Лекция 3

Рассматриваемые вопросы: природный газ как энергоресурс, ядерное топливо, возобновляемые источники энергии, гидроэнергетика, энергия ветра, солнечная энергетика, геотермальная энергетика.

Природный газ залегает в осадочных породах. Очень часто сопровождает нефть в ее месторождениях.

Теории происхождения природного газа такие же, как и у нефти, что подтверждается их совместным присутствием в месторождениях.

Однако природный газ образует и собственные залежи. До 25 % природного газа обнаруживают при поисках нефтяных месторождений.

Химический состав определяется месторождением (как и у нефти). В основном до 98 % природного газа – это метан, остальные части – этан, пропан, бутан, азот и влага.

По элементному составу до 65 % по массе – углерод, остальное водород. Доля азота может достигать 15 % (можно очищать сжижением), сера присутствует только в следовых количествах.

Условия залегания и добычи

Основные мировые запасы природного газа приходятся на Россию.

Еще есть газ в США, Иран, в других странах (<1 %). Из всех энергоресурсов потребление газа будет расти максимальными темпами. Основные импортеры газа: Япония, Восточная и Западная Европа.

Природный газ наиболее экологическое топливо. Предполагается основные экологические проблемы решать с помощью газа. Так газовая отрасль уникальная в своем роде, так как многие компании объединяются для решения экологических проблем.

В США есть Институт газа в который входят 36 компаний (50 % об бюджета компаний идет на рациональное использование газа в экологических целях, 1/3 на разведку новых месторождений, 15 % на разработку методов транспортировки газа).

Газотранспортная система РБ

В топливно-энергетическом комплексе газовая отрасль представления компанией «Белтрансгаз». По территории Республики Беларусь газ транспортируется по газопроводу. Природный газ взрывоопасен, поэтому его транспортировка требует дополнительных мер осторожности.

Природный газ как топливо

Сжигание его достаточно экологически чисто, его аппаратно удобно сжигать, не требуется дополнительных разработок, очень мало золы образуется. Основную опасность составляют оксиды азота.

Природный газ как химическое сырье

Природный газ используют для получения водорода так называемый синтез газ, применяется для органического синтеза ацетилена, ацетальдегида и т.д.

Другие источники газа

1) Глубинный газ – природный газ, растворенный при высоких давлениях и температуре в соленой воде. Основной вопрос как извлечь данный газ.

2) Метан, связанный с углем.

3) Метан, содержащийся в нефтеносных песках. Как его достать? Предложили и провели эксперимент с подземным ядерным взрывом, высвобождается метан, но радиоактивный.

4) Газ из органических отходов, так называемый биогаз. Отходы органического происхождения перерабатываются в газ, но это требует предварительной дифференциации мусора и отходов.

Ядерное топливо

В качестве энергии можно использовать энергии деления ядер. Проще всего эту энергию переводить в тепло. Однако теплоноситель будет радиоактивным, лучше переводить в более универсальный вид энергии – электрическую.

Атомная энергия – это энергия, выделяющая в результате деления ядер тяжелых элементов.

Термоядерная энергия – энергия, выделяющаяся в результате синтеза легких ядер.

В атомной энергетике в качестве топлива используется изотоп урана 235. Один кг урана-235 дает столько же тепла, сколько и 2500 кг угля. Уран не является редкоземельным элементом, его содержание в земной коре составляет около 4 частей на миллион, это больше чем для серебра, висмута и других элементов.

Однако руда очень бедна ураном, в результате использование просто руды в энергетике не рентабельно.

Ископаемые урановые руды делят на группы:

1) дешевая (<20 $ за грамм уранового концентрата)

2) средняя (~30 $ за грамм уранового концентрата)

3) дорогая (>30 $ за грамм уранового концентрата)

Классификации атомных реакторов:

1) По виду используемого топлива

а) реактора работающие на природном уране

б) реактора работающие на обогащенном уране

в) реактора работающие на чистом расщепляющемся материале (далее продукты для оружия массового поражения)

2) по энергии нейтронов вызывающих деление ядер урана:

а) реактора на тепловых (медленных) нейтронах их энергия около 0.025 eV;

б) реактора на быстрых нейтронах не используются специальные замедлители, в результате энергия нейтронов порядка 1MeV.

3) по конструкции активной зоны реактора:

а) гомогенные реактора (в активной зоне реактора ядерное топливо и замедлитель образуют гомогенную смесь);

б) гетерогенные реактора (ядерное топливо и замедлитель в различных агрегатных состояниях).

4) по типу используемого замедлителя:

а) вода;

б) тяжелая вода;

в) графит;

г) Ве;

д) BeO;

е) органические вещества.

5) по типу используемого теплоносителя:

а) газы (CO₂, N₂ и др.);

б) вода;

в) тяжелая вода;

г) расплавленный металл (Na, K и их сплав).

