Знакомство с историей и географией атомной энергетики. Характеристика структуры и динамики топливно-энергетического баланса мира. Рассмотрение наиболее актуальных проблем развития атомной энергетики: безопасность реакторов, авария на Три-Майл-Айленд.
Аннотация к работе
Чем дальше развивалось общество, тем больше росли его интересы и потребности, одной из которых стало топливо, которое, благодаря способности в определенных условиях выделять энергию, стало применяться во многих сферах жизнедеятельности. Авария на Три-Майл-Айленд, затем катастрофа на ЧАЭС, и совсем недавно на японской Фукусиме, раз за разом вредили репутации АЭС как безопасного и дешевого источника энергии - слишком серьезными в экономическом и социальном планах оказались последствия этих аварий. Но, так или иначе, страны начали возвращаться к вопросам использования атомной энергии. До 2010 года лидером по доле атомной энергетики в структуре электроэнергетики страны являлась Литва, 80% энергии в которой давала Игналинская АЭС, закрытая по требованию Евросоюза изза типа установленных на ИАЭС реакторов - РБМК-1500. Первую пятерку формируют страны в которых запасы урана превышают 400 тыс. тонн, а десятку - страны с запасами более 170 тыс. тонн, причем на долю первых пяти стран приходится 66,4% мировых запасов.Детально рассмотрев материал, изложенный в данной работе, можно выделить важное место атомной энергетики в комплексе производства электроэнергии, отметить большое внимание, которое уделяется развитию этой отрасли, и выявить то, что процессы, происходящие в ней, находят отголосок в современном обществе. Но, стоит отметить, что и вопрос об уменьшении затрат ресурсов во время производства также широко рассматривается наукой. Как было отмечено ранее, атомная энергетика имеет долгосрочные перспективы развития, и при определенных условиях в будущем она может выйти в лидеры по количеству производимой электроэнергии. Вследствие нескольких крупных катастроф на АЭС, общественность все чаще задумывается о целесообразности использования атомной энергетики. Но, издержки неизбежны в любой отрасли, и, по причине относительно малого опыта эксплуатации АЭС допускалось и допускается много ошибок, но со временем накопленный опыт осядет в виде максимально безопасных способов добычи электроэнергии на АЭС.
Введение
Чем дальше развивалось общество, тем больше росли его интересы и потребности, одной из которых стало топливо, которое, благодаря способности в определенных условиях выделять энергию, стало применяться во многих сферах жизнедеятельности. Первоначально это была древесина, затем ее сменил уголь, а в первой половине 20 века - нефть и природный газ. Радиоактивные элементы были известны человечеству со средних веков, но варианты их использования были еще не известны. Лишь с открытием в 1896 году Беккерелем излучения урана началось активное изучение тяжелых элементов. Вскоре уже были известны помимо урана торий, радий и полоний. Необычайная мощность энергии, выделяемой радиоактивными элементами, нашла в первую очередь военное применение. Есть свидетельства того, что работы по созданию атомной бомбы велись еще учеными нацистской Германии. И первое масштабное применение энергии атома было как раз военным. В 1945 году США были сброшены бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.Но наука, подталкивая технический прогресс, стимулировала и поиск альтернативных источников энергии. Были построены первые промышленные АЭС: Обнинская в СССР, Колдер-Холл в Великобритании, Шиппингпорт в США. Началось активное строительство атомных электростанций. Но, как и у всего на земле, в атомной энергетике обнаружилась обратная сторона. Авария на Три-Майл-Айленд, затем катастрофа на ЧАЭС, и совсем недавно на японской Фукусиме, раз за разом вредили репутации АЭС как безопасного и дешевого источника энергии - слишком серьезными в экономическом и социальном планах оказались последствия этих аварий.
Атомная энергетика вступила в период «застоя». Но, так или иначе, страны начали возвращаться к вопросам использования атомной энергии. Потому как альтернативы ядерному топливу до сих пор не найдено, а существующие нетрадиционные источники не в состоянии дать столько же энергии, сколько дает атомный распад.
Именно поэтому атомная энергетика на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных направлений получения электроэнергии, за счет своей относительной экономической дешевизны и низкой себестоимости производимого продукта. По причине сокращения запасов топливных ископаемых (угля, нефти, газа), проблема развития атомной энергетики становится для мирового сообщества одной из важнейших.
Цель данной курсовой работы - изучить историю и географию атомной энергетики, направления и перспективы ее развития в будущем, а также по средствам анализа имеющихся данных сделать прогноз о будущем атомной энергетики в целом.
В задачи, поставленные перед автором, входит обзор атомной энергетики как подотрасли мировой энергетики, изучение географических аспектов развития этой отрасли и ее актуальности.
1. Динамика топливно-энергетического баланса мира и факторы ее определяющие
1.1Структура и динамика топливно-энергетического баланса мира
Исследование и овладение источниками энергии всегда было одним из важнейших факторов развития человечества. И на сегодняшний день количество производимой и потребляемой энергии является одним из важнейших критериев качества жизни населения как в микро, так и в макро масштабе.
Современная энергетика включает в себя все топливные отрасли и электроэнергетику. Она охватывает все стадии использования топлива от добычи первичных ресурсов (ПЭР) до выработки электроэнергии. Все в целом эти отрасли образуют топливно-энергетический комплекс (ТЭК), который является одним из самых капиталоемких сфер производства.
