CC BY
32
УДК 621.039.736
Куценко А.С., Любушкин Т.Г., Рубин Е.М.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ В ОБЛАСТИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Куценко Андрей Сергеевич, студент 4 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии Любушкин Тимофей Геннадьевич, студент 4 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии Рубин Егор Максимович, студент 4 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии, email: egor.rubin@list.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В наши дни атомная энергетика сталкивается с большим количеством проблем, относящихся к различным уровням функционирования и управления атомными электростанциями. Среди таковых: отработанное ядерное топливо, представляющее собой отходы первого класса опасности; небезопасность или недостаточная эффективность работы реакторов; сложности, связанные с психологическим состоянием персонала и управления им. В статье приведены потенциальные решения некоторых из проблем. Ключевые слова: атомная энергетика, реакторы на быстрых нейтронах, свойство естественной безопасности, РБМК, отработанное ядерное топливо, радиоактивные отходы, искусственный интелект, регистрация биопараметров
PROMISING SOLUTIONS IN THE FIELD OF NUCLEAR ENERGY
Kutsenko A.S., Lyubushkin T.G., Rubin E.M.
Today, the nuclear power industry faces a large number of problems related to the various levels of operation and management of nuclear power plants. Among them: spent nuclear fuel, which is a waste of the first class of danger; insecurity or insufficient efficiency of the reactors; difficulties associated with the psychological state of the personnel and their management. The article provides potential solutions to some of the problems.
Key words: nuclear energy industry, fast-neutron reactors, natural safety properties, RBMK, fulfilled nuclear fuel, radioactive wastes, artificial intelligence, bioparameters registration
Рост численности населения и промышленного производства ведет к увеличению объемов потребляемой энергии. Несмотря на активно развиваемые направления альтернативной энергии в настоящее время только ядерная энергия может удовлетворять актуальные и перспективные объемы потребляемой энергии.
Актуальность атомной энергетики велика, так как ее использование позволяет получать огромное количество электроэнергии, с минимальным (при условии штатной работы) уровнем воздействия на окружающую среду (далее ОС). Основное негативное воздействие предприятий ядерно-энергетического цикла на ОС происходит вследствие аварийных ситуаций, а также в процессах обращения и захоронении ОЯТ. Таким образом, для минимизации воздействия на ОС, необходимо искать решения по обращению с ОЯТ и уменьшения шансов возникновения аварийных ситуаций.
Атомная энергетика в своем современном виде имеет ряд серьезных проблем, среди которых можно выделить:
1. технологическую составляющую, связанная с устройством реакторов;
2. проблему обращения с отработанным ядерным топливом (далее ОЯТ);
организационная структура управления станцией и персоналом. Развитие и внедрение инновационных технологий и решений позволит развить отрасль и сделать атомную энергетику эффективнее и безопаснее и, как следствие, более привлекательной для вложений со стороны государства и частных инвесторов.
Решения в области технологических решений
Наиболее перспективным направлением решения данной проблемы с точки зрения авторов является переход от реакторов типа РБМК к реакторам нового типа на быстрых нейтронах.
Реакторы на "быстрых" нейтронах
Основное отличие реакторов на быстрых нейтронах по сравнению с реакторами на тепловых нейтронах заключается в применяемом теплоносителе. С целью снижения «тормозящего» нейтроны эффекта традиционный теплоноситель -воду, заменяют на перспективный расплав натрия. Замена материала теплоносителя позволит нейтронам покидать активную зону реактора и проникать в специально оборудованную зону воспроизведения, заполненную отработанным ядерным топливом или обедненной урановой рудой. При попадании нейтронов в частицы урана-238 происходит цепочка превращений, представленная уравнением 1 [1]:
Р- Р- Р-
29в2и + ^ 2цыр ^ 2цри ^
23,5 мин 2,3 дня 2,4х104 лет (1)
Плутоний-239, который становится продуктом вышеприведенной цепочки превращений, может быть использован в качестве свежего ядерного топлива, которое может быть применено, как в реакторах на быстрых нейтронах, так и на традиционных тепловых реакторах. Важной особенностью такой технологии является то, что реактор может производить топлива больше, чем
потребляет, поэтому их также называют бридерами, то есть размножителями.
Модернизация РБМК
На данный момент реакторы типа РБМК, как морально устаревшие, так и не безопасные, постепенно выводят эксплуатации. Авторами работы представляется наиболее перспективным провести реконструкцию классических реакторов
оборудованных первоклассной системой
биологической защиты, взяв за основу другой канальный реактор - CANDU. Основным отличием советских РБМК от канадских CANDU является двухконтурная система работы. Преобразование РБМК в двухконтурный реактор позволит дополнительно повысить их технологическую безопасность, отсрочить срок их выведение из эксплуатации и, связанные с этим, капитальные затраты [2].
