Энергетические ресурсы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Энергетические ресурсы

Энергетика является важнейшей областью человеческой деятельности, определяющей уровень развития народного хозяйства страны, ее экономики и в конечном итоге - благосостояние народа. Снижение стоимости потребляемых людьми продуктов питания, одежды, обуви, коммунальных, бытовых и прочих услуг так или иначе сопряжено с необходимостью снижения энергетических затрат производства, другими словами - его энергоемкости. Вот почему прогресс производства оказывается наиболее перспективным, если он сопровождается сокращением удельного расходы энергии.

1.1 Энергия. Виды энергии

Энергия - единая мера различных форм движения материи. Из этого определения вытекает, что энергия - проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира, и способна переходить из одной формы в другую; а самое главное - энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу.

В народном хозяйстве используются различные виды энергии - механическая, электрическая, тепловая, химическая, ядерная и другие, которые получают при помощи разных устройств.

Механическая энергия - проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.

Механическая энергия используется для физических операций измельчения, центрифугирования, перемещения материалов в процессе работы, для работы компрессоров, насосов, вентиляторов и т.д.

Тепловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ (энергия пропорциональна температуре).

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для производства тепла (отопления), проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Тепловая энергия используется при всех процессах выплавки металлов, отжига карбонатного и силикатного сырья, сушки, дистилляции, для некоторых химических процессов (около 50% от общего производства).

Электрическая энергия -- энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока). Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

Электрическую энергию дают в основном тепловые станции (ТЕЦ) около 75%; атомные (АЭС) 13 %, гидроэлектростанции 12 %. Она расходуется на электролиз, электротермические и другие процессы, для перемещения и приведения в действие различных машин и механизмов, в химической промышленности задействовано около 40% всего производства электроэнергии. Электроэнергия универсальна из-за ее дешевизны и способа транспортировки.

Магнитная энергия -- энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой.

Электромагнитная энергия -- это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия - это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Световая энергия (ультрафиолетовое излучение, инфракрасное, лазерное) используется в химической промышленности: синтез хлороводорода, изомеризация, обеззараживание воды. Кроме того, в производстве используются фотометрические установки, преобразующие световую энергию в электрическую, ее используют для автоматического контроля и энергообеспечения космической техники, разрабатываются фотохимические методы использования энергии солнца.

Химическая энергия -- это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой - при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Значительная часть химических процессов идет с выделением теплоты, которая может быть использована в производстве. Она может быть использована для подогрева исходных продуктов, получения горячей воды, пара, и даже превращена в электроэнергию. Ее использование дает большой экономический эффект в многотоннажном химическом производстве (например, при производстве серной кислоты, аммиака), в котором собственная потребность в энергии полностью покрывается за счет использования энергии химических реакций, а излишки отпускаются другим потребителям в виде пара или электроэнергии. Химическая энергия в гальванических элементах и аккумуляторах превращается в электрическую.

Ядерная энергия - энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Ядерная энергия используется при производстве электрической (АЭС), а также находит непосредственное применение при проведении радиационно-химических процессов.

Гравитационная энергия -- энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли -- энергия силы тяжести.

Для энергии справедлив всеобщий закон сохранения: энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только переходит из одного вида в другой.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль).

1.2 Производство различных видов энергии

Одним из условий существования человеческого общества является непрерывный обмен энергией с окружающей средой. Поэтому энерговооруженность общества составляет условие прогресса человечества. А уровень материального благосостояния общества определяется количеством энергии вырабатываемой на душу населения. Существует также связь между потреблением энергии и продолжительностью жизни ( Швеция - 7*10³ кВт час - продолжительность жизни -80 лет; Россия 4,1*10³ кВт час - - 67 лет).

Потребление энергии на планете постоянно растет: если в 1975 году это было порядка 0,6 *10¹⁴ кВт час, в 2000 г. около 3* 10¹⁴ кВт час, а в 2050 г. - предполагается - более 14*10¹⁴ кВт час.

Наиболее энерговооруженной отраслью является промышленное производство, а наименее - сельское хозяйство. В России много энергии уходит на коммунально-бытовые услуги, что связано с особенностями климатических условий.

Из всех отраслей промышленности самой энергоемкой является химическая промышленность. Энергоемкость производства это количество энергии, затрачиваемое на получение единицы продукции. Она выражается в кВт час, или тоннах условного топлива (УТ) на тонну продукции.1 УТ = 29*10³ кВтчас. Например, на производство 1 т алюминия необходимо 2*10⁴ кВт час, а на 1т серной кислоты всего 60 - 100 кВт час.

Основными источниками потребляемой энергии являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса, ядерное топливо. В значительно меньшей степени используется энергия ветра, солнца, приливов, геотермальная энергия. Мировые запасы основных видов топлива оцениваются примерно в 1,28 *10¹³ тонн УТ. В том числе ископаемых углей 1,12 *10¹³ тонн УТ, нефти 7,4*10¹¹ тонн УТ, природного газа 6,3*10¹¹ тонн УТ.

Все энергоресурсы подразделяются на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые, топливные и нетопливные.

К топливным энергетическим ресурсам относят уголь, нефть, природный газ, сланцы, битуминозные пески, торф, биомасса, ядерное топливо. К нетопливным относятся гидроэнергия, энергия ветра, лучистая энергия солнца, глубинная теплота Земли.

