ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ

Профессор, д.х.н.
Бекман И.Н.

ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ

Курс лекций для студентов-радиохимиков 4-го курса (осенний семестр)

Аннотация

Курс лекций посвящен исследованию роли ядерной индустрии, ЯИ, в научно-техническом потенциале современной цивилизации. Рассмотрены радиохимические аспекты ядерного топливного цикла производства компонентов ядерного оружия и топлива для энергетических или транспортных установок. Дан критический анализ как современных типов производств, включенных в ядерно-энергетический топливный комплекс, так и перспективных методов разделения, очистки и концентрирования радионуклидов. Обсуждены перспективы оптимизации сложной иерархической системы ЯИ. Рассмотрены существующие реакторы энергетического назначения (на быстрых и тепловых нейтронах), типы атомных электростанций и ядерных комплексов, методы предотвращения загрязнения окружающей среды выбросами АЭС, системы безопасности АЭС, особенности открытого и замкнутого ядерно-топливного цикла, этапы производства веществ и материалов ядерной индустрии, виды радиоактивных отходов, методы утилизации отработанного ядерного топлива, способы переработки и захоронения радиоактивных отходов, а также проблема плутония и других «оружейных» изотопов. Выделены перспективные направления ядерно-энергетического топливного комплекса, обеспечивающие нераспространение ядерного оружия. Основное внимание уделено концепции анализа и управления риском предприятий ядерной индустрии и повышению их экологической безопасности.

Название курса: Ядерная индустрия.
Автор курса: профессор, д.х.н. Бекман Игорь Николаевич.
Назначение курса: подготовка студентов в области прикладной радиохимии, ядерной энергетики, радиационной экологии, нераспространения оружия массового поражения.
Требования к предварительной подготовке: университетские курсы по радиоактивности, радиохимии, радиационной химии, экологической химии и химической технологии.
Объем курса: 60 учебных часов лекций

