Преимущества и недостатки подземного размещения АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Томский политехнический университет

Физико-технический университет

РЕФЕРАТ

Преимущества и недостатки подземного размещения АЭС

Выполнил ст. Гр. 0151

Тетешев К.С.

Проверил доц.

Шепотенко Н.А.

Томск 2008г

Содержание

Введение

1. Эффективность и безопасность расчет защитной конструкции «окружающий массив-обделка» вокруг объектов ядерной энергетики

2. Положительные и отрицательные стороны подземного размещения АЭС

3. Роль России в создании подземного индустриального развития

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Прогресс науки и развития техносферы создали ряд серьезных вызовов и угроз человечеству и среде его обитания. Современное техно- и энергозависимое общество, нормальное существование которого зависит от мощных энергопроизводящих структур, стало уязвимым к злонамеренным воздействиям на эти инфраструктуры. Появление глобальных проблем предвидел еще академик В.И.Вернадский, предупреждавший, в частности, о “геологической cиле” общества, которая может иметь разрушительный характер. Новые системы вооружения на основе направленной энергии микросейсмического (вибрационного) и электрического полей, электромагнитных импульсов, мощного микроволнового излучения могут воздействовать на энергетический потенциал природы с целью инициирования землетрясений, метеорологических катаклизмов, экзогенных геологических процессов (сходов лавин, оползней, обвалов) и др. Современные ядерные реакторы - достаточно безопасные установки, однако, для АЭС, как для любой сложной технической системы, всегда существует вероятность отказа, что может привести к аварии. Тяжелая авария на АЭС по своим последствиям несопоставима с крупной аварией на любых промышленных или транспортных объектах, поэтому вопросы безопасности ядерной энергетики всегда должны быть на первом месте. Современная концепция безопасности включает принцип многоэшелонированной защиты и избыточный принцип функционирования каждого эшелона. Каждый эшелон должен выполнять свои функции независимо от наличия следующего. Безопасность реакторов обеспечивается, главным образом, увеличением числа систем безопасности и количеством барьеров, ограничивающих выход активности. В результате АЭС все более и более усложняются, соответственно возрастает стоимость их сооружения и эксплуатации, а гарантировать 100% надежность невозможно. Известно, что стабильность (устойчивость к ЧС) любой системы равна стабильности (устойчивости) ее слабого звена. Какие бы невероятные усилия не предпринимались по внедрению новейших и совершеннейших технологических систем, управлять ими будет человек, и если уровень его ответственности и организованности не станет расти в пропорциях, соответствующих новым технологиям, нельзя быть уверенным в безопасности и надежности ЯЭ. Одним из актуальных факторов современной международной политической обстановки является терроризм. АЭС как объекты, обеспечивающие устойчивость экономики государства, могут стать объектом вооруженного нападения международных террористических организаций. Подземное размещение АЭС надежно защищает их от поражающего воздействия не только высокоточного реактивного оружия типа «Корнет» или «Атлант», широко используемого международными террористами, но и любого бетонобойного заряда или взрыва боеприпаса мощностью 50 т тротила. Даже в случае проникновения террористов во внутренние помещения, где размещены ядерные энергоблоки станции, последствия аварии будут локализованы в подземном пространстве.

Слабой стороной существующих АЭС является их полная незащищенность от падения тяжелого самолета типа «Боинг-747». Эксперты Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США отмечают, что защитная бетонная оболочка ни одной из 104 действующих американских АЭС не выдержит удара от падения современного авиалайнера, летящего на максимальной скорости. Падение такого летательного объекта на блок наземной АЭС, которое может произойти, как показали террористические акты в США 11 сентября 2001 г., не только в результате авиакатастрофы, приведет к глобальной катастрофе. Фанатики-камикадзе, захватившие над Америкой самолеты, спокойно могли направить их не на здания Всемирного торгового центра, а на одну из 104 действующих американских АЭС. Поэтому вероятностный подход к оценке такого события неприменим и в случае целенаправленных действий его вероятность равна единице. Риск террористического акта с использованием угнанного пассажирского самолета даже не рассматривается в нормативных документах NRC и Ростехнадзора. Катастрофой, по масштабам превышающей Чернобыльскую, может закончиться и нападение на наземную АЭС небольшой диверсионной группы фанатиков-смертников. Размещенная в земных недрах АЭС полностью защищена от природных воздействий (падение метеорита, цунами и др.) [1].Важным фактором внешнего воздействия на АЭС являются землетрясения. Исследования вероятностных показателей безопасности, проведенные Ливерморской лабораторией для АЭС “Surry” (США), показали, что частота повреждений активной зоны от землетрясения составляет 1,2*10-4 1/реактор*год, а от внутренних исходных событий - 4,1*10-5 1/реактор*год [2], то есть внешние воздействия почти в 35 раз превосходят внутренние исходные события (табл. 1).Согласно требованиям МАГАТЭ расчетная вероятность тяжелой аварии не должна превышать 10-5 1/реактор*год, поэтому требуются огромные затраты на антисейсмические мероприятия при строительстве наземной АЭС, а многие районы земного шара вообще непригодны для их размещения.