К невозобновляемым ресурсам относятся ядерное топливо, ископаемые угли, нефть, газ, сланцы и т.д. К возобновляемым относятся солнечная энергия, гидроэнергоресурсы, биомасса, энергия ветра и волн, геотермальная энергия.

1.3 Тепловые и гидроэлектростанции

Наибольший вклад в энергетику России дают тепловые электростанции (ТЭЦ).

В Российской федерации можно выделить несколько крупнейших теплоэлектростанций мощностью более 2*10⁶ кВт: Костромская, Конаковская (Тверская), Киришская (Ленинградская), Березовская.

На тепловых электростанциях химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется в паровом котле в энергию водяного пара. Эта энергия приводит в движение паровую турбину, соединенную с генератором. Механическая энергия вращения турбины преобразуется генератором в электрическую энергию (Рис.2.4.).

Тепловую энергию получают сжиганием твердого топлива - уголь, сланцы, торф, жидкого топлива - нефть, мазут, природного газа или атомного топлива. Наиболее широко известны тепловые станции, работающие на угле, даже на буром, который никуда больше почти непригоден. Хотя и в этом случае требуется хотя бы небольшое обогащение.

Сжигание угля - типичный химический процесс. Однако использование угля для получения энергии связано с рядом нежелательных последствий. Дело в том, что помимо основных элементов (углерода и кислорода) выделяется азот и сера, соединения фтора и различных металлов, а также органических веществ. Благодаря современным химическим технологиям в настоящее время наиболее перспективным является метод сжигания угля с использованием топок с кипящим слоем (псевдосжиженным). Через пористую поверхность, на которую насыпан уголь, подается газ. Постепенно газ как бы насыщает уголь и слой становится все толще и, наконец, все частицы придут в хаотическое движение, а уголь как бы закипает. Температура в среде выравнивается и процесс идет без перегрева или недогрева вещества. Установки этого типа работают при атмосферном или повышенном давлении. Одно из важнейших преимуществ этого метода является снижения выброса вредных веществ, а также отсутствие налипания частиц на теплопередающие поверхности. Это дает возможность использовать зольные угли и вводить в кипящий слой химические поглотители оксидов серы.

Преобразование энергии сопровождается ее неизбежными непроизводительными потерями - рассеиванием тепла в окружающее пространство, потерями тепла с золой и отходящими дымовыми газами, потерями на трения в механических передачах, обеспечением собственных энергетических потребностей производства.

Во всех случаях качественной и количественной мерой совершенства способа производства и потребления является его коэффициент полезного действия (КПД). Для тепловых электростанций КПД порядка 40 - 42%.

Самая большая проблема тепловой электростанции - загрязнение окружающей среды - это газообразные продукты сгорания: сера, окись углерода, сажа, окись азота. Лучшим топливом считается газ, он почти полностью сгорает. При использовании жидкого и газообразного топлива отпадает необходимость использования мельниц и золоуловителей.

Строительство ТЭС экономически выгодно, если они располагаются вблизи топливных ресурсов.



Рис.2.4. Схема размещения основных элементов тепловой электростанции: 1 - топливный склад; 2 - эстакада топливоподачи; 3 - подготовительная галерея; 4 - топка котла; 5 - зольное отделение; 6 - дымовая труба; 7 - паровая турбина; 8 - турбогенератор; 9 - машинный зал; 10 - конденсатор; 11 - распределительное устройство станции.

Значительный вклад в энергетику России дают и гидроэлектростанции (ГЭС).

ГЭС представляют собой комплекс сооружений и оборудования, при помощи которого происходит преобразование водной энергии в электрическую.

Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в конце XIX века, когда для вращения электрических генераторов, производящих энергию, начали использовать воду.

Производство электроэнергии на ГЭС осуществляется за счет использования энергии падающей воды. Высота падения воды называется напором. Он создается установкой плотины, размещающейся поперек реки. Разность уровней верхнего до плотины и нижнего после плотины и создает напор. Используя полученный перепад уровней воды, на гидроэлектростанциях приводят в движение рабочее колесо гидротурбины и закрепленный на одном валу с ней генератор, который вырабатывает электрический ток (Рис.2.5.).

На гидроэлектростанциях не вся энергия превращается в работу. До 30% расходуется на механическое сопротивление, потери в гидросооружениях и генераторах.

В отличие от других типов электростанций, блоки ГЭС могут легко включаться в работу или отключаться от энергосистемы путем регулирования потока воды, подаваемого на турбины. Это обстоятельство позволяет использовать ГЭС для сглаживания суточных и сезонных колебаний в потреблении электроэнергии.

Рис.2.5. Схема плотинной электростанции: 1, 7 - верхний и нижний уровни воды; 2 - земляная плотина; 3 - подвод воды к турбине; 4 - гидрогенератор; 5 - гидротурбина; 6 - щитовое подъемное устройство.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды.

В начале XX века было построено несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок. В историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем - началось строительство знаменитой Днепровской.

Дальновидная энергетическая политика, приводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни в одной стране мира, развита система мощных гидроэлектрических станций.

