ЛЕКЦИЯ 5 (курс ЯЭТ)

ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Физико-технический институт
Руководитель отделения ядерных технологий
Шаманин Игорь Владимирович
Основные ядерные технологии
Ядерные технологии – это технологии,
базирующиеся на протекании ядерных реакций,
а также технологии, направленные на изменение
свойств и переработку материалов, содержащих
радиоактивные элементы, либо элементы,
на которых протекают ядерные реакции
Ядерные энергетические технологии:
-Технологии ядерных реакторов на тепловых
нейтронах
-Технологии ядерных реакторов на быстрых
нейтронах
-Технологии высоко- и сверхвысокотемпературных
ядерных реакторов
•
Ядерные химические технологии:
- Технологии ядерных сырьевых материалов
и ядерного топлива
-Технологии материалов ядерной техники
Ядерные технологии изотопного обогащения
и получения моноизотопных и особочистых
веществ:
- Газодиффузионные технологии
- Центрифужные технологии
- Лазерные технологии
Ядерные медицинские технологии
Положения, незыблемые для составления
прогнозов в области сценариев будущего:
• рост населения и глобального энергопотребления в мире,
острая нехватка энергии, которая будет только увеличиваться по
мере истощения природных ресурсов и опережающего роста
потребностей в ней;
• ужесточающаяся конкуренция за ограниченные и
неравномерно размещенные ресурсы органического топлива;
• обострение комплекса экологических проблем и нарастающие
экологические ограничения;
• нарастающая зависимость от нестабильной ситуации в районах
стран-экспортеров нефти и прогрессирующий рост цен на
углеводороды;
Положения, незыблемые для составления
прогнозов в области сценариев будущего:
• нарастающее различие в уровне энергопотребления
богатейших и беднейших стран, разница в уровнях
энергопотребления различных стран, создающая потенциал
социальной конфликтности;
• жесткая конкуренция между поставщиками технологий для АЭС;
• необходимость расширения сфер применения ядерных
технологий и широкомасштабного энерготехнологического
использования ядерных реакторов для производственных сфер
деятельности;
• необходимость проведения структурных преобразований и
реформ в жестких условиях рыночной экономики и др.
Доли стран в мировой эмиссии СО2
•
•
•
•
•
•
США - 24,6%
Китай - 13%
Россия - 6,4%
Япония - 5%
Индия - 4%
Германия - 3,8%.
АЭС с электрической мощностью в 1 ГВт экономит
7 миллионов тонн выбросов СО2 в год по сравнению с ТЭЦ на
угле,
3,2 миллиона тонн выбросов СО2 по сравнению с ТЭЦ на газе.
Схематическое устройство гетерогенного ядерного
реактора
на тепловых нейтронах
1 — управляющий
стержень;
2 — биологическая
защита;
3 — корпус;
4 — замедлитель;
5 — ядерное
топливо;
6 — теплоноситель.
Стержневой тепловыделяющий
элемент (ТВЭл)
1 — заглушка;
2 — таблетки диоксида урана;
3 — оболочка из циркониевого сплава;
4 — пружина;
5 — втулка;
6 — наконечник.
Тепловыделяющая
сборка
1 — дистанцирующая
арматура;
2 — оболочка ТВЭЛа;
3 — таблетки диоксида
урана.
Ядерный топливный цикл
Ядерная эволюция
В мире работают около 440 коммерческих ядерных реакторов.
Большинство из них находится в Европе и США, Японии, России, Южной
Корее, Канаде, Индии, Украине и Китае. По оценке МАГАТЭ, по крайней
мере, еще 60 реакторов будут введены в строй в течение 15 лет.
Несмотря на многообразие типов и размеров, существует всего четыре
основных категории реакторов:
Поколение 1 – реакторы этого поколения разработаны в 1950-е и
1960-е годы, и представляют собой видоизмененные и укрупненные
ядерные реакторы военного назначения, предназначенные для
движения подводных лодок или для производства плутония.
Поколение 2 – к этой классификации относится подавляющее
большинство реакторов, находящихся в промышленной эксплуатации.
Поколение 3 – в настоящее время реакторы данной категории
вводятся в эксплуатацию в некоторых странах, преимущественно в
Японии.
Поколение 4 – сюда относятся реакторы, которые находятся на
стадии разработки и которые планируется внедрить через 20-30 лет.
Ядерная эволюция
Поколение 3
Реакторы Поколения 3 называют «усовершенствованными реакторами». Три
таких реактора уже функционируют в Японии, большее количество находится в стадии
разработки или строительства. В стадии разработки находится около двадцати различных
типов реакторов этого поколения. Большинство из них являются «эволюционными»
моделями, разработанными на базе реакторов второго поколения, с внесенными
изменениями, сделанными на основе новаторских подходов.
По данным Всемирной ядерной ассоциации, поколение 3 характеризуется следующими
пунктами:
• Стандартизированный проект каждого типа реактора позволяет ускорить процедуру
лицензирования, снизить затраты основных средств и продолжительность
строительных работ.
• Упрощенная и более прочная конструкция, делающая их более простыми в
обращении и менее восприимчивыми к сбоям в процессе эксплуатации.
• Высокий коэффициент готовности и более длительный период эксплуатации –
примерно шестьдесят лет.
• Снижение возможности возникновения аварий с расплавлением активной зоны
• Минимальное воздействие на окружающую среду.
• Глубокое выгорание топлива для снижения его расхода и количества отходов
производства.
