Атомные станции малой мощности для децентрализованного теплоснабжения

Содержание Введение

1. Предпосылки развития в России и в мире АЭС малой мощности

2. Проекты малых АЭС

2.1 Блочно-транспортабельные АЭС

2.2 Передвижные наземные АЭС.

2.3 Плавучие АЭС

3. Заключение

4. Список литературы

Введение

Начало ХХ-века ознаменовановалось несколькими тенденциями, такими как рост промышленного производства и численности населения, что неизменно провоцировало рост энергопотребления. Рост энергопотребления примерно пропорционален росту ВВП.

Рост энергопотребления человечеством приводит к улучшению качества жизни и в вою очередь к росту численности населения. Так по расчетам ученых с начала прошлого века рост население увеличилось в 4 раза, а потребление на человека увеличилось в 20раз. Рост крупных населённых пунктов послужил толчком к росту централизованного энергоснабжения, по причине экономической рентабельности крупных энергетических центров способных выдавать от 1Гвт/ч и более, сто примерно эквивалентно потреблением энергии городом с населением около 400 тысяч человек. Такое количество энергии к примеру можно получить сжигая 300−400 тонн мазута в сутки.

Эти события оказывают пожалуй сильнейшее влияние на направление развитие человечества в наше время и в ближайшие 100 лет.

Запуск первого реактора Энрике Ферми послужило отсчетом массового использования ядерной энергетики в мирных целях.

В настоящее время в мире действует около 140 атомных реакторов. Их доля в общем объеме производства электроэнергии в мире остается на уровне 10−11%.По прогнозам экспертов её доля будет продолжать увеличиваться. [7]

В России на эксплуатируется 33энергоблока на 10 работающих АЭС, которые выдают порядка 24 ГВт энергии, из них17 реакторов с водой под давлением — 11 ВВЭР-1000, 6 ВВЭР-440; 15 канальных кипящих реакторов — 11РБМК-1000 и 4 ЭГП-6; 1 реактор на быстрых нейтронах — БН-600,что составляет порядка 16% от всего производства энергии в стране. 4]

Основной объём ядерных энергетических установок были построены вблизи крупных промышленных центров. В настоящее времяОднако о применении ядерных реакторов малой мощности стали задумываться только с развитием технологии производства Я.Р.

Основной предпосылкой развития малых АЭС России служит её географическое положение, низкая плотность населения и отсутствие полноценной инфраструктуры для поддержания устойчивого развития регионов крайнего Севера и Дальнего востока.

1. Предпосылки развития в России и в мире АЭС малой мощности В МАГАТЭ используется градация, согласно которой, реакторами малой мощности называются установки с мощностью менее 300 МВт (э). 1]

Экономическая рентабельность любого проекта стоит на первом месте. В среднем для производства тепла уходит в 1,5 раза больше энергии чем на электроэнергии. Основные затраты на производство энергоблоков современных АЭС вызваны тем, что они эксплуатируются в экстремальных условиях, таких например, как температура порядка 300−400 0С, давление 10мПа, сильная радиация и.т.д. При перепрофилировании АЭС на АТС, которая необходима для производства тепла возможно сэкономить значительные средства на конструкционные материалы, и тем самым снизить себестоимость производства энергии. К тому же АТС может находится на меньшем расстоянии от населённого пункта чем АЭС, что удешевляет её строительство.

В России 2/3 территории находится за полярным кругом. Развитие этих огромных территорий невозможно без обеспечения энергией, но так как использование ТЭЦ затруднено из-за проблем с доставкой топлива, к тому же основная часть этих территорий находится зоне вечной мерзлоты, т. е. очень большой чувствительностью к антропогенным выбросам тепла. Строительство других видов станций не рентабельно, по этому АЭС малой мощности мог бы идеально подойти как основной источник энергии. Таким образом видно, что применение АТЭС малой мощности имело бы огромный эффект.

