1. Промислові методи одержання енергії

Енергетика - "серце" технічного прогресу. Нині в Україні дуже гостро стають питання складання енергетичної програми та її практичної реалізації. Впровадження новітніх технологій базується на створенні стабільної енергетики в Україні. Нині в розвинутих країнах середня потужність споживання енергії становить майже 10 кВт для кожної людини. В Україні теплову і електричну енергію одержують головним чином при спалю­ванні вуглеводневого палива. Витрати його дуже великі. Усереднені витрати енергії на душу населення в Україні при середній потужності 2 кВт становлять 17-103 кВт-годин на рік. Це еквівалентно спалюванню 2 т вугілля або 12м3 нафти. Легкодоступні родовища палива вичерпуються і виснажуються (прогнозується їх використання не більше 200-250 років).

Енергетика - основний фактор розвитку всіх галузей промисловості. Основою електроенергетики є теплові електро­станції (ТЕС). На них виробляється 70% загального обсягу електроенергії. В майбутньому ця частка буде поступово зменшуватися за рахунок атомних і гідроелектростанцій, але тенденція зрос.тання абсолютних показників ТЕС збережеться. На частку гідроелектростанцій припадає 13% від загального виробництва електроенергії.

У такій ситуації^важливе значення мають енергозберігаючі технології, а також пошуки нових джерел енергії.

У табл. 9.1 наведено усереднені дані про споживання електроенергії у США і в Україні у відсотках від загального обсягу виробництва електроенергії.

З табл. 9.1 бачимо, що частка споживання електроенергії за першими трьома позиціями в Україні в середньому в 1,6 разу більша, ніж у США. Практично абсолютне значення енерго­забезпечення промисловості не відрізняється. Виробництво електроенергії в Україні проходить в основному за рахунок ТЕС. Припускається, що у зв'язку з розвитком міжнародного співтовариства і допомогою країн ЄС, в Україні відсоток введення потужностей і вироблення електроенергії на ТЕС буде знижуватися за рахунок АЕС. Сучасний етап розвитку атомної енергетики у країнах СНД характеризується координацією дій кожної країни і розподілом виготовлення елементів, устат­кування між ними. У табл. 9.2 порівнюються обсяги вироб­ництва електроенергії в СРСР у 1985 і 1990 роках.

З цієї таблиці видно, що частка участі ГЕС у виробництві зменшується. Враховується залежність роботи ТЕС від природних умов (багатоводневий або маловодневий гази), використання менших потужностей, менша кількість робочих годин станції. Це є причиною зменшення питомої ваги гідроенергетики.

Основні шляхи розвитку електроенергетики:

1) будівництво та експлуатація ТЕС на газоподібному паливі;

2) розвиток атомної енергетики (незважаючи на аварію на Чорнобильській АЕС);

3) розвиток альтернативних і використання нових видів енергії.

Як правило, теплові електростанції працюють у наш час на природному газі і кам'яному вугіллі. При роботі на цьому органічному паливі після котла продукти згорання викидаються в атмосферу у зв'язку з їх малою теплоцінністю (температура вихідних газів 140°С), тобто паливо, що надходить у котел, не

потребує створення замкнутого паливного циклу. Показником ефективності роботи ТЕС є питома витрата палива. Паливна складова визначається за витратою використовуваного палива.

На ТЕС основою для визначення термічного ККД є теплотворна здатність палива. І підвищення цих параметрів веде до зростання теплового ККД і у зв'язку з цим загальної економічності станції. В Україні, як і в усіх країнах СНД, значна частина енергетичних ресурсів використовується на теплопо­стачання промислових підприємств і житлових будинків. При цьому для теплоенергетики велике значення мають тепло­електроцентралі (ТЕЦ), що використовують парові турбіни теплофікаційного типу з регульованими відборами пари для теплопостачання. Теплова електростанція має бути розташо­вана ближче до споживача. Атомні теплоцентралі треба будувати на значній відстані від великих населених пунктів.

Перша АЕС у США була запущена у 1957 р., у Великобри­танії - у 1956 р., у колишньому СРСР - у 1958 р. Сумарна потужність працюючих АЕС світу у 1958 р. була 195 МВт, а у 1964 р. - 5000 МВт. У 1970 р. АЕС мали 14 країн, і вартість електроенергії ТЕС дорівнювала вартості електроенергії АЕС. Нині 26 країн світу мають атомну енергетику загальною потужністю 270 ГВт.

До 1985 р. у Німеччині АЕС були лише з водними теплоно­сіями. У 1985 р. в м. Хамме було пущено блок із високотем­пературним гелієвим теплоносієм. На початку травня 1986 р. сталася розгерметизація реакторного контуру цієї АЕС із викидом радіоактивних продуктів у атмосферу. Реактор був зупинений для ремонту. Після цього у 1986 р. було введено в дію два нові блоки РWR загальною потужністю 2788 МВт. Скориставшись тим, що аварія у м. Хамме сталася через тиждень після Чорнобильської (26 квітня 1986 р.), у Західній Німеччині зробили спробу обдурити населення, якому повідомили, що підвищення радіоактивності пов'язане з аварією в Україні. Однак приховати правду не вдалося, і про цю аварію у м. Хамме стало широко відомо.