1. Эффективность и безопасность

Решение энергетической проблемы в глобальном масштабе без использования ядерной энергии невозможно. В настоящее время в 32 странах эксплуатируется 437 атомных энергоблоков, на которых вырабатывается электроэнергия суммарной установленной мощностью 350 ГВт (6% всей вырабатываемой энергии в мире). В стадии строительства находится 42 энергоблока, в том числе и в странах, ранее не имевших АЭС (Аргентина, Бразилия, Индия, Иран). Помимо того, США, Россия, Великобритания, Франция и Китай обладают атомным флотом, где число ядерных установок достигает тысячи. ядерный энергетический АЭС

Почти полувековой опыт развития ядерной энергетики подтвердил ее высокие эколого-экономические показатели, надежность и эффективность. Многолетние наблюдения показали, что при нормальной эксплуатации АЭС выбросы радиоактивных продуктов в атмосферу значительно ниже нормативов и составляют: по инертным радиоактивным газам - 22% от допустимых, по 131J - 1,3% и по долгоживущим радионуклидам - 0,2%. Мощность дозы в районе размещения АЭС составляет 10 - 14 мкР/час (на уровне природного фона), что более чем в 5 раз ниже, чем в районах зольных отвалов угольных ТЭС.

Однако для АЭС, как для любой сложной технической системы, всегда существует вероятность отказа, что может привести к аварии, то есть не может быть гарантированной 100% надежности. Анализ вероятностных показателей безопасности показал, что частота повреждений активной зоны от внутренних исходных событий для действующих АЭС составляет ~10-5 1/реактор*год (для АЭС с реактором ВВЭР-1000 - 1,7*10-5 и для АЭС “Surry” (США) c реактором PWR - 4,1*10-5) [4]. За 1999 год на АЭС России произошло 88 нарушений, 2 из которых классифицировались уровнем “1” Международной шкалы INES (“Функциональное отклонение, которое не представляет какого-либо риска, но указывает на недостатки обеспечения безопасности”). Такие инциденты, ряд аварийных ситуаций на АЭС в разных странах и, главным образом, тяжелые аварии на АЭС “Тримайл-Айленд” в США и Чернобыльской АЭС в СССР обнажили ряд проблем ядерной энергетики, связанных с безопасностью населения, и подтвердили факт, что авария на АЭС не исключительное явление, а вполне вероятное событие. Абсолютная безопасность, полностью исключающая аварийные ситуации, не может быть гарантирована даже при создании нового поколения реакторов повышенной безопасности, разработки которых ведутся в разных странах. Разрабатываемые реакторы повышенной безопасности ВПБЭР в России, ABWR, APWR и SBWR в США, SHBWR в Японии и PIUS во Франции сочетают апробированную технологию с принципами самозащищенности (отрицательный коэффициент реактивности, естественная циркуляция). Эти реакторы имеют самые совершенные технические системы безопасности и обладают самыми современными методами контроля за процессами в реакторе, однако их конструктивные решения все равно не могут исключить сложных гидравлических систем. Поэтому возможен отказ технических средств и, соответственно, аварийная ситуация. Анализ вероятностных показателей безопасности для проектируемых АЭС с реакторами повышенной безопасности показал, что вероятность аварии хотя и понижается по сравнению с действующими АЭС на порядок (2*10-6 1/реактор*год для АЭС с реактором ВВЭР-1000 и 1,2*10-6 1/реактор*год для АЭС с реактором APWR) [4], но все равно существует. Авария может произойти и из-за неправильных действий персонала. По этой причине на российских АЭС в 1999 году произошло 6% всех нарушений. Тяжелая ядерная авария при перезарядке реактора на АПЛ К-314 в бухте Чажма также произошла вследствие нарушения технологии персоналом. Кроме того, авария может произойти и из-за внешних воздействий природного или техногенного характера (землетрясение, цунами, падение тяжелого самолета, диверсии и т.д.).

Кардинальным путем повышения безопасности АЭС является их подземное размещение. Опыт проведения подземных ядерных испытаний доказал, что при надлежащем выборе геологических структур и применении специальных технологий укрепления подземных полостей, при ядерных взрывах большой мощности обеспечивается локализация радиоактивных продуктов. При мощности скального массива 30 м газообразные радиоактивные продукты попадают в атмосферу в объеме не более 1% от исходного. При взрыве формируется расплав горных пород, концентрирующийся на дне камеры и содержащий радионуклиды. Глубина проникновения расплава при температуре ~3000oC несколько метров, расплав кристаллизуется в течение месяца с момента взрыва, а образовавшаяся масса инертна и не представляет экологической опасности. Поэтому можно утверждать, что укрытие мощной кровлей из природной породы ядерно- и радиационноопасных блоков станции локализует последствия любой ядерной (даже запроектной) и радиационной аварии в герметичном подземном пространстве. Природная порода является естественным фильтром радиоактивных частиц, поэтому выброс радиоактивности в атмосферу будет в 107 меньше, чем при наземном размещении станции. Даже при попадании радиоактивных продуктов в грунтовые воды задержка переноса с ними радионуклидов составит от нескольких месяцев до десятков лет (в зависимости от скорости движения грунтовых вод). Таким образом, радиационная угроза населению близлежащих регионов многократно ниже, чем при авариях того же класса на наземных АЭС.

Прочностные свойства гранитов, базальтов и некоторых других природных пород в 4-5 раз выше, чем у бетонов, поэтому скальный массив является защитной оболочкой при паровых взрывах, вследствие которых давление повышается до 1,3 - 1,5 МПа.

При подземном размещении АЭС создается возможность отвода тепла во вмещающий массив при аварийном расхолаживании реактора. Если энергия тепловыделения невелика, она отводится полностью, а в случаях, когда она полностью не может быть отведена без опасных температурных напряжений, частичный отвод тепла дает запас времени для ввода дополнительной системы охлаждения.

