1

Будущее развитие ядерной энергетики и роль термоядерного источника нейтронов

Экологически приемлемая ядерная энергетика

Е.П. Велихов

Будущее развитие ядерной энергетики и роль термоядерного источника нейтронов

Экологически приемлемая ядерная энергетика

Е.П. Велихов

НИЦНИЦ “ “Курчатовский ИнститутКурчатовский Институт””НИЦНИЦ “ “Курчатовский ИнститутКурчатовский Институт””

2

Распределение первичной энергии в мире, ВВП, %

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

исторически (средн. за год) исторически (средн. за месяц) прогноз (средн. за месяц)

Область неустойчивой экономики

май 2009

июль 2008

3

Комментарии

• Большая пропорция стоимости источников энергии в ВВП ограничивает экономическое развитие, приводит к стагнации или спаду в экономике. Значит, пропорциональный рост энергетики в будущем должен происходить только за счёт таких источников энергии, которые не очень дороги, способны покрыть дефицит и обеспечить нормальные условия функционирования экономики.

• Сегодня вопрос развития ядерной энергетики в разных странах видится как долгосрочное стратегическое направление развития энергетики.

• Полагаясь только на отработанные ядерные технологии, которые основываются на реакторах с водой под давлением и незамкнутом топливном цикле, мало оснований рассматривать это как основной стабилизирующий фактор.

4

Доступность источников энергии в зависимости от стоимости их

добычи

Стоимость добычи, относительные единицы

Уран 238

Уголь

Газ

Нефть

Уран 235

Суммарное потребление первичной энергии в XXI веке («средние сценарии»)

То

пли

вны

е р

есу

рсы

5

Современная ЯЭ не может рассматриваться как основа устойчивого развития по следующим причинам:

•Неэффективное использование топлива (эффективность ниже, чем в случае нефти и газа);

•Деградация нейтронного потенциала (потребление урана - 235, нет воспроизводства ядерного топлива);

•Накопление отходов пропорционально выработке энергии (придёт момент, когда тарифы на электричество будут недостаточны для управления ОЯТ и РАО);

•Ограничение масштабов и регионов использования;

•Увеличение угрозы неконтролируемого использования ядерных материалов.

Проблемы современной ЯЭ

6

Uranium demand and annual extraction potential .

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

Nat

ura

l ura

n, t

/yea

r

RAR:3.2 mil.t EAR-1:1.4 mil.t EAR-II:2.2 mil.t

SR:7.5 mil.t Total extraction:15mil.t Open fuel cycle demand

Незамкнутый топливный цикл 2030г. – 600 ГВт(эл) 2050г. - 1500 ГВТ(эл) П

ри

ро

дны

й у

ра

н, т

/го

д

Потребности в уране и прогнозы годовой добычи

Общая добыча: 15 млн. т Спрос на незамкнутый топливный цикл

7Uranium 2009: Resources, Production and Demand, OECD 2010, NEA No 6891

тU/г

од

Год

Разрыв между производством (черные столбики) и потребностью в реакторах (пунктирная линия), заполненный вторичными поставщиками

Потребность вреакторах

Высокая

Низкая

Уран 2009: Ресурсы, Добыча, Потребности, OECD 2010, NEA №6891

Прогнозы годовой добычи урана до 2035 года и прогнозы его мировой потребности для реакторов

8

Годовая добыча

010002000300040005000600070008000

1950 2000 2050 2100

мл

н.т

нэ

Прогноз добычи нефти

Прогноз годовой добычи природного урана

Потребность в природном уране

Добыча нефти

Добыча U

Мин. потребности в U

Mln of toe

Сравнение потенциалов производства энергии при использовании нефти и ЯЭ с незамкнутым

топливным циклом

Прогнозируемая добыча нефти

Прогнозируемая годовая добыча природного урана

Потребности в природном уране

9Уран 2009: Ресурсы, Производство, Cпрос, ОЭСР 2010, NEA No 6891

Ежегодная добыча урана и потребности в нём*(1945-2009)