Реакторы со свойством естественной безопасности [3]
На данный момент в России реализуется проект реактора типа БРЕСТ-ОД-300. Главная особенность реакторов данного типа - безопасность. Повышение уровня технологической безопасности обусловлено применением негорючего
теплоносителя, ввиду чего становиться практически невозможным тепловой взрыв. В качестве теплоносителя в реакторах типа БРЕСТ-ОД-300 выступает свинец. Применение свинца в качестве теплоносителя позволяет использовать быстрые нейтроны, избежать повышения давления в активной зоне и аварийных ситуаций. Основное преимущества свинца перед натрием его химическая инертность по отношению к воде (в отличии от натрия) ввиду чего полностью исключена возможность образования горючих газов и воспламенение смеси.
Решения в области обращения с отходами
Пиролиз и пирогидролиз отработанных ионообменных смол [4]
Применение ионообменных смолы основная часть процесса подготовки теплоносителей и очистки водных сред. В ходе эксплуатации полимерные ионообменные смолы накапливают значительное количество радиоактивных элементов, достаточное для отнесения их к среднеактивным радиоактивными отходами (далее РАО). Фирмы NUKEM Technologies и NG K разработали технологию пиролиза отработанных ионообменных смол в реакторе с шариковой минеральной загрузкой (иммобилизация радионуклидов), а рабочая температура процесса (около 500°C) обеспечивает полную локализацию радионуклидов цезия в твердом остатке. Несомненным преимуществом данной технологии является значительное снижение нагрузки на концентрационные (выпарные) установки, и в ряде случаев позволяет полностью отказаться от них. Вопрос целесообразности утилизации или традиционного захоронения смол в настоящее время остается дискуссионным. Основной вклад в радиоактивность ионообменных смол вносят изотопы
с относительно не большим периодом полураспада 134С8,137С8, 60Со и 9^г, а ежегодное образование отходов составляет примерно 3-10 м3 отработавших ионообменных смол с одной станции. Основным компонентом конечного продукта («пиролизата» или золы) является углерод. Подача в реактор пиролиза водяного пара обеспечивает почти полное удаление углерода (пирогидролиз), при этом в составе золы остаются только неорганические компоненты.
Установка "Плутон": плазменно-пиролитическая переработка твердых РАО [5]
Плазменная технология позволяет эффективно перерабатывать смешанные отходы сложного состава с получением продукта, который не содержит органические материалы и не теряет свою химическую стойкость и механическую прочность в течение десятков и сотен лет. Органическая часть радиоактивных отходов подвергается пиролизу в печи шахтного типа с производительностью 200-250 кг/час в условиях недостатка кислорода, в то время как процесс плазмено-пиролитической переработки шлака проводится в окислительной атмосфере, что способствует полному уничтожению органических компонентов шлака и получению более однородного продукта. Нагрев до высоких температур производится благодаря использованию дуговых плазмотронов постоянного тока, разработанных на ГУП МосНПО «Радон». Главными преимуществами являются высокая экологичность выбросов и возможность утилизации отходов различного состава. Содержание ПХДД/ПХДФ (полихлорированные дибензо-пары-диоксинов и полихлорированные дибензофураны соответственно) в отходящих газах на выходе системы газоочистки установки «Плутон» не превышает 0,014-0,02 нг/м3 на устье дымовой трубы при суммарном для обеих групп ПДКсс(пхдд+пхдф)=0,5 пг/м3 [5].
Решение в области управления станцией и персоналом
Использование искусственного интеллекта.
Надежность человека-оператора является важнейшим показателем безопасной эксплуатации АЭС. Ошибки могут совершаться при проведении проверок работоспособности, технического обслуживания, на этапе управлении аварией и т.д. Причиной 70% катастроф являются неправильные действия или низкая надежность персонала и только 30% - отказ оборудования, неблагоприятное воздействие внешних факторов и др. Решением данного вопроса является использование искусственных нейронных сетей (ИНС). Нейронная сеть в отличие от обычной программы действует не только в соответствии с заданными алгоритмами и формулами, но и на базе прошлого опыта. Искусственная нейронная сеть как технология обучения в отличие от тренажеров и программ имеет следующие преимущества:
• может оценивать эффективность решения поставленной задачи на основе своего опыта, и рекомендовать более эффективные пути решения,
• может моделировать ранее не происходившие ситуации
• способна анализировать большое количество данных для дальнейшего обучения персонала,
• может оценивать обучающегося по многим факторам, что позволит более полно диагностировать его умения, поможет при обучении максимально приблизиться к реальным процессам, проверить не только знания обучаемого, но и его способность к профессиональному мышлению и быстрому реагированию [6].
