eng
Содержание
Сдержание
Основные условные обозначения и сокращения ..................... 5
Предисловие .................................................................................7
Предисловие авторов ...................................................................9
Введение .................................................................................10
Глава 1. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И МИРОВОЕ
ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ .................................................. 11
1.1.
Современное состояние мировой энергетики ................11
1.2.
Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов .........24
Глава 2. МОНОНИТРИД УРАНА .................................................. 43
2.1.
Система U - N ..................................................................43
2.2.
Получение мононитрида урана ..................................... 46
2.3.
Свойства мононитрида урана ........................................ 89
2.3.1.
Термодинамические свойства .................................... 89
2.3.2.
Механические свойства ............................................... 98
2.3.3.
Химические свойства ................................................... 102
2.3.4.
Поведение мононитрида урана под облучением ....... 105
2.4.
Ядерные свойства мононитрида урана........................... 110
Глава 3. УРАН-ПЛУТОНИЕВЫЕ НИТРИДЫ ................................ 112
3.1.
Система Pu-N, U -Pu -N .................................................... 114
3.2.
Получение нитрида плутония и (U,Pu)N.......................... 115
3.3.
Свойства уран-плутониевых нитридов ............................ 135 3.3.1.Термодинамические свойства ......................................... 135
3.3.2.
Механические свойства .................................................. 138
3.3.3.
Химические свойства ...................................................... 139
3.3.4.
Влияние облучения на свойства (U,Pu)N ...................... 140
Глава 4. КАРБОНИТРИДЫ УРАНА И ПЛУТОНИЯ .........................153
4.1.
Система U -C -N, Pu -C -N, U -Pu -C -N .............................153
4.2.
Получение карбонитридов ..................................................158
4.3.
Свойства карбонитридов урана .........................................168
4.3.1.
Термодинамические свойства .............................................168
4.3.2.
Механические свойства .......................................................172
4.3.3.
Химические свойства ...........................................................175
4.3.4.
Поведение карбонитридов под облучением .......................179
4.4.1.
Карбонитриды урана U(C,N) ...............................................180
4.4.2.
Уран-плутониевые карбонитриды (U,Pu)C,N ....................184
Глава 5. УРАН-ЦИРКОНИЕВЫЙ КАРБОНИТРИД ...............................191
5.1.
Система U -Zr -C -N ..................................................................193
5.2.
Получение уран-циркониевых карбонитридов .................... 195
5.3.
Свойства уран-циркониевых карбонитридов .........................206
5.3.1.
Термодинамические свойства .................................................206
5.3.2.
Теплофизические свойства ......................................................209
5.3.3.
Механические свойства ...........................................................212
5.3.4.
Химические свойства ...............................................................213
5.4.
Радиационная стойкость ...........................................................218
5.5.
Поведение уран-циркониевого карбонитрида в условиях аварии
ядерного реактора .....................................................................221
ЗАКЛЮЧЕННИЕ ........................................................................................224
ЛИТЕРАТУРА .............................................................................................228
"Без быстрых реакторов ядерная
энергетика может быть лишь
эпизодом в развитии энергетики.
Разработка же и широкое внедрение
этих реакторов позволяют создать ядерную энергетику любого масштаба"
А.И.Лейпунский
Введение
Стратегия развития ядерной энергетики нашей страны предусматривает применение реакторов на быстрых нейтронах, использующих плотное нит-ридное уран-плутониевое топливо.
В настоящее время нитридное топливо не имеет широкого применения, но широко исследуется как перспективное высокотемпературное плотное топливо реакторов на быстрых нейтронах и ядерных установок космического назначения.
По сравнению с оксидным и карбидным топливом нитридное топливо имеет наибольшее, среди высокотемпературных топливных материалов, удельное содержание делящегося изотопа, высокую теплопроводность, совместимо с конструкционными материалами и теплоносителем. Оно более устойчиво в условиях радиационного облучения.
В книге рассматривается нитридное топливо на основе мононитрида урана. Анализируется технология его получения, и приводятся данные основных свойств.
Книга состоит из 5 глав. В первой главе дан общий обзор состояния миро-вой энергетике и место в ней ядерной энергетики. Кратко характеризуются твэлы различных реакторов. Показана необходимость развития реакторов на быстрых нейтронах. В главах 2-5 рассматриваются вопросы получения и приводятся данные о наиболее важных физических и химических свойствах. Большое внимание уделяется вопросу влияния примесей (кислорода и угле-рода) на свойства UN и (U,Pu)N и состава карбонитридного топлива U(C,N), (U,Pu)C,N и U,Zr(C,N) на их свойства. Особое значение уделено совместимости с конструкционными материалами и теплоносителем, структурным изменениям при выгорании, радиационному распуханию и выделению газообразных продуктов деления.
ГЛАВА 1
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И МИРОВОЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕ
Одним из величайших достижений ХХ столетия явилось овладение ядерной энергией деления атомов урана при взаимодействии их с нейтронами. При делении 1 г изотопов урана или плутония высвобождается примерно 22500 кВт• ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2800 кг условного топлива. Такое высокое энерговыделение и определяет огромную теплотворную способность ядерного топлива, превышающую теплотворную способность органического топлива в миллион раз.
Энергообеспечение деятельности человеческого общества вызывает зна-чительные трудности. Увеличение объема потребления энергетических ресурсов ведет к все возрастающему сокращению потенциальных запасов доступных ресурсов на основе углеводородного топлива. Одновременно с разви-тием энергопотребления возросло его влияние на окружающую среду. На долю топливо-энергетического комплекса приходится около 55 % загрязнения различными отходами и 70 % теплового загрязнения [1].
Создание устойчивой энергетики будущего, которая позволит исключить или существенно ограничить использование углеводородного топлива, включена в число 25 величайших научных проблем XXI века [8].
1.1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
С увеличением степени развития общества происходит неуклонный рост потребления энергии. Развитие промышленного производства, торговли, улучшение жилищных условий - все это требовало дополнительного притока энергии. Без потребления энергетических ресурсов не обходится ни одна сторона жизнедеятельности человека рис.1.1.
Как писал академик Е.К. Федоров, "в ходе технического прогресса человечество в целом не только никогда не испытывало недостатка в энергетиче-ских ресурсах, но всегда находило новые, часто принципиально новые способы получения энергии, задолго до того, когда могли возникнуть ограниче-ния, связанные с истощением известных ресурсов" [42]. Появляются первые ветряные и водяные двигатели. Крупнейшим событием в развитии человечества было изобретение паровой машины. Следующий этап развития цивилизации связан с широким использованием электрической энергии. Открытие явления электромагнитной индукции, создание электрогенераторов и электродвигателей значительно расширили возможности использования элек-трической энергии.
Энергетические ресурсы подразделяются на возобновляемые и невозоб-новляемые. К невозобновленным относятся ресурсы, извлекаемые из земли: уголь, нефть, газ, торф, уран и др. К возобновленным относятся: солнечная энергия, энергия рек, энергия морских приливов и отливов, ветер, геотермальная энергия и так далее. На рис.1.2 показана доля различных видов энергии в общем мировом первичном энергобалансе в конце 2007г.
Энергопотребление распределено по странам земного шара крайне неравномерно (рис.1.3), минимум и максимум энергопотребления на душу населе-ния в настоящее время в мире различается в 50 раз [5].
