[22/02/2022] О пособии для студентов «Конструирование ядерных реакторов в 21-ом веке»
Андрей Виноградов, к.т.н., гл. конструктор проектов
«Теория заговора»,
проводимая против России г-ном Соросом, оказалась реальной. Щупальцы заговора
либералов пронизали образование в России с начальных классов до институтов
высшего образования. Исполнители заговора планомерно не только исказили в
учебниках историю страны, но и значительно снизили объём знаний обучения в
школе по физике, математике, химии и по др. предметам. И всё это западники, с
помощью российских либералов, сделали под видом заботы о детях, защиты их от
чрезмерной нагрузки и т.п.
Предисловие
Качество подготовки
застопорилось на уровне начала 80-х годов прошлого века. Выпускники ВУЗов не
подготовлены, чтоьы конструировать принципиально новые, экономически выгодные и
безопасные атомные установки. В обучающих курсах и учебниках содержится только
информация об уже созданных атомных реакторах, что не формирует нацеленность
молодых конструкторов и инженеров создавать самим принципиально новые ядерные
установки с «нуля», т.е. с чистого листа. Да и учебники и книги по
конструированию атомных реакторов были выпущены в 1982-90 годах [1-2, 3,5].
Насаждение
американской модели управления менеджерами только усилило деградацию научных и
инженерных кадров в стратегических отраслях промышленности. «Менеджеры во
главе науки - угроза технологическому суверенитету России»: http://proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9488
Прошел «Всемирный
форум Валдай 2021», на котором Президент России В.В.Путин отметил, что капиталистическая модель государства себя
изжила. Это доказывается очередным нарастающим всемирным экономическим
кризисом, поскольку рынки сбыта перенасыщены товарами, а покупательная
способность населения практически во всех государствах упала, десятки миллионов
людей потеряли работу. Капиталистический принцип получения прибыли любой ценой
исключает планирование как таковое. Перепроизводство продукции - обыденное
дело. Производства банкротятся, количество безработных увеличивается, наступает
массовая нищета людей, снижается качество медицинского обслуживания, возникают
эпидемии.
В атомной энергетике
компания США Westinghouse обанкротилась, её 42
энергоблока BWR по всему Миру
заморозили строительство после аварии на АЭС Фукусима. Эта авария впервые
показала Миру, что водоохлаждаемый реактор может расплавиться, не смотря на
наличие всех необходимых систем безопасности согласно требованиям МАГАТЭ, а
также наличия всех необходимых документов, разрешающих эксплуатацию.
Первым учебным
пособием для студентов было выпущенное кафедрой МВТУ им. Н.Э.Баумана в 1982
году «Конструирование ядерных реакторов»: Учеб. пособие для вузов/ авт. И.Я.
Емельянов, В.И. Михан, В.И. Солонин. Под общ. ред. акад. Н.А.Доллежаля [1] и
далее в 1990 году «Ядерные энергетические установки» [3] и «Конструирование
ядерных реакторов», авт. В.И.Солонин, 2021 год [4]. А также была выпущено в
1982 году пособие «Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов»
под ред. Г.А.Батя [2]. Следует отметить, что изложенные в этом пособии методики
и программы расчета ядерных энергетических реакторов совершенно отстали от
современных методов и программ расчета в различных сертифицированных кодах.
В этих пособиях на
самом деле не приводится алгоритм конструирования атомного реактора с «нуля»,
т.е. с чистого листа, а показываются на уже готовых старых и известных технических
решениях конструкций действующих установок, на примере которых демонстрируются
расчеты того, или иного узла. Кстати, и демонстрация расчетов делается на
старинных подходах и методиках. Надеюсь, что два ведущих доктора наук всё же
соберутся написать хотя бы статью о современных способах расчета реактора, а
лучше - подробное учебное пособие.
Главной причиной
продолжения строительства в России АЭС на базе ВВЭР с разной степенью
модернизации (контейнмент, ловушка расплава и др.) для выполнения требований
МАГАТЭ, явилась необходимость замещения мощностей действующих АЭС, реакторы
которых выработали свой ресурс. А также, такое решение продолжения
строительства АЭС с ВВЭРом было обусловлено необходимостью сохранения в рабочем
состоянии производственных мощностей и сбережения навыков и знаний в
конструкторских и проектных коллективах отрасли. Старая гвардия отрасли могла
строить только ВВЭРы, БНы и РБМК. Все стройки АЭС являлись мега-проектами,
характеризовались дороговизной и долгостроем. В России, начиная с 2000 года,
ввод в эксплуатацию каждого блока АЭС с ВВЭРом приводил к удорожанию тарифа за
1 кВт/час на электроэнергию на 1 рубль.
