Критические заметки: история, состояние, проблемы и перспективы ядерной науки и техники. Тезисы аналитического отчета
Бесплатно
Основная коллекция
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Мурогов Виктор Михайлович
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 20
Дополнительно
Вид издания:
Материалы конференций
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN-онлайн: 978-5-16-107823-5
Артикул: 707973.01.99
Для научных работников, специалистов, а также студентов высших учебных заведений, изучающих ядерные науки.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В.М. МУРОГОВ КРИТИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ ИСТОРИЯ, СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЯДЕРНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. ТЕЗИСЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО ОТЧЕТА Доклад Москва ИНФРА-М 2019
УДК 621.039 ББК 31.4 М91 Мурогов В.М. М91 Критические заметки: история, состояние, проблемы и перспективы ядерной науки и техники. Тезисы аналитического отчета : доклад / В.М. Мурогов. — М. : ИНФРА-М, 2019. — 20 с. ISBN 978-5-16-107823-5 (online) Для научных работников, специалистов, а также студентов высших учебных заведений, изучающих ядерные науки. УДК 621.039 ББК 31.4 ISBN 978-5-16-107823-5 (online) © Мурогов В.М., 2019 16+
Мурогов В.М. МЦЯО НИЯУ МИФИ «…Достигнутые успехи науки и техники в использовании атомной энергии, несомненно, по своей значимости отмечают новую эру в культуре человечества, Главное значение технического использования атомных процессов это то, что в руки человечества дан новый могущественный источник энергии... То, что происходит сейчас, когда атомную энергию расценивают первым делом как средство уничтожения людей, так же мелко и нелепо, как видеть главное значение электричества в возможности постройки электрического стула. Атомная энергия для бомб будет так же мало применяться в будущем, как электричество для электроказни… Главное значение в применении атомной энергии лежит в мирных культурных целях, где ей предстоит революционизировать энергетику и ряд ведущих областей техники…» П.Л.Капица . Документы и материалы. «К истории мирного использования атомной энергии в СССР 1944-1951».Сборник. Обнинск. ГНЦ-ФЭИ. 1994. Введение Если анализировать этапы развития ядерной науки и техники, определившие создание и развитие ядерного оружия и затем - ядерной энергетики, то надо вернуться более, чем на 100 лет назад в начало 20-го века. Тогда еще не был открыт нейтрон, не было приемлемой теории строения ядра атома и даже не обсуждалась возможность цепной реакции деления ядра, но уже в 1910 году выдающийся Российский ученый Владимир Иванович Вернадский выступил в Российской Академии Наук с докладом о новых ядерных силах на базе исследований радиоактивности радия. В то время были известны опыты лауреатов Нобелевской премии Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри. Вернадский В.И. понимал, что открыты ядерные силы, которые в миллион раз более эффективны, чем известные химические силы. И исходя из этого, он предположил, что человечество вступает в новую эру, когда не будет ограничения доступа к энергии, и все проблемы питания, здоровья, промышленного и социального развития будут решены [1]. Это было одним из первых предсказаний о грядущем «Золотом веке» человечества на основе научно-технологической революции. Однако, позднее при открытии Радиевого института (1922 год), он же впервые осознал весь трагический драматизм этого открытия «дверей» не только в светлое будущее, но и к возможности самоуничтожения самого человечества (рисунок 1) [2].