Толща земного слоя является надежной защитой и от любого внешнего воздействия - падения тяжелых самолетов, крупных метеоритов, применения бетонобойных снарядов, бомб, средств воздушно-космического нападения, а также диверсий и террористических актов. Одним из актуальных факторов современной международной политической обстановки является терроризм. Не исключено, что объектом нападения международных террористических организаций могут стать ядерные объекты, в частности АЭС, где недостаточно эффективная защита от диверсий и терроризма очевидна. Подземное размещение АЭС надежно защищает их от поражающего воздействия не только высокоточного реактивного оружия типа «Корнет» или «Атлант», широко используемого международными террористами, но и любого бетонобойного заряда или взрыва боеприпаса мощностью 50 тонн тротила. Даже в случае проникновения террористов во внутренние помещения, где размещены ядерные энергоблоки станции, последствия аварии будут локализованы в подземном пространстве. Слабой стороной существующих АЭС является и их полная незащищенность от падения тяжелого самолета типа «Боинг-747». Падение такого летательного объекта на блок обычной АЭС, которое может произойти, как показали террористические акты в США, не только в результате авиакатастрофы, приведет к глобальной катастрофе. Поэтому вероятностный подход к оценке такого события неприменим и в случае целенаправленных действий его вероятность равна единице. Фанатики-камикадзе, захватившие над Америкой самолеты, спокойно могли направить их не на здания Всемирного торгового центра, а на одну из многочисленных американских АЭС. Катастрофой, по масштабам превышающим чернобыльскую, может закончится и нападение на наземную АЭС небольшой диверсионной группы фанатиков-смертников. Размещенная в земных недрах АЭС полностью защищена и от природных воздействий, например, падение метеорита, цунами и др.

Важным фактором внешнего воздействия на АЭС являются землетрясения. Исследования вероятностных показателей безопасности, проведенные Ливерморской лабораторией для АЭС “Surry” (США), показали, что частота повреждений активной зоны от землетрясения составляет 1,2*10-4 1/реактор*год, а от внутренних исходных событий - 4,1*10-5 1/реактор*год, то есть внешние воздействия почти в 3 раза превосходят внутренние исходные события. Так как согласно требованиям МАГАТЭ расчетная вероятность тяжелой аварии не должна превышать 10-5 1/реактор*год, то требуются огромные затраты на антисейсмические мероприятия при строительстве АЭС, а многие районы вообще непригодны для их размещения.

В Японии проводились экспериментальные исследования сейсмического воздействия на поверхности и в подземных машинных залах гидростанций “Shiroyama” и “Numahaza”. Измерения показали снижение сейсмических воздействий в 2-3 раза. Детальные исследования проводились в Канаде фирмой “Онтарио Гидро” в связи с проектированием подземной АЭС вблизи озера Онтарио. Теоретические и экспериментальные исследования показали снижение сейсмических воздействий в 1,5-2 раза. Расчеты сейсмического воздействия на реактор, размещенный на глубине 120 метров, выполнены Горным институтом Кольского Научного Центра РАН. С учетом конкретных геологических условий получено снижение сейсмических колебаний в 1,4-1,7 раза. Таким образом, исследования, выполненные независимо друг от друга для разных геологических условий, дали практически одинаковый результат о снижении сейсмического воздействия при подземном размещении АЭС и вероятность тяжелой аварии от землетрясения становится сопоставимой с вероятностью от внутреннего исходного события. Приведенные результаты позволяют сделать однозначный вывод о значительном сокращении затрат на антисейсмические мероприятия для подземных АЭС по сравнению с наземными.

Важным преимуществом подземного размещения АЭС является и возможность хранения жидких и твердых радиоактивных отходов в подземном пространстве в течение всего периода эксплуатации станции. Этим исключается необходимость их транспортировки, что неизбежно связано с риском аварии, чреватой облучением персонала и населения.

Подземные выработки, где размещены энергоблоки АЭС, могут использоваться как могильник радиоактивных отходов после вывода станции из эксплуатации. Радиоактивные отходы - одна из основных проблем ядерной энергетики, окончательно не решенная ни в одной стране. В большинстве стран принят примерно одинаковый подход к выводу АЭС из эксплуатации, включающий три этапа. Первый этап - выгрузка отработавшего ядерного топлива, блокировка и герметизация трубопроводов и запорной арматуры. Второй этап включает демонтаж радиоактивного и нерадиоактивного оборудования, консервацию оборудования, которое не может быть демонтировано из-за высокой радиоактивности. Наконец, третий этап - окончательная разборка и утилизация оставшихся конструкций и освобождение промплощадки АЭС. Причем, заключительный третий этап может быть выполнен не ранее, чем через 100 лет после останова станции, а МАГАТЭ признает только его в качестве окончательного вывода АЭС из эксплуатации. В настоящее время в мире в разной стадии вывода из эксплуатации находится около 50 энергоблоков АЭС. Анализ проектов вывода из эксплуатации АЭС в разных странах (“Шиппингпорт” (США), “Библис” (Германия), “Ловиса” (Финляндия), 1-й блок ЛАЭС (Россия) и др.) показал, что затраты на вывод энергоблока из эксплуатации достигают 40% стоимости его создания и составляют около 300 $ на 1 кВт установленной мощности. При выводе из эксплуатации энергоблока с реактором РБМК-1000 (стоимость около 300 млн. $) образуется примерно 110 тыс. тонн твердых радиоактивных отходов активностью 105 ТБк, которые необходимо переработать и захоронить. При снятии с эксплуатации подземной АЭС ее подземные помещения могут быть использованы как могильник радиоактивных отходов. После выгрузки отработавшего ядерного топлива и слива теплоносителя подземные выработки с радиоактивными отходами и радиоактивным оборудованием заполняются породой и омоноличиваются. Расчеты показали, что в этом случае затраты на вывод АЭС из эксплуатации значительно (более чем в 10 раз) сокращаются и, кроме того, отпадает необходимость контроля радиационной обстановки на промплощадке в течение длительного времени. Кроме того, подземное захоронение радиоактивных отходов в геологические формации рекомендовано МАГАТЭ, как наиболее перспективный метод.