В настоящем пособии
нет критики существующих, строящихся и проектируемых АЭС и АСММ с точки зрения
экономики и безопасности, поскольку этому вопросу уже посвящено множество
статей и публикаций. Студенты сами смогут оценить, сколько реально обоснованных
современными расчетами негативных свойств содержат сегодня предлагаемые КБ
отрасли проекты АЭС и АСММ с водо-водяными реакторами. В частности, по анализам
аварий на Чернобыльской АЭС с РБМК-1000 и на АЭС Фукусима с водо-водяным
кипящим реактором сделан вывод о том, что реакторы с водяным теплоносителем не
являются безопасными, поскольку фазовый переход воды в пар снижает отвод тепла
от твэлов, что и является причиной расплавления ядерного топлива. И далее,
быстрый набор температуры Лейденфроста и расплавление корпуса реактора. Причём,
конструкция реакторов такова, что во время аварии ядерное топливо остается в
компактной форме в активной зоне, а охлаждение компактного расположения
ядерного топлива, как показал анализ аварий, практически не осуществимо из-за
быстрого достижения температуры Лейденфроста.
По классификации
МАГАТЭ, к АСММ
относятся те, у
которых электрическая мощность не
превышает 300
МВт [7]. Замечу,
что тепловая мощность атомного реактора, к.п.д. и
его тип не
оговорены в документе.
Издание Nuclear
Energy Insider пишет: «В
подготовленном Национальной
ядерной лабораторией Великобритании технико-экономическом обосновании
утверждается, что объем мирового
рынка Малых Модульных
Реакторов (ММР) к 2035
году может составить
65−85 ГВт и
оценивается в £250−400 млрд
($ 300−500 млрд.).
ММР обладают рядом преимуществ по сравнению с
традиционными большими АЭС: они
могут занять долю
в диверсифицированном энергобалансе, работать
в отсутствие подключения к
электросетям (ЛЭП), а также использоваться с
целью выработки тепла для
технологических нужд, опреснения воды и производства водорода».
Однако не отмечено, что наибольший спрос на ММР попадает на единичную мощность
блока от 5 до 50 МВт эл. Хотя в условиях кризиса и противостояния, особо верить
этим прогнозам запада нет основания, надо делать собственный анализ рынка.
Данное пособие содержит историческую справку первых шагов
в ядерных технологиях, о чем студентам, возможно, будет интересно знать.
Главное в том, что пособие содержит алгоритм, как надо конструировать с чистого
листа безопасную и экономически выгодную атомную генерирующую электроэнергию
установку в 21-ом веке.
Хорошо бы знать студенту,
что Гипотеза это не ложь и не правда. Если
гипотеза подтверждается экспериментально, то она становится теорией. Если
гипотеза не подтверждена экспериментом, то она становится научной проблемой.
Сегодня в условиях развитой в СМИ информационной войны в ход идут и научные
гипотезы, которые планомерно внедряют в умы человечества как теорию. А это не
что иное как инструмент нагнетания в обществе страха (страшилок) о будущем
планеты Земля. Цель этого разрешить мировой кризис в свою пользу за счет
других, т.е. обложить налогом все государства. Теории климата планеты нет до
сих пор, о чем заявил на ПроАтоме академик Роберт Нигматулин ещё два года
назад. А обложение налогом всех государств идет полным ходом уже сейчас.
Я полагаю, что
студенты должны знать истину про «Потепление климата», про Киотский протокол,
про СО2, про «озоновые дыры» и аналогичный бред из мира техники и
науки, который в 21-ом веке стали раскручивают ради выгоды корпораций. Согласно
специальным службам безопасности государств, все эти деяния подпадают под
понятие «Научный терроризм». Хорошо,
если будущий инженер будет иметь широкий кругозор, который поможет ему сразу распознать
блеф в программах развития атомной отрасли и конструкциях атомных установок,
предлагаемых для реализации.
В ТВ программе
«Скрытые угрозы с Николаем Чиндяйкиным» - Альманах №
58 (29.03.2021) https://m.youtube.com/watch?
v=vKRJFoENJ74 сказано, что
согласно последним исследованиям сегодня
в атмосфере земли
0,04 % углекислого газа,
а в палеозойскую
(палеос - на
греч. древний) эру было
в 5 раз больше, т.е.
