Разработка математических моделей и программ для системных исследований развития атомной энергетики

Современный уровень развития экономики характеризуется интенсивным использованием природных ресурсов, в том числе и для энергетических целей. Это обстоятельство приводит к тому, что уже в настоящее время наблюдается напряженность на энергетическом рынке, поэтому особое внимание при выборе путей перспективного развития уделяется ресурсным и экологическим ограничениям.

В этом контексте все большую значимость приобретает изучение дальнейшего развития энергетической отрасли, в том числе и атомной, которое позволяет с использованием математических моделей выполнить расчетные исследования и сформировать виртуальный образ будущей энергетики. Несмотря на существенные приближения, которые используются в таких моделях, в конечном итоге они позволяют выявить критические места в развитии, оценить в численном выражении потребности в различных ресурсах и последствия с точки зрения экологии.

Учитывая серьезные ограничения, связанные с наращиванием добычи органического топлива, рассмотрение альтернативных вариантов энергетического развития становится все более актуальным. Несмотря на то, что риски развития атомной энергетики достаточно высоки, и решение проблем тяжелых аварий пока остается одной из важнейших задач развития атомных энерготехнологий, нарастающие потребности в энергии стимулируют активное развития атомной отрасли в большинстве развивающихся стран, таких как Китай, Индия и др., которые лишены собственных запасов природных энергетических ресурсов. Современные планы развития атомной энергетики в этих странах, способны существенным образом повлиять на изменение экономической ситуации в будущем.

Перспективы такого крупномасштабного развития атомной энергетики связаны с организацией замкнутого топливного цикла, при котором сырьевые лоо ОЯО изотопы и и ТЬ могут быть вовлечены в топливный цикл. Только при этом условии масштаб развития атомной энергетики не ограничен запасами природных ресурсов.

В настоящее время рассматриваются различные сценарные варианты развития атомной энергетики. С учетом неопределенностей, существующих в энергетических потребностях разных стран и традиционной сырьевой базы, такие многовариантные исследования, очевидно, целесообразны.

В сценариях, условно обозначаемых «низкими» (1000 ГВт и менее к 2050 году), требования обеспечения топливом легко удовлетворяются, а потребностей в инновациях практически не возникает. Такие сценарии не оказывают существенного влияния на энергообеспечение человечества.

В сценариях с высоким темпом развития атомной энергетики (примерно 10 000 ГВт к 2100 году) ее конкурентоспособность повышается за счет частичного вытеснения других энергетических источников из электропроизводства и неэлектрических отраслей использованияпроизводство водорода, тепла и пресной воды. В таких сценариях предлагаются достаточно жесткие условия для темпов внедрения технологических инноваций. Они включают и замкнутый топливный цикл, основанный на новых технологиях переработки, и бридеры с КВ -1.2−1.6, и Ь? К с КВ-0.9 и плутониевой загрузкой.

Современные планы развития ядерной энергетики к середине столетия, которые независимо рассматриваются в странах мира, сейчас в международном сознании ориентируются на масштаб порядка 1000 ГВт. Достижение такого темпа развития должно сопровождаться выполнением ряда условий, обеспечивающих гармоничное сочетание крупномасштабной системы атомного энергопроизводства с приоритетными долгосрочными тенденциями развития страны:

• обеспечение ядерной, радиационной, экологической безопасности и гарантий нераспространения на всех этапах жизненного цикла ядерных установок и предприятий атомного энергопромышленного комплекса (АЭПК);

• обеспечение конкурентоспособности продукции АЭГЖ на внутреннем и внешнем рынках;

• формирование атомного комплекса на основе передовых технологий, способствующих переходу страны к инновационному типу развития.

Ввод в систему атомной энергетики быстрых реакторов-размножителей и замкнутого топливного цикла предполагает создание структуры, которая на длительную перспективу гарантировано обеспечит потребности в топливе. В рамках этого направления совместно с тепловыми реакторами решается задача наращивания мощностей, и одновременно закладывается основа топливообеспечения крупномасштабной атомной энергетики на длительную перспективу за счет вовлечения в ядерный топливный цикл (ЯТЦ) сырьевых и238 ГТТ1 232 и 1п .