Практически все известные виды энергоресурсов (уголь, нефть, газ, энергия ветра и воды, солнечная энергия, атомная энергия и др.) могут быть использованы для получения электрической энергии.
Структура мировой потребности в энергии показана на рис.1.4.
Эффективность производства электроэнергии на различных электростанциях обычно сравнивают по величине коэффициента полезного действия (КПД). Наиболее высокий (КПД) имеют теплоэлектрические станции (ТЭС), работающие на газе (табл.1.1).
Прогноз потребления электрической энергии в мире до 2050 года показан на рис.1.5, из которого следует, что доля электроэнергии с мире будет только увеличиваться.
Ископаемое органическое топливо. В настоящее время для получения электроэнергии в основном используются теплоэлектростанции, работаю-щие на невозобновляемых энергоресурсах: уголь, газ, нефть и т.д. Общий коэффициент полезного использования энергии на тепловых электростанциях в настоящее время около 40 %. Повысить коэффициент использования органи-ческого топлива возможно при создании теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). В отличие от обычных теплоэлектростанций в задачу ТЭЦ входит снабжение потребителей не только электроэнергией, но и теплом. При этом КПД таких станций может достигать ~ 70 % [5].
Использование на ТЭС и ТЭЦ угля сопровождается накапливанием золы. В золе тепловых электростанций содержится такое количества мышьяка, германия, висмута, бериллия, скандия, кобальта, галлия и урана, которое в десятки - сотни раз превышает их промышленное производство [1]. Основ-ными загрязнителями атмосферы на ТЭС являются оксиды серы и азота, соединения фтора, диоксид углерода и твердые частицы угольной золы и не-сгоревшего топлива [5]. С выбросом в атмосферу оксидов серы, азота и ди-оксида углерода, связывают развитие таких негативных глобальных экологи-ческих явлений как "кислотные дожди" и "парниковый эффект". Последние 50 лет проблема влияния парниковых газов на окружающую среду приобрела особое значение [7].
На третьей конференции об изменении климата в 1997 году в г. Киото (древняя столица Японии) был принят заключительный протокол, который предусматривает общее сокращение выбросов "парниковых" газов в атмосферу на 5,2 %. В соответствии с Киотским протоколом были установлены уровни выбросов "парниковых" газов в атмосферу для всех промышленно развитых государств. За превышение выбросов сверх разрешенных уровней установлены санкции. Неиспользованные квоты выбросов можно продавать.
Особенность Киотского протокола и его значение в том, что он впервые предложил экономические механизмы по обеспечению энергоэффективности и энергосбережению и стимулировал разработку альтернативных методов получения энергии [5]. Уменьшение выбросов "парниковых" газов сокращает выбросы и других, токсичных загрязнителей атмосферы, что, безусловно, идет на пользу людям и сохраняет их здоровье.
В декабре 2009 г. в г. Копенгагене состоялась 15-я конференция стран-участниц Рамочной конвенции ООН об изменении климата, на которой пла-нировалось выработать новое международное соглашение о сокращении вы-бросов парниковых газов на пост - Киотский период (2012-2020гг).
Конференция закончилась провалом в связи с непримиримой позицией между развивающимися (Китай, Индия, ЮАР и Бразилия) и развитыми странами (США, Евросоюз, Канада и др.), которые навязывали развивающимся непосильное для них бремя борьбы с выбросами "парниковых" газов, что значительно замедлило бы их экономический рост. Позиция развивающихся стран следующая: поскольку современная ситуация сложилась по вине раз-витых стран, они и должны брать основное бремя расходов на себя.
К сожалению, в вопросе приоритетного влияния выбросов "парниковых" газов на изменение климата нет единого мнения. По мнению академика Н.П. Лаверова "лицами, которые выступают с негативными прогнозами (катастрофических последствий глобального потепления от выбросов "парниковых" газов), движут коммерческие и политические интересы".
На конец 2009 г. мировые выбросы СО2 распределились следующим об-разом: Китай - 24 %, США - 21 %, ЕС - 12 %, Индия и Россия по 6 % [5].
В настоящее время около 90 % всей потребляемой энергии получают из ископаемого органического топлива. Хотя при этом с дымом уходит 10-15 % тепла, а с охлаждающей водой уносится в окружающую среду более половины тепла, образующегося при сжигании топлива в котле [5,6]. По наиболее пессимистическим прогнозам через 40 лет будут исчерпаны мировые запасы нефти, через 70 лет - запасы газа, через 160 лет - запасы угля. По наиболее оптимистическим прогнозам: угля хватит более чем на 1000 лет, газа - на 110 -120 лет, нефти - на 100 лет, а скорость их исчерпания пропорциональна рас-тущему потреблению энергии [8].
Гидроэнергетика.
Использование кинетической энергии воды началось в XIX веке и получило наибольшее развитие среди всех возобновляемых ис-точников энергии. В 2005 году на гидроэлектростанциях (ГЭС) было вырабо-тано около 17 % электроэнергии в мире. Всего в мире эксплуатируется около 45 тысяч гидроэлектростанций. КПД гидроэлектростанций достигает 85-90 %. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой ГЭС, как правило, в 6-8 раз меньше, чем ТЭС. Однако, выработка электроэнергии на ГЭС подвержена сильным колебаниям, особенно в засушливые годы. Основными недостатками, ограничивающими строительство ГЭС, являются экологические и соци-альные проблемы, вызываемые затоплением огромных территорий, а также географическая удаленность районов производства гидроэнергии от центров ее потребления.
Энергия ветра.
Энергия воздушного потока пропорциональна скорости его движения в третьей степени, однако лишь часть этой энергии может быть преобразовано в электрическую. Теоретически возможный КПД использова-ния ветровой энергии равен 59,3 %. На практике из-за значительной нерав-номерности ветра и дополнительных потерь, связанных с несовершенством конструкций ветроагрегатов, их среднегодовой КПД не превышает 30 %. Ис-пользование кинетической энергии воздушных масс особенно интенсивно осваивалось в последние 20 лет в Китае, Европе и США. В 2009 году общая установленная мощность ветрогенераторов составила 159,2 ГВт, что составило 2 % всей произведенной электрической энергии.
Ветровая энергетика отличается низкой плотностью энергии. Для ее про-изводства требуются огромные площади поверхности. К недостаткам этого вида энергетики также следует отнести ее нестабильность, шумовое и вибрационное загрязнение, опасность для дикой природы.
Солнечная энергетика.
Солнце является мощным источником электро-магнитного излучения. Если солнечную энергию, поступающую на землю, перевести в условное топливо, то оно составило бы 100 трлн. тн.э. за год [8]. На нашей планете всего запасено 6 трлн. тонн различных углеводородов. Со-держащуюся в них энергию Солнце отдает Земле всего за три недели.
Существует три пути использования солнечной энергии:
• преобразование солнечной энергии в электрическую;
• получение тепловой энергии;
• производство биомассы, концентрирование солнечной энергии автотрофными организмами и последующее использование их химической энергии.
Первые солнечные батареи были представлены на Всемирной выставке в Париже в конце XIX века. В 1953 году в США была разработана солнечная батарея, непосредственно преобразующая энергию солнца в электрическую. Первая промышленная солнечная электрическая станция мощностью 5 МВт была построена в 1985 году в Крыму.