0,2 %, и
жизнь активно развивалась на планете. По
другим справочным данным https://ecotestexpress.ru/articles/sostav-vozdukha/
состава воздуха: азот -
78,08%, кислород -
20,94% плотность 1,43 кг/м3, аргон - 0,93%, углекислый газ -
0,04% плотность 1,97 кг/м3. Кроме этого
мы недооцениваем и
благоприятное воздействие СО2 на человека. Из комментариев
Сергея Длина, невролога,
и Сергея Умрюхина, д.м.н.,
завкафедрой нормальной физиологии Сеченовского университета, Москва:
«Команду на вдох даёт
головной мозг при повышении концентрации
СО2 в крови, а
более конкретно, содержание
кислорода в крови опережающее регулируется содержанием СО2
в крови.
Если концентрация СО2 низкая,
то команды на
вздох не даётся. Все
системы организма связаны
с СО2, если его
не будет в организме,
то наступит смерть
человека. Например, горная болезнь, часто
вдыхаешь, улетучивается из
организма СО2, далее нет команды на вздох,
человек задыхается и умирает».
Клеткам взрослого человека
нужно всего 2% кислорода
и 7% СО2. Кислород
транспортируется по кровеносной системе
в клетке гемоглобина,
и кислород отдается в клетку
ткани человека замещением СО2». Выводы о важности
СО2 опубликовали ученые
в журналах «Nature Geoscience» и
Наука, ТАСС [4].
Малое количество СО2 в воздухе
планеты препятствует выработки
О2 за счет фотосинтеза. Озоновый
слой, который состоит
из молекул кислорода, будет
тоньше, не будет
защиты планеты от ультрафиолета. Человек вымрет [4,5]. Кроме
того, углерод из СО2 является строительным материалом для растений и деревьев.
В листьях деревьев за счет фотосинтеза происходит расщепление СО2.
Кислород из устьев листа выделяется в атмосферу, а углерод соком расходится по
всему растению, формируя древесное волокно ствола.
Существует расхожее
мнение, что СО2 создает
парниковый эффект, якобы перегревает
океаны, землю, но
расчеты показывают и обратное, что без защитного слоя СО2,
водная поверхность отражала бы тепловой
поток излучения от солнца
и вся планета
покрылась бы льдом. Всё
больше ученых приходят к
мысли, что не
сам газ, а
наша борьба с ним приведет к катастрофе.
В недавнем
прошлом мы уже
сталкивались с блефом
в отношении «озоновых дыр» якобы из-за применения «Фреона 12» -
рабочего тела в
холодильных системах. Все
«учёные умы» в западном
мире в один
голос заговорили, что
надо применять «Фреон 22»,
который «озоновых дыр»
якобы не будет образовывать.
Прошло время, деньги на фреоне
лоббисты отмыли, и выяснилось,
что «озоновые дыры» возникают
и исчезают сами
по себе, вне зависимости от деятельности человека.
Мы также слышали про
выделения коровами метана, который повышает температуру. Коров надо
истребить, был сделан вывод лоббистами этого блефа. И многое ещё чего
вывалилось на головы обывателей и правительств государств.
Любой блеф это инструмент недобросовестной конкуренции за рынки
сбыта. Блеф это
финансовая выгода кому-то одному, но банкротство конкурентам.
Через какое-то время блеф
обязательно раскрывается. Мы прекрасно
помним про «пробирку с
белым порошком», которая
явилась блефом, а не доказательством химического
оружия. Ирак практически уничтожили. А
блеф «белых касок»
в Сирии, якобы,
о применении химического оружия России?. К
несчастью для всего мира,
блеф и ложь
стали инструментом для
западных государств в достижении своих корыстных целей, обыденным делом,
нормой.
Глава
1. Достижения и открытия в ядерной области до 6 августа 1945 года
§1. О
хронологии открытий и их описания [6]
Работы Э.Резерфорда (E.Rutherford) 1919 года по
искусственному расщеплению ядер были продолжены. Усовершенствование
высоковольтного оборудования позволило естественные альфа-частицы заменить на
рукотворные, получаемые быстрыми ионами водорода или гелия в экспериментах
Кокрофта (J.D.Cockcroft) и Уолтона (E.T.S.Walton), в результате чего
в лаборатории Резерфорда было
экспериментально доказано эквивалентность энергии и массы [6, стр.27].