Статистика показывает, что для динамики потребления ПЭР на протяжении 20 века был характерен постоянный, но не всегда равномерный рост. Пользуясь рисунком 1.1, можно вычислить, что за 20-е столетие потребление ПЭР увеличилось в 17-18 раз, достигнув к 2000 году 12,2 млрд. тонн условного топлива (т.у.т.). Отсюда же вытекает, что за первые полвека потребление возросло на 3,2 млрд. т.у.т, а во второе пятидесятилетие - на 8,3 млрд. т.у.т.. Однако в пределах второй половины 20-го века рост потребления так же был неодинаков: в 1950- 1960 гг. потребление возросло на 0,8 млрд. т.у.т, в 1960-1970 гг. - на 1,9 млрд., в 1970-1980 гг. - на 2,4 млрд., в 1980-1990 гг. - на 1,8 млрд., в 1990-2000 гг. - на 1,4 млрд. т.у.т. В колебаниях значений потребления нет ничего странного, потому как они определяются темпами мирового экономического развития, спросом и предложением, ценами на энергоносители и рядом других факторов.
Рис. 1.1 Динамика мирового потребления ПЭР в 20-м - начале 21-го вв. с прогнозом до 2020 г., в млрд. т.у.т. (составлено автором по [8],[9])
Анализ показывает, что до середины 70-х энергетика развивалась без каких-либо препятствий, т.к. среднегодовой прирост за 1950-1970 достигал почти 5%, что в 2,5 раза превышало прирост населения. Такая динамика объясняется быстрым увеличением добычи нефти и ее низкой стоимостью.
Однако в середине 70-х в развитие энергетики произошли серьезные изменения, вызванные энергетическим кризисом который ознаменовал конец эпохи дешевого топлива. По этой причине пришлось принимать экстренные меры по его преодолению. Политика энергосбережения стала одной из таких мер. Но она послужила дальнейшему замедлению темпов роста потребления ПЭР, т.к. высвобождались своего рода дополнительные ресурсы. К тому же после распада в 90-х СЭВ в Европе появился дефицит энергоресурсов. Страны СНГ так же столкнулись с проблемами в топливно-энергетическом секторе. Для большей наглядности достаточно вспомнить, что прогнозы, составлявшиеся в 70-х, предусматривали достижения в 2000 году уровня потребления ПЭР в 20 - 25 млрд. т.у.т.
Новая политика привела к изменениям в структуре мирового энергопотребления. Так, несмотря на относительную стабильность энергетики, происходит перераспределение доли различных видов топлива в структуре мирового энергопотребления.
Таблица 1.1 Структура мирового энергопотребления 1960-2007 гг.(составлено автором по [9])
Первичный энергоноситель Доля в мировом энергопотреблении, %
1960 1980 2000 2005 2007
Уголь 51,0 29,5 22,0 21,5 32,7
Нефть 41,4 43,0 39,2 38,5 15,1
Природный газ 13,5 21,6 24,2 24,8 27,6
Гидроэнергия и другие возобн. источники энергии 4,0 5,0 8,1 9,1 9,5
Атомная энергия 0,1 1,9 6,5 6,1 11,7
По таблице 1.1 можно отследить перераспределение в структуре энергоносителей. Видно, как за период с 1960 по 2005 а доля природного газа напротив, увеличилась с 13,5% до 24,8%доля, доля угля уменьшилась на 29,5%, доля нефти изменилась незначительно - всего на 2,9% по сравнению с углем, так же увеличилась доля гидроэнергии и возобновляемых источников до 9,1% в структуре потребления.
Атомная энергия, представленная в 1960-м ничтожной долей в 0,1% совершила значительный скачок на 6%. Значительные изменения произошли в 2007 году. Так, на фоне роста потребления остальных энергоресурсов доля нефти по сравнению с 2005 годом уменьшилась на 23,4%, угля напротив, увеличилась в 11,2 раза. Подобные изменения объясняются скачком цен на нефть. Объем атомной энергетики в общей доле увеличился на 5,6%. Рост цен на нефть и увеличение объемов добычи урана привело к перераспределению энергоносителей в структуре мирового потребления. В потреблении остальных энергоресурсов значительных сдвигов не наблюдалось.
Мировая электроэнергетика. Электроэнергетика входит в энергетику, образуя «верхний этаж» топливно-энергетического комплекса. Можно сказать, что она является одной из базовых отраслей мирового хозяйства. Важность ее роли объясняется необходимостью электрификации всех сфер хозяйственной деятельности человека.
Именно поэтому уровень электрификации топливно-энергетического баланса мира, который измеряется количеством ПЭР, расходуемых на производство электроэнергии, постоянно возрастает, и в развитых странах уже превысил 2/5. Динамика мирового производства электроэнергии показана на рисунке 1.2, из которого следует, что во второй половине 20 века - начале 21-го выработка электроэнергии увеличилась в 20 раз. На протяжении всего этого периода темпы роста спроса на электроэнергию превышал темпы спроса на сами энергоносители. В первой половине 90-х они составляли соответственно 2,5% и 1,5% в год. Согласно прогнозам мировое потребление электроэнергии может достигнуть к 2020 г. 26 - 27 трлн. КВТ\ч. Соответственно будут возрастать и установленные мощности электростанций.