Впервые промышленный реактор в подземном пространстве был введен в эксплуатацию в 1958 году в г.Железногорске (бывший Красноярск-26). Глубина залегания подземных выработок - 250 м. Это был уран-графитовый реактор АД на Красноярском Горно-химическом комбинате для наработки оружейного плутония. Затем там же были построены еще два реактора: АДЭ-1 (также для наработки плутония, 1962 г.) и АДЭ-2 - энергетический (1964 г.), для энергоснабжения комбината и для тепло-электроснабжения и горячего водоснабжения г.Железногорска с населением более 100 тыс. человек. В1992 году реакторы АД и АДЭ-1 были остановлены, а реактор АДЭ-2 используется для энергообеспечения Железноргорска и является единственной в России подземной атомной станцией энергоснабжения.

Мировой опыт создания подземных АЭС насчитывает более 30 лет. Первая экспериментальная подземная АЭС “Халден” с тяжеловодным кипящим реактором была введена в эксплуатацию в 1960 году в Норвегии. Ее мощность составила 25 МВт. Подземная выработка, в которой размещен реактор, имеет размеры 30х10 м и высоту 26 м и расположена в скальном массиве на глубине 30 м. АЭС “Халден” была построена в непосредственной близости от населенного пункта.

Самая крупная подземная АЭС “Сена-Чуз” (мощностью 275 МВт) с реактором PWR была построена во Франции в 1967 году. Особенностью ее компоновки является то, что реактор, его вспомогательные системы и системы локализации аварии установлены в двух подземных сооружениях, облицованных бетоном, а турбогенераторы, системы управления и вспомогательное оборудование размещены в здании на поверхности. Стены реакторного помещения дополнительно покрыты стальными листами. Подземные выработки размещены в сланцах на глубине 50 м.

Вероятностные показатели безопасности АЭС:

В Японии проводились экспериментальные исследования сейсмического воздействия на поверхности и в подземных машинных залах гидростанций “Shiroyama” и “Numahaza”. Измерения показали снижение сейсмических воздействий в подземных залах в 2-3 раза. Детальные исследования проводились в Канаде фирмой “Онтарио Гидро” в связи с проектированием подземной АЭС вблизи озера Онтарио. Теоретические и экспериментальные исследования показали снижение сейсмических воздействий в 1,5-2 раза. Расчеты сейсмического воздействия на реактор, размещенный на глубине 120 м, выполнены Горным институтом Кольского Научного Центра РАН. С учетом конкретных геологических условий получено снижение сейсмических колебаний в 1,4-1,7 раза. Таким образом, исследования, выполненные в разных странах независимо друг от друга и для различных геологических условий, дали практически одинаковый результат о снижении сейсмического воздействия при подземном размещении АЭС. Вероятность тяжелой аварии от землетрясения становится сопоставимой с вероятностью от внутреннего исходного события. Толща земного слоя является надежной защитой и от любого внешнего воздействия - падения тяжелых самолетов, крупных метеоритов, применения бетонобойных снарядов и бомб, средств воздушно-космического нападения, а также диверсий и террористических актов. Факторы природного и техногенного характера, влияющие на устойчивость различных видов АЭС к ЧС, приведены в табл. 2.

Устойчивость объектов ядерной энергетики в ЧС природного и техногенного характера:

Из табл. 2 видно, что при подземном размещении АЭС исключается большинство факторов природного, техногенного и антропогенного характера, которые могут привести к тяжелой аварии. Нерешенной проблемой ядерной энергетики в мире, представляющей угрозу окружающей среде, является утилизация радиоактивных отходов (РАО). Сложность проблемы заключается в том, что в РАО содержатся долгоживущие радионуклиды, требующие специальных технологий их переработки и иммобилизации для надежной изоляции от окружающей среды в течение длительного времени. Преимуществом подземного размещения АЭС является возможность хранения и переработки жидких и твердых РАО в подземном пространстве в течение всего периода эксплуатации станции. Этим исключается необходимость их транспортировки, что потенциально чревато облучением персонала и загрязнением окружающей среды. Таким образом, в результате рассмотрения различных аспектов устойчивости объектов ядерной энергетики в ЧС техногенного и природного характера может быть сделано заключение о том, что на современном этапе развития промышленного производства подземные АЭС являются надежным гарантом обеспечения устойчивости энергетической безопасности страны.

Расчет защитной конструкции «окружающий массив-обделка» вокруг объектов ядерной энергетики.

При размещении АЭС в подземном пространстве оптимально решается проблема безопасности ядерных объектов. Окружающий массив пород и обделка выработок создают защитную конструкцию, которая должна быть прочной и непроницаемой. Основным элементом в этой системе является массив пород, роль обделки значительно меньше. Прочностной расчет замкнутой конструкции «окружающий массив-обделка» может быть выполнен методами механики подземных сооружений на действие внешних нагрузок. Внешние нагрузки со стороны массива включают горное давление, напор подземных вод, динамические нагрузки от землетрясений, взрывов на поверхности земли при ведении военных действий и террористических актах. Внутренними нагрузками, со стороны выработки на обделку, являются динамические воздействия, возникающие при возможных авариях: избыточное давление в реакторных выработках и температуры при паровых взрывах и возгорании водорода. Для АЭС с реактором ВВЭР-1000 наибольшие величины импульсных давления и температуры при возгорании водорода и достигают соответственно значений 0,99 МПа и 2150°С. В зарубежных проектах по созданию подземных атомных электростанций (ПАЭС) толщина обделки реакторной выработки принимается около метра. По нашему мнению, толщина обделок может быть снижена, если рассчитать её по схеме взаимодействия «крепь-порода», учитывающей совместную работу системы «окружающий массив-обделка». При этом должно быть учтено снижение прочности массива вследствие его структурного ослабления, изменения прочностных и деформационных свойств пород и материала крепи при воздействии температуры, скорости нагружения и проявления реологических процессов.