Ещё в 1905 году один
из выводов Эйнштейна, полученных на ранней стадии развития теории
относительности, состоял в том, что инертная масса движущегося тела
увеличивается с возрастанием его скорости. Это означало эквивалентность
изменения энергии движения тела (кинетической энергии), и изменения его массы.
В тот период
времени, и ещё долгое время инженеры и физики считали это фикцией, а комики
распахивали почву для издевательств над учеными.
Количество энергии E эквивалентное массе m, по Эйнштейну
определяется уравнением E = m*c2 , где с -
скорость света. Это уравнение приводит к удивительным результатам. Оно
показывает, что один килограмм вещества, полностью превращенного в энергию, дал
бы 25 миллиардов киловатт*часов энергии.
Пояснение: горение вещества, окисление и другие реакции с
выделением тепла, не являются ядерными превращениями деления ядра. Во всех
химических реакциях ядра атомов различных элементов сохраняются ядрами,
работают только валентные связи.
В 1932 году было
сделано открытие нейтрона (Дж.Чэдвик, Англия). Нейтрон, в отличие от других
субатомных частиц, не имеет заряда, что обуславливает невозможность
непосредственного его наблюдения и придаёт ему большую проникающую способность
[6 стр. 20]. Нейтрон свободно может проходить в поле заряда ядра элемента и
проникать в ядро. Нейтроны обычно получаются бомбардировкой бериллия или бора
естественными альфа-частицами или бомбардировкой подходящих мишеней протонами
или дейтронами. Самый простой источник (генератор) нейтронов это смесь радия и
бериллия, в которой альфа-частицы радия и продукты его распада проникают в ядра
бериллия 9Be, которые затем
отдают нейтроны и превращаются в устойчивые ядра обычного углерода 12C [6 стр.28].
1932 год был отмечен
и другими важными событиями [6 стр. 21]:
1). Г.К.Юри, Ф.Г.Брикуэдде
и Дж.М.Мерфи обнаружили у водорода изотоп с массовым числом 2, содержащийся в
естественном водороде в количестве 1:5000 и дали ему название «дейтерий» [6
стр.52]. Крупное производство 2D было на заводе в Норвегии.
2). Был открыт
позитрон, который впервые наблюдался К.Д.Андерсеном в Технологическом институте
в Калифорнии. Масса позитрона равна массе электрона, заряд по модулю имеет
такой же, как электрон, но знак положительный. Позитрон интересен нам только
как частица, испускаемая искусственными радиоактивными ядрами, т.е. для
диагностики.
В первых числах
января 1939 года в журнале Naturwissenschaften О.Ган и Ф.Штрасман в
Германии опубликовали доказательства, что при действии нейтронов на уран
получается изотоп бария. И далее эта новость разошлась по цепочке от Нильса
Бора к его ученику Дж.А.Уилеру и др. в Принстоне, и далее к Э.Ферми в
Колумбийском университете, и т.д. На конференции 26 января 1939 года при
обсуждении с Бором явления деления урана Ферми упомянул догадку, что при делении урана могут испускаться нейтроны. С этого
момента непрерывный поток научных более 400 докладов о делении ядер не
прекращался. Полный анализ и обсуждение этих работ дан в статье Тэрнера 6
декабря 1939 года в журнале Reviews of Modern Physics. Это была последняя
открытая публикации, с 1940 года
результаты исследований сохранялись в тайне.
Получение
правительственной поддержки США для проведения исследовательских работ по
физике ядра оказалось делом более сложным. Первый контакт с правительством США
был установлен Пеграмом (G.B.Pegram) из Колумбийского университета
в марте 1939 года [6 стр.58]. Президент Рузвельт назначил комитет, известный
под названием «Консультативный комитет по урану», который поощрял физиков и все
работы по урану.
Итак, в 1939 году
открыли явление деления ядер урана (О.Ган и Ф.Штрасман) и ядер тория (Грант),
которое возникало в результате захвата ядром нейтрона. Позже была определена
энергия нейтрона, которая вызывала
деление ядра урана 235 с выделением большой энергии в виде тепла, или не
вызывала выделение тепла, при захвате ядром урана 238.
