Экология ядерной и возобновляемой энергетики: Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

В.В. БОЛЯТКО, А. И. КСЕНОФОНТОВ, В.В. ХАРИТОНОВ

ЭКОЛОГИЯ ЯДЕРНОЙ И ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2010

УДК [574.3+574.4+502:628.3+614.7] (076+072) ББК 20.1я73+26.23я73+26.22я73 Б 79 Болятко В.В., Ксенофонтов А.И., Харитонов В.В. Экология ядерной и возобновляемой энергетики: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. – 264 с. (+ 28 с. цветная вклейка). В учебное пособие вошли разделы курсов «Основы экологии и охраны окружающей среды», «Экология: технико-экономические основы», «Экономика отрасли», читаемых студентам НИЯУ МИФИ. Рассмотрены физические принципы работы энергетических установок и возникающие при их эксплуатации экологические проблемы. Основное внимание уделено вопросам экологии ядерной энергетики, гидроэнергетики, солнечной энергетики, ветроэнергетики и установок на биотопливе. Приведены основы фундаментальной науки – экологии, рассмотрены общие вопросы антропогенного воздействия на окружающую среду, взаимодействия общества и природы, экономики и экологии. В конце каждой главы приведены задачи и упражнения для закрепления пройденного материала. Учебное пособие предназначено для проведения занятий по вышеназванным дисциплинам. Оно может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям обособленных подразделений НИЯУ МИФИ и других вузов. Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ. Рецензент доц. НИЯУ МИФИ, канд. физ.-мат. наук А.Б.Колдобский ISBN 978-5-7262-1343-9

© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2010

Редактор Е.Г. Станкевич Вёрстка С.В. Тялиной Печ.л. 18,5.

Подписано в печать 28.09.2010. Формат 60×84 1/16 Уч. изд. л. 19,0. Изд. № 1/1/15. Тираж 350 экз. Заказ № 16

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» 115409, Москва, Каширское шоссе, 31. ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие .................................................................................. Глава 1. Антропогенное загрязнение окружающей среды ......................................................... 1.1. Качество окружающей среды ........................................... 1.2. Загрязнение атмосферы ................................................... 1.3. Загрязнение водной среды и почвы ................................ 1.3.1. Загрязнение водной среды............................................... 1.3.2. Экологические проблемы загрязнения почв ................... 1.4. Обращение с бытовыми отходами .................................. 1.5. Экологическое нормирование .......................................... Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Глава 2. Энергетика и окружающая среда ................................. 2.1. Единицы измерения энергии и мощности ....................... 2.2. Экспоненциальная динамика потребления энергии человечеством .................................................... 2.3. Традиционный топливно-энергетический комплекс ............................................................................. 2.4. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии ............................................................. 2.5. Пределы роста энергетики и защита климата ................ 2.6. Географические и климатические особенности энергетики России ............................................................. Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Глава 3. Основы ядерной энергетики ......................................... 3.1. Инженерно-физические основы ядерной энергетики ........................................................... 3.1.1. О строении ядра ................................................................ 3.1.2. Реакция деления ядер ...................................................... 3.1.3. Воспроизводство ядерного топлива ................................ 3.1.4. Принципы работы ядерных реакторов ............................ 3.2. Конструкции ядерных реакторов...................................... 3.2.1. Типы ядерных реакторов .................................................. 3.2.2. Реактор ВВЭР-1000 ........................................................... 3.2.3. Развитие реакторов типа ВВЭР в мире .......................... 3.2.4. Кипящие реакторы BWR ................................................... 3.2.5. Канальные реакторы ......................................................... 3.2.6. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах ........... 3.3. Ядерный топливный цикл ................................................. 3

6 9 9 14 22 22 26 29 33 36 36 37 37 39 46 49 52 55 58 59 60 60 60 62 65 68 79 79 83 86 87 88 91 93

