Ядерная энергетика

Состояние и перспективы российской энергетики

Ядерный реактор Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер (233U, 235U, 239Pu и др.) с преобразованием освобождающейся при этом энергии в тепловую, называется ядерным реактором.

Особенности ядерных реакторов Ядерным реакторам, независимо от их типа, присущи следующие специфические особенности. Ядерное топливо – источник энергии в реакторе – отличается высокой энергоемкостью (при полном делении 1кг 235U высвобождается энергия, равная 8×1013 Дж, а при сгорании 1кг органического топлива выделяется энергия порядка (3…5)×107 Дж, в зависимости от вида топлива). В этом заключается основное преимущество ядерного топлива. В таблице 7.2 представлены годовые потребности в топливе электростанций одинаковой электрической мощности разных типов.

Типы реакторов АЭС Ядерные реакторы различаются по параметрам, конструкционному исполнению, назначению и ряду других отличительных признаков, основные из которых следующие:

энергия нейтронов, при взаимодействии с которыми происходит деление тяжелых ядер;

материал замедлителя в реакторах на тепловых нейтронах;

вид и параметры теплоносителя;

назначение и конструкционное исполнение.

Водо-водяные реакторы Имеется два типа водо-водяных реакторов. В одних вода поддерживается в однофазном состоянии, т.е. без кипения. Это – реакторы с водой под давлением (ВВРД), которые в отечественной практике называют водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР). Реакторы, в активной зоне которых происходит кипение воды, называют кипящими.

Основная проблема российской энергетики на сегодняшний день – недопустимо высокий физический износ основных фондов. В электроэнергетике доля физически изношенного оборудования превысила 50%, а в нефтепереработке – 80%. Продление срока службы агрегатов электростанций с расчётных 30 до сверхнормативных 50 лет за счёт «латания дыр» без ввода новых компенсирующих мощностей приводит лишь к дорогостоящим ремонтным затратам и угрозе массового выхода оборудования из строя (печальный пример – Саяно-Шушинская ГРЭС).

Даже в сравнительно благополучной газовой промышленности через 5-10 лет наступит период одновременного исчерпания физического ресурса газопроводов страны, введённых ещё в начале 60-х годов.

Другая серьёзнейшая проблема – необходимость структурной перестройки всего топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны. Доля ТЭК в общем объёме продукции возросла с 24% в 1990 г. до 40% в 1998 г. и продолжает увеличиваться; доля энергоносителей в экспортной части баланса достигла 46,5%, а в доходной части бюджета – примерно 40%. Можно и нужно говорить о возросшей зависимости экономики России от состояния этой отрасли.

В структуре потребления энергоресурсов России удельный вес газа в настоящее время вырос до 50%, а в котельно-печном топли­ве  до – 68,3%. В таких промышленно развитых регионах России, как в Поволжском, Центральном, Северо-Кавказском и Северо­-Западном, за счет сокращения использования мазута и угля в 2 раза доля газа в котельно-печном топливе достигла 77-83%. В Моск­ве этот показатель уже превышает 95%.

По соображениям устойчивости снабжения топливом и энергети­ческой безопасности дальнейшая ориентация на опережающий рост газопотребления является рискованной мерой. Любой сбой в работе газовой отрасли может привести в ко­нечном итоге к энергетическому кризису и нарушению безопас­ности страны. Покрыть все потребности России в топливе только за счёт поставок газа невозможно. Необходимо привлекать к широкому использованию и другие виды топливно-энергетических ресурсов.

В США, Италии, Канаде и Англии доля газа в потреблении первичных топливно-энергетических ресурсов не превышает 30%, а во Франции и Германии – даже ниже 20%. В этих странах имеются возможности практического увеличения газопотребления, но они сдерживаются на государственном уровне с целью обеспече­ния надежности энергопотребления (хотя имеется и политическая составляющая) и снижения риска возникно­вения энергетического кризиса.

Всё это сложилось потому, что соотношение цен на газ, мазут и уголь в России не соответ­ствует реальной стоимости энергоресурсов и действующему соот­ношению таких цен за рубежом. Цены на газ на внутреннем рын­ке (в расчёте на 1 условную тонну) ниже цен на мазут в 3 раза, угля – в 1,6 раза, и в 8–12 раз ниже, чем в странах Европы и Америки.

Не маловажной причиной перехода энергетики на газ в Европейской части страны (и в Москве особенно) послужили и экологические соображения. Как уже отмечалось, загрязнение атмосферы при использовании газа составляет 1%, а мазута – 10% от выброса токсичных веществ в атмосферу при сжигании угля. В ближайшие десятилетия наша энергетика, кроме очевидной структурной перестройки и ускоренного ввода новых мощностей, должна уделить особое внимание повышению эффективности использования первичных энергетических ресурсов и экологическим последствиям, прежде всего при использовании угля.