Несмотря на серьезные трудности, связанные с необходимостью предва-рительного концентрирования солнечной энергии (потенциальная плотность солнечной энергии 150-200 Вт/м2) во всем мире интенсивно разрабатываются СЭС различной мощности.
Кроме использования солнечной энергии для получения электроэнергии она находит широкое применение в получении тепловой энергии. Энергети-ческие установки преобразования солнечной энергии в тепло могут быть активными и пассивными. В пассивных системах солнечного энергоснабжения теплота передается с помощью радиации, теплопроводности или естествен-ной конвекции. Такие системы могут использоваться как средство отопления помещений.
К активным системам преобразования солнечной энергии в тепловую от-носятся системы с принудительной циркуляцией теплоносителя, контакти-рующего с поверхностью, нагретой солнечным излучением. Аппараты, в которых происходят процессы активного теплообмена, называются коллекто-рами. Коллекторы широко используются в качестве отопительных установок, опреснителей воды, бытовых водонагревателей и для сушки сельскохозяйст-венных продуктов.
Одно из важнейших направлений использования солнечной энергии свя-зано с живыми растительными организмами. Автотрофные организмы еже-годно ассимилируют в результате процесса фотосинтеза около 200 млрд. тонн углерода, превращая его в органические соединения [5]. Общее энергосодержание образующейся при этом биомассы оценивается в 3•1021 Дж. Доля растительной биомассы в мировом потреблении энергии пока сравнительно невелика и составляет примерно 8 % от общего количества топлива расхо-дуемого в мире.
По оценкам ряда экспертов [8] использование биотоплива приведет к уве-личению выбросов в атмосферу углекислого газа. Кроме того будут отчуждены огромные площади пахотной земли, лесов, пастбищ и водно-болотных территорий.
Приливная гидроэнергетика.
Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию приливов и отливов, фактически кинетическую энергию вращения Земли. Изменение уровня воды вследствие влияния гравитационных сил Луны и Солнца в течение суток происходит дважды. Критическим значе-нием перепада высот прилива и отлива, при котором строительство приливных электростанций экономически и технически обосновано, считается 5 м.
Первая в мире ПЭС была построена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш. Коэффициент использования французской ПЭС составляет около 25 %. Суммарный потенциал ПЭС в Европе 12 ГВт.
В РФ построена единственная Кислогубская ПЭС, которая в 2009 году была модифицирована и ее мощность доведена до 1,7 МВт. По оценкам спе-циалистов за счет использования энергии приливов в России можно получать ежегодно около 270 млрд. кВт. ч.
Приливные электростанции экологически не безопасны, так как нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды, влияют на климат, меняя энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.
Геотермальная энергетика.
Геотермальная энергетика базируется, в основном, на тепловой энергии вулканических источников, используется в 62 странах мира. Ведущее место по геотермальным ТЭС занимают США, на которых приходится более 40 % действующих в мире мощностей.
В столице Исландии (Рейкьявик) все теплоснабжение обеспечивается за счет геотермальной энергетики.
Суммарная мощность геотермальных станций около 11000 МВт, а суммарный вклад геотермальных источников в энергогенерацию мира - около 0,4 %. Запасы геотермальной энергии более 200 ГВт.
В РФ разведано около 60 месторождений термальных вод с дебитом более 300 тыс.м3/сутки. Наибольшими геотермальными ресурсами обладает Кам-чатка. Сейчас там работают три геотермальных ТЭС. Они могут обеспечить более 20 % потребностей региона в электрической энергии. Стоимость энергии геотермальной ТЭС довольна, высока и колеблется от 2 до 6 тыс.
долл./1 кВт.
Ядерная энергетика.
Развитие современной экономики основывается на опережающем развитии энергетики. Эта тенденция сохраняется независимо от состояния первичных энергетических ресурсов. В связи с этим мировому сообществу нужно решить проблему активно растущего мирового энергопот-
ребления. Казалось бы, что эту проблему можно решить за счет увеличения добычи нефти и газа, так как сейчас в мировой структуре энергопотребления углеводороды занимают ведущее место. Однако все чаще возможности нефти рассматриваются как уже достигшие либо приближающиеся к уровню максимальной годовой добычи. Такая же перспектива ожидает природный газ, но несколько позже. Не стоит забывать, что беспокойство относительно выбросов загрязняющих атмосферу оксидов серы, азота, соединений фтора, диоксида углерода и других соединений, способствующих образованию такого глобального явления, как "парникового" эффекта, требует сокращения использования углеводородных источников энергии.
Выход возможен при быстром развитии возобновляемых источников энергии за счет использования энергии солнца, ветра, гидроресурсов, энергии приливов и биомассы. Возобновляемые виды энергии могут быть использованы в промышленности, в производстве тепла и т.д, рис.1.6.
Быстрое развитие технологии возобновляемых источников энергии требует значительных капиталовложений, что затрудняет достижение требуемых темпов развития. Переход от традиционных источников к возобновляемым и сейчас является одним из приоритетных направлений во многих странах.
По данным [10] в области электроэнергетики половина новых мощностей, вводимых в действие в мире до 2035 года, для удовлетворения растущего спроса, будет, приходится на возобновляемые источники энергии, главным образом гидро - и ветроэнергетику. Однако следует иметь в виду нестабильность возобновляемых источников энергии. По данным [9] в настоящее вре-мя в качестве энергетической альтернативы может быть предложена только ядерная энергетика. Все другие энергоисточники, которые могут быть привлечены к решению глобальной энергетической проблемы, не пригодны и по масштабному фактору, и по экономическим ограничениям. Стоимость возобновляемой энергетики (солнечная, ветровая и т.д.) сейчас примерно в 3-4 раза дороже по сравнению с существующей атомной энергетикой. В ноябре 2011 года Международное энергетическое агентство представило годовой доклад, в котором отмечено, что мир не сможет обойтись без ядерной энергетики [9].
С точки зрения масштабов энергопотребления и необходимости снижения выбросов "парниковых" газов, ограниченности запасов углеродных энерге-тических ресурсов и необходимости перехода на безуглеродную энергетику использование атомной энергетики не вызывает сомнения.
Уже в настоящее время действующие российские атомные электростан-ции ежегодно предотвращают выброс в атмосферу примерно 210 млн. тонн СО2, а в целом атомные станции мира позволяют предотвратить выброс до 3,4 млрд. тонн углекислого газа, который считается основным фактором глобального потепления. Внешний вид АЭС показан на рис.1.7
В промышленно развитых странах (США, Франция, Бельгия и др.) атомная энергетика давно стала одним из важнейших источников энерго-обеспечения. Все большее количество стран, развитых и развивающихся, приходит к необходимости освоения на своей территории технологий мирного использования атомной энергии. В настоящее время, по данным МАГАТЭ, коммерческую ядерную энергетику имеют около 30 стран, свыше 60 новых стран выражают большой интерес к ядерной энергетике.
Согласно статистическим данным Всемирного ядерного агентства (World Nuclear Agency - WNA), по состоянию на 1 апреля 2011 года во всем мире было 438 действующих энергетических реакторов суммарной установленной мощностью 374127 МВт эл., что составляло примерно 8 % всех мировых электрогенерирующих мощностей [11]. В мире доля ядерной энергетики достигла 14 % общего объема вырабатываемой электроэнергии. Перешагнули порог 50 % доли атомной электроэнергетики в общей выработке электричества Франция, Словакия и Бельгия рис. 1.8.
