Атомные электростанции

В настоящее время активно  ведется работа по развитию использования  возобновляемых источников энергии. Министерством  энергетики и минеральных ресурсов Казахстана и Программой развития ООН  «Казахстан- инициатива развития рынка  ветроэнергии» был разработан проект Национальной Программы развития ветроэнергетики до 2015г с перспективой до 2024 г. Национальная Программа развития ветроэнергетики направлена на вовлечение в энергетический баланс страны значительных ветроэнергетических ресурсов и, таким образом, поддержке планов по снижению энергоемкости экономики и увеличению доли альтернативных источников энергии в общем энергетическом балансе страны до 5% к 2024 г. и стабилизации выбросов парниковых газов на уровне 1990 гг.

Целью Программы является – использование ветроэнергетического потенциала Казахстана для производства электроэнергии в обьеме 900 млн. кВч в год к 2015г и 5 млрд. кВтч. к 2024г в свете задач, поставленных в Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы и Стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2003-2015 годы по сохранению природных ресурсов и окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Атомная энергетика

 

2.1. Особенности атомной энергетики

 

    Энергия - это  основа основ. Все  блага   цивилизации,  все  материальные

сферы деятельности человека - от стирки белья до исследования Луны  и  Марса - требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше.

     На сегодняшний   день  энергия  атома  широко  используется  во  многих

отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и  надводные  корабли  с ядерными   энергетическими   установками.   С    помощью    мирного    атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое  применение  в  биологии, сельском  хозяйстве,  медицине,  в  освоении  космоса  нашли   радиоактивные изотопы.

    Значение атомных  электростанций в  энергобалансе   любой  страны  трудно переоценить. Гидроэнергетика  требует  создания  крупных  водохранилищ,  под которые  затапливаются  большие  площади  плодородных  земель.  Вода  в  них застаивается  и  теряет  свое  качество,  что,  в  свою  очередь,  обостряет проблемы водоснабжения, рыбного хозяйства и индустрии досуга.

    Теплоэнергетические   станции   в   наибольшей   степени   способствуют

разрушению биосферы и  природной среды Земли. Они уже  израсходовали   десятки тонн органического топлива (угля). Для его добычи  в  сельском  хозяйстве  и других сферах экономики  изымаются  огромные  земельные  площади.  В  местах открытой добычи угля образуются «лунные ландшафты», а повышенное  содержание золы  в  топливе  является  основной  причиной  выброса  в  воздух  десятков миллионов  тонн  SO2.   Тепловые  энергетические  установки  во  всем   мире выбрасывают в атмосферу за год до 250 млн тонн золы  и  около  60  млн  тонн сернистого ангидрида.

    Атомные электростанции (АЭС) – это третий «кит»  в  системе  современной мировой энергетики.  Техническая  обеспеченность  АЭС,  бесспорно,  являются крупнейшим достижением научно-технического  прогресса  (НТП).  В  случае  их безаварийной  работы  не  производится  практически   никакого   загрязнения окружающей среды,  кроме  теплового.  Правда  в  результате  работы  АЭС  (и предприятий атомного  топливного  цикла)  образуются  радиоактивные  отходы, представляющие потенциальную опасность для всего  живого.  Обнадеживает  тот факт, что объем радиоактивных отходов довольно мал, они весьма компактны,  и их можно хранить в таких условиях, которые  гарантируют  отсутствие  утечки.

АЭС много экономичнее  обычных тепловых  электростанций,  а,  самое главное, тпри их правильной  эксплуатации – это чистые источники энергии.

    В 1990 году  атомными  электростанциями  мира  производилось  16%  всей электроэнергии. Такие электростанции pаботали в 31 стpане и стpоились еще  в 6  стpанах.  Ядерный сектор  энергетики  наиболее  значителен  во  Фpанции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгаpии и Швейцаpии,  т.е.  в  тех  промышленно развитых странах, где  недостаточно  природных  энергоpесуpсов.  Эти  страны производят  от  четверти  до  половины  своей электpоэнеpгии на  АЭС.  США производят  на  АЭС только  восьмую часть своей электpоэнеpгии,  но  это составляет около одной пятой ее мирового производства.

    Вместе с тем,  развивая ядерную энергетику  в интересах экономики, нельзя

забывать и о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести  к катастрофическим последствиям. Всего с момента  начала  эксплуатации  атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий  различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957  г.  –  в  Уиндскейле (Англия), в 1959 г. – в Санта-Сюзанне (США),  в 1961 г. –   в   Айдахо-Фолсе (США),  в 1979  г.  – на  АЭС Три-Майл-Айленд  (США),  в 1986  г.  – на Чернобыльской АЭС ( бывший СССР, сейчас Украина) [5; стр. 15].