Дистанционные и неконтактные технологии регистрации биопараметров оперативного персонала.
Работа оперативного персонала АЭС сопряжена с наличием особых условий, связанных с высокой вероятностью возникновения стрессовых ситуаций и состоянием психической напряженности. К основным негативным факторам относят монотонность работы в условиях ожидания сигнала к экстренным действиям; высокая ответственность за принимаемые решения; переработка больших объемов информации в штатных и не штатных ситуациях [7]. Психо грамма оперативного персонала АЭС включает в себя следующий набор характеристик: оперативное реагирование на прогрессивное нарастание количества сигналов, перманентная готовность к экстренным действиям, устойчивость к монотонной деятельности, переключаемость внимания, оперативная зрительная память, способность воспринимать несколько источников информации, задатки педантичности, высокий уровень автоматизации навыков, помехоустойчивость при выполнении целевой деятельности. Для исследования этих характеристик были использованы следующие методики [8]: Тест на индивидуальный профиль функциональных асимметрий головного мозга (тест ИПФА); Тест функциональной подвижности; Тест силы нервной системы и уравновешенности нервных процессов.
Заключение
Учитывая общие мировые тенденции, связанные с ростом численности населения и сопутствующего увеличения объемов
промышленного производства и потребления электрической энергии, можно утверждать, что развитие атомной энергетики является необходимым для удовлетворения будущих энергетических потребностей.
Вышеописанные решения в перспективе могут значительно повысить техносферную безопасность и экономическую привлекательность атомной отрасли, как для государственных, так и для частных инвестиций. Усиление техносферной
безопасности, эффективности и мощности АЭС поможет не только снизить уровень страха населения перед атомной энергетикой, но и удовлетворить его энергетические потребности.
Список использованной литературы
1. Жизнин С.З. Тимохов В.М. Экономические аспекты некоторых перспективных ядерных технологий за рубежом и в России//Вестник МГИМО университета.: M. - 2G15. - № 6(45). - С. 284-297.
2. Analysis of CANDU6 Reactor Station Blackout Event Concomitant With Moderator Drainage. Dupleac, D. 2, Bucharest : UPB scientific Bulletin, 2G16, Vol. 78. ISSN 2286- 354G.
3. Драгунов Ю.Г., Лемехов В.В., Смирнов В.С., Чернецов Н.Г. Технические решения и этапы разработки реакторной установки БРЕСТ-ОД-300//Атомная энергия.: M. - 2G12. - Т. 113. - № 1. - С. 58-64.
4. Брэлер Г., Сламечка Р., Канда M., Mацузаки С. Пиролиз и пирогидролиз отработанных ионообменных смол [электронный ресурс]: журнал. -Режим доступа: https://www.atomic-energy.ru/technology/4595G
Полканов MA. Установка "Плутон": плазменно-пиролитическая переработка твердых РАО [электронный ресурс]: журнал. - Режим доступа: https://www.atomic-energy.ru/technology/3977G
5. ГН 2.1.6.014-94. 2.1.6. Коммунальная гигиена. Атмосферный воздух и воздух закрытых помещений, санитарная охрана воздуха. Предельно допустимая концентрация (ПДК) полихлорированных дибензодиоксинов и полихлорированных дибензофуранов в атмосферном воздухе населенных мест. Гигиенические нормативы" (утв. Постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 22.G7.i994 N 7)
6. Mедведев В. Д., Романова Н. Р., Инновационные компьютерные технологии повышения квалификации персонала АЭС / Социально-коммуникационные проблемы в энергетике. ИГЭУ, г. Иваново - С. 87
7. Бондарович П. С., Сайгак С. С. Mультифактоpный анализ профессионально важных качеств при компьютерной психодиагностике оперативного персонала АЭС // Вестник университета гражданской защиты MЧС Беларуси. -2G19. -Т3, N°3. - С. 324-333.
8. Алюшин M. В., Алюшин А. В., Андрюшина Л. О., Колобашкина Л. В., Пшенин В. В. Дистанционные и неконтактные технологии регистрации биопараметров оперативного персонала как средство управления человеческим фактором и повышения безопасности АЭС // Глобальная ядерная безопасность. - 2G13. - N°3(8). - С. 69-77.
1G4
