Будущее развитие ядерной энергетики и роль термоядерного источника нейтронов

1. НИЦ“Курчатовский Институт” Будущее развитие ядерной энергетики и роль термоядерного источника нейтронов Экологически приемлемая ядерная энергетика Е.П. Велихов

2. 16 июль 2008 14 Область неустойчивой экономики 12 10 8 6 май 2009 4 2 0 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 исторически(средн. за год) исторически (средн. за месяц) прогноз (средн. за месяц) Распределение первичной энергиив мире,ВВП, %

3. Комментарии • Большая пропорция стоимости источников энергии в ВВП ограничивает экономическое развитие, приводит к стагнации или спаду в экономике. Значит, пропорциональный рост энергетики в будущем должен происходить только за счёт таких источников энергии, которые не очень дороги, способны покрыть дефицит и обеспечить нормальные условия функционирования экономики. • Сегодня вопрос развития ядерной энергетики в разных странах видится как долгосрочное стратегическое направление развития энергетики. • Полагаясь только на отработанные ядерные технологии, которые основываются на реакторах с водой под давлением и незамкнутом топливном цикле, мало оснований рассматривать это как основной стабилизирующий фактор.

4. Доступность источников энергиив зависимости от стоимостиих добычи Газ Уран 238 Уголь Нефть Топливные ресурсы Суммарное потребление первичной энергии в XXI веке («средние сценарии») Уран 235 Стоимость добычи, относительные единицы

5. Проблемы современной ЯЭ • Современная ЯЭне может рассматриваться как основаустойчивого развитияпо следующим причинам: • Неэффективное использование топлива (эффективность ниже, чем в случае нефти и газа); • Деградация нейтронного потенциала (потреблениеурана - 235, нет воспроизводства ядерного топлива); • Накопление отходовпропорциональновыработке энергии (придёт момент, когдатарифы на электричествобудут недостаточны дляуправленияОЯТи РАО); • Ограничение масштабов ирегионов использования; • Увеличение угрозынеконтролируемого использованияядерных материалов.

6. Незамкнутый топливный цикл 2030г. – 600ГВт(эл) 2050г. - 1500 ГВТ(эл) Потребности в уране и прогнозы годовой добычи Природный уран, т/год Спрос на незамкнутый топливный цикл Общая добыча: 15 млн. т

7. Прогнозы годовой добычи урана до 2035 года и прогнозы его мировой потребности для реакторов Высокая Разрыв между производством (черные столбики) и потребностью в реакторах (пунктирная линия), заполненный вторичными поставщиками Потребность в реакторах тU/год Низкая Год Уран 2009: Ресурсы, Добыча, Потребности, OECD 2010, NEA №6891 Uranium 2009: Resources, Production and Demand, OECD 2010, NEA No 6891

8. Сравнение потенциалов производства энергиипри использовании нефти иЯЭ с незамкнутым топливным циклом Mln of toe Мин.потребности в U Добыча нефти Добыча U Прогнозируемая добыча нефти Прогнозируемая годоваядобыча природного урана Потребности в природном уране

9. Ежегодная добыча урана и потребности в нём* (1945-2009) тU Год *Оценены значения 2009 г. Мировая добыча Мировые потребности Мировые потребности Уран 2009: Ресурсы, Производство, Cпрос, ОЭСР 2010, NEA No 6891

10. Общий объём энергоисточников, млн. тнэ Нефть 0.9раза Газ 1.1 раза Уголь 4 раза Биомасса3 раза Гидро 2 раза Возобн. 9раз ЯЭ 3раза Нефть Уголь Гидро Биомасса и отходы Ядерная Другие возобновляемые Газ Неизвестные

11. Осуществлениеренессанса в ядерной энергетикеи надёжные реакторы Гибридный реактор (термоядерный реакторс расплавно солевымделящимся воспроизводящим бланкетом)- MSHT

12. Причины застоя современнойЯЭопределяются наличиемсерьёзных угроз и рисков – т.е. факторов, способныхсделать рассматриваемуютехнологию неприемлемой, или/исущественно ограничитьобласть её применения.Сейчас нет объективных причиндля ренессанса ЯЭ, т.к всё ещё присутствуют основные факторы, влияющие на настороженное отношениек ядерной энергетике, несмотря на все“инновационные проекты”,предлагаемые международным сообществомв рамкахGEN-IV и INPRO.Критерии для выборанаправления долгосрочного развития, а также принципывыбора технологических решенийдля будущеговсё ещё не ясны.

