Зенова И.М. Экономика ядерной энергетики - файл n1.doc

Зенова И.М. Экономика ядерной энергетики
скачать (463.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc464kb.02.11.2012 19:07скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5
ВВЕДЕНИЕ В КУРС “ЭКОНОМИКА ЯДЕРНОЙ

ЭНЕРГЕТИКИ”
Энергетика - базовая отрасль любого государства. От ее развития и состояния зависит технический прогресс и экономический уровень общества. Каждое государство по-своему решает проблему энергообеспечения, исходя из наличия природных ресурсов, технических, интеллектуальных и финансовых возможностей. Материальную базу энергетики нельзя создать в одночасье, она наращивается трудом многих поколений и плодами их усилий, если изначально были выбраны правильные решения, общество

может пользоваться достаточной долго даже при отсутствии необходимых инвестиций. Украина в составе СССР была одной из мощных энергопроизводящих республик, интегрированная в топливно-энергетический комплекс всей страны. С приобретением независимости и потерей рынков энергоресурсов перед страной неизбежно стали проблемы самодостаточности экономики, которые надо было решать концептуально по многим направлениям. Внедрение рыночной модели хозяйства без существенной структурной перестройки промышленности затянулось. Ухудшение экономического положения всех отраслей народного хозяйства Украины, связанное в том числе и с повышением цен на энергоносители и электроэнергию начиная с 1991 года, привело многие предприятия на грань банкротства. А энергетика, связанная с ними балансами мощности и электропотребления, в значительной степени утратила источники финансирования своего развития.

Становится очевидным, что энергетика является тем центральным ключевым звеном, вокруг которого возможна структурная перестройка и возрождение экономики, что является важнейшей задачей, от которой зависит, конечном счете, независимость и экономическая самостоятельность украинского государства.

Предлагаемый краткий учебный курс содержит изложение основ экономики энергетики применительно к атомной отрасли.

Предметом курса “Экономика ядерной энергетики” является изучение понятий, закономерностей, методов оптимального использования ресурсов при производстве энергетической продукции на атомной электростанции.

Задача курса состоит в том, чтобы студенты могли уяснить практическую ценность знаний, позволяющих открыть экономическую логику в развитии производственной ситуации и действовать экономически грамотно и цивилизованно на любом участке производства и управления. Знания экономики должны помочь правильно ориентироваться в сложных проблемах переходного периода в экономике страны, видеть ее перспективы и вносить свой посильный вклад в прогрессивное развитие энергетики.


Глава 1.ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

УКРАИНЫ.




1.1. СТРУКУРА ТЭК.

Энергетика - базовая отрасль промышленности, где производятся необходимые для народного хозяйства Украины энергетические ресурсы: топливо, электроэнергия, тепловая энергия и др. Это часть сложного взаимоувязанного межотраслевого топливно-энергетического комплекса (ТЭК), включающего в себя:

- добычу первичных источников энергии (уголь, торф, нефть, газ, ядерное топливо и другие), их переработку (обогащение, очистку, коксование и газификацию для угля, крекинг нефти, очистку и сепарацию для природного газа и т.п.), а также системы транспортировки топлива (топливодобыча и топливоснабжение);

- использование первичных и вторичных энергоресурсов для получения тепловой, электрической, механической и др. видов энергии (преобра-зование и генерирование энергии);

- распределение и передачу преобразованной энергии к потребителям (транспорт энергии);

- потребление преобразованных видов энергии или непосредственное сжигание топлива в установках (использование конечной энергии потребителями).

Таким образом в ТЭК различают три основные подсистемы: топливодобыча и топливоснабжение; энергетика межотраслевая, обеспечивающая централизованное производство и распределение электрической и тепловой энергии; энергетика промышленности и других отраслей народного хозяйства.

Электростанции различных типов вместе с разветвленной электрической сетью образуют особую отрасль промышленности, которую называют электроэнергетикой. Основной продукцией этой отрасли является электроэнергия и тепло, а также оказание услуг по доставке этих видов энергии конечному потребителю.
1.2. ТОПЛИВНЫЙ БАЛАНС УКРАИНЫ.

Обеспеченность государства энергоресурсами во многом определяет его экономическую независимость. А объемы и эффективность их потребления определяется уровнем развития национальной экономики. Инструментом анализа и прогноза при определении экономически обоснованных пропорций потребления различных видов энергии служит баланс добычи и распределения топлива - топливный баланс. Приходная часть баланса отражает в пересчете на условное топливо виды энергоресурсов и источники их поступления (собственная добыча, импорт, переходящие остатки), расходная часть - объемы потребления по отраслям промышленности и экспорт.