3.3.1. Открытый и замкнутый ядерные топливные циклы .................................................................................. 3.3.2. Топливная база ядерной энергетики ............................... 3.3.3. Обогащение урана ............................................................ 3.3.4. Изготовление твэлов и ТВС ............................................. 3.3.5. Обращение с отработанным ядерным топливом ........... Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Глава 4. Экология ядерной энергетики ...................................... 4.1. Величины, характеризующие радиационное воздействие ....................................................................... 4.2. Принципы нормирования и Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009 ............................................... 4.3. Воздействие на окружающую среду предприятий начальной стадии ядерного топливного цикла............... 4.4. Воздействие АЭС на окружающую среду ....................... 4.4.1. Источники радиоактивного загрязнения при эксплуатации АЭС и барьеры безопасности .................. 4.4.2. Радиоактивные отходы АЭС и дозовые нагрузки на население ..................................................................... 4.5. Обращение с отработанным ядерным топливом и радиоактивными отходами ............................................ 4.5.1. Радиоактивное загрязнение окружающей среды при переработке ОЯТ ....................................................... 4.5.2. Хранение радиоактивных отходов................................... 4.6. Радиационные аварии ...................................................... Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Глава 5. Экология гидроэнергетики ............................................ 5.1. Гидроэнергия и гидроэлектростанции ............................. 5.1.1. Гидроэлектростанции на реках ........................................ 5.1.2. Ресурсы тепловой энергии океана .................................. 5.1.3. Ресурсы океанических течений........................................ 5.1.4. Гидроэнергетические узлы в проливах ........................... 5.1.5. Использование энергии волн ........................................... 5.2. Приливные электростанции ............................................. 5.3. Использование геотермального тепла ............................ 5.4. Энергия растворения пресных вод в океане .................. 5.5. Влияние гидроэнергетики на окружающую среду .......... Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ 4

93 95 97 101 102 105 106 107 107 111 116 120 120 124 129 129 132 137 148 148 149 149 149 153 157 158 159 161 163 166 167 174 174

Глава 6. Экология солнечной энергетики .................................. 6.1. Солнечное излучение на поверхности Земли ................ 6.2. Солнечные тепловые электростанции ............................ 6.3. Полупроводниковые солнечные батареи ....................... 6.4. Солнечные водонагреватели ........................................... 6.5. Экологические последствия развития солнечной энергетики .......................................................................... Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Глава 7. Экология ветровой энергетики .................................... 7.1. Развитие ветровой энергетики ......................................... 7.2. Ветровые ресурсы, ветровые турбины ........................... 7.3. Влияние ветроэнергетики на природную среду ............. Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Глава 8. Экология биотопливной энергетики ........................... 8.1. Образование и оценка биомассы планеты ..................... 8.2. Производство биомассы для нужд энергетики ............... 8.3. Биоэнергетические установки .......................................... 8.4. Источники биомассы ......................................................... 8.5. Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на окружающую среду....................................................... Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Глава 9. Экономические основы энергетики и экологии ......................................................................... 9.1. Методы оценки стоимости электроэнергии .................... 9.2. Экологическая политика и оценки затрат на обеспечение экологической безопасности ................ Контрольные вопросы и задания ..................................... Список литературы............................................................ Приложение 1. Основные и некоторые производные единицы СИ ........................................................... Приложение 2. Внесистемные единицы и соотношения с единицами СИ .................................................... Приложение 3. Десятичные кратные и дольные единицы .......... Приложение 4. Физические постоянные ....................................... Приложение 5. Технико-экологические и энергетические термины .................................................................

175 175 179 183 193 195 199 200 201 201 204 206 208 208 209 209 214 218 220 224 230 231 232 232 245 252 253 254 255 256 256 257

Рисунки к главам ............................................................................. 265 5