Андрианов А., Куприянов В., Купцов И., Мурогов В. Международный Центр Ядерного Образования (МЦЯО) Центр по Управлению Ядерными Знаниями (ЦУЯЗ ИАТЭ) Национального Исследовательского Ядерного Университета (НИЯУ МИФИ) Международный Союз Ветеранов Атомной Энергетики и Промышленности (МСВАЭП) РОЛЬ ВЕТЕРАНСКИХ ОБЪЕДИНЕНИЙ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО СОХРАНЕНИЮ И УПРАВЛЕНИЮ ЯДЕРНЫМИ ЗНАНИЯМИ Рисунок 1. Вернадский В.И. Из доклада на открытии Радиевого института. 1922 г. [2] 1. История развития ядерной технологии. Краткий анализ В декабре 1942 года коллективом под руководством итальянского ученого лауреата Нобелевской премии по физике Энрико Ферми был запущен первый в мире уранграфитовый ядерный реактор (СР-1, Chicago Pile 1) на природном уране. Затем этот реактор был разобран и перенесен в Аргонскую Национальную лабораторию (ANL), созданную в США, под названием СР-2. Через два года в 1944 году в США в АNL запустили первый в мире «тяжеловодный «реактор» СР-3 на природном уране. Эти два типа ядерных реакторов на природном уране стали основой развития индустрии наработки плутония. Параллельно успешно развивалась технология обогащения урана. Эти две технологии позволили перейти к созданию ядерного оружия [3]. В 1945 году в июле в США взорвали первую ядерную бомбу - плутониевую. Этот взрыв «Тринити» считается началом ядерной эпохи. Следующие две ядерные бомбы (урановая и плутониевая) были взорваны над Японией. Успешное испытание ядерного оружия сконцентрировало усилия ученых, инженеров и технологов стран-союзников над основной приоритетной государственной задачей их выживания – на создании арсеналов ядерного оружия и средств его доставки.
Развитие ядерной энергетики и наступление «Золотого века» энергетического благополучия – ушло на 10 лет на «обочину» государственного научно-технического прогресса. 29 августа 1949 г. (в 7.00 часов по местному времени) на Семипалатинском полигоне был взорван первый советский ядерный заряд РДС-1. В решении атомной проблемы необходимо было вовлечь специалистов самых различных областей науки и техники: металлургов, механиков, химиков, биологов, текстильщиков и специалистов по стеклу. Проблема была комплексной, и ее можно было решить только путем объединения максимального числа людей, наиболее сведущих в области науки и техники. На решение этой сложной, важной проблемы в СССР были брошены все силы страны и созданы все необходимые условия. Одновременно был заложен фундамент инфраструктура ядерной отрасли, послужившая основой дальнейшего ядерного развития страны. Таким образом, задача создания ядерного оружия в СССР и ликвидации ядерной монополии была, в принципе, решена. В дальнейшем за время «холодной войны» в результате ядерной гонки вооружений в мире было проведено более 1500 ядерных испытаний и суммарно создано в США и СССР более 85000 ядерных зарядов. Одновременно в США и в СССР решалась проблема доставки ядерного оружия. Огромные средства (материальные, технические и финансовые) были затрачены на создание более 500 АПЛ (атомных подводных лодок) – с около 1000 ядерных реакторов и с ракетами с ядерными зарядами. Число государств, обладающих ядерным оружием, «ядерных держав» стало расти: вслед за США и СССР – Великобритания, Франция, Китай. Появилась опасность «расползания» ядерного оружия. В 1954 году Генеральная Конференция ООН после долгих дебатов приняла решение о создании режима международного контроля за развитием и использованием ядерных технологий и создания Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) для контроля за его реализацией. В качестве первого практического шага было решено провести Первую Женевскую Конференцию по мирному использованию ядерной энергии под эгидой ООН, где можно было бы обсудить пути мирного использованиях ядерной энергии. На этой конференции настоящий фурор произвел доклад о