Ядерная энергия: вчера, сегодня, завтра

Адамов Е.О.Научный руководитель проекта «Прорыв» и Института

энерготехники им. Н.А. Доллежаля

5 июля 2014 г.

ЯЭ: ЭТО ВЫ СЕРЬЁЗНО?

ПЛАН ЛЕКЦИИ

АТОМНЫЙ ПРОЕКТ 1 СОСТОЯНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ:

• ЯЭ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

• БЕЗОПАСНОСТЬ ЯЭ: РЕАЛИИ И ОБЩЕСТВЕННОЕ СОЗНАНИЕ ЯЭ, ГЕНЕРАЦИЯ НА ОРГАНИКЕ, ВИЭ ПРОЕКТ «ПРОРЫВ» – ВАРИАНТЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЯЭ:

• НОВАЯ ПАРАДИГМА БЕЗОПАСНОСТИ;

• ОКОНЧАТЕЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЯТ И ВАО;

• НЕРАСПРОСТРАНЕНИЕ ЯДЕРНО-ОРУЖЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРСПЕКТИВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

3

АТОМНЫЙ ПРОЕКТ 1

• ЦЕЛЕВАЯ ФУНКЦИЯ АП-1 – ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЖИВАЕМОСТИ СТРАНЫ

• СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ: КОНЦЕНТРАЦИЯ РЕСУРСОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ,

МАТЕРИАЛЬНЫХ, ФИНАНСОВЫХ, РАЗВЕДКИ• TIMETABLE:

– УЧРЕЖДЕНИЕ СК, ТС – август 1945 г.– ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ (Ф 1) – декабрь 1946 г.– РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ УРАНА (ОБОГАЩЕННЫЙ УРАН) –

август 1946 г.– ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВОГО ПЛУТОНИЯ – Ф 1 (1947 г.), «А» (1949 г.)– ВЗРЫВ ЯДЕРНОГО УСТРОЙСТВА – август 1949 г.

• ИТОГ: СОХРАНЕНИЕ СССР + ИСКЛЮЧЕНИЕ МИРОВЫХ ВОЙН4

ЗАЧЕМ СОЗДАВАЛИ ЯЭ?

• Экологические проблемы?• Экономическая целесообразность?• Дефицит энергоносителей?

США:

1951 г. EBR-1 – проверка теории бридинга

СССР:

1954 г. АМ-1 – политическая демонстрация

5

ЗАЧЕМ НУЖНА ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА?

Ответ середины прошлого века:

исчерпание органики

замещение органики

перекосы доступа к органике

проблемы транспорта сырья

диверсификация источников

мирное использование

Ответ 2014 г. : ???

6

РЕАЛИЗОВАН ЛИ ПОТЕНЦИАЛ ЯЭ?

АЭС в 31 государстве: 436 ЯР, > 70 строят

6% в энергетическом балансе мира

0,7% от урановых запасов

Накопление ОЯТ

Опережающий рост капитальных затрат:

2500-5000 $/кВт для ЯЭ с ~ 1000 $/кВт (2000 г.)

900-1200 $/кВт для ПГУ c 350-500 $/кВт (2000 г.)

7

Потребление первичной энергии в мире, млн т н.э.

4107,9 (32%)

2734,9 (21%)

3517,4 (28%)

719 (6%)

295,6 (2%)

110,2 (1%)

1278 (10%)

НефтьПриродный газУгольАтомная энергияГидроэнергияДругие ВИЭБиоэнергия

8

Потребление первичной энергии в Зап. Европе, млн т н.э.

733 (36%)

486,7 (24%)

329,9 (16%)

245,9 (12%)

53,8 (3%)

29 (2%) 140,5 (7%)

НефтьПриродный газУгольАтомная энергияГидроэнергияДругие ВИЭБиоэнергия

9

Производство электроэнергии в мире, ТВт·ч

14285,7 (69%)

3712,2 (18%)

2356,6 (11%) 500,5 (2%)

Ископаемое топливоГидроэнергияАтомная энергияВИЭ

10

Производство электроэнергии в Зап. Европе, ТВт·ч

1551,8 (49%)

583,2 (19%)

774,3 (25%)

225,7 (7%)

Ископаемое топливоГидроэнергияАтомная энергияВИЭ

11

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС РФ

12

КРУПНЫЕ АВАРИИ ЯЭ

1955 г. EBR-1, расплавили 45% топлива (БН)

1957 г. Windscale, пожар графитовой кладки

1957 г. Челябинск-70, Кыштымская авария

1979 г. TMI – плавление топлива на 2-м блоке

1986 г. ЧАЭС – разгон реактора на мгновенных нейтронах

2011 г. Фукусима, плавление топлива 3-х блоков и в хранилищах ОЯТ

13

Блок I - GE BWR-3 (460 МВт), в работе с 1971 г.Блоки II-IV - GE BWR-4 (784 МВт), вводились с 1974 г.