ПРЕДИСЛОВИЕ «Экология» в переводе с древнегреческого языка – наука о доме. В каком же доме мы живем, как к нему относимся, насколько он безопасен? Дом – это наша Земля, вся наша планета. Она для нас – среда обитания, которую мы хотим видеть безопасной. Угрозы экологической безопасности, касающиеся населения Земли в целом, стали активно обсуждаться в научных кругах после работ Римского клуба в 1970-х годах. Экономико-математические модели Форрестора и Медоуза показали, что стихийное развитие экономики приводит к истощению запасов полезных ископаемых, резкому спаду промышленности и сельского хозяйства, превращению огромных территорий в свалки, катастрофическому уменьшению численности населения. В 1992 г. Организация Объединенных Наций (ООН) организовала конференцию в Рио-де-Жанейро, в которой участвовали высшие руководители 150 стран мира. Конференция провозгласила необходимость перехода к «устойчивому развитию» (sustainable development), лозунг которого: «Удовлетворение потребностей настоящего времени не подрывает способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности». Под влиянием идеи «устойчивого развития» происходит переосмысление основных угроз, способных нанести непоправимый ущерб экологической безопасности. Формируется система всеобъемлющей безопасности, призванная нейтрализовать появляющиеся в условиях глобализации новые вызовы и угрозы, среди которых все возрастающую роль играют экологические факторы, способные в современных условиях влиять на существование всего человечества. За последние 200 лет душевое энергопотребление в мире увеличилось почти в 5 раз. Это позволило решить такие грандиозные задачи, как увеличение более чем вдвое средней продолжительности жизни людей, сокращение почти вдвое продолжительности рабочей недели, обеспечение продуктами питания возросшего в 7 раз населения Земли. Одновременно с развитием энергетики возросло ее влияние на окружающую среду. Возросли площади карьеров и изъятых из земледелия и лесоразведения земель, выбросы в атмосферу пыли и токсичных газов, твердые отходы, сбросы низкопо6

тенциального тепла, электромагнитные поля линий электропередач и др. На долю топливно-энергетического комплекса приходится около 55 % загрязнения отходами и 70 % теплового загрязнения атмосферы. В золе тепловых электростанций содержатся такие количества токсичных веществ (мышьяка, германия, висмута, бериллия, скандия, кобальта, галлия, урана), которые в десятки раз превышают их промышленное производство. С выбросами в атмосферу двуокиси (диоксида) углерода СО2, окислов серы и азота (и ряда других веществ) связывают развитие таких негативных глобальных экологических явлений, как «закисление осадков», «парниковый эффект» и «истощение озонового слоя Земли». На протяжении этих 200 лет, т.е. сравнительно короткого периода в истории человечества, наши энергетические потребности удовлетворялись в основном за счет ископаемого топлива. Хотя запасы углеводородов еще значительны, они все же ограничены и постепенно уменьшаются так, что в ближайшее столетие уже не смогут непрерывно поддерживать привычный для нас образ жизни и обеспечивать дальнейший прогресс. Поэтому необходимо постепенно переходить на использование энергетических источников, альтернативных ископаемому топливу, т.е. на возобновляемые источники и ядерную энергию. К возобновляемым (неиссякаемым, постоянно пополняемым) источникам энергии относят энергию Солнца, ветра, рек и приливов, биоорганическое вещество, тепло Земли и некоторые другие. К сожалению, «возобновляемая энергетика» вовсе не означает «зеленую энергетику», т.е. не загрязняющую окружающую среду. Неблагоприятные воздействия на окружающую среду возникают при производстве материалов для энергоустановок, их сооружении, эксплуатации и утилизации. На пути масштабного внедрения возобновляемой энергетики стоит главное препятствие – ее стоимость, превышающая затраты на традиционные энергоустановки. Из-за низкой концентрации возобновляемой энергии в пространстве и времени энергоустановки на их основе отличаются высокой капиталоемкостью. Для краткосрочных вложений эти объекты непривлекательны. Однако в долгосрочной перспективе могут принести выгоду. Поэтому многие развитые страны проводят государственную политику поддержки и быстрого развития энергетики на возобновляемых источниках. Так, страны Европейского Сообщест7