Обеспеченность Украины собственными энергоресурсами недостаточна. За счет собственных резервов покрывается потребность в природном газе на 20-25%, в нефти - на 25%, уголь имеется в достаточном количестве, но из-за кризисного состояния в топливной промышленности добыча и качество его снижаются. Украина имеет богатые запасы урана, но ядерное горючее закупает в России в обмен на некоторое количество окиси урана и тетрафторида циркония. Гидроресурсы Украины практически исчерпаны так как стоки всех крупных рек зарегулированы, а строительство новых водохранилищ имеет отрицательные экономические и экологические последствия. Нетрадиционные источники энергии, такие как энергия волн, ветра, прибоя, солнца еще не задействованы в полной мере и дают не более 2% общего объема энергии. Свои потребности в ТЭР Украина вынуждена покрывать за счет импорта энергоносителей. Так, в 1997 году доля импорта ТЭР составила 50,3% от объема потребления, в т.ч. природного газа - 79%, нефти - 69%, угля - 13%. Доля экспорта при этом постоянно снижается и составила 3,4% от импорта. А между тем потенциальные запасы углеводородов в Украине составляют более 11 млрд. тонн условного топлива и при рациональном использовании их может хватить на 100 - 150 лет.


1.3. ОСОБЕННСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ УКРАИНЫ.
Основа электроэнергетики страны - объединенная энергетическая система ( ОЭС), которая обеспечивает централизованное электроснабжение и теплоснабжение потребителей. ОЭС взаимодействует с энергосистемами других стран, обеспечивая экспорт - импорт энергии.

ОЭС включает в себя 8 региональных электрических систем (ЭС) с диспетчерскими центрами: Днепровскую, Донбасскую, Западную, Крымскую, Южную, Юго-Западную, Центральную, Северную, связанных между собой системообразующими и межгосударственными линиями электропередач напряжением 750, 330-500 кВ.

Основу генерирующих мощностей составляют три основных типа электростанций : ТЭС, ГЭС, АЭС. Удельный вес по суммарной мощности электрогенераторов каждого типа электростанций в общем балансе генерирующих мощностей составляет структуру установленной мощности электроэнергетики. Например, структура генерирующих мощностей в 1999 году составила :




ТЭС - 36,4млн. кВт. или 60% ГЭС - 4,7 млн .кВт или 8,5%

АЭС - 12,8 млн. кВт или 24,6% прочие - 2,0млн.кВт или 6,5%

Типы электростанций ОЭС Украины

ГРЭС
ТЭС
ТЭЦ


ГЭС
АЭС
Прочие

- государственные районные электростанции, обслуживающие крупные промышленные и жилые районы. В настоящее время под ГРЭС обычно понимают тепловые электростанции конденсационного типа (КЭС), работающие на органическом топливе;

- теплоэлектроцентраль для одновременной выработки тепловой и электрической энергии. Обобщенно ГРЭС и ТЭЦ принято называть ТЭС - тепловые электростанции;

-гидроэлектростанции, использующие в качестве движущей силы гидротурбин энергию падающей воды. Разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие электростанции ГАЭС, работающие в насосном режиме для закачивания воды из нижнего водоема ГЭС в верхний в часы провала суточных нагрузок энергосистемы и в турбинном режиме, срабатывая воду в пиковые часы нагрузок, выдавая дополнительную энергию в энергосистему;

- атомные электростанции, в настоящее время преимущественно конденсационного типа, работающие на ядерном топливе.

- электростанции, использующие нетрадиционные источники энергии (ветроэнергетические - ВЭС, солнечные - СЭС ), блок-станции промышленных предприятий.


Годовая выработка электроэнергии всеми электростанциями Украины не превышает 200 млрд. кВт.час и имеет тенденцию к снижению:
1913 год - 0,5 1990 год - 298,5 1997год - 176,9

1922 - 0,1 1991 - 252,5 1998 - 173,0

1940 - 12,4 1993 - 229,9 1999 - 171,3

1970 - 138 1994 - 202,9

1976 - 209 1995 - 191,6

1980 - 212,3 1996 - 181,6

Причины в общем экономическом кризисе переходного периода, характеризующимся спадом производства, вымыванием оборотных средств предприятий, катастрофически низким уровнем платежей за отпущенную продукцию, отсутствием средств на модернизацию и реконструкцию производства и выплату зарплаты работникам отрасли.

Структура производства электроэнергии различными типами электростанций в 1999 году составила:

ТЭС- 44% АЭС - 42,1% ГЭС - 9 % прочие - 3 %
Структура производства электроэнергии различными типами электростанций во многом не соответствует структуре их установленной мощности, что свидетельствует о различной степени эффективности использования источников генерации и возможностях топливоснабжения.

Тепловые электростанции. На начало 1999 года насчитывалось 104 энергоблока различной мощности от 80 до 800 МВт. Энергоблоки до 150 МВт введены в строй в 1959-64 годах, 200МВт - в 1960-75годах, 300МВт- в 1963- 88 годах, 800МВт-в 1967-77 годах. Широкомасштабное строительство АЭС в 80-х годах отвлекло средства на развитие и реабилитацию ТЭС.

В 1991-1998 годах ТЭС практически не строились. Поэтому на начало 1999 95% энергоблоков ТЭС отработали свой расчетный ресурс (100тыс.час.), 72% из них превысили граничный ресурс ( 170 тыс.час.),а 53% находятся в эксплуатации более 200 тыс.час., что превышает признаную в мировой практике границу физического износа. До 2005 года число оборудования со сроком эксплуатации 30 лет и более составит 80%.