Ядерне (уранове) паливо - основний компонент у реакторі АЕС у комплекті тепловидільних елементів (ТВЕЛ), що завантажуються, і тепловидільних систем (ТВС). Паливні таблетки роблять з UO2 (діоксид урану), їх вміщують в оболонку з цирконієвого сплаву, що пропускає нейтрони. Цирконій захищає паливо від прямого контакту з теплоносієм.

Ступінь використання уранового палива на АЕС залежить від типу реактора. У реакторах на швидких нейтронах, тобто у реакторах без уповільнювачів нейтронів, можливе найбільш повне використання уранового палива. Реактори на теплових нейтронах мають у своєму складі уповільнювачі. Такі реактори з водним теплоносієм і уповільнювачем нині найбільш поширені. При цьому потрібне збагачення природного урану 238U, підвищення в ньому вмісту розщеплюваного ізотопу 235U, якого у природному урані лише 0,7%.

На рис. 9.2 показано зміну складу ядерного палива у відкритому циклі, тобто в незамкнутому паливному циклі.

У реакторах ВВЕР-1000 (двоконтурних) використовується паливо підживлення із збагаченням II до 4,4%.

Таким чином, у відвал відходить 90% добутого урану і лише 10% потрапляє у реактор.

У реакторах на теплових нейтронах з водним теплоносієм використовувати збіднений уран неможливо. Його можна використовувати, так як і природний уран, у реакторах на швидких нейтронах.

На рис. 9.2 можна побачити і склад палива, що вивантажу­ється з реактора. Видно, що з кожних 100 кг урану, який завантажується до реактора і знаходиться в ньому впродовж певного проміжку часу (у ВВЕР 3 роки), вивантажуються ті ж 100 кг, але з іншим нуклідним складом, у тому числі 2 кг невикористаного "розщеплюваного" матеріалу (1,26 кг U, а також 0,74 кг Ри). З 4,4 кг завантаженого 235U "згорає" 4,4 - 1,26 = = 3,14 кг. Отже, у реакторі утвориться 0,5 • 3,14=1,57 кг плутонію, з яких "згорає" 1,57 - 0,74 = 0,83 кг Ри. (Тут 0,5 - це коефіцієнт відтворення для ВВЕР, що характеризує можливість утворення Ри з основного ізотопу урану U). Таким чином, у ядерному реакторі типу ВВЕР-1000 використовуються 3,97% збагаченого урану або 0,397% природного урану.

Потужність одного блока реактора типу ВВЕР (водо-водяний енергетичний реактор) і РВПК (реактор великої потужності канальний) становить 1000 МВт.

Схема виробництва атомної енергії зображена на рис. 9.3.

Особливості техніко-економічних показників АЕС порів­няно з ТЕС:

1) При роботі на ядерному паливі до складу продуктів, що вивантажуються, входять нукліди, які після певної обробки могли б знову використовуватися в ядерній енергетиці, тобто ядерне паливо потребує створення замкнутого паливного циклу для переробки вивантажуваного палива. Для цього необхідне складне хіміко-технологічне виробництво. Нині з ядерного реактора, що відпрацював тепловидільні елементи, останні вивантажуються і зберігаються деякий час під водою на АЕС (звичайно до 3-х років), а після цього вивозяться.

2) Теплова складова, що визначається за витратами палива, для АЕС сягає 25-30% порівнянно з 60-75% для ТЕС. Тому для АЕС зміни у вартості палива (його подорожчання) менш суттєві, ніж для ТЕС, і не відбиваються на собівартості електроенергії, яка виробляється.

3) Для визначення термічного ККД для АЕС потрібно знати, що підвищення параметрів процесу також підвищує термічну ефективність, але не обов'язково - загальну економічність. При зростанні температури теплоносія може виникнути необхідність у заміні матеріалу оболонок ТВЕЛ (цирконієвих) на сталеві нержавіючі, що зумовить потребу суттєвого збагачення палива. У результаті загальна економічність може навіть знизитися. Собівартість 1кВт-год на деяких станціях вища через відмінності в матеріалах оболонок ТВЕЛ і відповідно збагаченого урану, що використовується. В Україні значні запаси урану і цирконію дозволяють знижувати собівартість електроенергії на атомних електростанціях. Як теплоносії у світовій практиці використо­вують Н2О, СО2, Не, рідкий Nа. СО2 - носій безперспективний. Використання Не і Н2О потребує більш габаритних розмірів реакторів (діаметр - 4,5 м, висота - 10,85 м), і тому газоохо-лоджувані АЕС найдорожчі. Найбільш використовувані теплоносії - рідкий Nа та Н2О.

Ядерне паливо має виключно високу енергетичність -майже в 2,5 млн разів більшу, ніж у кам'яного вугілля. Для однієї

атомної станції потужністю 1 млн кВт добова потреба становить 16 кг ядерного палива замість залізничного потягу з мазутом, а тим більше з вугіллям.

Стан атомної енергетики світу та її розвиток свідчать про те, що атомній енергетиці немає альтернативи, в умовах нормальної експлуатації АЕС забезпечується висока чистота повітряного басейну, і радіаційний фон у районі розташування АЕС менший, ніж той, що створюється ТЕС та іншими промисловими підприємствами.