Наиболее мощные гидроэлектростанции, мощностью более 14*10⁶ кВт, это Волжско-Камский узел, Ангаро-Енисейсий каскад мощностью 6*10⁶ кВт.

К отрицательным сторонам ГЭС относится затопление земель сельскохозяйственного назначения и лесных угодий, изменение естественного режима речного стока и нарушение климата прилегающих территорий, ущерб рыбному хозяйству. Кроме того, строительство ГЭС требует огромных капиталовложений, в связи с большим объемом строительно-монтажных работ.

1.4 Атомная энергетика

Основным направлением атомной энергетики является производство электроэнергии на атомных электростанциях, но отпускают они и теплоту. В настоящее время в России находится в эксплуатации 30 энергоблоков на 9 АЭС общей мощностью 21,24 ГВт. Смоленская, Тверская, Курская, Ново-Воронежская, Санкт-Петербургская (Ломоносово, Сосновый бор), Балаковская(верховья Волги), Костромская, Кольская, Дмитровградская (средняя Волга), Белоярская и Билибинская, имеющие 1 энергоблок, Ростовская (введен 1 энергоблок).

Ежегодно эти электростанции вырабатывают 100 - 110 млрд. кВтчас. электрической энергии, что составляет около 13% всего производства в стране и 27% в европейской части страны. Коэффициент использования установок - 55 - 56 % и соответствует общей потребности электроэнергии в стране. Тарифы на электроэнергию, вырабатываемую на АЭС, ниже, чем на тарифы на энергию, полученную на тепловых, в том числе и на газе.

Первая атомная электростанция была построена в 1954 году в Обнинске.(5000кВт).

Современная атомная энергетика основана на реакциях, протекающих внутри атомных ядер.

Ядерной энергией называют энергию сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, или с другим ядром, приводящеую к преобразованию ядра (или ядер).

Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояния 10^-13 см благодаря действию ядерных сил.

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется энергией реакции. Если реакция идет с поглощением тепла и энергия реакции отрицательна, она называется эндотермической; а если с выделением тепла - экзотермическая. Таким образом, экзотермические реакции, происходящие при превращении ядер, могут быть использованы для получения энергии.

В 1913 году Резерфорд предложил планетарную модель атома, а в 1919 году он осуществил первую искусственную реакцию превращения ядер. Это была реакция бомбардировки альфа частицами ядер атома азота. В результате реакции образовался изотоп кислорода и протон. В 1932 году было сделано важнейшее открытие для ядерной физики - Д. Чедвик открыл нейтрон.

Как оказалось, наибольшее значение имеют реакции, вызванные нейтронами. Нейтроны, в отличие от заряженных частиц, не испытывают кулоновского отталкивания, вследствие чего они могут проникать в ядра, обладая весьма малой энергией. В 1934 году Э. Ферми экспериментально показал, что нейтроны (быстрые и медленные) можно использовать для получения искусственной радиоактивности у самых разных радиоактивных элементов.

Стало очевидно, что атомные ядра заключают в себе огромную потенциальную энергию, освобождение которой дало бы в руки людей новый источник энергии. В 1939 году немецкие ученые Ган и Штрассман открыли реакцию деления ядер урана, которая сопровождалась выделением огромной энергии. В 1940 советские физики А.К.Петржак и Г.И.Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. Способностью делиться на две части под действием нейтронов обладают ядра всех тяжелых элементов.

При реакции деления выделяется очень большая энергия в виде кинетической энергии ядер-осколков, кинетической энергии электронов (испускаемых ядрами осколками), гамма-квантов, нейтрино, нейтронов. Кроме того, в процессе реакции рождаются новые нейтроны, которые, попадая внутрь ядра урана, вызывают его деление и реакция становится цепной - саморазвивающейся. Если цепная реакция не регулируется и не ограничивается в своем развитии, то происходит взрыв, который называется атомным. Такие взрывы осуществляют в атомных бомбах.

Атомное оружие самое мощное на сегодняшний день, находящееся на вооружении пяти сверх держав Россия, США. Великобритания, Франция, Китай. Израиль, Индия, Пакистан и, по некоторым данным С.Корея обладают ограниченным количеством атомного оружия, а Германия, Япония и ряд других стран в той или иной степени обладают возможностями для его создания.

Успехи атомной физики привели к развитию нового вида энергетики - атомной энергетики.

Атомную энергию можно добывать за счет двух типов превращений в атомных ядрах:

1. Энергия выделяется при синтезе ядер из более легких.

2. Энергия выделяется при делении тяжелых ядер.

Наиболее важными в практическом значении являются уран U²³⁸₉₂, актоноуран U²³⁵₉₂, искусственный изотоп урана U²³³₉₂, плутоний Pu²³⁹₉₄. Ядра U²³⁵₉₂, U²³³₉₂ , Pu²³⁹₉₄ делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов, а ядра U²³⁸₉₂ - только под действием быстрых.

В настоящее время химические технологии обеспечивают атомную энергетику: это обогащение урана, получение плутония и других видов атомного топлива. Кроме того, именно химические технологии обеспечивают переработку ядерных отходов.

Для мирного использования ядерной энергии реакция должна быть управляемой, регулируемой, тогда есть возможность использовать ее в промышленных целях. Реакция должна протекать с постоянной интенсивностью.