Большинство ТЭЦ за исключением Киевской ТЭЦ-5,ТЭЦ-6, Харьковской ТЭЦ-5 физически и морально устарели. По оценкам Минтопэнерго производство электроэнергии на ТЭС сегодня не соответствует современному техническому уровню. Дальнейшая их эксплуатация без проведения реконструкции и технического перевооружения без внедрения новых технологий может привести к необратимому процессу деградации энергетики Украины.

Атомные электростанции. На 5 АЭС Украины работает 14 энергоблоков общей установленной мощностью 12,8 тыс. МВт. Самый старый из действующих блоков Чернобыльский №3 введен в эксплуатацию в 1978 году, самый новый Запорожский №6 - 1995году. Плановый вывод из эксплуатации атомных энергоблоков начнется с 2010 года. Учитывая длительный срок проектирования и строительства, уже в ближайшие годы должны быть приняты основные решения по развитию замещающих мощностей атомных энергоблоков и определены источники их финансирования. Актуальными сегодня остаются задачи ввода в эксплуатацию недостроенных блоков ХАЭС №2 и РАЭС №4, которые достраиваются за счет средств, зарабатываемых всей атомной отраслью без каких-либо государственных ассигнований. Проблемой действующих АЭС, требующей постоянного финансирования, являются жесткие требования безопасности эксплуатации, обеспечения запчастями, своевременная поставка ядерного топлива, захоронение отработанных топливных сборок и радиоактивных отходов. Требуется создание инфраструктуры обеспечения надежной и безопасной работы АЭС, включая инженерную поддержку эксплуатации.

Гидроэлектростанции. Основу гидроэнергетики Украины составляют ГЭС - ГАЭС Днепровского каскада, установленной мощностью 3906,9МВт. Построенные в 30-е годы, они имеют высокую степень физического износа и требуют реконструкции, которая уже началась за счет кредита Мирового банка развития. В стадии формирования находится Днестровский каскад, где уже с 1983 года действует ГЭС-1 мощностью 702МВТ, достраивается ГЭС-2 и Днестровская ГАЭС.

Нетрадиционная энергетика. В Украине работает 5 электростанций ветровой энергетики суммарной установленной мощностью 8,55 МВт : Акташская, Черноморская, Аджигильская, Донузлавская, Новоазовская. При действующих тарифах на электроэнергию ВЭС сегодня являются убыточными, однако в перспективе будут внедряться более совершенные ветровые турбины мощностью до 600 кВт, что должно привести к снижению себестоимости производства электроэнергии.

Электрические сети. Электрические сети Украины составляют около 1 млн.км воздушных кабельных линий электропередач всех классов напряжений, 207435 трансформаторных подстанций напряжением от 6 до 750 кВ. Магистральными являются электрические сети напряжением 220 - 750 кВ, распределяющими - 0,4 - 150 кВ. Эти объекты должны быть в круглосуточной технической готовности и обеспечивать беспрерывное энергоснабжение потребителей. Большая часть из них уже выработала 40-летнюю эксплуатацию и подлежит замене. При транспортировании элэнергии имеют место технологические потери, вызванные физическими явлениями в сетях и трансформаторах и коммерческие потери, обусловленные несовершенством учета электроэнергии, недоплатой потребителей, несанкционированными подключениями. Их величина в 1998 году составила 30,1 млрд. кВт.час. или 18,7% при нормативе 12,99%.

Топливообеспечение. Сокращение выработки электроэнергии непосредственно связано с сокращением потребления разных видов топлив. Так, с 1990 года потребление органического топлива уменьшилось почти вдвое. Ухудшилось качество украинских углей: снизилась средняя теплота сгорания ( до 4232 ккал/ кг), увеличилась зольность ( 33,4%). Эти показатели ниже проектных и не достигают зарубежных ( 5200 ккал/кг). Это нега-
Структура энергетических ресурсов при производстве электроэнергии

Таблица 1 и тепла электростанциями Украины

Топливо

ед.изм.

1990

1996

1997

1998

1999

Уголь
Мазут

Газ
Гидроэнергия
Ядерное

топливо

ВСЕГО

млн.т у.т.

%

млн.т..у.т.

%

млн.т у.т.

%

млн.т. у.т.

%

млн.т. у.т.

%

млн.т. у.т.


24,5
12,4
36,4
3,5
23,4

18,2

29,9

2,3

3,8

16,3

26,7

2,4

3,9

21,8

35,7

61,0

18,0

26,8

1,8

2,7

14,6

21,8

3,6

5,4

29,0

43,3

67,0

16,7

25,5

1,8

2,7

13,3

20,3

5,9

9,0

27,8

42,5

65,5




тивно влияет на оборудование и технико-экономические показатели ТЭС. Для сжигания такого низкосортного топлива требуется «подсветка» дефицитным мазутом или газом ( до 30% объема топлива).

Проблемой топливообеспечения АЭС является то, что все ядерное топливо экспортируется из России и расчеты за него должны осуществляться в валюте. Так, в 1998 году ЯТ было поставлено на 140 млн.дол., в т.ч. за счет возврата в Россию ядерных боеголовок - 81,8 млн.дол. В 1999 году ЯТ поставлено на 204 млн.дол., при этом полностью исчерпан резервный запас свежего топлива, что может привести к останову блоков в случае непредвиденной ситуации. В структуре потребления энергоресурсов энергетической отраслью доля ядерного топлива по сравнению с 1990 годом увеличилась за счет уменьшения доли органического топлива.

