ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Физико-технический институт Руководитель отделения ядерных технологий Шаманин Игорь Владимирович

Основные ядерные технологии Ядерные технологии – это технологии, базирующиеся на протекании ядерных реакций, а также технологии, направленные на изменение свойств и переработку материалов, содержащих радиоактивные элементы, либо элементы, на которых протекают ядерные реакции Ядерные энергетические технологии: -Технологии ядерных реакторов на тепловых нейтронах -Технологии ядерных реакторов на быстрых нейтронах -Технологии высоко- и сверхвысокотемпературных ядерных реакторов

Ядерные химические технологии: - Технологии ядерных сырьевых материалов и ядерного топлива -Технологии материалов ядерной техники Ядерные технологии изотопного обогащения и получения моноизотопных и особочистых веществ: - Газодиффузионные технологии - Центрифужные технологии - Лазерные технологии Ядерные медицинские технологии

рост населения и глобального энергопотребления в мире, острая нехватка энергии, которая будет только увеличиваться по мере истощения природных ресурсов и опережающего роста потребностей в ней; ужесточающаяся конкуренция за ограниченные и неравномерно размещенные ресурсы органического топлива; обострение комплекса экологических проблем и нарастающие экологические ограничения; нарастающая зависимость от нестабильной ситуации в районах стран-экспортеров нефти и прогрессирующий рост цен на углеводороды; Положения, незыблемые для составления прогнозов в области сценариев будущего:

нарастающее различие в уровне энергопотребления богатейших и беднейших стран, разница в уровнях энергопотребления различных стран, создающая потенциал социальной конфликтности; жесткая конкуренция между поставщиками технологий для АЭС; необходимость расширения сфер применения ядерных технологий и широкомасштабного энерготехнологического использования ядерных реакторов для производственных сфер деятельности; необходимость проведения структурных преобразований и реформ в жестких условиях рыночной экономики и др. Положения, незыблемые для составления прогнозов в области сценариев будущего:

Доли стран в мировой эмиссии СО 2 США - 24,6% Китай - 13% Россия - 6,4% Япония - 5% Индия - 4% Германия - 3,8%. АЭС с электрической мощностью в 1 ГВт экономит 7 миллионов тонн выбросов СО 2 в год по сравнению с ТЭЦ на угле, 3,2 миллиона тонн выбросов СО 2 по сравнению с ТЭЦ на газе.

Схематическое устройство гетерогенного ядерного реактора на тепловых нейтронах 1 управляющий стержень; 2 биологическая защита; 3 корпус; 4 замедлитель; 5 ядерное топливо; 6 теплоноситель.

Стержневой тепловыделяющий элемент (ТВЭл) 1 заглушка; 2 таблетки диоксида урана; 3 оболочка из циркониевого сплава; 4 пружина; 5 втулка; 6 наконечник.

Тепловыделяющая сборка 1 дистанцирующая арматура; 2 оболочка ТВЭЛа; 3 таблетки диоксида урана.

Ядерный топливный цикл

Ядерная эволюция В мире работают около 440 коммерческих ядерных реакторов. Большинство из них находится в Европе и США, Японии, России, Южной Корее, Канаде, Индии, Украине и Китае. По оценке МАГАТЭ, по крайней мере, еще 60 реакторов будут введены в строй в течение 15 лет. Несмотря на многообразие типов и размеров, существует всего четыре основных категории реакторов: Поколение 1 – реакторы этого поколения разработаны в 1950-е и 1960-е годы, и представляют собой видоизмененные и укрупненные ядерные реакторы военного назначения, предназначенные для движения подводных лодок или для производства плутония. Поколение 2 – к этой классификации относится подавляющее большинство реакторов, находящихся в промышленной эксплуатации. Поколение 3 – в настоящее время реакторы данной категории вводятся в эксплуатацию в некоторых странах, преимущественно в Японии. Поколение 4 – сюда относятся реакторы, которые находятся на стадии разработки и которые планируется внедрить через лет.

Ядерная эволюция Реакторы Поколения 3 называют «усовершенствованными реакторами». Три таких реактора уже функционируют в Японии, большее количество находится в стадии разработки или строительства. В стадии разработки находится около двадцати различных типов реакторов этого поколения. Большинство из них являются «эволюционными» моделями, разработанными на базе реакторов второго поколения, с внесенными изменениями, сделанными на основе новаторских подходов. По данным Всемирной ядерной ассоциации, поколение 3 характеризуется следующими пунктами: Стандартизированный проект каждого типа реактора позволяет ускорить процедуру лицензирования, снизить затраты основных средств и продолжительность строительных работ. Упрощенная и более прочная конструкция, делающая их более простыми в обращении и менее восприимчивыми к сбоям в процессе эксплуатации. Высокий коэффициент готовности и более длительный период эксплуатации – примерно шестьдесят лет. Снижение возможности возникновения аварий с расплавлением активной зоны Минимальное воздействие на окружающую среду. Глубокое выгорание топлива для снижения его расхода и количества отходов производства. Поколение 3

Ядерные реакторы третьего поколения Европейский реактор с водой под давлением (EPR) EPR – это модель, разработанная на основе французского N4 и немецкого KONVOI - разработок второго поколения, запущенных в эксплуатацию во Франции и Германии. Модульный реактор с шаровой засыпкой (PBMR) PBMR является высокотемпературным газоохлаждаемым реактором (HTGR). Реактор с водой под давлением Существуют следующие типы дизайнов больших ректоров: APWR (разработчики - компании Mitsubishi и Westinghouse), APWR+ (японская компания Mitsubishi), EPR (французская компания Framatome ANP), AP-1000 (американская компания Westinghouse), KSNP+ и APR-1400 (корейские компании) и CNP-1000 (Китайская национальная ядерная корпорация). В России компаниями Атомэнергопроект и Гидропресс разработан усовершенствованный ВВЭР-1200.

