Физико-технические основы ядерной энергетики

© Едчик И. А., 2017
© Оформление. РУП «Издательский  
    дом «Беларуская навука», 2017

УДК 539.1+621.039

Едчик, И. А. Физико-технические основы ядерной энергетики / И. А. Едчик ;  Нац. акад. наук Беларуси, Объединен. ин-т энергет. и ядер. исслед. – Сосны. – Минск : Беларуская навука, 2017. – 175 с. : ил. – ISBN 978-985-08-2195-9.

В монографии рассмотрены основные вопросы и проблемы ядерной 
энергетики: история развития и современное состояние; основные положения теории ядерных реакторов; физические процессы, протекающие 
в активной зоне реактора; физические основы управления цепной реакцией деления; требования, предъявляемые к элементам и материалам 
реактора; классификация ядерных реакторов и АЭС; культура физической ядерной безопасности; стратегия обращения с отработавшим ядерным топливом и радио активными отходами; безопасность ядерной энергетической установки и ее воздействие на природную среду; усовершенствованный проект Белорусской АЭС нового поколения повышенной 
безопасности.
Адресуется студентам, обучающимся по специальности «Ядерные 
энергетические установки», специалистам в области ядерной энергетики, инженерно-техническим работникам АЭС, а также широкому кругу 
читателей, интересующихся вопросами ядерной энергетики.
Табл. 17. Ил. 27. Библиогр.: 30 назв.

Р е ц е н з е н т ы:
доктор физико-математических наук, профессор В. И. Кувшинов,
кандидат технических наук Г. З. Серебряный 

ISBN 978-985-08-2195-9

ОглАвлЕнИЕ

Перечень принятых сокращений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5

Глава 1. Топливно-энергетические ресурсы и ядерная энергетика  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
7

1.1. Топливно-энергетические ресурсы мира и Беларуси  . . . .  
7
1.2. Преимущества ядерной энергетики  . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.3. История развития ядерной энергетики. Первые реакторы и первая в мире АЭС  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.4. Замедление темпов развития ядерной энергетики  . . . . . .
24
1.5. Основные направления развития мировой ядерной энергетики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26

Глава 2. Основные положения теории ядерных реакторов  . . .  
30

2.1. Нейтронные реакции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.2. Деление тяжелых ядер  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.3. Замедление нейтронов в веществе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.4. Диффузия нейтронов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
2.5. Цепная реакция деления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.6. Физические основы управления цепной реакцией деления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66

Глава 3. Физические процессы в активной зоне реактора  . . . .  
74

3.1. Мощность реактора. Связь между мощностью и средним 
потоком нейтронов в реакторе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.2. Выгорание ядерного топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
3.3. Воспроизводство ядерного топлива  . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
3.4. Зашлакование и отравление реактора  . . . . . . . . . . . . . . . .
81
3.5. Йодная яма  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
3.6. Отравление самарием-149  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
3.7. Температурные эффекты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
3.8. Кампания реактора. Запас реактивности  . . . . . . . . . . . . .
96

3.9. Управление ядерным реактором  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
97
3.10. Физический пуск реактора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
98
3.11. Энергетический пуск ядерной энергетической установки   
99
3.12. Работа реактора на мощности. Остановка и расхолаживание реактора. Остаточное тепловыделение  . . . . . . . . . . . . .  
99

Глава 4. Основные типы реакторов и атомных электрических 
станций  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
102

4.1. Принципиальная схема и основные элементы конструкции ядерных реакторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
102
4.2. Основные требования, предъявляемые к конструкции 
активной зоны, теплоносителям, замедлителям и конструкционным материалам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
104
4.3. Классификация ядерных реакторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
107
4.4. Водо-водяные энергетические реакторы  . . . . . . . . . . . . . .  
116
4.5. Канальный водографитовый реактор РБМК  . . . . . . . . . . .  
119
4.6. Тяжеловодные реакторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
121
4.7. Реакторы на быстрых нейтронах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
122
4.8. Проект Белорусской АЭС  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
125

Глава 5. Безопасность ядерных реакторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
135

Глава 6. Культура физической ядерной безопасности  . . . . . . . .  
144

Глава 7. Обращение с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами АЭС  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
152

7.1. Обращение с отработавшим ядерным топливом  . . . . . . .  
152
7.2. Основные принципы обращения с радиоактивными отходами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
161

Список использованных источников  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
173