Импорт энергоносителей в последние годы не уравновешивается экспортом, что ведет к дефициту платежного баланса. Экспорт электроэнергии в страны Западной Европы, Молдову, Беларусь уменьшается по разным причинам, одной из которых является ухудшение качества электроэнергии по частоте.

Режимы работы ОЭС Украины.

Одна из специфических особенностей электроэнергетики заключается в неразрывности во времени производства и потребления энергетической продукции, невозможность её складирования, из чего вытекает требование соответствия в каждый момент времени объема производимой электростанциями электроэнергии и объема её потребления конечными потребителями. Потребление же электроэнергии существенно меняется во времени.
Р пиковая нагрузка


полупиковая

нагрузка



базовая нагрузка



0 8 16 24 (часа)
Рис1. Суточный график нагрузки энергосистемы
В суточном графике электрических нагрузок в энергосистеме можно выделить базовую, полупиковую и пиковую области. В пределах базовой области, ограниченной сверху ординатой, соответствующей минимальной (ночной) нагрузке, потребляемая мощность Р не меняется в течении суток.

Пиковые области, соответствующие утреннему и вечернему пикам нагрузки длительностью по 3-4 часа, ограничены снизу ординатой, соответствующей минимальной дневной нагрузки. Между ними располагается полупиковая область протяженностью 16-18 часов.

Основным показателем, характеризующим график электрических нагрузок, является коэффициент неравномерности aсут = Р min / Рmax

По данным февраля 1996 года коэффициент неравномерности суточных графиков объединенной системы Украины колеблется в пределах 0,69 - 0,95. Наиболее плотные графики ( a сут = 0,93-0,95) у Донбассоблэнерго и Днепроблэнерго, поскольку в их структуре преобладают промышленность и строительство. В регионах с меньшим удельным весом промышленной нагрузки (Винницаоблэнерго, Киевоблэнерго) a сут = 0,69-0,78 .

Неравномерность энергопотребления требует наличия резервных мощностей электростанций, предназначенных для покрытия пиковых нагрузок и технических возможностей менять режим работы тех или иных электростанций в течении суток в полупиковой части графика. Эта особенность энергетики негативно влияет на экономику электроэнергетики, увеличивая издержки производства электроэнергии и отвлекая капиталовложения на создание резервных и высокоманевренных энергоблоков. При дефиците регулирующих мощностей снижается качество электроэнергии (снижается частота в сети до 49 Гц и ниже) что влечет за собой экономические потери у потребителей. Работа энергоблоков в несвойственных им режимах на сниженных мощностях приводит к перерасходу тепла и, соответственно, топлива, ухудшению их технического состояния.

Для регулирования частоты и баланса мощностей используются ГЭС, ГАЭС и высокоманевренные газомазутные блоки 300 и 800 МВт, однако из-за недостатка топлива последние чаще простаивают и для покрытия пиковых и полупиковых нагрузок вынужденно привлекают физически изношенные пылеугольные блоки, что ухудшает экономичность и надежность электроснабжения. При снижении частоты до аварийно низких значений вынужденно применяется ограничение потребления энергии и аварийное отключение. В зимний период 1998-1999 годов ограничение составляло до 3500МВт ежедневно. Таким образом, для гарантированного электроснабжения необходимо иметь рабочий резерв регулирующей мощности около 1000 МВт. Такую возможность может дать введение в действие достраиваемых ныне мощностей Днестровской и Ташлыкской ГАЭС.

Структурные реформы в электроэнергетике. Для повышения эффективности деятельности отраслей естественных монополий, рационального использования производственного потенциала и развития конкурентных отношений Указом Президента от 4.04.1995г. № 282 « О структурной перестройке электроэнергетического комплекса» определены меры по реструктуризации отрасли и созданию основы функционирования Оптового рынка электроэнергии Украины.

Электроэнергетика имеет следующую структуру. На рынке действует 7 энергогенерирующих акционерных компаний, сформированных по технологическому признаку: «Днепрогидроэнерго», «Днестргидроэнерго», НАЭК «Энергоатом»; и по территориальному: «Центрэнерго», « Днепр-энерго», «Донбассэнерго», «Западэнерго».

Создана НЭК «Укрэнерго», которая обеспечивает эксплуатацию магистральных электрических сетей, диспетчерское управление ОЭС Украины и функционирование оптового рынка электроэнергии. На стороне потребления созданы энергоснабжающие электрические акционерные компании (Облэнерго, Горэнерго), которые являются владельцами распределительных сетей и поставляют электроэнергию конечным потребителям. Для обеспечения государственного регулирования деятельности членов рынка и защиты прав потребителей создана Национальная комиссия по регулированию электроэнергетики (НКРЭ) как независимый постоянно действующий регулирующий орган. Общее число членов оптового рынка составляет свыше 500 юридических лиц.