6) по числу контуров, по которым циркулируют теплоносители:

а) одноконтурные

	Одноконтурный реактор с перегревом пара. Это используется для понижения влажности пара, т.к. повышение влажности на один процент вызывает понижение кпд на 1%. А выходящий после турбины пар является мало реактивным, поэтому его лучше всего использовать для подогрева входящего в активную зону теплоносителя.
	Одноконтурный реактор с газовым теплоносителем. Две турбины

б) двухконтурные

В качестве первого теплоносителя используют как воду, так и металлы. Через теплообменник теплота передается воде во втором контуре. Вода переходит в пар и вращает турбину.

7) по назначения ядерного реактора:

а) исследовательские реактора (реактор малой мощности применяется для проведения различного рода исследований);

б) материаловедческий реактор (для исследования воздействия радиации на материалы, а так разработки материалов устойчивых к ней);

в) реактор-размножитель;

г) энергетический реактор (получение энергии);

д) двухцелевой реактор.

Не смотря на столь обширную классификацию реакторов их общий принцип работы одинаков. Урановый цикл как основа ядерной энергетики.

Ядерное топливо (уран-235) переводят в стержни или таблетки. Эти стержни называются твеллы. Твелл содержит в среднем около 3 % урана способного делится под действием медленных нейтронов. Уран-238 не имеет способности к делению под действием медленных нейтронов.

По мере работы понижается концентрация 235 урана понижается и соответственно возрастает концентрация продуктов деления урана (плутония). В результате понижается активность в реакторе и процесс замедляется. Примерно каждые три (пять) года твелл меняют на новый. А старый необходимо утилизировать. Для прекращения ядерной реакции твеллы погружают в воду.

Добыча, обогащение и переработка Урановой руды.

1) Добыча, измельчение. Из руды выделяют оксид урана. Хвосты также используют. В добытом оксиде содержится и 235и 238 уран (содержание 235 около 0.7 %). Следовательно, руду необходимо обогатить. Для этого Оксид урана фторируют и методом газовой диффузии разделяют, увеличивая содержание до 5 %. Если необходимо дальнейшее обогащение используют лазер (?).

2) Формируют твеллы. Полученные твеллы доставляют на станцию.

3) После использования на станции отработанное ядерное топливо либо утилизируют, либо извлекают из твеллов, по необходимости.

Принцип работы ядерного реактора

В ядерном реакторе проводится управляемая ядерная реакция. При протекании ядерной реакции выделяется тепло, которое передается теплоносителю. Ранее перечислялись типы теплоносителей, используемые при работе ядерного реактора.

Замедлители автоматически поддерживают степень ветвления ядерной реакции <= 1. Первичный теплоноситель проходит через активную зону реактора, получает тепло от процесса ядерного деления и передает его вторичному теплоносителю через теплообменник. Вторичный теплоноситель – вода. Вода переходит в пар и подается на турбину, которая вращает генератор и получается электрическая энергия.

Стоимость ядерного реактора составляет около 5 миллиардов долларов. (Время работы реактора около 30 лет). После этого реактор необходимо либо ремонтировать, либо консервировать, что стоит также 5 миллиардов долларов. Такой реактор самый экологически безопасный.

При использовании ядерного реактора возникают различные проблемы:

1) Ядерный реактор рассчитан длительную работу при определенной мощности, мощность реактора поддерживается на постоянном уровне (одно из условий работы реактора). А используется электрическая энергия непостоянно: время пиковой нагрузки, ночное время и т.д. Возникает необходимость в запасании (аккумулирования) электроэнергии.

2) Электростанция располагается достаточно далеко от потребителя электроэнергии, что приводит к потерям при передаче. Помимо этого эксплуатация ядерной электростанции наукоемкий процесс, есть необходимость, чтобы работники высокой квалификации постоянно находились как можно ближе. (В Сибири АЭС не строят).

3) Проблема выбора места для постройки АЭС. Достаточно большие площади будут использовать очень долго, а после использования достаточно продолжительный срок будут оставаться загрязненными.

4) АЭС – это очень водоемкий потребитель, необходимо рядом с электростанцией озеро площадью около 20-25 км².

5) Постоянно возникает проблема обеспечения радиационной безопасности при хранении, использовании и транспортировке твеллов.

6) Небольшие количества получаемых газообразных отходов очень радиоактивны и их нужно очищать. (Но чаще всего строят просто высокие трубы для рассеивания продуктов по большей территории и понижения тем самым концентрации радиоактивных продуктов).

7) Проблема утилизации отработанного топлива:

а) создание специальных могильников, где твеллы хранят, опустив их в воду, для замедления;

б) переработка твеллов, где выделяют 235 уран и плутоний. Такой метод чаще всего в военных целях (США).

Направления дальнейшего развития атомной энергетики:

а) создание АЭС повышенной безопасности, посторенние куполов защиты и т.д.

б) вывод из эксплуатации старых АЭС.