Реакторы на быстрых нейтронах

При нынешних объемах и темпах роста атомной энергетики запасы природного дешевого урана ²³⁵U, используемого на АЭС, работающих на тепловых нейтронах, могут быть исчерпаны в ближайшие 50 лет. Поэтому одной из важнейших задач является вовлечение в энергобаланс основного изотопа урана ²³⁸U, содержание которого в природном уране составляет 99,3 %. Для этих целей могут использоваться реакторы-размножители на быстрых нейтронах. Работы по созданию таких реакторов были начаты в Советском Союзе в 1949 году. Первый опытный реактор на быстрых нейтронах БР-2 тепловой мощностью 2 МВт был пущен в 1956 году.

Первый крупный промышленный атомный реактор БН-350 был введен в работу в 1973 году в г. Шевченко на Каспии, энергия которого использовалась в основном для опреснения воды. На Белоярской АЭС успешно работает еще более мощный БН-600, пущенный в 1980 году, готовится к пуску в 2015 г. БН-800. В мире было создано всего несколько реакторов такого типа, которые по разным причинам были остановлены.

Для широкого внедрения реакторов на быстрых нейтронах должны быть решены сложные научно-технические проблемы. В реакторах на быстрых нейтронах исключается использование материалов, хорошо замедляющих нейтроны, поэтому в качестве теплоносителя применяется не вода, а расплавленный натрий, который в очень малой степени замедляет нейтроны и, обладая хорошими теплофизическими свойствами, обеспечивает эффективную передачу теплоты. Последнее обстоятельство очень важно для реакторов на быстрых нейтронах, так как они имеют высокую концентрацию делящихся материалов в единице объема активной зоны, а следовательно, высокую удельную мощность активной зоны и большие тепловые напряжения поверхности ТВЭЛов. К недостаткам натрия как теплоносителя относится его повышенное химическое взаимодействие с водой и паром. Поэтому, чтобы даже в аварийных ситуациях исключить контакт радиоактивного натрия с водой или паром, создают промежуточный контур.

В трехконтурных схемах (рисунок. 6.4) радиоактивный теплоноситель первого контура (жидкий натрий) из реактора направляется в промежуточный теплообменник, отдает в нем теплоту нерадиоактивному теплоносителю второго (промежуточного) контура и циркуляционным насосом возвращается в реактор.

Рисунок 6.4. Схема блока АЭС с реактором типа БН:

1–реактор; 2–теплообменник; 3–паровая турбина; 4– генератор; 5–конденсатор; 6–циркуляционный насос; 7– питательный насос; 8–парогенератор; 9–циркуляционный насос.

Теплоносителем второго контура также является натрий, он отдает теплоту в napoгенераторе рабочему телу – воде. Полученный в парогенераторе пар поступает в паровую турбину.

Второй промежуточный контур исключает возможное взаимодействие радиоактивного натрия с водой при появлении неплотностей в теплообменных стенках парогенератора. Введение этого контура приводит к дополнительному увеличению капитальных затрат, однако повышает надежность и безопасность работы станции.

В реакторах на быстрых нейтронах гораздо больше выделяется тепла в единице объема активной зоны, существенно выше интенсивность нейтронного потока и сложнее условия работы металла всех элементов реактора.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Виды возобновляемой энергии

К возобновляемым источникам энергии, ресурсы которых по мере использования не уменьшаются, относятся: солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, энергия морских приливов и волн, энергия биомассы. Все эти виды энергии имеют солнечное происхождение. Гидроэнергия в больших объёмах используется для производства электроэнергии, поэтому не относится к нетрадиционным источникам, исключая малые ГЭС.

К возобновляемым источникам энергии обычно относят и геотермальную энергию – глубинное тепло Земли, образующееся в недрах Земли в результате химических реакций, распада радиоактивных элементов и других процессов.

Самый мощный источник возобновляемой энергии – солнечная радиация. Считается, что на один квадратный метр поверхности Земли приходится в среднем около 150 Вт солнечной радиации. Мощность, поступающая с солнечными лучами на площадку суши размером 100´100 км², соизмерима с установленной мощностью всех электростанций планеты.

Однако преобразование солнечной энергии, как впрочем и других возобновляемых видов, в электрическую сопряжено с большими затратами. Это связано, главным образом, с низкой плотностью энергии, запасённой в любом возобновляемом источнике.

Другим недостатком возобновляемых источников является неравномерность поступления энергии. Наступила ночь, или солнце скрылось за тучами – резко снизилось поступление энергии.

Несмотря на это сегодня в мире использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) достигло промышленного уровня, ощутимого в энергобалансе ряда стран. Масштабы применения НВИЭ в мире непрерывно и интенсивно возрастают. В 2012 г. мощность энергоустановок на НВИЭ по данным РАН составила 990 ГВт, что больше мощности всех АЭС. Это направление является одним из наиболее динамично развивающихся среди других направлений в энергетике. В 2012 г объем инвестиций в ВИЭ составил. 244 млрд. долларов США.

Существенный импульс развитию НВИЭ во многих западных странах придал нефтяной кризис 1973 г., который по существу перевел это направление из стадии разрозненных НИР к стадии реализации целенаправленных государственных программ НИОКР и создания опытных и головных образцов оборудования и демонстрационных объектов по использованию НВИЭ. Эти работы являлись составной частью предпринятых энергосберегающих мероприятий, направленных на снижение зависимости от импорта нефтепродуктов.

По мере стабилизации нефтяного рынка и снижения мировых цен на нефть в 80-е годы главным стимулом развития НВИЭ стали экологические соображения, так как природоохранная идеология к этому времени прочно укоренилась в общественном сознании в развитых странах. В целом же использование НВИЭ рассматривается как альтернативная резервная технология в области энергетики, развитие которой необходимо, поскольку наперед неизвестно, в какие сроки и какие масштабные ограничения могут быть наложены на традиционную топливную и ядерную энергетику вследствие ее влияния на окружающую среду. Поэтому данное направление признано во многих странах одним из приоритетных направлений в энергетике. В 2012 г. в 138 странах действуют программы развития НВИЭ.

Развитие этого направления поддерживается узаконенным правом подключения НВИЭ к электрическим сетям энергоснабжающих компаний и продажей электроэнергии, налоговыми льготами и государственными программами финансирования научно-исследовательских работ по использованию НВИЭ.

Наиболее приоритетными по объёму финансирования являются НВИЭ на основе солнечной энергетика (100 млрд.$), затем следует ветровая энергия (80 млрд.), биомасса, и замыкают этот список малые ГЭС и энергия океана.

В настоящее время суммарная установленная мощность солнечных электростанций составляет более 100 ГВт, геотермальных более 6000 МВт, ветроэлектростанций – более 280 ГВт, приливных более 250 МВт.

Успехи России на этом направлении более скромные. И это при том, что ещё в 30-е годы прошлого века в созданном при Академии наук энергетическом институте по инициативе Г.М. Кржижановского были начаты исследования по возобновляемым источникам энергии, направленные на использование в первую очередь солнечной и ветровой энергии, а в 40-е годы в институте была создана специализированная лаборатория для проведения исследований в данной области.

Оценка экономического потенциала НВИЭ по России [7] составляет примерно 250 млн. т у.т. в год, в том числе геотермальная энергия – 115, малая гидроэнергетика – 65, энергия биомассы – 35, низкопотенциальное тепло – 32, солнечная энергия – 12, энергия ветра – 10.