Деятельность оптового рынка электроэнергии законодательно закреплена в Законе Украины «Об электроэнергетике», в соответствии с которым покупка и продажа всей выработанной электроэнергии осуществляется на Оптовом рынке электроэнергии (ОРЭ). Все субъекты рынка действуют на основании договора, которым определены цель и условия деятельности ОРЭ, права, обязанности и ответственность его участников. Неотъемлемой частью договора являются Правила оптового рынка электроэнергии, которые определяют механизм функционирования оптового рынка, порядок распределения нагрузок между генерирующими источниками, а также правила формирования рыночной цены на электроэнергию.

Главными принципами рынка являются: доступность для всех предпринимателей, получивших лицензию; определение рыночной цены электроэнергии в зависимости от баланса спроса и предложения; централизованная диспетчеризация генерирующих мощностей, основанная на экономическом ранжировании; защита интересов потребителей.

РЕЗЮМЕ

Энергетическую ситуацию в Украине характеризуют :



Глава 2. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В

ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ




2.1. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ОСОБЕННОСТИ.

Ядерным топливом называется материал, содержащий нуклиды, которые делятся при взаимодействии с нейтронами. Источником ядерного топлива является природный торий и уран, состоящий из трех изотопов: .

Из них только изотоп U является природным материалом, ядра атомов которых могут делиться под воздействием нейтронов любых энергий (начиная с тепловых) с выделением нейтронов деления, т.е. «избыточных» нейтронов, необходимых для осуществления в реакторе управляемой цепной реакции. Однако его очень мало в природном уране: на одну тонну приходится 7,1 кг делящегося материала . Поэтому для промышленных целей применяют обогащение по , при котором содержание этого материала повышается. В зависимости от массового содержания различают:

уран слабообогащенный - до 5 %

среднеобогащенный - 5-20 %

высокообогащенный - 21-90 %

сверхобогащенный - 90-96 %.

Основная часть природного урана изотоп (992,8 кг на 1 т урана) не делится под воздействием тепловых нейтронов. Но его ядро может захватывать эти нейтроны без последующего деления. При этом превращается в атом нового делящегося элемента – плутония, не встречающегося в природе.

Также ведет себя и торий - единственный изотоп этого элемента, встречающийся в природе. Под воздействием нейтронов торий не делится, но способен захватывать нейтроны и через промежуточную стадию превращаться в искусственно делящийся нуклид .

Чтобы осуществить в реакторах эти реакции, необходимо получать избыточные нейтроны за счет цепной реакции деления , который является первоисточником нейтронов, необходимых для преобразования и в делящееся вещество.

Таким образом, является «стартовым» топливом во всех процессах деления. Поэтому обеспечение полного превращения всего природного урана и тория в делящиеся материалы – одна из важнейших проблем ядерной энергетики, напрямую связанной с экономикой ядерной энергетики.

Отметим следующие особенности ядерного топлива:

1.Феноменально высокая теплотворная способность, т.е. тепловыделение, отнесенное к единице массы разделившихся нуклидов.

При сгорании органического топлива имеют место химические окислительные процессы, сопровождаемые относительно малым энерговыделением. При сгорании (окислении) атома углерода в соответствии с реакцией

С + О2 ® СО2
выделяется около 4 эв (электрон-вольт) энергии на каждый акт взаимодействия.

При делении ядра атома урана

+ n ® X1 + X2

выделяется около 200 Мэв энергии на каждый акт деления. Энерговыделение в этих двух процессах различается в 50 млн раз на один акт взаимодействия, а исходя из соотношения атомных масс урана и углерода (235:12) энерговыделения на единицу массы различается в примерно 2,5 млн раз.

Часть изотопов плутония 239Рu и 241Pu также подвергаются делению под воздействием тепловых нейтронов, при котором также выделяется энергия около 200 Мэв на 1 акт деления. Таким образом, вклад плутония в энерговыработку реакторов на тепловых нейтронах, работающих на слабообогащенном топливе довольно значителен и составляет около 33,8 %.

Рассчитано, что при делении одного грамма ядерного топлива выделяется 0,95 мВт/сутки тепловой энергии или 22800 кВт.час, что эквивалентно 2,8 тоннам условного топлива. Такое высококонцентрированное выделение энергии в единице массы, сопровождаемое мощным радиационным воздействием на топливо и конструкционные материалы предъявляет особые повышенные требования к применяемым материалам, что отражается на стоимости реакторного оборудования.

Высокая калорийность ЯТ обусловливает резкое сокращение физических объемов ядерного топлива по сравнению с органическим при выработке заданного количества энергии. А это требует меньших затрат на транспортирование как исходного сырья, так и готового ядерного топлива. АЭС независима от районов добычи и изготовления ЯТ.

Высокая калорийность ЯТ обусловливает относительно малую численность рабочих, занятых добычей, изготовлением и доставкой его потребителю в расчете на единицу производимой энергии по сравнению с добычей и транспортированием органического топлива, что в конечном счете обеспечивает высокую производительность труда в системе атомной энергии и ее топливоснабжения, а также наряду с другими факторами обеспечивает более низкую стоимость электроэнергии АЭС.

2. Невозможность полного «сжигания» (деления) всех делящихся нуклидов за одноразовое пребывание топлива в реакторе, т.к. в активной зоне реактора необходимо всегда иметь критическую массу топлива и выгорает только та его часть, которая превышает критическую массу и создает надкритичность.

