Известно, что в наибольшей мереосвоенными и широко используемыми источниками энергии на Земле сегодня являются:
полезные ископаемые органического происхождения,
возобновляемые источники энергии также органического происхождения (древесное топливо и т. п.), а также
источники гидравлической энергии (пригодные для этой цели реки и другие водоемы),
в совокупности удовлетворяющие современные потребности человечества в энергии приблизительно на 80%. При этом:
запасы полезных ископаемых довольно ограничены и распределены на Земле весьма не равномерно с геополитической точки зрения;
возобновляемые источники энергии (древесное топливо и т. п.) недостаточно калорийны и их широкое использование для удовлетворения существующих сегодня потребностей грозит очевидной экологической катастрофой;
возможности использования энергии водоемов также весьма ограничены и сопряжены с негативным влиянием на экологию,
поэтому, в наибольшей мереавторитетных ученые отечественной и зарубежной науки полагают, что перспективным направлением для развития энергосистем в ближайшем обозримом будущем все еще будет оставаться ядерная энергетика, несмотря на возможные опасности связанные с использованием радиоактивных материалов, как основного топлива ядерных энергетических установок. Перспективность ядерной энергетики, несмотря на последствия чернобыльской трагедии, становится с каждым годом все более очевидной благодаря результатам исследований, провидимым в ведущих ядерных странах. Результаты этих исследований убедительно свидетельствуют, что создание достаточно надежных энергетических установок на ядерном топливе сегодня вполне реально. Так основным содержанием развития ядерной энергетики в России и ряда других зарубежных стран в последние годы была дальнейшая разработка качественно новых подходов в обеспечении безопасности атомных станций и создание на базе этих подходов ядерной установки для теплоснабжения крупных населенных пунктов, таких как города с численность населения от 500 тыс. человек населения и выше. Создание двух таких станций в середине 80-х годов уже было близко к завершению под Нижним Новгородом и Воронежем, но волна антиядерных настроений после чернобыльской аварии 1986 года остановила их строительство. Использованные в этих проектах свойства самозащищенности реакторов и пассивные системы и средства безопасности составляют на сегодняшний день основу безопасности новых поколений станций нового столетия во всем мире. Детальное изучение этого проекта экспертами из 13 стран в 1988 году подтвердило высокую безопасность установки, представляющих из себя атомные станции промышленного теплоснабжения (АСТП).
Выпускной квалификационной работы «Разработка проекта узла коммерческого ...
... температуры и давления, а также общие технические требования к узлам коммерческого учета тепловой энергии и теплоносителя [13]. Правила действуют на территории Российской Федерации и обязательны для исполнения органами государственного ...
Общая концепция АСТП была разработана в 1975-78 г.г., и первоначальный срок пуска блоков был ориентирован на 1985 г. Уже сегодня в России существует возможность реализации проекта АСТП при выводе из эксплуатации двух промышленных реакторов под Томском \По данным Макарова А.А., Волкова Е.А., 1999г.\.
Атомные электростанции
Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов преобразуется в электроэнергию. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.).
Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт в наибольшей меретяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения.
1.1. Типы атомных электростанций
Атомные станции могут быть конденсационными электростанциями (АКЭС) и теплоэлектроцентралями (АТЭЦ).
Они составляют основу подавляющего большинства ныне действующих АЭС в странах бывшего СССР. Атомная энергия может использоваться также и только для целей теплоснабжения: атомные станции промышленного теплоснабжения (АСТП).
Такие станции уже имеются в ряде стран дальнего зарубежья. Разработка АСТП в период существования СССР явилось весьма специфическим этапом в развитии ядерной энергетики, поскольку был осуществлен принципиально новый подход в обеспечении безопасности АЭС.
Топливом для АЭС является ядерное топливо, содержащееся в твэлах, представляющих из себя тепловыделяющие сборки (ТВС).
Для современных мощных реакторов загрузка составляет от 40 до 190 тонн. Особенность процесса в том, что масса выгружаемых после отработки определенного срока ТВС такая же, как и масса свежезагружаемых. Происходит лишь частичная замена ядерного горючего на продукты деления. Выгружаемое из реактора топливо имеет все еще значительную ценность. Поэтому для АЭС расход ядерного горючего не является характерной величиной, а степень использования внутриядерной энергии характеризуется глубиной выгорания \По данным Маргулова Т.Х., Порушко Л.А.,1982г.\.
Принципиально возможны многочисленные типы ядерных реакторов. При этом практически целесообразных конструкций не так много. В таблице 1 показаны целесообразные (+) и нецелесообразные (-) сочетания замедлителя и теплоносителя.