Это возможно, если коэффициент размножения нейтронов равен 1 -т.е. чтобы каждое ядро, поглотившее нейтрон, при делении выделило нейтрон. Управляемые ядерные реакции такого типа осуществляются в устройствах, называемых ядерными реакторами. Особенностью ядерного реактора является то, что 94% энергии деления превращаются в теплоту мгновенно. Первый атомный реактор был запущен в 1942 году в Чикагском университете по руководством Э. Ферми. В Советском Союзе первый реактор запущен под руководством академика И.В.Курчатова в 1946 году.

Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя, которые размещены в защитном корпусе. Активная зона содержит ядерное топливо и замедлитель реакции (Рис.2.6.).

Основной частью ядерного реактора, работающего на медленных нейтронах, является активная зона (экран) в которой находится делящийся материал. Это так называемые ТВЕЛы - тепловыделяющие элементы, изготовленные из обогащенного урана. Образующиеся при работе реактора нейтроны частично идут на продолжение реакции, а частично выходят в окружающее пространство и поэтому активную зону окружают слоем материала, способного хорошо рассеивать нейтроны. Этот слой возвращает часть нейтронов в активную зону и тем самым способствует протеканию ядерной реакции.



Рис.2.6. Схема ядерного реактора. 1-активная зона; 2- отражатель; 3 - бетонная защита; 4 - управляющие стержни; 5- канал для вывода пучка нейтронов; 6 - тепловая колонна.

В реакторах, работающих на быстрых нейтронах, активная зона окружена зоной воспроизводства. В ней происходит накопление делящихся изотопов и она же выполняет функции отражателя. За экраном располагается биологическая защита от опасного ионизирующего излучения реактора, выполненная в виде толстых бетонных стен или баков с водой. Для управления цепной реакцией служат специальные управляющие стержни, изготовленные из материалов, содержащих кадмий, бор, способных поглощать нейтроны. Введение таких стержней в активную зону приводит к уменьшению числа свободных нейтронов и, тем самым, к задержке или полному прекращению ядерной реакции. При работе реактора в активной зоне и, частично, в отражателе выделяется огромное количество энергии, которая в конечном счете проявляется в виде тепла. Для того, чтобы реактор не перегревался и не разрушался, тепло постоянно отводится с помощью непрерывной прокачки воды или газа через активную зону.

Это тепло частично преобразовываться в пар, который идет затем на турбины электростанций.

Ядерные реакторы делятся на несколько групп:

В зависимости от энергии нейтрона - реакторы на быстрых, медленных(тепловых) или промежуточных нейтронах.

По типу теплоносителя - водяные, тяжеловодные и жидкометаллические (натриевые, литиевые).

По типу замедлителя на водяные, тяжеловодные, графитовые и другие.

По конструктивным особенностям активной зоны - на корпусные и канальные. В корпусных ТВЕЛы и замедлитель, располагаются внутри корпуса, а в случае канальных - ТВЕЛы охлаждаемые теплоносителем, устанавливаются в специальных трубах-каналах, пронизывающих замедлитель, заключенный в тонкостенный кожух. Их порядка 40 шт. При работе реактора ТВЕЛы выгорают, т.е. концентрация делящихся изотопов постепенно уменьшается. Постепенно их заменяют и отправляют на переработку.

В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают: энергетические (для производства энергии); конверторы и размножители (предназначенные для производства вторичного ядерного топлива из природного урана и тория); исследовательские реакторы служат для исследований процессов взаимодействия нейтронов с веществом и других процессов связанных с ядерными реакциями, многоцелевые, транспортные и промышленные.

Ядерные реакторы на тепловых нейтронах используют ядерное топливо не так рационально и производительно как хотелось бы. Делящиеся изотопы урана U²³⁵ , которого в 1 тонне природного урана содержится всего 7,14 кг и U²³³ , которого вообще в природе в свободном виде нет, его получают искусственно в ядерном реакторе из тория-232. В природном уране содержится также U²³⁴ , но его всего 0,006% так что он практического значения не имеет для ядерной энергетики. В большинстве реакторов на тепловых нейтронах используется обогащенный уран, в котором 2 -4 % урана-235. Таким образом, очевидно, что задача обеспечения ядерным топливом и его рациональное использование является довольно сложной проблемой. Типичное топливо представляет собой таблетки из спеченной окиси урана диаметром 9 - 10 мм, заключенных в оболочку из циркониевого сплава.

В тоже время в ядерных реакторах происходит процесс воспроизводства ядерного топлива (плутоний-239) и этот процесс по мере развития атомной энергетики будет все более важным. Но в реакторах работающих на тепловых нейтронах процесс воспроизводства невысок (коэффициент воспроизводства <1).

В реакторах работающих на быстрых нейтронах этот коэффициент >1, их иногда называют размножителями (бридеры). В этих реакторах исходным является уран-238 и, помимо плутония-239, образуется плутоний 240 и 241 , которые также можно использовать в качестве ядерного топлива.