С 70-х годов перспективам АЭС небольшой мощности порядка 100−180 МВт, использующих модульные реакторы стало уделяться больше внимание. Данная тема оставалось вне поля зрения для специалистов атомной сферы долгое время, хотя был накоплен значительный опыт при производстве и эксплуатации энергетических установок используемых на судах и подводных лодках за период более чем 30лет. В СССР основным приоритетом в энергетике служило строительство гигантских энергетических комплексов с генерирующей мощностью 1.5 ГВт, причиной тому была экономическая эффективность эксплуатации таких объектов. Так например в общем по стране централизованное теплоснабжение достигает 80% от доли всей энергетики, а в крупных городах до 96%. Между тем с географической точки зрения на данный момент на2/3 территории России преобладаем децентрализованное теплоснабжение и характерна тем, что на данной территории проживает население преимущественно с низкой плотностью и в небольших населённых пунктах, уровень жизни в которых во многом зависит от энергообеспечения домов и производств. При этом освоение и развитие данных территорий с большими запасами полезных ископаемых затруднено из-за отсутствия инфраструктуры. [4]

Действительно, для территорий таких размеров, при низкой плотностью населения проблему нехватки энергии, строительством крупных энергетических станций, решить невозможно. Приблизительные оценки свидетельствуют что порядка 50 регионов нуждаются в развитии энергетики, базой которой могли послужить АЭС малой мощностью. Особенно это касается регионов крайнего Севера и Дальнего востока. К примеру Северный морской путь получил вторую волну развития после появления атомных ледоколов. В этом смысле плавучая АЭС может явиться первым этапом масштабной эксплуатации на всем северном побережье России. Основная причина в дороговизне северного завоза, который достигает более миллиарда долларов. Так так при перевозки 250 тысяч тонн топлива (мазут) в республику Якутия приходится затрачивать более миллиарда рублей.

Принципиальным решением данной проблемы могут служить принципиально новые технологии. 8] К примеру, на современные разработанные реакторы можно делать завоз топлива 1 раз в 20 лет, при этом такая станция имеет небольшой обслуживающий персонал и минимальные затраты при эксплуатации.

Также малые АЭС могут использоваться в мегаполисах. Так известно, что в больших городах существует проблема «загазованности» атмосферы из-за выбросов ТЭЦ и котельных, которую можно избежать при замене их на АТС. Также Реакторы небольших размеров, благодаря возможностям локального размещения должны получить широкое применение из-за своей компактности, к примеру заманчивая перспектива их размещения в мегаполисах. 4]

Главным препятствием для развития малых атомных станций служит дороговизна производства относительно ТЭЦ работающей на угле. Хотя по некоторым исследованиям, если мощность установки будет достигать более 50МВт, цена за энергию станет сопоставима с её аналогами ТЭЦ, к тому же основные аспекты развития модульной энергетики попросту не исследованы.

На данный момент в России разрабатываются ряд установок мощностью от 200кВт до 50МВт. «Елена» — электрическая мощность 100 кВт, АРБУС — мощность 750 кВт, «Рута» — мощность реактора 55 — 70МВт, Саха-92, KЛT-40Cледокольный реактор, на его основе в Северодвинске начато строительство плавучей АЭС мощностью 30 — 40 МВт, АБВ-6, «Ангстрем», и АТЭЦ-8. [4]

Давно использующийся реактор КЛТ-40, который зарекомендовав себя только с хорошей стороны на атомном ледоколе «Ленин» (место проектных 100 тысяч часов реактор на ледоколе проработал 150 тысяч без ремонта) может обеспечивать энергией промышленный город с населением 20 тыс. человек. 4]

Современные передвижные АЭС построенные на базе АБВ реакторов по своим характеристикам предназначены для комплексного обеспечения электроэнергией, горячей водой промышленных предприятий, жилых поселков в отдалённых районах дальнего востока и крайнего севера, а также пресной водой в районах без постоянного обеспечения водой. Энергоустановки типа АБВ отвечают последним требованиям безопасности, т. е. возможно их размещение практически на любых территориях. Также существуют варианты для размещения стационарных АЭС с реакторами АБВ в подземном исполнении. 4]

В общем, для России понятие малая энергетика, а в частности АСММ в принципе понимается как автономная установки, с мощностью достаточной для обеспечения небольшого предприятия, для которого достаточно 50МВт.

В результате возникает простое соотношение, чем меньше мощность энергетической установки, тем большим спросом она может пользоваться, но при этом дорожает себестоимость производства энергии.

2. Проекты малых АЭС

2.1 Блочно-транспортабельные АЭС Одним из ярких примеров блочно-транспортной атомной электростанции может послужить АТЭЦ «Ангстрем», построенная на базе двухконтурного реактора на быстрых нейтронах. В данном реакторе в качестве жидкометаллического теплоносителя используется свинец-висмут.

