Физико-технические основы ядерной энергетики

© Едчик И. А., 2017
© Оформление. РУП «Издательский  
    дом «Беларуская навука», 2017

УДК 539.1+621.039

Едчик, И. А. Физико-технические основы ядерной энергетики / И. А. Едчик ;  Нац. акад. наук Беларуси, Объединен. ин-т энергет. и ядер. исслед. – Сосны. – Минск : Беларуская навука, 2017. – 175 с. : ил. – ISBN 978-985-08-2195-9.

В монографии рассмотрены основные вопросы и проблемы ядерной 
энергетики: история развития и современное состояние; основные положения теории ядерных реакторов; физические процессы, протекающие 
в активной зоне реактора; физические основы управления цепной реакцией деления; требования, предъявляемые к элементам и материалам 
реактора; классификация ядерных реакторов и АЭС; культура физической ядерной безопасности; стратегия обращения с отработавшим ядерным топливом и радио активными отходами; безопасность ядерной энергетической установки и ее воздействие на природную среду; усовершенствованный проект Белорусской АЭС нового поколения повышенной 
безопасности.
Адресуется студентам, обучающимся по специальности «Ядерные 
энергетические установки», специалистам в области ядерной энергетики, инженерно-техническим работникам АЭС, а также широкому кругу 
читателей, интересующихся вопросами ядерной энергетики.
Табл. 17. Ил. 27. Библиогр.: 30 назв.

Р е ц е н з е н т ы:
доктор физико-математических наук, профессор В. И. Кувшинов,
кандидат технических наук Г. З. Серебряный 

ISBN 978-985-08-2195-9

ОглАвлЕнИЕ

Перечень принятых сокращений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5

Глава 1. Топливно-энергетические ресурсы и ядерная энергетика  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
7

1.1. Топливно-энергетические ресурсы мира и Беларуси  . . . .  
7
1.2. Преимущества ядерной энергетики  . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.3. История развития ядерной энергетики. Первые реакторы и первая в мире АЭС  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.4. Замедление темпов развития ядерной энергетики  . . . . . .
24
1.5. Основные направления развития мировой ядерной энергетики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26

Глава 2. Основные положения теории ядерных реакторов  . . .  
30

2.1. Нейтронные реакции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.2. Деление тяжелых ядер  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.3. Замедление нейтронов в веществе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.4. Диффузия нейтронов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
2.5. Цепная реакция деления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.6. Физические основы управления цепной реакцией деления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66

Глава 3. Физические процессы в активной зоне реактора  . . . .  
74

3.1. Мощность реактора. Связь между мощностью и средним 
потоком нейтронов в реакторе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.2. Выгорание ядерного топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
3.3. Воспроизводство ядерного топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
3.4. Зашлакование и отравление реактора  . . . . . . . . . . . . . . . .
81
3.5. Йодная яма  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
3.6. Отравление самарием-149  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
3.7. Температурные эффекты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
3.8. Кампания реактора. Запас реактивности  . . . . . . . . . . . . .
96

3.9. Управление ядерным реактором  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
97
3.10. Физический пуск реактора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
98
3.11. Энергетический пуск ядерной энергетической установки   
99
3.12. Работа реактора на мощности. Остановка и расхолаживание реактора. Остаточное тепловыделение  . . . . . . . . . . . . .  
99

Глава 4. Основные типы реакторов и атомных электрических 
станций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
102

4.1. Принципиальная схема и основные элементы конструкции ядерных реакторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
102
4.2. Основные требования, предъявляемые к конструкции 
активной зоны, теплоносителям, замедлителям и конструкционным материалам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
104
4.3. Классификация ядерных реакторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
107
4.4. Водо-водяные энергетические реакторы  . . . . . . . . . . . . . .  
116
4.5. Канальный водографитовый реактор РБМК  . . . . . . . . . . .  
119
4.6. Тяжеловодные реакторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
121
4.7. Реакторы на быстрых нейтронах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
122
4.8. Проект Белорусской АЭС  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
125

Глава 5. Безопасность ядерных реакторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
135

Глава 6. Культура физической ядерной безопасности  . . . . . . . .  
144

Глава 7. Обращение с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами АЭС  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
152

7.1. Обращение с отработавшим ядерным топливом  . . . . . . .  
152
7.2. Основные принципы обращения с радиоактивными отходами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
161

Список использованных источников  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
173

