V007346 Дипломная работа Модель безопасного реактора Л.П. Феоктистова, явления нейтронно-делительной волны

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых сокращений        6

Введение            7

1. Принципы безопасности в развитии ядерной энергетики    9

1.1 Перспективность развития атомной устоновкой     9

1.2 Условия безопасности ядерного реактора            10

1.3 Историческое обсуждение проекта TerrаPоwer           12

1.4 Мировоззрение   теории Л.П. Феоктистова             17

2. Представление Реактора Феоктистова        20

2.1 Нейтронно-делительная волна       20

2.2 Быстрый реактор         28

2.3 Безопасный вариант реактора на теловых нейтронах   31

3. Теоретическая Оценка параметров реактора на бегущей волне   34

3.1 Распределения концентраций изотопов (в реакторе)   34

3.2 Теоретическая оценка выгорания топлива

для реактора на бегущей волне        52

4. Расчет технико-экономических показателей существующих  АЭС.  53

4.1 Основные положения        53

4.2 Капитальные вложения для АЭС      59

4.3  Годовой расход природного ядерного горючего    59

4.4  Годовой расход обогащенного урана      60

4.5 Годовой расход природного урана      60

4.6 Удельный расход природного ядерного горючего на

      выработанные кВт∙ч электроэнергии:      60

4.7 Годовые амортизационные отчисления     61

4.8  Затраты          61

4.8.1  Годовые затраты на ядерное горючее     61

4.8.2  Годовые затраты на заработную плату     61

4.8.3  Годовые затраты на ремонтный фонд     61

4.8.4  Годовые затраты на прочие расходы     62

4.9 Определение себестоимости одного отпущенного кВт∙ч  62

4.10 Годовая выработка и годовой отпуск электроэнергии   62

4.11 Выводы по разделу        64

5 Охрана труда и радиационная безопасность      66

5.1 Методы защиты от вредных факторов     66

5.2 Требования правил техники безопасности:     68

5.3 Радиационная безопасность       70

5.4 Меры по предупреждению и ликвидации пожара    71

Заключение           75

Список использованной литературы       77

Список принятых сокращений

АЭС – атомная электростанция;

ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор;

РБМК – реактор большой мощности канальный;

РБВ – реактор на бегущей волне;

TWR – Trаveling-Wаve Reаctоr;

ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент;

КВ – коэффициент воспроизводства;

ЯР – ядерный ректор;

ТВС – тепловыделяющая сборка;

ОТВС – отработавшая тепловыделяющая сборка;

а.з. – активная зона.

Введение

Не смотря на большое разнообразие источников энергии, во многих развитых странах электроэнергия вырабатывается главным образом посредством атомных электростанций (АЭС). В связи с этим активно всегда ведется поиск новых технологии для повышения безопасности АЭС. Одним из важных направлений в этой области является развитие пассивной защиты.  Для этого, все  внимание концентрировано на  разработку новой конструкций ядерных реакторов,  в которых  так называемое  «внутренней безопасностью», в этих реакторах  возникновение неконтролируемой цепной реакции невозможно из-за  физических принципов заложены в их конструкцию. И это самый главный принцип в защиты АЭС, концепция такого реактора была предложена академиком Львом Петровичем Феоктистовым в 1988 году.  В 2006 году была основана компанию Terrа Pоwer, которая стала корпорацией Intellectuаl Ventures, совладельцем явился Билл Гейтс (известен как самый богатый человек на земле и директор компании Микрософт для программирования),  которая занимается разработкой перспективного ядерного реактора по принципе бегущий волны. В отличие от  реакторов ВВЭР, которые на сегодняшний день  работают по всему миру и используют в качестве топлива обогащённый уран 235U с периодом дозаправки в несколько малых лет, с другой стороны  реактор на бегущей волне сможет работать на обеднённом уране 238U  и без дозаправки в течение многих (40-60) лет, основанного на концепции Феоктистова.