При аварии на ПАЭС радиоактивные выбросы от реактора могут прорываться через не плотности затворов в выработках и через породный массив Выбросы через не плотности можно снизить техническими средствами. Миграцию радионуклидов через породный массив можно исключить выбором для размещения ПАЭС геологической формации весьма проницаемостью. Параметры непроницаемой защитной конструкции вокруг реакторных выработок должны приниматься на основе прочностных расчетов по условию невозможности образования магистральных и при статических и динамических нагрузках. При этом прочностные характеристики массива должны приниматься с учетом ослабляющего влияния порового давления на прочность пород. Геологические формации для размещения ПАЭС должны соответствовать требованиям прочности и непроницаемости. Формация должна располагаться в тектонически-стабильной зоне земной коры. Выбранные участки геологических формаций не должны иметь пластов, жил, зон с высокой проницаемостью. Породы должны быть инертными по отношению к физико-химическому воздействию РАО и обладать свойствами механических барьеров по пути возможной миграции радионуклидов. Современные технологии тампонажных работ располагают составами сложных безусадочных растворов с высокой проницаемостью и пластичностью, способных создавать изоляционную завесу вокруг выработок, сооружаемых в массивах с трещинами. Поэтому жесткость требований по непроницаемости пород может быть в ряде случаев снижена. Долговременная устойчивость камер реакторов во многом определятся конструктивными решениями: формой, размером камеры, типами и параметрами обделки. В некоторых проектах реакторные помещения представлены сводчатыми камерами с плоскими боковыми и торцевыми стенами. Применительно к ПАЭС, для выработок которых опаснейшими факторами являются динамические воздействия от внешних взрывов, такое решение не является оптимальным. При выходе взрывной волны на внутренний контур плоских стен массовая скорость при колебаниях будет максимальной, при этом в угловых зонах неизбежна неблагоприятная концентрация динамических напряжений. Целесообразно проектировать, камеры реакторов в виде вертикальной выработки круглой формы в плане, перекрытой куполом. Такая форма камеры имеет ряд известных преимуществ как при динамических воздействиях извне и изнутри, так и по устойчивости относительно статических нагрузок от горного давления.

2. Положительные и отрицательные стороны подземного размещения АЭС

Простое, механическое перенесение существующих АЭС под землю (что, впрочем, уже имеется), не даст большого эффекта. Во-первых, очень дорого, а, во-вторых, загрязнение подземного пространства может оказаться еще опаснее. Представим себе "подземный Чернобыль". Как бы его удалось заглушить? Это было бы еще катастрофичней. Вот почему вопрос должен стоять не просто о перенесении АЭС под землю, а о полном изменении самой схемы и конструкции ядерно-энергетических устройств, изменении самой инженерной идеологии ядерной энергетики. И такое изменение можно осуществить, отказавшись от одного из инженерных фетишей в энергетике - конструирование максимально компактных устройств и систем. И революционным шагом в этом направлении должно стать разделение АЭС по вертикали. Реакторы - под землей. Им на поверхности земли нет места. Турбоэлектрическое хозяйство - на поверхности, под землей ему нечего делать. Но перенеся реактор под землю, мы включаем в "игру" новую физическую силу - гравитационную силу, которой мы и должны "распорядиться" с максимальной эффективностью. Для того, чтобы исключить даже самое маловероятное появление радиоактивности на поверхности, схема энергетического использования ядерной энергии должна быть, как минимум, трехконтурной. Только в этом случае можно полностью гарантировать, что разрыв любого контура не приведет к выносу радиации на поверхность земли.

Второе условие - это исключение "внутренних" насосов, точнее, любых устройств с движущимися частями, как недостаточно надежных, необходимо, чтобы для функционирования жизненной части этой системы вообще не было бы необходимости в электроэнергии.

