Атомная энергетика

 

Анализируя Таблицу 1.4, делаем вывод о безусловном лидерстве Казахстана в этой области, за ним со значительным отставанием идет Канада, затем Австралия. Ведущие позиции Казахстана по добыче урана объясняются тем, что это национальная стратегия [16]. В первую тройку так же входят Канада и Австралия. На долю первой тройки приходится 64% мировой добычи, что делает эти страны определяющими темпы развития атомной энергетики, т.к. АЭС какой бы современной она не была, не может существовать без топлива. Для большей наглядности вышесказанного рассмотрим динамику добычи урана в 21 веке. Графический обзор этой динамики представлен на рисунке 1.5. Из него вытекает, что за период 2001–2003 года происходило снижение объемов добычи урана в мире. С 2003 наблюдается резкий рост 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 стремительно увеличиваться. В 2009 году было добыто около 50 тыс. тонн урана.

Рис. 1.5 Динамика добычи урана в 2001–2009 годах (составлено автором по [7], [19])

Однако, несмотря на довольно значительные запасы урановых руд, добывается их не так уж много по сравнению  с имеющимся количеством. И месторождений  по всему миру немного из-за 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), очень богатых ураном, но редко встречающихся. Им сопутствуют отложения радия (Ra), так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы 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 (уранил-ванадат калия), 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. На месторождении Стрельцовское (разрабатывается подземным способом) ² в Читинской области (около города Краснокаменск) добывается около 93 % российского урана. Добычу осуществляет «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (ППГХО), входящее в состав ОАО «Атомредметзолото» (Урановый холдинг). Остальные 7 % получают методом подземного выщелачивания ЗАО «Далур» (Курганская область) и ОАО «Хиагда» (Бурятия).

• В Казахстане крупнейшим рудником является Мойынкум {ПВ}.

• В Узбекистане крупнейший рудник – Навои {ПВ}.

• На Украине в р-не города Желтые Воды расположены три шахты: Ингульская, Смолинская, Новоконстантиновская (строится).

За рубежом крупнейшими  рудниками являются: Маклин-Лейк (англ. McLean Lake {О}), МакАртур-Ривер (англ. McArthur River{П}) и Раббит-Лейк (англ. Rabbit-Lake{П}) в Канаде, Рейнджер (Ranger{О}) и Олимпик-Дам (Olympic-Dam{П}) в Австралии, Рёссинг (англ. Ressing {O}) в Намибии, Акута (англ. Acute accent{П}) 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 сырьё 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 из-за сложностей по добыче и переработке)

• Плутониевым (не применяется ввиду сложности управления реактором на этом топливе, а также из-за 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 идёт непосредственно под землёй. Через закачные трубы под землю над месторождением закачивается серная кислота, иногда с добавлением солей трёхвалентного 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, всё же является весьма условным, позволяющим иметь общее  представление об этом процессе. На самом деле загрузка топлива осуществляется сборками с различными степенями  обогащения топлива и её предваряют сложнейшие ядерно-физические расчёты  конфигурации активной зоны реактора в специализированном программном  обеспечении, которые совершаются  на годы вперёд 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 определённым 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 её 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 всё 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 всём 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 счёт 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 определённым 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. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ  АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ АТОМНОЙ  ЭНЕРГЕТИКИ

1. Политика  разных стран по отношению к атомной  энергетике

После аварий на Три-Майл-Айленд и ЧАЭС, 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 разделить 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.

К третьей группе  не очень  многочисленной относятся страны, которые, не смотря ни на что, по-прежнему осуществляют свои масштабные ядерно-энергетические программы (Франция, Япония, Республика Корея) или принимают их заново (Китай, Иран).

Однако состав этих групп  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 [15]. Графически этот обзор выглядит следующим образом:

 

Рис. 2.1 Политика по АЭС в различных странах (составлено автором по [8])

 

Условные обозначения:

Страны с АЭС:

 эксплуатируются АЭС, строятся новые энергоблоки; 

эксплуатируются АЭС, планируется  строительство новых энергоблоков;     

эксплуатируются АЭС, строительство  новых пока не планируется; 

эксплуатируются АЭС, рассматривается  сокращение их количества

 Страны без АЭС:  

станции строятся; 

строительство планируется;  

станций нет, и не планируются;  

гражданская ядерная энергетика запрещена законом.

 

Как видим, к использованию  атомной энергии приступают, или  планируют приступить  некоторые  страны Африки, Индонезия, страны Европы (Польша, Беларусь, Украина, Литва, Италия), Азии (Казахстан, Турция, Монголия), Латинской  Америки (Чили, Эквадор, Венесуэла). Кроме  того на карте присутствует страна в которой существование станций  этого типа запрещено законом. Это  Австрия, которая относится по вышеприведенной  классификации к группе стран-«отказников». В целом же по миру достаточно благоприятная политика для развития АЭС, ввиду того что доля стран имеющих атомные станции и продолжающих их строительство вместе со странами планирующими начать использование ядерной энергии значительно превышает долю стран где атомная энергетика запрещена вообще либо находится на стадии вывода из структуры топливно-энергетического баланса.

2. География крупнейших атомных электростанций мира

Однако независимо от проводимой странами политики, АЭС имеют собственную географию размещения, которая отображена на рисунке 2.2.

Из него вытекает, что, несмотря на то, что атомные электростанции есть во многих странах, количество крупных невелико – всего 12. Все они расположены компактно в пяти странах: США, Франции, Украине, России, Японии. Если рассматривать расположение АЭС в целом, то выделяются три «узла» расположения станций: Североамериканский, Европейский и Японский. Лидерами, как по количеству, так и по суммарной мощности, являются те же страны, где расположены мощнейшие АЭС. Однако многие крупные регионы, субрегионы и даже целые континенты выглядят на этом рисунке как «белые пятна». Подобное размещение объясняется уровнем социально-экономического развития стран, в первую очередь потому, что страны располагающие атомными станциями в большинстве своем относятся к группе высокоразвитых. Имеются также станции и в развивающихся странах, но это скорее исключение, чем правило. Еще один любопытный вывод, который можно сделать из рисунка 2.2 это то, что абсолютное большинство станций располагается в Северном полушарии. В Южном полушарии станции есть лишь в ЮАР, Аргентине, Бразилии. Т.е Север более насыщен АЭС, чем Юг. Что касается географических поясов, то из рисунка вытекает, что основная часть станций располагается в районе умеренных широт северного полушария. Но есть и исключения – Билибинская АЭС расположенная на Чукотке, Кольская АЭС на Кольском полуострове. В южном полушарии основной пояс, в котором расположены станции – тропический. Единственный материк на котором не построено ни одной АЭС – Австралия.