Действующие атомные электрические станции (АЭС) Украины

Таблица 3.1.

* В 2000 году остановлена Чернобыльская АЭС, на которой 26 апреля 1986 года произошла крупнейшая в мире техногенная авария на блоке №4.

Рис. 3.2. Технологическая схема атомной электростанции (АЭС)

Нижняя Верхняя часть часть

1 – верхний блок; 2 – привод СУЗ (системы управления и защиты); 3 – шпилька; 4 – труба для загрузки образцов – свидетелей; 5 – уплотнение; 6 – корпус реактора; 7 – блок защиты труб; 8 – шахта; 9 – выгородка; 10 – топливные сборки; а – теплоизоляция реактора; b – крышка реактора; d – топливные стержни.

Рис. 3.3. Реактор ВВЭР-1000

В реакторе идет управляемая ядерная реакция. Она отличается от той цепной реакции, которая происходит в атомной бомбе и заканчивается разрушительным взрывом, тем, что с помощью специальных регулирующих стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, количество вступающих в реакцию нейтронов поддерживается на безопасном уровне.

Чем глубже погружены стержни в активную зону реактора, тем меньше там нейтронов, способных продолжать реакцию и выделять тепло, и наоборот. Не случайно в аварийной установке реактора предусмотрены аварийные стержни: они быстро падают в активную зону, и происходит полная остановка ядерной реакции.

Атомная станция любого типа (а сегодня этих типов уже очень много, и они во многом отличаются в разных странах), помимо системы управления реакцией в активной зоне реактора и аварийной защиты, имеет много защитных устройств для обеспечения безопасности людей. Ведь во время цепной реакции часть нейтронов вылетает из активной зоны, даже защищенной специальным устройством – отражателем. Кроме того, деление ядер радиоактивных веществ сопровождается сильным излучением, как при любой ядерной реакции. Поэтому активную зону любого реактора со всех сторон окружают стеной биологической защиты, ослабляющей опасное излучение до такой степени, чтобы человек мог находиться вблизи работающего реактора. Как правило, это массивное сооружение из бетона с толщиной стен более 2м. В некоторых случаях для биологической защиты используют обыкновенную воду, а иногда – сочетание стали с водой или бетоном.

В помещениях, где работают люди, обслуживающие реактор, интенсивность радиоактивного излучения измеряется установленными здесь специальными приборами – дозиметрами.

Теплоноситель, отбирающий тепло у теплообменников первого контура и тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), состоящие из двуокиси урана или другого радиоактивного топлива, “одеты” в герметичные оболочки.

Естественная радиоактивность урана ничтожна (период полураспада урана 3600 лет), однако в процессе работы, благодаря накоплению продуктов деления ядерного топлива, являющихся истчником мощного гамма-излучения, у ТВЭЛов появляется очень высокая радиоактивность, сравнимая с активностью нескольких килограммов радия. Поэтому выгрузка из реактора отработанных ТВЭЛов ведется дистанционно, с помощью специальных механизмов, за толстой защитной стеной, предохраняющей от губительного излучения.

Мощное нейтронное излучение атомных реакторов делает находящиеся в них вещества и материалы радиоактивными. Поэтому для работы с предметами, побывавшими в реакторе, тоже применяется дистанционная техника: механические “руки” и другие специальные манипуляторы. Помимо этих внутренних мер по защите от опасного излучения, атомные станции различных конструкций имеют те или иные внешние защитные оболочки. Большинство атомных станций во всем мире имеют так называемые скафандры, которые предохраняют реакторы даже от таких маловероятных аварий, как падение метеорита или потерпевшего аварию самолета, а также рассчитаны на случай аварии внутри станции. Скафандры АЭС должны выдержать падение на них огромного пассажирского самолета типа “Боинг-747” или истребителя “Фантом”. Под таким “колпаком” останутся опасные радиактивные вещества, которые могут быть выброшены из реактора в случае непредвиденного пожара или взрыва. К сожалению, такие внешние защитные оболочки имеют далеко не все атомные станции бывшего СССР. Так, для типа реактора ВВЭР-440 (водо-водяные корпусные мощностью 440 МВт) и реакторов чернобыльского типа – РБМК (водографитовые канальные мощностью от 1000 до 1500 МВт) классическая зашитная оболочка не была предусмотрена. В результате станции именно этих типов, находящиеся в основном на территории России и Украины, являются сейчас самыми опасными.

При делении 1г урана 235 высвобождается около 22,5МВтч энергии, что эквивалентно энергии сжигания 2,7т условного топлива.

Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного топлива существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива ( нефти, угля, природного газа и т.д.). В мире работает свыше 400 энергетических атомных реакторов, общей мощностью свыше 250000 МВт. На территории Украины эксплуатируются атомные энергоблоки с реакторами на тепловых нейтронах. В то же время в атомной энергетике разработаны и сооружены ядерные реакторы на быстрых нейтронах большой мощности, которые работают на более распространенном в природе уране 238. Принято считать, что решение этой проблемы даст возможность в 30-40 раз увеличить эффективность использования ядерных ресурсов. В некоторых государствах реакторы на тепловых нейтронах вырабатывают от 30 до 40% (Болгария, Швейцария, Швеция), до 50...67% ( Бельгия, Франция) энергии. Украина вырабатывает на атомных электростанциях около 50% электроэнергии.

До 1986 года ученые и разработчики систем технологии атомной энергетики особенно подчеркивали исключительную экологическую чистоту, техническую безопасность и низкую себестоимость энергии, нежели на тепловых электростанциях. Наряду с атомными реакторами с графитной кладкой типа РБМК – 1000 (реактор большой мощности канальный) были введены в эксплуатацию водоводяные реакторы ВВЭР-1000.

Основные обоснования экономических и экологических преимуществ АЭС базировались на следующих утверждениях.

1. Затраты на транспортировку и конверсию ядерного топлива в сравнении с углем на единицу энергии несравненно меньше. Для сравнения: в случае конверсии топлива в энергию (при коэффициенте 0,33) 100 кг угля » 300 кВтч

100 кг урана 238 с содержанием урана 235 около 1% обеспечивают получение энергии 7 х 106 кВтч. То есть за массой на 1 кВт·ч потребность в уране меньше в 20000 раз.

2. Ресурсы урана для атомной энергетики равны ресурсам угля, нефти и газа вместе взятых.

3. Экономия дефицитного органического топлива (нефти и газа).

4. АЭС не потребляет кислород и почти не выбрасывает вредных газов и твердых продуктов.

5. При увеличении мощности всех действующих электростанций даже в несколько десятков раз глобальное радиоактивное загрязнение будет составлять не более 1% уровня природной радиации на планете.

6. Атомная энергетика ликвидирует пропасть между богатыми и бедными государствами, уменьшает угрозу насильственного перераспределения мировых ресурсов.

Такие оценки были до 26 апреля 1986 года, когда на Украине случилась катастрофа – взорвался атомный реактор РБМК-1000 Чернобыльской АЭС. Это была первая и единственная авария такого большого масштаба. Всеми государствами мира была пересмотрена и значительно сокращена программа дальнейшего строительства АЭС. При тщательном анализе выяснилось, что капиталовложения на единицу мощности АЭС почти в 2 раза выше, нежели в тепловые, расход воды больше в 2-3 раза, выбросы радионуклидов работающими АЭС за сутки составляет около 300 кюри.

На сегодняшний день в некоторых государствах доминирует мысль не форсировать строительство атомной энергетики до времени, пока не будут открыты новые, безопасные методы получения атомной энергии – от добычи сырья до обезвреживания, переработки и захоронения радиоактивных отходов, демонтажа АЭС и вывода их из эксплуатации.

Рис. 3.4. Принципиальная схема энергосистемы ядерного синтеза:

1 – установка ядерного синтеза; 2 – генератор электромагнитного поля; 3 – плазма ядерного синтеза; 4 – теплообменник;
5 – пароводяной контур турбины; 6 – паровая или газовая турбина;
7 – электрогенератор.

Сегодня научный потенциал экономически развитых стран в отрасли энергетики направлен на решение проблем за счет более мощного источника – ядерного синтеза.

Получение электроэнергии от контролируемых термоядерных реакций предусматривает два основных этапа, а именно:

получение и стабилизация высокотемпературной плазмы (свыше 250 млн оС);

разработка конструкции реактора и промышленной системы технологии производства электроэнергии.

Объединенный европейский проект включает решение вышеперечисленных проблем за счет создания реактора типа “Токамак”, принцип работы которого показан на рис. 3.4.

3.5. Биохимические источники энергии

В настоящее время в некоторых государствах биомасса (например, дрова) широко используется населением и достигает в общем энергетическом балансе 80%. Это существенно наносит вред окружающей среде: уничтожаются леса, увеличивается эрозия почвы, высыхают водоемы.

К тому же коэффициент конверсии горения дров очень низкий, а полезные элементы биомассы (N,P) не используются.