В открытом топливном цикле при работе реакторов на природном или обогащенном уране можно из однотипного сырья создавать требуемые загрузки. В этой ситуации по мере ужесточения доступа к природному урану и неуклонного накопления плутония, америция, кюрия, нептуния, продуктов деления все более остро встают проблемы повышения эффективности использования природного урана и обращения с ОЯТ и всем тем, что в нем накоплено. [1].

Создание замкнутого ЯТЦ представляется разумным и не противоречит интересам обеспечения принципов нераспространения и повышения эффективности и доступности услуг ядерной энергетики и связанных с ней дополнительных возможностей (в том числе, использование радионуклидов и излучений в различных отраслях человеческой деятельности).

Имея ввиду, все сказанное выше, прогнозные расчетно-аналитические системные оценки развития атомной энергетики являются, по существу, единственной «объективной» основой для выработки долгосрочной стратегии и принятия осмысленных решений.

1) Актуальность работы.

Масштабное развитие атомной отрасли в России и мире становится все более актуальным. Выбор наиболее привлекательных вариантов развития атомной энергетики, ее структурного наполнения реакторами разных типов, оценка временных факторов развития различных технологий является одной из приоритетных задач современного развития экономики. В этих условиях, учитывая специфику атомной энергетики — ее большую инерционность, потребность в организации замкнутого топливного цикла, решения проблем обращения с РАО и нераспространения, системные исследования на основе математического моделирования являются безальтернативными вариантами выбора оптимальных вариантов развития. Работы в области системных исследований перспективного развития атомной энергетики активно поддерживаются в МАГАТЭ. Разработка математических моделей и программных средств, ориентированных на системные исследования перспективного развития атомной энергетики, определяет актуальность диссертационной работы.

2) Цели и задачи работы.

1) Разработка методик математического моделирования и программных средств, ориентированных на описание технологических процессов, которые являются составной частью атомно-энергетического комплекса, и на системные исследования перспектив развития атомной энергетики.

2) Создание вычислительных программных модулей, обеспечивающих автоматизированный поиск решений в зависимости от выбранного критерия оптимизации.

3) Выполнение расчетно-аналитических исследований сценариев развития атомной энергетики в России и мире, и определение ее структуры с учетом ресурсных и технологических ограничений.

3) Результаты работы, выносимые на защиту.

1. Математические модели и программный комплекс ОЕ8АЕ-2 для системных исследований перспектив развития атомной энергетики.

2. Алгоритмы, помогающие проводить поиск согласованного сценария.

3. Исследование сценариев перспективного развития атомной энергетики при учете различных ограничений и предпочтений.

4) Научная новизна работы состоит:

— в разработке математической модели, ориентированной на системное изучение проблем развития атомной энергетики;

— в разработке алгоритмов поиска решений на основе стохастических методов применительно к задачам повышения качества расчетов и эффективности вычислительных процедур;

— в оценке степени влияния различных параметров на структуру атомно-энергетического комплекса в результате расчетно-аналитических исследований.

6) Достоверность.

Достоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается расчетами тестовых сценариев и их согласием с аналитическими вычислениями для простых моделей, а также с аналогичными расчетами по другим программным комплексам.

7) Практическая значимость работы.

• Разработанный программный комплекс ОЕ8АЕ-2 активно используется в рамках проекта ИНПРО научными коллективами разных стран при выполнении расчетно-аналитических исследований перспективного развития атомной энергетики.

• Созданные алгоритмы существенно ускоряют выполнение расчетов и позволяют более полно анализировать результаты, полученные при различных ограничениях.

• Результаты расчетно-аналитических исследований представляют интерес для выработки основных направлений развития атомной энергетики в России.

8) Апробация работы.

Материалы, представленные в диссертации, были доложены на следующих конференциях:

4-ая Курчатовская молодежная научная школа (20−22 ноября 2006 г., Москва),.

