Источники электроэнергии

преобразуется в электроэнергию, В отличие от ТЭС, работающих на

органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе 233U, 235U,

239Pu) При делении 1 г изотопов урана или плутония высвобождается 22 500

квт • ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2800 кг условного

топлива. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего

(уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных

запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это

открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих

потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё

увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей

мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом

тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений

органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире

наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это

создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы

топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего

развития атомной энергетики, края уже занимает заметное место в

энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Первая в мире АЭС опытно-промышленного назначения (рис. 1) мощностью 5 Мвт

была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. До этого энергия атомного

ядра использовалась в военных целях. Пуск первой АЭС ознаменовал открытие

нового направления в энергетике, получившего признание на 1-й Международной

научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии

(август 1955, Женева).

В 1958 была введена в эксплуатацию 1-я очередь Сибирской АЭС мощностью 100

Мвт (полная проектная мощность 600 Мвт). В том же году развернулось

строительство Белоярской АЭС, а 26 апреля 1964 генератор 1-й очереди (блок

мощностью 100 Мвт) выдал ток в Свердловскую энергосистему, 2-й блок

мощностью 200 Мвт сдан в эксплуатацию в октябре 1967. Отличительная

особенность Белоярской АЭС — перегрев пара (до получения нужных параметров)

непосредственно в ядерном реакторе, что позволило применить на ней обычные

современные турбины почти без всяких переделок.

В сентябре 1964 был пущен 1-й блок Нововоронежской АЭС мощностью 210 Мвт.

Себестоимость 1 квт • ч электроэнергии (важнейший экономический показатель

работы всякой электростанции) на этой АЭС систематически снижалась: она

составляла 1,24 коп. в 1965, 1,22 коп. в 1966, 1,18 коп. в 1967, 0,94 коп.

в 1968. Первый блок Нововоронежской АЭС был построен не только для

промышленного пользования, но и как демонстрация объект для показа

возможностей и преимуществ атомной энергетики, надёжности и безопасности

работы АЭС. В ноября 1965 в г. Мелекессе Ульяновской обл. вступила в

строй АЭС с водо-водяным реактором «кипящего» типа мощностью 50 Мвт.,

реактор собран по одноконтурной схеме, облегчающей компоновку станции. В

декабре 1969 был пущен второй блок Нововоронежской АЭС (350 Мвт).

За рубежом первая АЭС промышленного назначения мощностью 46 Мвт была

введена в эксплуатацию в 1956 в Колдер-Холле (Англия). Через год вступила в

строй АЭС 1 мощностью 60 Мвт. в Шиппингпорт (США).

Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение,

приведена на рис. 2. Тепло, выделяется в активной зоне реактора,

теплоносителем вбирается водой (теплоносителем) 1-г контура, которая

прокачивается через реактор циркуляционным насосом г Нагретая вода из

реактора поступав в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло,

полученное в реакторе воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в

парогенераторе, и образуется пар поступает в турбину 4.

Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах 1)

водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2)

графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3)

тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве

замедлителя 4) графито-газовые с газовым теплоносителем и графитовым

замедлителем.

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным

образом накопленным опытом в реактороносителе а также

наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. л.

В СССР строят главным образом графито-водные и водо-водяные реакторы. На

АЭС США наибольшее распространение получили водо-водяные реакторы. Графито-

газовые реакторы применяются в Англии. В атомной энергетике Канады

преобладают АЭС с тяжеловодными реакторами.

В зависимости от вида и агрегатного состояния теплоносителя создается тот

или иной термодинамический цикл АЭС. Выбор верхней температурной границы

термодинамического цикла определяется максимально допустимой темп-рой

оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), содержащих ядерное горючее,

допустимой темп-рой собственно ядерного горючего, а также свойствами

теплоносителя, принятого для данного типа реактора. На АЭС. тепловой

реактор которой охлаждается водой, обычно пользуются низкотемпературными

паровыми циклами. Реакторы с газовым теплоносителем позволяют применять

относительно более экономичные циклы водяного пара с повышенными начальными

давлением и темп-рой. Тепловая схема АЭС в этих двух случаях выполняется 2-

контурной: в 1-м контуре циркулирует теплоноситель, 2-й контур —

пароводяной. При реакторах с кипящим водяным или высокотемпературным

газовым теплоносителем возможна одноконтурная тепловая АЭС. В кипящих

реакторах вода кипит в активной зоне, полученная пароводяная смесь

сепарируется, и насыщенный пар направляется или непосредственно в турбину,

или предварительно возвращается в активную зону для перегрева.

(рис. 3). В высокотемпературных графито-газовых реакторах возможно

применение обычного газотурбинного цикла. Реактор в этом случае выполняет

роль камеры сгорания.

При работе реактора концентрация делящихся изотопов в ядерном топливе

постепенно уменьшается, и топливо выгорает. Поэтому со временем их

заменяют свежими. Ядерное горючее перезагружают с помощью механизмов и

приспособлений с дистанционным управлением. Отработавшее топливо переносят

в бассейн выдержки, а затем направляют на переработку.

