Все о ядерной энергетике

 Использование органического топлива — нефти, угля для нужд энергетики становится в настоящее время все проблематичнее. Легкодоступные запасы его в Украине практически исчерпаемы. Неуклонно растут расходы на добычу и перевозку органического топлива, увеличивается доля трудовых ресурсов, занятых снабжением топливом народного хозяйства. К тому же целесообразно сохранить уголь, нефть и газ как ценное сырье для других отраслей промышленности. Масштабы потребления энергии в стране показывают, что доля народнохозяйственных затрат в энергетической сфере будет возрастать. Поэтому в расчет следует брать необходимость дальнейшего повышения энерго- и электровооруженности труда в промышленности и сельском хозяйстве, переход к разработке все более глубоких и тонких пластов углей шахтного залегания, повышения требований к защите окружающей природной среды и человека. Такой комплексный подход позволяет наиболее точно оценить роль атомной энергетики в народнохозяйственном комплексе.

 Направления и способы достижения безопасности атомных станций в основном определились и во вновь разрабатываемых проектах различаются не принципами, а совершенством технических решений, которые должны способствовать предотвращению аварийных состояний и обеспечивать минимально необходимый контроль и управление аварийными процессами, а также ограничение последствий аварий.

 Имеющиеся к настоящему времени исследования позволяют считать, что безопасность атомной станции достигается при выполнении следующих требований:

 -реализация внутренней самозащищенности реактора за счет отрицательных температурных (мощностных) обратных связей в активной зоне и тепловой инерционности реактора;

 -использование пассивных средств для защиты и аварийного расхолаживания, не требующих для своего включения и функционирования энергии извне и вмешательства оператора;

 -учет ошибки оператора как фактора, усугубляющего развитие аварии;

 -организация достаточной системы защитных барьеров на пути возможного распространения радиоактивных продуктов для исключения их поступления в окружающую среду при любых технически возможных авариях;

 -внедрение диагностических средств, обеспечивающих качественный контроль оборудования и систем (в первую очередь ответственных за безопасность) и возможность определения остаточного ресурса.

 При формулировании требований следует учитывать перспективу использования ядерных энергоисточников не только для производства электроэнергии. Несомненно, что со временем ядерная энергетика найдет свое место и в отраслях промышленности, потребляющих много тепловой энергии, в частности, высокотемпературного тепла. Коммунальное теплоснабжение крупных городов наиболее рационально решается также с помощью специализированных атомных станций. Ядерные энергетические установки уже сейчас хорошо зарекомендовали себя не только на атомных подводных лодках, но и на гражданских судах (атомные ледоколы, контейнеровозы, рудовозы).

 Следует отметить, что без комплексного внедрения атомной энергии в энергоемкие отрасли экономики не может быть решена экологическая проблема, которая, как представляется на данном уровне знания, только ей под силу.

 У большинства специалистов, по-видимому, не вызывает сомнений утверждение, что на ближайшие несколько десятилетий уже определились типы реакторов, которые будут создаваться и использоваться в промышленных масштабах — ВВЭР, быстрые реакторы и высокотемпературные. Область использования того или иного типа реактора определит самостоятельные направления развития технических решений со своими критериями оптимальности (при сохранении общих требований и условий обеспечения безопасности). Так, низкие параметры теплоносителя первого контура, характерные для атомных станций коммунального теплоснабжения, существенно влияют на оптимальность схемных и конструкционных решений реакторов и установки в целом. В атомных станциях малой мощности, предназначенных для автономных режимов, изолированных от электрических сетей, малая мощность также существенно влияет на выбор конструкционных решений. Еще в большей степени определяются схемные, конструкционные и компоновочные решения реакторных установок специфическими условиями использования атомной энергии на судах.

 Конечно, и сейчас, и тем более в будущем будут и должны предприниматься исследования по созданию других реакторов, лишенных недостатков или "узких мест", характерных для перечисленных. Однако к настоящему времени пока не проявились перспективные направления поиска реакторов нового типа. И если учесть, что реальные сроки создания реакторов нового типа с учетом неизбежного значительного объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ заведомо не менее 15 лет, то представляется обоснованным утверждение, что развитие атомной энергетики на ближайшие десятилетия будет базироваться на реакторах уже известных типов, усовершенствованных с учетом накопленного эксплуатационного практического опыта и ужесточающихся требований по безопасности.

