050г. - 1500 ГВТ(эл) Uranium demand and annual extraction potential . Потребности в уране и прогнозы годовой добычи 700000 т/год уран, Природный Natural uran, t/year 600000 500000 400000 300000 200000 100000 0 2000 2010 RAR:3.2 mil.t SR:7.5 mil.t 2020 2030 2040 2050 EAR-1:1.4 mil.t 2060 Общая extraction:15mil.t добыча: 15 млн. т Total 2070 2080 2090 EAR-II:2.2 mil.t 2100 Спрос на незамкнутый Open fuel cycle demand топливный цикл 6 Прогнозы годовой добычи урана до 2035 года и прогнозы его мировой потребности для реакторов тU/год Высокая Разрыв между производством (черные столбики) и потребностью в реакторах (пунктирная линия), заполненный вторичными поставщиками Потребность в реакторах Низкая Год Уран 2009: Ресурсы, Добыча, Потребности, OECD 2010, NEA №6891 Uranium 2009: Resources, Production and Demand, OECD 2010, NEA No 6891 7 млн.тнэ Mln of toe 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1950 Сравнение потенциалов производства энергии при использовании нефти и ЯЭ с незамкнутым Годовая добыча топливным циклом Мин. потребности в U Добыча нефти Добыча U 2000 2050 2100 Прогнозируемая добыча нефти Прогноз добычи нефти Прогнозируемая годовая добыча природного урана Прогноз годовой добычи природного урана Потребности в природном уране Потребность в природном уране 8 тU Ежегодная добыча урана и потребности в нём* (1945-2009) Год *Оценены значения 2009 г. Мировые потребности Мировая добыча Уран 2009: Ресурсы, Производство, Cпрос, ОЭСР 2010, NEA No 6891 9 Total primary supply, mil toe Общий объёмenergy энергоисточников, млн. тнэ 35000 30000 25000 Нефть 0.9 раза Газ 1.1 раза Уголь 4 раза 20000 Биомасса 3 раза 15000 Гидро 2 раза Возобн. 9 раз ЯЭ 3 раза 10000 5000 0 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 Oil Нефть Газ Gas Уголь Coal Гидро Hydro Биомасса и отходы Biomass and Waste Другие возобновляемые Other Renew able Ядерная Nuclear Неизвестныеn Unknow 10 Осуществление ренессанса в ядерной энергетике и надёжные реакторы Гибридный реактор (термоядерный реактор с расплавно солевым делящимся воспроизводящим бланкетом) MSHT Причины застоя современной ЯЭ определяются наличием серьёзных угроз и рисков – т.е. факторов, способных сделать рассматриваемую технологию неприемлемой, или/и существенно ограничить область её применения. Сейчас нет объективных причин для ренессанса ЯЭ, т.к всё ещё присутствуют основные факторы, влияющие на настороженное отношение к ядерной энергетике, несмотря на все “инновационные проекты”, предлагаемые международным сообществом в рамках GEN-IV и INPRO. Критерии для выбора направления долгосрочного развития, а также принципы выбора технологических решений для будущего всё ещё не ясны. Кажется, что несколько общих вопросов (“болевых точек”) приводят к наибольшим сомнениям в обществе, угрожая ренессансу в ядерной энергетике: 1. не устранённая угроза катастрофических аварий (с большими и опасными для общества неопределённостями их вероятностей); 2. риски распространения оружейных материалов; 3. неопределённые риски, относящиеся к долгосрочному хранению долгоживущих токсичных отходов; 4. угрозы потерь основных инвестиций в условиях ограниченного капитала, экономического кризиса и сильной инфляции; 5. эффект “прогрессирующего тупика” в сценарии развития ЯЭ, вызванного неясными ограниченными ресурсами ядерного топлива КОММЕНТАРИИ • Все эти вопросы вместе с соответствующими рисками/угрозами являются важными в соответствии с выше приведённым объяснением и определяющими (“решающими”) в отношении судьбы этой технологии. • Развитие инновационной ядерной технологии, способной привести к реальному ренессансу производства ядерной энергии, обязательно потребует ядерных реакторов и топливных циклов «без рискового» качества (с известными способами внедрения) в отношении всех существенных рисков. Существующие реакторы на тепловых нейтронах, а также обычные быстрые охлаждаемые натрием реакторы, использующие оксидное топливо (как БН и SuperPhenix), не обязательно определённо обладают этими свойствами. О ядерной энергетике нового качества Концепция новой экологически приемлемой ядерной энергетики, приводящая к её ускоренному возрождению, состоит в