Зорин В.М. Атомные электростанции. Вводный курс

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебная дисциплина «Атомные электростанции» изучается студентами, выбравшими АЭС как объект своей будущей инженерной деятельности. По первой, вводной части курса, они сдают экзамен перед защитой выпускной работы на степень бакалавра. Поэтому написание предлагаемого учебного пособия связано, прежде всего, с целью обеспечить подготовку к этому экзамену, а также обусловлено спецификой этой части курса.

Вводная часть курса посвящена: «взаимоотношениям» атомной электростанции с окружающей средой — производственной и природной, основным требованиям, к ней предъявляемым; основам анализа реализуемых циклов; некоторым задачам, решаемым при разработке тепловых схем.

Длительное время основным учебником многих поколений студентов была и остается книга профессора Т.Х. Маргуловой «Атомные электрические станции», первое издание которой вышло в свет в 1970 г., последнее, пятое, — в 1994 г. [1]. В ней дается ответ на вопрос, что такое атомная электрическая станция (АЭС), рассматриваются особенности технологических установок и оборудования. Книга была хорошо воспринята как научной общественностью, так и студентами.

В настоящее время настала необходимость уточнения ряда вопросов, относящихся к построению курса. Первый из них: что должно быть основным объектом изучения — процессы, оборудование или нечто другое? Второй вопрос: к какому этапу жизненного цикла этого объекта — исследованию, проектированию, эксплуатации — должен относиться материал курса? И, наконец, третий: каким образом должно изучаться это сложное техническое устройство — атомная электростанция?

Атомная электростанция — это сложный комплекс разнородного и многочисленного оборудования с протекающими в нем разнообразными процессами. Все оборудование и процессы объединены технологической схемой. Именно технологическая — иначе, тепловая схема дает ответ, как организована выработка электроэнергии на основе получаемой в ядерном реакторе теплоты. Требования к организации этого процесса позволяют выделить специфические характеристики оборудования, особенности протекающих в нем процессов, понять необходимость определенного взаимного расположения (компоновки) оборудования и т.п. Технологическая схема — это не

3

только основной процесс на электростанции, но и различные вспомогательные системы, системы безопасности. Таким образом, технологическая схема должна стать в курсе «Атомные электростанции» основным объектом изучения студентами.

Изучение технологической схемы атомной электростанции неизбежно связано с вопросами, а какой она должна быть, каким образом она должна разрабатываться? В свою очередь, это вопросы исследования и проектирования, которые взяты в качестве основных ориентиров курса.

Многочисленность и разнообразие оборудования технологической схемы атомной электростанции, связей между элементами оборудования, параметров, характеризующих элементы и связи, — все это не позволяет сформировать целостное представление о данном объекте, если в его основу положить элементы оборудования. Объективная и доступная для анализа структура электростанции может быть создана лишь на основе современной методологии — системном подходе. Один из основных его принципов — принцип иерархичности, позволяющий изучать и исследовать тепловую схему все с большей степенью детализации, переходя с верхнего уровня на нижние.

Указанные особенности нашли отражение в данном учебном пособии. В целом был принят следующий порядок изложения материала: сначала рассматривались вопросы, относящиеся в равной мере к атомной и тепловой электростанциям, работающим на органическом топливе, затем особенности АЭС и, наконец, основные положения и некоторые задачи, решаемые при исследовании и проектировании АЭС.

Особое внимание уделялось возможности практического освоения изучаемого материала. С этой целью в качестве примеров приведены решения некоторых задач. Чтобы обратить внимание читателей на важные вопросы изучаемого материала и получить ответы на некоторые из них в виде чисел, в конце каждой главы даны контрольные вопросы и задания.

При изложении способов распределения подогрева воды между подогревателями системы регенерации паротурбинной установки возникла дилемма. Возможным было рассмотрение сравнительно простым образом при многих допущениях, как это обычно делается в учебных изданиях, например в [2]. Другой путь — приближение анализа к реальностям паротурбинных установок. Несмотря на заметное усложнение проводимых преобразований, был выбран второй путь. Во-первых, потому, что при этом не повторяются материалы, уже опубликованные в учебной литературе. Но более важной представляется вторая причина. Включение в рассмотрение большего числа параметров расширяет возможности анализа, что позволяет выявить

4

взаимосвязи параметров, которые имеются в реальных установках. Не секрет, что одно из привлекательных качеств специалиста — способность по видимым последствиям какого-либо процесса сделать заключение о его причинах — непосредственно связано с умением проводить анализ и устанавливать взаимосвязи.