В выгруженном из активной зоны отработавшем топливе будет содержаться значительное количество делящихся и воспроизводящихся нуклидов. Это топливо после химической отчистки от продуктов деления может быть снова возвращено в топливный цикл для повторного использования. Например, в 1 т выгруженного из реактора ВВЭР – 440 обработавшего расчетную компанию топлива содержится около 950 кг , до 12 кг , около 6,5 кг делящихся изотопов плутония ( и ). Из этого следует, что ядерное топливо может многократно циркулировать через реакторы и топливные предприятия атомной промышленности, уменьшая тем самым потребность в природном уране.

3. Возможность иметь частичное, а при определенных условиях полное и даже расширенное производство (конверсию) делящихся нуклидов, т.е. получение вторичного ядерного топлива из воспроизводящих ядерных материалов (, ).

Воспроизводство вторичного ядерного топлива имеет место практически в любом реакторе, т.к. источником его служит воспроизводящий материал , а результатом воспроизведения является плутоний, обладающий такой же высокой калорийностью, как и . Плутоний в дальнейшем может быть выделен из отработавшего топлива на заводах химической переработки в чистом виде и использован в смеси с ураном как вторичное топливо.

При создании ядерной энергетики очень перспективным направлением считалось создание в промышленном масштабе расширенного воспроизводства ядерного топлива в реакторах размножителях, коэффициент воспроизводства которых существенно превышает единицу (отношение количества образующихся делящихся изотопов урана и плутония к убыли первоначально загруженных). Сегодня проблема создания и использования вторичного топлива в промышленных масштабах не решена во всем мире. Работы по созданию вторичного топлива в виде смеси окислов плутония и урана, т.н. МОКС-топливо для действующих реакторов, проводятся в России на уровне экспериментов и пока не дают положительных результатов, т.к. для реакторов ВВЭР это приводит к снижению уровня безопасности. Все дело в свойствах плутония и особой радиотоксичности его изотопа 241Рu, который и нарабатывается в ядерных реакторах. Ничтожное его количество способно влиять на наследственность живых организмов, вызывать онкологические заболевания. В организме это постоянный источник a-частиц. Нормой допускается аварийный выброс в окружающую среду не более 1 мг плутония, тогда как урана – 2 кг. В Чернобыле ушло – 20 кг. Теперь он рассеян в окружающей среде и последствия предсказать трудно. Поэтому сегодня стоит проблема предотвращения распространения плутония и обезвреживания радиоактивных накоплений.

В мире накоплено 650 т энергетического плутония, в т.ч. в бывшем СССР – 80 т и 250 оружейного, в т.ч. в России 140 т. Большая часть его находится в отработавшем ядерном топливе, но какая-то уже выделена на перерабатывающих заводах и складирована в хранилищах. Хранение 1 г плутония (оружейного) обходится в год в 2-4 дол. Хранилище имеет емкость 50 т. Стоимость хранения нетрудно подсчитать, она составит около 200млн.дол.

4.«Сжигание» ядерного топлива в реакторе не требует окислителя и не сопровождается непрерывным сбросом в окружающую среду продуктов сгорания. При сжигании органического топлива потребляется почти трехкратное по массе количество кислорода, забираемого из атмосферного воздуха, и процесс сопровождается непрерывным выбросом в атмосферу продуктов сгорания дымовых газов и твердых негорючих примесей в виде золы.

При работе АЭС кислород воздуха не потребляется, а радиоактивные продукты деления сохраняются в отработанном ядерном топливе и в дальнейшем удаляются при химической переработке. Жидкие и твердые радиоактивные отходы хранятся в специальных хранилищах, газообразные выбрасываются в атмосферу через высокую вентиляционную трубу после выдержки в газгольдерах и разбавления воздухом до установленной нормы.

Т.о. экономическая проблема заключается в тех дополнительных расходах на создание и содержание надежных хранилищ радиоактивных отходов на всех стадиях топливного цикла.

5. Процесс деления одновременно сопровождается накоплением радиоактивных продуктов деления, а также продуктов их распада, длительное время сохраняющих высокий уровень радиоактивности. С этим связано весьма долговременное остаточное тепловыделение в активной зоне реактора после его останова и высокая наведенная радиоактивность материалов и теплоносителя. Из этого вытекают особые требования к проектированию, сооружению и эксплуатации АЭС по сравнению с теплоэнергетикой. АЭС требуются специфические устройства и сооружения, которых нет в обычной теплоэнергетике: система аварийной защиты реактора, мощная биологическая защита от ионизирующего облучения; системы аварийного и планового расхолаживания реактора, бассейны для охлаждения и выдержки ОЯТ, перегрузочные машины, системы специальной вентиляции и удаления радиоактивных газов, устройства дезактивации оборудования при ремонтах, служба дозиметрии, хранилища РАО и др.

