Развитие атомной энергетики Реакторы транспортных двигательных установок Реакторы на быстрых нейтронах Реактор РБМК Реактор ВВЭР Реактивностные аварии Аварии с потерей теплоносителя

Атомная энергетика. Типы ядерных реакторов

Таким образом, если в отработавшем топливе будет содержаться плутоний в количествах, даже больше тех, которые были в начале его загрузки, то не извлекать его просто непростительно, а замкнутый топливный цикл - это опять деньги, затраты. Вот по этой причине работы эти в США прекратились. Во Франции, где был взят курс на ускоренное развитие атомной энергетики (во Франции ~ 80 % электричества производят на атомных станциях), такие реакторы интенсивно развивались, но там эти реакторы имели технические неудачи – два быстрых реактора оказались неработоспособными. По-видимому, во Франции не сумели освоить эту технологию, хотя если бы даже и сумели, то экономически она была бы невыгодна. Поэтому эти работы во Франции были остановлены, так же, как и в Германии, где они велись. Япония продолжает развивать направление быстрых реакторов, там был построен демонстрационный реактор М , но в 1994 г. там при наладочных работах случилась протечка натрия из нерадиоактивного, к счастью, контура. Был натриевый пожар, который долго не могли найти, долго не тушили, к тому же не предпринимали никаких мер. Такого разгильдяйства от японцев никто в мире не ожидал, вот если бы у нас такое произошло – это еще можно было понять, но для Японии, для их менталитета это была катастрофа. Трагедия была настолько велика, что руководитель всего этого проекта покончил жизнь самоубийством (выбросился из небоскреба). После этого происшествия полностью была реорганизована структура управления этим проектом, расформирован старый институт, организован новый. А причина аварии была совершенно пустая – в трубопровод была вварена гильза-термопара, но переход от тонкого металла к тяжелому в термопаре был сделан резким, это привело к тому, что в поперечном потоке натрия постепенно шла вибрация, образовалась трещина и натрий «засвистел» туда. Вот это и привело к аварии, совершенно, казалось бы, на ровном месте. 

Таким образом, вся программа была остановлена, был объявлен конкурс на 15 лет, состоящий из нескольких этапов – о выборе теплоносителя для такого реактора и другие вопросы, говорящие о кризисных явлениях в вопросе о быстрых реакторах. Но кризис в области быстрых реакторов является частным случаем того кризиса, который наблюдается в мировой атомной энергетике.

Какие же более общие закономерности этого кризиса? Наиболее характерным элементом кризиса атомной энергетики является прекращение заказов на строительство новых АЭС. Атомная энергетика сегодня развивается не в развитых странах, а в таких, как Япония, Корея, Китай, Индия. США в настоящее время не строят атомные станции, Франция не строит АЭС (впрочем, там много атомных станций). А в таких странах, как Германия и Швеция на уровне парламента правительством принято решение о свертывании ядерной энергетики. Это является очень серьезным сигналом - когда на таком высоком уровне принимается такое решение. В чем же причина таких явлений? Конечно, удар нанес атомной энергетике Чернобыль. У нас, может быть, почувствовали неладное в атомной энергетике только после Чернобыля, а на Западе почувствовали еще раньше, в 1979 г., когда на станции Трии-Майн-Айленд (типа ВВЭР), произошла очень серьезная авария с оплавлением активной зоны. Там произошло вкратце следующее: когда стало расти давление в первом контуре, предохранительный клапан открылся, в прежнее положение не вернулся, вода стала выкипать, активная зона осталась без охлаждения. Персонал сразу не разобрался в том, что там происходит и спасло от эвакуации и тяжелых последствий только то, что над блоком там был по закону контейнмент, т.е. защитная оболочка, чего не было на РБМК.

После этого случая и особенно, конечно, после Чернобыля, стала интенсивно развиваться научная мысль - а можно ли избежать в будущем подобных катастроф? Ведь еще одна такая катастрофа, и атомная энергетика будет закрыта навсегда. Что делать, в принципе, было понятно. Надо наращивать количество систем безопасности и увеличивать количество защитных барьеров. Т.е. если, было, например, три независимых источника надежного электроснабжения, надежного охлаждения подачи питательной, значит, ставят четвертый. Если, например, они были в холодном резерве, то ставится требование, чтобы они были в горячем резерве. В проекте «Система 80+», например, все время крутятся газотурбогенераторы, на холостых оборотах, в холостом режиме, все время поддерживается синхронизация. Эти дополнительные меры тоже требуют затрат. Если была одна защитная оболочка, то в современной защите стали строить две, а между ними еще располагать воду, чтобы в случае крупного разрыва первого контура, когда пар пойдет под контейнер, этот пар сконденсировался, собирался и снова возвращался обратно, чтобы активная зона не оставалась без охлаждения. Раньше никто не думал, что может быть авария с расплавлением активной зоны, что днище корпуса может проплавиться, все может попасть в бетонную шахту, разрушить там грунтовые воды, привести к экологической катастрофе. Теперь, чтобы это предусмотреть, надо делать тугоплавкий «унитаз» под реактором. Все это привело к тому, что стоимость современных проектов, которые рассматриваются как третье поколение атомных реакторов, существенно выросла. Выросли как капитальные затраты, так и эксплуатационные расходы.  Проблема повышения безопасности была решена, но какой ценой? Такой ценой, что экономические показатели станций подошли очень близко к показателям станций, работающих на природном газе. Газовые станции строятся гораздо быстрее атомных (тем более по сложным проектам) и КПД термодинамический газовых станций уже ~ 60 % потому, что газовая турбина закрывает верхний уровень цикла.