Данной станция проектировалась относительно самых современных стандартов экологической безопасности, по этому она является надежным энергоисточником для коммунальных и промышленных потребителей в труднодоступных и отдаленных районах, а также в районах с экстремальными условиями климата, районах вечной мерзлоты, а также в сейсмически опасных зонах.

Рис. 4.АТЭС ММ Мощность электрическая 6МВт, мощность теплоснабжения 14МВт, степеньзаводской готовности 100%, кампания 6 лет. [4]

Проект формировался с учетом принципов создания конечных транспортно технологических блоков в стадии полной заводской готовности.

Такая проектировка обеспечиваем максимальную мобильность, и минимальные сроки запуска установки. При этом, такая проектировка совмещает в себе возможность транспортировки до места назначения практически любым транспортом. При этом необходимо отметить тот факт, что при размещение такой установки на месте эксплуатации, необходимы минимальные затраты на оборудование инфраструктуры передачи энергии и другого оборудования необходимого при эксплуатации.

Другой особенностью данного проекта является сам реактор. Его уникальные способности в плане безопасности объясняются физическими свойствами активной зоны, в частности можно отметить защитные свойства теплоносителя.

Основные характеристики реактора:

1. глубокоэшелонированной системойфункциональныхифизическихзащитныхбарьеров, спроектированныхсучетом возможногодействияпредельныхповреждающихфакторовэксплуатацииивнешнихсобытий;

2. многоканальными, независимыми, разногопринципадействияпассивнымисистемамиактивной зоны и расхолаживания реактора,

3. неограниченными временем действия; автоматической системы управления и технической диагностикой. 4]

Совокупность свойств реактора, указанных выше делают принципиально недостижимыми крупные аварии, по этому например тепловой взрыв и другие реактивностные аварии не возможны. Цепная реакция моментально гасится при перегревах теплоносителя, разрушении активной зоны или химического взрыва.

Блочно-транспортные станции с учетом их транспортабельности практически полностью исключают возможности их радиационного воздействия на окружающую среду, т. е. оказывают минимальное воздействие при эксплуатации. Замкнутый цикл данной энергосистемы полностью исключает прямого контакта с атмосферой, эксплуатация происходит при минимальном водопотреблении, доля радиоактивных элементов минимальна.

В конечном итоге, после конца эксплуатации данной установки, на её месте не возникает никаких следов воздействия на окружающую среду, таким образом сохраняется принцип «зеленой лужайки».

2.2 Передвижные наземные АЭС Кроме создания стационарных малых АЭС в настоящее время большое внимание уделяется разработке небольших АЭС, способных перемещаться из одного местоположения в другое. Такие источники тепловой и электрической энергии удобны для эксплуатации в специфических условиях (например, в трудно доступных и отдаленных районах) и для использования в военных целях. Российским примером является транспортабельная атомная электростанция (ТЭС-3,введенавэксплуатациювсостоялся 7 июня 1961 года.)[1] с реакторомводо-водяного типа электрической мощностью 1500 кВт, которая смонтирована на четырех гусеничных платформах с кузовами вагонного типа.

Рис:.4. ТЭС-3

Достоинством данной установки является её наземное передвижение, а это значит что данная станция способна передвигаться практически в любой район, при этом реактор этой установки способен работать автономно более года. Для передвижения ТЭС-3 установлена на гусеничную платформу, т. е. она передвигается самостоятельно, без дополнительной тяги.

Энергетическая установка выполнена по двух контурной схеме с гетерогенным водо-водяным реактором тепловой мощностью 8,8 тыс. кВт, охлаждаемым водой под давлением 130 ат. при температурах 25навходереактора 275°Синавыходе 300 °C. Реактор урановый, натепловых нейтронах. Расход воды в первом контуре установки 320т/ч. В активнойзоне реактора, имеющей форму цилиндра высотой 600 и диаметром 660 мм, размещены 74 тепловыделяющие сборки с высокообогащенным ураном. Средняя тепловая нагрузка в реакторе равна 0,6*106 ккал/(м2 ч), максимальная — 1,3*106ккал/(м2ч). Длительность кампании реактора 250 суток, а при частичной догрузке тепловыделяющих элементов — до 1года. Мощность турбогенератора станции 1,5тыс.кВт, однако три ее парогенератора могут давать пар давлением 20атмосферитемпературой 285°Св количестве, достаточном для получения мощности навалу турбины до 2тыс.кВт. 4]

Поскольку на момент проектирования данной станции не представлялось возможным создать полноценную станцию на один модуль, было решено разбить установку на 4 самоходных установки. На двух самоходах находится реакторная парогенераторная установка, на двух других — турбогенератор, пульт управления и трансформаторы. Шасси на базе узлов тяжелого танка Т-10.Общийвес оборудования, установленного на самоходах, около 210 т. 4]

Во время эксплуатации для защиты вокруг модулей включающих реакторную парогенераторную установку сооружался земляной вал, при этом на модуля снабжались комплексной биологической транспортируемой защитой, которая позволяет проводить различные монтажные работы после остановки реактора через несколько часов, а также перевозить реактор с отработанной активной зоной.