исключении существенных рисков и гарантированном недопущении основных рисков, применимых к современной ЯЭ. Это не устраняет всех проблем ядерных технологий, однако, категория этих проблем может быть снижена до “обычных” вопросов, не накладывающих серьёзных ограничений на устойчивое и долгосрочное применение ЯЭ в будущем. Тraditional and innovative strategies and Традиционные и инновационные стратегии и последствия применения consequences of их their applications ЯЭ NP Традиционная traditional Инновационная innovative Technical and manageable Технические и организационные reduction of all risksвсех средства по сокращению рисков (насколько возможно) (as much as possible) Целенаправленный выбор of technologies технологий для устранения towards elimination основных рисков of Основные (решающие) Vital risks риски Probabilities of: dangerous Вероятности: опасные events, NP ЯР события, неприятие non-acceptance Purposeful selection vital risks Обычные риски Оrdinary risks Acceptable energy Производство общественно production приемлемой энергии Ренессанс ЯЭ реален если будут устранены все болевые точки Способы гарантированного устранения решающих рисков 1. Возможно обеспечить гарантированное устранение угроз тяжёлых аварий, обеспечивая само-защищённость реактора от разрушения (в особенности активной зоны), что основывается, например, на: – – – Исключении аварий с неконтролируемыми переходными режимами (Реактивностные аварии) – это возможно за счёт организации эксплуатации в подкритическом режиме с внешним источником делящихся нейтронов Решении проблемы отвода остаточного тепла от остановленного реактора благодаря постоянной очистке циркулирующего расплавно солевого топлива от продуктов деления Ограничении накопленной не ядерной энергии к уровню, не допускающему повреждения зоны. В случае возникновения исходного события в системе не должно быть скрытой механической (давление) и химической (цирконий, натрий) энергии 2. Предотвращение угрозы воровства оружейных материалов (именно этот случай может рассматриваться как важный) может быть достигнуто только при использовании реакторов и технологий топливного цикла самозащищённых от любого несанкционированного перемещения ядерного топлива, например, посредством: полного отказа от обогащения подпиткой, а также в целом от технологии обогащения в ядерной промышленности; отказа от повторного обогащения (при переработке ОЯТ) делящимися изотопами. 3. Серьёзные риски от трансурановых отходов + хранение долгоживущих продуктов деления • • • • Похоже, что задача сохранения радиоактивного баланса при развитии ядерной энергетики может быть решена путём использования свободных от рисков топливных циклов, что включает в себя: загрузку реакторов необогащённым ураном; очистку ОЯТ от короткоживущих и долгоживущих продуктов деления; отказ от разделения остаточных актинидов и лантанидов, создание специального “рабочего пространства” в реакторах для их сжигания (с учётом медленного роста “экспоненциального типа” парка реакторов); Частичную трансмутацию высоко токсичных долгоживущих продуктов деления в MSHT. 4. Очень важны серьёзные риски потери инвестиций • Недавно эти риски значительно выросли и продолжают расти – в основном из-за мероприятий по повышению безопасности. Условия кредитования ухудшились из-за длительного времени строительства АЭС. • Эти факторы подрывают экономику и препятствуют инвестициям даже на уровне правительственных заказов. Значимость инвестиционных рисков снизится в случае снижения рисков (вдвое или более). Резкое снижение инвестиционных рисков наряду с ростом экономики станет возможным при существенном сокращении времени строительства АЭС благодаря изготовлению на заводах автономных модулей, упрощению мер по безопасности реакторов и удешевлению запасов ядерного топлива. 