Математика Электротехника Электроника Альтернативная энергетика Электрические сети энергосистем России Развитие атомной энергетики России

Реализация модуля по автоматическому поиску решения в программе DESAE-2

Автоматический поиск минимума целевых функций реализован в виде встроенного модуля к программе DESAE-2. Проведены расчеты различных сценариев, проверяющих качество работы модуля.

Ниже рассмотрен расчет сценария развития АЭ, в котором в качестве наиболее приемлемого, принят сценарий с максимальным потреблением плутония со склада. В этом случае потребление природного урана станет минимальным.

На Рис. 1 представлены начальный вариант сценария развития АЭ и объем регенерированного плутония на складе. Как видно из рисунка суммарный объем плутония становится отрицательным после 2070 года, что говорит о несбалансированности сценария. В данном варианте, начало работы оптимизационного блока задано с 2020 года. Начальные условия для расчета определены таким образом, что ввод быстрых реакторов возможен с момента начала оптимизации, т.е. с 2020 года, шаг оптимизации выбран 20 лет.

Рис. 1 Вариант развития АЭ до начала оптимизации

(а-мощности АЭС, б-объем регенерированного плутония на складе)

На Рис. 2 показан процесс работы модуля. Как видно из рисунка на каждом шаге проводится несколько итераций прежде, чем будет достигнут оптимальный результат и можно будет перейти к следующему шагу. Как говорилось выше, поиск решения идет по объему плутония на складе, то есть основная задача - минимизировать количество плутония оставшегося на складе.

Рис. 2 Вариант развития АЭ в процессе оптимизации

(а-мощности АЭС, б-объем регенерированного плутония на складе)

На Рис. 3 представлены окончательные результаты расчета. Из рисунка видно, что структура АЭ немного изменилась. Хотя общий объем мощностей быстрых реакторов остался практически таким же, как и был, но ввод мощностей перераспределился во времени, и это позволило максимально использовать плутоний со склада.

Рис. 3 Результат работы модуля

(а – мощности АЭС до оптимизации, б – мощности АЭС после оптимизации)

В третьей главе показаны возможности программы DESAE-2, для этого рассмотрены несколько сценариев развития АЭ в России и мире. В качестве вариантов мирового развития АЭ использовались сценарии, разработанные в рамках проекта ИНПРО (МАГАТЭ). Данные по этим сценариям представлены в Таблица 2.

Таблица 2 Установленные мощности по миру

Установленные мощности, ГВт(эл.)

Год

Низкий сценарий

Средний сценарий

Высокий сценарий

2009

370

370

370

2030

500

600

700

2050

1000

1500

2000

2100

2500

5000

10000

В расчетах структуры атомной энергетики предполагается, что доступный ресурс природного урана до конца столетия составляет ~20 млн. т. Именно так оцениваются разведанные запасы урана согласно данным “Красной” книги. В более отдаленной перспективе учитывая возможность открытия новых месторождений урана, объем запасов возможно увеличится.

Средний сценарий

В зависимости от структуры мощностей и организации ТЦ программа DESAE‑2 позволяет рассчитать дополнительные величины необходимые для более полного описания варианта и дальнейшего анализа. Так в сценарии ИНПРО для “среднего сценария” предполагается наличие быстрых реакторов и соответственно замкнутого ТЦ.

Начало функционирования ЗЯТЦ: ввод в эксплуатацию перерабатывающих заводов и быстрых реакторов - в программе DESAE-2 определяется пользователем. Меняя эти данные можно проследить, как изменятся темпы ввода быстрых реакторов и востребованные объемы хранилищ ОЯТ, а также интегральное потребление природного урана. В рассматриваемом варианте принято, что переработка топлива начинается с 2025 г., начало работы замкнутого топливного цикла, а, следовательно, и быстрых реакторов-наработчиков с 2030 года. На Рис. 4 представлен график структуры мировой атомной энергетики для данного сценария.

Рис. 4 Структура атомной энергетики для среднего сценария

С помощью программы DESAE-2 данный сценарий был рассчитан в двух вариантах: с рециклом урана и без него. Возврат урана в ТЦ позволит сэкономить ~ 1 млн.т. природного урана и интегральное потребление природного урана в этом случае составит 20 млн.т.

Структура мощностей атомной энергетики к концу столетия будет представлена тепловыми реакторами (порядка 60%) и быстрыми реакторами (40%). Быстрые реакторы в этом сценарии имеют умеренные параметры воспроизводства топлива (КВ = 1.4). Тепловые реакторы малой и средней мощности составляют примерно 10% мощностей мировой атомной энергетики. Потребность в годовой добыче природного урана и работах разделения представлена на Рис. 5.

Рис. 5 Потребность в годовой добыче урана и работах разделения

Масштаб переработки облученного топлива характеризуются следующими цифрами: 30 000 т ОЯТ/год в 2050 году и 60 000 т ОЯТ/год в 2100 году.

При рассмотрении вариантов с замыканием ТЦ по плутонию, обычно учитывают баланс плутония в системе. Программа DESAE-2 представляет такую информацию в виде графика баланса делящихся изотопов плутония (Pu239, Pu241) на складах переработанного топлива. (Рис. 6)

Рис. 6 Баланс делящихся изотопов плутония на складе

Такой график позволяет оценить, насколько полно используется вторичное топливо, не возникает ли в нем дефицита, и при необходимости изменить сценарий с целью получения более сбалансированного. Так изменяя структуру мощностей в сторону увеличения доли быстрых реакторов, можно получить вариант с меньшим количеством избыточного плутония на складах. Один из возможных сценариев представлен на Рис. 7.

Рис. 7 Структура АЭ для среднего сценария (сбалансированная)

Рис. 8 Баланс делящихся изотопов плутония на складе

Основное отличие рассмотренных вариантов заключается в более интенсивном вводе быстрых реакторов во втором случае. Так в 2050 году их доля составит ~ 37 %, а не 34 % как было раньше. При этом в 2100 году структура мощностей для этих вариантов практически не отличается. Такое изменение графика ввода быстрых реакторов позволило получить более сбалансированный сценарий по делящимся изотопам плутония (Рис. 8), а также позволяет сэкономить к 2100 году ~ 600 тыс.т. природного урана.


На главную