Конструкция установки была дополнена воздушным радиатором, который способен снимать до 0,3% номинальной мощности установки при её транспортировке.

Из недостатков данной конструкции нужно отметить её много-модульность и при этом достаточную громоздкость. По этой причине, после запуска установки ТЭС-3, больше её аналогов не производилось. Хотя, на данный момент существуют модели наземных передвижных АСММ на колесном ходу с более компактной структурой, при создании которой использовались наработки предыдущих систем, подобные АСММ больше не выпускались. 4]

2.3 Плавучие АЭС атомный станция теплоснабжение На протяжении нескольких лет после запуска ТЭС-3 велись значительные работы в применении водо-водяных реакторных установок в других мобильных системах малой энергетики, поскольку водо-водяные реакторы Разрабатывались несколько проектов различного назначения АСММ по перспективным направлениям, например для военных, геологоразведки и других. Но поскольку, применялся кардинальных подход, требующий значительных затрат на исследование и проектирование таких станций, то дальше проектирование работы не доходили.

Наиболее продвинутыми оказались проекты атомных станций малой мощности (АСММ) с реакторными установками типа АБВ (Атомная Блочная Водяная).

Основной проект водо-водяных реакторов разрабатывался в ФЭИ. Основное достоинство данного типа реакторов является корпусная интегральная схема реактора, сам реактор размещался в прочном корпусе в который был интегрируемый парогенератор. Такая компоновка уменьшала размер радиоактивных теплообменных контуров, причем циркуляция теплоносителя происходит без помощи циркуляционного насоса, которая происходит естественным образом. Такая схема реактора является более дешевой и более надежной в плане безопасности. 3]

Работы по АСММ с реакторами АБВ продвинулись в своё время достаточно далеко. В начале 70-х годов под научным руководством ФЭИ был разработан советско-венгерский проект АЭС «Север-2» с двумя реакторами АБВ-1.5. В 1994 году был завершен проект плавучей атомной электростанции (ПАЭС) «Волнолом-3» с двумя реакторами АБВ-6. Главным конструктором реакторной установки было одно из сильнейших конструкторских предприятий отрасли — ОКБМ имени И. И. Африкантова. [4]

Технические обязанности по постройке проекта плавучей станции взяло на себя судостроительное предприятие «Балтсудопроект», которое находится в Санкт-Петербурге.

Реактор АБВ является новаторским проектом, совмещающий в себе простоту, надежность и дешевизну относительно своих аналогов. Хотя много упоминались достоинства интегральной компоновки, как удачное инженерное решение, на практике всё же не применялось. Проработкой новых версий интегральных реакторов на продолжается и в сегодняшние дни, где главным новатором в России считается ОКБМ имени И. И. Африкантова. 6]

Международный консорциум реакторных фирм с участием «Вестингауза» пытается создать свой собственный интегральный проект — это установка средней мощности IRIS. Значительно продвинулись разработки по интегральным реакторам малой мощности в Аргентине (реактор CAREM, мощность 25 МВт (э)) и Республике Корея (реактор SMART, мощность 100 МВт (э)). Последние разработки явно ориентированы на рынок развивающихся стран. 4]

В России первым проектом ПАСММ был «Волнолом-3», спроектированный на базе реактора АБВ-6, считающийся самым лучшим на тот момент среди своих аналогов. Но поскольку строительство проекта началось в 90-е годы, когда в России было тяжелая экономическая ситуация, финансирование со стороны министерства атомной энергетики прекратилось. Строительство объекта пришлось отложить.