Целью нашей работы является рассмотрение и изучение модели безопасного реактора, предложенного Л.П. Феоктистовым, явления нейтронно-делительной волны, теоритическая оценка изменения концентрации 238 U и 239Pu по мере продвижения волны в топливе и расчет глубины выгорания топлива в таком реакторе на бегущей волне.

Для достижения цели решались следующие задачи: 1) по литературным источникам ознакомиться с моделью безопасного реактора  Л.П. Феоктистова; 2) охарактеризовать нейтронно-делительные волны в конструкции топлива активной зоне реактора Л.П.Феоктистова; 3) рассмотреть факторы, влияющие на поддержание цепной реакции в критическом состоянии  реактора; 4) выявить особенности консистенции топлива; 5) провести теоретическую  оценку глубинно выгорания топлива; 6) освоить методику расчета распространения цепной реакции в топливе; 7) оценить пассивную защиту модели изучаемого реактора  Л.П. Феоктистова.

Объектом исследования являлась модель безопасного реактора Л.П.Феоктистова. Предметом  исследования является особенности конструкции  атомного реактора на бегущей волне.

Основные методы теоретического исследования, использованные в работе – теоретический анализ, индуктивный метод, составление библиографии по теме, реферирование, цитирование. В работе применялись математические расчеты решения кинетических уравнений.

Работа выполнена на кафедре атомных электрических станций в 2011-2016 г.

1 Принципы безопасности в развитии ядерной энергетики

1.1  Перспективность развития атомной установкой

Атомная энергия имеет большое преимущество  в экологическом плане -  производство ядерной энергии наименьшем  образом связано с внешней средой в нормальных условиях эксплуатации  АЭС. Нужно только объективно  оценить роль ядерной энергии в общем энергопроизводстве и развеять стереотипы мышления.

Всегда против АЭС имелось сильные возражения. Многим кажется, что, Чернобыль, Три-Майл-Айленд, Фукусима доказали несостоятельность атомноэнергетической концепции. После аварии на Чернобыльской АЭС, где и по сегодня ситуация остается серьезной, мнения по поводу применения  ядерной энергии в мирных целях высказываются самые противоположные: одни – за совершенствование и дальнейшее развитие, другие – за ликвидацию всех имеющихся АЭС и прекращение строительства новых.

Известно, что, Франция, превосходит Россию и другие развитые страны в развитии ядерной энергетики. Так как использование расщепления атомного ядра является потенциально приемлемым с точки зрения экологии, безопасности и экономики, и может в будущем обеспечить весь мир необходимым количеством энергии.

Нельзя забывать о радиоактивной опасности ядерной энергетики для населения и окружающей природной среды.

Кроме того атомная энергетика значительно экономит топливо. Энергосбережение, как выгодный способ вложения капитала, все же не является бесплатным. Оно зависит от  внедрения новейших технологий, более совершенных станков, теплоизоляцией зданий и т.п., т.е. это процесс, растянутый по времени и является вторичным, доступным обществу, достигшему определенных технических высот. В поиске других подходов по отношению к органическим и ядерным источникам энергии чаще всего воспоминают энергию Солнца, ветра.

Основная особенность  природных источников энергии — рассеянный, рассредоточенный характер. Например если взять винт с диаметром  10 м и средней скорости ветра 10 м/с (36 км/ч) то такая система сможет реализовать электрическую энергию с мощностью не более нескольких киловатт [2] (а чтобы сравниться с одной гигаваттной электростанцией их должно быть несколько сто тысяч). Для солнечной же электростанции с мощностью 1 ГВт(эл) придется закрыть фотоэлементами около 100 км2 сплошь. Используя солнечную энергию и энергию ветра, появляется ряд  экологических трудностей,  связанных с изменением климатических условий.

Таким образом, переход  на новый, более высокий уровень развития энергетики сегодня возможен только используя ядерную энергию.  И если раньше, главным требованием было экономичность, то сегодня, приоритеты меняются, основной из них – безопасность.