§2. Масса
и энергия эквивалентны
Из чего берётся
энергия деления? Масса и энергия эквивалентны? Для разрушения устойчивой
системы необходимо произвести работу - это общий физический принцип. Так, если
группа нейтронов и протонов устойчива в ядре, то на разрушение составляющих его
частиц должна быть затрачена энергия. Если действительно энергия и масса
эквивалентны, то общая масса устойчивого ядра должна быть меньше общей массы
отдельных протонов и нейтронов, которые его составляют. Эта разность масс
должна быть эквивалентна энергии, которая необходима для полного разрушения
ядра и называется энергией связи. В
действительности, как показали Ган и Штрасман на примере бария (Z=56, A=от 135 до 140), как продукта деления, расщепление
происходит таким образом, что получаются две неравные частици с массовыми
числами около 140 и 90, с испусканием нескольких нейтронов и последующим
радиоактивным распадом путем испускания электронов, которое не прекращается до
тех пор, пока не образуются устойчивые ядра. Вычисленная на основании данных об
энергии связи показывают, что всякая такая перегруппировка дает общую
результирующую массу, значительно меньше, чем первоначальная масса ядра урана.
И таким образом, должно освобождаться большое количество энергии [6, стр. 36-37].
В литературе [5] и [6]
есть некоторое расхождение в хронологии событий. Так в [1] уже в 1932 году
ввели понятие критической массы (Перрен) и пришли к обсуждению о возможности
осуществления цепной реакции деления урана (Жолио, Гальбан и Коварски),
поскольку экспериментально обнаружили, что в результате деления ядра образуется
средне статистически больше нейтронов,
чем требуется для продолжения цепной реакции. Был сделан вывод, что часть
нейтронов можно использовать в захвате ядром 238 U, в результате чего получать ядро плутония 239 Pu. Плутоний нужен был
для атомной бомбы. Конструкция первого атомного реактора решала только три
задачи: поддержание цепной реакции деления, поглощение ураном 238 нейтронов и
накопление плутония 239, отвод тепла от конструкций реактора без специальной
системы охлаждения. Реактор «нулевой мощности» предназначался для
экспериментального определения практически все физических и ядерных свойств
урана, плутония и тория, а также свойства различных замедлителей и
конструкционных материалов котла,
сечения взаимодействия ядер и нейтронов, процессы замедления нейтронов,
тепловые эффекты и т.п.
§3.
Строительство атомных реакторов в США и их краткое описание
Как только
приступили к конструкторским проработкам ядерного котла, летом 1940 года был организован Комитет Исследований Национальной
Обороны (National Defense Research Committee - NDRC, председатель -
Ванневар Буш), который предложил многим учёным США работать по военным
направлениям в рамках ядерной программы, и установил приоритетное финансирование. До этого финансирование и
поощрения выполнялись через Урановый Комитет, который по указанию Рузвельта
преобразовали в подкомитет NDRC - «Урановый
комитет» в составе: председатель Бригс, Пеграм, Юри, Бимс, Тьюв, Р.Гэн и Брейт.
Следует заметить, что ученых уже нет в управлении снабжением и выделением
денег, но они обеспечивали быстро и с лихвой ученых всем необходимым и
поощрениями.
И уже 2 декабря 1942 году в окрестностях
Чикаго был сделан пуск первого в Мире рукотворного ядерного реактора нулевой
мощности, т.н. Вест-Стэндского котла, первоначально построенного на земельном
участке Чикагского университета. Это котел был заведомо безопасным и на
природном металлическом уране, мощностью несколько Ватт (руководили работами Э.
Ферми и группы сотрудников, возглавляемых У.Г.Цинном и Г.Л.Андерсеном, а также,
специалист по измерениям В.К.Вильсоном).
Природный металлический уран,
температура плавления около 1150 0С,
состоящий в основном из изотопа 238U на 99,3%, содержал
0,006%, изотопа 234U и также 0,7 % изотопа 235U, делящегося
тепловыми нейтронами. Более подробно о проблемах цепной реакции и физике
реактора, и обо всех обоснующих цепную реакцию экспериментах, можно узнать в [6].
Сначала котёл работал на тепловой мощности 0,5 Вт, а 12 декабря 1942 года
мощность была увеличена до 200 Вт. Тепло от реакции деления выделялось в самом
металлическом уране, выполненного в виде небольшой длины цилиндра, и нагревало
весь графитовый куб установки. Цилиндры с ураном размещали в графитовом кубе в
узлах пространственной решётки, что уменьшало число захватов нейтронов без
деления (так думали Ферми и Сцилард) по сравнению с однородной смесью (с
гомогенным распределением урана в замедлителе).