Освоение новых эффективных технологий сжигания топлива является основной стратегической задачей, от решения которой в значительной мере зависит экономичность, экологическая чистота и надёжность функционирования ТЭК.

Уже сейчас в России имеются энергоблоки сверхкритических параметров пара (24 МПа и 5400С), достаточно надёжно работающие и обеспечивающие КПД при сжигании угля порядка 37-38% и 39-40% при использовании газа.

Разрабатываются блоки мощностью 300 МВт и более с эффективностью 43-45%. Рост давления пара с 24-25 до 30-32 МПа и температуры его перегрева с 540 до 580-6200С даёт снижение расхода топлива на 4-6%. В настоящее время на получение 1 кВтч электрической энергии расходуется около 490 г у. т.

Сейчас на ТЭС в промышленно развитых странах мира КПД современных энергоблоков на угле достигает 43%, планируется его дальнейшее повышение до 47-48%, в том числе за счёт дальнейшего повышения параметров пара.

Весьма перспективны газотурбинные когенерационные технологии, позволяющие повысить эффективность использования газа до 80% при расходе 200 г у.т./(кВтч).

Для удовлетворения экологических требований должны применятся технологические методы, снижающие образование оксидов азота до 200-250 мг/м3 при сжигании бурых углей, до 300-400 мг/м3 – каменных, до 500-600 мг/м3 – тощих, с жидким шлакоудалением. Эти блоки должны быть оснащены высокоэффективными электрофильтрами с КПД 99,5%, а при необходимости – системой удаления оксидов серы и азота.

В связи с тем, что ТЭС, расположенные в Европейской части России, потребляют от 77 до 79,5% природного газа, поставляемого в энергетику, при замещении газа твёрдым топливом в этом регионе особенно остро встанут экологические, экономические и технические вопросы.

Анализ коэффициентов эмиссии СО2 показывает, что при пе­реходе ТЭС на сжигание твердого топлива вместо природного газа эмиссия углекислого газа увеличивается в 1,7 раза. Таким образом, при замещении 15 млн. м3 (~18,5 млн. т у.т.) природного газа углём эмиссия СО2 увеличивается приблизительно на 30 млн. т СО2 в год, и при стоимости тонны предотвращенного выброса СО2 на уровне 20 долл. стоимость этого выброса составит порядка 600 млн. долл./год. Соответственно, при замещении углем 30 млн. м3 природного газа стоимость дополнительного выброса углекисло­го газа может составить 1200 млн. долл./год.

Особую сложность перехода российской энергетики на устойчивый путь развития, в соответствии с велением времени, вызывает необходимость одновременно решать далеко не простые задачи по разработке и внедрению новых ресурсосберегающих технологий с переориентацией энергетики на более широкое использование возобновляемых природных ресурсов.

Энергетический кризис (нехватка первичных энергоресурсов) миру не грозит, тем более России. «На Земле нет недостатка в энергии. Высокоэффективное использование менее загрязняющих и не исчерпывающих своей базы источников не только возможно, но и выгодно для удовлетворения нужд человека» [40]. И как писал академик Е.К. Фёдоров: «В ходе технического прогресса человечество в целом не только никогда не испытывало недостатка в энергетических ресурсах, но всегда находило новые, часто принципиально новые способы получения энергии, задолго до того, когда могли возникнуть ограничения, связанные с истощением известных ресурсов.»… «И вместе с тем проблема энергии может, с нашей точки зрения, создать серьёзные трудности, а может быть, и поставить границы для развития человечества на Земле. Не нехватка, а избыток энергии, расходуемой на планете, может привести к такой ситуации»[41].

Внутри ядра между нуклонами действуют три вида сил: ядерные, электромагнитные и гравитационные. Последние из-за малости можно не учитывать. Массы ядер всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, из которых они состоят. Разница этих масс эквивалентна энергии – энергии связи (Е св), с которой нуклоны удерживаются в связанном состоянии.

Ядро может находиться в различных энергетических состояниях. В основном состоянии энергия связи максимальна. При получении энергии ядро переходит в одно из своих возбужденных состояний. Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклона, то возбужденное ядро переходит в основное состояние, испуская фотоны ядерного происхождения, которые называются гамма-квантами. В случае, когда энергия возбуждения ядра больше энергии связи нуклона, то ядро может перейти в основное состояние, испустив один или несколько нуклонов. В этом случае происходит превращение одного ядра в другое.

Нейтроны не имеют электрического заряда и не берут участия в кулоновском взаимодействии. Все процессы, вызванные нейтронами, определяются лишь ядерными силами.

Наиважнейшими для ядерной энергетики являются два процесса взаимодействия нейтронов с ядрами: упругое рассеивание в поле ядерных сил и захват нейтрона с образованием составного ядра. Взаимодействие первого типа сопровождается лишь перераспределением кинетической энергии и импульсов нейтрона и ядра, т.е. нейтрон в результате столкновения с ядром теряет часть своей энергии – замедляется. Этот процесс используется в реакторах на тепловых нейтронах.