1.2  Условия безопасности ядерного реактора

Безопасность атомной энергетики  требует от человечества   постоянного стремления к совершенству. Безопасный реактор это такой реактор, который ни при каких неконтролируемых ситуациях не создает радиоактивное загрязнение и не подвергает опасность  вне пределов реакторного корпуса. Реактором с внутренней безопасностью называет такой безопасный реактор, в котором возможные аварии гасятся не с помощью человека (оператора), а автоматически, в силу возможности заложенных в него физических факторов.

Атомная станция считается безопасной, при некоторых обстоятельствах:

• Если радиационное влияние, которые образуются в результате ее работы  на персонал, население и окружающую среду при нормальной эксплуатации и проектных авариях не приводит к заметному превышению условных значений;

• Если радиационное влияние, которые образуются в результате ее работы,  ограничиваются  в приемлемых значений для тяжелых (запроектных) авариях.

Множество вопросов, касающихся   безопасность реактора, ограничены не только лишь переходом через критическое состояние на мгновенных нейтронах и развитием взрывного процесса. Как все знают,  выход радиоактивности как бы может наступить и при остальных видах аварии. Например, если произойдёт отказ   (разрушении) контура теплосъема, то очень серьезные последствия могут настать. Тоже очень важный момент то , что при заглушенном реакторе происходит остаточное тепловыделение, которое вызванное радиоактивным распадом накопившихся продуктов горения. Необходимо подчеркнуть то, что оно может быть настолько значительным, что может  расплавить активную зону, и вследствие радиоактивность выйдет наружу.

Однако надо иметь в виду  то, что тепло остаточного энерговыделения, отнесенного к единице объема ТВЭЛа, пропорционально рабочей мощности реактора в единице объема. И если снижать удельную мощность, то можно уменьшить остаточное энерговыделение до того уровня, когда оно снимается естественным образом и не доводит до расплавления  ТВЭЛов. Увеличивая выгорание топлива, очень важно знать, что  достигнуть времени жизни ТВЭЛа в реакторе, совпадающего со всем временем эксплуатации АЭС. Это также немаловажный  фактор повышения безопасности и упрощения эксплуатации.

Безопасность  ядерных станций и их экологическая приемлемость для общества, — вопрос об организации замкнутого топливного цикла. Нельзя допустить, чтобы при огромном производстве ядерной энергии происходило скопление радиоактивных веществ в размерах, отравляющих территорию.

Соблюдение трех требований является обязательным условием безопасности ядерного реактора: 1- недопустимость несанкционированного перехода через верхнее критическое состояние, 2- недопустимость разгерметизации ТВЭЛов (либо реактора в целом) и это часто происходит при полном отказе теплосъема, 3- недопустимость скопления радиоактивных веществ в экологически опасном количестве.

В мире ведется поиск модели  реактора, в котором все подчинено главному приоритету - безопасности, пусть даже в ущерб некоторым другим экономическим и техническим показателям.

На сегодняшний день в существующих реакторах ВВЭР и РБМК, непременно, есть много возможностей для модернизации с точки зрения безопасности. Необходимо отметить, что  в физике реактора заключены большие возможности, которые потенциал, только начали изучаться.

1.3 Историческое обсуждение проекта TerrаPоwer

Компания Intellectuаl Ventures была создана с целью совершенствовать и создания реакторов нового образца, с использованием инновационных технологий. В рамках проекта компании Intellectuаl Ventures, известного как Terrа Pоwer, была начата разработка нового класса реакторов, получивших название – реакторы на бегущей волне (Trаveling-Wаve Reаctоr – TWR).             Предполагается, что таковой реактор может работать от 50 до 100 лет без перезагрузки горючего, также без удаления отработанного горючего. Упрощенный топливный цикл TWR должен сделать ядерную энергетику наиболее выгодной экономически, наиболее безопасной, должен изменить в лучшую сторону общественное мнение, сделать ядерное топливо источником энергии для населения земли на многие годы.

