Сферы и направления использования ядерной энергии

Разделение технологий применения атома на гражданские (мирные) и оборонные (военные) в значительной степени является условным. В истории становления ядерной индустрии процессы конверсии и двоякого использования технологий сопровождали практически каждый этап научно-технологического прогресса.

Мирное и военное использование ядерных технологий. К ключевым направлениям мирного использования ядерной энергии относятся:
- электроэнергетика;
- теплоснабжение коммунальных объектов населенных пунктов и крупных промышленно-производственных комплексов;
- опреснение морской воды и минерализованных подземных вод;
- судовые и транспортные энергетические установки (ледоколы, контейнеровозы, лихтеровозы);

- энергообеспечение освоения месторождений арктического континентального шельфа;
- космические энергетические установки и ядерные ракетные двигатели;
- исследовательские реакторные установки различного назначения;
- производство изотопной продукции для медицины, промышленности и сельского хозяйства;
- промышленные подземные ядерные взрывы (ПЯВ) в хозяйственных целях.

К ключевым направлениям военного применения ядерной энергии относятся:
- наработка оружейных ядерных материалов;
- ядерное оружие разного базирования;
- энергетические установки для накачки лазерного оружия;
- энергетические установки для подводных лодок, надводных боевых кораблей ВМФ и военных космических аппаратов.

Ядерная электроэнергетика и технологический КПД. В мировой атомной генерации преобладают реакторы с водой под давлением (PWR, ВВЭР) и кипящие реакторы (BWR, РБМК). Данные типы реакторов обеспечивают коэффициент полезного действия (КПД) электрогенерирования порядка 31...33 %.

Применение быстрых реакторов и высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) позволяет поднять КПД электрогенерирования до 41...43 %. Переход к газотурбинному преобразованию энергии при рабочей температуре за газоохлаждаемым реактором порядка 900 °C обеспечивает повышение КПД до 48...49 %.

В 2002 году общее мировое производство электроэнергии всеми работающими атомными энергоблоками (441 блок суммарной установленной электрической мощностью 359 ГВт) равнялось 2574 ТВт·ч. Это составляло примерно 16 % производимой в мире электроэнергии и около 6 % мирового топливно-энергетического баланса.

Атомное теплоснабжение и теплофикация. Теплоснабжение с использованием атомных энергоисточников является технически подготовленным направлением, замещающим ценное органическое топливо. Исторически сложилось три основных способа централизованного атомного теплоснабжения:

1. Атомная теплоэлектроцентраль (АТЭЦ) — комбинированная выработка электричества и тепла.
2. Атомные котельные (станция теплоснабжения) — производство пара низкого давления и горячей воды.
3. Использование теплофикационных возможностей стандартных конденсационных АЭС.

Отпуск теплоты для коммунального отопления выполняют многие АЭС России, стран СНГ, а также зарубежные станции в Болгарии, Венгрии, Германии, Канаде, США, Швейцарии и других странах. В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 г.» производство тепловой энергии с использованием атомных источников планировалось увеличить с 6 млн Гкал (1990 г.) до 15 млн Гкал (2020 г.).

На экономическую эффективность атомного теплоснабжения влияют тип реакторной установки, удельные капиталовложения, плотность и концентрация тепловых нагрузок, протяженность магистральных теплосетей и соотношение цен на ядерное и органическое топливо.

Первый промышленный опыт отопления зданий от АЭС в СССР был реализован в конце 1950-х годов на Сибирской АЭС. Надежность систем теплоснабжения доказана многолетней работой Билибинской АТЭЦ на Чукотке (четвертый энергоблок пущен в 1976 г.), работающей в экстремальных условиях вечной мерзлоты Крайнего Севера.

Для целей теплофикации разработаны проекты реакторов малой и средней мощности: ACT-500, ВК-300, РУТА, АТЭЦ-200, АБВ, Саха-32, КЛТ-40 (Россия), NHR-200 (Китай), SES-10 (Канада), Geyser (Швейцария), SMART (Республика Корея), CAREM-25 (Аргентина), MRX (Япония), ISIS (Италия).

Для высокотемпературных процессов химической промышленности, производства водорода и черной металлургии требуется теплота с температурой до 1000 °C и выше, получаемая в высокотемпературных гелиевых реакторах.

Опреснение морской воды и гидротехнические комплексы. Крупномасштабное опреснение морской воды на основе ядерной энергии впервые было освоено в СССР. В 1973 году в Казахстане (г. Шевченко / Актау) был введен в эксплуатацию промышленный водоопреснительный комплекс с быстрым реактором БН-350 с жидкометаллическим натриевым теплоносителем.

Опыт эксплуатирующих организаций и исследования Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) подтверждают, что ядерные реакторы являются перспективными источниками энергии для опреснительных установок в вододефицитных регионах мира.

Судовые и транспортные ядерные энергетические установки. Первое в мире гражданское атомное судно — атомный ледокол «Ленин» — было построено в 1959 году. В дальнейшем была создана серия атомных ледоколов («Арктика», «Сибирь», «Россия», «Советский Союз», «Таймыр», «Вайгач», «Ямал»), а также мелкосидящие суда и контейнеровоз-лихтеровоз «Севморпуть».

Опыт применения судовых ядерных энергетических установок (ЯЭУ) доказал их абсолютную надежность. За более чем 35 лет эксплуатации атомного ледокольного флота не было зафиксировано ни одного радиационно опасного инцидента.

Первые атомные подводные лодки (АПЛ) были построены в США (1954 г.) и СССР (1958 г., АПЛ «К-3» / «Ленинский комсомол»), а затем в Великобритании (1963 г.), Франции (1971 г.) и Китае (1974 г.).

К современным перспективным направлениям применения гражданских судовых ЯЭУ относятся:
- плавучие атомные электростанции (ПАТЭС) для отдаленных прибрежных регионов;
- плавучие атомные энергоблоки для промышленного опреснения воды;
- подводные аппараты для исследования Мирового океана, глубоководного бурения и добычи полезных ископаемых (железо-марганцевых конкреций).

Освоение арктического шельфа и глубоководных ресурсов. Исследования показали высокую эффективность ядерной энергии при освоении шельфовых месторождений углеводородов в Северном Ледовитом океане (извлекаемые запасы оцениваются в 100 млрд т у.т.).

Разработаны концептуальные проекты атомных подводных буровых комплексов, подводных танкеров-газовозов (КБ «Малахит», КБ «Лазурит») и атомных подстанций для обустройства Штокмановского газоконденсатного месторождения.

Космические ядерные энергетические и двигательные установки. Для дальних космических полетов и энергообеспечения орбит ядерные энергетические установки (ЯЭУ) не имеют альтернатив. В СССР и России были созданы и испытаны ключевые образцы космических ЯЭУ:

- ЯЭУ «Бук» (электрическая мощность 3 кВт) с термоэмиссионными преобразователями — с 1970 по 1988 год осуществлено 32 успешных запуска (включая ИСЗ «Космос-367», «Космос-1932»);

- ЯЭУ «Топаз» (электрическая мощность 5...7 кВт) — успешно испытана в космосе на ИСЗ «Плазма-А» («Космос-1818», 1987 г.) и «Космос-1867».

Также проводились проработки ядерных ракетных двигателей (ЯРД) прямого действия, где водород нагревается в активной зоне реактора до 2500...2800 K, обеспечивая удельный импульс на уровне 850...900 с.

Исследовательские ядерные реакторы. По данным МАГАТЭ, на август 2000 года в 60 странах мира эксплуатировалось 288 исследовательских реакторов суммарной тепловой мощностью 3205 МВт.

Рис. В.2.1. Число исследовательских реакторов в мире и их суммарная тепловая мощность

Распределение исследовательских реакторов по ведущим странам: Россия — 63, США — 55, Франция — 14, Германия — 14, Япония — 20, Канада — 9, Китай — 9, Великобритания — 3.

Получение изотопной продукции и медицинские радионуклиды. Радиоактивные и стабильные нуклиды получают путем облучения мишеней в исследовательских и промышленных реакторах, а также на ускорителях заряженных частиц (циклотронах).

Таблица В.2.1. Медицинские радионуклиды

* ПЭТ — Позитронно-эмиссионная томография.
ОФЭКТ — Однофотонная эмиссионная компьютерная томография.

Таблица В.2.2. Радионуклиды, используемые в промышленности

Промышленное применение подземных ядерных взрывов (ПЯВ). Промышленные подземные ядерные взрывы (ПЯВ) интенсивно исследовались с конца 1950-х годов в СССР и США. Позже эта деятельность регулировалась Международным договором «Об ограничении подземных испытаний ядерного оружия» (1974 г.), Договором «О подземных ядерных взрывах в мирных целях» (1976 г.) и Протоколом к нему (1990 г.).

В США в рамках программы «Ploughshare» («Плужный лемех», 1957–1973 гг.) проведено 27 ПЯВ, включая интенсификацию добычи газа в штате Нью-Мексико (1967 г.).

В СССР программа мирных ядерных взрывов носила значительно более масштабный характер. С 1965 по 1987 год проведено 115 ПЯВ (из них 81 — на территории РСФСР).

Основные направления применения ПЯВ в СССР:
- глубинное сейсмозондирование земной коры и мантии (39 взрывов);
- интенсификация добычи нефти (20) и газа (1);
- сооружение подземных емкостей для хранения углеводородного сырья (36);
- ликвидация (глушение) аварийных газовых фонтанов (5);
- экскавация грунта при строительстве каналов и каналов переброски стока рек (1 тройной ПЯВ);

- сооружение плотин (2) и водохранилищ (9);
- дробление рудных залежей (3);
- захоронение биологически опасных промышленных стоков (2);
- предупреждение выбросов газа в угольных шахтах (1).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. О. Адамов, Ю. Г. Драгунов, В. В. Орлов, Л. П. Абагян, В. Я. Абрамов и др.

Источник: Машиностроение ядерной техники

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области ядерной физики и атомной энергетики, инженерам-конструкторам и технологам промышленных предприятий, а также всем, кто интересуется устройством ядерных реакторов и современными ядерными технологиями.