Вопрос: газа то надолго хватит?

Органических ресурсов в земле много, но вопрос в степени их доступности и в их цене. И если мы знаем, что урана хватит на 50-100 лет (235U, дешевого урана), то геологи говорят, что газа тоже лет на 100 хватит. Причем, в России его очень много по сравнению с другими странами. Ну, а дальше можно бурить шельф, делать подводные скважины и т.д.

Хотя газовые запасы в мире велики, цена на газ будет возрастать, однозначно. И в этом смысле атомная энергетика, конечно, находится в более выгодных условиях по сравнению с газовой. У атомной энергетики есть свои плюсы и минусы по сравнению со станцией на газовом топливе. Минус такой, что структура себестоимости электроэнергии на атомной станции следующая: капитальные затраты большие, а топливные составляющие маленькие. Если уже АЭС окупила за 15-20 лет капитальные затраты, то она работает очень экономично и вполне конкурентоспособна. Самое трудное в этом случае - добыть стартовый капитал, чтобы построить АЭС. А на обычной станции наоборот – капитальные затраты маленькие, но эксплуатационные расходы большие. Поэтому чувствительность тарифа, т.е. продажной цены, от цены природного газа гораздо больше для обычных станций (тепловых), чем для атомных. Но особенно интересная ситуация в России, потому что газ на внутреннем рынке у нас продается по цене, в шесть раз меньшей, чем цена газа, по которой он продается за рубежом. Поэтому, если рассмотреть какой-нибудь пятидесятилетний или столетний период, России потеря конкурентоспособности не грозит, потому что неизбежно будет возрастать цена на природный газ.

Если говорить сейчас о проблеме безопасности и связанной с ней проблемой роста капитальных эксплуатационных затрат, то после Чернобыля потребовалось внедрение дополнительных мер, которые привели к тому, что стоимость современного проекта АЭС стала в два раза больше, чем проекта, который создавался, допустим, тридцать лет назад. Из-за такого «наворота», система нормальной эксплуатации составляет уже меньшую долю стоимости систем, которые обеспечивают техническую безопасность. Вот в связи с этим стали анализироваться причины, что это – закономерность, это неизбежно для атомной энергетики? Если это неизбежно, то это плохо. Почему плохо? Потому, что обоснование безопасности современных атомных станций делается на уровне вероятностного анализа. В правилах написано, что вероятность разрушения активной зоны не больше, чем 10-5 на 1 реакторо-год, а вероятность катастрофической аварии не больше, чем 10-7 на 1 реакторо-год. Как можно уменьшить эти вероятности? Наращиванием систем безопасности. Если сделаны четыре системы безопасности, то очень маловероятно, чтобы все четыре системы отказали одновременно. Но когда рассматривают риск, и учитывают, что они все-таки могут отказать, и от этого может быть плохо, тогда предлагается поставить пятую систему безопасности. Можно увеличить число барьеров, третий контейнер поставить и т.д. Но вероятностный анализ уязвим с точки зрения не только обывателя, но и по существу. Теория вероятностей – это теория случайных событий. Случайное событие и теория вероятности не позволяют сказать, когда произойдет это событие. Сегодня все больше и больше учитывается мнение общественности, даже в России, а на Западе это вообще обязательное правило, и когда представители атомной энергетики начинают агитировать население, говоря, что в этой отрасли очень безопасно, на 1 миллион реакторо-лет может произойти всего один тяжелый случай. Могут спросить: «Это что, значит, только через миллион лет такая авария может произойти?» Если отвечать правду, то нужно говорить «нет», это только вероятность аварии, а произойти она может с равной вероятностью и завтра, и через один миллион лет. Не дает теория вероятности ответа на вопрос – когда это произойдет. Тогда обыватели говорят: «Нет, мы подождем, если авария может быть завтра, то обождем. Обойдемся без атомной энергетики, будем уголь жечь, дрова и т.д.» Потому что все очень напуганы Чернобыльской аварией, опасность настолько преувеличена, что восприятие людей примерно в 100 раз больше реальной опасности.