Таблица 1
|
Замедлитель |
Теплоноситель |
||||
|
Н 2 О |
Газ |
D 2 О |
Жидкий металл |
||
|
Н 2 О |
+ |
— |
— |
— |
|
|
Графит |
+ |
+ |
— |
— |
|
|
D 2 О |
+ |
+ |
+ |
— |
|
|
Отсутствует |
— |
+ |
— |
+ |
|
Все реакторы можно классифицировать \По данным Дементьева Б.А.,1984г.\
назначению:
энергетические (основное требование к экономичности термодинамического цикла);
исследовательские (пучки нейтронов с определенной энергией);
транспортные (компактность, маневренность);
промышленные (для наработки плутония, низкотемпературные, работают в форсированном режиме);
многоцелевые (например, для выработки электроэнергии и опреснения морской воды);
виду замедлителя
легководные (в наибольшей мерекомпактны);
графитовые (в расчете на единицу мощности имеют наибольшие размеры);
тяжеловодные (несколько меньших размеров по сравнению с графитовыми);
виду теплоносителя
легководные (в наибольшей мерераспространенные);
газоохлаждаемые (также широко распространены);
тежеловоджные (редко применяемые и только там, где замедлитель тоже тяжелая вода);
жидкометаллические (в реакторах на быстрых нейтронах);
энергетическому спектру нейтронов
на тепловых нейтронах (в наибольшей мереосвоенные, требуют наименьшей удельной загрузки ядерного топлива по делящемуся изотопу);
на быстрых нейтронах (так называемые «быстрые реакторы» предназначены также и для воспроизводства ядерного топлива);
на промежуточных нейтронах (только в специальных исследовательских установках);
структуре активной зоны
гетерогенные (все работающие сегодня реакторы);
гомогенные (пока находятся в стадии исследования и отдельных опытных образцов).
Особенность современной ядерной энергетики — использование реакторов на тепловых нейтронах, то есть применение урана, обогащенного по 235 U. В природном уране его всего 0,7%. В ядерных реакторах на тепловых нейтронах обогащение по 235 U составляет 2,0-4,4%, при всём этом соответствующие предприятия выдают наряду с обогащенным ураном также и отвальный уран, содержащий 235 U в существенно меньшем количестве, чем природный. Отвальный, так же как и природный уран, может быть использован в реакторах на быстрых нейтронах. Глубокое (более полное) использование уранового топлива, включая отвальный может быть достигнуто в реакторах на быстрых нейтронах.
Коренное различие тепловой экономичности ТЭС и АЭС заключается в том, что для ТЭС она зависит от реализации в цикле теплоты всего сожженного органического топлива, непрерывно поступающего в топку парового котла, а для ТЭС — от реализации в цикле теплоты, выделившейся в процессе деления незначительной части ядерного горючего, загружаемого в активную зону.
1.2 Тепловые схемы АЭС
В любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело. Рабочее тело — это среда, совершающая работу, преобразуя тепловую энергию в механическую. Рабочим телом обычно является водяной пар. Контур рабочего тела всегда замкнут и добавочная вода в него поступает лишь в небольших количествах.
7 2
3 1 — реактор, 2 — паровая турбина, 3 — электрогенератор,
4 — конденсатор, 5 — питательный насос, 6 — циркуля-
ционный насос, 7 — парогенератор.
4
1
5
6
а) одноконтурная
7 2 1 — реактор, 2 — паровая турбина, 3 — электрогенератор,
3 4 — конденсатор, 5 — питательный насос, 6 — циркуля-
ционный насос, 7 — парогенератор, 8 — компенса-
8 тор объема.
4
1
6 5
б) двухконтурная
7 2 1 — реактор, 2 — паровая турбина, 3 — электрогенератор,
8 4 — конденсатор, 5 — питательный насос, 6 — циркуля-
ционный насос, 7 — парогенератор, 8 — компенса-
тор объема, 9 — промежуточный теплообменник.
3
4
9
5
6
1 6 в) трехконтурная
Рис. 1 Классификация АЭС по числу контуров.
Назначение теплоносителя на АЭС — отводить тепло, выделяющееся на реакторе. Для предотвращения отложений на тепловыделяющих элементах необходима высокая чистота теплоносителя. Поэтому для него также необходим замкнутый контур, тем более, что теплоноситель реактора всегда радиоактивен.
АЭС называется одноконтурной, если контуры теплоносителя и рабочего тела не разделены. Преимущества этой схемы: простота и большая экономичность по сравнению с 2-х и 3-х контурными. Недостаток — все оборудование работает в радиационно-активных условиях.