В процессе захвата нейтрона образуется составное ядро в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения складывается из части кинетической энергии нейтрона и его энергии связи в новом (составном) ядре. Из этого состояния ядро может перейти в основное различными путями – разными каналами реакций, которые показаны на рис.7.1. У самых тяжелых ядер средняя энергия связи нуклона приблизительно на 1 МэВ меньше, чем у наиболее стабильных ядер, поэтому деление тяжелого ядра на два более стабильных ядра сопровождается выделением энергии (рис.7.2).

 


Рисунок 7.1 – Взаимодействие нейтронов с ядрами

Энергия кулоновского взаимодействия Екул уменьшается с ростом деформации. Ядра, которые образовались после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны и потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Теоретически реакция деления ядра возможна при любых энергиях реакций деления Qf > 0, но если Qf значительно меньше барьера, то вероятность деления очень мала. Таким образом для протекания процесса деления с заметной вероятностью, ядру необходимо сообщить энергию, превышающую барьер деления. Такую энергию можно передать ядру различными путями (облучение g-квантами, бомбардированием ядра различными частицами). Из всех возможных способов практическое использование имеет один – бомбардирование ядра нейтронами. При этом энергия возбуждения будет складываться из части кинетической энергии нейтрона и энергии связи, приходящийся на один нуклон в новом (“составном”) ядре.

Схема протекания процесса деления, например, ядра 235U тепловыми нейтронами в ядерном реакторе приведена на рис.7.2.

Рисунок 7.2 – Изменение потенциальной энергии и ее составляющих
в процессе деления ядра:

I-V – стадии деления ядра; Qf – энергия реакции; Wf – порог деления ядра;
Епот – потенциальная энергия ядра; Епов – энергия поверхностного натяжения ядра;
Екул. – энергия кулоновского взаимодействия

При делении тяжелого ядра высвобождается энергия (приблизительно
200 МэВ на один акт деления), и более 80 % которой составляет кинетическая энергия осколков деления. Остальная энергия распределяется между нейтронами, g-квантами, b--частицами и антинейтрино (табл.7.1).

Таблица 7.1 – Выделение и использование энергии при делении 235U

Продукт деления

Выделенная
энергия,

МэВ

Используемая
энергия,

МэВ

Осколки деления

168

168

Продукты распада

b-распад

g-распад

нейтрино

8

8

7

7

12

Мгновенное g-излучение

7

7

Нейтроны деления

(кинетическая энергия)

5

5

Вторичное g-излучение

3 - 12

Всего

207

198 - 207

Кинетическая энергия осколков деления, мгновенных g-квантов и нейтронов в результате столкновения с материалами реактора превращается в тепловую энергию практически мгновенно. Энергия b-распадов осколков выделяется постепенно в процессе длительного промежутка времени, поскольку процесс b-распада определяется периодом полураспада осколков деления. Такое запаздывание приводит к наличию, так называемого, остаточного энерговыделения остановленного реактора. Сначала остаточное энерговыделение уменьшается довольно быстро (распадаются короткоживущие радионуклиды), затем спад – энерговыделение затухает.

В пределах первых 5 минут оно уменьшается примерно втрое, но составляет еще более 5 % номинальной мощности. Далее идет медленное снижение остаточного энерговыделения. Через 2 часа после остановки реактора оно составляет еще более 1 %, и через сутки немногим меньше 1 % номинальной мощности. Так, для реактора ВВЭР-1000, имеющего номинальную тепловую мощность 3000 МВт, через 1 час после заглушения остаточное энерговыделение составляет » 1,5 % номинальной мощности, или 45 МВт. Через 24 часа после останова реактора мощность остаточного энерговыделения составляет » 0,5 %, или 15 МВт, даже через 100 суток после останова реактора остаточное энерговыделение составляет около 4,5 МВт.

Остаточное энерговыделение является важной особенностью ядерного реактора, что требует постоянного охлаждения даже остановленного реактора и при хранении и транспортировке отработанного топлива. При проектировании реакторной установки необходимо разрабатывать специальные меры для аварийного расхолаживания реактора.

Поскольку отработанное в реакторе топливо имеет высокую радиоактивность, то оно перед отправкой на переработку должно храниться в охлаждаемых бассейнах не меньше 3-х лет.

Суммарная кинетическая энергия осколков деления составляет около 168 МэВ. Эта энергия переходит в тепловую. Пробег осколков из-за высоких их массы и заряда очень мал и зависит от плотности материала топлива. Так, в металлическом уране максимальный пробег осколков равен приблизительно 7*10–4 см, в алюминии – 10–3 см, в воздухе – 2 см. Чтобы предотвратить выход продуктов деления за границы топлива, последнее помещают в герметичную оболочку, толщина которой превышает пробег осколков в материале оболочки.

На главную