К реактору и обслуживающим его системам относятся: собственно реактор с

биологической защитой, теплообменники, насосы или газодувные установки,

осуществляющие циркуляцию теплоносителя; трубопроводы и арматура циркуляции

контура; устройства для перезагрузки ядерного горючего; системы спец.

вентиляции, аварийного расхолаживания и др.

В зависимости от конструктивного исполнения реакторы имеют отличит,

особенности: в корпусных реакторах топливо и замедлитель расположены внутри

корпуса, несущего полное давление теплоносителя; в канальных реакторах

топливо, охлаждаемые теплоносителем, устанавливаются в спец. трубах-

каналах, пронизывающих замедлитель, заключённый в тонкостенный кожух.

Такие реакторы применяются в СССР (Сибирская, Белоярская АЭС и др.),

Для предохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружают

биологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода,

серпантиновый песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью

герметичным. Предусматривается система контроля мест возможной утечки

теплоносителя, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов

контура не приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и

окружающей местности. Оборудование реакторного контура обычно устанавливают

в герметичных боксах, которые отделены от остальных помещений АЭС

биологической защитой и при работе реактора не обслуживаются, Радиоактивный

воздух и небольшое количество паров теплоносителя, обусловленное наличием

протечек из контура, удаляют из необслуживаемых помещений АЭС спец.

системой вентиляции, в которой для исключения возможности загрязнения

атмосферы предусмотрены очистные фильтры и газгольдеры выдержки. За

выполнением правил радиационной безопасности персоналом АЭС следит служба

дозиметрического контроля.

При авариях в системе охлаждения реактора для исключения перегрева и

нарушения герметичности оболочек ТВЭЛов предусматривают быстрое (в

течение несколько секунд) глушение ядерной реакции; аварийная система

расхолаживания имеет автономные источники питания.

Наличие биологической защиты, систем спец. вентиляции и аварийного

расхолаживания и службы дозиметрического контроля позволяет полностью

обезопасить обслуживающий персонал АЭС от вредных воздействий

радиоактивного облучения.

Оборудование машинного зала АЭС аналогично оборудованию машинного зала

ТЭС. Отличит, особенность большинства АЭС — использование пара

сравнительно низких параметров, насыщенного или слабо перегретого.

При этом для исключения эрозионного повреждения лопаток последних ступеней

турбины частицами влаги, содержащейся в пару, в турбине устанавливают

сепарирующие устройства. Иногда необходимо применение выносных сепараторов

и промежуточных перегревателей пара. В связи с тем что теплоноситель и

содержащиеся в нём примеси при прохождении через активную зону реактора

активируются, конструктивное решение оборудования машинного зала и системы

охлаждения конденсатора турбины одноконтурных АЭС должно полностью

исключать возможность утечки теплоносителя. На двухконтурных АЭС с высокими

параметрами пара подобные требования к оборудованию машинного зала не

предъявляются.

В число специфичных требований к компоновке оборудования АЭС входят:

минимально возможная протяжённость коммуникаций, связанных с радиоактивными

средами, повышенная жёсткость фундаментов и несущих конструкций реактора,

надёжная организация вентиляции помещений. показан разрез главного корпуса

Белоярской АЭС с канальным графито-водным реактором. В реакторном зале

размещены: реактор с биологической защитой, запасные ТВЭЛы и аппаратура

контроля. АЭС скомпонована по блочному принципу реактор—турбина. В машинном

зале расположены турбогенераторы и обслуживающие их системы. Между машинным

II реакторным залами размещены вспомогательные оборудование и системы

управления станцией.

Экономичность АЭС определяется её основным техническим показателями:

единичная мощность реактора, энергонапряжённость активной зоны, глубина

выгорания ядерного горючего, коэффецента использования установленной

мощности АЭС за год. С ростом мощности АЭС удельные капиталовложения в псе

(стоимость установленного кет) снижаются более резко, чем это имеет место

для ТЭС. В этом главная причина стремления к сооружению крупных АЭС с

большой единичной мощностью блоков. Для экономики АЭС характерно, что доля

топливной составляющей в себестоимости вырабатываемой электроэнергии 30 -

40% (на ТЭС 60—70%). Поэтому крупные АЭС наиболее распространены в

промышленно развитых районах с ограниченными запасами обычного

топлива, а АЭС небольшой мощности — в труднодоступных или отдалённых

районах, напр. АЭС в пос. Билибино (Якут. ЛССР с электрической

мощностью типового блока 12 Мет. Часть тепловой мощности реактора этой АЭС

(29 Мет) расходу стоя на теплоснабжение. Наряду с выработкой электроэнергии

АЭС используются также для опреснения морской воды. Так, Шевченковская

АЭС (Казах. ССР) электрической мощностью 150 Мвт рассчитана на опреснение

(методом дистилляции) за сутки до

150 000 т воды из Каспийского м.

В большинстве промышленно развитых стран (СССР, США, Англия, Франция,

Канада, ФРГ, Япония, ГДР и др.) по прогнозам мощность действующих и

строящихся АЭС к 1980 будет доведена до десятков Гвт. По данным

Международного атомного агентства ООН, опубликованным в 1967, установленная

мощность всех АЭС в мире к 1980 достигнет 300 Гвт.