Из 13 стран, где доля ядерной электроэнергетики превысила 1/3, кроме Южной Кореи, все находятся в Европе. Из приведенных данных (рис.1.8) видно, что мировая ядерная энергетика находится в странах и регионах с высоким спросом на электроэнергию, развитой экономикой, высоким уровнем технологического развития и небольшими запасами нефти.
Интерес к ядерной энергетике вызван еще и тем, что она может обеспе-чить потребителя необходимыми видами энергии: электричеством, теплом, энергоносителями, в том числе водородом. Внедрение атомной энергетики в неэлектрические сферы потребления энергетических ресурсов позволяет ис-пользовать энергию мирного атома в промышленности, на транспорте, в коммунальном секторе [12]. Важно и то обстоятельство, что атомная энерге-тика доступна для всех, в том числе малодоступных регионов мира, и технически подготовлена для масштабного развития. Этот вид энергии экологически чистый. Основное использование энергии деления атомов в настоящее время осуществляется в реакторах на тепловых нейтронах, которые еще в сороковые годах прошлого века были освоены для производства оружейных материалов – плутония и трития. Основой современной ядерной энергетики в мире являются так называемые легководные реакторы (LWR). Легководные реакторы (LWR) применяются более чем в 80 % эксплуатируемых в мире АЭС, использующих открытый топливный цикл [13].
В настоящее время в качестве основного топлива в ядерной энергетике является уран-235, запасы которого при крайне неэффективном его использовании невелики. Необходимо иметь ввиду, что в естественном уране содержание U-235 не превышает 0,714 % масс. Глобальные запасы урана в земной коре оцениваются в ~1014 тонн, однако добыча урана в настоящее время экономически выгодна только в тех местах, где концентрация урана в руде более 0,1 % [6]. Основным фактором, ограничивающим масштабное развитие ядерной энергетики, является ограниченность доступных запасов урана-235. По своему энергетическому потенциалу его запасы не намного превышают запасы нефти [8].
Сейчас в эксплуатации находится 359 реакторов типа LWR: 271 реактор с водой под давлением (PWR), включая российские реакторы ВВЭР, и 88 реак-торов с кипящей водой (BWR). Ядерная энергетика с реакторами на тепло-вых нейтронах, осваивающая не более 1,5 % природного урана, в принципе не может обеспечить создание крупной мировой энергетики табл.1.2.
Выход из этого положения можно найти на пути использования АЭС с реакторами-размножителями. С их внедрением эффективное использование природного урана может достигнуть 30-40 %. Широкое применение АЭС с реакторами-размножителями может решить проблему развития энергетики с точки зрения обеспеченности энергоресурсами в течение многих столетий без каких-то топливных ограничений.
Реализация возможностей ядерной энергии, по данным работы [1], достижима лишь на основе освоения замкнутого ядерного топливного цикла (ЯТЦ), с вводом реакторов, обеспечивающих простое или расширенное воспроизводство ядерного топлива. Реакторы на быстрых нейтронах позволяют не просто "сжигать" природный уран-235, а вырабатывать при этом новое топливо [12]. В этом случае атомная энергетика обладает практически неог-раниченными ресурсами топлива. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах способны воспроизводить новое топливо из U-238 или Th-232, запасы которых во много раз превышают ресурс U-235, используемого в настоящее время в легководных атомных реакторах.
Замыкание топливного цикла и разработка быстрых реакторов с расширенным воспроизводством топлива, по мнению большинства специалистов, может рассматриваться в качестве ключевого направления инновационного развития атомной энергетики [1 ,8, 12].
При многих преимуществах мирного атома есть очевидные недостатки. Это потенциальная опасность для людей и окружающей среды, и огромные капзатраты на строительство. Аварии на Three Miles Island (США), Чернобыльской АЭС (СССР), Фукусима (Япония) получили широкое международ-ное отражение в средствах массовой информации. Авария 11 марта 2011 года на Японской АЭС "Фукусима - 2" изменила отношение к ядерной энергетике во многих странах. В ряде стран Европы наблюдается рост антиядерных на-строений. Германия ввела мораторий на продление сроков действующих АЭС. В европейских странах с богатой экономикой и с развитым рынком электроэнергии, а именно: Австрии, Германии Бельгии, Италии, Швейцарии в настоящее время не рассматривают возможность строительства новых ре-акторов. В Японии в 2012 году из 54 ядерных реакторов работают лишь четыре. Для других АЭС местные власти не дают разрешения на дальнейшую эксплуатацию. Страхи, порожденные риском облучения, в широких слоях общественности могут задержать любые планы нового ядерного строительства.
США занимает первое место в мире по числу работающих реакторов - 104 блока. Ядерная энергетика обеспечивает около 20 % общего производства электроэнергии в стране. По прогнозам экспертов структура топливного баланса электроэнергетики США до 2035 г. заметно не изменится.
Во Франции эксплуатируется 58 реакторов PWR, которые обеспечили в 2010 году 75,2 % производства электроэнергии в стране. Франция не отказывается от программы развития ядерной энергетики. Великобритания и Испания так же не отказываются от использования ядерной энергии в энергообес-печение страны.
Китай (эксплуатируется 16 реакторов) и Индия (более 20 реакторов) со-храняют программу строительства атомных электростанций в прежнем объ-еме [14]. Индия планирует к 2050 году довести выработку электроэнергии на АЭС до 25 % [9].
Большинство стран, развивающих атомную энергетику (Финляндия, Словакия, Тайвань, Южная Корея, Бразилия, Аргентина, в том числе РФ) подтвер-дили планы на строительство новых энергоблоков. Такие страны как: Турция, Вьетнам, Бангладеш – также не отказываются от планов сооружения АЭС [8]. По оценке МАГАТЭ, минимальный рост ядерной энергетики в мире составит 25 % к 2035 году, максимальный - приведет к удвоению мощностей АЭС [9]. Наибольший рост будет в дальневосточном регионе.
События в Японии показали, что даже очень мало вероятные события (цу-нами, землетрясения) могут вызвать аварии на АЭС. Разрабатываемые новые конструкции реакторов содержат активные и пассивные системы безопасности, способные противостоять даже самым серьезным стихийным бедствиям [15]. Новые АЭС должны быть спроектированы и сооружены так, чтобы за 50-60 лет эксплуатации на них были исключены тяжелые аварии. Для ядер-ной и радиационной безопасности реакторным установкам необходима внут-ренняя самозащищенность, которая должна стать главным критерием при выборе перспективных конструкций ядерных реакторов [16].
Позиция России, сформулированная в Постановлениях Правительства (ФЦП) [17-19] заключается в стратегическом ориентировании на замкнутый топливный цикл, который включает разработку проектов быстрых реакторов с использованием в качестве теплоносителя натрия и свинца. Разрабатываются технологии топливного цикла, предусматривающие использование нит-ридного топлива и технологии уран-ториевого цикла. Программы ФЦП рас-считаны на период до 2025 года и предусматривают целый комплекс проек-тов по замыканию ядерного топливного цикла. В целом, в России предусмот-рено за 12 лет построить 26 крупных атомных блоков.