Таким образом, неделящийся уран-238 можно практически использовать полностью как ядерное топливо. По этой же причине можно в этих реакторах использовать и более дорогой уран. Реакторы этого типа потребляют значительно меньше топлива (сырья). Но при создании этих реакторов существуют значительные трудности. Прежде всего, малый объем активной зоны приводит к увеличению плотности выделяемой энергии и потока тепла, поэтому в качестве охлаждающего материала выбирается жидкий металл (натрий, литий). Его также используют и в качестве внутренней радиационной защиты. Реакторы этого типа имеют мощность до 4000 МВт и их кпд порядка 40%.

В основном ядерные реакторы используются для производства энергии на атомных электростанциях.

На атомных электростанциях потребителям могут отпускать не только электроэнергию, но и теплоту.

Для атомных электростанций наибольшее значение имеет классификация по числу контуров.

В системе любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело. Рабочим телом, т.е. средой, совершающей работу по преобразованию тепловой энергии в механическую, является водяной пар. Требования к чистоте пара, поступающего на турбину, очень высокие и могут быть выполнены только при конденсации всего пара и возврате конденсата в цикл. Поэтому контур рабочего тела АЭС всегда замкнут и добавочная вода поступает только в небольших количествах для восполнения утечек и некоторых других потерь конденсата.

Назначение теплоносителя на АЭС - отводить теплоту, выделяющуюся в реакторе. Для предотвращения отложений на тепловыделяющих элементах необходима высокая чистота теплоносителя. Поэтому для него также необходим замкнутый контур и, в особенности, потому, что теплоноситель реактора всегда радиоактивен.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела не разделены, то АЭС называют одноконтурной (Курская).

Если контуры рабочего тела и теплоносителя разделены, то АЭС двухконтурная (контур теплоносителя называют первым, рабочего тела вторым). Применение двухконтурной схемы теплосъема исключает возможность попадания радиоактивного пара в турбину (Калининская).

На трехконтурных АЭС (в основном на быстрых нейтронах или с жидко-металлическим охлаждением) делается дополнительный промежуточный контур, чтобы даже в случае аварии можно было избежать контакта радиоактивного натрия с водой или паром (Белоярская).

Рассмотрим производственный цикл на АЭС. Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора отбирается водой (теплоносителем) первого контура, которая прокачивается через реактор 1 спец. насосом 2 (Рис.2.7.). Температура воды порядка 270⁰ С (высокое давление порядка 100 атмосфер обеспечивает кипение воды при 309⁰ С). Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор) 3 , где передает тепло, полученное в реакторе воде второго контура. Здесь уже давление 12,5 атмосфер и температура кипения воды 200 градусов С. Вода второго контура испаряется в парогенераторе и образующийся пар поступает в турбину 4. Таким образом, очевидно, что АЭС отличается от тепловой только схемой получения тепловой энергии.

Рис.2.7. Принципиальная схема двухконтурной АЭС с ядерным реактором (водяное охлаждение): 1.- ядерный реактор; 2 - насосы; 3 - парогенератор; 4 - турбина; 5 - генератор.

В настоящее время для производства электроэнергии применяются водо-водяные и графито-водяные реакторы на тепловых (медленных) нейтронах.

Водо-водяные с дистилированной водой в качестве замедлителя и теплоносителя. Обыкновенная вода является одним из лучших теплоносителей, она хорошо изучена в настоящее время и использование воды упрощает многие технологические проблемы. В тоже время вода хороший поглотитель(замедлитель) нейтронов и добавочное поглощение может иметь место, что может привести к замедлению реакции. В настоящее время известно соотношение урана, графита и воды, при котором реакторы работают в наиболее эффективном режиме. Поэтому чаще применяют графитоводяные - водяной теплоноситель и графитовый замедлитель и т.д.

Производственный цикл на АЭС можно представит следующим образом: запуск реактора, как источника тепла; отвод тепла при помощи первого водяного контура; преобразование воды в пар при помощи второго водяного контура; подача пара в турбину; запуск турбины; включение генератора; получение электроэнергии; подача электроэнергии потребителю.

За выполнением правил радиационной безопасности следит служба радиационной безопасности. Самое страшное место с точки зрения радиоактивной опасности - это первый контур. Именно там находится зараженные вещества в воде, или другом замедлителе. При аварии в системе охлаждения реактора (например разгерметизации) предусмотрено быстрое, в течение нескольких долей секунды прекращение ядерной реакции: срабатывает АЗ (аварийная защита). Боровые стержни на сильно сжатых пружинах в нормальном состоянии удерживаются магнитными соленоидами, при отключении тока пружины освобождаются и с большой скоростью вводят стержни в активную зону и реакция останавливается. Вторая проблема - несанкционированный разгон реактора. (Чернобыль: взрыв с разрушением активной зоны и выброс осколков деления и ядерного топлива - стронций, радиоактивные изотопы йода). Для того, чтобы предотвратить это, предусмотрена система регулирования, блокировок и специальной защиты.

Производство ядерной энергии опасно с точки зрения вредных для биосферы факторов - возможного радиоактивного загрязнения.

Атомная промышленность включает предприятия по добыче и переработке уранового сырья, обогащению урана, заводы по изготовлению твелов, атомные электростанции, радиохимические заводы по регенерации отработанного топлива, предприятия по переработке и хранению радиоактивных отходов. Радиационное воздействие на окружающую среду возможно на всех этих предприятиях.