Следующим этапом
было строительство с 1943 года опытной установки в Клинтоне (штат Теннеси, США),
в основном, для производства некоторого количества плутония, необходимого для
исследования по химическому разделению, директор М.Д.Уитекер (M.D.Whitaker). Проект
Клинтонского котла выполнен фирмой Дюпон и Металлургической лабораторией.
Постройку делала фирма Дюпон, эксплуатация котла выполнялась Чикагским
университетом.
Клинтонский котёл
представлял собой графитовый куб, имеющий внутри горизонтальные цилиндрические
каналы, в которые с зазором устанавливались цилиндрические блочки из
металлического природного урана, покрытые непроницаемыми алюминиевыми
оболочками. Блочки закладывались в горизонтальные каналы через стенку спереди
котла. Зазор между блочками и диаметром канала служил для охлаждения потоком
воздуха от вентиляторов. Горизонтальные каналы позволяли выталкивать блочки с
накопленным плутонием за пределы графитовой кладки (активной зоны) через заднюю
стенку котла. В дальнейшем эти блочки (и стержни из урана) назовут
тепловыделяющими элементами - твэлами. Тепло
отводилось от твэла потоком воздуха, а затем отбиралось через теплообменник
водяной системой охлаждения реактора и сбрасывалось в водоём. Помимо каналов с
ураном в котле имелись сквозные горизонтальные каналы для стержней управления
(для поддержания коэффициента размножения K>1), для измерительных
датчиков и т.п. Производительность клинтонской установки соответствовала
мощности котла в 1000 кВт.
Клинтонский котёл
начал работать 4 ноября 1943 года, и
его мощность за несколько дней достигла 500 кВт при максимальной температуре
поверхности урановых стержней в 110 0С. За счет повышения
герметичности оболочек урановых стержней, выравнивания энерговыделения, установки лучших
вентиляторов в мае 1944 года мощность клинтонского котла достигла 1800 кВт.
Первая партия урановых стержней из котла поступила на разделительную установку
20 декабря 1943 года. К концу января 1944 года уран из котла поступал на
разделительную установку в количестве 1/3 тонны в сутки. К 1 февраля 1944 года
было выдано 190 мг плутония, а к 1 марта того же года было выдано уже несколько
граммов. Эффективность регенерации отработанного ядерного топлива с самого начала была равна примерно 50%, а в
июне 1944 года она уже составляла от 80% до 90% [6].
Следует особо
отметить, что конструкция атомных котлов для выработки оружейного плутония в
СССР отличалась от котлов США. В котлах США были горизонтальные каналы с
блоками урана. В СССР главным конструктором (Н.А.Доллежаль) была реализована
конструкция котла с вертикальным расположением каналов с блоками металлического
природного урана. Каждый из этих каналов мог просто краном извлекаться из
графитовой кладки активной зоны и заменяться новым исправным каналом. Это обстоятельство позволяло быстро находить
и извлекать полностью канал с попавшими из него радиоактивными элементами в воду охлаждения. По этой причине возвратная вода охлаждения
меньше заражалась радиоактивными элементами. Поэтому бассейн реки Колумбия в
США был более загрязнён радиацией, чем бассейны рек в зоне промышленных
реакторов в СССР.
В ПРИЛОЖЕНИИ 1
представлены рис. 1 и 2 промышленной зоны атомных реакторов в США в бассейне
реки Колумбия штата Вашингтон, 1942-44 г. [6].
Приложение 1
Рис.
1
Рис.
2
Глава
2. Требования к электрогенерирующей и силовой установке однозначно определяют
тип и конструкцию ядерного реактора
§4. Требования
к электрогенерирующей установке
Требования к электрогенерирующей установке (ЭГУ). Под
обобщённым понятием ЭГУ подразумевается АЭС, АСММ, транспортные ЭГУ (для
авиации, космоса, флота и др.). Такие же требования в общем случае распространяются
и на Малые Модульные Реакторы (ММР) мощностью от 5 до 50 МВт эл.,
а также на технологические, специальные и исследовательские атомные реакторы,
которые не вырабатывают электроэнергию. Для лучшего
пониманя этого раздела надо ознакомиться с принятыми терминами и
определениями, см. Приложение 2 пособия. В Мире в 21-ом веке формируется новая
парадигма электрогенерации, на основе «ядерных батареек» [1,2] и многозонных
высокотемпературных газовых реакторов (HTGR) с нагрузкой на одну
газовую турбину замкнутого цикла (Китай). В этом случае электроэнергия
становится явным товаром, а не как в 20-ом веке по старинке - мегапроектом АЭС.