Согласно [20] установленная электрическая мощность АЭС в мире долж-на возрасти с 370 ГВт в 2009 году до 2000 ГВт к 2050 году, то есть мощности АЭС должны возрасти в 5-6 раз по сравнению с нынешним [12]. По состоянию на 1 апреля 2010 года во всем мире строились 52 ядерных реактора, 144 реактора находились в стадии проектирования; рассматривались также пред-ложения по строительству еще 344 реакторов [14].
Согласно данным работы [8], атомная энергия, особенно при условии эф-фективного замыкания ядерного топливного цикла, в общей энергетической стратегии, объективно представляет собой не альтернативу углеродной или возобновляемой энергетике, а является практически единственным гарантом обеспечения энергетической безопасности государств мира на долгую перспективу.
Практически все специалисты – атомщики сходятся во мнении, что осно-ву ядерной энергетики будущего составят быстрые реакторы, работающие в замкнутом цикле с высоким воспроизводством делящихся элементов.
На начальном этапе в странах развивающих реакторы на быстрых нейтро-нах: Франция, США, Индия, Россия планируется использовать оксидное (U,Pu)O2 -МОХ топливо. Дальнейшее усовершенствование связывается с вы-сокоплотным топливом: карбидным, нитридным или металлическим [21].
При этом надо решать задачу обеспечения безопасности во всех звеньях (на всех этапах) жизненного цикла: от добычи урана и до изоляции радиоактив-ных отходов [12].
энергетика может быть лишь
эпизодом в развитии энергетики.
Разработка же и широкое внедрение
этих реакторов позволяют создать ядерную энергетику любого масштаба"
А.И.Лейпунский
Введение
Стратегия развития ядерной энергетики нашей страны предусматривает применение реакторов на быстрых нейтронах, использующих плотное нит-ридное уран-плутониевое топливо.
В настоящее время нитридное топливо не имеет широкого применения, но широко исследуется как перспективное высокотемпературное плотное топливо реакторов на быстрых нейтронах и ядерных установок космического назначения.
По сравнению с оксидным и карбидным топливом нитридное топливо имеет наибольшее, среди высокотемпературных топливных материалов, удельное содержание делящегося изотопа, высокую теплопроводность, совместимо с конструкционными материалами и теплоносителем. Оно более устойчиво в условиях радиационного облучения.
В книге рассматривается нитридное топливо на основе мононитрида урана. Анализируется технология его получения, и приводятся данные основных свойств.
Книга состоит из 5 глав. В первой главе дан общий обзор состояния миро-вой энергетике и место в ней ядерной энергетики. Кратко характеризуются твэлы различных реакторов. Показана необходимость развития реакторов на быстрых нейтронах. В главах 2-5 рассматриваются вопросы получения и приводятся данные о наиболее важных физических и химических свойствах. Большое внимание уделяется вопросу влияния примесей (кислорода и угле-рода) на свойства UN и (U,Pu)N и состава карбонитридного топлива U(C,N), (U,Pu)C,N и U,Zr(C,N) на их свойства. Особое значение уделено совместимости с конструкционными материалами и теплоносителем, структурным изменениям при выгорании, радиационному распуханию и выделению газообразных продуктов деления.
ГЛАВА 1
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И МИРОВОЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕ
Одним из величайших достижений ХХ столетия явилось овладение ядерной энергией деления атомов урана при взаимодействии их с нейтронами. При делении 1 г изотопов урана или плутония высвобождается примерно 22500 кВт• ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2800 кг условного топлива. Такое высокое энерговыделение и определяет огромную теплотворную способность ядерного топлива, превышающую теплотворную способность органического топлива в миллион раз.
Энергообеспечение деятельности человеческого общества вызывает зна-чительные трудности. Увеличение объема потребления энергетических ресурсов ведет к все возрастающему сокращению потенциальных запасов доступных ресурсов на основе углеводородного топлива. Одновременно с разви-тием энергопотребления возросло его влияние на окружающую среду. На долю топливо-энергетического комплекса приходится около 55 % загрязнения различными отходами и 70 % теплового загрязнения [1].
Создание устойчивой энергетики будущего, которая позволит исключить или существенно ограничить использование углеводородного топлива, включена в число 25 величайших научных проблем XXI века [8].
1.1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
С увеличением степени развития общества происходит неуклонный рост потребления энергии. Развитие промышленного производства, торговли, улучшение жилищных условий - все это требовало дополнительного притока энергии. Без потребления энергетических ресурсов не обходится ни одна сторона жизнедеятельности человека рис.1.1.
Как писал академик Е.К. Федоров, "в ходе технического прогресса человечество в целом не только никогда не испытывало недостатка в энергетиче-ских ресурсах, но всегда находило новые, часто принципиально новые способы получения энергии, задолго до того, когда могли возникнуть ограниче-ния, связанные с истощением известных ресурсов" [42]. Появляются первые ветряные и водяные двигатели. Крупнейшим событием в развитии человечества было изобретение паровой машины. Следующий этап развития цивилизации связан с широким использованием электрической энергии. Открытие явления электромагнитной индукции, создание электрогенераторов и электродвигателей значительно расширили возможности использования элек-трической энергии.
Энергетические ресурсы подразделяются на возобновляемые и невозоб-новляемые. К невозобновленным относятся ресурсы, извлекаемые из земли: уголь, нефть, газ, торф, уран и др. К возобновленным относятся: солнечная энергия, энергия рек, энергия морских приливов и отливов, ветер, геотермальная энергия и так далее. На рис.1.2 показана доля различных видов энергии в общем мировом первичном энергобалансе в конце 2007г.
Энергопотребление распределено по странам земного шара крайне неравномерно (рис.1.3), минимум и максимум энергопотребления на душу населе-ния в настоящее время в мире различается в 50 раз [5].
Практически все известные виды энергоресурсов (уголь, нефть, газ, энергия ветра и воды, солнечная энергия, атомная энергия и др.) могут быть использованы для получения электрической энергии.
Структура мировой потребности в энергии показана на рис.1.4.
Эффективность производства электроэнергии на различных электростанциях обычно сравнивают по величине коэффициента полезного действия (КПД). Наиболее высокий (КПД) имеют теплоэлектрические станции (ТЭС), работающие на газе (табл.1.1).
Прогноз потребления электрической энергии в мире до 2050 года показан на рис.1.5, из которого следует, что доля электроэнергии с мире будет только увеличиваться.
Ископаемое органическое топливо. В настоящее время для получения электроэнергии в основном используются теплоэлектростанции, работаю-щие на невозобновляемых энергоресурсах: уголь, газ, нефть и т.д. Общий коэффициент полезного использования энергии на тепловых электростанциях в настоящее время около 40 %. Повысить коэффициент использования органи-ческого топлива возможно при создании теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). В отличие от обычных теплоэлектростанций в задачу ТЭЦ входит снабжение потребителей не только электроэнергией, но и теплом. При этом КПД таких станций может достигать ~ 70 % [5].