С точки зрения экологических проблем АЭС, при нормальных условиях эксплуатации, обеспечивают чистоту воздушного бассейна, в то время как тепловые, мало того, что работают на невозобновляемых ресурсах, но и загрязняют атмосферу миллионами тонн вредных веществ (сернистые газы, зола в виде пыли, окислы азота). Но аварии на АЭС в США в Пенсильвании, в Чернобыле и другие склонили общественное мнение против АЭС.

Но возрастающая постоянно потребность в энергии приводит к увеличению производства атомной энергии. В настоящее время около 400 АЭС работают в 26 странах и вырабатывает 16% всей электроэнергии. (В некоторых странах до 70%).

Вместе с тем проблемы атомных электростанций не исчерпываются авариями, для предотвращения которых делается все возможное. Вторая важная проблема это радиационные отходы. После выхода из строя отслужившего оборудования его хранят в специальных хранилищах до полного захоронения или повторного использования. В настоящее время разрабатываются новые методы демонтажа реакторного оборудования - резка лазерными лучами, абразивными струями под высоким давлением и т.д.

Другим источником ядерной энергии могут быть термоядерные процессы.

Как мы говорили в начале, ядерная энергия может высвобождаться не только при делении тяжелых ядер, но и при синтезе - слиянии легких ядер в более тяжелые. При нормальных условиях слияние ядер невозможно, потому что положительно заряженные ядра испытывают огромные силы кулоновского отталкивания. При синтезе легких ядер задача сводится к тому, чтобы сблизить ядра настолько, чтобы действие ядерных сил притяжения превышало кулоновские силы отталкивания. Для того, чтобы сблизить ядра на такое расстояние и произошло слияние ядер, необходимо увеличить их кинетическую энергию, что достигается повышением температуры. При температурах порядка 10⁷ К и выше, ядра могут подойти на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил образуется сложное ядро. Реакция слияния ядер при высоких температурах называются термоядерной.

В настоящее время говорят о термоядерном синтезе как о перспективном источнике энергии. Но, к сожалению, он уже долго остается перспективным. Хотя исторически открыт синтез ядер на 4 года ранее Резерфордом (синтез ядер дейтерия с получение трития), чем реакция деления ядер урана.

Осуществить управляемую термоядерную реакцию - значит создать самый богатый и дешевый источник энергии. Решение этой проблемы избавит человечество от забот об источниках энергии - в этом случае ядерным горючим становится вода морей и океанов.

В целях промышленного использования термоядерной энергии необходимо овладеть управлением реакцией. При столь высокой температуре (~10⁸К) вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. И поэтому возникают проблемы - создание температуры и удержание плазмы в заданном объеме. Вторая проблема связана с тем, что в настоящее время не существует в природе материала, способного выдержать такие температуры, кроме того, при соприкосновении со стенками плазма остывает.

Существует и еще одна проблема. Для энергетически выгодных реакций необходимы изотопы водорода: дейтерий и тритий. Однако дело осложняется тем, что в природе почти нет свободного трития. Все эти проблемы в настоящее время решают ученые всего мира, но пока рано говорить о широком практическом использовании этого вида энергии.

Термоядерное производство энергии прекрасно с точки зрения экологии нет радиоактивного излучения, радиоактивных отходов.

В перспективе предполагается создание реакторов для осуществления термоядерных реакций гибридных или смешанных типов. В них должны сочетаться реакции синтеза и деления ядер.

Такие реакторы были бы удобны не только для производства энергии, но и для воспроизводства трития, или наработки плутония. Внедрение термоядерных реакторов в комплекс АЭС ускорит решение топливной проблемы, пока не будут созданы более совершенные термоядерные реакторы.

С начала 70 годов прошлого столетия ряд стран приступили к разработке национальных программ по использованию нетрадиционных источников энергии. В основном в этих программах предпочтение отдается возобновляемым источникам энергии, в первую очередь энергии солнца, энергии ветра, теплоте земных недр.

2. Нетрадиционные (альтернативные) методы получения энергии

В настоящее время происходит весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив (прежде всего нефти и газа), использование которых связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая сюда также и тепловое «загрязнение», и грозящее климатическими последствиями повышение уровня атмосферной углекислоты). Ограниченными являются запасы урана, энергетическое использование которых, к тому же, порождает опасные радиоактивные отходы. Существует также неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии.

В ближайшее время уголь, нефть и газ будут доминировать в производстве энергии. Это экологически опасно. Использование этих источников энергии приведет к увеличению углекислого газа в атмосфере. За сто лет оно увеличилось на 15%, а в период за 1960 -1990 на 7%. Таким образом, темпы растут и парниковый эффект может иметь глобальный характер.

Температура атмосферы Земли увеличивается и за счет загрязнений. В итоге изменяется тепловой баланс Земли. А перегрев Земли всего на 3-4 градуса приведет к очень серьезным негативным последствиям. Поэтому поиски альтернативных технологий для производства энергии становятся первоочередной задачей.

С 70 годов прошлого столетия в большинстве стран приняты национальные программы по созданию альтернативных источников энергии.

Основная задача - разработать методы получения экологически чистой энергии, чтобы было возможно сохранить круглогодичный баланс СО₂ в атмосфере, и минимально загрязнять атмосферу.