АЭС называется двухконтурной, если контуры теплоносителя и рабочее тело разделены. Контур теплоносителя — первый контур, контур рабочего тела — второй. Преимущества: оборудование не работает в радиационно-активных условиях. Недостаток: более низкая экономичность и более высокая сложность по сравнению с одноконтурной.
АЭС называется трехконтурной, если помимо раздельных контуров теплоносителя и рабочего тела присутствует также и промежуточный контур. Промежуточный контур призван предотвратить опасность выброса радиоактивных веществ в случае, если давление в первом контуре выше, чем во втором и возможно перетекание теплоносителя, вызывающая радиоактивность второго контура в случае, если теплоносители (например, металлический натрий) интенсивно взаимодействует с паром и водой.
При двухконтурной схеме вода является теплоносителем и замедлителем нейтронов. Реакторы, созданные для работы в таких условиях принято называть водно-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР).
Реакторы канального типа, в которых теплоносителем является вода, а замедлителем графит, применяются на крупных блоках с турбинами насыщенного пара. Эти реакторы принято называть реакторами большой мощности канального типа (РБМК).
Основные технико-экономические характеристики блоков АЭС с реакторами типа ВВЭР и РБМК.
Таблица 2.
|
Показатель |
ВВЭР — 440 |
ВВЭР — 1000 |
РБМК — 1000 |
|
|
Мощность блока, МВт |
440 |
1000 |
1000 |
|
|
Мощность турбогенератора, МВт |
220 |
500 |
500 |
|
|
Число турбин в блоке, шт |
2 |
2 |
2 |
|
|
Давление пара перед турбиной, Мпа |
4,32 |
5,88 |
6,46 |
|
|
КПД (нетто), % |
29,7 |
31,7 |
31,3 |
|
Основные технические характеристики АЭС с реакторами типов ВВЭР и РБМК в табл. 2 \По данным Воронина Л.М., 1977\. Стоимость 1 кВт установленной мощности на АЭС с блоками 440 и 1000 Мвт в 1,5 — 1,6 раза выше, чем на электростанциях, работающих на органическом топливе, равной мощности, построенных в те же годы \По данным Стерман Л.С.,1995\. Можно полагать, что в ближайшие годы соотношение в стоимостях 1 кВт установленной мощности ТЭС и АЭС будет иметь тенденцию к увеличению, так как для обеспечения большей надежности электростанции и уменьшения влияния на окружающую среду строительство АЭС потребует больших дополнительных капиталовложений, чем строительство ТЭС. При этом себестоимость электроэнергии на таких АЭС ниже, чем на ТКЭС (тепловых конденсационных электрических станциях).
1.3 Перспективы развития ядерной и термоядерной энергетики
Как было показано выше, тип реактора является определяющим для любой ядерной энергетической установки. Исходя из перспектив глобального преобразования мировой энергетики, в наибольшей мереперспективными можно считать \По данным Кащеева В.П.,1989г.\, пожалуй, пять основных известных сегодня науке типов реакторов:
Высокотемпературный энергетический ядерный реактор на газообразном толиве (ГФЯР), являющийся реактором на тепловых нейтронах, в котором делящееся вещество (235 U, 233 U) в составе газообразного гексафторида урана или в виде испаренного металлического урана расположено в центральной зоне полости (цилиндрической или сферической), образованной твердым замедлителем-отражателем нейтронов (Be, BeO, C или их комбинацией).
Перспективность ГФЯР связана со следующим:
возможность получения большой мощности;
коэффициент воспроизводства, превышающий единицу;
высокая температура нагрева рабочей среды (более 10000 К);
малая критическая масса (десятки килограмм делящегося вещества);
возможность циркуляции делящегося вещества и его очистка в системе циркуляции.
Из этого следует:
высокая эффективность использования горючего;
минимальные затраты на топливный цикл;
повышенная безопасность;
высокая экономичность;
широкий диапазон использования.
Вихревые ядерные реакторы на тепловых и быстрых нейтронах.
Вихревой реактор состоит из вихревой камеры, внутри которой, благодаря вихревому движению введенного тангенциально теплоносителя образуется устойчивый центробежный кипящий слой мелкодисперсного твердого и жидкого ядерного топлива. Благодаря целому ряду положительных свойств этого слоя энергетический вихревой ядерный реактор обладает некоторыми преимуществами по сравнению с реакторами с фиксированными активными зонами. С помощью этого типа реакторов с высоким коэффициентом воспроизводства на быстрых нейтронах можно коренным образом изменить структуру топливного баланса и создать возможность практически неограниченного развития ядерной энергетики, поскольку преодолевается кризис ресурсов природного урана в будущем.