Третье условие - использование во всех контурах наиболее дешевого и экологически чистого теплоносителя - воды. На рис.1 изображена простейшая схема получения технологического пара с помощью подземно-расположенного ядерного реактора (ПРЯР). Легко видеть, что давление во всех контурах поддерживается весом столба жидкости с использованием поршневых разделителей для разделения контуров циркуляции. В этой схеме перепад высот между объектами циркуляции как раз и определяет термодинамику в верхних теплообменниках контура. Одновременно этот же перепад высот определяет и динамику движения теплоносителя, ибо этот же самый перепад является "движущей силой" в контуре циркуляции, определяемой разностью веса в водяной и паровой ветвях. И такая жесткая связь механо и термодинамических параметров с геометрическими характеристиками может представить определенные неудобства. Глубина расположения рабочего парогенератора задает параметры рабочего пара на поверхности. Если использовать этот пар в схеме городского теплоснабжения, то глубина этой отметки может быть около 2ОО метров, получаемый при этом пар с давлением примерно 18 кгс/кв.см вполне удовлетворяет требованиям городского теплоснабжения. При этом давлении пар поступает в домовые или квартальные бойлерные, в которых нагревает воду, поступающую непосредственно в дома и квартиры, а конденсат из бойлерных самотеком вновь поступает в систему парогенерации. Таким образом, здесь вообще нет ни одного устройства с подвижными частями, что определяет высочайшую надежность такой схемы. В дома и квартиры поступает горячая вода уже из четвертого(!) контура циркуляции, что дает абсолютные гарантии, что радиоактивность ни при каких условиях не окажется внутри вашего дома. Такого рода система теплоснабжения может вполне размещаться прямо под центром города для снижения тепловых потерь в теплосети при полнейшей безопасности. Конечно, об одной только мысли, чтобы прямо под Красной Площадью расположить ядерный реактор, москвича мороз по коже продерет, и, тем ни менее, это очень здравая мысль, которая способна резко улучшить экологическую обстановку в городе и нормализовать теплоснабжение. Но до этого, естественно, надо дорасти. На Камчатке, в Исландии используется электро- и теплостанции на подземном тепле, гейзерные станции тепло и электроснабжения. Фактически, предлагается обычная подземная гейзерная электро- и теплостания, но подземный источник тепла делается искусственно посредством ядерного реактора. На рис.2 изображена схема ядерной электростанции с ПРЯР. Здесь уже давление рабочего пара должно быть существенно выше - примерно 25О кгс/кв.см. Размещение парогенератора на соответствующей глубине - две с половиной тысячи метров - может составить проблему, точнее, может оказаться чрезмерно дорогостоящим. Поэтому в этой схеме давление в рабочем контуре парогенератора поддерживается насосом конденсата, расположенным на поверхности, а в остальные контура передается через связанную по давлению систему. При этом разделение контуров осуществляется с помощью поршневых мультипликаторов давления. В результате мы получаем "развязку" между механодинамическими и термодинамическими параметрами циркуляции. Механика движения жидкости в контуре определяется разностью высот в отметках контура, а термодинамика - мультипликатором давления. Отметим, что значительное улучшение экономических характеристик станции можно получить на основе комплексирования ядерной и химической энергии, для чего на поверхности можно дополнительно поместить пароперегреватель на химическом топливе, например, газовом. Таким образом, ядерная энергия будет использоваться для наиболее энергоемкой части - превращения воды в пар, а химическая энергия используется для "корректировки" термодинамического состояния рабочего пара перед подачей его на турбины. Ясно, что для наземных АЭС такое решение неприемлемо, ибо представляло бы слишком большое усложнение конструкции станции. Для электростанций с ПРЯР это уже вполне допустимо и оправданно, тем более, что это позволяет использовать и более дешевые турбины перегретого пара.

Еще один интересный момент. Возможный режим работы теплообменников - режим работы без кипения. А кипение, парообразование и сепарация пара происходит в вертикальных каналах, имеющих большую протяженность. Ввиду этого парогенератор рабочего пара может быть выполнен по схеме выпарного аппарата, работающего на минерализованной воде. В результате АЭС с ПРЯР может стать не только источником электроэнергии, но и источником пресной воды. В этом случае нам даже нет особой нужды стремиться к высоким энергетическим показателям АЭС, ибо их ухудшение будет одновременно означать увеличение производства пресной воды, которая может быть не менее ценным выходным продуктом, чем электроэнергия. Такая конструкция АЭС может быть особенно важна для водонедостаточных регионов, например, для Средней Азии. АЭС с установленной мощностью 1 ГВт может дать О,О1 кубокилометра пресной воды в год, что позволит при рациональной системе орошения (а наличие одновременно и большого количества электроэнергии позволяет это легко сделать) оросить более 1ОО тысяч гектаров земли. Не окажется ли именно ядерная энергетика "спасителем" Арала?

Рассмотрим вопросы физической безопасности реактора. В случае резкого падения давления в контуре реактора срабатывает обратный клапан между контурами реактора и радиационной развязки, и вода из вышележащего контура самотеком начнет поступать в реактор, причем для предотвращения теплового удара будет поступать именно нагретая вода. Падение давления в промежуточном контуре приведет в свою очередь к срабатыванию второго обратного клапана и вода из контура рабочего теплоносителя также начнет поступать в промежуточный контур. Наконец, при падении давления в рабочем контуре сработает следующий обратный клапан, и в этот контур начнет поступать вода с поверхностного аварийного резервуара. В случае же резкого повышения давления в реакторе произойдет срабатывание взрывного клапана, пар начнет поступать из реактора в нижерасположенный барботер, в результате конденсации пара давление в реакторе упадет, и вновь сработает цепочка подачи воды с поверхности через промежуточные теплообменники, предохраняющая от термических перенапряжений твэлов и других конструктивных узлов реактора.