Идея бегущей волны была выдвинута и предложено  довольно давно, в ее развитии можно выделить несколько основных этапов:

1958 год – сотрудник Института атомной энергии им. И.В. Курчатова Савелий Фейнберг предложил реактор - размножитель (breed-burn)[9], в котором для поддержания реакции деления необогащенное топливо движется вокруг некоторой оси;

1979 год – группа американских ученых под руководством Майкла  Дрисколла вновь обратилась к breed-burn реакторам, дополнив идеи Фейнберга;

1988 год – была опубликована статья советского ученого Л.П. Феоктистова, в которой рассматривался физически безопасный реактор, созданный на основе breed-burn-реактора;

1996 год - Эдвард Тэйлер и Лоуэлл Вуд, американцы (сегодня они работают в компании Intellectuаl Ventures) детально рассмотрели способы создания бегущей волны в неподвижном топливе;

2000 год – Хьюго ван Дарн, голландец, публикует математический анализ волны деления в ядерном топливе;

2001 год –Хероши Секимото, японец, начал серию исследований различных ректоров на бегущей волне (TWR);

начало XXI века  –  Сергей Фомин и Николай Шульга, украинские ученые,  рассмотрели возможность существования бегущей волны в быстром реакторе;

2006 год -  компания IntellectuаlVentures приступила к детальному изучению физических процессов, располагающих в основе реактора TWR, а также впервые обратилась к изучению возможности технической реализации TWR.

АЭС производят электричество из тепла, которое выделяется при делении тяжелых и нестабильных атомов, таких как плутоний-239 или уран-235, на более мелкие атомы. Каждый раз, когда тяжелый атом распадается (или «делится»), он высвобождает быстрые нейтроны, которые могут вызвать другие деления, таким образом, осуществляется длительная цепная реакция.

На сегодняшний день технология такова, что топливо на АЭС должно быть обогащенным. TWR, напротив, изначально содержит лишь небольшое количество обогащенного урана, который используется для начала цепной реакции, основным же топливом является обедненный уран. Волна деления будет медленно двигаться через этот обедненный

уран, при этом делений атомов урана будет значительно больше, чем в обычном реакторе. Т.е. в ректоре TWR предполагается использовать обедненный уран, который в настоящее время выделяется в качестве отходов при обогащении урана - 235.

В отличие от реакторов на легкой воде, TWR теоретически может работать вечно, никогда не нуждаясь в дополнительной загрузке урана после его запуска, при условии загрузки достаточно обедненного урана. Учитывая, разведанные в настоящее время  запасы урана, атомные станции с реакторами на бегущей волне смогут удовлетворять мировые потребности в энергии в течение тысяч лет без необходимости химической переработки отработанного топлива.

Важно отметить, что обогащение и переработка ядерного топлива являются двумя наиболее важными источниками рисков ядерно-топливного цикла, возможность избежать этих этапов производства является важным шагом вперед, в том числе в  борьбе с распространением материалов для оружия.

Сегодня усилия инженеров компании TerrаPоwer направлены на создание небольшого реактора, который будет генерировать несколько сотен мегаватт электроэнергии, для нужд развивающегося рынка. Параллельно ведется работа по созданию промышленного образца реактора по принципу бегущей волне.

Компания получает со старта большие капиталовложения, инвесторы на неё возлагают большие надежды и ожидают большой или даже сверхвысокой прибыли. Хотя и осознают риск и допускают возможность неудачи и потерю вложенных денег. Такое финансовое положение делает работу компании крайне эффективной и результативной, поскольку работа основана на очень сильной заинтересованности ряда конкретных лиц.

В 2009 году о желании сотрудничать в этом направлении заявила японская компания Tоshibа, а в 2010 году TerrаPоwer объявила о получении 35 млн. долларов от фондов KhоslаVentures и ChаrlesRiverVentures, что означало появление заинтересованности и других организаций в успешном продвижении этого проекта. В 2011 году уже сама TerrаPоwer пригласила к сотрудничеству российскую государственную корпорацию Росатом. Даже авария на АЭС Фукусима в Японии нисколько не смутила Билла Гейтса и его партнёров, а даже напротив — укрепила в стремлении продолжать развитие идеи нового класса реакторов, гораздо более безопасных, нежели старые.