ва в целях укрепления энергетической безопасности планируют к 2020 г. довести долю электроэнергии, производимой за счет возобновляемых источников (кроме гидроэнергии) до 20 % (вместо 0,5 % в 2000 г.). В России в 2008 г. подписан Указ Президента Российской Федерации «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», который предусматривает выделение бюджетных ассигнований на реализацию пилотных проектов в области использования возобновляемых источников энергии и экологически чистых технологий на период до 2020 г. К 2020 г. планируется увеличить долю возобновляемых источников в производстве электроэнергии: до 4,5 % без учёта крупных ГЭС и до 19–20 % с учётом последних. В 2006 г. Президентом России подписана «Программа развития ядерной отрасли России», в которой поставлена задача довести долю ядерной энергии в производстве электроэнергии до 25–30 % к 2030 г. и разработать инновационную технологическую платформу ядерной энергетики. В Программе показано, что для нашей страны нет другой альтернативы, как ускоренное развитие в ближайшем будущем ядерной энергетики. В свете сказанного становится актуальной задача изучения физических принципов работы ядерных реакторов и установок на возобновляемых источниках энергии, а также возникающих при их создании и эксплуатации экологических проблем, чему и посвящена данная книга. В учебное пособие вошли разделы курсов «Основы экологии и охраны окружающей среды», «Экология: техникоэкономические основы», «Экономика отрасли», читаемых студентам естественнонаучных и экономических специальностей НИЯУ МИФИ. В написании учебного пособия приняли участие: доц., канд. физ.-мат. наук В.В. Болятко (гл. 1, 4, 7), доц., канд. физ.-мат. наук А.И. Ксенофонтов (гл. 5, 8, 9), проф., д-р физ.-мат. наук В.В. Харитонов (гл. 2, 3, 6, 9). Авторы будут признательны за все замечания и пожелания по содержанию книги.

8

Глава 1. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 1.1. Качество окружающей среды В настоящее время человечество расширяет сферу своего обитания, отвоёвывая у природы новые пространства и источники ресурсов. Проблемы нехватки энергии и минеральных ресурсов, загрязнения воздуха, воды и почвы при существующих темпах потребления будут только возрастать. В последние годы широкое распространение получила концепция устойчивого развития, в основе которой лежит попытка минимизировать воздействие человека на окружающую среду с тем, чтобы биосфера сохранила свои функции вплоть до стабилизации населения Земли. Однако уже сейчас человечество живет в условиях нарастающего экологического кризиса, который, если не принять необходимые меры, может перерасти в кризис цивилизации. Современное человечество живет в эпоху научно-технического прогресса, сопровождающегося активным воздействием на природную среду, качество которой неуклонно ухудшается. Ежегодно из недр Земли извлекается свыше 100 млрд т полезных ископаемых, в почвы вносится свыше 500 млн т минеральных удобрений, в том числе примерно 3 млн т различных ядохимикатов, треть которых смывается поверхностными стоками в водоёмы или задерживается в атмосфере [1]. Человечество использует для ирригации, промышленного производства и бытового снабжения более 10 % речного стока и сбрасывает в водоёмы ежегодно более 500 млрд м3 промышленных и коммунальных стоков. Сток твёрдого вещества в океан составляет сейчас 17,4 млрд т/год. В целом под воздействием антропогенного фактора снос с суши в последние годы резко возрос и составляет ежегодно 50 млрд т вещества в твёрдой, жидкой и газообразной форме. Опасный характер содержащихся в стоке загрязнителей проявляется в их токсическом, мутагенном или канцерогенном эффектах. Качество окружающей среды − состояние окружающей среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологиче9

скими и иными показателями и их совокупностью. Для решения вопросов управления и регулирования качества окружающей среды необходимо: 1) иметь представление о том, какое качество (состояние загрязнения) природных сред можно считать приемлемым; 2) обладать информацией о наблюдаемом состоянии окружающей среды и тенденциях его изменения; 3) оценивать соответствие (или несоответствие) наблюдаемого и прогнозируемого состояния окружающей среды приемлемому. Мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) − комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Существует три уровня мониторинга окружающей среды для оценки антропогенного воздействия: 1) локальный мониторинг на относительно небольшой территории в зонах высокой интенсивности воздействия (города, промышленные районы); 2) региональный мониторинг включает более обширные области в зонах со средним уровнем воздействия; 3) глобальный мониторинг практически по всей территории земного шара. Загрязнение окружающей среды − поступление в окружающую среду вещества или энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Для снижения негативного воздействия загрязняющих веществ на биосферу в целом и её компоненты – атмосферу, литосферу, гидросферу – необходимо знать их предельные уровни. В соответствии с законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей среды устанавливаются нормативы качества окружающей среды и допустимого воздействия на неё, при соблюдении которых обеспечивается устойчивое функционирование естественных экологических систем и сохраняется биологическое разнообразие. Предельно допустимая концентрация (ПДК) – максимальное количество вредного вещества в единице объёма или массы, которое при длительном воздействии не вызывает каких-либо болез10