В Сов. Союзе осуществляется широкая программа ввода в строй крупных энер-

гетич. блоков (до 1000 Мет) с реакторами на тепловых нейтронах. В 1948—49

были начаты работы по реакторам на быстрых нейтронах для промышленной АЭС.

Физической особенности таких реакторов позволяют осуществить расширенное

воспроизводство ядерного горючего (коэффициент воспроизводства от 1,3 до

1,7), что даёт возможность использовать не только 235U , но и сырьевые

материалы 238U и 232Th . Кроме того, реакторы на быстрых нейтронах не

содержат замедлителя, имеют сравнительно малые размеры и большую загрузку.

Этим и объясняется стремление к интенсивному развитию быстрых реакторов в

СССР. Для исследований по быстрым реакторам были последовательно сооружены

экспериментальные и опытные реакторы БР-1, БР-2, БР-З, БР-5, БФС.

Полученный опыт обусловил переход от исследований модельных установок к

проектированию и сооружению промышленных АЭС на быстрых нейтронах (БН-350)

в г. Шевченко и (БН-600) на Белоярской АЭС. Ведутся исследования реакторов

для мощных АЭС, напр. в г. Мелексссе построен опытный реактор БОР-60.

Крупные АЭС сооружаются и в ряде развивающихся стран (Индия, Пакистан и

др.).

На 3-й Международной научно-технической конференции по мирному

использованию атомной энергии (1964, Женева) было отмечено, что широкое

освоение ядерной энергии стало ключевой проблемой для большинства стран.

Состоявшаяся в Москве в августе 1968 7-я Мировая энергетическим конференция

(МИРЭК-УП) подтвердила актуальность проблем выбора направления развития

ядерной энергетики на следующем этапе (условно 1980—2000), когда АЭС станет

одним из оси. производителей электроэнергии.

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии

резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым,

внимание, уделяемое ему во всем мире, заставляет нас рассмотреть его

возможности отдельно.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании

непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0.0125 % этого количества энергии

Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой

энергетики, а использование 0.5 % - полностью покрыть потребности на

перспективу.

К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы

удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных

препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного

излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях ( южные широты,

чистое небо ) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250

Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год

энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества

нужно разместить их на территории 130 000 км2 !

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того,

влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор

солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический ( как

правило, алюминиевый ) лист, внутри которого располагаются трубы с

циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии,

поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного

использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного

излучения площадью 1 км2, требует примерно 10^4 тонн алюминия. Доказанные

же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10^9 тонн.

Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность

солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления

коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие

материалы. Изменится ли ситуация в этом случае ? Будем исходить из того,

что на отдельной фазе развития энергетики ( после 2100 года ) все мировые

потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечной энергии. В

рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется «собирать»

солнечную энергию на площади от 1*10^6 до 3*10^6 км2. В то же время общая

площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13*10^6 км2.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам

производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии

влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а

следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения,

получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой

аппаратуры, их пере-

возки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт*год

электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить

от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетике на

органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.

Пока еще электрическая энергия,рожденная солнечными лучами, обходится

намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются,

что эксперименты,которые они проведут на опытных установках и

станциях,помогут решить не только технические,но и экономические проблемы.

Ветровая энергия.

Огромна энергия движущихся воздушных масс.Запасы энергии ветра более чем в

сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и

повсюду на земле дуют ветры-от легкого ветерка, несущего желанную прохладу

в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и

разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем.

Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все

ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют

развивать ветроэнергетику на огромной территории-от наших западных границ

до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль

побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима

мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь

обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо

используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего

одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Техника 20 века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики,

задача которой стала другой-получение электроэнергии. В начале века

Н.Е.Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли

быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать

энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов

ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные

мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.

В наши дни к созданию конструкций ветроколеса-сердца любой

ветроэнергетической установки-привлекаются специалисты-самолетостроители,

умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в

аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые

разнообразные конструкции современных ветровых установок.

ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ.

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии,

таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о

катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих

жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность

извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она

многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок,

созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании

энергии вулканических извержений говорить не приходится-нет пока у людей

возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью,

извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии,

таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой

энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Маленькая европейская страна Исландия-«страна льда» в дословном

переводе-полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами!

Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли, других

местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата

эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей

воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам

принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще

древние римляне к знаменитым баням-термам Каракаллы-подвели воду из-под

земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную

котельную очень интенсивно. Столица - Рейкьявик, в которой проживает

половина населения страны, отапливается только за счет подземных

источников.

Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно

работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая

такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в

небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь

французского инженера Лардерелли,который еще в 1827 году составил проект

использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно

мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты,

использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции

достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии

существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч

киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит

электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.

Савинов А. 10 «Г»

Страницы: 1, 2