Использование на ТЭС и ТЭЦ угля сопровождается накапливанием золы. В золе тепловых электростанций содержится такое количества мышьяка, германия, висмута, бериллия, скандия, кобальта, галлия и урана, которое в десятки - сотни раз превышает их промышленное производство [1]. Основ-ными загрязнителями атмосферы на ТЭС являются оксиды серы и азота, соединения фтора, диоксид углерода и твердые частицы угольной золы и не-сгоревшего топлива [5]. С выбросом в атмосферу оксидов серы, азота и ди-оксида углерода, связывают развитие таких негативных глобальных экологи-ческих явлений как "кислотные дожди" и "парниковый эффект". Последние 50 лет проблема влияния парниковых газов на окружающую среду приобрела особое значение [7].
На третьей конференции об изменении климата в 1997 году в г. Киото (древняя столица Японии) был принят заключительный протокол, который предусматривает общее сокращение выбросов "парниковых" газов в атмосферу на 5,2 %. В соответствии с Киотским протоколом были установлены уровни выбросов "парниковых" газов в атмосферу для всех промышленно развитых государств. За превышение выбросов сверх разрешенных уровней установлены санкции. Неиспользованные квоты выбросов можно продавать.
Особенность Киотского протокола и его значение в том, что он впервые предложил экономические механизмы по обеспечению энергоэффективности и энергосбережению и стимулировал разработку альтернативных методов получения энергии [5]. Уменьшение выбросов "парниковых" газов сокращает выбросы и других, токсичных загрязнителей атмосферы, что, безусловно, идет на пользу людям и сохраняет их здоровье.
В декабре 2009 г. в г. Копенгагене состоялась 15-я конференция стран-участниц Рамочной конвенции ООН об изменении климата, на которой пла-нировалось выработать новое международное соглашение о сокращении вы-бросов парниковых газов на пост - Киотский период (2012-2020гг).
Конференция закончилась провалом в связи с непримиримой позицией между развивающимися (Китай, Индия, ЮАР и Бразилия) и развитыми странами (США, Евросоюз, Канада и др.), которые навязывали развивающимся непосильное для них бремя борьбы с выбросами "парниковых" газов, что значительно замедлило бы их экономический рост. Позиция развивающихся стран следующая: поскольку современная ситуация сложилась по вине раз-витых стран, они и должны брать основное бремя расходов на себя.
К сожалению, в вопросе приоритетного влияния выбросов "парниковых" газов на изменение климата нет единого мнения. По мнению академика Н.П. Лаверова "лицами, которые выступают с негативными прогнозами (катастрофических последствий глобального потепления от выбросов "парниковых" газов), движут коммерческие и политические интересы".
На конец 2009 г. мировые выбросы СО2 распределились следующим об-разом: Китай - 24 %, США - 21 %, ЕС - 12 %, Индия и Россия по 6 % [5].
В настоящее время около 90 % всей потребляемой энергии получают из ископаемого органического топлива. Хотя при этом с дымом уходит 10-15 % тепла, а с охлаждающей водой уносится в окружающую среду более половины тепла, образующегося при сжигании топлива в котле [5,6]. По наиболее пессимистическим прогнозам через 40 лет будут исчерпаны мировые запасы нефти, через 70 лет - запасы газа, через 160 лет - запасы угля. По наиболее оптимистическим прогнозам: угля хватит более чем на 1000 лет, газа - на 110 -120 лет, нефти - на 100 лет, а скорость их исчерпания пропорциональна рас-тущему потреблению энергии [8].
Гидроэнергетика.
Использование кинетической энергии воды началось в XIX веке и получило наибольшее развитие среди всех возобновляемых ис-точников энергии. В 2005 году на гидроэлектростанциях (ГЭС) было вырабо-тано около 17 % электроэнергии в мире. Всего в мире эксплуатируется около 45 тысяч гидроэлектростанций. КПД гидроэлектростанций достигает 85-90 %. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой ГЭС, как правило, в 6-8 раз меньше, чем ТЭС. Однако, выработка электроэнергии на ГЭС подвержена сильным колебаниям, особенно в засушливые годы. Основными недостатками, ограничивающими строительство ГЭС, являются экологические и соци-альные проблемы, вызываемые затоплением огромных территорий, а также географическая удаленность районов производства гидроэнергии от центров ее потребления.
Энергия ветра.
Энергия воздушного потока пропорциональна скорости его движения в третьей степени, однако лишь часть этой энергии может быть преобразовано в электрическую. Теоретически возможный КПД использова-ния ветровой энергии равен 59,3 %. На практике из-за значительной нерав-номерности ветра и дополнительных потерь, связанных с несовершенством конструкций ветроагрегатов, их среднегодовой КПД не превышает 30 %. Ис-пользование кинетической энергии воздушных масс особенно интенсивно осваивалось в последние 20 лет в Китае, Европе и США. В 2009 году общая установленная мощность ветрогенераторов составила 159,2 ГВт, что составило 2 % всей произведенной электрической энергии.
Ветровая энергетика отличается низкой плотностью энергии. Для ее про-изводства требуются огромные площади поверхности. К недостаткам этого вида энергетики также следует отнести ее нестабильность, шумовое и вибрационное загрязнение, опасность для дикой природы.
Солнечная энергетика.
Солнце является мощным источником электро-магнитного излучения. Если солнечную энергию, поступающую на землю, перевести в условное топливо, то оно составило бы 100 трлн. тн.э. за год [8]. На нашей планете всего запасено 6 трлн. тонн различных углеводородов. Со-держащуюся в них энергию Солнце отдает Земле всего за три недели.
Существует три пути использования солнечной энергии:
• преобразование солнечной энергии в электрическую;
• получение тепловой энергии;
• производство биомассы, концентрирование солнечной энергии автотрофными организмами и последующее использование их химической энергии.
Первые солнечные батареи были представлены на Всемирной выставке в Париже в конце XIX века. В 1953 году в США была разработана солнечная батарея, непосредственно преобразующая энергию солнца в электрическую. Первая промышленная солнечная электрическая станция мощностью 5 МВт была построена в 1985 году в Крыму.
Несмотря на серьезные трудности, связанные с необходимостью предва-рительного концентрирования солнечной энергии (потенциальная плотность солнечной энергии 150-200 Вт/м2) во всем мире интенсивно разрабатываются СЭС различной мощности.
Кроме использования солнечной энергии для получения электроэнергии она находит широкое применение в получении тепловой энергии. Энергети-ческие установки преобразования солнечной энергии в тепло могут быть активными и пассивными. В пассивных системах солнечного энергоснабжения теплота передается с помощью радиации, теплопроводности или естествен-ной конвекции. Такие системы могут использоваться как средство отопления помещений.
К активным системам преобразования солнечной энергии в тепловую от-носятся системы с принудительной циркуляцией теплоносителя, контакти-рующего с поверхностью, нагретой солнечным излучением. Аппараты, в которых происходят процессы активного теплообмена, называются коллекто-рами. Коллекторы широко используются в качестве отопительных установок, опреснителей воды, бытовых водонагревателей и для сушки сельскохозяйст-венных продуктов.
Одно из важнейших направлений использования солнечной энергии свя-зано с живыми растительными организмами. Автотрофные организмы еже-годно ассимилируют в результате процесса фотосинтеза около 200 млрд. тонн углерода, превращая его в органические соединения [5]. Общее энергосодержание образующейся при этом биомассы оценивается в 3•1021 Дж. Доля растительной биомассы в мировом потреблении энергии пока сравнительно невелика и составляет примерно 8 % от общего количества топлива расхо-дуемого в мире.