ненных изменений в организме человека и неблагоприятных наследственных изменений у потомства, обнаруживаемых современными методами. Определение ПДК основывается на пороговом принципе действия химических соединений. Порог вредного действия – минимальная доза вещества, при превышении которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология. Нормативы, введенные таким образом, основаны на принципе антропоцентризма, т.е. приемлемых для человека условий среды, что является основой санитарно-гигиенического нормирования. Однако человек не самый чувствительный из биологических видов, и нельзя считать, что если он защищен, то защищены и экосистемы. Экологическое нормирование предполагает учёт допустимой антропогенной нагрузки (ДАН) на экосистему. Допустимой считается такая нагрузка, под воздействием которой отклонение от нормального состояния экосистемы не превышает естественных изменений, следовательно, не вызывает нежелательных последствий у живых организмов и не ведет к ухудшению качества среды. К настоящему времени известны лишь попытки ввести учет ДАН, например, для почв и водоёмов рыбохозяйственного назначения. Таким образом, важным вопросом в проблеме загрязнения окружающей среды является определение концентрации веществазагрязнителя в воздухе, воде или почве и последующее сравнение этих значений с ПДК. Этот вопрос может быть решён из рассмотрения баланса вещества. При этом наиболее часто единицами измерений концентраций в воде являются миллиграммы на литр (мг/л) или микрограммы на литр (мкг/л). При загрязнении воздуха газовые концентрации выражаются в миллиграммах на кубический метр (мг/м3), микрограммах на кубический метр (мкг/м3) или в объёмных долях (ед./млн). Согласно закону сохранения массы при протекании химической реакции в замкнутом пространстве вещество не возникает и не исчезает (при ядерной реакции возможно превращение массы в энергию). Этот подход позволяет отслеживать вещества, в частности, 11

загрязнители, находящиеся в разных средах, с помощью уравнений баланса масс [2, 3]. Рассмотрим уравнение баланса для загрязнителей в водной и воздушной среде. Первым шагом при анализе является определение исследуемой области. Область может включать объекты от простой химической колбы до озера, воздушного бассейна над городом или всего земного шара. Изобразив воображаемую границу вокруг выделенного объёма (рис. 1.1), можно фиксировать поток вещества (загрязнителя) через границу и накопление его внутри области. При этом загрязнитель может покинуть область в неизменном виде, частично накопиться в ней и превратиться в другое вещество (за счет окисления, радиоактивного или бактериального распада и т.д.). Учитывая все эти возможности, можно, как это показано на рис. 1.1, записать следующее уравнение баланса массы для любого интересующего вещества (загрязнителя): скорость ⎞ ⎛ скорость ⎞ ⎛ скорость ⎞ ⎛ скорость ⎞ ⎛ ⎜ накопления ⎟ = ⎜ проникновения ⎟ − ⎜ вывода ⎟ − ⎜ распада ⎟ . (1.1) ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

В уравнении (1.1) слагаемое «скорость проникновения» включает в себя источники загрязнителя как вне, так и внутри исследуемой области. Часто уравнение (1.1) может быть упрощено, например тогда, когда наблюдается стационарное (равновесное) состояние, и концентрация загрязнителя не меняется во времени. В этом случае правая часть уравнения обращается в нуль. Следующее упрощение имеет место, когда вещество сохраняется внутри интересующей области, что означает отсутствие радиоактивного распада, химических реакций или бактериального разложения. Для такого консервативного случая слагаемое «скорость распада» также обращается в нуль. Примерами консервативных веществ служат растворённые в воде твёрдые вещества или углекислый газ в воздухе. Простейшими для анализа будут системы, находящиеся в стационарном состоянии, а интересующее нас вещество является консервативным. В таких случаях уравнение (1.1) переходит в более простое: ⎛ скорость ⎞ ⎛ скорость ⎞ (1.2) ⎜ проникновения ⎟ = ⎜ вывода ⎟ . ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 12