Участие в управлении процессом разработки реактора нового типа самого Билла Гейтса не заканчивается обычным участием капитала. Здесь в полной мере используется причастность основателя фирмы Micrоsоft к миру компьютерных технологий.

Его специалисты сформулировали ряд задач, которые были поставлены перед суперкомпьютерами и проведённые расчёты позволили разработать технологию, используя которую стало возможным создать реакторы нового типа. Для этого было разработано новое поколение программ моделирования, которое было протестировано в ведущих американских ядерных центрах, на что ушло несколько лет. Одним из главных затруднений являлось то, что моделировать работу реактора было необходимо на временной период в десятилетия, поскольку бегущая волна перемещается по топливу десятки лет. Ещё одной задачей являлась стойкость конструкции реактора к воздействию радиации на эти же периоды времени.

"TerrаPоwer" и CNNC договорились сотрудничать в создании реактора на бегущей волне

 25.09.2015 году  "TerrаPоwer" и "Chinа Nаtiоnаl Nucleаr Cоrp." (CNNC) подписали в Сиэтле меморандум о взаимопонимании в отношении взаимодействия в разработке реактора по принципу бегущей волне (TWR). Компании планируют сотрудничать в "завершении создания проекта реактора TWR и коммерческом внедрении технологии", сообщили в "TerrаPоwer" 23 сентября.

Планируемые сроки и площадка строительства реактора в сообщении не уточняются.

Распространение ядерной реакции в объёме топлива, загруженного в активную зону реактора, происходит последовательно. В активной зоне находится большое количество стержней из 238U и всего несколько из 235U, которые используются в качестве «спички» поджигающей ядерную реакцию. В ходе проходящей реакции 238U превращается в 239Pu с выделением огромного количества тепла, которое с помощью теплоносителя (предполагается, что это будет натрий), переносится из активной зоны к генераторам электрической энергии. В свою очередь, образовавшийся нестабильный радиоактивный 239Pu даёт новый поток нейтронов, который воздействует на находящийся рядом 238U, и зона «горения» движется дальше, оставляя за собой полностью отработанные топливные блоки (рис. 1).

Используя эту технологию, можно сжигать практически все ядерные отходы, произведённые обычными типами реакторов, не говоря уже об обычном природном 238U, которого в природе достаточно много, и вопрос его быстрого исчерпания не стоит так остро, как у 235U. Очень печальным моментом в нынешней ситуации является то, что если не будут освоены новые технологии, на которых будут построены новые реакторы, то по прогнозам, при текущих темпах расходования доступные объёмы 235U могут кончиться даже быстрее, чем иссякнут газовые и нефтяные месторождения планеты. С 238U ситуация намного спокойнее. По предварительным расчётам, сумев овладеть технологией получения энергии из 238U, человечество могло бы обеспечить свои энергетические потребности сроком на 1 миллион лет при современном уровне энергопотребления.

Если логично рассуждать, то реакторы по принципу бегущей волны гораздо более безопасны в сравнении с реакторами эксплуатируемых сейчас конструкций. Компания Terrаpоwer планирует создать первый тестовый образец и провести его испытания примерно в 2016 году. Производство и запуск прототипа приближённого к массовому производству должно состояться в 2020 году. Не быстро, поскольку в этих вопросах спешка обходится слишком дорого, но и быстрее, чем можно было ожидать, потому что к делу желает подключиться уже японская корпорация Tоshibа, которая владеет американской компанией Westinghоuse, занимающейся ядерной энергетикой, проявила свою заинтересованность в сотрудничестве в разработке новых типов реакторов вместе с TerrаPоwer. Tоshibа разрабатывает свой собственный миниатюрный ядерный реактор, который мог бы эксплуатироваться 30 лет, и считает, что технологии используемые в этом реакторе могли бы использоваться и в реакторе бегущей волны.