Рис. 1.2 Динамика мирового производства электроэнергии
Структура производства электроэнергии так же не остается неизменной. Так, на угольном этапе развития энергетики в ней резко преобладали ТЭС, преимущественно работавших на угле, с небольшой долей ГЭС. Затем, по мере развития гидро- и атомной энергетики мировое производство электроэнергии приобрело к началу 21 века структуру, изображенную на рисунке 1.3.
Рис. 1.3 Структура мирового производства электроэнергии на 2008 год. (составлено автором по [9])
Также из рисунка 1.3 видно, что сейчас на долю ТЭС приходится 67% мирового производства электроэнергии, на ГЭС и АЭС по 16% на каждую. Согласно прогнозам доля топлива на ТЭС может измениться: доля газа может возрасти, а доля мазута уменьшиться.
2. История развития и современная география атомной энергетики
2.1 История развития атомной энергетики мира
В развитии атомной энергетики выделяются этапы зарождения, становления развития, стагнации, возрождения и современный.
I этап: Зарождение. На этом этапе были сделаны первые попытки использовать энергию ядерных реакций для производства электроэнергии.
II этап: Становление и развитие. Строительство первых в мире АЭС промышленного значения. Период бурного строительства и исследований в области ядерной энергетики.
III этап: Накопление опыта . Первые крупные аварии, создание международных организаций по контролю эксплуатации существующих и строительства новых станций.
IV этап: Стагнация отрасли. Спад темпов развития на фоне катастрофы ЧАЭС
V этап: Современный. После аварии на «Фукусиме» вопрос о рентабельности использования атомной энергетики вновь стал актуальным.
История отрасли.
I этап: История атомной энергетики насчитывает немногим более полувека, но по сравнению с другими областями этой отрасли ее развитие шло стремительными темпами. Уже в 40-х годах прошлого столетия помимо работ по созданию атомной бомбы в СССР начали разрабатываться проекты мирного использования энергии атома. В 1948 году по предложению И.В. Курчатова были начаты проекты по практическому применению энергии атома для нужд электроэнергетики.
II этап: В мае 1950 года близ поселка Обнинское начались работы по сооружению первой в мире промышленной АЭС, мощностью всего 5 МВТ. Обнинскую АЭС запустили 27 июня 1954 года. В 1958 была введена в эксплуатацию 1-я очередь Сибирской АЭС мощностью 100 МВТ, впоследствии полная проектная мощность была доведена до 600 МВТ. В том же году развернулось строительство Белоярской промышленной АЭС, а 26 апреля 1964 генератор 1-й очереди дал ток потребителям. В 1973 г. запущена Ленинградская АЭС.
За рубежом первая АЭС промышленного значения мощностью 46 МВТ была введена в эксплуатацию в 1956 году (Колдер-Холл (Великобритания)). Через год была запущена АЭС мощностью 60 МВТ в Шиппингпорте (США).
III этап: В 1979 году произошла авария на АЭС Три-Майл-Айленд (англ. Three Mile Island), а в 1986 году - катастрофа на Чернобыльской АЭС, которая помимо непосредственных последствий, серьезно отразилась на всей ядерной энергетике в целом. Она заставила специалистов всего мира пересмотреть проблему безопасности АЭС и задуматься о необходимости международного сотрудничества в целях повышения безопасности на них.
15 мая 1989 года на учредительной ассамблее в Москве, было объявлено об официальном образовании Всемирной ассоциации операторов атомных электростанций (англ. WANO), международной профессиональной ассоциации, объединяющей организации, эксплуатирующие АЭС, во всем мире. Ассоциация поставила перед собой задачи по повышению ядерной безопасности во всем мире, реализуя свои международные программы.
IV этап: После катастрофы в ЧАЭС темпы развития атомной энергетики и строительства новых станций замедлились. Отдельные страны были вынуждены под давлением экологов и общественности либо отказываться от дальнейшего развития отрасли на неопределенный срок, либо принимать решения о сокращении количества АЭС в своем топливно-энергетическом комплексе. Лишь немногие государства решились, не смотря ни на что, продолжать свои ядерные программы. В их число вошли Франция, Япония, Республика Корея.
VI этап: Авария на «Фукусиме» вновь обратила внимание общественности к проблеме безопасности атомной энергетики. Многие страны приняли программы о постепенном сворачивании или уменьшении количества АЭС в своем топливно-энергетическом комплексе. Однако большинство стран остались придерживаться своих позиции по отношению к атомной энергетике и продолжают ее постепенное развитие. В настоящее время доля выработки электроэнергии на АЭС во многих странах достигает довольно больших значений. На 2011 год в мире насчитывается 442 энергетических реактора общей мощностью 374,993 ГВТ (электрических) и 65 в стадии сооружения. Также 5 реакторов находятся на стадии долгосрочного вывода из эксплуатации.
Мировым лидером по установленной мощности является США, однако ядерная энергетика составляет лишь 20,2% в общем балансе этой страны. Мировым лидером по доле в общей выработке является Франция (второе место по установленной мощности), в которой ядерная энергетика является национальным приоритетом - 75%. До 2010 года лидером по доле атомной энергетики в структуре электроэнергетики страны являлась Литва, 80% энергии в которой давала Игналинская АЭС, закрытая по требованию Евросоюза изза типа установленных на ИАЭС реакторов - РБМК-1500. Реакторы этого типа были установлены на печально известной Чернобыльской АЭС, откуда их неофициальное название - "реакторы чернобыльского типа".