Рассмотрим отдельные слагаемые уравнения (1.1). Пусть проникающим компонентом будет поток воды или воздуха мощностью QS (объём/время) с концентрацией загрязнителя CS (масса/объем). Тогда выражение для «скорости проникновения» будет иметь вид (QS ⋅ CS + S ) , где S – мощность источника или (скорость образования) загрязнения внутри исследуемой области. Если имеется несколько источников проникновения, то вместо произведения QS ⋅ CS следует рассматривать сумму по числу источников n n

∑ QSi ⋅ CSi . Тогда, в качестве примера, для (1.2) можно записать i =1

n

∑ QSi ⋅ CSi = Q ⋅ C,

(1.3)

i =1

полагая при этом полное перемешивание загрязнённого потока в рассматриваемом объеме V. Чаще всего вещества являются неконсервативными. Распад неконсервативных веществ обычно рассматривается как реакция первого порядка, т.е. предполагается, что скорость убывания концентрации подчиняется уравнению dC dt = − K ⋅ C , (1.4) где K – коэффициент скорости реакции. Тогда решение этого уравнения будет имеет вид C = C (0) ⋅ e − K ⋅t , (1.5) где С (0) – начальная концентрация при t = 0. Поскольку полная масса неконсервативного загрязнителя равномерно распределённого в объёме равна C ⋅ V , то можно написать выражение для «скорости распада»: d (C ⋅ V ) dC =V = K ⋅ C ⋅V . (1.6) dt dt В нестационарном случае член «скорость накопления» в уравнении (1.1) отличен от нуля, и для равномерно распределенного по объёму загрязнителя массой C ⋅ V уравнение принимает вид dC V = QS ⋅ CS + S − Q ⋅ C − K ⋅ C ⋅ V . (1.7) dt 13

Решение для стационарного случая (равновесного состояния) легко найти, положив dC dt = 0 : Q ⋅C + S C (∞ ) = S S . (1.8) Q + K ⋅V Уравнение (1.7) можно решить с помощью перехода к новой переменной: Q ⋅C + S ⎞ ⎛ (1.9) C′ = ⎜ C − S S = [C − C (∞)] , Q + K ⋅ V ⎟⎠ ⎝ где C (∞) есть концентрация загрязнителя для равновесного состояния. Тогда решение уравнения (1.7) будет иметь вид Q C (t ) = [C (0) − C (∞)] ⋅ exp ⎡⎢− ⎜⎛ K + ⎟⎞ t ⎥⎤ + C (∞), (1.10) V ⎣ ⎝ ⎠ ⎦ где C (0) – начальная концентрация. Изложенный подход рассматривает так называемую однокамерную модель, включающую всю исследуемую область. 1.2. Загрязнение атмосферы

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей природной среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных. Загрязнение атмосферы – поступление в атмосферный воздух или образование в нём вредных веществ (загрязнителей) в концентрациях, превышающих установленные государственным органом гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха. Человек загрязняет атмосферу уже сотни лет, в основном за счёт сжигания топлива, однако масштабы и последствия ранее были незначительными, вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последнее время бурное развитие промышленности, рост городов привели к масштабным явлениям. Мощным загрязнителем атмосферы становится транспорт, особенно автомобильный. Его вклад в загрязнение атмосферы в крупных городах достигает 70 %. Существует два вида загрязнения атмосферы: естественный и искусственный. Их источники различаются по мощности и высоте выброса, составу загрязнителей и температуре. 14