13. Кажется, что несколько общих вопросов (“болевых точек”) приводят к наибольшим сомнениямв обществе,угрожаяренессансу в ядерной энергетике:1. не устранённая угрозакатастрофических аварий (с большимии опасными для обществанеопределённостямиих вероятностей);2. риски распространения оружейных материалов;3. неопределённые риски,относящиеся к долгосрочному хранениюдолгоживущих токсичных отходов;4. угрозы потерь основных инвестицийв условиях ограниченного капитала,экономического кризисаи сильной инфляции;5. эффект “прогрессирующего тупика”в сценарии развития ЯЭ,вызванного неясными ограниченными ресурсами ядерного топлива

14. КОММЕНТАРИИ • Все эти вопросывместе с соответствующимирисками/угрозами являются важнымив соответствии с выше приведённым объяснениеми определяющими(“решающими”)в отношении судьбы этой технологии. • Развитие инновационной ядерной технологии,способной привести креальному ренессансупроизводства ядерной энергии,обязательно потребует ядерных реакторов итопливных циклов«без рискового»качества (с известными способами внедрения) в отношении всех существенных рисков. Существующие реакторы на тепловых нейтронах, а также обычныебыстрыеохлаждаемые натрием реакторы,использующие оксидное топливо (какБНи SuperPhenix), не обязательно определённо обладают этими свойствами.

15. О ядерной энергетике нового качества Концепция новой экологически приемлемойядерной энергетики,приводящая к её ускоренному возрождению,состоит в исключениисущественных рискови гарантированном недопущенииосновных рисков, применимых к современнойЯЭ. Это не устраняет всех проблемядерных технологий, однако, категория этих проблем может быть сниженадо “обычных”вопросов, не накладывающих серьёзных ограниченийна устойчивое и долгосрочное применениеЯЭв будущем.

16. Традиционные и инновационные стратегии и последствия их применения ЯЭ Традиционная Инновационная Целенаправленный выбор технологий для устранения основных рисков Технические и организационные средства по сокращению всех рисков (насколько возможно) Основные (решающие) риски Обычные риски Производство общественно приемлемой энергии Вероятности: опасные события, неприятие ЯР

17. Ренессанс ЯЭ реаленеслибудут устраненывсе болевые точки

18. Способы гарантированного устранения решающих рисков 1. Возможно обеспечить гарантированное устранениеугроз тяжёлых аварий,обеспечивая само-защищённостьреактораот разрушения (в особенности активной зоны), что основывается, например, на: • Исключении аварий снеконтролируемыми переходными режимами (Реактивностные аварии) – это возможно за счёторганизации эксплуатациив подкритическом режимес внешним источникомделящихся нейтронов • Решении проблемы отвода остаточного тепла от остановленного реактора благодаря постоянной очистке циркулирующего расплавно солевого топливаот продуктов деления • Ограничении накопленнойне ядерной энергиик уровню, не допускающему повреждения зоны. В случае возникновения исходного событияв системе не должно быть скрытой механической (давление) и химической (цирконий, натрий) энергии

19. 2. Предотвращение угрозыворовства оружейных материалов (именно этот случай может рассматриваться как важный) может быть достигнуто только при использованииреакторов и технологий топливного цикласамозащищённых от любого несанкционированногоперемещения ядерного топлива,например,посредством:полного отказа отобогащения подпиткой, а также в целом от технологии обогащенияв ядерной промышленности;отказа от повторного обогащения (при переработке ОЯТ) делящимися изотопами.

20. 3. Серьёзные риски оттрансурановых отходов + хранение долгоживущих продуктов деления Похоже, что задача сохранения радиоактивного балансапри развитии ядерной энергетики может быть решена путём использования свободных от рисков топливных циклов, что включает в себя: • загрузку реакторов необогащённым ураном; • очистку ОЯТ откороткоживущихи долгоживущихпродуктов деления; • отказ от разделения остаточных актинидов и лантанидов, создание специального“рабочего пространства”в реакторах для их сжигания (с учётом медленногороста “экспоненциального типа”парка реакторов); • Частичную трансмутациювысоко токсичныхдолгоживущих продуктов деления вMSHT.

21. 4. Очень важны серьёзные риски потери инвестиций • Недавно эти риски значительно выросли и продолжают расти – в основном из-за мероприятий по повышению безопасности. Условия кредитования ухудшились из-за длительного времени строительства АЭС. • Эти факторы подрывают экономикуи препятствуют инвестициям даже на уровне правительственных заказов. Значимость инвестиционных рисков снизится в случае снижения рисков (вдвое или более). Резкое снижение инвестиционных рисков наряду с ростом экономики станет возможным при существенном сокращении времени строительства АЭС благодаря изготовлению на заводах автономных модулей, упрощению мер по безопасности реакторов и удешевлению запасов ядерного топлива.