В качестве таких источников в настоящее время предлагаются солнечная энергия и энергия ветра, океана, Земли.

2.1 Солнечная энергия

Преимущества использования солнечной энергии очевидны. Во-первых, практически исключается тепловое загрязнение среды, т.к. не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником остается солнце. И, во-вторых, не возникает побочных продуктов или отходов. Солнечная энергия, кроме того доступна.

Все возобновляющиеся энергетические ресурсы являются производными энергии солнца. Около 65% солнечной энергии расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а также на образование волн, воздушных и океанических течений и ветра. Одним из свойств солнечной энергии является полное отсутствие неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Солнечная энергия, как в виде прямого излучения, так и рассеянной радиации может быть использована для производства тепла или вторичных форм энергии, электричества ит.д. Применение энергии солнца для горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха может покрыть 2 - 5% потребностей в первичных энергоресурсах. Температуру до 100°С можно получить без концентраторов, 5000°С - с концентраторами.

Солнечное излучение -- экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05 * 10¹⁸ кВтч, из них 2 * 10¹⁷ кВтч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62 * 10¹⁶ кВтч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2 * 10¹² тонн УТ в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре (34,2 млрд. тонн УТ).

Однако использование этой энергии для производства электричества в крупных размерах сопряжено с большими трудностями, главные из которых - низкая плотность 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 100 тонн алюминия. Подтвержденные на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10 тонн.

Наиболее важным использованием солнечной энергии является преобразование ее в электрическую. К установкам такого типа можно отнести фотоэлектрические генераторы (или фотоэлектрические преобразователи) ФЭП.

Интенсивное развитие ФЭП (солнечных батарей) началось в 1958 г., когда был выведен на орбиту третий советский искусственный спутник Земли, на борту которого были установлены кремниевые солнечные фотоэлементы, вырабатывавшие электроэнергию для питания радиоаппаратуры спутника. С тех пор и до настоящего времени именно солнечные батареи на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей являются основными источниками электропитания околоземных и межпланетных автоматических космических аппаратов и пилотируемых орбитальных станций.

Солнечный элемент по своей сути - это диод с большой площадью р--n - перехода. Простейшие солнечные преобразователи на основе монокристаллического кремния имеют КПД около 10---15%, и, порядка 15--20%, если используется арсенид галлия.

Принцип работы солнечной батареи (рис.2.8.): на полупроводник направляется световой поток или другое излучение и в результате этого возникает напряжение. Мощность ФЭП достигает 300 Вт/м², кпд до 30% (теоретически может быть 80%).

Рис.2.8.. Устройство солнечной батареи:

1 - омический контакт; 2 - поглощающие слои из полупроводника р-типа; 3 - полупроводник n-типа; 4 - подложка; 5 - область встроенного электрического поля: 6 - просветляющее покрытие; 7,8- фотоны; 9 - верхний омический контакт (гребенка).

На спутниках типа «Молния» уже использовались батареи мощностью 1 кВт, а на «Спейсбас» (совместное производство Франция и Германия ) - 3 кВт. Такие генераторы широко используются на спутниках, космических кораблях и на земле, где нужны небольшие источники энергии.

Однако широкое распространение затруднено. Это связано с тем, что основным материалом для изготовления ФЭП является монокристаллы кремния. Сырьевые запасы этого материала в природе практически не ограничены, технология его получения сравнительно хорошо отработана, но дорогостояща.

В последнее время Япония предложила так называемый аморфный кремний, который не имеет регулярной кристаллической структуры. Поглощение фотонов света в нем весьма велико. Например, пленка аморфного кремния толщиной 0,5 мкм по этому показателю эквивалентна толщине пластины из монокристаллического кремния порядка 300 мкм. А это означает возможность создания легких и дешевых ФЭП пленочного типа на основе аморфного кремния.

В настоящее время делаются попытки использовать поликристаллический кремний (тонкие пленки).

Космические энергоустановки на основе фотоэлектрических преобразователей имеют важные преимущества по сравнению с бортовыми энергоустановками других типов. Во-первых, они имеют минимальную массу. Во-вторых, имеют большой ресурс работы, и могут функционировать в условиях, когда ремонтно-восстановительные работы и профилактическое обслуживание невозможны или сильно затруднены. В-третьих, не создают помех в работе бортовой аппаратуры и не являются источником повышенной опасности для экипажа пилотируемых, орбитальных станций.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую используют плоские и сферические зеркала. Плоские зеркала (гелиостаты) размещенные на поверхности Земли. Но неравномерность поступления солнечной энергии требует дополнительно аккумулирующей системы (на ночь, пасмурные дни).

К сожалению, этот метод не нашел широкого применения особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.

По мнению ученых значительных результатов можно было бы достичь отказавшись от наземных солнечных электростанций и размещая их на геосинхронной орбите.

Идея солнечной космической электростанции (СКЭС) впервые была сформулирована в США П.Е. Глезером в 1968 году. Предлагалось разместить на геосинхронной орбите (орбита, на которой спутник остается неподвижным относительно поверхности планеты) солнечные батареи большой мощности, снабженные преобразователями постоянного тока в снерхвысокочастотное (СВЧ) электромагнитное излучение. Поток СВЧ излучения, в отличие от оптического, хорошо пронизывает облачный покров Земли и практически не рассеивается при интенсивных осадках.