тU

Год

*Оценены значения 2009 г. Мировые потребностиМировые потребности Мировая добыча

10

Total primary energy supply, mil toe

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

Oil Gas Coal Hydro Biomass and Waste Other Renewable Nuclear Unknown

Нефть 0.9 раза

Газ 1.1 раза

Уголь 4 раза

Биомасса 3 раза

Гидро 2 раза

Возобн. 9 раз

ЯЭ 3 раза

Нефть Газ Уголь Гидро Биомасса и отходы Другие возобновляемые Ядерная Неизвестные

Общий объём энергоисточников, млн. тнэ

Осуществление ренессанса в ядерной энергетике и

надёжные реакторы

Гибридный реактор (термоядерный реактор с

расплавно солевым делящимся

воспроизводящим бланкетом) - MSHT

Причины застоя современной ЯЭ определяются наличием серьёзных угроз и рисков – т.е. факторов,

способных сделать рассматриваемую технологию неприемлемой, или/и существенно ограничить область

её применения.Сейчас нет объективных причин для ренессанса

ЯЭ, т.к всё ещё присутствуют основные факторы, влияющие

на настороженное отношение к ядерной энергетике, несмотря на все “инновационные проекты”,

предлагаемые международным сообществом в рамках GEN-IV и INPRO.

Критерии для выбора направления долгосрочного развития, а также принципы выбора технологических решений для

будущего всё ещё не ясны.

Кажется, что несколько общих вопросов (“болевых точек”) приводят к наибольшим сомнениям в обществе, угрожая ренессансу в ядерной энергетике:

1. не устранённая угроза катастрофических аварий (с большими и опасными для общества неопределённостями их вероятностей);2. риски распространения оружейных материалов;

3. неопределённые риски, относящиеся к долгосрочному хранению долгоживущих токсичных отходов;4. угрозы потерь основных инвестиций в условиях ограниченного капитала, экономического кризиса и сильной инфляции;

5. эффект “прогрессирующего тупика” в сценарии развития ЯЭ, вызванного неясными ограниченными ресурсами ядерного топлива

КОММЕНТАРИИ

• Все эти вопросы вместе с соответствующими рисками/угрозами являются важными в соответствии с выше приведённым объяснением и определяющими (“решающими”) в отношении судьбы этой технологии.

• Развитие инновационной ядерной технологии, способной привести к реальному ренессансу производства ядерной энергии, обязательно потребует ядерных реакторов и топливных циклов «без рискового» качества (с известными способами внедрения) в отношении всех существенных рисков. Существующие реакторы на тепловых нейтронах, а также обычные быстрые охлаждаемые натрием реакторы, использующие оксидное топливо (как БН и SuperPhenix), не

обязательно определённо обладают этими свойствами.

О ядерной энергетике нового качества

Концепция новой экологически приемлемой ядерной энергетики, приводящая к её ускоренному возрождению, состоит в исключении существенных рисков и гарантированном недопущении основных рисков, применимых к современной ЯЭ.

Это не устраняет всех проблем ядерных технологий, однако, категория этих проблем может быть снижена до “обычных” вопросов, не накладывающих серьёзных ограничений на устойчивое и долгосрочное применение ЯЭ в будущем.