Поэтому строительство АЭС обходится примерно в 1,5-2 раза дороже строительства тепловой электростанции той же мощности. Несравнимы особенно после Чернобыля требования к надежности инженерного обеспечения ядерной и радиационной безопасности при эксплуатации АЭС, что предъявляет высокие требования к квалификации эксплуатационного персонала и увеличивает затраты на его подготовку.
2.2 ТОПЛИВНЫЕ ЦИКЛЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Топливный цикл – это движение ядерного горючего от исходного сырья (природный уран, торий) до регенерата и шлаков. АЭС является одним из звеньев топливного цикла, включающего кроме самой АЭС предприятия по добыче, переработке, регенерации ОЯТ, транспортировке, хранению ядерного топлива.

Предприятия топливного цикла, обслуживающие АЭС называют внешним топливным циклом и рассматривают как сопряженные предприятия ЯЭ. Переработку и хранение отработавшего ЯТ иногда называют «задним краем топливного цикла».

Топливный цикл может быть замкнутым и разомкнутым.

В замкнутом топливном цикле горючее после использования в реакторе направляется на выдержку и регенерацию с последующим полным или частичным возвратом в цикл.

В разомкнутом топливном цикле отработавшее горючее после выдержки до получения приемлемого уровня радиоактивности направляется либо на длительное хранение, либо на захоронение (одноразовое использование топлива).

Разомкнутый цикл с одноразовым использованием ядерного горючего аналогичен топливному циклу обычной энергетики.

По типу ядерного горючего различают следующие топливные циклы: урановые (или уран-плутониевые), ториевые и плутониевые.

Урановые топливные циклы подразделяют на цикл на природном и обогащенном уране.

Рассмотрим типовую схему замкнутого уранового топливного цикла для энергетики с реакторами на тепловых нейтронах.
Рис.2.1. Типовая схема замкнутого ядерно-топливного цикла















Природный UF6 ТВС

уран Хк

UF6

UF6

уран а
Продукты Плутоний

деления



Принятые обозначения:
С0 – содержание U-235 в природном уране

Хн – начальное содержание урана в ТВЭЛах

Хк - конечное содержание урана в ТВЭЛах

а - содержание продуктов деления в отработанных ТВЭЛах

z - содержание плутония в отработанных ТВЭЛах

1 – горнодобывающее производство,

2 – производство уранового концентрата,

3 – производство гексафторида урана или металлического урана

4 - разделение изотопов урана

5 – изготовление ТВЭЛов и ТВС,

6 – реактор,

7 – выдержка отработанных ТВЭЛов,

8 – химическая переработка ОЯТ,

9 – производство гексафторида урана (сублимация регенерата)

Краткое содержание звеньев ядерного топливного цикла.

1, 2. – Первым звеном цикла является горнодобывающее производство, т.е. урановый рудник. Содержание урана в промышленно добываемых рудах 0,02-0,3 %. Поэтому поблизости создаются рудообогатительные заводы, где пустая порода удаляется, а содержание урана доводится в концентрате до 60 – 80%. Это товарный продукт первого звена топливного цикла – горнодобывающего производства.

3 - Второе звено топливного цикла. Из уранового концентрата далее должен быть получен либо металлический уран, либо гексафторид урана, пригодный для процесса разделения изотопов урана..

4 – Третье звено – разделение изотопов урана, сырьем для которого является гексафторид природного урана, а товарным продуктом – гексафторид урана с концентрацией U-235, требуемой для загрузки в реактор. При этом в качестве побочного продукта в отвале получается гексафторид обедненного урана, который складируется для возможного будущего использования.

5 – Четвертое звено – изготовление ТВЭЛов и сборка их в ТВС. При этом гексафторид обогащенного урана конвертируется в металлический уран или его двуокись или другую топливную композицию, которой и снаряжаются ТВЭЛы, объединенные в ТВС. Это производится на заводе по производству ЯТ, пригодного для использования его в реакторе.

6, 7 – Пятое звено. Загруженные в реактор ТВЭЛы с обогащением Хн работают в течение топливной компании. При этом концентрация U-235 снижается до значения Хк , количество накопленных продуктов деления возрастает до значения a, а плутония до значения z. По истечении срока службы ТВЭЛы выгружаются из реактора с измененным нуклидным составом в бассейн выдержки для снижения уровня радиоактивности, приемлемого для начала химической переработки ОЯТ. Продукцией на этом этапе можно считать ТВЭЛы, годные к химической переработке.

8 – Шестое звено. Химическая переработка отработавшего ЯТ. На вход этого предприятия поступают сборки с облученными ТВЭЛами, которые подвергаются механической разделке, удалению конструкционных элементов и извлечению топливной композиции. Затем ОЯТ поступает в цепочку для растворения и извлечения урана и плутония и очистки их от продуктов деления. При этом активность урана должна быть снижена до уровня, сопоставимого с активностью природного урана. Продукцией этого предприятия является уран в виде соединений, удобных для последующего использования (двуокись урана или уранилнитрат), а также соединения плутония.

9 – обогащение урана, регенерируемого на заводе по химической переработке, остается равным Хк . Для последующего использования в реакторе обогащение топлива Хк должно быть вновь увеличено до Хн. Для этого необходимо полученные на химическом заводе соединения урана вновь привести в гексафторид, после чего направить на завод по разделению изотопов урана. Продукцией этого предприятия является гексафторид урана с обогащением Хк и уровнем активности, допускающим его разделение на том же заводе, где производится разделение изотопов природного урана.