ПЕрЕчЕнь ПрИняТых СОКрАщЕнИй

АЭС - атомная электрическая станция
АР - автоматическое регулирование
БН - реакторы на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением
ВВЭР - водо-водяные корпусные энергетические реакторы с водой 
под давлением
ВК - водо-водяные кипящие реак торы
ВП - выгорающий поглотитель
ВТГР - высокотемпературные газоохлаждаемые корпусные реакторы
ВЭУ - ветроэнергетическая установка
ГТУ - газотурбинная установка
ГЦН - главный циркуляционный насос
ЖРО - жидкие радиоактивные отходы
КС - компенсирующие стержни
КПД - коэффициент полезного действия
КФЯБ - культура физической ядерной безопасности
МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии
МКРЗ - Международная комиссия по радиационной защите
МКУМ - минимально контролируемый уровень мощности
ОЯТ - отработавшее ядерное топливо
ПТУ - паротурбинная установка
РАО - радиоактивные отходы
РБМК - реактор большой мощности канальный, канальный водографитовый энергетический реактор
СВО - система специальной водоочистки
СУЗ - система управления и защиты
ТВС - тепловыделяющая сборка
ТВР - тяжеловодные реакторы
твэл - тепловыделяющий элемент
ТНПА - технический нормативный правовой акт
ТРО - твердые радиоактивные отходы
ТЭР - топливно-энергетические ресурсы
ЭЯУ - энергетическая ядерная установка
ЯТЦ - ядерный топливный цикл

внЕСИСТЕмныЕ ЕдИнИцы ЭнЕргИИ

1 кал = 4,19 Дж
1 Вт·ч = 3,6⋅103 Дж
1 г у.т. = 7000 кал = 29,33⋅103 Дж
1 т у.т. = 7⋅109 кал = 29,33⋅109 Дж
1 г н.э. = 10 000 кал = 41,9⋅103 Дж
1 т н.э. = 1010 кал = 41,9⋅109 Дж
н.э. - нефтяной эквивалент
у.т. - условное топливо

Гл а в а  1

ТОПлИвнО-ЭнЕргЕТИчЕСКИЕ рЕСурСы  
И ядЕрнАя ЭнЕргЕТИКА

1.1. Топливно-энергетические ресурсы  
мира и Беларуси

Между уровнем экономического благосостояния людей 
и энергопотреблением всегда существовала зависимость. 
Энер гия в системе человеческих ценностей занимает особое место, без нее нынешняя цивилизация нежизнеспособна. Однако необходимо заметить, что в настоящее время 
уровень экономического благосостояния в конкретной стране определяется уже не только объемом, но и эффективностью использования энергоресурсов.
Наиболее освоенные энергоресурсы (нефть, природный 
газ, каменный уголь, торф, дрова) в изученных месторождениях обычно называют запасами. Суммарные разведанные 
запасы минерального топлива нашей планеты по разным 
оценкам составляют свыше 12,5 трлн т, из них более 60 % 
приходится на уголь, примерно 12 % составляет нефть, 15 % – 
каменный уголь, остальное – сланцы, торф и пр. (табл. 1.1) [1].

Таблица 1.1. Запасы и потребление органических ископаемых  
энергоносителей в мире

Энергоноситель
Запасы
Потребление
Срок исчерпания, лет
Каменный уголь, млрд т
891,5
5,54
~ 160
Природный газ, трлн м3
187,1
3,03
~ 60
Нефть, млрд т
239,8
3,94
~ 60
Бурый уголь, трлн т
1,3-18,0
–
–

На конец 2014 г. запасы угля в мире составляли 891,5 млрд т, 
природного газа – 187,1 трлн м3, нефти – 239,8 млрд т [2]. По 
данным Международного энергетического агенства (МЭА) 

мировое потребление энергоресурсов в 2007 г. достигало 
11,4 млрд т нефтяного эквивалента (т н.э.), или 16,3 млрд т 
условного топлива (т у.т.), из них доля нефти, угля и газа 
составила вместе 81 % [1]. По прогнозам МЭА совокупный 
спрос на первичные энергоносители в мире будет возрастать в среднем на 1,4 % за год.
Нефтяной эквивалент - топливо с теплотворной способностью, равной q = 10∙106 кал/кг, или 41,87 МДж/кг.
Условное топливо - топливо с теплотворной способностью, равной q = 7∙106 кал/кг, или 29,3 МДж/кг.
Если принять за основу потребление органических ископаемых энергоносителей в мире в 2007 г., то, учитывая 
небольшое ежегодное их увеличение, можно спрогнозировать сроки их исчерпания (см. табл. 1.1). Таким образом, 
мировые запасы обеспечивают потребление данных видов 
топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на протяжении 60 
и более лет. Подобный вывод сделан и в Концепции энергетической безопасности Республики Беларусь [2].
Отметим, что если объем потребления рассчитывается 
довольно уверенно, то величины запасов ТЭР в разных 
источниках значительно отличаются. Это связано с тем, 
что истощение запасов нефти и газа компенсируется разведкой их новых месторождений, прежде всего в морском 
шельфе, которые постоянно изменяются и уточняются.
По мнению специалистов ожидается, что к 2050 г. уголь 
будет оставаться доминирующим энергоресурсом в мире,  
а электроэнергетический сектор - его основным потребителем. Доля ядерной энергетики к 2050 г. сохранится, в то 
время как удельный вес возобновляемых источников энергии возрастет. Использование возобновляемых источников 
энергии является одним из направлений долгосрочного 
устойчивого развития мировой энергетики.
Один из важнейших факторов энергетической безопасности – повышение уровня обеспечения потребности в энергии за счет собственных энергоресурсов. В Республике Беларусь собственные топливно-энергетические ресурсы представ