Тraditional and innovative strategies and consequences of their applications

NP

traditional innovative

Purposeful selection of technologies

towards elimination of vital risks

Technical and manageablereduction of all risks(as much as possible)

Vital risks Оrdinary risks

Probabilities of: dangerousevents, NP

non-acceptance

Acceptable energy production

Традиционные и инновационные стратегии и последствия их применения

ЯЭ

Обычные рискиОсновные (решающие)риски

Технические и организационные средства по сокращению всех рисков (насколько возможно)

Целенаправленный выбор технологий для устранения

основных рисков

Традиционная Инновационная

Производство общественно

приемлемой энергии

Вероятности: опасные события, неприятие ЯР

Ренессанс ЯЭ реален если

будут устранены все болевые точки

Способы гарантированного устранения решающих рисков

1. Возможно обеспечить гарантированное устранение угроз тяжёлых аварий, обеспечивая само-защищённость реактора от разрушения (в особенности активной зоны), что основывается, например, на:

– Исключении аварий с неконтролируемыми переходными режимами (Реактивностные аварии) – это возможно за счёт организации эксплуатации в подкритическом режиме с внешним источником делящихся нейтронов

– Решении проблемы отвода остаточного тепла от остановленного реактора благодаря постоянной очистке циркулирующего расплавно солевого топлива от продуктов деления

– Ограничении накопленной не ядерной энергии к уровню, не допускающему повреждения зоны. В случае возникновения исходного события в системе не должно быть скрытой механической (давление) и химической (цирконий, натрий) энергии

2. Предотвращение угрозы воровства оружейных материалов (именно этот случай может рассматриваться как важный) может быть достигнуто только при использовании реакторов и технологий топливного цикла самозащищённых от любого несанкционированного перемещения ядерного топлива,

например, посредством:полного отказа от обогащения подпиткой, а также в целом от технологии обогащения в ядерной промышленности;

отказа от повторного обогащения (при

переработке ОЯТ) делящимися изотопами.

3. Серьёзные риски от трансурановых отходов + хранение долгоживущих продуктов деления

Похоже, что задача сохранения радиоактивного баланса при развитии ядерной энергетики может быть решена путём использования свободных от рисков топливных циклов, что включает в себя:

• загрузку реакторов необогащённым ураном;• очистку ОЯТ от короткоживущих и долгоживущих

продуктов деления;• отказ от разделения остаточных актинидов и

лантанидов, создание специального “рабочего пространства” в реакторах для их сжигания (с учётом медленного роста “экспоненциального типа” парка реакторов);

• Частичную трансмутацию высоко токсичных долгоживущих продуктов деления в MSHT.

4. Очень важны серьёзные риски потери инвестиций

• Недавно эти риски значительно выросли и продолжают расти – в основном из-за мероприятий по повышению безопасности. Условия кредитования ухудшились из-за длительного времени строительства АЭС.

• Эти факторы подрывают экономику и препятствуют инвестициям даже на уровне правительственных заказов.

Значимость инвестиционных рисков снизится в случае снижения рисков (вдвое или более). Резкое снижение инвестиционных рисков наряду с ростом экономики станет возможным при существенном сокращении времени строительства АЭС благодаря изготовлению на заводах автономных модулей, упрощению мер по безопасности реакторов и удешевлению запасов ядерного топлива.

5. Серьёзный риск быстрого исчерпания

топливных ресурсов

Этот риск можно избежать обратившись к расплавно солевому гибридному токамаку, что становится доминирующей идеей в ядерной энергетике ближайшего будущего.

Самоснабжение топливом и рост парка АЭС станет возможным только в случае положительного прироста воспроизводства.

Теоретически такая ядерная энергетика могла бы начаться почти “с нулевого уровня”, когда появится первый реактор, свободный от рисков.

О концепциях подкритичного ядерного реактора и топливного циклах, свободных

от рисков

Устранение всех серьёзных рисков – это сложная задача. Она реальна не для всех известных типов реакторов. Анализ показывает, что MSHT лучше всего подходит для этой цели,а эта задача может быть решена даже в рамках имеющихся технологий. Базируясь на инновационных идеях, MSHT делает акцент на:

• радикальное улучшение нейтронного баланса;• использование модульных конфигураций

бланкета;• продление времени эксплуатации топлива с

учётом равновесного режима;• правильная реорганизация топливного цикла.