Таким образом, подземное расположение ядерных реакторов позволяет эффективно решить проблему их "физической" безопасности. Но даже если, тем ни менее, произойдет полное разрушение ядерного реактора, расплавление активной зоны, неконтролируемая цепная реакция, то и в этом случае катастрофа легко предотвращается тампонажем реактора и реакторной камеры с земли специальными составами с добавкой нейтронно-поглощающих материалов. В таком замоноличенном состоянии реактор может храниться сотни лет, не представляя никакой реальной опасности для подземной среды. Меняется в корне весь подход в ядерно-энергетическом аппарато-строении. Вместо устройств с толстенными стальными стенками аппараты подземной ядерной энергетики должны быть шахтами и скважинами в земной породе, с забетонированными стенками и изнутри офутерованными специальными материалами. Именно земная порода должна принимать на себя внутреннее давление этих аппаратов. Строителями атомных электростанций должны стать прежде всего метро- и шахтостроители и буровики. Аналогично и основные трубопроводы должны быть выполнены по схеме подземных нефтяных скважин. Видимо, потребуется для их выполнения использовать две обсадные колонны. Пространство между ними заполнять высокоплотным и непроницаемым для воды и пара тампонажным раствором, а пространство между породой и внешней обсадной трубой заполнять низкотеплопроводным тампонажным материалом. И должна быть изменена сама идеология строительства АЭС. Вместо нынешнего проектного срока эксплуатации в 25-3О лет (а что потом делать с отработавшими АЭС?), подземные АЭС должны строиться с расчетом на эксплуатацию их в течение сотен лет, на века, аналогично тому, какие рассчитывает же, что метро прослужит несколько десятков лет, а затем будет "списано и демонтировано". В этой схеме затраты по строительству мало связаны с мощностью АЭС, потому выгодно делать их с чрезвычайно большими единичными мощностями. При этом вовсе нет нужды создавать реакторы-мастодонты на гигаватты тепловой мощности. Вполне можно использовать отдельные модули умеренной мощности, работающие на единую "трубу", к которой на поверхности может быть подключено несколько турбогенераторов. Разрыв жесткой связи между реактором и турбогенератором также является чрезвычайно полезным свойством этой схемы.

Главный недостаток - стоимость строительства. После Чернобыльской аварии рассматривалось предложение академика А.Д. Сахарова, который поддерживал развитие атомной энергетики только в подземном виде. Выяснилось, что при попытке упрятать под землю ядерный реактор (обо всём энергоблоке речь вообще не шла - затраты достигли бы астрономических сумм), капитальные затраты на строительство АЭС возрастают в 1,2-1,4 раза. При этом достоинства подземной АЭС в полной мере не реализуются: реактор остаётся связан с наземным оборудованием технологическими коммуникациями (например, паропроводами), а циркулирующий в них теплоноситель также подвергается воздействию радиации. Конечно, можно упрятать под землю и парогенераторы, чтобы на поверхность выходили только трубопроводы чистого пара, но это ещё больше повысит капитальные затраты по сравнению с наземной АЭС.

Не менее существенный недостаток - ограничение мощности подземного энергоблока, связанное с его размерами. Оболочка подземного реакторного зала должна выдерживать давление извне, со стороны окружающих горных пород. Поэтому существует ограничение по её габаритам, при превышении которых оболочка становится непрочной. Увеличивать её толщину бесполезно: при этом возникают внутренние напряжения строительного материала, которые опять же приводят к снижению прочности. Исходя из этого, большой реактор поместить под землю невозможно, а маленький не сможет выработать большую мощность. Специалисты полагают, что самый крупный подземный атомный энергоблок будет ограничен мощностью не более 250-300 МВт (эл). Тогда как у современных наземных АЭС экономически эффективной считается мощность блока в 1200-1600 МВт. Например, на строительстве АЭС в Олкилуото (Финляндия) российский «Атомстройэкспорт» проиграл тендер франко-германской компании "Framatome" только потому, что европейский конкурент предложил финнам реактор большей мощности.

Некоторые эксперты усматривают ещё один недостаток. Современные реакторы-новостройки оснащаются конвективной системой расхолаживания. То есть при отказе всех систем охлаждения корпус реактора естественным путём обтекается воздухом, который отбирает выделяемое тепло и самотёком уносит его вверх, в атмосферу. Таким образом, даже если остановятся все насосы и пропадёт всё электроснабжение, перегрева реактора не произойдёт. В случае же подземной АЭС охлаждение конвективной самотягой воздуха обеспечить не удастся: нужно искать другие пути «естественной безопасности».

3. Роль России в создании подземного индустриального развития

В СССР был накоплен достаточно большой и ценный опыт в области подземного размещения производства. Причем такое размещение осуществлялось именно в области ядерной промышленности. Например, ядерный центр в районе Красноярска, размещенный под землей. Таким образом, именно Россия может и должна стать ведущей страной в области строительство подземной индустрии. И начинать необходимо именно со строительства подземных и подземно-наземных ядерных энергетических установок.

Отметим следующий момент. Считается, что строительство подземных ядерных объектов дороже наземных. На самом деле эти расчеты совершенно неверны. Для того, чтобы правильно учесть стоимость существующей ядерной энергетики надо учесть два фактора:

1. Затраты на ликвидацию ядерной станции после окончания срока ее действия. По приблизительным оценкам эти затраты составляют величину самой стоимости ее строительства.

2. Затраты на возмещение ущерба от возможной катастрофической аварии типа чернобыльской.

Произведем ориентировочный подсчет этих затрат. Общий ущерб от чернобыльской аварии по порядку величины может быть оценен в десять триллионов долларов. Здесь и сами работы по ликвидации аварии, и ущерб, причиненный здоровью как самих ликвидаторов, так и населения, причем распространяющийся не только на живущих, но и на их потомство, смерть множества людей, вывод из хозяйственного оборота громадных территорий на сотни лет, радиоактивное заражение сравнительно небольшой интенсивности территорий, составляющих заметную долю всей территории земли (в России, скандинавских странах, в Европе и т.д.).

На момент чернобыльской аварии в мире было порядка ста ЯЭС. На двух из них произошли катастрофические аварии - на Чернобыльской и в Тримайл-Айленд. На последней по случайности она не развилась до масштабов чернобыльской. Вот почему мы можем сказать, что до эпохи чернобыля вероятность катастрофической аварии составляла 0.01, т.е. одна станция из ста могла испытать аварию с катастрофическими последствиями.