    Атомная  энергетика  по-прежнему  остается  предметом острых   дебатов.

Сторонники и противники атомной энергетики резко  расходятся  в  оценках  ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме  того,  широко pаспpостpанено мнение  о возможной утечке  ядерного  топлива   из   сферы выработки электpоэнеpгии и его использовании для создания ядерного оружия.

 

2.2. Ресурсы атомной энергетики

 

    Естественным  и немаловажным представляется  вопрос  о  ресурсах  самого ядерного  топлива.  Достаточны  ли  его  запасы,  чтобы  обеспечить  широкое развитие ядерной энергетики? По оценочным данным,  на  всем  земном  шаре  в месторождениях, пригодных для разработки, имеется несколько  миллионов  тонн урана. Это довольно много, но необходимо также учитывать, что в получивших  в настоящее  время  широкое  распространение  АЭС  с  реакторами  на  тепловых нейтронах лишь очень небольшая  часть  урана  (около  1%)  используется  для выработки  энергии.  Поэтому  при  специализации  только  на   реакторах   с тепловыми нейтронами, ядерная энергетика по соотношению ресурсов не  так  уж много  может  добавить  к  обычной  энергетике  -  всего  лишь  около   10%. Глобального  решения  надвигающейся  проблемы  энергетического   голода   не получается.

    Совсем иные  перспективы появляются в случае  применения АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, в которых  используются  практически  весь  добываемый уран. Это означает, что объем потенциальных ресурсов  ядерной  энергетики  с реакторами  на  быстрых  нейтронах  примерно  в  10   раз   больше чем   в традиционной   (на   органическом   топливе).   Более   того,   при   полном использовании урана становится рентабельной его добыча  в  месторождениях  с малой его  концентрацией.  А  это,  в конечном  счете,  означает  практически неограниченное (по современным масштабам) расширение потенциальных  сырьевых ресурсов ядерной энергетики.

    Итак, применение  реакторов на быстрых нейтронах   значительно  расширяет топливную базу ядерной энергетики.  Однако  может  возникнуть  вопрос:  если реакторы  на  быстрых  нейтронах  так  хороши,  и  существенно   превосходят реакторы на тепловых нейтронах  по  эффективности  использования  урана,  то почему последние вообще строятся? Почему бы с  самого  начала  не  развивать ядерную энергетику на основе реакторов на быстрых нейтронах?  Прежде  всего, следует сказать, что на первом  этапе  развития  ядерной  энергетики,  когда суммарная мощность АЭС была мала и ресурсов было достаточно,  вопрос  об  их воспроизводстве не стоял так остро. Поэтому основное преимущество  реакторов на быстрых нейтронах - большой коэффициент воспроизводства - еще не  являлся решающим.

     В то же  время вначале  реакторы  на  быстрых  нейтронах  оказались   не

готовыми к внедрению. Дело в том,  что  при  своей  кажущейся  относительной простоте (отсутствие замедлителя) они технически более сложны, чем  реакторы на тепловых нейтронах. Для их создания необходимо было решить ряд  серьезных проблем, что потребовало продолжительного времени. Эти  проблемы  связаны  в основном с особенностями использования  ядерного  топлива,  которые,  как  и способность  к   воспроизводству,   по-разному   проявляются   в   реакторах различного типа. Однако в отличие от последней эти  особенности  сказываются более благоприятно в реакторах на тепловых нейтронах.

    Первая из этих  особенностей заключается в том,  что ядерное  топливо  не

может быть израсходовано  в  реакторе  полностью,  как  расходуется  обычное химическое топливо. Последнее, как правило,  сжигается  в  топке  до  конца. Возможность  протекания  химической  реакции  практически  не   зависит   от количества вступающего  в  реакцию  вещества.  Цепной  ядерной  реакцией  не происходит,  если  количество  топлива  в  реакторе   меньше   определенного значения, называемого критической массой.

    Уран  (плутоний)  в  количестве,  составляющем  критическую  массу,  не

является топливом в собственном  смысле этого  слова.  Он  на  время  как  бы

превращается в некоторое  инертное  вещество  наподобие  железа  или  других конструкционных материалов, находящихся в реакторе. Выгорать может  лишь  та часть топлива, которая загружается в реактор сверх критической массы.  Таким образом, ядерное топливо в  количестве,  равном  критической  массе,  служит своеобразным катализатором  процесса,  обеспечивает  возможность  протекания реакции, не участвуя в ней.