ПЕрЕчЕнь ПрИняТых СОКрАщЕнИй

АЭС - атомная электрическая станция
АР - автоматическое регулирование
БН - реакторы на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением
ВВЭР - водо-водяные корпусные энергетические реакторы с водой 
под давлением
ВК - водо-водяные кипящие реак торы
ВП - выгорающий поглотитель
ВТГР - высокотемпературные газоохлаждаемые корпусные реакторы
ВЭУ - ветроэнергетическая установка
ГТУ - газотурбинная установка
ГЦН - главный циркуляционный насос
ЖРО - жидкие радиоактивные отходы
КС - компенсирующие стержни
КПД - коэффициент полезного действия
КФЯБ - культура физической ядерной безопасности
МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии
МКРЗ - Международная комиссия по радиационной защите
МКУМ - минимально контролируемый уровень мощности
ОЯТ - отработавшее ядерное топливо
ПТУ - паротурбинная установка
РАО - радиоактивные отходы
РБМК - реактор большой мощности канальный, канальный водографитовый энергетический реактор
СВО - система специальной водоочистки
СУЗ - система управления и защиты
ТВС - тепловыделяющая сборка
ТВР - тяжеловодные реакторы
твэл - тепловыделяющий элемент
ТНПА - технический нормативный правовой акт
ТРО - твердые радиоактивные отходы
ТЭР - топливно-энергетические ресурсы
ЭЯУ - энергетическая ядерная установка
ЯТЦ - ядерный топливный цикл

внЕСИСТЕмныЕ ЕдИнИцы ЭнЕргИИ

1 кал = 4,19 Дж
1 Вт·ч = 3,6⋅103 Дж
1 г у.т. = 7000 кал = 29,33⋅103 Дж
1 т у.т. = 7⋅109 кал = 29,33⋅109 Дж
1 г н.э. = 10 000 кал = 41,9⋅103 Дж
1 т н.э. = 1010 кал = 41,9⋅109 Дж
н.э. - нефтяной эквивалент
у.т. - условное топливо

Гл а в а  1

ТОПлИвнО-ЭнЕргЕТИчЕСКИЕ рЕСурСы  
И ядЕрнАя ЭнЕргЕТИКА

1.1. Топливно-энергетические ресурсы  
мира и Беларуси

Между уровнем экономического благосостояния людей 
и энергопотреблением всегда существовала зависимость. 
Энер гия в системе человеческих ценностей занимает особое место, без нее нынешняя цивилизация нежизнеспособна. Однако необходимо заметить, что в настоящее время 
уровень экономического благосостояния в конкретной стране определяется уже не только объемом, но и эффективностью использования энергоресурсов.
Наиболее освоенные энергоресурсы (нефть, природный 
газ, каменный уголь, торф, дрова) в изученных месторождениях обычно называют запасами. Суммарные разведанные 
запасы минерального топлива нашей планеты по разным 
оценкам составляют свыше 12,5 трлн т, из них более 60 % 
приходится на уголь, примерно 12 % составляет нефть, 15 % – 
каменный уголь, остальное – сланцы, торф и пр. (табл. 1.1) [1].

Таблица 1.1. Запасы и потребление органических ископаемых  
энергоносителей в мире

Энергоноситель
Запасы
Потребление
Срок исчерпания, лет
Каменный уголь, млрд т
891,5
5,54
~ 160
Природный газ, трлн м3
187,1
3,03
~ 60
Нефть, млрд т
239,8
3,94
~ 60
Бурый уголь, трлн т
1,3-18,0
–
–

На конец 2014 г. запасы угля в мире составляли 891,5 млрд т, 
природного газа – 187,1 трлн м3, нефти – 239,8 млрд т [2]. По 
данным Международного энергетического агенства (МЭА) 