После чернобыля надежность ЯЭС была существенно повышена. Примем даже самый оптимистический вариант, что надежность повышена на два порядка. В результате вероятность катастрофы стала уже 0.0001. Таким образом, в каждую ядерную станцию необходимо заложить 0.0001 часть стоимости ущерба катастрофической аварии, которая составляет величину порядка 10 триллионов долларов. Умножая эту величину на вероятность аварии 0.0001, получаем, что математическое ожидание убытка от такой аварии составляет 1 млрд. долларов на одну станцию.

Итак, если принять, что стоимость строительства современной ЯЭЯ составляет величину порядка 1 млрд. долларов, то необходимо добавить еще столько же на работы по ее ликвидации после срока окончания срока ее службы и 1 млрд. долларов на страхование от катастрофы типа чернобыльской. Получаем в итоге 3 млрд. долларов - вот реальная стоимость строительства одной ЯЭС, т.е. как минимум в три раза больше капитальных затрат на строительство.

Если исходить из таких расчетов, отражающих истинную стоимость ЯЭЯ, то легко придти к выводу, что подземная энергетика бесспорно почти на порядок окажется дешевле.

Более того, при строительстве подземных станций резко уменьшается потребность в дорогостоящих конструкционных материалах, например, металлах. Ведь основным несущим материалом, принимающим нагрузки, становится сама земная порода, а внешние конструкции приобретают преимущественно изолирующие функции.

Отметим также важную роль подземной ядерной энергетики, которую она может сыграть в упрочении режима нераспространения ядерного оружия и военных ядерных технологий. Дело в том, что сам ядерный реактор в подземном пространстве может работать под замком, в безлюдном режиме с полным управлением, вынесенным на поверхность. В результате можно такие станции размещать в любых странах на условиях работы их под замком, а работы по их перезагрузке и иному обслуживанию периодического характера осуществлять только под контролем соответствующих органов, например МАГАТЭ. Этим самым проблема нераспространения военных ядерных технологий, накопления расщепляющих материалов решается достаточно эффективно.

Уже сейчас надо начинать эти работы. Уже сейчас можно начать разработку подземных ядерных станций, начиная такую работу с простейших подземных ядерных станций теплоснабжения с небольшой глубиной заложения и используя производящиеся промышленностью реакторы для подводных лодок, естественно, модернизируя их для размещения в подземном пространстве. И Россия способна начать эти работу. Это особенно важно для российской энергетики, так как новое строительство наземных ядерных электростанций встречает самое активное сопротивление населения и если не начать такое строительство в самое кратчайшее время, то российская энергетика через десять-двадцать лет испытает коллапс, связанный с недостатком генерирующих мощностей, а ядерная энергетика и ядерно-строительная индустрия просто погибнет.

Отметим как положительный момент принятие Думой в первом чтении закона о ввозе в страну отработанного ядерного топлива.

Заключение

Так, всё же подземная АЭС - опытно-промышленный объект для отработки новой технологии, или же реальный коммерческий проект, нацеленный на промышленное энергоснабжение? Насколько высоки шансы на его воплощение, и кто может способствовать его успешной реализации. В настоящее время в Северодвинске строится плавучая АЭС с реактором КЛТ-40. Предполагается, что далее этот тип АЭС может тиражироваться. Реактор КЛТ-40 ледокольного назначения освоен в серийном производстве и имеет большой опыт эксплуатации. АЭС предполагается на основе этого же типа реактора, но в сухопутном исполнении. Так как размеры реактора очень небольшие, его достаточно просто разместить под землей на глубине до 50 м, что создаст очень надежный барьер безопасности на все случаи негативного внешнего и внутреннего воздействия. Единичная мощность плавучего энергоблока (в составе двух реакторов) около 70 МВт (эл), однако сухопутная АЭС может иметь несколько блоков.

Таким образом, проекты подземных АЭС вполне работоспособны, а в их основу заложена достаточно «обкатанная» ядерная технология. Основная проблема, как обычно, заключается в финансировании: на бюджет особенно рассчитывать не приходится (тем более, что этой АЭС нет в Федеральной целевой программе развития атомной энергетики до 2015 г.). Вся надежда - на государственно-частное партнёрство, возможности которого предоставлены изменившимся атомным законодательством России. Именно от заинтересованности инвесторов в долговременных поставках дешёвой электроэнергии и их готовности вкладывать деньги в сооружение подземной АЭС будут зависеть судьба проекта и темпы строительства.

Список используемой литературы

1. Муратов О.Э. Подземные АЭС - перспективный путь повышения безопасности ядерной энергетики // Труды III Межд. науч. школы "Моделирование и анализ безопасности и риска в сложных системах (МА БР - 2003)” 20-23 августа 2003 г. - СПб, 2003, с. 78-84.

2. Векслер Л.М. Сопоставление наземного и подземного расположения атомных станций // Материалы Межд. конф. “Использование подземного пространства страны для повышения безопасности ядерной энергетики”. - Апатиты: Изд-во Кольского науч. центра РАН, 1992.

3. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А. Подземные атомные станции. - Апатиты: Изд-во Кольского науч. центра РАН, 1992. - 138 с.

4. Муратов О.Э. Подземные АЭС: эффективность и безопасность // Вопросы атомной науки и техники. Сер. “Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение”, 2002, № 6, с. 19-28.

5. Тихонов М.Н., Петров Э.Л., Муратов О.Э. Системный взгляд на атомную энергетику и радиацию сквозь призму общественного сознания // Экологическая экспертиза, 2004, № 1, с. 42-55.

Размещено на Allbest.ru