    Естественно, что  топливо в количестве, составляющем  критическую  массу, физически неотделимо в реакторе от выгорающего топлива. В  тепловыделяющихся элементах, загружаемых в реактор, с самого начала  помещается  топливо,  как для создания критической массы, так и для  выгорания.  Значение  критической массы неодинаково для различных реакторов  и  в  общем  случае  относительно велико.

    Так, для серийного  отечественного энергетического  блока с реактором  на тепловых нейтронах ВВЭР-440 (водо-водяной энергетический  реактор  мощностью 440 МВт) критическая масса уран-235 составляет 700 кг. Это соответствует 2 млн тонн угля. Иными словами, применительно к электростанции на угле той  же мощности  это  означает  обязательное  наличие  при  ней   такого   довольно значительного количества неприкосновенного запаса угля. Ни  один  килограмм из этого запаса не расходуется и не  может  быть  израсходован,  однако  без него электростанция работать не может.

    Наличие такого  крупного  количества  "замороженного"  топлива,  хотя  и

сказывается отрицательно на экономических показателях,  но  в  силу  реально сложившегося  соотношения  затрат  для  реакторов  на   тепловых   нейтронах оказывается не слишком обременительным. В случае  же  реакторов  на  быстрых нейтронах с этим приходится считаться более серьезно.

    Реакторы на  быстрых нейтронах обладают существенно  большей  критической массой по  сравнению  с  реакторами  на  тепловых  нейтронах  (при  заданных размерах  реактора).  Это  объясняется  тем,  что   быстрые   нейтроны   при взаимодействии со средой оказываются  более  "инертными",  чем  тепловые.  В частности, вероятность вызвать  деление  атома  топлива  (на  единицы  длины пути) для них в сотни раз меньше, чем для тепловых. Для того, чтобы  быстрые нейтроны не вылетали без взаимодействия за пределы реактора и  не  терялись, их   "инертность"   необходимо   компенсировать    увеличением    количества закладываемого топлива с соответствующим возрастанием критической массы.

    Чтобы реакторы  на быстрых нейтронах  не  проигрывали   по  сравнению   с реакторами на тепловых нейтронах, необходимо повышать мощность,  развиваемую при заданных размерах реактора. В таком  случае  количество  "замороженного" топлива на единицу мощности будет уменьшаться. Достижение высокой  плотности тепловыделения в реакторе на быстрых нейтронах  и  явилось  главной  задачей новых электростанций.

    Следует заметить, что сама по себе мощность  непосредственно не  связана

с  количеством  топлива,  находящегося  в  реакторе.  Если  это   количество

превышает критическую массу, то  в  нем  за счет  созданной  нестационарности цепной реакции можно развить любую требуемую мощность. Вопрос заключается  в том, чтобы обеспечить достаточно интенсивный теплоотвод  из  реактора.  Речь идет именно о повышении плотности тепловыделения, ибо увеличение,  например, размеров реактора, способствующее увеличению теплоотвода,  неизбежно  влечет за собой и увеличение критической массы, т.е. не решает задачи.

     Положение  осложняется еще и тем, что  для теплоотвода  из  реактора  на быстрых нейтронах такой привычный  и  хорошо  освоенный  теплоноситель,  как обычная вода, не подходит в силу своих ядерных свойств. Она,  как  известно, замедляет нейтроны и, следовательно, понижает  коэффициент  воспроизводства. Газовые теплоносители (гелий и другие) обладают в данном случае  приемлемыми ядерными параметрами. Однако требования интенсивного теплоотвода приводят  к необходимости использовать газ при высоких давлениях (примерно 1,5(107  Па), что вызывает соответствующие технические трудности).

    В качестве  теплоносителя  для  теплоотвода   из  реакторов  на  быстрых

нейтронах был  выбран  обладающий  прекрасными  теплофизическими  и  ядерно-физическими   свойствами   расплавленный   натрий.   Он   позволил    решить поставленную задачу достижения высокой плотности тепловыделения.

    Следует указать,  что в свое время выбор "экзотического"  натрия  казался

очень смелым решением. Не  было  никакого  не  только  промышленного,  но  и лабораторного опыта его использования  в  качестве  теплоносителя.  Вызывала серьезные опасения высокая химическая активность натрия  при  взаимодействии с водой, а также с кислородом воздуха, которая,  как  представлялось,  могла весьма неблагоприятно проявиться в аварийных ситуациях.

    Потребовалось   проведение   большого   комплекса    научно-технических

исследований   и    разработок,    сооружение    стендов    и    специальных