14

Фукусима, блок № 3, 20 марта 2011 г.

15

МОЖНО ЛИ ЕЁ ОТМЫТЬ?

16

ИСТОРИЯ МИРОВОЙ ЯЭ –

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЕЁ

БЕЗОПАСНОСТИ В СРАВНЕНИИ С

ДРУГИМИ ТЕХНОГЕННЫМИ

ОТРАСЛЯМИ

Тип аварии 1945–1965 1966–1986 1987–2007 Всего Заключение Комитета относительно полноты

отчета

Аварии на ядерных объектах 16 смертей 40 смертей* 3 смерти 59 смертей

Есть вероятность того, что сообщено о большей части смертей

Несчастные случаи на производстве 0 смертей 20 смертей 5 смертей 25 смертей Вероятно, о ряде смертей и

травм не было сообщено

Инциденты с бесхозными ИИИ 7 смертей 10 смертей 16 смертей 33 смерти Вероятно, о ряде смертей и

травм не было сообщено

Аварии при научно-исследовательских работах

0 смертей 0 смертей 0 смертей 0 смертей Вероятно, о ряде смертей и травм не было сообщено

Несчастные случаи при медицинском применении

Неизвестно 3 смерти 42 смерти 45 смертейОчевидно, что о многих смертях и о значительном количестве травм не было сообщено

Итого: 23 73 66 162

Число смертей при радиационных авариях(на основе опубликованной информации,

за исключением злоумышленных действий и ядерных испытаний)

*табл.10, с.52 из приложения R.671 к докладу НКДАР ООН за 2008 г.18

ЛИКВИДАТОРЫ

Лучевая болезнь у 134 человек - участников аварийных работ в первые сутки после аварии, из которых 28 человек погибли в первые 4 месяца после аварии и 19 человек – до 2006 г.

Радиационно обусловленные заболевания лейкозом (величина атрибутивного риска 45-60%) среди участников ликвидации последствий аварии, получивших высокие дозы облучения. Увеличение заболеваемости в связи с облучением зарегистрировано в первые 12 лет после аварии

19

НАСЕЛЕНИЕ

Ни одного случая острой лучевой болезни среди населения - ни среди эвакуированных, ни среди тех, кого не эвакуировали

Установлено увеличение заболеваемости раком щитовидной железы среди детей и подростков (на момент аварии), Между 1991 и 2005 г. зарегистрировано 6848 случаев рака ЩЖ среди тех лиц, кому было меньше 18 лет в 1986 г., проживавших в России, Белоруссии и Украине в период 1990 - 1998 гг.

В Брянской области за 1991-2007 гг. из 408 случаев заболевания раком щитовидной железы у детей (на момент аварии) половина случаев обусловлены радиационным воздействием

Не выявлено статистически значимого радиационного риска по другим классам онкологической и неонкологической заболеваемости и смертности

Комплекс неблагоприятных психологических последствий

20

Основные выводы доклада НКДАР ООН 2008 «Влияние облучения на состояние здоровья вследствие Чернобыльской аварии»:

Чернобыльское радиационное воздействие не сказалось на состоянии здоровья населения

21

Выводы НКДАР ООН

Доклад НКДАР ООН 2008 Генеральной Ассамблее, том 2 Дополнение D. Влияние облучения на состояние здоровья вследствие Чернобыльской аварии, Нью-Йорк, 2011

Индивидуальные канцерогенные риски смерти от годовой допустимой дозы облучения населения (1 мЗв/год) и

годовой экспозиции некоторых химических веществ на уровне ПДК в воздухе населенных мест

Мышьяк Хром(VI) 1,3-бутадиен 1,2-дихлорэтан Гексахлоран

1,8·10-4

3,1·10-34,0·10-3

3,7·10-4

2,1·10-4

1·10-5

1·10-4

1·10-3

1·10-2

1 мЗв/год

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ РИСКИ ДЛЯ НАСЕЛЕНИЯ (РОССИЯ)

ПричиныПод

риском, млн. чел.

