Гідроакумулюючі електростанції (гаес)
ГАЕС споживають і накопичують енергію, коли вона є в надлишку, і повертають її в електричну мережу, коли її недостатньо. Таким чином вони регулюють (вирівнюють) виробництво і споживання електроенергії в часі. ГАЕС мають нижній і верхній водяні басейни (водосховища), між якими (рис. 8) встановлено електрогенератори з турбінами — насосами, які можуть працювати як насоси, коли споживають надлишкову електроенергію і качають воду з нижнього водосховища у верхнє — накопичуючи потенційну енергію води; або працюють як гідротурбіни з електрогенераторами, коли вода перетікає з верхнього в нижнє водосховище в ті періоди часу коли енергії в об'єднаній електромережі недостатньо (наприклад, у вечірній час, коли споживання електроенергії максимальне — пікове).
Рис. 8. Схема гідроакумулюючої електростанції (ГАЕС):
1 — електростанція ТЕС; 2 — нижній водяний басейн; 3 — електрогенератор з гідротурбіною-насосом; 4— водовід; 5— верхній водяний басейн
В Україні перша ГАЕС була споруджена в 1971 році на правому березі Київського моря, яке відіграє роль нижнього водосховища, а верхнє водосховище споруджене вище. Потужність цієї станції — 225 МВт, напір води верхнього водосховища — 65 м.
Гігантські водосховища, що створюються при будівництві ГЕС, затоплюють мільйони гектарів родючих земель, пасовищ, лісів. Із зон затоплення при будівництві ГЕС Дніпровського каскаду переселено в інші місця тисячі населених пунктів. Крім того, в наш час в зоні дніпровських та інших водосховищ спостерігається підпір ґрунтових вод від 6 до 8 метрів, що призводить до заболочення і підтоплення сільськогосподарських угідь, населених пунктів, промислових підприємств.
Тільки на Київщині підтоплення земель існує в 21-му районі, діям водної ерозії підлягають близько 1,2 млн га сільськогосподарських угідь, понад 680 сільськогосподарських господарств, 297 промислових підприємств.
Жодна країна Європи, крім України, не має такої великої кількості штучних водойм із регульованими стоками річок.
Меншої шкоди довкіллю завдає будівництво ГЕС в ущелинах гірських річок.
Атомні електростанції (аес)
Джерелом отримання електроенергії на АЕС є ланцюгова реакція ділення ядер атомів важких елементів. Ця реакція відбувається в атомних реакторах з виділенням великої кількості тепла.
Перший атомний реактор було побудовано 1942 року в США під керівництвом італійського вченого Е. Фермі, а в СРСР — 1946 р. під керівництвом І.В. Курчатова.
Атомний, а точніше — ядерний, реактор — це апарат, що в ньому відбувається ланцюгова реакція ділення ядер атомів важких елементів. У сучасних ядерних реакторах використовують уран.
Ділення ядер урану стає можливим за опромінювання їх нейтронами (рис. 9).
Це явище було відкрите (1939 р.) німецькими вченими О. Ганом і Ф. Штрасманом. Природний уран є сумішшю трьох ізотопів: 238U (99,3 %), 235U (0,7 %) і 234U (останнього є найменше — лише один атом на 17000 атомів урану - 238). В ядерний реактор завантажують або природний уран чи його сполуки, або уран, трохи збагачений ізотопом U-235, бо лише останній під дією нейтронів може ділитися у режимі відносно керованої ланцюгової ядерної реакції за забезпечення належних умов.
У природному урані завжди існують вільні нейтрони, які виділяються за ділення ядер урану-235 і інших, але ланцюгової реакції при цьому не відбувається, оскільки ядра ізотопу урану-238, яких у 140 разів більше, ніж ура-ну-235, поглинають нейтрони, перериваючи в зародку ланцюговий процес ділення ядер. Крім того, далеко не кожне попадання нейтрона в ядро урану-235 спричиняє його ділення: більша частина нейтронів високої енергії (~ 2 MeV) просто пронизує ядро наскрізь.
Невдовзі виявилось , що ділення ядра урану-235 активізується під впливом так званих повільних (теплових) нейтронів зі швидкістю, близькою до теплового руху атомів, — 0,025 eV. В атомному реакторі це досягається спеціальними уповільнювачами (графіт, берилій, вода), проходячи через які нейтрони знижують швидкість, отже й енергію, до теплових її величин.
Рис. 9. Структурно-енергетична схема розпаду атома урану-235
На рис. 9 показано, що в процесі розпаду атома урану-235 виділяється близько 200 MeV енергії.
Розрахунки показують, що при діленні 1 г. урану виділяється 5,12·1023 MeV енергії, або 5,12·1023 ·16·10-19 = 8,2·104 МДж/г, або 82000000 МДж/кг, що перевищує енергію вугілля в 2,7 мільйона разів.
Схему технологій атомної енергетики показано на рис. 10.
Новим етапом у розвитку атомної енергетики стало використання на АЕС ядерних реакторів на "швидких" нейтронах. У таких реакторах одночасно з утворенням енергії відбувається перетворення урану-238 в плутоній-239, який також використовується як ядерне паливо. Реактори-розмножувачі дозволяють приблизно в 20 разів більше використовувати ядерне паливо, а також можливе використання урану, котрий розщеплений у морській воді, що більш ефективно та економічно.