Последний параграф — об индифферентной точке в турбине — включен в учебное пособие, как один из примеров того, что еще не все задачи аналитического обоснования выбора параметров технологических установок электростанции в полной мере решены.

Во второе издание книги внесены новые данные по развитию ядерной энергетики, исправлены опечатки, замеченные в первом издании, подверглись редакционной доработке некоторые фрагменты текста.

Автор благодарит доцентов М.С. Алхутова и М.М. Каверзнева, профессоров В.М. Бродянского и В.С. Охотина, оказавших помощь своими консультациями при написании некоторых глав. Искреннюю признательность выражает автор также рецензентам профессорам С.Т. Лескину и Э.К. Аракеляну.

Все пожелания и замечания по содержанию книги автор просит направлять в Издательский дом МЭИ по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

5

Глава 1

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Энергетика — это область хозяйства страны, включающая в себя энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии.

Ядерная энергетика — это отрасль энергетики, использующая ядерную энергию для электрификации и теплофикации. Ядерная энергетика — это также область науки и техники, разрабатывающая методы и средства преобразования ядерной энергии в электрическую и тепловую. Основу ядерной энергетики составляют в настоящее время атомные электростанции (АЭС), на которых ядерная энергия преобразуется, прежде всего, в электрическую энергию.

Под первичными энергетическими ресурсами понимают геологические запасы веществ и природные виды энергии, которые могут быть преобразованы в полезную для хозяйства страны энергию.

К основным потребляемым первичным энергетическим ресурсам относятся:

•топлива, которые в свою очередь подразделяются на твердое (уголь, торф, биомасса), жидкое (нефть и газовый конденсат) и газообразное (природные горючие газы);

•атомная (ядерная) и гидравлическая энергия, а также нетрадиционные возобновляемые источники энергии (геотермальная, солнечная, ветровая энергия, биомасса).

Производство первичных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) выражают обычно в тоннах условного топлива (т у.т.). Для топлив коэффициентом пересчета является удельная теплота сгорания условного топлива, равная 29,3 МДж/кг. В производстве первичных ТЭР учитывается только та часть природных видов энергии, которая фактически преобразована в полезную энергию на атомных, гидравлических, геотермальных электростанциях. При этом пересчет в условное топливо производится по физическому эквиваленту, т.е. 1 кВтæч = 0,123 кг у.т.

Полезная энергия на атомных электростанциях — это теплота, полученная в ядерном реакторе, на геотермальных электростанциях — теплота, подведенная с геотермальным теплоносителем.

6

Потребление первичных энергоресурсов каким-либо общественным образованием (страной) оказывается определяющим уровень жизни его членов (народа). Уровень жизни — это то же самое, что уровень потребления населением материальных и духовных благ, степень удовлетворения потребностей в этих благах.

Уровень жизни отражает благосостояние населения и характеризуется системой количественных и качественных показателей. К ним относятся: объем реальных доходов на душу населения (в СССР

удваивались каждые 15 лет), уровень и структура потребления продовольственных товаров, непродовольственных товаров и услуг, уровень и динамика цен на основные предметы потребления, тарифы коммунальных и транспортных услуг, продолжительность рабочего дня и рабочей недели, жилищные условия, уровень образования и медицинского обслуживания, средняя продолжительность жизни и др. На основе конкретных показателей уровня жизни разработаны различные виды обобщенного показателя, который оказывается прямо пропорциональным потреблению первичных энергоресурсов. Несмотря на то, что в ряде стран достигнуты высокие значения удельного (в расчете на каждого жителя) энергопотребления, насыщения обобщенного показателя уровня жизни (отклонения зависимости от линейной) не наблюдается.

Потребление первичных энергоресурсов в различных странах в 2008 г. характеризуется следующими данными (www.yestravel.ru; www.mazamascience.com):

*) На основе данных из «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», 2009 г.

7

Кроме климатических особенностей страны, между потреблением энергоресурсов и уровнем жизни присутствуют такие факторы как технологическое совершенство производства полезных видов энергии и, что более существенно, технологическое совершенство производства различных видов продукции (рассчитываемое как количество потребленных энергоресурсов или полезной энергии на единицу продукции).

Суммарное мировое потребление первичных ТЭР составило в 2008 г. примерно 17,0 млрд т у.т., в том числе на долю атомной энергии приходилось 5,5 %. Наибольшая доля принадлежала нефти — 34,8 %.

Среди полезных видов энергии особое место занимает электрическая энергия. На производство электроэнергии затрачивается около 38 % всех используемых первичных энергоресурсов.