На электроэнергетическом рынке указанные ниже пункты концепции в большей мере
относятся к ММР мощностью от 5 до 50 МВт эл. Пришли к выводу, что энергоблок в 21-ом веке и
вся новая парадигма электрогенерации под тезисом: - продаём электроэнергию, а
не «железо»», должна обладать следующими свойствами, по пунктам:
1.
абсолютной
ядерной естественной безопасностью энергоблока (без внешних навесных систем и
оболочек). 2.
значительным
экономическим преимуществом перед другими видами электрогенерации. 3.
энергоблок
должен работать по принципу «plug and play»,
т.е. включи и потребляй электроэнергию, с выходом на мощность за десятки секунд. 4.
работой
автоматически в режиме слежения нагрузки и с самозащитой от коротких замыканий
(КЗ), и возвращением в рабочее состояние после устранения КЗ. 5.
полным
изготовлением, испытанием и сертификацией на заводе-изготовителе. 6.
отсутствием
необходимости обслуживания и ремонта. 7.
отсутствием
капитальных затрат, отсутствием строительства
на площадке размещения. 8.
возможностью
длительного хранения (до 50-и лет) в транспортном состоянии при большом
диапазоне температуры окружающей среды (от +80 до - 70 гр. С). 9.
транспортабельностью
доставки в любую точку планеты любым транспортом, массой до 40 тонн и
габаритами 24-х футового транспортного контейнера; а для ММР мощностью от 5 до
50 МВт эл. с массой до 20 тонн доставка авиатранспортом с десантированием на
площадку размещения. 10. устойчивостью энергоблока к землетрясениям до
8 и более баллов по MSK-64, к внешним
температурам от плюс 80 до минус 70 0С при хранении, доставке и эксплуатации. 11. быстрой заменой на новый энергоблок (1-3 часа)
или включение из «холодного резерва» за несколько секунд. 12. завод-изготовитель продаёт потребителю электроэнергию и
установленную мощность, и всё налогообложение, экологические платежи,
формирование резервных фондов, а также утилизация «железа» и ОЯТ ложится на него. Потребитель освобожден
от всех этих хлопот. 13. стоимость отпускной электроэнергии должна быть
меньше стоимости электрогенерации на газе. Энергоблок с указанными выше свойствами будет
обладать высокой покупной способностью в Мире. В 2019 году по оценкам МАГАТЭ, мировая потребность в маломощных реакторах до 2040
года — от 0,5 до 1 тыс.
блоков. По данным
британской Национальной ядерной лаборатории, к
2035 году рынок
малых модульных реакторов
гражданского назначения
достигнет 400 млрд
фунтов стерлингов (около
517,5 млрд долларов). В
каталог Advances in Small Modular Reactor Technology Developments 2018
(МАГАТЭ обновляет его
раз в два
года) внесено 56 проектов АСММ... авт. Мария Полякова,
«Страна РОСАТОМ», 02.05.2019. А также могут и будут
добавляться новые пункты концепции по мере обнаружения ранее не известных явлений
в процессе эксплуатации энергоблока. На сегодняшний день,
сложившийся до настоящего момента подход конструирования электрогенерирующей
установки (ЭУ)? от возможностей ядерного реактора к требованиям от потребителя
существенно стал экономически не выгодным, тормозящим развитие атомной отрасли.