Ядерные реакторы третьего поколения
• Европейский реактор с водой под давлением (EPR)
EPR – это модель, разработанная на основе французского N4 и немецкого
KONVOI - разработок второго поколения, запущенных в эксплуатацию во
Франции и Германии.
• Модульный реактор с шаровой засыпкой (PBMR)
PBMR является высокотемпературным газоохлаждаемым реактором
(HTGR).
• Реактор с водой под давлением
Существуют следующие типы дизайнов больших ректоров:
APWR (разработчики - компании Mitsubishi и Westinghouse),
APWR+ (японская компания Mitsubishi),
EPR (французская компания Framatome ANP),
AP-1000 (американская компания Westinghouse),
KSNP+ и APR-1400 (корейские компании) и CNP-1000 (Китайская
национальная ядерная корпорация).
В России компаниями Атомэнергопроект и Гидропресс разработан
усовершенствованный ВВЭР-1200.
Концепции реакторов, выбранные для
Поколения 4
• GFR - Реактор на быстрых нейтронах с газовым охлаждением
• LFR—Реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый свинцом
• MSR - Реактор на расплавленных солях :
Урановое топливо расплавляется в соли фторида натрия,
циркулирующей по графитовым каналам активной зоны. Тепло,
вырабатывающееся в расплавленной соли, отводится во второй
контур
• Реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением
• VHTR – Сверхвысокотемпературный реактор:
Мощность реактора 600 Мвт, активная зона охлаждается
гелием, графитовый замедлитель. Рассматривается в качестве
самой многообещающей и перспективной системы, направленной
на выработку водорода. Производство электроэнергии на VHTR
должно стать высокоэффективным.
Научные исследования – основа
деятельности и развития атомной отрасли
Вся практическая деятельность атомной энергетики
опирается на результаты фундаментальных и
прикладных исследований свойств материи
Фундаментальные исследования: фундаментальные
свойства и структура материи, новые источники энергии на
уровне фундаментальных взаимодействий
• Исследования и управление свойствами материалов –
Радиационное
материаловедение,
создание
конструкционных коррозионно-стойких, жаропрочных,
радиационно-стойких сталей, сплавов и композиционных
материалов
Научные исследования – основа
деятельности и развития атомной отрасли
• Конструирование, проектирование, технологии.
Создание приборов, оборудования, средств
автоматизации, диагностики, контроля (общее,
среднее и точное машиностроение, приборостроение)
• Моделирование процессов.
Развитие математических моделей, расчетных методов
и алгоритмов. Разработка методов параллельных
вычислений для проведения нейтронно-физических,
термодинамических, механических, химических и
других расчетных исследований с применением
суперкомпьютеров
АЭ в среднесрочной перспективе
• В мире к 2030 году ожидается удвоение
мощностей АЭ
• Ожидаемый рост мощностей АЭ может быть
обеспечен на основе дальнейшего развития
технологий реакторов на тепловых нейтронах
и разомкнутого ЯТЦ
• Основные проблемы современной АЭ
связаны с накоплением ОЯТ (это не РАО!)
и риском распространения в мире
чувствительных технологий ЯТЦ и ядерных
материалов
Задачи по созданию технологической базы
крупномасштабной АЭ
• Освоение и внедрение в АЭ реакторовразмножителей на быстрых нейтронах
• Полное замыкание ядерного топливного цикла в АЭ
по всем делящимся материалам
• Организация сети международных ядерных
топливно-энергетических центров по
предоставлению комплекса услуг в области ЯТЦ
• Освоение и внедрение в АЭ реакторов для
промышленного теплоснабжения, производства
водорода, опреснения воды и др.целей
• Реализация оптимальной схемы рецикла в АЭ
высокорадиотоксичных младших актинидов
Реакторная установка МГРТ
энергоисточник для комбинированного производства
водорода, электроэнергии и высокопотенциального
тепла
Компоновка реакторного модуля МГРТ
для варианта с паровой конверсией
метана
Реактор МГРТ
Блок преобразования энергии
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА
При окислении метана на никелевом катализаторе
возможны следующие основные реакции:
СН4 + Н2О
СО + ЗН2 – 206 кДж
СН4 + СО2
2СО + 2Н2 – 248 кДж
CH4 + 0,5О2
CO + 2H2 + 38 кДж
СО + Н2О
СО2 + Н2 + 41 кДж
Высокотемпературную конверсию осуществляют в
отсутствие катализаторов при температурах 1350—1450 °С и
давлениях до 30—35 кгс/см2, или 3—3,5 Мн/м2; при этом
происходит почти полное окисление метана и др.
углеводородов кислородом до CO и H2.
CO и H2 легко разделяются.
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА
Восстановление железа из руды:
3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2
Водород способен восстанавливать многие металлы из их
оксидов (такие, как железо (Fe), никель (Ni), свинец (Pb),
вольфрам (W), медь (Cu) и др.).
Так, при нагревании до температуры 400-450°C и выше
происходит восстановление железа (Fe) водородом из его
любого оксида, например:
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
ЧЕТЫРЕХМОДУЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ АЭС НА БАЗЕ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
Заключение
• Несмотря на все свои проблемы, Россия остается великой
«ядерной» державой, как с точки зрения военной мощи,
так и в рамках потенциала экономического развития
(ядерные технологии в экономике России).
• “Ядерный щит”– гарант независимой экономической
политики России и стабильности во всем мире.
• Выбор ядерной индустрии в качестве локомотива
экономики позволит сначала “подтянуть” на достойный
уровень машиностроение, приборостроение, автоматику
и электронику и др., в ходе чего произойдет
закономерный переход количества в качество.