3. Электроядерный бридинг.
Сущность заключается в использовании мощного пучка заряженных частиц (протонов) высокой энергии, получаемого с помощью ускорителя, для бомбардировки мишеней (из бериллия, тория, урана).
В результате возникают мощные источники нейтронов, которые можно использовать для переработки уранового и ториевого сырья в делящиеся материалы, то есть для производства ядерного топлива.
4. Пароводяной реактор-размножитель на быстрых нейтронах (БПВР).
Реактор аналогичен ВВЭР.
5. Энергетический термоядерный реактор (ТОКОМАК).
Имеет место пока в виде исследовательской установки, на которой отрабатываются лишь основные принципы термоядерного синтеза. Практическая реализация управляемой термоядерной реакции сопряжена сегодня с рядом физических и технических трудностей.
Основная трудность физического характера сопряжена с неустойчивостью плазмы, помещенной в магнитную ловушку.
Трудности технического характера: наличие примесей с большими порядковыми номерами приводят к возрастанию энергетических потерь из плазмы.
Решение этих проблем требует прохождения следующих этапов:
научная демонстрация возможности осуществления термоядерного синтеза, при котором отношение выходной энергии реакции синтеза к энергии, затраченной на создание, нагрев и удержание плазмы, по крайней мере, равно единице;
демонстрация технической осуществимости термоядерного реактора;
создание демонстрационной термоядерной электростанции.
1.4. Требования к экономическим параметрам АЭС.
С экономической точки зрения ядерная энергетика специфична. Ей свойственны, по крайней мере, две кардинальные особенности. Первая особенность связана с большой ролью капиталовложений, которые вносят основной вклад в стоимость электроэнергии. Из чего следует необходимость особо тщательно и обоснованно учитывать роль капиталовложений. Вторая определяется спецификой использования ядерного топлива, которая существенно отличается от той, что присуща обычному химическому топливу. К сожалению, до сих пор не сложилось единого мнения о том, как следует учитывать эти особенности в экономических расчетах \По данным Работнова Н.С., Ганева И.Х.,2001г.\. На примере российской ядерной энергетики можно проанализировать вышеназванные особенности с точки зрения современных особенностей производства электроэнергии.
Несмотря на то, что экономические проблемы ядерной энергетики были обстоятельно изложены еще в монографии, \По данным Работнова Н.С., Ганева И.Х.,2001г.\ тем не менее, существовавший до середины 80-х годов оптимизм в прогнозах ее развития определялся в основном представлениями об умеренной капиталоемкости АЭС, зачастую продиктованными соображениями политического плана.
Известно, что удельные капиталовложения в АЭС значительно выше, чем в обычные электростанции \По данным Батова, Корякина Ю.И.,1969г\, особенно это касается АЭС с быстрыми реакторами. Это связано в первую очередь со сложностью технологической схемы АЭС:
Используются 2-х и даже 3-х контурные системы отвода тепла из реактора.
Создается специальная система гарантированного аварийного расхолаживания.
Предъявляются высокие требования к конструкторским материалам (ядерная чистота).
Изготовление оборудования и его монтаж ведутся в особо строгих, тщательно контролируемых условиях (реакторная технология).
К тому же термический к.п.д. на используемых сегодня в России АЭС с тепловыми реакторами заметно ниже, чем на обычных тепловых станциях.
Другим важным вопросом является то, что в твэлах внутри реактора постоянно содержится значительное количество ядерного топлива, необходимого для создания критической массы. В некоторых публикациях \например по данным Батова, Корякина Ю.И.,1969г\, предлагается включать в капиталовложения стоимость первой загрузки ядерного топлива. Если следовать этой логике, то в капвложения следует включать не только топливо, находящееся в самом реакторе, но и занятое во внешнем топливном цикле. Для реакторов, использующих замкнутый цикл с регенерацией топлива, таких как быстрые реакторы, общее количество «замороженного» таким образом топлива может в 2-3 раза, а то и больше превышать критическую массу. Все это значительно увеличит и без того значительную составляющую капвложений и соответственно ухудшит расчетные экономические показатели АЭС.
Такой подход нельзя считать правильным. Ведь в любом производстве одни элементы оборудования находятся в постоянной эксплуатации, а другие материальные средства службы регулярно заменяются новыми. При этом, если этот срок не слишком велик, их стоимость не причисляют к капвложениям. Эти затраты учитываются в качестве обычных, текущих. В случае с твэлами в пользу этого свидетельствует период их использования, который не превышает нескольких месяцев.