Нам надо понять, действительно ли это закономерность атомной энергетики - такое обоснование безопасности или это определенный этап ее развития, определяемый типом используемых реакторов. Что можно прежде всего здесь сказать? Откуда берется опасность? Пока радиоактивность внутри, она опасности не представляет. Опасность наступает тогда, когда радиоактивность вырывается наружу. Это же зависит от того, какой запас потенциальной энергии различных видов сосредоточен в реакторе. Если нулевой запас потенциальной энергии, то ясно, что никакого превращения в кинетическую энергию взрыва быть не может. Существующие типы реакторов внутри себя несут большой запас потенциальной энергии, и при ошибках, отказах и т.д. этот запас может высвободиться и привести к тяжелым последствиям. Поэтому с запасенной потенциальной энергией надо быть начеку. Какие виды энергии могут содержаться в реакторе и высвободиться? Прежде всего потенциальная энергия сжатия, термостатика. Т.е., если мы рассматриваем водоохлаждаемый реактор, то первый контур и корпус реактора работают под давлением воды и сила сопротивления материала стального корпуса постоянно сдерживает силу внутреннего давления. Если по каким-то причинам металл устал вследствие какой-нибудь вибрации, возникли трещины из-за коррозионных процессов, охрупчивания корпуса из-за того, что нейтроны все время портят кристаллическую решетку и т.д., то в любой момент возможно хрупкое разрушение. Всегда нужно быть начеку, потому что может быть разрыв первого контура. Известно, что сосуды высокого давления иногда вырываются. Видимых причин нет, а возникает разрыв сосудов высокого давления, и с воздухом, и с газом и т.д. Значит, поскольку, контур взорвался (локальное или механическое повреждение), это сразу приводит к огромному выбросу радиоактивности. Следовательно, первое, над чем надо подумать: а можно ли сделать такой реактор, где бы не было запаса потенциальной энергии сжатия? Например, если рассмотреть закрытую бутылку воды - в этом случае будет только давление столба этой жидкости на донышко. Но даже если допустить, что искусственно создан дефект и этот корпус (бутылка) разрушился, вода выльется, но взрыва никакого не будет, потому что в холодной воде нет запаса потенциальной энергии сжатия. А вот если взять такую же бутылку, но стальную, и воду нагреть до 3000 С, как в реакторе ВВЭР, то ситуация коренным образом меняется. Так взрываются барабаны паровых котлов, т.е. появился запас потенциальной энергии и возникла совсем другая ситуация.

Другие виды энергии. Одна из них - химическая потенциальная энергия. Это то, что может высвободиться, при протекании химической экзотермической реакции (с выделением тепла).Известно, что в быстрых реакторах используется натриевый теплоноситель, это типичный случай того, что в теплоносителе первого контура сосредоточена химическая потенциальная энергия. Если разрушится первый контур быстрого реактора, будет контакт натрия с воздухом, пойдет экзотермическая реакция с выделением тепла, с горением, с плавлением. Если рассмотреть реактор РБМК с точки зрения химической энергии, то нужно обратить внимание на графит. Графит (углерод) вообще считается не горючим материалом, его очень трудно зажечь (во всяком случае, его спичкой не зажжешь). Но представим себе ситуацию, которая была на четвертом блоке Чернобыльской АЭС: водяное принудительное охлаждение прекратилось, вода вся ушла, а остаточное тепловыделение в топливе осталось и графит стал разогреваться, рапалился до 2000 –30000 С, в конце концов, при высокой температуре он начал гореть и образующийся дым и аэрозоли разнеслись на очень большие площади. Далее, рассмотрим саму воду. Вода – это химическое соединение водорода и кислорода, при нормальных условиях мы не ощущаем никакой опасности из-за состава этого химического соединения. Но при высокой температуре и под действием радиации молекулы воды могут распадаться, диссоциировать на водород и кислород, а водород с кислородом образуют уже гремучую смесь. Вот на станциях это явление представляет одну из причин опасности, необходимо всегда обеспечивать взрывобезопасность по водороду, обязательно контролировать содержание водорода выше уровня воды, где он может быть, каталитически и в системе зажигания и т.д. Кроме того, если рассматривать реакторы с циркониевыми оболочками, которые сегодня используются в твэлах или каналах, то при высоких температурах водяной пар вступает в химическую реакцию с цирконием. А образуется двуокись циркония ZrO2 и водород, т.е. опять возникает возможность водородных взрывов, пожаров и т.д.

Если говорить о ядерной энергии, ее высвобождение зависит от запаса реактивности, которая может высвободиться при аварийных условиях. Таким образом, надо понять, можно ли устранить все эти потенциальные источники опасности? Нельзя сказать, что все это не было известно в 50-х годах, когда атомная энергетика только что начала развиваться.

Рассмотрим сначала, какие достоинства имеет атомная энергетика, почему она появилась в мире? Главное достоинство атомной энергетики заключается в том, что в качестве топлива она использует материал уран, который не используется более нигде

Дело в том, что гражданская атомная энергетика стала развиваться на базе достижений военной атомной энергетики. Если бы не была поставлена задача создания ядерного оружия и не были бы созданы соответствующие научная и промышленная базы, то атомной энергетикой никто бы не занимался - еще лет сто вполне можно было бы использовать органическое топливо.

Есть проблема политическая – нераспространение делящихся ядерных материалов

Сущность процессов, которые протекают в реакторе во время его работы.

 


Система автоматического управления или поддержания мощности реактора