Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
6. Цепная реакция деления ядерного топлива протекает благодаря избыточным нейтронам. Под воздействием нейтронов в облучаемых конструкционных материалах реактора (оболочки твэлов, детали ТВС, внутриреакторные устройства, корпус), а также в теплоносителе и материалах биологической защиты, в газовой атмосфере, заполняющей пространство между реактором и его биологической защитой, многие химически стабильные (нерадиоактивные) элементы превращаются в радиоактивные. Возникает так называемая наведенная радиоактивность, усложняющая эксплуатацию, требующая применения защитных устройств и средств дистанционного обслуживания. Радиационное воздействие быстрых нейтронов вызывает в конструкционных материалах реактора, и прежде всего его активной зоны, существенные радиационные повреждения (охрупчивание, распухание, повышенную ползучесть).
Рассмотрим несколько подробнее влияние изложенных выше особенностей использования ядерного топлива на технические и экономические аспекты развития ядерной энергетики.
Высокая теплотворная способность ядерного топлива обусловлена значительной внутриядерной энергией, высвобождаемой в каждом акте деления ядра урана или плутония. При сгорании же органического топлива имеют место химические окислительные процессы, сопровождаемые относительно малым энерговыделением.
При сгорании (окислении) атома углерода в соответствии с реакцией
C-K)2-V CO2-M эВ
выделяется около 4 эВ энергии на каждый акт взаимодействия, в то время как при делении ядра атома урана
235U+«-*Xi+X2 + 20(M06 эВ
выделяется около 200 МэВ энергии на каждый акт деления. Энерговыделения в этих двух процессах различаются в 50 млн. раз. на один акт взаимодействия, а исходя из соотношения атомных масс урана и углерода (235: 12) энерговыделения на единицу массы различаются примерно в 2,5 млн. раз.
Такое высококонцентрированное выделение энергии в единице массы, а следовательно, и в единице объема, сопровождаемое мощным радиационным воздействием на топливо и конструкционные материалы потоков нейтронов высокой плотности, обусловливает особые требования к применяемым в реакторах материалам и обеспечению надежного теплосъема и интенсивного отвода тепловой энергии из активной зоны реактора, от каждого твэла.
Если в обычной энергетике удельные тепловые потоки в теп-лопередающих поверхностях парогенераторов и теплообменников составляют 80—200 тыс. ккал/(м2-ч) [340—840 Мдж/(м2-ч)], то> в активных зонах ядерных реакторов они могут быть в несколько раз или почти на порядок выше: 1—2 млн. ккал/(м2-ч) [~4,2Х XlO3 МДж/(м2-ч)]. Примерно в таком же соотношении находятся объемные и линейные энергонапряженности теплопередаю-щих конструкций. В реакторах на тепловых нейтронах, охлаждаемых водой, удельная объемная мощность энерговыделения активной зоны составляет 80—120 кВт/л, а в реакторах на быстрых нейтронах, охлаждаемых жидким натрием, она может достигать 600—1200 кВт/л.
Использование ядерного топлива в энергетике обусловливает применение в активной зоне реактора материалов так называемого ядерного класса чистоты, т. е. обладающих малыми сечениями захвата и поглощения нейтронов. Уровень требований к составу и свойствам используемых в реакторостроении материалов весьма высок. Поэтому необходимо было создать весьма совершенную технологию производства новых материалов и полуфабрикатов, специальных методов и средств их контроля. В настоящее время разработана и освоена технология промышленного получения таких материалов, как бериллий, графит ядерной чистоты, тяжелая вода, циркониевые -и ниобиевые сплавы, металлический кальций, бористые и теплостойкие нержавеющие стали, бор, обогащенный изотопом ,0В, редкоземельные элементы.
Вследствие высокой калорийности ядерного топлива резко сокращается как его масса, так и его физический объем, необходимые для производства заданного количества энергии. Тем самым хранение и транспортирование исходного сырья (химического концентрата природного урана) и готового ядерного топлива требуют относительно малых затрат. Следствием этого является независимость размещения АЭС от районов добычи и изготовления ядерного топлива, что существенно облегчает экономически выгодное географическое размещение производительных сил. В этом смысле можно говорить об универсальном характере ядерного топлива. Ядерно-физические свойства топлива всюду одинаковы, а экономика его использования практически не зависит от расстояний до
потребителя. Это свойство ядерного топлива позволяет поправить «несправедливость» природы, выразившуюся в крайне неравномерном географическом распределении энергоресурсов всех видов*.
Возможность не связывать местоположение АЭС, АТЭЦ и ACT с местом добычи и изготовления ядерного топлива позволяет размещать их с максимальным приближением к потребителям электрической и тепловой энергии. В свою очередь, это может способствовать уменьшению потребности в слишком дальних дорогостоящих ЛЭП большой мощности. Возможно, что будет целесообразно размещать крупные АЭС в местах, где обеспечено водоснабжение, необходимое для конденсации отработанного пара мощных турбин, например по берегам северных морей и многочисленных холодных озер и рек. Обильное водоснабжение может позволить сооружать комплексы АЭС на небывало большие мощности, превосходящие 10 млн. кВт, или создавать региональные энергокомплексы, состоящие из нескольких АЭС общей мощностью десятки миллионов киловатт, вместе с предприятиями по химической переработке отработавшего топлива.