Таким образом, топливо вернулось на разделительный завод, где из регенерированного в процессе химической переработки урана с обогащением Хк , вновь может быть получен гексафторид урана с обогащением Хн, пригодный для дальнейшего использования на заводе по изготовлению ТВЭЛов. При этом часть урана при обогащении регенерата также переходит в отвал в виде гексафторида обедненного урана.

На каждом этапе переработки ядерного топлива имеют место безвозвратные потери в виде жидких, газообразных или твердых отходов, которые не могут быть возвращены в цикл.

Если обозначить количество топлива, возвращаемого в цикл Gвоз х, а количество топлива первоначально введенного Gх, коэффициент возврата топлива в цикл определится КВЦ = Gвозх / Gх.

От величины КВЦ зависит производительность предприятий всего топливного цикла.

Схема разомкнутого цикла отличается отсутствием регенерации ОЯТ на химическом заводе и складированием его на долговременное хранение сразу после необходимой выдержки до приемлемого уровня радиоактивности.
2.3. ОСОБЕННОСТИ ЯДЕРНО-ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА УКРАИНЫ.
Украина является одной из трех стран мира ( США, Канада), обладающей на своей территории запасами руд для производства всех конструкционных материалов ядерной энергетики - урана, циркония ( оболочки ТВЭЛ), осмия (капсулы для хранения и транспортировки монтажных элементов обогащенного урана), бериллия ( дополнительного источника нейтронов, отражателя нейтронов в ядерных реакторах), ряда тугоплавких и сверхпрочных металлов.

Восточный горно-обогатительный комбинат в г. Желтые воды был базой создания ядерного топливного цикла СССР, где с 1947 года началась добыча и первичное обогащение урана. Рудники ВостГОКа лидируют среди аналогов по уровню содержания иных полезных компонентов в руде: палладия, платины, золота, осмия, стронция и др. Добычей и переработкой второго стратегического материала для ядерной промышленности - циркония занимается Вольногорский горно-металлургический комбинат и Приднепровский химический завод. Таким образом Украина обеспечивает первое и второе звено ЯТЦ. Последующие звенья (4-5 ) располагаются на предприятиях России и Казахстана. К ним относятся:

  1. Заводы - каскады в г. Северске, Озерске, Железногорске, Кремлеве, Снежинске, где происходит сепарация “летучего” гексафторида урана с различными степенями обогащения.

  2. Фабрика по изготовлению топливных таблеток в пос.Ульба в Казахстане.

  3. Завод «Химконцентратов» в Новосибирске и «Элемаш» в Подольске осуществляющих монтаж тепловыделяющих сборок для реакторов соответственно ВВЭР и РБМК.

  4. Заводы в Цимлянске и Нижнем Новгороде, где изготавливают и монтируют оборудование ядерных реакторов.

Таким образом, имея богатые запасы исходного сырья для производства топлива, Украина закупает готовые топливные сборки в России за валюту.

При этом производственные мощности уранодобывающей промышленности остаются без должной загрузки ввиду падения спроса на уран на мировом рынке, конкуренции со стороны российских, киргизских, казахских и монгольских производителей рудного концентрата и непродуманной маркетинговой политики в отрасли.

Завершающие стадии (8,9) ядерного топливного цикла также находятся на территории России. Это радиохимический завод в Красноярске, который принимает на переработку и хранение отработанное ядерное топливо от АЭС Украины после 3-5 летней выдержки его в приреакторных бассейнах. Эти услуги Украина оплачивает в валюте. В дальнейшем после ввода в эксплуатацию сухих хранилищ ОЯТ будут складироваться на территории Украины до решения вопроса о создании собственного замкнутого ядерного топливного цикла.
РЕЗЮМЕ
Ядерное топливо - это обогащенный природный материал, содержащий нуклиды, которые делятся при взаимодействии с нейтронами с выделением около 200 Мэв энергии на каждый акт деления. Такое топливо по своим свойствам резко отличается от всех видов органического топлива и в первую очередь по своей теплотворной способности ( примерно в 2,5 млн.раз).

Особенности ядерного топлива определяют специфику ядерной энергетики, как наукоемкой, капиталоемкой, но достаточно экономически эффективной отрасли. Современное поколение ядерных реакторов работают на уран-плутониевом топливном цикле, сырьем для которого служит природный уран отечественных месторождений. Ближайшей проблемой ядерной энергетики Украины является создание сухих хранилищ отработанного ядерного топлива.
ВОПРОСЫ И УЧЕБНЫЕ ЗАДАЧИ.




  1. Во сколько раз теплотворная способность ядерного топлива выше по сравнению с органическим?

  2. Какие свойства ядерного топлива обеспечивают его преимущества и недостатки по сравнению с органическим? Как они влияют на экономику АЭС?

3. Какой ЯТЦ используется в ядерной энергетике Украины?

4. Какие предприятия Украины, России и Казахстана обеспечивают ЯТЦ ?

  1. Какая проблема ЯТЦ наиболее актуальна в Украине в настоящее время?


  1.   1   2   3   4   5


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации