Когда мы рассматривали "Перспективы замены генерирующих мощностей на атомные в РФ в период с 2020 по 2050 годы.", то с совершенной очевидностью встал вопрос: а на сколько времени хватит запасов общего количества урана (обоих его добываемых изотопов), при условии сохранения плотности энергопотока и существующих демографических моделей?
Попробуем разобратся в этом вопросе.
Рекомендую перечитать, известную большинству присутствующих статью автора Already Yet: Ядерная спичка (NUC2).
I. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ.
Мировые запасы урана, по состоянию на 2011 год, составляют 5 327 200 тн. Обращаю ваше внимание на два факта:
1. это запасы обоих изотопов.
2. это извлекаемые запасы урана с издержками производства на уровне $130.
Доля запасов урана на гарантированно доступной нашей стране территории составляет 31%, и в натуральном выражении - 1 666 800 тн:
1. РФ - 487 200.
2. Казахстан - 629 000.
3. ЮАР - 279 100.
4. Украина - 119 600.
5. Узбекистан - 96 200.
6. Монголия - 55 700.
Можно рассматривать развитие этого конгломерата в целом, но для начала оценим только нашу страну, ведь мир во всем мире мы отказались строить четверть века назад, не так-ли?
Итак, на территории РФ извлекаемые запасы составляют 487 200 тонн. Много? Мало? А вот давайте совместно разберемся.
Из статьи "Перспекивы замены ..." берем следующую цифру: в период с 2020 по 2050 годы нам требуется построить 360 блоков типа БН-1200.
В настоящее время в России на 10 действующих АЭС эксплуатируется 33 энергоблока общей чистой мощностью 23,643 ГВт.
Для упрощения представим, что уже в настоящее время построены все 360 блоков, старые выведены из эксплуатации и заменены новыми В итоге общее количество блоков, работающих одновременно составляло бы около 400. Вот от этой цифры и будем отталкиватся.
- Номинальная тепловая мощность реактора - 2800 МВт
- электрическая мощность - 1220 МВт
- КПД брутто - 43.6% (КПД по электричеству)
- КПД нетто - 40.5% (полагаю КПД по электричеству минус затраты электроэнергии на собственные нужды станции-сколько энергии отдаем в сеть).
Перемножив количество блоков и их мощность получим 488 ГВт.
Согласно данным ОЭСР, в мире функционирует 440 реакторов коммерческого назначения, которые потребляют в год 67 тыс. тонн урана.
В 30 странах мира эксплуатируется 193 атомные электростанции с 435 энергоблоками общей электрической мощностью 372 751 МВт.
Цифры немного отличаются, но это не критично. Разделив мощность на количество блоков получим среднюю мощность одного блока, равную 0,855 ГВт. Т.е. для выработки мощности в год 5,56 МВт нужно затратить одну тонну урана: 372 751/67 000 = 5,56 МВт/тн.
Я понимаю, что прямая пропорция не даст точный результат, но я к нему и не стремлюсь, а хочу получить порядок цифр.
Итак, для выработки 488 ГВт нам потребуется около 87 000 тн урана в год. Если вспомнить цифру 487 200, то можно прийти в ужас: урана хватит всего на 5,6 лет! Но мы забыли, что в природном уране изотопа 235 всего 0,7%. И если учитывать, что при использовании технологии БН "горит" и его брат уран-238, которого в природе остальные 99,3% (и который в официальную статистику по добыче урана не входит), то цифра получается совсем другой: 800 лет.
Прошу читателей проверить на ошибки, перед тем, как перейти к оценке демографической составляющей и ее влиянию на сроки обеспеченности энергией.
Комментарии
Там дальше вроде изотоп лития реагирует и энергию выделяет, точно сейчас не помню!
Без разницы кто там реагирует
Начинаю подозревать нехорошее, - что вы путаете реакции деления и реакции синтеза.
Который на установках непрерывного типа выполняется в первую очередь, путем нагрева, и главное! - удержания вещества при звездных температурах. Так вот чем тяжелее легкий изотоп выбранный для синтеза, тем (в общем случае) большую температуру требует реакция, тем сложнее выполнить этот критерий. В установках для энергетических нужд мы его не можем выполнить даже для легких ядер - дейтерия и трития, что уж там говорить о тяжелых (хотя в термоядерных бомбах литиевую реакцию, емнип, используют)
Я поясню насчет энергетики. Поделить U238 можно нейтроном с энергией больше 10-12 МэВ. При этом образуется 202 МэВ энергии, и еще ~20 выделится потом из осколков деления. Однако на 1 такой акт в реальный реактор надо впрыснуть ~1,5 нейтрона - остальные утекут или поглотятся. Конверсия ускоренных протонов в нейтроны идет тоже с не самым высоким КПД (60%), как и перекладывание энергии из розетки в протоны(тоже 60%). В итоге получается, что на каждые 225 МэВ энерговыделения в реакторе мы должны потратить 60 МэВ только на протон, при том что выделившаяся в реакторе энергия превратиться в электроэнергию с КПД дай бог 45% Получается, что где-то 60% вырабатываемой электроэнергии будет уходить в ускоритель.
Спасибо, начал вспоминать Физику, а то про "нейтронные ускорители" уже пару раз читал!
Если считать только ээ, (и не учитывать тепло) получается КПД около 30%.
Вполне сравнимо с ДВС.
Спасибо за инфу
Давайте цифры, как вы эти 1405 МэВ получили. Вы же не из пальца их высосали, правда?
Да, расчёты из пальца высосаны, прикидывал я для нейтронов 14 МэВ. Но хочу сказать, что при делении внешним нейтроном не 200 МэВ получается, а в несколько раз больше.
>Если делить U-238 нейтроном энергии 10 МэВ, то образуется не 2-3 нейтрона, как обычно, а больше, порядка 7
Если 10 МЭВ, то будет в среднем 3.6 нейтрона на распад.
>которые вызовут каскад делений
Не вызовут. Энергия вылетающего нейтрона - линейно убывающий спектр от примерно 1 МэВ, а нужно минимум 1,5, что бы следующий атом поделился. Коэффициент воспроизводства нейтронов в бесконечной стенке U238 - 0.38. Если реактор большой, то можно расчитывать на ~0.3 прибавки, но не на х7.
Но куда уходит избыточная энергия 10 МэВ нейтрона? Неужели на гамму?
В кинетическую энергию осколков и в дополнительные нейтроны. Просто вторичные нейтроны там вылетают не по принципу боулинга, а из нейтроноизбыточных осколков уже на этапе их разлета. При этом часть первичной добавочной (к пороговой) энергии приводит к более возбужденному состоянию ядер, и это позволяет им избавится от большего количества мгновенных нейтронов.
А кинетическая энергия осколков получается за счёт кулоновского отталкивания, насколько я знаю.
Возможна ли ситуация, когда нейтрон раскалывает ядро и уцелевший летит дальше?
>Вопрос: сколько нужно дополнительной энергии, чтобы появился один дополнительный нейтрон?
В случае урана это примерно 0.13 нейтрона на каждый дополнительный МэВ прилетевшего.
>Возможна ли ситуация, когда нейтрон раскалывает ядро и уцелевший летит дальше?
Это не орех, что бы его расколоть. Речь идет чисто о полгощении и реконфигурации ядра урана. Гуглите пороговое и непороговое деление. Можно еще вот это почитать http://wwwinfo.jinr.ru/dissertation/ThesisSvirin.pdf и http://nuclphys.sinp.msu.ru/sem2/sem13.html
А почему тогда в реакторах на быстрых нейтронах при делении образуется больше нейтронов? По сравнению с тепловым нейтроном энергия больше условно на 1 МэВ, а выход нейтронов больше условно на 1 штуку. Разные механизмы деления?
Нет там на 1 штуку больше. Для спектра в 1 МэВ получается 2.5 нейтрона против 2.3 на тепловом спектре.
Просто часть этой энергии остается в ядрах осколков, в виде возбуждения ядра, и она сбрасывается через дополнительные нейтроны, темпом, который я указал.
Можете пояснить, почему так? Неужели дело в замедлителе? Тогда будет проще использовать не поглощающий нейтроны замедлитель, чем реакторы БН строить, как мне кажется.
Нет, дело именно в том, что дополнительная энергия делящих нейтронов сбрасывается через рождение дополнительных нейтронов из осколков. Только далеко не 100% энергии так утилизируется, а где-то 1/5-1/6.
В Википедии написано, что "на каждый захват нейтрона в активной зоне такого реактора испускается в 1,5 раза больше нейтронов деления, чем в активной зоне реактора на тепловых нейтронах", так ли это?
Кстати, хочу сказать, что я почитал про ускорители протонов для спаляционных источников - у них КПД "от розетки до протона" редко превышает 25%, Боголюбов обещает 30%. Т.е. с общим КПД все печально Поэтому Острецов говорит про 10 ГэВ, а не принятые везде 1 ГэВ для ADS реакторов, мол при таких энергиях меняется физика процесса и усиление энергии будет 88 раз. Не могу компетентно тут с ним спорить, но что-то строительства таких установок не видно.
Чего в центрифугах-то безумного?
энерго- и ресурсоемкость. Сложность, и в итоге - низкая производительность.
ИМХО - пока не похожа эта технология на локомотив цивилизации 21-22 века.
Лучшее - враг хорошего.
Я согласен, что нужно двигатся и искать. Но работать надо с тем, что есть. Тот же термояд делают уже скоро 70 лет, а воз и ныне там, по большому счету.
На самом деле, я скорее поверю, что научатся использовать какую-нибудь тёмную энергию, чем термояд.
Да какой там термояд?!
Ну что вы в самом деле, - вы же сами убедились, что даже если представить что все проблемы решены, - тупо не успеем построить эти мегамашины в необходимом количестве. Решение которое спасет человечество должно быть простым, дешевым, годным для крупносерийного производства, генерация должна быть не централизованной а распределенной, эти устройства должны позволять легко объединять себя в сетевую структуру, содержать минимум движущихся частей.
Согласен. А поскольку такого решения не будет, человечество не спасти.
Кстати в термоядерном реакторе движущиеся части - только насосы разнообразные.
Такого решения, действительно пока нет. Но то что его не будет, - я бы поостерегся утверждать. Ибо жить захотим, - и не так раскорячимся.(с) Надеюсь..
>>>Решение которое спасет человечество должно быть простым, дешевым, годным для крупносерийного производства, генерация должна быть не централизованной а распределенной, эти устройства должны позволять легко объединять себя в сетевую структуру, содержать минимум движущихся частей.
Не в бровь, а в глаз. Абсолютно согласен. Одно но: нет на горизонте таких решений...
На горизонте - есть. Будем ли мы в рядах тех, кто достиг этого горизонта, - зависит полностью от нас.
уровень лабораторного прототипа говорит о том, что на промышленный уровень технология выйдет лет через 30-40, если в нее вбухивать ресурсы. При том, что без ОКРов на самом деле непонятен выигрыш - что в безопасности, что в радиоактивности отходов.
Так что ПОКА делать ставку на эту технологию нельзя. Надо стартовать с БН-1200, а там, Бог даст, появятся возможности и открытия для радикальной оптимизации.
Вы были бы абсолютно правы, если исходить из предположения, что у нас впереди много-много относительно безбедных десятилетий в условиях растущего энергопотока от углеводородов. однако это не так. челы уже сейчас на плато углеводородной энергетики, в дальнейшем будет только путь вниз. Это радикально меняет стратегию выживания.
Заметьте, человечество в своей истории, еще не разу не жило в условиях тотального падающего энергопотока. Он всегда только рос (дрова->уголь->нефть->атом).
В таких условиях чтобы проскочить в угольное ушко, необходимо точно определить прорывное направление достижения нового энергоуклада, и безошибочно вложить в него остатки ресурсов. Т.е. Стратегия "Прыжок через пропасть", в отличие от классической стратегии "Вперед приставным шагом".
Заметьте, - я не утверждаю что именно и только подкритичные реакторы - панацея.
Не вижу, почему технология БН не может дать время для разработки новых технология и движению "приставным шагом". Сложность и дороговизна? Не аргумент, по большому счету.
Опять двадцать пять!
Ну при чем здесь деньги!?
Если не слушаете меня, AY, Острецова, то Вам же целую свежую статью камрад написал:
Плутоний и замыкание ядерного топливного цикла.Если коротко - законы физики не дают нам возможности успеть.
И очнитесь, наконец, - у человеков нет ресурсов и энергии (падающий энергопоток!) чтобы успешно тянуть параллельно несколько потенциально перспективных технологий, по сложности сравнимых с ядерными и термоядерными.
И забудьте вы наконец эту фразу - "даст нам время" Никакая из существующих энергетик никакой прибавки времени нам не даст, потому что уже, при всех известных технологиях, - человечество имеет стагнирующий и падающий энергопоток!
Если начнем вкладываться по взрослому в БНы, - упоренм туда силы и материалы, на другое сил нехватит.
Я с вами в одном согласен - всем "места в лодке" не хватит.
Еще раз - пока не проведены ОКР, ЛЮБЫЕ суперидеи - фигня. Ибо атомная энергетика состоит из огромного количества нюансов, даже один из которых может зарубить всю технологию накорню. И именно из-за такого свойства атомной энергетики НЕЛЬЗЯ делать ставку на необкатанную технологию.
Никто в преддверии Зимы не покупает на последние ресурсы чудо-печь непроверенной конструкции. Пусть старая печь чадит, много жрет дров, - зато мы уверены, что в самый лютый мороз она не встанет раз и навсегда. А сэкономленные ресурсы (деньги/материалы/силы) можо пустить, например, на утепление дома, его перепланировку, дополнительный запас еды и теплых вещей и т.п.
Надеюсь, аллегория понятна.
Конечно понятна. Можно сказать проще: у нас нет права на ошибку. Т.к. если свалимся вниз по технологической лестнице, то уже не поднимемся, ибо все легкодо доступные месторождения ресурсов уже освоены.
jamaze
и Tuktarov я тоже вынужден повториться, так как вы не понимаете главного: Вы были бы правы в обычной жизни. Но не в эпоху падающего энергопотока.Сегодня Вопрос даже не стоит так : "если свалимся вниз по технологической лестнице". Мы обречены свалиться, и произойдет это ~ к 30-40 гг. Мы уже валимся, так как непрекращающийся кризис с 2005-2008 годов, - это в первую очередь кризис недопроизводства энергии, и уж потом все остальное.Чтобы человеки чувствовали себя боль-мене комфортно, экономика должна давать 2-3% роста в год, а чтобы экономика давала заветные 3% роста годовых, энергию, как вы помните надо производить опережающими хоть на 1-2-3% темпами. То есть рост мировой энергетики, для того чтобы мировая экономика чувствовала себя нормально, должен быть 3-6%А у нас на планрете с 2005 года - вершина, плато!То есть то что вы называете "коптящей буржуйкой", - гарантированно не переживет зиму, ибо зима с такой буржуйкой будет вечной.Поэтому единственный шанс (кмк), - это собраться с силами точно расчитать прыжок и на оставшемся газе перепрыгнуть (перепрыгнуть, а не перейти!) на новый энергоуклад, который еще даже может быть и не открыт.Не стоит бояться свалиться в таком прыжке, так как при других стратегиях мы гарантированно свалимся, а так остается шанс.Насколько этот шанс велик -зависит только от нас.
Не надо паники.
1. Падение удельного энергопотока в полтора-два раза - это еще не апокалипсис. Это - отказ от частного транспорта и частных домов с городским уровнем комфорта, сокращение рыночного хаоса. Т.е. примерно 1950-ые годы, а с учетом заделов по новым технологиям - лучше. И на космос, и на военку, и на науку хватит, не говоря уже о медицине и образовании. Да, кое-кому надо будет мозги вправить, так не впервой.
2. У нас пока только пик нефти, еще не наступил пик газа. Учитывая нашу достаточно плановую манеру использования ресурсов, а также перспективы добычи на шельфе, мы вполне сможем оставаться энергодостаточными (на современном уровнем потребления) до 2040-х годов, даже не вводя каких-либо изменений в атомную политику. А учитывая п.1 - до 2050-60-х годов мы одними социальными технологиями обеспечим себе нормальный уровень жизни. Да, не как сейчас или в 80-ые, да, работать придется больше, а "свободы" и ништяков будет меньше. Но - не дикость и не развал.
3. Стартовые условия для выполнения плана Tuktarov'а у нас все-таки достаточно хорошие. Да, плутония для резкого старта мало, но у нас в два-три раза больше запасов оружейного урана (ВОУ ~300-500 тонн), не говоря о том, что уран еще добывается - и будет добываться в достаточных для замкнутого цикла количествах. Соответственно, нет никаких проблем, чтобы успеть построить указанные 400 реакторов за означенные 30-40 лет. Да даже построенные 200-300 реакторов будут означать уровень жизни примерно соответствующий текущему, только с общественным транспортом. Плюс перспективы спокойного-медленного роста на сотни лет.
Итого: у нас таки есть решение, которое гарантированно даст пережить Зиму. Это с одной стороны.
С другой стороны, вы предлаете "все бросить" и вкладывать ресурсы в новую необкатанную технологию. Причем у нее появится шанс быть обкатанной и готовой к тиражированию - не ранее 2040-ого года (пяток лет на НИОКРы, пяток лет на постройку опытного реактора тип БН-600, лет десять на его эксплуатацию, пяток лет на разработку и запуск первого коммерческого/промышленного варианта). Да - потенциально она, возможно, лучше. Но не факт, что после ОКРа так и окажется. В любом случае у нас будет не более 20 лет на массовую постройку эквивалента 400 БН-ов, что является еще более невыполнимой задачей, чем предложенный вариант.
И самое плохое - до 2040-ого года нам придется жрать все больше нефти и газа, ибо нет смысла строить в большом количестве ВВЭРов. И молиться на инженеров-разработчиков нового реактора. Ибо в случае провала (как, например, с SILEX'ом), нам придет реальный пушной зверек, а не просто относительно небольшое падение уровня жизни и перестрофка хозяйства.
Если бы я был на месте ВПР, я бы без колебаний пошел по плану Tuktarov'а, а не по вашему.
Уточнение.
Берем имеющиеся запасы плутония 150 тонн и урана-235 450 тонн (90% от 500 тонн - верхняя оценка запасов ВОУ). Сумма - 600 тонн.
Добычу урана пока отбрасываем, поскольку мы сами себя не можем обеспечить собственной добычей.
Резервируем на каждый блок БН 10,5 тонн, получаем отдачу начиная с шестого года по 0,42 тонны (20% от 2,1 тонны/год, коэффициент воспроизводства - 1,2).
Итого в лучшем случае у нас будет 132 блока в 2050-ом и 185 блоков в 2060-ом.
А с учетом равномерности (быстрее 3-х блоков в год строить не получится) - 93 блока в 2050-ом и 123 блока в 2060-ом при текущих стартовых условиях.
Что неприемлимо, нам нужен темп 10-12 блоков в год.
Что делать? Ответ простой - надо где-то нарыть еще дополнительный запас урана для поддержки заданных темпов строительства.
Для обеспечения ежегодного запуска 10 реакторов нам надо дополнительно 45 тонн урана-235, или около 6 350 тонн урана природного в год.
Для обеспечения ежегодного запуска 12 реакторов нам надо дополнительно 60 тонн урана-235, или около 8 500 тонн урана природного в год.
Причем необходимость во внешней подпитке ураном индустрии строящихся БН-ок возникает только в период с 2015-ого по 2043-ий годы - дальше мы выйдем на полное самообеспечение плутонием.
Т.е. речь идет о том, чтобы АРМЗ-Uranium One практически удвоил производство урана - хотя бы в пятилетней перспективе. Реально ли это? Не знаю. Но это будет очень хорошим маркером стартовавшей подготовки к выполнению плана Tuktarov'а.
P.S. Кстати, я знаю одно решение. Закрытие всех не БН-овских станций в РФ освободит около 5 200 тонн природного урана в год. Что даст нам скорость постройки ~9 РБН в год.
Отсюда мораль: для успешного старта плана Tuktarov'а нужно как можно меньше строить новых ВВЭР-ок, как можно быстрее выводить старые реакторы из обращения, и - запасать, запасать, запасать уран-235. Эх, вспомним мы еще про ВОУ-НОУ....
Воспринимайте программу ВОУ-НОУ, как плату за сохранение отрасли в целом.
Представьте себе, что у нас бы атомная отрасль была бы в состоянии машиностроения. Ужас такой ситуации в том, что во всем мире ситуация была бы аналогична. И тогда просвета не было бы вообще.
>>>Закрытие всех не БН-овских станций в РФ
Не взлетит. Ибо даст провал в 16% от генерации. А это провал в производственных мощногстях, со всеми вытекающими.
Согласен. Но надо помнить: каждый ГВт ВВЭР, построенный сегодня - и даже не выведенный сегодня из рбаоты, дает минус четыре ГВт РБН к 2050-ому году. Просто потому, что за 7,5 лет работы ВВЭР тратит столько же урана-235-ого, сколько нужно для старта одного РБН-а такой же мощности.
Кстати. Повальное сокращение АЭС на Западе вполне укладывается в стратегию накопления запаса урана для массового перехода на ЗЯТЦ. Так что - рано расслабляться. Запад еще может подгрести под себя остатки месторождений нефти/газа и - урана, и вполне себе прожить в режиме диктатуры до массового запуска своих БН-ов.
>>>Кстати. Повальное сокращение АЭС на Западе вполне укладывается в стратегию накопления запаса урана для массового перехода на ЗЯТЦ.
А ведь эта теория имеет право на существование!
>Причем необходимость во внешней подпитке ураном индустрии строящихся БН-ок возникает только в период с 2015-ого по 2043-ий годы
Если с 15 года нужна подпитка, то когда же начинаются вводы? У меня на модельке получается, что на начальной партии мы успеваем ввести 59 блоков за 10 лет, и только в этот момент либо снижается темп ввода (22 блока за следующие 10 лет, 32 за следующие), либо будет нужна подпитка. Если стройка начнется (ну вообразим себе) в 2016, первый ввод в 2021, то потребность в новом делящемся материале возникнет в 2031.
С такими же характеристиками ЗЯТЦ и со стартовым количеством делящегося материала 600 тонн у меня 360 блоков получилось аж к 68-69 году программы (с учетом вывода блоков после 60 лет службы, без этого- к 64 году).
Вывод: надо считать потребности и инвертарь по урану235. С одной стороны, ходят слухи, что реально у нас было не 1100 тонн ВОУ к 1990 году, а гораздо больше (слышал и про 1500 и про 2000), да и еще не все хвосты отжаты (+200-300 тонн), с другой стороны уже много лет есть практика прожирать этот ВОУ в энергетические реакторы, наши и экспортные, которые с 1990 года сожрали примерно 900 тонн U235, а добыто было ~300 и еще сколько-то куплено.
Тут минимальное количество запаса делящегося материала получается 170 тонн. Я бы уменьшал подпитку. пока оно не станет равное нулю.
P.S. Сейчас получается чисто на эту программу где-то надо достать ~300 тысяч тонн природного урана... цифра на грани.
Хорошая табличка. А подкорректируйте ее с учетом предложения Лектора (пост ниже), с выходом на нулевую точку.
Что то не так. После прохождения минимума по запасам, начинается рост, но потом опять снижение. Так не должно быть.
Страницы