 Перспектива улучшения экономических характеристик ядерной энергетики (при растущих затратах на повышение безопасности) будет определяться исследованиями по следующим направлениям:

 -оптимизация структуры из условия реализации замкнутого топливного цикла, т.е. с использованием нарабатываемого в различных реакторах плутония в качестве ядерного топлива (при этом специфические характеристики плутония в значительной степени определят соотношение в структуре реакторов различных типов);

 -снижение капитальных затрат при сооружении атомной станции за счет сокращения сроков строительства, стандартизации проектных решений, технологии, организации работ, увеличения ресурса оборудования и атомной станции в целом;

 -дальнейшая оптимизация состава активной зоны, совершенствование технологии производства ядерного топлива, твэлов режима перегрузок для увеличения выгорания;

 -совершенствование конструкционно — компоновочных схем реакторных установок;

 -минимизация радиоактивных отходов.

 Будущее ядерной энергетики определяется не только техническими вопросами, но и отношением к ней широкой общественности. Реакция общественности на аварии АЭС — естественная защитная реакция. Поэтому отношение специалистов к позиции общественности должно быть такое же, как к любому другому объективному фактору, определяющему принятие технических и организационных решений. Сложность проблемы заключается в том, что общественность невосприимчива к технической логике. Необходим поиск других путей и способов доведения до широкой общественности объективной информации об истинном состоянии ядерной энергетики и ее перспективности для нашей цивилизации.

 Немалый вклад в поиск путей получения и использования атомной энергии на благо человека внесли ученые Украины. Исследования процессов взаимодействия нейтронов с ядрами урана, проведенные в 1939-1941 гг. в ряде научно-исследовательских центров мира, в том числе и в Физико-техническом институте Академии наук Украины, показали принципиальную возможность осуществления цепной реакции деления и освобождения внутренней энергии. На Украине центрами проведения ядерных исследований в конце 40-х годов стали Харьковский физико-технический институт, накопивший к тому времени определенный опыт научных исследований, киевские институты физики, теоретической физики Академии наук Украины, а также ряд университетских кафедр. Главной тематикой этих исследований стала ядерная физика низких и средних энергий, результатом которых явилось создание серии ускорителей различных типов и измерительной аппаратуры (нейтронных генераторов, циклотронов и др.).

 В результате комплексного изучения взаимодействия частиц различной природы с широким спектром ядер — от водорода до урана, проведенного в институтах Академии наук Украины, а также в Киевском, Харьковском и Ужгородском университетах, были получены важные сведения об энергетической структуре ядер, квантовых характеристиках ядерных уровней, природе ядерных сил и механизме ядерных превращений.

 Плодотворная совместная работа ученых разных специальностей и работников промышленности стран бывшего СССР позволила на высоком научном уровне в короткие сроки решать огромный комплекс задач по изучению ядерных реакций, теории ядра, проблем нейтронной физики, теории реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. И в этом поиске вклад ученых Украины значителен.

 Всемирную известность приобрели работы по теории ядерной материи и оболочечной структуры атомного ядра, исследования "неаксиальных" ядер, дифракционной теории ядерных реакций, выполненные в Институте теоретической физики, Физико-техническом институте, Институте ядерных исследований Академии наук Украины.

 Значительное развитие в республике получили работы в области высоких энергий, ставшие ценной базой при создании реакторов на быстрых нейтронах.

 Но осуществление целого ряда сложнейших ядерных исследований еще не решало вопроса создания целостной программы развития атомной энергетики как качественно нового направления в энергетической отрасли. Ее практическая реализация предусматривала проведение огромного числа экспериментальных работ для оптимального выбора проектов энергетических реакторов, получение новых материалов так называемого ядерного класса чистоты и их сплавов и т.д. Второй этап включил освоение в промышленном масштабе производства обогащенного урана, тяжелой воды и др.

 В бывшем СССР в течение 20 лет была создана уранодобывающая промышленность, включающая добычу урана, его обогащение и изготовление топливных элементов, построены металлургические заводы, разработаны и запущены промышленные реакторы для получения делящихся материалов, осуществлена программа производства основных энергетических реакторов. Так закладывались основы атомной энергетики бывшего СССР.

 К сожалению, с развалом СССР Украина лишилась организаций Главного конструктора, Научного руководителя, заводов по производству обогащенного урана, изготовлению топливных элементов и основного энергетического оборудования, заводов по переработке и хранению отработанного ядерного топлива. Требуется приложение огромных усилий, чтобы атомная энергетика надежно работала, без нее невозможно развитие народнохозяйственного комплекса Украины.

 В настоящее время в Украине работают Запорожская, Ровенская, Хмельницкая, Южно-Украинская и Чернобыльская АЭС, которые вырабатывают порядка 40% всей электроэнергии страны. Эксплуатация такого сложного энергетического оборудования требует высококвалифицированного персонала. В настоящей книге изложены основные конструктивные особенности ядерных реакторов, изучение которых облегчит подготовку обслуживающего персонала АЭС.

 При написании учебного пособия использованы данные, опубликованные в многочисленных книгах, материалы лекций, прочитанных автором в Киевском политехническом институте, а также многолетний опыт работы в атомной энергетике.

Полезные статьи