ВОЗМОЖНОСТИ Маркетинга

Ядерная энергетика, основанная на MSHT, позволит решать вопрос создания большого количества реакторов (включая переработку топлива) и “простого” производства энергии (без переработки топлива). Эти вопросы должны быть распределены между разными группами стран, которые будут обеспечивать ядерной энергией с обязательными элементами физической защиты в отношении распространения оружейного материала, а также вносить вклад в рыночную маневренность

Рекомендуемая конфигурация MSHT

Можно предложить следующие возможные варианты АЭС:• АЭС, состоящие из MSHT с небольшими модульными расплавно

солевыми бланкетами с жёстким спектром нейтронов, они будут защищены от тяжёлых аварий;

• Совмещённые со свободным от рисков топливным циклом и сжигающие остаточные трансурановые элементы – наиболее токсичные долгоживущие продукты деления в бланкетах реакторов,

• АЭС с быстрым спектром расплава соли.

Reactor DEMO-SReactor DEMO-S

Нейтронный и энергетический балансНа 1 нейтрон 14 mev.

U-238 Th-232

Захват Деление

3.35 0.6467

Захват Деление

1.73 0.14

Энергия на 1 н (14 mev.)

143 mev.Энергия на 1 н (14 mev.)

42 mev.

Энергия на одно ядро производства делящегося изотопа

43 mev 25 mev

Энергия для производства дополнительных ядер в быстром реакторе превышает 500 mev

Потенциал производства ядерного топлива

При условии равной мощности 1ГВт(эл)

Производство в быстром реакторе

( BR=1.6) 280 кг/ГВт(эл)/год

ТИН 2900 кг/ГВт(эл)/год

Доля ТИН в структуре ядерной энергетики должна быть мала.

Ядерная энергетика с термоядерными нейтронами

Потребление природного урана до 2100г. 10 млн. т

Ежегодное потребление природного урана в 2100г. - 30 000 т/год

ТИН начиная с 2050

Доля ТИН в системе к 2100 < 7 %

С 2050г. ВТГР в ториевом цикле

С 2030г. FBR-С с КВ=1 – утилизация плутония

Условия для установки Условия для установки LSBLSB ТИН ТИН

Первая стенка ТИНа Катушки тороидального магнитного поля

Первая стенка ТИНа Катушки тороидального магнитного поля

Конструкция ТИН Модель ТИН(экваториальное сечение)

Первая стенка ТИН

Катушки ПП

LST Composition Technology

EXAMPLE: Reduction potentials of An(III)/An(0) and Ln(III)/Ln(0) in LiCl–KCl eutectic with liquid bismuth at 723 K under the conditions: xM(salt) = xM(Cd) = xM(Bi) = 0.001; dotted line indicates Fermi levels F (corresponding to the salt redox-potential)

PROBLEM: electron levels of impurity components are within the prohibited zone of the salt electrolyte. Therefore fine adjustment of the Fermi level and LST composition is required for managing of the extraction and solution of impurities.

F

F

А) – impurities are not extracted at allВ) – level of the salt redox-potential, when all metallic impurities (except for uranium) are extracted

• Ренессанс FP станет возможным, если все (ПЯТЬ) решающих рисков будут преодолены

• Устранение рисков возможно на базе MSHT –расплавно солевом (MS) гибриде (Н) токамака (Т) и инновационного топливного цикла /конструкция – модульная, самозащищённая от опасных событий, загруженном Th/природным U, плотный подкритичный бланкет с улучшенным нейтронным балансом и возможностью сжигания остаточных актинидов и долгоживущих продуктов деления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конструкция MSHT, свободная от основных рисков, может

быть быстро реализована, в основном, путём использования уже известных технологических решений (как это уже делалось в нетрадиционных проектах ИТЭР и РСР (MSBR).

Установка ИТЭР может стать технологической платформой для такого гибридного реактора. Существующий научный и технический уровень достаточен для этого.

34

Спасибо за внимание!