1.4  Мировоззрение  теории Л.П. Феоктистова

Одним из способов решения перечисленных выше проблем ядерной энергетики может стать концепция безопасного реактора, предложенного в 1988 году российским академиком Львом Петровичем Феоктистовым. Речь шла о критическом реакторе на быстрых нейтронах с уран-плутониевым топливным циклом, в котором ядерное горение природного 238U происходит в виде бегущей волны, зарождающейся в одном конце протяженного цилиндрического реактора и медленно распространяющейся, вдоль его оси.  Существование такого самоподдерживающегося режима волны медленного ядерного горения в быстром реакторе нужно было доказать.

Феоктистовым был сделан ряд допущений, с использованием которых найдено решение нужных задач. Таким образом, была показана принципиальная вероятность существования режима волны ядерного горения в подобный системе, оценена скорость распространения фронта горения и предписано условие, важное для реализации такового режима. Однако при этом оставался интересный вопрос: насколько сделанные упрощения соответствуют реальности.

Поэтапная система  расчета появления  и распространения волны Феоктистова, была разработана в трудах в группы Гольдина.  В его трудах был дан отрицательный Ответ на вопрос о возможности реализации самоподдерживающегося режима бегущей волны ядерного горения: после запускания  цепной реакции в начальной зоне реактора (зоне запала, содержащей в качестве топлива природный 238U (обогащенный на 8% плутонием) наблюдалась наработка некоторого количества плутония во второй зоне реактора (зоне воспроизводства, изначально содержавшей только уран-238) и смещение области ядерного горения в зону воспроизводства, однако, запушенная волна горения загасала в течение 280 дней, так и не выйдя на стационарный режим бегущей волны.

В то же время  с работами Гольдина и его группы  возникли  труды  Эдварда Теллера с группой, где  рассматривалась похожая   идея  быстрого реактора с волной ядерного горения, что и у Феоктистова (без ссылок на последнего). Расчеты сделаны с использованием компьютерного моделирования ядерного процесса для ториевого цикла. В них выявилось, что режим волны ядерного горения существует и прикладывалась схема полностью подземной автоматической ядерной электростанции. В работах не рассматривалась физика процесса горения.

Позже  появились работы Хироши Секимото  со своей группой, где  были практически аналогичные феоктистовские идеи волны ядерного горения и подход к проведению необходимых расчетов, и в частности, нахождение автомодельного решения диффузионного уравнения в виде бегущей волны, т.е. решение стационарного уравнения. Необходимо подчеркнуть, что применяемая методика расчетов группой Секимото более точная по сравнению с расчетами Феоктистова. В этих расчетах учтена зависимость микросечений нуклидов от энергии нейтронов. Результаты, полученные группой Секимото, доказывают, что  существует режима бегущей волны ядерного горения в уране-238, и одновременно исключает  такую возможность для ториевого цикла.

 Таким образом, исследование показало  перспективность  реализации самоподдерживающегося режима волны ядерного горения, которые изучались разными   группами при применении разных  подходов. Результаты были разными,  иногда даже, противоречивые, и  взаимоисключающие.  Таким образом,  решение данной проблемы еще не найдено и  требуется проведение дополнительных исследований.

2 Представление Реактора Феоктистова

2.1  Нейтронно-делительная волна

В этом разделе будем рассматривать ход ядерной реакции в топливе  238U, если он поглощает нейтрон, превращается в 239U, который затем вследствие двух β-распадов с характерным временем τ1/2=2,5 дня переходит в делительно активный изотоп 239Pu (рис. 2).

Представим себе полупространство, заполненное веществом с природным ураном, которое с открытой поверхности облучается нейтронами. Для простоты рассуждений примем, что спектр нейтронов – тепловой и совпадает с делительным. Характерная энергия нейтрона в среде в сильнейшей степени будет зависеть от замедляющих свойств вещества. Разберем два случая, когда замедлителя нет (мало) и спектр почти не отличается от исходного.

Попавший в среду нейтрон может поглотиться ураном. Постепенно в среде будет накапливаться плутоний. По мере появления плутония все большее значение будут приобретать процессы деления и поглощения нейтронов плутонием, ведущие к его уничтожению. Если написать балансовое уравнение для концентрации плутония