Риск Смертей/год

Все причины (мужчины) 68 1,7 • 10-2 1 165 495

Несчастные случаи (мужчины) 68 3,6 • 10-3 244 000

Сильное загрязнение воздушной среды 43 10-4–10-3 21 000

Проживание вблизи угольных ТЭС 10 10-4–10-3 5 000

Химические канцерогены в воздухе 43 10-7– 10-5 620

Проживание в зоне наблюдения ГХК, СХК, ПО «Маяк»

1,1 10-7– 10-5 <4

Проживание вблизи АЭС 1,2 10-9– 10-7 < 0,3

АВАРИИ В ТЕХНОГЕННОЙ СФЕРЕ

Потери жизни и здоровья – преимущества ЯЭ

Психологический ущерб – несоразмерен при авариях на АЭС, вызывает стрессы и заболевания

Вывод земель из хозяйственной деятельности - долговременная и значительная составляющая запроектных аварий

Экономический ущерб – многократно превышает прибыль всей ЯЭ

24

ВОСПРИЯТИЕ ЯЭ В ОБЩЕСТВЕНОМ СОЗНАНИИ

НЕ ОСНОВАНО НА ФАКТАХ

Что вы знаете о жертвах военного и мирного атома?

26

Событие Реальное число жертв Оценки студентов

Хиросима

Мгновенная и быстрая гибель –210 тыс. чел.

Около 300 тыс. чел.

Отдаленные последствия у 86572 хибакуси – 421 чел. 750 тыс. чел.

Чернобыль

Мгновенная и очень быстрая гибель – 31 чел. 40 тыс. чел.

Отдаленные последствия (ликвидаторы и насел.) 60 чел. 250 тыс. чел.

ЗАЧЕМ НУЖНА ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

27

УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ И ЭНЕРГЕТИКА

2000 г. население Земли 6 млрд. человек электричество 1,5 ТВт (250 Вт/чел) Европа p 6 кВт/чел

2011 г. население Земли 7 млрд. человек электричество 2 ТВт (285 Вт/чел) Европа p 7 кВт/чел

2050 г. прогноз населения – 9,5 млрд. человек электричество?

28

ИСЧЕРПАНИЕ ОРГАНИКИ?

НЕФТЬ – ЗАПАСЫ / 200 млрд. т (добыча ~ 4,5 в год) – ПОТЕНЦИАЛЬНО ~ 1440 млрд. т:

остаток в пластах от 60 до 80%

новые месторождения («Белый тигр», Вьетнам)

залежи на глубине 8-9 км

более 30% добычи – в акватории (до 400 млрд. т)

сланцы – в 4 раза больше, чем в месторождениях нефти

ГАЗ – ЗАПАСЫ 173 трлн. м3 (добыча ~ 3, 2 в год)

ПОТЕНЦИАЛЬНО ~ 850 трлн. м3 :

сланцы / 200 трлн. м3 (извлекаемые ???);

газогидраты – запасы больше, чем на суше

29

ДИНАМИКА МОЩНОСТИ ВИЭ

ВКЛАД: 1 - В РОСТ МОЩНОСТИ В МИРЕ; 2 – В РОСТ ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВА; 3, 4 - ДОЛИ30

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА ЯЭ – ПРОЕКТ

«ПРОРЫВ»

31

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТА ПРОРЫВ»

• Исключение аварий, требующих эвакуации населения

• Замыкание ЯТЦ - полное использование природного сырья

• Радиационно-эквивалентное захоронение РАО• Технологическое усиление нераспространения

(неразделение урана и плутония при переработке ОЯТ БР, отказ от бланкета и обогащения урана)

• Обеспечение конкурентоспособности ЯЭ в сравнении с другими видами энергогенерации

32

БЕЗОПАСНОСТЬ

Принятые обоснования безопасности:• Вероятность тяжёлых аварий - 10-6 1/реактор-год• Потери жизни и заболеваемость – ниже• Приемлемость - «естественная безопасность»:

Исключение запроектных аварий Исключение эвакуации и отселения Исключение вывода земель из использования Максимальный ущерб – потеря блока АЭС

(Тримайл 975 $ млн., саркофаг – 350 млн. руб.)

33

ЕСТЕСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ?

• Два пути:наращивание инженерных барьеров,

повышение требований к персоналу, деление аварий на проектные и запроектные

использование законов природы, сокращение систем, упрощение эксплуатации, отказ от деления аварий

• Максимально возможная авария не должна приводить к эвакуации населения, выводу из оборота окружающих АЭС территорий и ущербу, превышающему стоимость АЭС

34

БезопасностьБезопасностьАЭС в категориях рискаАЭС в категориях риска

1 – нормальная эксплуатация2 – проектные аварии3 – запроектные аварии (в том числе тяжелые)

Этап 1Действующие

АЭС

Этап 2Эволюция

современных АЭС

Этап 3АЭС нового

типа

Неприемлемыйриск

Приемлемыйриск

Неприемлемыйриск

Неприемлемыйриск

Приемлемыйриск

Приемлемыйриск

Эксплуатационныеусловия

1 2 3 1 2 3 1 2

Риск

Грани

ца

прие

мл

емого р

иска

35

РУ «ЕСТЕСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ»