Рис. 10. Схема технологій виробництва атомної енергії
Сьогодні на основі досліджень стало реальним завдання комплексного використання атомних станцій для виробництва електричної та теплової енергії. Тобто на базі розміщення атомних електростанцій поблизу міст та промислових об'єктів. Вплив атомної енергетики на природне середовище відносно невеликий: виробництво енергії на АЕС не супроводжується використанням кисню, забрудненням атмосфери CO, S02, золою, а викиди в атмосферу радіоактивних речовин значно нижчі від встановлених норм, ніж ТЕЦ. Екологічний вплив АЕС дуже великий в "тепловому" відношенні, забрудненні води та підвищенні її температури. Хоч і цей недолік можна використати в сільському господарстві, якщо не перевищені норми радіації; їх можна використовувати в тепличних, тепловодних рибних та мікробіологічних господарствах тощо.
До 1986 р. спеціалісти з атомної енергетики особливо підкреслювали надзвичайну екологічну чистоту і технічну безпеку АЕС. На початку 1986 р. у світі вже працювало 350 енергетичних атомних реакторів загальною потужністю понад 250000 МВт.
Поряд з атомними реакторами з графітовою кладкою типу РБМК-1000 було введено в експлуатацію водо-водяні реактори ВВЕР-1000 (рис. 11)2.
Обгрунтування економічних і екологічних переваг АЕС ґрунтувались на таких твердженнях:
Ресурси урану для атомної енергетики дорівнюють ресурсам вугілля, нафти й газу разом узятим.
АЕС економлять дефіцитне органічне паливо (нафту і газ).
АЕС не споживають кисню і майже не викидають шкідливих газів і твердих продуктів.
За збільшення потужності всіх діючих електростанцій, навіть у кілька разів, глобальне радіоактивне забруднення становитиме не більше 1 % від рівня природної радіації на планеті.
Атомна енергетика ліквідує прірву між багатими й бідними державами, зменшить загрозу насильницького перерозподілу світових ресурсів.
Такі оцінки були дуже популярні до 26 квітня 1986 p., коли в Україні сталася катастрофа — вибухнув атомний реактор РБМК-1000 Чорнобильської АЕС. Це була перша й донині єдина аварія такого великого масштабу. За оцінками закордонних фахівців, на ліквідацію наслідків катастрофи необхідні витрати в розмірі понад 150 млрд доларів США.
Усіма державами світу було переглянуто й суттєво скорочено програми подальшої побудови АЕС.
Рис. 11. Схема енергоматеріальних потоків блока атомної електростанції (АЕС):
1 — атомний котел; 2 — елементи з ядерним паливом, що виділяють тепло; 3 — стержні, які регулюють коефіцієнт розмноження нейтронів (енергоактивність); 4 — первинний водяний контур високого тиску; 5 — вторинний пароводяний контур; 6— парова турбіна; 7— електрогенератор; 8 — теплообмінник; 9 — насос
За прискіпливішого аналізу деяких фахівців з'ясувалося, що капіталовкладення на одиницю потужності АЕС майже в два рази більші, ніж у тепловій станції, витрати води більші у 2—3 рази.
Нині багато які країни вирішили не форсувати розбудову атомної енергетики до того часу, доки не буде винайдено нових, безпечніших методів вилучення енергії з атома. Відтак перед людством постала актуальна проблема — розглянути альтернативні тепловій і атомній енергетиці джерела.
На АЕС отримане в реакторі тепло перетворюється на електроенергію за допомогою парових турбін і електричних генераторів. В парових турбінах використовують водяний пар як робоче тіло. Принцип отримання теплової енергії в реакторах різних типів однаковий, але використання тепла залежно від призначення різне.
За числом контурів циркуляції для передачі виділеної тепла по робочому тілу виділяють одно-, дво- та триконтурні теплові схеми.
Одноконтурні АЕС. Теплоносій, який приймає тепло в активній зоні реактора, надходить в турбіну як робоче тіло. В активній зоні відбувається пароутворення, пара надходить в турбіну, віддає енергію, і в конденсаторі утворюється вода, яка знов подається в реактор. Основний недолік— турбіни і конденсатори забруднюються радіоактивними речовинами, які потрапляють разом з парою.
Двоконтурні АЕС. Схема складається з двох контурів, причому контур теплоносія називається першим, а контур робочого тіла — другим. Перший контур призначений для виділення тепла з ядерного реактора, а другий — для перетворення його в механічну енергію, а потім в електроенергію. Теплообмінна поверхня парогенератора не дозволяє радіоактивним речовинам потрапляти з першого контура в другий.
В триконтурних АЕС перший контур заповнено натрієм, другий — евлітом (евтектичний сплав літієвих сполук), а третій контур заповнено водою. Евліт інертний відносно води та натрію теплоносій. Він не здатний до самозаймання та вибуху, що спрощує конструкцію парогенератора АЕС, робить її дешевшою, безпечнішою та полегшує ремонтні роботи.
Атомна енергетика займає 24 % у загальноенергетичному балансі України. Гідроенергетика та інші нетрадиційні джерела — в межах 3 %.
В Україні видобувається уран, є підприємства, які створюють первинний урановий концентрат, але поки що немає підприємств виготовлення кінцевого продукту як пального для атомних електростанцій. Завантаження одного ядерного реактора потужністю 1 млн кіловат потребує 163 касети урану. А це коштує 15 млн доларів США. Зауважимо, що одне заповнення такого ядерного реактора створює за рік 7 млрд кВт·год. електроенергії. Для виробництва такої кількості енергії від теплової (на вугіллі) електростанції потрібно було б 2,7 млн тонн вугілля, що коштувало б 108 млн доларів США, не враховуючи доставки і відходів. Зараз в Україні працюють 13 блоків атомних електростанцій і їх завантаження коштує 1,9 млрд дол. США на 1,5 року роботи. Загальна потужність цих 13 блоків - 11835 МВт.
Україна має можливості використовувати уран, газ, вугілля, створити раціональну енергетичну базу для своєї економіки й експортувати енергію на європейський ринок. Але це вимагає радикальної зміни всієї економіки, інвестиційної політики, збалансованої фінансово-кредитної системи.