Важным является также вопрос о цене ядерного топлива. Если речь идет только об уране, то его стоимость определяется затратами на добычу, извлечение из руды, изотопное обогащение (если таковое необходимо).
Если топливом является плутоний, который используется для быстрых реакторов, то в общем случае следует различать два режима: замкнутый, когда плутония достаточно для обеспечения потребностей развивающейся энергетики, и конверсионный, когда его не хватает и наряду с ним используется 235 U. Для случая конверсионного цикла цена плутония должна определяться из сопоставления с известной ценой 235 U. В любом быстром реакторе можно использовать как плутониевое, так и урановое топливо. Поэтому при экономическом сопоставлении влияния эффекта вида топлива на капитальную составляющую стоимости электроэнергии можно исключить. Достаточно приравнять между собой лишь непосредственные затраты на топливо (топливные составляющие) в том и другом случае. По оценкам специалистов \По данным Батова, Корякина Ю.И.,1969г\ цена плутония превосходит цену 235 U примерно на 30%. Для плутония это обстоятельство важно, поскольку нарабатываемый плутоний как побочный продукт приносит большой доход.
В замкнутом режиме, когда плутония образуется достаточно для загрузки в существующие и вновь вводимые реакторы, необходимость в использовании 235 U отпадает. Устанавливать какую-либо цену на плутоний не имеет смысла \По данным Батова, Корякина Ю.И.,1969г\. Он представляет собой полуфабрикат, который замыкается внутри данной отрасли, вырабатывающей единственный конечный продукт — электроэнергию. В случае, если его нарабатывается (образуется) больше, чем нужно для обеспечения потребностей развивающейся энергетики, его можно полностью или частично использовать для других областей его потенциального применения. В этом случае цена плутония будет определяться затратами на его извлечение из твэлов.
Таким образом:
1. Размер отчислений от капвложений в АЭС должен быть существенно ниже применяемого сегодня в России директивного значения.
2. Стоимость первой загрузки топлива в реактор и весь топливный цикл в целом не должна входить в капвложения.
3. Стоимость излишнего плутония в установившемся замкнутом цикле реакторов на быстрых нейтронах определяется только затратами на его извлечение из отработавших твэлов. Ценность плутония в конверсионном цикле находится из сопоставления со стоимостью 235 U, используемого в тех же реакторах.
4. В режиме частичной перегрузки активной зоны при вычислении затрат на топливо вместо истинного срока службы твэлов следует использовать более короткое время. В результате уменьшится эффективный рост стоимости за счет ее задержки в производстве.
Заключение
Учитывая результаты существующих прогнозов по истощению к середине — концу следующего столетия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которого, по расчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов-размножителей хватит не менее чем на 1000 лет можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые, атомные и гидроэлектрические источники будут еще долгое время преобладать над остальными источниками электроэнергии. Уже началось дорожание нефти, поэтому тепловые электростанции на этом топливе будут вытеснены станциями на угле.
Некоторые ученые и экологи в конце 1990-х гг. говорили о скором запрещении государствами Западной Европы атомных электростанции. Но исходя из современных анализов сырьевого рынка и потребностей общества в электрической энергии, эти утверждения выглядят неуместными.
Макаров А. А., Волкова Е. А., Браилов В. П. Долгосрочный прогноз развития ТЭК России и место ядерной энергетики в нем. Доклад на X конференции ядерного общества России “От первой в мире АЭС к атомной энергетике ХХI века». Обнинск, июнь 1999 г.
Маргулова Т. Х., Порушко Л. А. Атомные электрические станции. — Учебник для техникумов. — М.: Энергоиздат, 1982. — 264 с., ил.
Дементьев Б. А. Ядерные энергетические реакторы: Учебник для ВУЗов — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 280 с., ил.
Атомные электрические станции / Под ред. Л. М. Воронина. М.: Энергия, 1977.
Стерман Л. С. и др. Тепловые и атомные электрические станции: Учебник для ВУЗов / Л. С. Стерман, В. М. Ладыгин, С. Г. Тишин. — М.: Энергоатомиздат, 1995 — 416 с., ил.
Кащеев В. П. Ядерные энергетические установки: Учебное пособие для ВУЗов. — Мн.: Выш. шк., 1989. — 223 с.: ил.
Работнов Н. С., Ганев И. Х., Лопаткин А. В. Ядерная инициатива президента России (попытка анализа и детализации).
— Атомная энергия, 2001, т.90, вып. 4, с.320-323.
Батов В. В., Корякин Ю. И. Экономика ядерной энергетики. М.: Атомиздат, 1969.