По оценкам ряда экспертов [8] использование биотоплива приведет к уве-личению выбросов в атмосферу углекислого газа. Кроме того будут отчуждены огромные площади пахотной земли, лесов, пастбищ и водно-болотных территорий.
Приливная гидроэнергетика.
Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию приливов и отливов, фактически кинетическую энергию вращения Земли. Изменение уровня воды вследствие влияния гравитационных сил Луны и Солнца в течение суток происходит дважды. Критическим значе-нием перепада высот прилива и отлива, при котором строительство приливных электростанций экономически и технически обосновано, считается 5 м.
Первая в мире ПЭС была построена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш. Коэффициент использования французской ПЭС составляет около 25 %. Суммарный потенциал ПЭС в Европе 12 ГВт.
В РФ построена единственная Кислогубская ПЭС, которая в 2009 году была модифицирована и ее мощность доведена до 1,7 МВт. По оценкам спе-циалистов за счет использования энергии приливов в России можно получать ежегодно около 270 млрд. кВт. ч.
Приливные электростанции экологически не безопасны, так как нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды, влияют на климат, меняя энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.
Геотермальная энергетика.
Геотермальная энергетика базируется, в основном, на тепловой энергии вулканических источников, используется в 62 странах мира. Ведущее место по геотермальным ТЭС занимают США, на которых приходится более 40 % действующих в мире мощностей.
В столице Исландии (Рейкьявик) все теплоснабжение обеспечивается за счет геотермальной энергетики.
Суммарная мощность геотермальных станций около 11000 МВт, а суммарный вклад геотермальных источников в энергогенерацию мира - около 0,4 %. Запасы геотермальной энергии более 200 ГВт.
В РФ разведано около 60 месторождений термальных вод с дебитом более 300 тыс.м3/сутки. Наибольшими геотермальными ресурсами обладает Кам-чатка. Сейчас там работают три геотермальных ТЭС. Они могут обеспечить более 20 % потребностей региона в электрической энергии. Стоимость энергии геотермальной ТЭС довольна, высока и колеблется от 2 до 6 тыс.
долл./1 кВт.
Ядерная энергетика.
Развитие современной экономики основывается на опережающем развитии энергетики. Эта тенденция сохраняется независимо от состояния первичных энергетических ресурсов. В связи с этим мировому сообществу нужно решить проблему активно растущего мирового энергопот-
ребления. Казалось бы, что эту проблему можно решить за счет увеличения добычи нефти и газа, так как сейчас в мировой структуре энергопотребления углеводороды занимают ведущее место. Однако все чаще возможности нефти рассматриваются как уже достигшие либо приближающиеся к уровню максимальной годовой добычи. Такая же перспектива ожидает природный газ, но несколько позже. Не стоит забывать, что беспокойство относительно выбросов загрязняющих атмосферу оксидов серы, азота, соединений фтора, диоксида углерода и других соединений, способствующих образованию такого глобального явления, как "парникового" эффекта, требует сокращения использования углеводородных источников энергии.
Выход возможен при быстром развитии возобновляемых источников энергии за счет использования энергии солнца, ветра, гидроресурсов, энергии приливов и биомассы. Возобновляемые виды энергии могут быть использованы в промышленности, в производстве тепла и т.д, рис.1.6.
Быстрое развитие технологии возобновляемых источников энергии требует значительных капиталовложений, что затрудняет достижение требуемых темпов развития. Переход от традиционных источников к возобновляемым и сейчас является одним из приоритетных направлений во многих странах.
По данным [10] в области электроэнергетики половина новых мощностей, вводимых в действие в мире до 2035 года, для удовлетворения растущего спроса, будет, приходится на возобновляемые источники энергии, главным образом гидро - и ветроэнергетику. Однако следует иметь в виду нестабильность возобновляемых источников энергии. По данным [9] в настоящее вре-мя в качестве энергетической альтернативы может быть предложена только ядерная энергетика. Все другие энергоисточники, которые могут быть привлечены к решению глобальной энергетической проблемы, не пригодны и по масштабному фактору, и по экономическим ограничениям. Стоимость возобновляемой энергетики (солнечная, ветровая и т.д.) сейчас примерно в 3-4 раза дороже по сравнению с существующей атомной энергетикой. В ноябре 2011 года Международное энергетическое агентство представило годовой доклад, в котором отмечено, что мир не сможет обойтись без ядерной энергетики [9].
С точки зрения масштабов энергопотребления и необходимости снижения выбросов "парниковых" газов, ограниченности запасов углеродных энерге-тических ресурсов и необходимости перехода на безуглеродную энергетику использование атомной энергетики не вызывает сомнения.
Уже в настоящее время действующие российские атомные электростан-ции ежегодно предотвращают выброс в атмосферу примерно 210 млн. тонн СО2, а в целом атомные станции мира позволяют предотвратить выброс до 3,4 млрд. тонн углекислого газа, который считается основным фактором глобального потепления. Внешний вид АЭС показан на рис.1.7
В промышленно развитых странах (США, Франция, Бельгия и др.) атомная энергетика давно стала одним из важнейших источников энерго-обеспечения. Все большее количество стран, развитых и развивающихся, приходит к необходимости освоения на своей территории технологий мирного использования атомной энергии. В настоящее время, по данным МАГАТЭ, коммерческую ядерную энергетику имеют около 30 стран, свыше 60 новых стран выражают большой интерес к ядерной энергетике.
Согласно статистическим данным Всемирного ядерного агентства (World Nuclear Agency - WNA), по состоянию на 1 апреля 2011 года во всем мире было 438 действующих энергетических реакторов суммарной установленной мощностью 374127 МВт эл., что составляло примерно 8 % всех мировых электрогенерирующих мощностей [11]. В мире доля ядерной энергетики достигла 14 % общего объема вырабатываемой электроэнергии. Перешагнули порог 50 % доли атомной электроэнергетики в общей выработке электричества Франция, Словакия и Бельгия рис. 1.8.
Из 13 стран, где доля ядерной электроэнергетики превысила 1/3, кроме Южной Кореи, все находятся в Европе. Из приведенных данных (рис.1.8) видно, что мировая ядерная энергетика находится в странах и регионах с высоким спросом на электроэнергию, развитой экономикой, высоким уровнем технологического развития и небольшими запасами нефти.
Интерес к ядерной энергетике вызван еще и тем, что она может обеспе-чить потребителя необходимыми видами энергии: электричеством, теплом, энергоносителями, в том числе водородом. Внедрение атомной энергетики в неэлектрические сферы потребления энергетических ресурсов позволяет ис-пользовать энергию мирного атома в промышленности, на транспорте, в коммунальном секторе [12]. Важно и то обстоятельство, что атомная энерге-тика доступна для всех, в том числе малодоступных регионов мира, и технически подготовлена для масштабного развития. Этот вид энергии экологически чистый. Основное использование энергии деления атомов в настоящее время осуществляется в реакторах на тепловых нейтронах, которые еще в сороковые годах прошлого века были освоены для производства оружейных материалов – плутония и трития. Основой современной ядерной энергетики в мире являются так называемые легководные реакторы (LWR). Легководные реакторы (LWR) применяются более чем в 80 % эксплуатируемых в мире АЭС, использующих открытый топливный цикл [13].