лены древесиной, нефтью, торфом, бурым углем, горючими 
сланцами. Общие запасы древесины в стране оцениваются 
примерно в 1090 млн м3, а объем потребления находится на 
уровне 1 млн т у.т.
Разведанные запасы нефти составляют около 80 млн т, 
газоконденсата - 0,44 млн т, попутного газа - 9734 млн м3, 
годовая потребность Беларуси в нефти достигает 16-18 млн т. 
В последние годы ее добыча стабилизировалась на уровне 
1,8 млн т, т. е. 10 % от потребностей республики.
Наиболее распространенным видом местного топлива  
в Беларуси является торф. Торфяные отложения имеются 
практически во всех регионах страны. По запасам торфа 
(первичные составляли 5,65 млрд т, оставшиеся геологические оцениваются в 4,3 млрд т) Беларусь занимает второе 
место в СНГ, уступая только России. В 2007 г. добыча торфа в республике находилась на уровне 2,9 млн т, при этом 
средняя теплотворная способность фрезерного торфа – 
2700 ккал/кг (11,3 МДж/кг), брикетированного - 4300 ккал/кг 
(18,0 МДж/кг).
В Беларуси открыто три месторождения бурых углей  
с общими запасами 152 млн. т. [1]. Белорусский бурый уголь, 
имеющий низкую теплоту сгорания (1500–1700 ккал/кг), 
высокую влажностью (56-60 %) и зольность (17-23 %), уступает по качеству торфу и не может рассматриваться как топливо для энергосистемы.
Наибольшими по величине в республике являются запасы горючих сланцев (прогнозные - 11 млрд т, промышленные - 3 млрд т). Однако их качество еще ниже, чем бурого угля: теплота сгорания - 1000-1500 ккал/кг, зольность - 
75 %, выход смол - 6-9 %, содержание серы - 2,6 %. 
По этому прямое использование горючих сланцев в качестве топлива не представляется эффективным как по экономическим, так и экологическим соображениям.
Беларусь способна обеспечить себя примерно на 16 % 
собственными топливными ресурсами, недостающее же их 
количество приходится ввозить из-за рубежа. Удельный вес 

таких топливно-энергетических сырьевых и материаль но- 
технических ресурсов в валовом внутреннем продукте составляет более 43 %. Республика импортирует в основном 
из России весь потребляемый каменный уголь, более 90 % 
нефти, 100 % природного и 25 % сжиженного газа.
К восполняемым (возобновляемым) источникам энергии относят энергию солнца, Мирового океана, рек, ветра, 
биомассы, бытовых отходов. Недостатком таких источников 
является низкая концентрация энергии, хотя это в значительной степени компенсируется их широким распространением и относительно высокой экологической чистотой. 
Восполняемые источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи 
энергии на расстояние. Энергетика, работающая на таких 
источниках, использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве, перераспределяет, но  
не нарушает их общий баланс.
В связи с истощенностью энергетических ресурсов роль 
возобновляемых источников энергии во многих странах  
с каждым годом возрастает. Так, выработка электроэнергии 
на ветряных установках увеличивается в среднем за год  
на 24 %, с помощью солнечных батарей - на 17 %, на геотермальных станциях - на 4 %.
Источником всей энергии на Земле является Солнце. 
Оно ежесекундно излучает 3,84∙1026 Дж энергии, из которой Земля получает лишь 4,54∙10–10 долю. Поток солнечного 
излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку 
на орбите Земли, называется солнечной постоянной (Сп) 
и составляет Сп = 1367 ± 1 4 Вт/м2 = 1,958 кал/см2∙мин.
На поверхность Земли в зависимости от географической широты приходится от 0,1 до 0,3 кВт/м2 солнечной 
энергии. Потребляя за год 16,3∙109 т у.т., человечество  
производит 4,78∙1020 Дж энергии, что составляет 8,7∙10–5 
долю солнечной энергии, падающей на Землю. Эта доля  
и в будущем, по мнению академика Н. Н. Семенова, не долж