Крупнейшая АЭС в Европе - Запорожская АЭС у г. Энергодар (Запорожская область, Украина), строительство которой начато в 1980 г. С 1996 г. работают 6 энергоблоков суммарной мощностью 6 ГВТ.
Крупнейшая АЭС в мире по установленной мощности (на 2010 год) - Касивадзаки-Карива. Она находится в Японском городе Касивадзаки префектуры Ниигата. В эксплуатации находятся пять кипящих ядерных реакторов (BWR) и два продвинутых кипящих ядерных реактора (ABWR), суммарная мощность которых составляет 8,212 ГВТ.
2.2 География сырьевой базы атомной энергетики
Существование любой отрасли энергетики и атомной в том числе, невозможно без сырьевой базы. Для данной отрасли сырьевой базой являются руды урана, на основе которых изготавливаются сначала тепловыделяющие элементы (ТВЭЛЫ), а из них - тепловыделяющие сборки (ТВС), собственно топливный элемент ядерного реактора. Рассмотрим добычу урана по странам мира, виды топлива, которые могут применяться в будущем совместно с урановым, а так же процесс получения необходимых соединений из урановых руд.
Добыча урановых руд по странам мира. Крупнейшие месторождения и компании, добывающие уран. На рисунке 2.2.1 представлена графическая интерпретация таблицы 2.2.1. Из рисунка следует, что большинство стран-лидеров находятся в северном полушарии. Однако, несмотря на то, что именно там добывается наибольшее количество урановых руд, богатейшие месторождения находятся в Австралии.
Рис. 2.2.1 Страны лидеры по добыче урана(составлено автором по [19])
Согласно таблице 2.2.1, составленной по данным Всемирной ядерной организации, на 2009 год мировые запасы урана составляют:
Таблица 2.2.1. Запасы урана в мире на 2009 год(составлено автором по [16])
Страна Запасы, тонн % от мировых запасов
Австралия 1.673.000 31%
Казахстан 651.000 12%
Канада 485.000 9%
Россия 480.000 8,9%
ЮАР 295.000 5,5%
Намибия 284.000 5,3%
Бразилия 279.000 5,2%
Нигер 272.000 5%
США 207.000 3,8%
Китай 171.000 3,2%
Иордан 112.000 2,1%
Узбекистан 111.000 2,1%
Украина 105.000 1,9%
Индия 80,000 1,5%
Монголия 49,000 0,9%
Другие 150,000 2,8%
Мир в целом 5,404,000 100%
Из данных таблицы 2.2.1 следует, что наибольшими запасами обладает Австралия (31%) затем следуют Казахстан и Канада (12% и 9% соответственно). Однако по суммарным запасам, как континент лидирует Евразия 1,8 млн. т. В Америке сосредоточенно всего лишь 0,9 млн. т., в Африке - 0,8 млн. т. Первую пятерку формируют страны в которых запасы урана превышают 400 тыс. тонн, а десятку - страны с запасами более 170 тыс. тонн, причем на долю первых пяти стран приходится 66,4% мировых запасов.
Доля же первой десятки - 88,9%, что позволяет утверждать о том, что запасы урана размещены крайне неравномерно и концентрируются в небольшой группе стран, в которой по количеству членов преобладают страны Африки. На долю оставшихся шести стран приходится всего лишь 11.1%. Доля континентов в общемировых запасах составляет соответственно: Австралия - 31% , Евразия - 32,6%, Африка - 15,8%, Америка - 18%. На долю остальных стран приходится 2,8%. Из этих подсчетов получается, что в процентном соотношении так же как и по суммарным запасам, лидирует Евразия. Далее рассмотрим добычу урана за 2009 год, представленную в таблице 2.2.2.
Таблица 2.2.2 Добыча урана за 2009(составлено автором по[19])
Страна Добыто тонн (округленно) Доля (в %)
Казахстан 14000 28
Канада 10000 20
Австралия 8000 16
Намибия 4600 9
Россия 3600 7
Нигер 3200 6
Узбекистан 2500 5
Анализируя Таблицу 2.2.2, можно сделать вывод о безусловном лидерстве Казахстана в этой направлении, за ним идет Канада, затем Австралия. На долю первой тройки приходится 64% мировой добычи, что делает эти страны определяющими темпы развития атомной энергетики. Для большей наглядности вышесказанного рассмотрим динамику добычи урана в 21 веке. Графический обзор этой динамики представлен на рисунке 2.2.2. На нем видно, что за период 2001-2003 года происходило снижение объемов добычи урана в мире. С 2003 наблюдается скачок в добычи руд и за 2 года она достигла первого пика, увеличившись на 6,3 тыс. тонн. После этого объемы добычи немного снижаются, однако, начиная с 2006 года, объемы добычи продолжают увеличиваться. В 2009 году было добыто около 50 тыс. тонн урана.
Рис. 2.2.2 Динамика добычи урана в 2001-2009(составлено автором по [8], [19])
Но, несмотря на довольно значительные запасы урановых руд, добывается их не так много по сравнению с имеющимся количеством. Месторождений по всему миру немного изза того что уран, несмотря на широкое распространение в природе содержится в породах в очень небольшом количестве (кларк урана составляет всего лишь 0,0003%).
