ЯДЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

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

2. 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

3. 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 - Центрифужныетехнологии - Лазерные технологии Ядерные медицинские технологии

4. Положения, незыблемые для составления прогнозов в области сценариев будущего: • 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;

5. 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.

6. Доли стран в мировой эмиссии СО2 • 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 СО2 в год по сравнению с ТЭЦ на угле, 3,2 миллиона тонн выбросов СО2 по сравнению с ТЭЦ на газе.

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

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

9. Тепловыделяющая сборка 1 — дистанцирующаяарматура; 2 — оболочка ТВЭЛа; 3 — таблетки диоксида урана.

10. Ядерный топливный цикл

11. 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 20-30 лет.

12. Ядерная эволюция Поколение 3 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.

13. 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.

14. Концепции реакторов, выбранные для Поколения 4 • GFR - Реактор на быстрых нейтронах с газовым охлаждением • LFR—Реактор 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 – Сверхвысокотемпературныйреактор: 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.

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

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

20. Реактор МГРТ

21. Блок преобразования энергии

22. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА При окислении метана на никелевом катализаторе возможны следующие основные реакции: СН4 + Н2О СО + ЗН2 – 206 кДж СН4 + СО2 2СО + 2Н2 – 248 кДж CH4 + 0,5О2CO + 2H2 + 38 кДж СО + Н2О СО2 + Н2 + 41 кДж Высокотемпературную конверсию осуществляют в отсутствие катализаторов при температурах 1350—1450 °С и давлениях до 30—35 кгс/см2, или 3—3,5 Мн/м2; при этом происходит почти полное окисление метана и др. углеводородов кислородом до CO и H2. CO и H2 легко разделяются.

23. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДАВосстановление железа из руды: 3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2 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 400-450°C и выше происходит восстановление железа (Fe) водородом из его любого оксида, например: Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

24. ЧЕТЫРЕХМОДУЛЬНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ АЭС НА БАЗЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

25. ТЕРМОЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

26. 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.