Выбор геосинхронной орбиты (порядка 36000 км) в качестве места базирования СКЭС обеспечивает зависание станции над определенным пунктом на земной поверхности, а использование направленного пучка электромагнитного излучения позволяет передать энергию со станции на Землю, где она может быть преобразована в электрический ток промышленной частоты.

Плоскость геосинхронной орбиты обеспечивает почти круглогодичную освещенность панелей солнечных батарей. Учитывая также, что плотность солнечной радиации на геосинхронной орбите составляет 1,4 кВт/м², что в 2--2,5 раза больше, чем в среднем на Земле, то становятся очевидными преимущества СКЭС перед наземными станциями.

Разумеется, не менее очевидны и трудности, прежде всего экономические, трудности технологического плана, связанные с эксплуатацией преобразователей солнечной радиации в постоянный ток. КПД различного вида преобразователей, предлагаемых в настоящее время не превышают 15 - 20%.

Общим недостатком всех машинных преобразователей является наличие в них вращающихся частей, что создает проблемы с поддержанием неизменной ориентации станции. Следует также отметить, что необходима также специальная защита излучателя от пробоя метеоритами.

Но в целом преимущества использования солнечной энергии очевидны. Во-первых - практически исключается тепловое загрязнение среды, т.к. не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником остается солнце. И, во-вторых, не возникает побочных продуктов или отходов. Солнечная энергия, кроме того доступна.

2.2 Ветроэнергетика (энергия ветра)

По данным Международного института прикладного системного анализа (МИПСА), использование только 0,5% энергии ветра эквивалентно 40% всей потребляемой человечеством энергии и значительно превосходит экономический потенциал гидроэнергии планеты.

Ветроэнергия один из наиболее старых источников энергии. Считается, что первые двигатели появились в 1700 году до нашей эры. В начале XII века ветряные мельницы появились в Европе. К концу XIX века в Дании, например, было около 30 тыс. ветряных мельниц.

Первый ветродвигатель был простым устройством с вертикальной осью вращения. Из истории развития техники хорошо известно, что использование энергии ветра имеет старые, сложившиеся традиции. Еще за долго до развития электричества в середине XIX века ветер служил источником энергии для судов и мельниц.

В России первая ветроэлектростанция, мощностью несколько киловатт, была построена в 1929 году в г. Курске по проекту советских изобретателей А.Г. Уфимцева и В.П. Ветчинкова. В 1931 году была сооружена ветроэлектрическая станция для параллельной работы с мощной ТЭС, питающей электроэнергией г. Севастополь.

В 50-х годах были построены несколько ветроэлектрических станций мощностью 300 кВт с тепловым резервом, а также многоагрегатная ветроэлектрическая станция мощность 400 квт. в Казахстане, состоящая из 12 установок, работающих параллельно с дизельной электростанцией. Во Франции эксплуатировалась ветроэлектрическая станция мощностью 640 квт.

Наиболее мощная ветроэлектрическая станция построена в США - 1,25 Мвт.

В XX веке, когда электроэнергия стала играть доминирующую роль в энергобалансе, центр тяжести был перенесен на такие энергетические ресурсы, как нефть и уголь. Повышение цен на нефтяном рынке вызвало возобновление интереса к разработке как крупных ветроэлектрических станций (ВЭС), так и ветроэнергетических установок (ВЭУ) для местного энергоснабжения.

Энергия ветра покрывает 0,001 мировых потребностей энергии. Климатические условия нашей страны позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных до восточных границ, особенно вдоль побережья Северного Ледовитого океана.

Ветроэлектрическая станция - это ветроэнергетическая установка, преобразующая кинетическую энергию ветрового потока в электрическую. Ветроэлектрическая станция состоит из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства для управления.

Легко показать, что выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра (в кубе). Поэтому ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой.

Одной из самых сложных проблем, препятствующих широкому распространению ветроэнергетических установок, является постоянно меняющаяся скорость ветра. Даже высоко в горах нельзя рассчитывать на стабильную скорость ветра. Кроме того, электроэнергия начинает вырабатываться этими установками тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она необходима. К сожалению, удобного, эффективного и экономичного способа запасать электроэнергию в большом количестве еще нет.

В большинстве случаев ветроэлектрическая станция используется как источник электроэнергии относительно небольшой мощности в местах, характеризующихся хорошим ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра более 5 м/с) и удаленным от сетей централизации электроснабжения( Арктика, Каспийское и Охотское море и т.д.). Наиболее перспективно применение этих станций в сельском хозяйстве.

В настоящее время развитие ветроэнергетики идет одновременно в двух направлениях: системной ветроэнергетики с использованием ветроагрегатов единичной мощности 1 - 3 МВт и автономной ветроэнергетики, рассчитанной преимущественно на применение ветроагрегатов мощностью от 1 до 100 кВт.

В последнее время предложены варианты комбинированного использование ветровой и солнечной энергии. Это обеспечивает более стабильную выработку энергии по сравнению с автономными ветровыми или солнечными установками.

В настоящее время ветровая энергия может быть использована в основном как дополнительный источник для производства электроэнергии и сейчас она может найти лишь ограниченное применение.