В природе уран встречается в виде четырех видов отложений: • жил уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), богатых ураном, но редко встречающихся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие заледи встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции.
• конгломератов ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии.
• осадочных пород и песчаников, богатых минералом карнотитом, который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США.
• Железоурановых сланцев и фосфатных руд. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, а фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике еще более богаты ураном. Большинство лигнитов (бурых углей) и некоторые другие угли обычно содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии.
Основными месторождениями стран СНГ являются: • В России основным урановорудным регионом является Забайкалье
• В Казахстане крупнейшим рудником является Мойынкум {ПВ}.
• В Узбекистане крупнейший рудник - Навои {ПВ}.
• На Украине в районе города Желтые Воды расположены три шахты: Ингульская, Смолинская, Новоконстантиновская (строится).
За рубежом крупнейшими рудниками являются: Маклин-Лейк, МАКАРТУР-Ривер и Раббит-Лейк в Канаде, Рейнджер и Олимпик-Дам в Австралии, Рессинг в Намибии, Акута в Нигере.
В настоящее время считают экономически целесообразным перерабатывать руды с содержанием оксида урана 0,05-0,07%. Все шире внедряется комплексная переработка урановых руд.
В 2005 на подземные рудники приходилось 38% массы добытого урана, на карьеры - 30%, способом подземного выщелачивания добывалось 21%, еще 11% - как побочный продукт при разработке других месторождений [7].
Ядерное топливо (ЯТ). Добыча ядерного топлива из урановых руд и его практическое использование.
ЯТ делится на два вида: • Природное урановое, содержащее делящиеся ядра 235U, а также сырье 238U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний 239Pu;
• Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе 239Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы 233U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория 232Th.
По химическому составу ЯТ может быть: • Металлическим, включая сплавы;
• оксидным (например, UO2);
• карбидным (например, PUC1-x)
• нитридным
• смешанным (PUO2 UO2)
По химической принадлежности: • Урановым (наиболее распространенный вид топлива)
• Ториевым (не применяется изза сложностей по добыче и переработке)
• Плутониевым (не применяется ввиду сложности управления реактором на этом топливе, а также изза того что плутоний трудно поддается механической обработке и чрезвычайно ядовит)
Урановое ядерное топливо получают переработкой руд. Процесс происходит в несколько этапов: • Для бедных месторождений: в современной промышленности в силу отсутствия богатых урановых руд, используется способ подземного выщелачивания руд. Это исключает дорогостоящую добычу руды. Предварительная подготовка идет непосредственно под землей. Через трубы под землю над месторождением закачивается серная кислота, иногда с добавлением солей трехвалентного железа (для окисления урана U(IV) до U(VI)), хотя руды часто содержат железо и пиролюзит, которые облегчают окисление. Через откачные трубы специальными насосами раствор серной кислоты с ураном поднимается на поверхность. Далее он непосредственно поступает на сорбционное, гидрометаллургическое извлечение и одновременное концентрирование урана.
• Для рудных месторождений: используют обогащение руды и радиометрическое обогащение руды.
• Гидрометаллургическая переработка - дробление, выщелачивание, сорбционное или экстракционное извлечение урана с получением очищенной закиси-окиси урана (U3O8), диураната натрия (Na2U2O7) или диураната аммония ((NH4)2U2O7)
• Перевод урана из оксида в тетрафторид UF4, или из оксидов непосредственно для получения гексафторида UF6, который используется для обогащения урана по изотопу 235.
• Обогащение методами газовой термодиффузии или центрифугированием
• UF6, обогащенный по 235 изотопу переводят в двуокись UO2, из которой изготавливают «таблетки» ТВЭЛОВ или получают другие соединения урана с этой же целью.
Практическое применение ЯТ. На АЭС и другие ядерные установки топливо приходит в виде довольно сложных технических устройств - тепловыделяющих сборок (ТВС), которые в зависимости от типа реактора загружаются непосредственно во время его работы (как на реакторах типа РБМК в России) на место выгоревших ТВС или заменяют отработавшие сборки большими группами во время ремонтной кампании (как на российских реакторах ВВЭР или их аналогах в других странах - PWR и других). В последнем случае при каждой новой загрузке меняется чаще всего треть топлива и полностью изменяется его расстановка в активной зоне реактора, наиболее выгоревшие сборки с топливом, из центра активной зоны, выгружаются, на их место ставится вторая треть сборок, со средним выгоранием и расположением. На их место в свою очередь ставятся наименее выгоревшие ТВС, с периферии активной зоны. Ну а на периферию загружается свежее топливо. Такая схема перестановки топлива является традиционной и обусловлена многими причинами, например стремлением обеспечить равномерное энерговыделение в топливе и максимальный запас до кризиса теплообмена воды на оболочках ТВЭЛ (тепловыделяющих элементов).
Описание загрузки ядерного топлива в активную зону реактора, данное выше, все же является весьма условным, позволяющим иметь общее представление об этом процессе. На самом деле загрузка топлива осуществляется сборками с различными степенями обогащения топлива и ее предваряют сложнейшие ядерно-физические расчеты конфигурации активной зоны реактора в специализированном программном обеспечении, которые совершаются на годы вперед и позволяют планировать топливные и ремонтные кампании для увеличения показателей эффективности работы АЭС, например КИУМА (коэффициента использования установленной мощности). Кроме того, если конфигурация топлива не будет удовлетворять определенным требованиям, важнейшими из которых являются различные коэффициенты неравномерности энерговыделения в активной зоне, реактор не сможет работать вовсе или будет неуправляемым. Кроме различной степени обогащения разных ТВС применяются другие решения для обеспечения нужной конфигурации активной зоны и стабильности ее характеристик в течение топливной кампании.