Особая роль электрической энергии в удовлетворении энергетических потребностей и обеспечении научно-технического прогресса человеческого общества обусловлена ее высокими потребительскими качествами. Это такие качества, как простота преобразования в другие формы энергии, способность к передаче на большие расстояния, экологическая чистота, относительная легкость в управлении процессами производства, передачи, распределения и потребления.

Производство и использование электроэнергии является важной составляющей экономической политики государства, развития экономики и уровня жизни населения (табл. 1.1).

К приведенным данным следует добавить, что на сегодня, по данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ),

8

примерно четвертая часть населения Земли не имеет доступа к электричеству (80 % из них живут в Южной Азии и в странах Африки к югу от Сахары).

Доля ядерной энергетики (ЯЭ) в мировом производстве электроэнергии электростанциями всех типов в настоящее время составляет примерно 13,5 %, в России — 15,7 %.

По данным МАГАТЭ, атомные электростанции работают в 32 станах мира. На конец 2007 г. в этих странах насчитывалось 442 атомных энергоблока в эксплуатации и 29 — в строительстве.

В России в эксплуатации находится 32 энергоблок на десяти АЭС (табл. 1.2). Суммарная установленная мощность АЭС составляет 24,3 ГВт. В таблицу не включены остановленные для выполнения работ по выводу из эксплуатации энергоблоки на Белоярской (два) и Ново-Воронежской (два) АЭС, а также первая в мире АЭС (г. Обнинск), которая к 2005 г. полностью прекратила свою работу. Планируется ввод энергоблоков на Калининской и Курской АЭС (2011 г.); еще 7 энергоблоков находятся в стадии строительства.

В качестве итогов развития ядерной энергетики приведем характеристики, сформулированные Всемирной ядерной ассоциацией (ВЯА).

1. Ядерная энергетика вышла из затянувшегося отрочества с его болезнями роста и достигла технологической зрелости. Это означает ее способность в настоящее время поставлять чистую и безопасную энергию во все возрастающих масштабах.

* В конце 2009 г. реактор 2-го энергоблока выведен на минимально контролируемый уровень мощности (МКУ).

9

2.На национальном уровне ядерная энергетика способна обеспечить энергетическую безопасность (независимость от зарубежных источников энергии) и охрану окружающей среды. Более того, во многих странах пришли к выводу, что энергетическая безопасность и охрана окружающей среды невозможны без ядерной энергетики.

3.В перспективе для удовлетворения мировых потребностей в энергии окажется недостаточно запасов ископаемого топлива, и нужны альтернативные решения. В настоящее время ядерная энергетика — это наиболее реальный вариант решения проблемы.

4.Выявлены и находятся в стадии разработок другие пути применения ядерной энергии, кроме производства электроэнергии. В первую очередь, это обеспечение транспортных средств водородом (производство водорода) и производство чистой питьевой воды посредством опреснения морской воды. И здесь уместно вспомнить об опыте Шевченковской АЭС.

5.Охрана окружающей среды в мировом масштабе оказывается невозможной без широкомасштабного использования ядерной энергии. Имеются оценки, что для предотвращения катастрофического изменения климата на Земле, которое прогнозируется, необходимо до 2050 г. не менее чем в 2 раза сократить выбросы в атмосферу вредных веществ, в первую очередь парниковых газов в условиях роста населения и развития мировой экономики.

Вкаких условиях происходит развитие ядерной энергетики?

Во-первых, ее перспективы определяются ресурсной базой. Основным горючим для современной ядерной энергетики является уран. При цене добываемого урана не более 130 долл/кг его запасы во всем мире оцениваются в 12…13 млн т или не более, чем на 100 лет при сохранении добычи на уровне 1996 г. В энергетическом эквиваленте это меньше, чем запасы нефти и газа, не говоря уже об угле. Проблема топлива для ядерной энергетики кардинально может быть решена только при использовании быстрых реакторов с замкнутым топливным циклом, включающим переработку отработавшего ядерного топлива. Заметим, что быстрые реакторы позволяют решать и частные задачи: например, сжигать плутоний и долгоживущие радиоактивные отходы от легководных реакторов.

Во-вторых, развитию ядерной энергетики сопутствовали и сопутствуют три проблемы. Это экономичность атомных электростанций, защита населения от возможного радиоактивного воздействия, т.е. необходимость обеспечения высокого уровня безопасности АЭС и нераспространение ядерного оружия. Согласно исследованиям, проведенным МАГАТЭ, применительно к каждой из этих проблем имеются убедительные решения, которые позволяют рассматривать ядерную энергетику как компонент мировой энергетики будущего.

10