Программа курса

ВВЕДЕНИЕ. Радиохимическая наука и радиохимическое производство в ядерной промышленности
РАЗВИТИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ОСНОВ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ. Атомно-молекулярное учение. Атомная физика. Элементарные частицы. Строение ядра. Квантовая механика. Теория относительности. Радиоактивность. Радиохимия. Ионизирующие излучения и их взаимодействие с веществом. Методы измерений. Ускорители. Ядерные реакции. Ядерные реакторы. Развитие Периодической системы элементов. Разделение изотопов. Космические лучи. Плазма и термоядерный синтез.
ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ: ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ Историческая справка. Хронология. Учёные и инженеры, внесшие существенный вклад в развитие основ науки и ядерной индустрии
РАЗВИТИЕ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ В РАЗНЫХ СТРАНАХ Германия, США, СССР (Россия), Великобритания, Франция, Корея, Китай, Индия, Пакистан, Иран, ЮАР, Аргентина, Бразилия, Япония, Израиль, Корея.
ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ, ЯДЕРНЫЙ ТОПЛИВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Базовые компоненты ядерной индустрии Новая энергетическая революция и ядерный ренессанс Перспективы развития атомной энергетики Атомная энергетика в России Виды промышленной энергетики и ее перспективы.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ Ядерные процессы. Атомное ядро. Радиоактивный распад. Ядерные реакции. Ионизирующее излучение. Виды излучений. Взаимодействие излучения с веществом.
ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Классификация источников ионизирующих излучений, природные и техногенные источники ионизирующих излучений. Ускорители. Ядерные реакторы
ИЗОТОПНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТЕПЛА, ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И СВЕТА Изотопы для атомных батарей, атомные батареи в космосе, медицинского назначения, для маяков, створных знаков и др. Ядерные энергетические установки с термодинамическими генераторами и термоэмиссионными преобразователями. Источники света. Направления развития ядерно-энергетических установок.
ФИЗИКА АТОМНОГО РЕАКТОРА Энергетика атомного реактора. Физические процессы в атомном реакторе. Цепная реакция деления. Жизненный цикл нейтронов. Критическая масса и объём. Управление цепной реакцией деления. Эффекты реактивности. «Иодная яма». Управление реактором. Эффективность реактора
ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ Типы атомных реакторов. Устройство атомного реактора. Реактор на тепловых нейтронах. Гомогенные реакторы, гетерогенные и газоохлаждаемые реакторы. Реакторы на промежуточных и быстрых нейтронах.
ЯДЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Ядерное горючее. Замедлители нейтронов. Поглотители нейтронов. Теплоносители. Материалы – отражатели нейтронов. Конструкционные материалы.
СОВРЕМЕННЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ РОССИИ Канальный кипящий графитовый реактор, РБМК. Водо-водяной реактор, ВВЭР. Реакторы на быстрых нейтронах. Сравнение различных типов ядерных реакторов. Военные реакторы. Исследовательские ядерные реакторы.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ Модернизированные реакторы. Реакторы третьего поколения. ВВЭР-1500. АЭС с реактором повышенной безопасности НП-640 (В-407). Многопетлевой кипящий энергетический реактор МКЭР-800. Тяжеловодные канально-корпусные реакторы ТР-1000 и МТР-500 повышенной безопасности
ПРОЕКТИРУЕМЫЕ РЕАКТОРЫ. Докритические реакторы. Неводные теплоносители. Усовершенствованный реактор на быстрых нейтронах, БРЕСТ. Безопасный быстрый реактор РБЕЦ. «Вечный» реактор
РЕАКТОРЫ С ВНУТРЕННЕЙ (ФИЗИЧЕСКОЙ) БЕЗОПАСНОСТЬЮ Дисковый реактор. Реактор на быстрых нейтронах с внутренней безопасностью. Реактор, устойчивый к нарушению теплосъема. Тепловой реактор с внутренней безопасностью. Комбинированный реактор. Гибридный реактор. Быстрый реактор и ускоритель. Тепловой реактор и термояд. Погружающийся реактор. Гелиевый реактор
МАЛЫЕ РЕАКТОРЫ. Капсулированный реактор. АРГУС. Мастер. Rapid
АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ. Атомные электростанции в мире и в России. Малые, подземные, плавучие и передвижные АЭС. Атомные станции теплоснабжения. Ядерные комплексы.
ЯДЕРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ТРАНСПОРТА Атомный флот. Атомные подводные лодки, АПЛ. Атомные надводные военные корабли. Гражданские суда с ЯЭУ. Атомная авиация СССР и США. Боевые ракеты на базе ядерных ракетных двигателей. Космические ядерные двигатели.
СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ АЭС Выбросы радиоактивных газообразных отходов АЭС в атмосферу. Источники газообразных отходов. свойства газообразных отходов. Нормирование выбросов радиоактивных газов в атмосферу. Ограничение абсолютных выбросов. Методы очистки газообразных радиоактивных отходов АЭС. Пути дальнейшего совершенствования систем очистки технологических газов АЭС.
ХИМИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. Актиноиды. Актиний. Торий. Протактиний. Уран. Нептуний. Плутоний. Америций. Кюрий. Берклий. Калифорний. Эйнштейний. Фермий. Менделевий. Нобелий. Лоуренсий. Резерфордий. Дубний. Новые элементы.
ТОПЛИВНЫЕ ЦИКЛЫ. Урановый, уран-ториевый, уран-плутониевые и торий-плутоний циклы. Уран-ториевый цикл на базе докритического реактора. Оружейный плутоний. Реакторный плутоний. Возможности обогащения плутония. Возможности обогащения плутония
ДОРЕАКТОРНАЯ ЧАСТЬ УРАНОВОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА Добыча урановой руды. Урановые рудники и запасы урана. Переработка урановой руды. Получение металлического урана. Обогащение урана. Гексафторид урана. Методы разделения изотопов. Разделение изотопов урана. Реакторные материалы и изделия.
ПОСЛЕРЕАКТОРНАЯ ЧАСТЬ УРАНОВОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА. Отработанное ядерное топливо. Свойства ОЯТ. Временное хранение ОЯТ. Элементный и изотопный состав ОЯТ. ОЯТ России. ОЯТ энергетических реакторов, ВМФ и гражданского флота России.
РАДИОХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Регенерация ядерного топлива. Особенности переработки отработавшего ядерного топлива. Подготовка отработавшего ядерного топлива к экстракции. Растворение ядерного топлива. Очистка и выделение урана, плутония и нептуния. Урановая и плутониевые ветви. Радиохимические заводы России.