Идея плавучих станция принципиально не нова, поскольку атомная энергетика долгое время была достаточно закрытой областью, то её данные стали известны относительно недавно. Секретность зарубежных проектов ПСММ обусловлено их двойным назначением. При этом нельзя исключать тот фактор что строительство ПСММ возможно на базе весьма компактных реакторов, в которых должно использоваться высокообогащённое топливо, на которое имеются весьма жесткие рамки со стороны законодательства о нераспространении ядерного оружия. К примеру в США был проект станции,"Sturgis", с реакторомМН-1А, с обогащением топлива 4−7%. Информация о её эксплуатации этого судна является закрытой. Однако известно что первоначально данный проект создавался для военных, как мощная энергоустановка служащая источником энергии в отдалённых районах. Данный проект основе время эксплуатации прошёл в районе Панамского канала. Стоимость проекта оценивалось в 17 млн. долларов США на 1964 год.

В России на данный момент заканчивается строительство ПСММ «Академик Ломоносов». По срокам строительство должно закончится в 2012 году, а начало ввода в эксплуатацию начало 2013 года. Данный проект станции является многоцелевым. Общая стоимость строительства дотигла 5,5 млрд. рублей.

4.

Заключение

В рамках приводимого обобщенного анализа нельзя делать категоричных выводов о приемлемости того или иного варианта АСММ. Однако при разработке технико-инвестиционных предложений для конкретных потребителей, учитывая несомненные преимущества электроотопления, необходимо принимать его как вариант для сопоставления. В целом развитие отечественной программы АСММ в начальном этапе будет зависеть только от приоритетов государства в лице ОАО «Концерн Росэнергоатом». Успех первых проектов типа ПЭБ."Академик Ломоносов" может послужить отправной точкой массового коммерческого строительства проектов, подобных этому. [3]

Строительство наземных передвижных АЭС на начальном этапе не получило успеха в связи дороговизны самого использования станций такого рода, хотя к примеру производство одного киловатта электроэнергии в некоторых регионах приближается к 70р, а производство даже самой дорого проекта такого типа не более 3р, что говорит об безусловной окупаемости такого проекта.

Кроме технико-экономических, технологических доводов, а также надежности и безопасности в пользу теплоснабжения потребителей электроотоплением от АСММ можно отметить некоторые его психологические преимущества. Так, для потребителя более приемлемым представляется ситуация, когда он обеспечивается теплом не «водой из реактора», а привычной электроэнергией. 5]

Припостановки задачи энергоснабжения унифицирует проблему создания источников энергии, вводя единственный параметр, характеризующий местные условия, — мощность. В этом случае резервные источники, предназначенные для покрытия пиковых нагрузок или энергоснабжения в аварийных ситуациях, будут также однородны по своему составу и динамичны по вводу в действие.

Отсутствие теплофикационного блока упрощает схему, конструкцию, строительную часть и управление АСММ. Воздухоохлаждаемые конденсаторы турбин и систем безопасности обеспечивают независимость станций от водных ресурсов региона. Серийное производство модулей минимизирует их стоимость и сделает себестоимость энергии, особенно в условиях труднодоступных регионов, сопоставимой с показателями источников, работающих на углеводородном топливе. 3]

Легководные реакторы выделяют пар в соотношениях достаточных для достижения К.П.Д. в 25%, при эксплуатации с номинальной мощностью. Реакторный модуль способен работать от 20 до 25 лет без перегрузки активной зоны, турбогенератор способен работать без капитального ремонта 10 лет. 2]

1. Независимый атомный информационно-аналитический сайтстатистики [Электронный ресурс]http://www.atominfo.ru/news4/d0617.html

2. Независимый атомный информационно-аналитический сайт статистики[Электронный ресурс]http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php

3. Сайт информационной системы по теплоснабжению, [Электронный ресурс] http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=266&p=1

4 Официальный сайт доктора химических наук, профессора МГУ Бекмана И. Н. [Электронный ресурс] profbeckman.narod.ru

5 Клер A M, Санеев Б Г, Соколов, А Д, Тюрина Э А, 2000 «Перспективы развития новых технологий производств и транспорта энергии» В кн. Беляев Л С, Санеев Б Г, Филиппов С П «Системные исследования проблем энергетики» под ред. Воропая Н И (Новосибирск: Наука) 135−144

6 Маргулова Т. Х. Атомные электрические станции / под ред. Белоглазовой. Г. Н. — М.: Издат: Высшая школа, 1980. — 412 с, г. Москва

7 Сайт экологической тематики [Электронный ресурс] http://ekolog-stud.ru

8 Экономический сайт [Электронный ресурс] expert.ru/2010/08/24/zolotaya_stantsiya/