Например ТВС, в которых вместо некоторых ТВЭЛОВ содержатся поглощающие элементы (ПЭЛЫ), которые компенсируют изначальную избыточную реактивность свежего топлива, выгорают в процессе работы реактора и по мере использования топлива все меньше влияют на его реактивность, что в итоге выравнивает по времени величину энерговыделения на протяжении всего срока работы тепловыделяющей сборки. В настоящий момент в топливе промышленных водо-водяных реакторов во всем мире практически перестали использовать ПЭЛЫ с борным поглотителем, долгое время являвшимися почти безальтернативными элементами, и перешли на более прогрессивный способ - внесение с теми же целями гадолиниевый выгорающий поглотитель непосредственно в топливную матрицу, этот способ имеет много важных преимуществ. После выгрузки из активной зоны реактора отработанного топлива его помещают в специальный бассейн выдержки, обычно располагающийся в непосредственной близости от реактора. Дело в том, что в отработавших ТВС содержится большое количество осколков деления урана, сразу после выгрузки каждый ТВЭЛ в среднем содержит 300000 Кюри радиоактивных веществ, которые выделяют энергию 100 КВТ. За счет этой энергии использованное ядерное топливо имеет свойство саморазогреваться до больших температур без принятия специальных мер (недавно выгруженное топливо может разогреться на воздухе примерно до 300 °C) и является высокорадиоактивным, поэтому его хранят 3-4 года в бассейнах с определенным температурным режимом под слоем воды, защищающим персонал от ионизирующего излучения продуктов распада урана. По мере выдержки уменьшается радиоактивность топлива и мощность его остаточных энерговыделений, обычно через 3 года, когда саморазогрев ТВС сокращается до 50-60 °C, его извлекают и отправляют для хранения, захоронения или переработки.
2.3 Современная география атомной энергетики
Для того, чтобы полноценно изучить современную географию атомной энергетики, необходимо рассмотреть типы реакторных установок.
Типы реакторных установок эксплуатируемых на АЭС мира. В мире разработано большое количество различных моделей реакторов, различающихся по устройству, типу протекающей реакции и используемого охладителя. В списке приведены некоторые наиболее известные типы реакторов, с кратким описанием особенностей и компаний, строящих реакторы этих типов в различных странах: • BWR - корпусной кипящий реактор, строят американские, японские и немецкие компании. В Японии функционируют также ABWR, усовершенствованные реакторы этого типа.
• PHWR - тяжеловодный ядерный реактор. Реакторы этого типа в основном известны под названием CANDU. Это национальное канадское направление ядерной энергетики, которое успешно выступает на международном рынке, так как канадцы открыто работают в плане технологий. Топливо для этих реакторов, страны, в которых построены PHWR, способны производить самостоятельно, так как оно не требует сложного высокотехнологичного процесса - обогащения. PHWR также строил Siemens, но в настоящее время действует лишь один немецкий реактор (в Аргентине). Кроме Канады и Германии единственной страной, самостоятельно развившей технологию тяжеловодных реакторов, является Индия, которая строила их только у себя в стране.
• LWGR - графитоводный ядерный реактор. Исключительно советское направление в реакторостроении, энергоблоки с реакторами этого типа, РБМК и маломощными ЭГП-6 строились только в СССР, последний был пущен в 1990 году. Довольно большое их количество эксплуатируется по настоящее время в России, работавшие на Украине и в Литве энергоблоки были закрыты. Особенностями этой модели были: возможность перегрузки топлива без остановки реактора, отсутствие дорогостоящего корпуса в отличие от корпусных реакторов (это снимало ограничение на размер и форму активной зоны), а так же крайняя нестабильность, приведшая в итоге к разрушению энергоблока №4 ЧАЭС. В последствие недостатки были устранены, но мировое сообщество с опасением относится к работающим реакторам этого типа. Как уже упоминалось, по этой причине были остановлены энергоблоки в Литве на ИАЭС.
• PWR - водо-водяной ядерный реактор, энергоблоки строят Westinghouse (сейчас ей владеет Toshiba), General Electric, Areva, Kraftwerk Union (часть Siemens, которая сейчас передана в Areva), Babcock & Wilcox, Combustion Engineering (строившая модели System 80, компания стала в 80-е частью ABB, а сейчас входит в Westinghouse), Toshiba, Mitsubishi Heavy Industries, Hitachi. Также в некоторых странах существуют «национальные» модели PWR. В России - ВВЭР (полностью собственная технология, строят подразделения Росатома). В Китае - CNP и CPR которые основаны на западных технологиях с 30-70% китайского оборудования, данные реакторы строит компания CNNC. В Южной Корее - OPR. Технология скопирована с западной, но оборудование в последних блоках полностью свое. Строят совместно компании KEPCO и Doosan Heavy Industries & Construction.