Ресурсы биомассы, как отходы в лесном и сельскохозяйственном производстве, значительно и ежегодно возобновляются, что и привлекает внимание к их использованию. На Украине они эквивалентны 30 млн.т. угля.

Существует два основных способа конверсии биомассы в горючий газ: термохимический и биохимический. При первом способе биомасса (древесина или отходы сельхозпроизводства) подвергаются пиролизу (разложение без доступа воздуха) в реакторе при 400...500 оС.

При использовании метода биохимической конверсии биомасса поддается брожению с образованием горючего газа (70% СН4и 30% СО2), удельная теплота сгорания близка до условного топлива (29,3 МДж/кг). При этом на каждую тонну условного топлива одновременно вырабатывается до 1,5...1,8 т высококачественных органических удобрений. Особенно эффективен этот процесс в случае биохимической переработки отходов животноводческих ферм. В Китае работают миллионы биогазовых установок средней мощностью 14 000 м3газа в год. По прогнозу до 2000 года в США биохимические источники должны обеспечить 5% всей потребляемой в государстве электроэнергии.

3.6. Экологически чистые нетрадиционные системы технологий энергетики

Экономически оправданным источником концентрированной энергии является органическое топливо: нефть, газ, уголь. В последнее десятилетие в ряд с тепловой энергетикой стала ядерная. Экологические проблемы этих видов энергетики общеизвестны. Но не только экологические. Опыт эксплуатации АЭС показал, что сегодня существует важные экономические проблемы, которые в предыдущие годы не учитывали. Обнаружилось, что затраты на поддержание экологических норм загрязнения окружающей среды радионуклидами таковы, что ближайшее будущее атомной энергетики пока что не предвидено. Это заставило в последние годы вести энергичные поиски альтернативных источников энергии. Сегодня природных экологически чистых источников энергии известно немало. Основная проблема – это низкое качество (концентрация) всех известных на сегодня альтернативных видов энергии и, соответственно, низкая экономическая эффективность ее конверсии в высококонцентрированную форму.

Рис. 3.5. Ветровой электрогенератор

1 – электрогенератор; 2 – редуктор; 3 – вал; 4 – основа электроблока; 5 – регулятор лопастей; 6 – лопасть; 7 – электрокабель; 8 – контрольный блок.

Анализируя различные возможные альтернативные источники энергии, следует помнить, что во всех без исключения случаях, чтобы эксплуатировать энергоснабжающую технологию, необходимо на обеспечение ее функционирования тоже расходовать энергию соответствующего качества. Важно подбирать для каждого промышленного объекта наиболее рациональный по концентрации энергии источник, помня, что чем больше концентрация энергии, тем она дороже. Рассмотрим конверсии альтернативных форм энергии, которые сегодня используются в сельском хозяйстве.

Проблема конверсии энергии ветра не такая простая. Прежде всего, возникает вопрос качества ветровой энергии и ее ресурса. Принято считать, что на территории в 1 млн. км2энергетические ресурсы ветра составляют около 0,5 ГВт. Но с точки зрения концентрации ее использование для конверсии современной техникой в электрическую невелика. В бывшем СССР эксплуатировалось свыше 200 ветровых электрогенераторов общей мощностью около 1000 кВт. Одна установка типа АВЭУ-6 (автоматическая ветровая электрическая установка) в состоянии за сутки откачать из скважины глубиной 50м до 20м3 воды или освещать и обогревать строение. Мощность современных ветровых турбоэлектрогенераторов составляет 50...100 кВт (рис. 3.5). Такие установки довольно широко применяют, например, в Дании, где имеются подходящие климатические условия с постоянными ветрами от 9,5 до 24 м/с. Безусловно, широкое применение ветровых турбогенераторов в значительной степени позволяет решить проблему снабжения электроэнергией на разных хозяйственных объектах в сельской местности и в быту. В Приазовье сейчас идет монтаж турбоэлектрогенераторов общей суммарной мощностью 50 МВт. Что касается решения проблемы промышленного энергоснабжения, то ставить такие задачи пока не реально.