мировое потребление энергоресурсов в 2007 г. достигало 
11,4 млрд т нефтяного эквивалента (т н.э.), или 16,3 млрд т 
условного топлива (т у.т.), из них доля нефти, угля и газа 
составила вместе 81 % [1]. По прогнозам МЭА совокупный 
спрос на первичные энергоносители в мире будет возрастать в среднем на 1,4 % за год.
Нефтяной эквивалент - топливо с теплотворной способностью, равной q = 10∙106 кал/кг, или 41,87 МДж/кг.
Условное топливо - топливо с теплотворной способностью, равной q = 7∙106 кал/кг, или 29,3 МДж/кг.
Если принять за основу потребление органических ископаемых энергоносителей в мире в 2007 г., то, учитывая 
небольшое ежегодное их увеличение, можно спрогнозировать сроки их исчерпания (см. табл. 1.1). Таким образом, 
мировые запасы обеспечивают потребление данных видов 
топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на протяжении 60 
и более лет. Подобный вывод сделан и в Концепции энергетической безопасности Республики Беларусь [2].
Отметим, что если объем потребления рассчитывается 
довольно уверенно, то величины запасов ТЭР в разных 
источниках значительно отличаются. Это связано с тем, 
что истощение запасов нефти и газа компенсируется разведкой их новых месторождений, прежде всего в морском 
шельфе, которые постоянно изменяются и уточняются.
По мнению специалистов ожидается, что к 2050 г. уголь 
будет оставаться доминирующим энергоресурсом в мире,  
а электроэнергетический сектор - его основным потребителем. Доля ядерной энергетики к 2050 г. сохранится, в то 
время как удельный вес возобновляемых источников энергии возрастет. Использование возобновляемых источников 
энергии является одним из направлений долгосрочного 
устойчивого развития мировой энергетики.
Один из важнейших факторов энергетической безопасности – повышение уровня обеспечения потребности в энергии за счет собственных энергоресурсов. В Республике Беларусь собственные топливно-энергетические ресурсы представ

лены древесиной, нефтью, торфом, бурым углем, горючими 
сланцами. Общие запасы древесины в стране оцениваются 
примерно в 1090 млн м3, а объем потребления находится на 
уровне 1 млн т у.т.
Разведанные запасы нефти составляют около 80 млн т, 
газоконденсата - 0,44 млн т, попутного газа - 9734 млн м3, 
годовая потребность Беларуси в нефти достигает 16-18 млн т. 
В последние годы ее добыча стабилизировалась на уровне 
1,8 млн т, т. е. 10 % от потребностей республики.
Наиболее распространенным видом местного топлива  
в Беларуси является торф. Торфяные отложения имеются 
практически во всех регионах страны. По запасам торфа 
(первичные составляли 5,65 млрд т, оставшиеся геологические оцениваются в 4,3 млрд т) Беларусь занимает второе 
место в СНГ, уступая только России. В 2007 г. добыча торфа в республике находилась на уровне 2,9 млн т, при этом 
средняя теплотворная способность фрезерного торфа – 
2700 ккал/кг (11,3 МДж/кг), брикетированного - 4300 ккал/кг 
(18,0 МДж/кг).
В Беларуси открыто три месторождения бурых углей  
с общими запасами 152 млн. т. [1]. Белорусский бурый уголь, 
имеющий низкую теплоту сгорания (1500–1700 ккал/кг), 
высокую влажностью (56-60 %) и зольность (17-23 %), уступает по качеству торфу и не может рассматриваться как топливо для энергосистемы.
Наибольшими по величине в республике являются запасы горючих сланцев (прогнозные - 11 млрд т, промышленные - 3 млрд т). Однако их качество еще ниже, чем бурого угля: теплота сгорания - 1000-1500 ккал/кг, зольность - 
75 %, выход смол - 6-9 %, содержание серы - 2,6 %. 
По этому прямое использование горючих сланцев в качестве топлива не представляется эффективным как по экономическим, так и экологическим соображениям.
Беларусь способна обеспечить себя примерно на 16 % 
собственными топливными ресурсами, недостающее же их 
количество приходится ввозить из-за рубежа. Удельный вес 

таких топливно-энергетических сырьевых и материаль но- 
технических ресурсов в валовом внутреннем продукте составляет более 43 %. Республика импортирует в основном 
из России весь потребляемый каменный уголь, более 90 % 
нефти, 100 % природного и 25 % сжиженного газа.
К восполняемым (возобновляемым) источникам энергии относят энергию солнца, Мирового океана, рек, ветра, 
биомассы, бытовых отходов. Недостатком таких источников 
является низкая концентрация энергии, хотя это в значительной степени компенсируется их широким распространением и относительно высокой экологической чистотой. 
Восполняемые источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи 
энергии на расстояние. Энергетика, работающая на таких 
источниках, использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве, перераспределяет, но  
не нарушает их общий баланс.
В связи с истощенностью энергетических ресурсов роль 
возобновляемых источников энергии во многих странах  
с каждым годом возрастает. Так, выработка электроэнергии 
на ветряных установках увеличивается в среднем за год  
на 24 %, с помощью солнечных батарей - на 17 %, на геотермальных станциях - на 4 %.
Источником всей энергии на Земле является Солнце. 
Оно ежесекундно излучает 3,84∙1026 Дж энергии, из которой Земля получает лишь 4,54∙10–10 долю. Поток солнечного 
излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку 
на орбите Земли, называется солнечной постоянной (Сп) 
и составляет Сп = 1367 ± 1 4 Вт/м2 = 1,958 кал/см2∙мин.
На поверхность Земли в зависимости от географической широты приходится от 0,1 до 0,3 кВт/м2 солнечной 
энергии. Потребляя за год 16,3∙109 т у.т., человечество  
производит 4,78∙1020 Дж энергии, что составляет 8,7∙10–5 
долю солнечной энергии, падающей на Землю. Эта доля  
и в будущем, по мнению академика Н. Н. Семенова, не долж