• FBR - реактор-размножитель на быстрых нейтронах. Реакторы этого типа были разработаны и функционировали в нескольких странах, однако в настоящий момент работает лишь единственный в мире, БН на Белоярской АЭС в России. В США, Франции, Японии и Казахстане реакторы были закрыты, однако в мире имеется большой интерес к этой технологии. Интерес обусловлен тем, что данный тип реакторов позволяет «сжигать» ядерное топливо до уровня практически нерадиоактивных веществ. К тому же в качестве топлива для этих реакторов могут использоваться отработанные топливные кассеты из реакторов других типов.
• GCR - газоохлаждаемый реактор. Национальное направление ядерной энергетики Великобритании, которая активно строила модификации Magnox и AGR, однако большинство из них в настоящий момент закрыто. Также несколько реакторов этого типа англичане построили в Италии и Японии, однако все они уже не работают.
Таблица 2.3.1 Ядерные реакторы по странам(составлено автором по [14],[15] )
Страна Эксплуатируется Строится Планируется Перспектива строительства Остановлено Эксплуатирующие организации Типы реакторов Поставщики топлива
Аргентина 2 1 2 1 0 Nucleoelectrica Argentina SA 1PHWR, 1CANDU CONAUR SA
Из таблицы 2.3.1 приведенной выше, становится понятно, что лидерами по количеству действующих реакторов являются: США (104), Франция (58), Япония (54), Россия (32), Южная Корея (21). Превалирующими типами реакторов являются PWR и BWR (без учета «национальных» модификаций, вроде ВВЭР в России). Кроме того можно сделать вывод о том, что большинство компаний поставляющих топливо на станции принадлежат странам-обладательницам большого числа станций (США, Россия, Канада). Доля остальных поставщиков невелика, т. к. немногие страны могут производить ядерное топливо на экспорт. Зачастую они ограничиваются обеспечением внутреннего рынка (как например, производители топлива в Японии). Помимо прочего виден интерес к этой отрасли со стороны ЮАР, которая планирует в перспективе построить 24 реактора; Китая, поставившего широкомасштабные задачи - довести число реакторов до 150 (на данный момент действует только 3). По темпам строительства лидирует все тот же Китай (26 реакторов на стадии строительства), за ним следует Россия (11 реакторов), после них с большим отставанием идут Индия (6 реакторов) и Южная Корея (5 реакторов). Остальные страны, даже США, на данный момент не имеют строящихся установок по причине их отсутствия (в развивающихся странах) либо строят не более 2-3. Все это позволяет сделать вывод о том, что основной рост как количества, так и удельной мощности АЭС в структуре энергетики будет в ближайшем будущем наблюдаться в Азии.
2.4 География атомной энергетики
После аварий на ЧАЭС и Фукусиме, в мире сложилась совершенно новая ситуация и развитие атомной энергетики в целом замедлилось. Однако политика разных стран по отношению к этой отрасли так же была различной. Их можно подразделить на три группы: К первой группе относятся так называемые страны- «отказники», отказавшиеся от развития атомной энергетики вообще и принявшие решение о немедленном или постепенном закрытии своих АЭС. Так, в Австрии была законсервирована уже готовая АЭС, построенная недалеко от Вены. В Италии после референдума 1987 года три АЭС были закрыты, четвертая, почти достроенная, переоборудована в ТЭС. Польша прекратила строительство АЭС в Жарновице. Практически были заморожены ядерные программы Швейцарии, Нидерландов, Испании. В Швеции было решено закрыть до 2010 года все 12 действующих реакторов, однако по данным Всемирной ядерной ассоциации ее 10 реакторов до сих пор в строю, т.к. в июне 2010 парламент решил возобновить развитие этой отрасли. Ко второй группе относятся страны, решившие не демонтировать существующие АЭС, но и не строить новых. В эту группу входит большинство стран зарубежной Европы и США, где в 90-е годы не было начато строительства ни одной новой станции.
В нее входят так же Россия и Украина, объявившая вначале мораторий на сооружение АЭС, но затем отменившая его (несмотря на это Чернобыльская АЭС благодаря специальным западным инвестициям была окончательно остановлена в 2000 году). Необходимо отметить, что страны второй группы хоть и не строят новых станций, но достройку блоков к существующим, все же осуществляют. Однако состав этих не остается неизменным. Как уже упоминалось, Швеция пересмотрела свое негативное отношение к строительству АЭС. Так же изменили свою позицию по этому вопросу Италия, Испания, США (в 2002 году). Ввела в строй свою первую атомную электростанцию Румыния. Канада, напротив, стала применять некоторые ограничения. В еще большей степени это относится к Германии, которая планирует полностью закрыть свои АЭС до 2021 года. К использованию атомной энергии приступают, или планируют приступить, некоторые страны Африки, Индонезия, страны Евр
Вывод
Детально рассмотрев материал, изложенный в данной работе, можно выделить важное место атомной энергетики в комплексе производства электроэнергии, отметить большое внимание, которое уделяется развитию этой отрасли, и выявить то, что процессы, происходящие в ней, находят отголосок в современном обществе. Очевидно, что чем дальше будет двигаться научно-технический прогресс, тем больше ресурсов ему будет необходимо для развития. Но, стоит отметить, что и вопрос об уменьшении затрат ресурсов во время производства также широко рассматривается наукой. И, для решения вышеперечисленных задач самым подходящим вариантом является атомная энергетика. Как было отмечено ранее, атомная энергетика имеет долгосрочные перспективы развития, и при определенных условиях в будущем она может выйти в лидеры по количеству производимой электроэнергии. Также, необходимо отметить влияние этой отрасли на общество.