КОНЕЧНАЯ СТАДИЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА. Отходы радиохимических заводов, АЭС, медицинских, медицинских, сельскохозяйственных, промышленных и горнорудных предприятий, научно-исследовательских институтов. Обращение с РАО. Обработка и кондиционирование перед захоронением. Перевозка. Промежуточное хранение. Захоронение. Отверждение РАО. Остекловывание отходов. Ядерная керамика. Битумирование отходов. Цементирование отходов. Критерии выбора стекла и керамики для иммобилизации радиоактивных отходов. Захоронение отходов. Захоронение отходов низкого уровня активности. Подземное захоронение жидких РАО. Захоронение отходов высокого уровня активности и отработавшего топлива. Природные аналоги хранилищ радиоактивных отходов. Коррозионная стойкость отвержденной формы отходов. Уничтожение РАО ядерным взрывом. Вывод из эксплуатации ядерных установок.
УТИЛИЗАЦИЯ ОРУЖЕЙНЫХ НУКЛИДОВ Виды плутония: оружейный и энергетический. Производство плутония. Способы разоружения оружейных нуклидов. Уран-плутониевое (МОКС) и торий-плутониевое топливо. Трансмутация плутония и малых актинидов. Радионуклиды в процессе разоружения.
РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЯТЦ. Радиационная химия в ядерной индустрии. Радиационно-химические аспекты обращения с ОЯТ АЭС. Радиационно-химические процессы при хранении РАО высокого уровня. Радиолиз экстракционных систем. Радиационно ускоренная диффузия примесей в реакторных конструкционных материалах. Распухание ядерного топлива (свеллинг). Радиационная коррозия первой стенки термоядерного реактора (блистеринг).
ПРЕДПРИЯТИЯ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ. Промышленные предприятия ядерного топливного цикла России. Сибирский химический комбинат, СХК (г.Северск, Томск-7). Красноярский горно-химический комбинат (г. Железногорск, Красноярск-26). Электрохимический завод (Красноярск-45). Производственное объединение «Маяк» (г.Озерск, Челябинск-40, 65). Новосибирский завод химических концентратов (АО «НЗХК»). Уральский электрохимический комбинат (г.Новоуральск, Свердловск-44). Производственное объединение «Чепецкий механический завод» (г.Глазов). Промышленные реакторы России. Основные радиохимические предприятия мира: США, Французский репроцессинг, Великобритания, Япония, Индия.
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ. Ядерные реакции в звёздах. Физические основы ядерного синтеза. Термодинамика ядерного синтеза. Реакции ядерного синтеза. Термоядерные топлива. Термоядерный синтез в земных условиях. Водородная бомба. Термоядерный синтез в медленном реакторе. Принцип действия термоядерного реактора. Временные и температурные условия. Магнитное удержание плазмы. Установки с магнитным удержанием: Токамак, Пинч с обращенным полем (ПОП), Стелларатор, Открытая ловушка, Плазменный фокус, Галатея.
УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА. Развитие работ по управляемому термоядерному синтезу. Реакторная технология: реакторы с магнитным удержанием плазмы, импульсные системы. Перспективы термоядерной энергетики
ЯДЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. Реакторные материалы: ядерное горючее, замедлители нейтронов, отражатели нейтронов, материалы систем управления реактором и аварийной остановки реактора. Коррозия и разрушение ТВЭЛОВ. Радиационное материаловедение. Радиационные процессы в материалах различного типа. Самодиффузия и диффузия примесей в материалах при внешних воздействиях. Конструкционные материалы термоядерных установок: материалы первой стенки Токамака, материалы систем съема энергии и генерации трития. Радиационная коррозия первой стенки термоядерного реактора.
БЕЗОПАСНОСТЬ ПРЕДПРИЯТИЙ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ. Критерии безопасности. Безопасность атомных реакторов и АЭС: первое поколение - реакторы ВВЭР-440/230, второе поколение - реакторы ВВЭР-440/213, третье поколение - реакторы ВВЭР-1000, РБМК - "реактор чернобыльского типа". Безопасность атомного флота.
АВАРИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА. Международная шкала ядерных событий. Опасность предприятий ЯТЦ. Инциденты на российских АЭС. Инциденты на предприятиях ядерной индустрии: Сибирский химический комбинат (г. Северск, Томская обл.), Красноярский горно-химический комбинат ГХК (г. Железногорск, Красноярск-26), Электрохимический завод (Красноярск-45), Производственное объединение «Маяк», (г.Озерск, Челябинская обл.), Уральский электрохимический комбинат, УЭХК (г.Новоуральск Свердловская обл.). Аварии на промышленных реакторах России. Основные причины возникновения аварийных ситуаций на предприятиях ЯТЦ России. КРУПНЫЕ АВАРИИ: аварии ядерных реакторов: Россия, США, Великобритания. Параметры предприятий ядерного топливного цикла России, характеризующие их потенциальную опасность
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ. Опасность ядерных реакторов. Классификация высокорисковых объектов с угрозой возникновения техногенных чрезвычайных ситуаций. Классификация ядерных материалов. Экология ЯТЦ России. Выбросы химических загрязняющих веществ в атмосферу. Радиоактивные сбросы в реки и озера. Дозы облучения населения и персонала. Радиационное воздействие на объекты живой природы. Воздействие на площади земель. Воздействие на площади лесов. Физическая защита предприятий ЯТЦ. Сравнительная оценка риска для здоровья людей в угольном, газовом и ядерном циклах производства электроэнергии. Ядерная и радиационная безопасность России. Ядерная и радиационная безопасность в отраслях народного хозяйства, предупреждение и ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций с радиационными последствиями. Федеральная целевая программа “Ядерная и радиационная безопасность России”.
ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ. Виды оружия. Атомная и водородная бомбы. Последствия ядерного взрыва: бомбардировка Хиросимы и Нагасаки, ядерные взрывы разной мощности, поражающие факторы ядерного взрыва, взрыв над лесным массивом, ядерная зима. Испытание ядерного и термоядерного оружия: полигоны, результаты испытаний. Мирные взрывы.
ЮРИДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ. Законы России. Международное законодательство. Нераспространение оружия массового поражения
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ Экономический анализ производств добычи, переработки и изотопного обогащения урана. Экономический анализ ядерной энергетики. Экономика безопасности населения. Экономика экологической безопасности.
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ИНДУСТРИИ

Профессор, д.х.н. Бекман И.Н.