Т.е. конструкция атомного реактора диктовала потребителю, что можно с ним
делать, и что нельзя делать. Это видно на примере АЭС с ВВЭРами. Так, например,
приемистость энергоблока и количество выбрасываемого в окружающую среду тепла
определяется (задаётся) атомным реактором; сроки останова энергоблока на ремонт
и перегрузку ядерного топлива определялось атомным реактором, и т.д. В 21-ом веке
всё наоборот. Условия рынка диктуют требования к энергоблоку, т.е. потребитель
заказывает, а реактор создают под условия потребителя (заказчика). Именно
делают новый атомный реактор таким, чтобы удовлетворить требования потребителя,
а не модернизировать «хвосты» существующих установок под старый реактор, как
сейчас модно у менеджеров: - «сделать инновационное изделие, с новым названием
и новой этикеткой, используя принцип референтности, т.е. переставив стулья». Для силовых установок флота нужны такие
потребительские свойства как: приемистость и манёвренность корабля, невидимый
из космоса тепловой шлейф, время вывода на полный ход с момента запуска
реактора, принцип «plug and play», т.е. подключи и
сразу полный ход, лёгкий способ доставки к потребителю любым транспортом, в
т.ч. авиацией с десантированием. Значимыми факторами явились такие моменты как
необходимость обслуживания и ремонта установки, контакт реактора с экипажем,
занимаемый объём реакторной установкой на судне (корабле, подлодке), длительность
и условия перегрузки ядерного топлива, стоимость последствий от ядерной аварии,
требуемая квалификация ремонтного и обслуживающего персонала, и множество
других актуальных на завтрашний день свойств. Для электрогенерирующих атомных установок на суше и под
водой нужны другие свойства, такие как: бизнес электрическая мощность установки,
объём строительных работ, длительность строительства, стоимость строительства,
лёгкий способ доставки к месту размещения любым транспортом, в т.ч. авиацией, принцип
«plug and play», т.е. подключи и
сразу полную мощность предоставь потребителю, необходимость и стоимость
обслуживания, стоимость ремонта, длительность простоя энергоблока и затраты
человеко-часов на перегрузку ядерного топлива, стоимость хранения и вывозки
отработанного ядерного топлива (ОЯТ), утилизация всей электрогенерирующей
установки (принцип «Зелёная лужайка»), возможность работы энергоблока в режиме
слежения нагрузки, не боязнь коротких замыканий, сложность системы управления,
стоимость её ремонта, требуемая квалификация обслуживающего персонала,
стоимость ликвидации последствий ядерной аварии, стоимость экологических
последствий от ядерной аварии, и много других свойств. Совершенно очевидно,
что и атомный движитель под условия флота, и атомная электрогенерирующая
установка для суши и подводой, это новая парадигма атомных реакторов,
содержащая принципиально иной подход к их конструированию с «нуля», т.е. с
чистого листа. Таким образом, требования потребителя и условия работы
существенным образом задают конструкцию ядерного реактора. PS.Прошу
высказать письменно с указанием ФИО комментатора Ваши мысли по поводу
представленных 13-и пунктов концепции. Виноградов А.А.
Литература
1.
Конструирование ядерных реакторов: Учеб. пособие для
вузов/ авт. И.Я. Емельянов, В.И. Михан, В.И. Солонин. Под общ. ред. акад. Н.А.
Доллежаля. - М.: Энергоиздат, 1982. -
400 с., ил. 2.
Основы теории и методы расчета ядерных энергетических
реакторов: Учеб. пособие для вузов/ авт. Г.Г. Бартоломей, Г.А. Бать, В.Д.
Байбаков, М.С. Алтухов. Под ред. Г.А. Батя. - М.: Энергоиздат, 1982. - 000 с.
ил.. 3.
Ядерные энергетические установки: Учеб. пособие для
вузов/ авт. Б.Г. Ганчев, Л.Л. Калишевский, Р.С. Демешев, Е.Б. Копосов, Л.А.
Кузнецов, Н.Ф. Рекшня, С.В. Селиховкин.
Под общ. ред. Н.А. Доллежля. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатом
издат, 1990 - 629 с. : ил. 4.
Конструирование Ядерных Реакторов /авт. В.И. Солонин –
М.: Книга по Требованию, 2021. – 399 с. 5.
Блан Д. Ядра, частицы, ядерные реакторы. Перевод с Фр.
к.ф-м.н. Самсоненко Н.В. - М.: «Мир», 1989. - 336 с., ил. / Noyaux, particules. Reacteurs nucleaires. Daniel Blanc, Pr. Universities
Paul-Sabatier, Toulouse, Paris, 1987. 6.
Смит Г.Д. Атомная энергия для военных целей. Официальный
отчет о разработке атомной бомбы под наблюдением правительства США. Перевод с
Англ. Москва -1946./ Военное Министерство, Вашингтон, Август 1945 г. Генерал-майор США Л. Р. Гроувз. 7.
«Малые и средние АЭС». Авт. БОРИС МАРЦИНКЕВИЧ,
«Геоэнергетика», онлайн журнал, 10.01.2017. HTTP://GEOENERGETICS.RU/AUTHOR/BORIS-ALESTAR/
|