Вследствие нескольких крупных катастроф на АЭС, общественность все чаще задумывается о целесообразности использования атомной энергетики. Но, издержки неизбежны в любой отрасли, и, по причине относительно малого опыта эксплуатации АЭС допускалось и допускается много ошибок, но со временем накопленный опыт осядет в виде максимально безопасных способов добычи электроэнергии на АЭС.
Стоит отметить, что многие страны стали пересматривать свои атомные программы. Например, в Германии, после аварии на АЭС Фукусима приняли программу о постепенном отказе от использования мирного атома. Однако некоторые страны не только оставили свои атомные программы без изменений, но и в перспективе планируют их развивать, при условии замены старых реакторов на новые, более безопасные и продуктивные. Примером такой страны является соседка Германии Франция. Там в перспективе планируется увеличить количество АЭС, и заменить уже устаревшие реакторы на современные.
Хотелось бы выделить и то, что с каждым годом увеличивается количество энергии получаемой от АЭС. Это говорит о постепенном увеличении, как мощностей реакторов, так и добываемого сырья для их продуктивной работы. Из этого можно выявить, что и качество обогащения сырья также растет.
В сырьевой базе атомной энергетики по-прежнему преобладают изотопы урана, однако ведутся научные исследования и разработки по использованию не только одного изотопа - урана-23, содержание в руде которого всего 0,7%, но и урана-238 встречающегося в значительных количествах в руде а так же изотопов других радиоактивных элементов. Кроме того ведутся работы по освоению энергии термоядерного синтеза.
На данный момент существуют три «узла» станций - Североамериканский, Европейский и Японский. Однако в мире намечается тенденция к развитию ядерной энергетики в странах Азии. При благоприятном развитии событий может сформироваться Китайский и Юго-Западный Азиатский «узлы» концентрации станций.
Но, необходимо упомянуть и о писсимистичеких прогнозах, которые имеют место быть при обсуждении вопроса о перспективах развития атомной энергетики. Так, некоторые специалисты считают что в течении ближайших пятнадцати лет доля АЭС в выработке электроэнергии сократиться в 1.5 раза , за счет изнашивания реакторов , построенных в 70-80 годах 20-го века. Также они подчеркивают, что высокая стоимость строительства АЭС и экологические издержки будут в дальнейшем мешать развитию атомной энергетики
Автор благодарит за прочтение работы, и надеется, что информация, изложенная в ней, была полезной и содержательной.
Список литературы
1. Алаев Э.Б. Социально-экономическая география. Понятийно-терминологический словарь. / Э.Б. Алаев. - Москва, 1983. - 290 с.
2. Атомная энергетика сегодня [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.rus-stat.ru/index.php?vid=1&year=2004&id=74
3. Байков Н. Производство и потребление топливно-энергетических ресурсов в 20 веке / Н. Байков, И. Александрова // МЭМО - 2001 - №9 - С 27-34.
4. Байков Н. Мировое потребление и производство первичных энергоресурсов/ Н. Байков, Г. Безмельницына // МЭМО - 2003 - №5 - С 44-53.
5. Варнавский В. Реформирование мировой электроэнергетики/ В. Варнавский //МЭМО - 2003 - №4 - с 25-28.
6. Горкина Г.И. Тенденции развития мировой электроэнергетики на рубеже веков / Г.И. Горкина // Известия Российской Академии наук. Сер География - 2003 - №4 - С 69-77.
7. Гринкевич Р. Тенденции мировой электроэнергетики / Р. Гринкевич // МЭМО - 2003 - №4 - С 15-28.
8. Добыча урана в мире // География - 2006 - №21 - С 23-27.
9. Максаковский В.П Географическая картина мира В 2 кн. Кн. 1. Общая характеристика мира / В.П. Максаковский. - Москва: Дрофа, 2008. - 496 с.
10. Проблемы энергетической безопасности // МЭМО - 2007 - №12 - С.
11. Пашковская И. Проблемы энергетической безопасности ЕС/И. Пашковская // МЭМО - 2008 - №10 - С 51-56.
12. Форсайт развития атомной энергетики мира [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://futuredesigning.org/proekti/0/forsaytrazvitiyaatomnoyenergetiki0.html
13. Социальная и экономическая география мира / В.В. Вольский [и др.]; под ред. В.В. Вольского. 2-ое изд. исправ. - Москва: Дрофа, 2003. - 560 с.
14. Power Reactor Informatiom System // Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://pris.iaea.org/Public/COUNTRYSTATISTICS/COUNTRYSTATISTICSLANDINGPAGE.aspx/.
15. Supply of Uranium // World Nuclear Association [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.world-nuclear.org/info/inf75.html.
16. Wann endlich abgeschaltet wird (нем.)// NABU Energie Atomkraft Atomausstieg und Restlaufzeiten [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nabu.de/m07/m07_05/04634.html.
17. Конырова К. Казахстан вышел на первое место по добыче урана в мире /К. Конырова // Trend.az [Электронный ресурс]. - 2009. - Режим доступа: http://ru.trend.az/capital/entrepreneurship/1610640.html.
18. ТВЭЛ будет поставлять топливо на Армянскую АЭС до ее вывода из эксплуатации // Atomic-Energy.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.atomic-energy.ru/news/2010/07/05/12055.