3.7. Солнечные электростанции

Солнечная энергия – это универсальная движущая сила всего живого на нашей планете в ее оптимальном природном понимании. Сегодня человечество стремится увеличить использование солнечной энергии, непосредственно превращая лучевую энергию в тепловую и электрическую, хотя количество ее низкое (концентрация не превышает 1кВт на 1м2поверхности Земли). На Украине функционирует экспериментальная солнечная электростанция (СЭС) в Крыму. Принцип ее работы – концентрация солнечной энергии с отражением лучей Солнца с большой площади на меньшую с помощью зеркал. Такая система включает 1600 так называемых гелиостатов, каждый из которых состоит из 45 зеркал общей площадью 25 м2. Следовательно суммарная площадь зеркал 1600 х 25 = 40000 м2. Вся система зеркал с помощью автоматики и ПЭВМ наводится на Солнце и отражает его лучи на сравнительно небольшую площадь панели парогенератора, из которого пар (250 оС и 4МПа) направляется в паровую турбину, смонтированную в блоке с электрогенератором. Мощность такой СЭС –5 МВт, кпд чуть больше 10%, себестоимость электроэнергии значительно выше по сравнению с ТЭС.

Учитывая экологические преимущества СЭС, продолжается проектирование более мощных станций. С 1989 года в США на юге Калифорнии успешно работает промышленная солнечная электростанция мощностью 200 МВт. Такая электростанция в состоянии обеспечить потребности в электроэнергии 300-тысячного города. Цена 1кВтч электроэнергии этой станции составляет около 10 центов. Хотя с чисто экономической точки зрения такая солнечная электростанция не может конкурировать с тепловой, она безусловно есть экологически чистой альтернативой современной энергетике.

3.8. Геотермальные электростанции

На Украине уделяется значительное внимание геотермальной энергетике, котрая базируется на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии, т.е. на тепловых источниках Земли. Ресурсы этого вида энергии составляют на Украине 150 млрд. т условного топлива.

Геотермальная электростанция – это тепловая электростанция, использующая тепловую энергию горячих источников Земли для выработки электроэнергии и теплоснабжения. Температура геотермальных вод может достигать 200ºС и более. В состав геотермальной электростанции входят:

а) буровые скважины, выводящие на поверхность пароводяную смесь или перегретый пар;

б) устройства газовой и химической очистки;

в) электроэнергетическое оборудование;

г) система технического водоснабжения и др.

Геотермальные электростанции дешевы, относительно просты, но получаемый пар имеет низкие параметры, что снижает их экономичность.

Сооружение геотермальных электростанций оправдано там, где термальные воды наиболее близко подходят к поверхности земли. В бывшем СССР первая геотермальная электростанция мощностью 5 МВт была построена на Камчатке, ее мощность была доведена до 11 МВт.

На Украине в настоящее время объединение “Укрэнергоресурсы” заказало предпроектные работы по двум ГеоТЭС – в Крыму и Львовской области. Проработки ведутся по комбинированной технологии – геотермальная энергия производит предварительный подогрев воды, которая затем при сжигании органического топлива преобразуется в пар. Кроме того, украинские специалисты пытаются использовать тепло воды в выработанных нефтяных и газовых скважинах (мини ГеоТЭС мощностью 4-5 кВт).

За рубежом – в Италии, Новой Зеландии, США, Японии, Исландии – ГеоТЭС используются главным образом как теплофикационные.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Энергетический потенциал

Конверсия тепловой энергии

Турбоэлектрогенератор

Котлоагрегат

Градирня

Конденсационные электростанции

Гидроаккумулирующая электростанция

Водоводяной энергетический реактор (ВВЭР)

Реактор большой мощности канальный (РБМК)

Регулирующие стержни

Аварийные стержни

Тепловыделяющие элементы

Ядерный синтез

Биологические источники энергии

Энергетические ресурсы ветра

Гелиостат

Геотермальная энергетика

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Раскройте сущность энергетического потенциала планеты Земля.

2. Перечислите применяемые виды энергии.

3. Раскройте сущность системы технологии теплоэнергетики.

4. Что такое конденсатор турбоагрегата?

5. Какие параметры могут увеличить КПД конденсационной электростанции (КЭС)?

6. В чем заключается отличие КЭС от ТЭС.

7. Раскройте сущность экологических проблем ТЭС.

8. Раскройте сущность системы технологии ТЭС и ее экологические проблемы.

9. Каково назначение гидроаккумулирующих электростанций?

10. Раскройте сущность систем технологии АЭС.

11. В чем заключаются проблемы радиационной защиты на АЭС?

12. Изложите свои взгляды на перспективы развития атомной энергетики.

13. Изложите сущность технологии ветроэнергетики и перспективы ее развития.

14. Раскройте сущность технологии солнечной электростанции, перспективы применения.

15. Раскройте сущность технологии геотермальной электростанции. Перспективы развития ГеоТЭС в Украине.