на быть заметной, чтобы не нарушить тепловой баланс 
Земли.
Солнечная энергия преимущественно используется для 
горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения вод, других технологических целей,  
а также для преобразования ее в электрическую энергию.  
В последнее время интерес к проблеме использования энергии Солнца резко возрастает, поскольку потенциальные возможности энергетики, основанной на применении солнечного излучения, чрезвычайно велики. При современном уровне науки и техники солнечная электростанция может быть 
рентабельна, если число солнечных часов за год составит 
не менее 1900. Это подтверждает опыт строительства и эксплуатации электростанции «Тесей» мощностью 50 МВт на 
побережье острова Крит, где Солнце светит 2200 ч в год.
По данным метеорологов, в Республике Беларусь 150 дней 
в году пасмурных, 185 - с переменной облачностью и лишь 
30 - ясных, а всего же число часов солнечного сияния в Беларуси достигает 1200 на севере страны и 1300 - на юге.  
На сегодняшний день солнечная энергия в энергосистеме 
страны непосредственно не задействована.
На конец 2006 г. в энергосистеме Беларуси эксплуатировались малые ГЭС общей мощностью 12,1 МВт со среднегодовой выработкой 35 млн кВт∙ч, что составляет примерно 
0,1 % общего потребления электроэнергии в стране.
По оценкам специалистов, использование энергии ветра 
возможно только в тех местах, где его средняя скорость на 
протяжении года составляет 4 м/с и более. Среднегодовая 
скорость ветра в нашей республике вблизи поверхности 
Земли составляет примерно 3,7 м/с, тем не менее имеются 
отдельные места (холмы), где на высоте 40 м она достигает 
6,5-7,5 м/с.
Первая в Беларуси ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – 
NORDEX 29/250 – мощностью 250 кВт (высота до ступицы 
ветроколеса составляет 50 м) была построена в Мядельском 
р-не в 2000 г., в 2012 г. их действовало уже 14. На январь 

2011 г. суммарная установленная мощность ВЭУ в республике составляла 1,56 МВт, а объем замещения - 400 т у.т. 
Для сравнения укажем, что мощность ветроэнергетических установок в мире в 2015 г. достигла 369 553 МВт [3], из 
них ~38 % приходилось на Азию, впервые вышедшую на 
лидерские позиции благодаря Китаю, ~36 % составляла  
доля Европы, ~21 % – Северной Америки; ~4 % принадлежали остальным регионам Земли. В пятерку стран с наибольшей мощностью ВЭУ входят Китай (114 763 МВт), США 
(65 879 МВт), Германия (39 165 МВт), Испания (22 987 МВт), 
Индия (22 465 МВт).
Наибольшим потенциалом из возобновляемых источников энергии в Беларуси обладает древесина. Ее среднегодовой прирост превышает 25 млн м3, что составляет менее 8 % 
валового потребления топливно-энергетических ресурсов  
в стране. За последние три десятилетия общие заготовки древесины достигли 10-12 млн м3 в год, из которых 6-7 млн м3 
приходилось на деловую древесину и 4-5 млн м3 - на дрова. 
По оценкам экспертов, экологически целесообразный потенциал использования древесины существующих лесов в качестве топлива, включая отходы деревообработки, в Беларуси равен 2,5-2,7 млн т у.т. в год.
Составляющими надежного и устойчивого обеспечения 
энергией и теплом населения, укрепления энергетической 
безопасности страны являются:
– энергетическая независимость,
– надежное энергоснабжение,
– энергоэффективность, 
– диверсификация энергоресурсов и их поставок.
Энергетическая независимость – это, прежде всего, 
ориентирование на собственные топливно-энергетические 
ресурсы в общем энергобалансе [2].
Надежное энергоснабжение подразумевает
– увеличение объемов стратегических запасов основных топливных ресурсов, в частности, за счет расширения 
объема подземных хранилищ газа с тем, чтобы обеспечить