Концепции реакторов, выбранные для Поколения 4 GFR - Реактор на быстрых нейтронах с газовым охлаждением LFRРеактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый свинцом MSR - Реактор на расплавленных солях : Урановое топливо расплавляется в соли фторида натрия, циркулирующей по графитовым каналам активной зоны. Тепло, вырабатывающееся в расплавленной соли, отводится во второй контур Реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением VHTR – Сверхвысокотемпературный реактор: Мощность реактора 600 Мвт, активная зона охлаждается гелием, графитовый замедлитель. Рассматривается в качестве самой многообещающей и перспективной системы, направленной на выработку водорода. Производство электроэнергии на VHTR должно стать высокоэффективным.

Научные исследования – основа деятельности и развития атомной отрасли Вся практическая деятельность атомной энергетики опирается на результаты фундаментальных и прикладных исследований свойств материи Фундаментальные исследования: фундаментальные свойства и структура материи, новые источники энергии на уровне фундаментальных взаимодействий Исследования и управление свойствами материалов – Радиационное материаловедение, создание конструкционных коррозионно-стойких, жаропрочных, радиационно-стойких сталей, сплавов и композиционных материалов

Научные исследования – основа деятельности и развития атомной отрасли Конструирование, проектирование, технологии. Создание приборов, оборудования, средств автоматизации, диагностики, контроля (общее, среднее и точное машиностроение, приборостроение) Моделирование процессов. Развитие математических моделей, расчетных методов и алгоритмов. Разработка методов параллельных вычислений для проведения нейтронно-физических, термодинамических, механических, химических и других расчетных исследований с применением суперкомпьютеров

АЭ в среднесрочной перспективе В мире к 2030 году ожидается удвоение мощностей АЭ Ожидаемый рост мощностей АЭ может быть обеспечен на основе дальнейшего развития технологий реакторов на тепловых нейтронах и разомкнутого ЯТЦ Основные проблемы современной АЭ связаны с накоплением ОЯТ (это не РАО!) и риском распространения в мире чувствительных технологий ЯТЦ и ядерных материалов

Задачи по созданию технологической базы крупномасштабной АЭ Освоение и внедрение в АЭ реакторов- размножителей на быстрых нейтронах Полное замыкание ядерного топливного цикла в АЭ по всем делящимся материалам Организация сети международных ядерных топливно-энергетических центров по предоставлению комплекса услуг в области ЯТЦ Освоение и внедрение в АЭ реакторов для промышленного теплоснабжения, производства водорода, опреснения воды и др.целей Реализация оптимальной схемы рецикла в АЭ высокорадиотоксичных младших актинидов

Реакторная установка МГРТ энергоисточник для комбинированного производства водорода, электроэнергии и высокопотенциального тепла Компоновка реакторного модуля МГРТ для варианта с паровой конверсией метана

Реактор МГРТ

Блок преобразования энергии

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА При окислении метана на никелевом катализаторе возможны следующие основные реакции: СН 4 + Н 2 О СО + ЗН 2 – 206 кДж СН 4 + СО 2 2СО + 2Н 2 – 248 кДж CH 4 + 0,5О 2 CO + 2H кДж СО + Н 2 О СО 2 + Н кДж Высокотемпературную конверсию осуществляют в отсутствие катализаторов при температурах °С и давлениях до 3035 кгс/см 2, или 33,5 Мн/м 2 ; при этом происходит почти полное окисление метана и др. углеводородов кислородом до CO и H 2. CO и H 2 легко разделяются.

ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА Восстановление железа из руды: 3CO + Fe 2 O 3 2Fe + 3CO 2 Водород способен восстанавливать многие металлы из их оксидов (такие, как железо (Fe), никель (Ni), свинец (Pb), вольфрам (W), медь (Cu) и др.). Так, при нагревании до температуры °C и выше происходит восстановление железа (Fe) водородом из его любого оксида, например: Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

ЧЕТЫРЕХМОДУЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ АЭС НА БАЗЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

Заключение Несмотря на все свои проблемы, Россия остается великой «ядерной» державой, как с точки зрения военной мощи, так и в рамках потенциала экономического развития (ядерные технологии в экономике России). Ядерный щит– гарант независимой экономической политики России и стабильности во всем мире. Выбор ядерной индустрии в качестве локомотива экономики позволит сначала подтянуть на достойный уровень машиностроение, приборостроение, автоматику и электронику и др., в ходе чего произойдет закономерный переход количества в качество.