5-ая Курчатовская молодежная научная школа (19−21 ноября 2007 г., Москва).

9) Личный вклад автора.

• Автором разработан и реализован в виде программного продукта комплекс ЭЕ8АЕ-2 с оптимизационным алгоритмом, который позволяет получать согласованную расчетную информацию для заданного сценарного варианта предполагаемого развития атомной энергетики.

• Автором выполнены и проанализированы результаты всех расчетных исследований, представленных в диссертации, для разных вариантов развития атомной энергетики в России и мире.

3.4. Выводы.

В данной главе были проведены расчеты различных сценариев, для демонстрации работы программы БЕ8АЕ-2. На основании этих расчетов можно сделать следующие выводы:

— структура атомной энергетики зависит от масштабов ее развития. При низких темпах роста мощностей АЭ она может быть однокомпонентной, при высоких темпах — возникает необходимость в быстрых реакторах, для.

238 г" вовлечения в топливный цикл энергетических ресурсов и. Развитие быстрых реакторов с расширенным воспроизводством позволит существенно увеличить темп роста мощностей АЭ;

— рассмотрение сценариев регионального развития атомной энергетики, позволяет учесть особенности каждого из регионов, которые оказывают влияние на структуру мощностей и требования к характеристикам реакторов, так, например для стран с развитой в настоящее время АЭ на тепловых реакторах определяющей задачей является использование плутония, накопленного в ОЯТ. С учетом этого для них приоритетными работами являются разработки быстрых реакторов без расширенного воспроизводства топлива. Для стран, которые начинают развивать АЭ более приемлемые варианты быстрых реакторов с расширенным воспроизводством топлива.

Заключение

.

1. Разработан программный комплекс DESAE-2, который имеет вид коммерческого приложения и используется в качестве одной из основных программ в рамках проекта ИНПРО (МАГАТЭ). Программа позволяет в полной мере обеспечить потребности в расчетной информации для аналитических исследований.

2. Разработан и интегрирован в программу DESAE-2 автоматизированный модуль для поиска согласованного решения по различным целевым функциям, что позволяет повысить качество расчетов и эффективность работы программы.

3. Реализован учет изменения изотопного состава топлива при его повторном использовании, на основе апроксимационных формул, которые получены в результате прецизионных расчетов по ячеечной программе UNK;

4. В целях развития пользовательского интерфейса реализован обмен данными между программами DESAE-2 и Excel, что позволяет повысить эффективность работы, и расширяет возможности по обработке, полученных результатов.

5. Проведено тестирование программы и сравнение с результатами расчетов аналогичных сценариев развития АЭ, полученных по другим программам и аналитическими расчетами для простых вариантов.

6. Проведены демонстрационные расчеты сценариев развития атомной энергетики в России и мире, которые показывают влияние масштабов мощностей на структуру энергетики, а также необходимость учета региональных особенностей развития энергетики при анализе стратегических перспектив.

Обозначения.

LWR — light water reactor;

МОХ — смешанное (уран — плутониевое) оксидное ядерное топливоАЭ — атомная энергетика;

АЭПК — атомный энергопромышленный комплекс;

АЭС — атомная электрическая станция;

БР — быстрый реактор;

ВИЭ — возобновляемые источники энергии;

ГЭС — гидроэлектростанция;

ЕРР — единица работ разделения;

ЗЯТЦ — замкнутый топливный цикл;

ИНПРО — проект по инновационным ядерным реакторам и топливным цикламKB — коэффициент воспроизводства;

КИУМ — коэффициент использования установленной мощностиМА — минорные актиниды;

МАГАТЭ — международное агентство по атомной энергетике;

ОЯТ — облученное ядерное топливо;

ПД — продукты деления;

РАО — радиоактивные отходы;

TBC — тепловыделяющая сборка;

ТЦ — топливный цикл;

ТЭК — топливно-энергетический комплекс;

ТЭС — тепловая электростанция;

ЯМ — ядерные материалы;

ЯТЦ — ядерный топливный цикл.