Исключено деление на проектные и запроектные аварии: физические характеристики ЯР исключают разгон

на мгновенных нейтронах конструктивно исключена потеря теплоносителя нет материалов с потенциями взрыва или пожара

в конструкции ЯР При любых отказах в системах АЭС, ошибках

персонала и реализуемых внешних воздействиях исключены выбросы радиоактивности в окружающую среду, требующие эвакуации населения

Отказ от наращивания систем обеспечения безопасности

36

МАТЕРИАЛЫ РУ

• Графит – горел в Селлафилде и на ЧАЭС

• Цирконий – пароциркониевая реакция – авария на ЧАЭС и в Фукусиме

• Натрий – 24Na – до 50 млн. кюри + взрыво- и пожароопасность

• Вода – низкая температура кипения, разложение с выделением водорода, гидравлические удары, коррозионная активность

37

ПЕТЛЕВАЯ СХЕМА ЯЭУ

Интегральная компоновка ЯР

1. Промежуточный теплообменник2. Основной корпус3. Страховочный корпус 4. Опорный пояс5. Напорная камера6. Устройство сбора топлива7. Активная зона8. Напорный трубопровод9. Главный циркуляционный насос10. Поворотные пробки11. Исполнительные механизмы

СУЗ12. Механизм перегрузки ТВС

Радиационно-эквивалентное обращение ЯМ в топливном

цикле

переработка ОЯТ тепловых реакторов для передачи плутония, минорных актинидов и долгоживущих продуктов деления в топливный цикл быстрых реакторов

работающие в замкнутом топливном цикле быстрые реакторы, сжигающие основную массу актинидов (U, Pu, Am, Np, Cm) и трансмутирующие долгоживущие продукты деления (Tc, I)

промежуточное хранение высокоактивных отходов перед окончательным захоронением в течение примерно 150-300 лет для снижения их биологической опасности примерно в 100 раз

совместное извлечение из недр с природным ураном сопутствующих радия и тория для последующей трансмутации в топливе быстрых реакторов

40

РАДИАЦИОННАЯ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ЯТЦ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Радиационный баланс без учета (S=1) и с учетом миграциинуклидов (S=10) в зависимости от времени контролируемойвыдержки долгоживущих высокоактивных отходов (ДВАО)

41

НЕРАСПРОСТРАНЕНИЕ

• СССР – РФ: изменение ментальности

• Договор NPT оказался неэффективен (Индия, Пакистан, ЮАР, КНДР, Израиль).

• Кто опаснее: правительства автократий или террористы?

• Зачем разделение изотопов для ЯЭ?

• Зачем выделение чистого плутония?

42

Технологическое усиление режима нераспространения

ИСКЛЮЧЕНИЕ ИЗ ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА ЯЭ:

• разделения изотопов урана (обогащение)

• бланкета для наработки чистого Pu

• выделения плутония и/или 233U, 235U из облученного топлива

• долговременных хранилищ облученного топлива

• хранилищ выделенного плутония

• основных потоков транспорта ядерных материалов

43

ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ДОКУМЕНТЫ

Одобрена Правительством РФ 25.05.2000 г., протокол № 17

Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века

«Глава 5. Этапы стратегии

п.6 Развертывание НИР и ОКР по технологии замкнутого ядерного топливного цикла для широкомасштабной ядерной энергетики: малоотходная переработка ЯТ, технологическая поддержка режима нераспространения, радиационно-эквивалентное захоронение РАО.

п.7. Разработка и сооружение демонстрационного блока АЭС с естественной безопасностью (быстрый реактор и опытные производства его цикла).»

Надо надежно перекрыть пути расползания ядерного оружия. Этого можно добиться, в том числе исключив использование в мирной ядерной энергетике обогащенного урана и чистого плутония.Технически это вполне осуществимо. Но гораздо важнее другое - сжигание плутония и других радиоактивных элементов дает предпосылки для окончательного решения проблемы радиоактивных отходов. Открывает миру принципиально новые перспективы безопасной жизни.

Из выступления Президента РФ на Cаммите тысячелетияв ООН 06.09.2000 г.

44

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА:СЫРЬЕВЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ

Тепловыереакторы

Топливныйпотенциал развития атомной энергетики мирапри использовании быстрых реакторов

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

Все электростанции

ГВт

Th-233UU-Pu

235U

Быстрыереакторы

АЭС (U-Pu)

Атомная энергетика обладает неограниченными топливными ресурсами при развитии быстрых реакторов

в замкнутом топливном цикле

ПОТЕНЦИАЛ:

45

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА? СОВСЕМ НЕ СТРАШНО!

46

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