22. 5. Серьёзный риск быстрого исчерпания топливных ресурсов Этот риск можно избежать обратившись к расплавно солевому гибридному токамаку, что становится доминирующей идеей в ядерной энергетике ближайшего будущего. Самоснабжение топливом и рост парка АЭС станет возможным только в случае положительного прироста воспроизводства. Теоретически такая ядерная энергетика могла бы начаться почти “с нулевого уровня”, когда появится первый реактор, свободный от рисков.

23. О концепцияхподкритичного ядерного реактора и топливного циклах, свободных от рисков Устранение всех серьёзных рисков – это сложная задача. Она реальна не для всех известных типов реакторов. Анализ показывает, что MSHT лучше всего подходит для этой цели,а эта задача может быть решенадаже в рамках имеющихся технологий.Базируясь на инновационных идеях, MSHT делает акцент на: • радикальное улучшение нейтронного баланса; • использование модульных конфигураций бланкета; • продление времени эксплуатации топливас учётом равновесного режима; • правильная реорганизация топливного цикла.

24. ВОЗМОЖНОСТИ Маркетинга Ядерная энергетика, основанная на MSHT, позволитрешать вопрос создания большого количества реакторов (включая переработку топлива) и“простого”производства энергии (без переработки топлива).Эти вопросы должны быть распределены междуразными группами стран, которые будут обеспечивать ядерной энергией с обязательными элементами физической защитыв отношении распространения оружейного материала, а такжевносить вклад врыночную маневренность

25. Рекомендуемая конфигурация MSHT Можно предложить следующие возможныеварианты АЭС: • АЭС, состоящие из MSHT с небольшими модульными расплавно солевыми бланкетамис жёстким спектром нейтронов, они будут защищеныот тяжёлых аварий; • Совмещённые со свободным от рисков топливным цикломи сжигающие остаточные трансурановые элементы – наиболее токсичные долгоживущие продукты деления в бланкетах реакторов, • АЭС с быстрым спектром расплава соли.

26. Reactor DEMO-S

27. На 1 нейтрон 14 mev. U-238 Th-232 Захват Деление 3.35 0.6467 Захват Деление 1.73 0.14 Нейтронный и энергетический баланс Энергия на1 н (14 mev.) 143 mev. Энергия на1 н (14 mev.) 42 mev. Энергия на одно ядропроизводства делящегося изотопа 43 mev 25mev Энергия для производствадополнительных ядерв быстром реакторепревышает500 mev

28. Потенциал производства ядерного топлива При условии равной мощности1ГВт(эл) Производство в быстром реакторе ( BR=1.6) 280 кг/ГВт(эл)/год ТИН 2900 кг/ГВт(эл)/год Доля ТИНв структуре ядерной энергетики должна быть мала.

29. ТИН начиная с 2050 Доля ТИНв системе к2100 < 7% С 2050г. ВТГРв ториевомцикле С 2030г. FBR-С с КВ=1 – утилизация плутония Ядерная энергетика стермоядерными нейтронами Потребление природного уранадо2100г. 10 млн. т Ежегодное потребление природного уранав2100г. - 30000 т/год

30. Условия для установки LSB ТИН Модель ТИН (экваториальное сечение) Конструкция ТИН Первая стенка ТИН Катушки ПП

31. LSTComposition Technology PROBLEM: electron levels of impurity components are within the prohibited zone of the salt electrolyte. Therefore fine adjustment of the Fermi level and LST composition is required for managing of the extraction and solution of impurities. В) – level of the salt redox-potential, when all metallic impurities (except for uranium) are extracted А) – impurities are not extracted at all EXAMPLE: Reduction potentials of An(III)/An(0) andLn(III)/Ln(0) inLiCl–KCl eutectic with liquid bismuthat 723 K under the conditions: xM(salt) = xM(Cd) = xM(Bi) = 0.001; dotted line indicatesFermi levelsF (corresponding tothe salt redox-potential)

32. ЗАКЛЮЧЕНИЕ • Ренессанс FP станет возможным, есливсе (ПЯТЬ) решающихрисков будут преодолены • Устранение рисков возможнона базеMSHT –расплавно солевом(MS) гибриде (Н) токамака(Т)и инновационного топливного цикла /конструкция – модульная, самозащищённая отопасных событий, загруженном Th/природным U, плотный подкритичный бланкетс улучшенным нейтронным балансоми возможностью сжиганияостаточных актинидови долгоживущих продуктов деления

33. Конструкция MSHT, свободнаяот основных рисков, может быть быстро реализована, в основном, путёмиспользованияуже известных технологических решений(как это уже делалось в нетрадиционных проектах ИТЭРиРСР (MSBR).Установка ИТЭР может стать технологической платформойдля такого гибридного реактора. Существующий научный и технический уровень достаточен для этого.

34. Спасибо за внимание! 