В настоящее время в качестве основного топлива в ядерной энергетике является уран-235, запасы которого при крайне неэффективном его использовании невелики. Необходимо иметь ввиду, что в естественном уране содержание U-235 не превышает 0,714 % масс. Глобальные запасы урана в земной коре оцениваются в ~1014 тонн, однако добыча урана в настоящее время экономически выгодна только в тех местах, где концентрация урана в руде более 0,1 % [6]. Основным фактором, ограничивающим масштабное развитие ядерной энергетики, является ограниченность доступных запасов урана-235. По своему энергетическому потенциалу его запасы не намного превышают запасы нефти [8].
Сейчас в эксплуатации находится 359 реакторов типа LWR: 271 реактор с водой под давлением (PWR), включая российские реакторы ВВЭР, и 88 реак-торов с кипящей водой (BWR). Ядерная энергетика с реакторами на тепло-вых нейтронах, осваивающая не более 1,5 % природного урана, в принципе не может обеспечить создание крупной мировой энергетики табл.1.2.
Выход из этого положения можно найти на пути использования АЭС с реакторами-размножителями. С их внедрением эффективное использование природного урана может достигнуть 30-40 %. Широкое применение АЭС с реакторами-размножителями может решить проблему развития энергетики с точки зрения обеспеченности энергоресурсами в течение многих столетий без каких-то топливных ограничений.
Реализация возможностей ядерной энергии, по данным работы [1], достижима лишь на основе освоения замкнутого ядерного топливного цикла (ЯТЦ), с вводом реакторов, обеспечивающих простое или расширенное воспроизводство ядерного топлива. Реакторы на быстрых нейтронах позволяют не просто "сжигать" природный уран-235, а вырабатывать при этом новое топливо [12]. В этом случае атомная энергетика обладает практически неог-раниченными ресурсами топлива. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах способны воспроизводить новое топливо из U-238 или Th-232, запасы которых во много раз превышают ресурс U-235, используемого в настоящее время в легководных атомных реакторах.
Замыкание топливного цикла и разработка быстрых реакторов с расширенным воспроизводством топлива, по мнению большинства специалистов, может рассматриваться в качестве ключевого направления инновационного развития атомной энергетики [1 ,8, 12].
При многих преимуществах мирного атома есть очевидные недостатки. Это потенциальная опасность для людей и окружающей среды, и огромные капзатраты на строительство. Аварии на Three Miles Island (США), Чернобыльской АЭС (СССР), Фукусима (Япония) получили широкое международ-ное отражение в средствах массовой информации. Авария 11 марта 2011 года на Японской АЭС "Фукусима - 2" изменила отношение к ядерной энергетике во многих странах. В ряде стран Европы наблюдается рост антиядерных на-строений. Германия ввела мораторий на продление сроков действующих АЭС. В европейских странах с богатой экономикой и с развитым рынком электроэнергии, а именно: Австрии, Германии Бельгии, Италии, Швейцарии в настоящее время не рассматривают возможность строительства новых ре-акторов. В Японии в 2012 году из 54 ядерных реакторов работают лишь четыре. Для других АЭС местные власти не дают разрешения на дальнейшую эксплуатацию. Страхи, порожденные риском облучения, в широких слоях общественности могут задержать любые планы нового ядерного строительства.
США занимает первое место в мире по числу работающих реакторов - 104 блока. Ядерная энергетика обеспечивает около 20 % общего производства электроэнергии в стране. По прогнозам экспертов структура топливного баланса электроэнергетики США до 2035 г. заметно не изменится.
Во Франции эксплуатируется 58 реакторов PWR, которые обеспечили в 2010 году 75,2 % производства электроэнергии в стране. Франция не отказывается от программы развития ядерной энергетики. Великобритания и Испания так же не отказываются от использования ядерной энергии в энергообес-печение страны.
Китай (эксплуатируется 16 реакторов) и Индия (более 20 реакторов) со-храняют программу строительства атомных электростанций в прежнем объ-еме [14]. Индия планирует к 2050 году довести выработку электроэнергии на АЭС до 25 % [9].
Большинство стран, развивающих атомную энергетику (Финляндия, Словакия, Тайвань, Южная Корея, Бразилия, Аргентина, в том числе РФ) подтвер-дили планы на строительство новых энергоблоков. Такие страны как: Турция, Вьетнам, Бангладеш – также не отказываются от планов сооружения АЭС [8]. По оценке МАГАТЭ, минимальный рост ядерной энергетики в мире составит 25 % к 2035 году, максимальный - приведет к удвоению мощностей АЭС [9]. Наибольший рост будет в дальневосточном регионе.
События в Японии показали, что даже очень мало вероятные события (цу-нами, землетрясения) могут вызвать аварии на АЭС. Разрабатываемые новые конструкции реакторов содержат активные и пассивные системы безопасности, способные противостоять даже самым серьезным стихийным бедствиям [15]. Новые АЭС должны быть спроектированы и сооружены так, чтобы за 50-60 лет эксплуатации на них были исключены тяжелые аварии. Для ядер-ной и радиационной безопасности реакторным установкам необходима внут-ренняя самозащищенность, которая должна стать главным критерием при выборе перспективных конструкций ядерных реакторов [16].
Позиция России, сформулированная в Постановлениях Правительства (ФЦП) [17-19] заключается в стратегическом ориентировании на замкнутый топливный цикл, который включает разработку проектов быстрых реакторов с использованием в качестве теплоносителя натрия и свинца. Разрабатываются технологии топливного цикла, предусматривающие использование нит-ридного топлива и технологии уран-ториевого цикла. Программы ФЦП рас-считаны на период до 2025 года и предусматривают целый комплекс проек-тов по замыканию ядерного топливного цикла. В целом, в России предусмот-рено за 12 лет построить 26 крупных атомных блоков.
Согласно [20] установленная электрическая мощность АЭС в мире долж-на возрасти с 370 ГВт в 2009 году до 2000 ГВт к 2050 году, то есть мощности АЭС должны возрасти в 5-6 раз по сравнению с нынешним [12]. По состоянию на 1 апреля 2010 года во всем мире строились 52 ядерных реактора, 144 реактора находились в стадии проектирования; рассматривались также пред-ложения по строительству еще 344 реакторов [14].
Согласно данным работы [8], атомная энергия, особенно при условии эф-фективного замыкания ядерного топливного цикла, в общей энергетической стратегии, объективно представляет собой не альтернативу углеродной или возобновляемой энергетике, а является практически единственным гарантом обеспечения энергетической безопасности государств мира на долгую перспективу.
Практически все специалисты – атомщики сходятся во мнении, что осно-ву ядерной энергетики будущего составят быстрые реакторы, работающие в замкнутом цикле с высоким воспроизводством делящихся элементов.
На начальном этапе в странах развивающих реакторы на быстрых нейтро-нах: Франция, США, Индия, Россия планируется использовать оксидное (U,Pu)O2 -МОХ топливо. Дальнейшее усовершенствование связывается с вы-сокоплотным топливом: карбидным, нитридным или металлическим [21].
При этом надо решать задачу обеспечения безопасности во всех звеньях (на всех этапах) жизненного цикла: от добычи урана и до изоляции радиоактив-ных отходов [12].