5. Серьёзный риск быстрого исчерпания топливных ресурсов Этот риск можно избежать обратившись к расплавно солевому гибридному токамаку, что становится доминирующей идеей в ядерной энергетике ближайшего будущего. Самоснабжение топливом и рост парка АЭС станет возможным только в случае положительного прироста воспроизводства. Теоретически такая ядерная энергетика могла бы начаться почти “с нулевого уровня”, когда появится первый реактор, свободный от рисков. О концепциях подкритичного ядерного реактора и топливного циклах, свободных от рисков Устранение всех серьёзных рисков – это сложная задача. Она реальна не для всех известных типов реакторов. Анализ показывает, что MSHT лучше всего подходит для этой цели,а эта задача может быть решена даже в рамках имеющихся технологий. Базируясь на инновационных идеях, MSHT делает акцент на: • радикальное улучшение нейтронного баланса; • использование модульных конфигураций бланкета; • продление времени эксплуатации топлива с учётом равновесного режима; • правильная реорганизация топливного цикла. ВОЗМОЖНОСТИ Маркетинга Ядерная энергетика, основанная на MSHT, позволит решать вопрос создания большого количества реакторов (включая переработку топлива) и “простого” производства энергии (без переработки топлива). Эти вопросы должны быть распределены между разными группами стран, которые будут обеспечивать ядерной энергией с обязательными элементами физической защиты в отношении распространения оружейного материала, а также вносить вклад в рыночную маневренность Рекомендуемая конфигурация MSHT Можно предложить следующие возможные варианты АЭС: • АЭС, состоящие из MSHT с небольшими модульными расплавно солевыми бланкетами с жёстким спектром нейтронов, они будут защищены от тяжёлых аварий; • Совмещённые со свободным от рисков топливным циклом и сжигающие остаточные трансурановые элементы – наиболее токсичные долгоживущие продукты деления в бланкетах реакторов, • АЭС с быстрым спектром расплава соли. Reactor DEMO-S Нейтронный и энергетический баланс На 1 нейтрон 14 mev. U-238 Th-232 Захват Деление Захват Деление 3.35 0.6467 1.73 0.14 Энергия на 1 н (14 mev.) 143 mev. Энергия на 1 н (14 mev.) 42 mev. Энергия на одно ядро производства делящегося изотопа 43 mev 25 mev Энергия для производства дополнительных ядер в быстром реакторе превышает 500 mev Потенциал производства ядерного топлива При условии равной мощности 1ГВт(эл) Производство в быстром реакторе ( BR=1.6) 280 кг/ГВт(эл)/год ТИН 2900 кг/ГВт(эл)/год Доля ТИН в структуре ядерной энергетики должна быть мала. Ядерная энергетика с термоядерными нейтронами ТИН начиная с 2050 Доля ТИН в системе к 2100 < 7 % С 2050г. ВТГР в ториевом цикле С 2030г. FBR-С с КВ=1 – утилизация плутония Потребление природного урана до 2100г. Ежегодное потребление природного урана в 2100г. - 10 млн. т 30 000 т/год Условия для установки LSB ТИН Модель ТИН Конструкция ТИН ТИНа стенка Первая Первая стенка ТИН (экваториальное сечение) Катушки Катушкитороидального ПП магнитного поля LST Composition Technology PROBLEM: electron levels of impurity components are within the prohibited zone of the salt electrolyte. Therefore fine adjustment of the Fermi level and LST composition is required for managing of the extraction and solution of impurities. F F А) – impurities are not extracted at all В) – level of the salt redox-potential, when all metallic impurities (except for uranium) are extracted EXAMPLE: Reduction potentials of An(III)/An(0) and Ln(III)/Ln(0) in LiCl–KCl eutectic with liquid bismuth at 723 K under the conditions: xM(salt) = xM(Cd) = xM(Bi) = 0.001; dotted line indicates Fermi levels F (corresponding to the salt redox-potential) ЗАКЛЮЧЕНИЕ • Ренессанс FP станет возможным, если все (ПЯТЬ) решающих рисков будут преодолены • Устранение рисков возможно на базе MSHT –расплавно солевом (MS) гибриде (Н) токамака (Т) и инновационного топливного цикла /конструкция – модульная, самозащищённая от опасных событий, загруженном Th/природным U, плотный подкритичный бланкет с улучшенным нейтронным балансом и возможностью сжигания остаточных актинидов и долгоживущих продуктов деления Конструкция MSHT, свободная от основных рисков, может быть быстро реализована, в основном, путём использования уже известных технологических решений (как это уже делалось в нетрадиционных проектах ИТЭР и РСР (MSBR). Установка ИТЭР может стать технологической платформой для такого гибридного реактора. Существующий научный и технический уровень достаточен для этого. Спасибо за внимание! 34