Первой в мире атомной станции в СССР, запущенной в 1954 году в Обнинске (5 МВт-эл) – с уран-графитовым реактором, охлаждаемым водой на обогащенном уране (АМ-1). Затем в 1956 г. была пущена в Англии первая в мире коммерческая АЭС Колдер Холл (50 МВт- эл) с уран-графитовым реактором на природном уране, охлаждаемым углекислым газом. Ядерный реактор был типа MAGNOX, разработанный для производства оружейного плутония. В 1957 году впервые в мире была пущена АЭС Шеппингпорт (70 МВт-эл) с водо – водяным реактором типа PWR (в России-типа ВВЭР). Этот тип реактора был разработан
для ЯЭУ атомного подводного флота и в настоящее время составляет основу современной ядерной энергетики. Принципиально важным шагом стал запуск в 1946 г. в США последователями Э. Ферми первого в мире реактора на быстрых нейтронах (без замедлителя) Clementine (CP4) с плутонием в качестве топлива. В качестве охлаждающей жидкости впервые использовался жидкий металл – ртуть [3]. После этого количество атомных стаций по всему миру начало быстро расти (рисунок 2), используя «базу», созданную оружейными атомными проектами: топливную базу, всю промышленную инфраструктуру - от добычи урана до производства ядерного топлива и использования его в реакторе, подготовку кадров, знания и опыт специалистов. Рост ядерных мощностей и строительных площадок 81 Рисунок 2. Рост мощностей АЭС в мире (по регионам) и число новых ежегодных строек АЭС [3] Более того, пущенные первые в мире АЭС различного типа, - реально были результатом «конверсии» разработок для военных целей [3]. 2. Современное состояние ядерной энергетики. К середине 80-х годов 20-го века в мире строилось в год до 40 ядерных блоков, и полная мощность ядерной энергетики достигла более 350 ГВт-эл. И все шло прекрасно до 1979 года – до крупнейшей аварии в истории коммерческой атомной энергетики в США на АЭС «Три-Майл-Айленд», приведшей к существенным экономическим потерям (было отменено более 200 заказов на строительство новых АЭС с самым распространенным типом реакторов - PWR). Затем в 1986 году случилась авария на Чернобыльской АЭС, переросшая в ядерную катастрофу, как с экономическими, так и с глобальными социально-политическими последствиями. Прежде всего это касалось СССР, поскольку реакторы такого типа строились только в СССР. Однако, резко возросло негативное
отношение населения в странах Европы. Семь малых стран приняли решение о запрете развития ядерной энергетики. В развитии ядерной энергетики к концу 20-го века наступила стагнация. Начался процесс пересмотра концепции безопасности АЭС и дальнейшего развития «культуры ядерной безопасности» как одной из основ ядерной энергетики. Стало очевидной истиной высказывание ген. директора МАГАТЭ Х. Бликса «Ядерная авария где-либо - есть авария везде» [3]. С целью поиска выхода из наступившего кризиса в развитии ЯЭ в 2000 году были организованы два международных проекта (рисунок 3). Инновационный проект ядерной энергетики ИНПРО, предложенный Россией, развивался и развивается под эгидой МАГАТЭ и объединяет усилия специалистов, развитых и развивающихся в ядерном отношении стран (более 40 стран). Рисунок 3. Базовые документы двух основных международных проектов – ИНПРО (INPRO) и Генерация-4 (GIF-4) [3] Цель ИНПРО — определение стратегии развития и требований к будущей ядерной энергетике. Проект по разработке реакторов четвертого поколения для АЭС будущего (GIF-4) направлен на создание инновационных реакторов (рисунок 3), которые решат (после 2030 г.) проблемы дальнейшего развития ядерной энергетики: безопасности, экономической эффективности, неограниченности ресурсов развития, обращения с отходами и отработанным топливом нераспространения (рисунок 5). Участниками этого проекта, предложенного по инициативе США, являются только 11 наиболее развитых в ядерном отношении стран. (Россия и Китай присоединились в 2006 г.
• газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах (GFR) гелиевоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах; • высокотемпературный реактор (VHTR) – реактор с графитовым замедлителем и гелиевым охлаждением; • сверхкритический водоохлаждаемый реактор (SCWR); • реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый жидким натрием (SFR); • реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый свинцовым сплавом (LFR), реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый свинцом в виде свинцововисмутового эвтектического жидкого металлического сплава; • реактор на расплавленных солях (MSR). • Рисунок 4. Перечень реакторов четвертого поколения в соответствии с GIF-4 [3] Рисунок 5. Требования и задачи создания АЭС 4-го поколения [3] 112 IV Международный форум (GIF) Международный проект (в настоящее время 13 членов) для поддержки R&D, в сроки от 15 до 20 лет и для достижения технической зрелости к 2030 г. 4 области GIF оценки: устойчивость Безопасность и надежность экономика Нераспространениние и физическая защита Предназначен для различных областей электричество, водород Опреснение воды, тепло E.U. Устав GIF первые 11 стран Устав GIF подписан в 2001, Sw 2002, Евратом 2003, + новые члены: Китай и Россия (ноябрь 2006)
К сожалению, ситуация резко усугубилась в результате самой крупной ядерной аварии уже в XXI веке. Она произошла на АЭС Фукусима в 2011 году в Японии - одной из самых развитых в промышленном и ядерном отношении стран мира. Ядерное сообщество должно найти выход из возникшего противоречия: ядерная технология до сих пор не привела человечество в золотой век решения энергетических проблем, но позволила создать ядерный оружейный потенциал, способный уничтожить человечество. В последние годы, несмотря на строительство в мире 54 новых блоков, при ежегодном пуске до 5-10 блоков АЭС, вклад ЯЭ в выработку как электроэнергии (сейчас около 11 %), так и в полный энергетический баланс (сейчас около 5%) - сокращается. Происходит это не столько за счёт снятия с эксплуатации устаревших блоков АЭС, сколько за счет более быстрого роста традиционных и альтернативных источников энергии (рисунок 6). Рисунок 6. Масштаб и сокращение доли АЭС в производстве электроэнергии в мире [4] 3. Результаты системного анализа. 3.1 Проблемы дальнейшего развития ядерной энергетики в мире Подведем итог этому краткому поверхностному анализу истории развития ядерной науки и техники, а с другой стороны - к анализу сложившейся сегодня ситуации в ядерной энергетике (ЯЭ) и проблем, осложняющих её дальнейшее полномасштабное развитие. При этом можно констатировать парадоксальную ситуацию: то что считалось «Пионерами
основателями» безусловным преимуществом ЯЭ, - превратилось в её нерешенные проблемы. Неограниченность топливных ресурсов ЯЭ (декларировавшаяся «пионерами») превратилась в один из главных аргументов, не позволяющих говорить о современной ЯЭ как о стабильном источнике энергии. Дело в том, что основу современной ЯЭ составляют АЭС с водо-водяными ядерными реакторами (88,5%) типа ВВЭР – PWR- BWR, использующими менее 0.5% энергетического потенциала урана, что по запасам в 2-3 раза меньше доступных запасов нефти (рисунок 7). ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПРИРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ РЕСУРСОВ уголь - 8,7% U-238 - 86,7% газ - 3,4% нефть - 0,8% U-235 - 0,4% Рисунок 7. Энергетический потенциал традиционных энергоисточников и ЯЭ на уране-235 [3] Принципиальное решение этой проблемы известно. Неограниченные (практически) запасы урана становятся доступными при развитии ЯЭ с использованием реакторов бридеров, например, реакторов на быстрых нейтронах типа БН. Как известно, первый реактор на быстрых нейтронах, охлаждаемый жидким металлом, был пущен ещё на заре развития ЯЭ: в 1946 г. (США, ANL) и в 1956 г. в СССР (БР-2, ФЭИ). Прошло более 70 лет разработок и исследований - сейчас в мире работают только два реактора на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800 в России) из общего числа блоков в ЯЭ – около 450. Работают они в основном на уране -235 (как и ВВЭР) и не являются бридерами, поскольку их ядерный топливный цикл (ЯТЦ) - не замкнут (выделенный при переработке ОЯТ плутоний повторно в них в промышленном масштабе не используется).