К естественным источникам относятся земные процессы, приводящие к образованию вулканической пыли и газов, продуктов выветривания, продуктов сгорания при пожарах, а также образованию органических соединений растительного и животного происхождения, например метана, выделяющегося из болот. Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы газами и аэрозолями. К искусственному загрязнению относятся аэрозоли и газы, образующиеся в промышленности и сельском хозяйстве, при работе транспорта, добыче полезных ископаемых. Загрязнение воздушной среды обычно связывают либо с промышленными выбросами, либо с фотохимическим смогом. В первом случае в воздух выбрасывается большое количество оксидов серы, азота, углерода, сероводород, техногенные радионуклиды. Фотохимический смог обусловлен выбросами окиси углерода, оксидов азота и различных углеводородов, которые реагируют друг с другом в воздухе под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Следует отметить, что концентрации ряда химических соединений антропогенного происхождения по своим масштабам становятся сопоставимыми с природными и часто даже превышают их. Кроме того, в последние годы привлекает большое внимание радиационно-опасный загрязнитель – газ радон. Наиболее опасны широко распространённые в воздушном бассейне (особенно в городах) диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод и тяжёлые металлы. Основной вклад в общее загрязнение воздуха вносят четыре главных загрязнителя: диоксид серы, оксиды азота, оксиды углерода, твёрдые частицы − аэрозоли. Вклад каждого из них резко различается в зависимости от сезона, местности. Наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство: ТЭС, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, химические и цементные заводы. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом преобразования первичных в результате различных физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы. 15

К основным вредным примесям относятся следующие: • Оксиды углерода, образующиеся при сгорании углеродсодержащих веществ и попадающиеся в атмосферу в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Среди них оксид углерода (СО), или угарный газ, являющийся продуктом неполного сгорания, диоксид углерода (СО2), или углекислый газ, который даёт основной вклад в парниковый эффект. • Сернистый ангидрид (SO2), выделяющийся в процессе сгорания органического топлива, содержащего серу, или переработки сернистых руд, и серный ангидрид (SO3), образующийся на воздухе при окислении SO2. Конечным продуктом реакции является раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву. • Сероводород (H2S), поступающий в атмосферу с нефтеперерабатывающих заводов и нефтепромыслов. В атмосфере подвергается медленному окислению до серного ангидрида. • Оксиды азота (NOx), поступающие в атмосферу в основном с предприятий, производящих азотные удобрения. • Соединения фтора, поступающие в атмосферу в виде газа фтороводорода. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, стекла, фосфорных удобрений. • Соединения хлора, поступающие в атмосферу от химических предприятий. • Хлорфторуглероды (ХФУ), проникающие в тропосферу и разрушающие озоновый слой. ХФУ широко используются в качестве хладоагентов, распылителей, растворителей и др. • Аэрозоли: загрязнение атмосферы происходит твёрдыми или жидкими мелкими частицами (аэрозолями), находящимися во взвешенном состоянии в воздухе. В атмосфере аэрозольные загрязнения присутствуют в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Ежегодно в атмосферу Земли поступает около 1 км3 пылевидных частиц искусственного происхождения. Время пребывания аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1−3 мин до нескольких месяцев). Рост концентрации в атмосфере Земли парниковых газов (CO2, CH4, N2O, ХФУ, водяной пар) и аэрозолей в результате деятельно16

сти человека продолжает изменять атмосферу таким образом, что это может неблагоприятно повлиять на климат. Солнечную энергию, аккумулированную в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает при его сжигании, при этом в атмосферу поступает огромное количество СО2. В настоящее время количество углерода, поступающего в атмосферу при сжигании топлива, превышает 20 % от его естественного оборота между атмосферой и биотой Земли. В результате за последнюю треть прошлого века объёмная концентрация СО2 в атмосфере возросла с 0,029 до 0,036 % (почти на 25 %). Накопление СО2 в атмосфере учёные в настоящий момент связывают с «парниковым эффектом», т.е. с постоянным повышением температуры на земной поверхности. Этому росту температуры в меньшей степени способствует накопление и других парниковых газов – метана, оксидов азота, хлорфторуглеродов (ХФУ). Углекислый газ почти не поглощает видимую и ультрафиолетовую области спектра солнечного излучения, проникающего на поверхность Земли через атмосферу. В то же время инфракрасное излучение от разогретой земной поверхности интенсивно поглощается СО2 в атмосфере. На тепловых электростанциях, вырабатывающих электроэнергию путём сжигания газа, нефти, мазута, угля, сланцев и торфа, кроме золы и сажи, в атмосферу выбрасываются элементы, активно участвующие в жизненном цикле человека. Кроме углекислого газа, выбрасываются токсичные газы (оксиды углерода, серы, азота и ванадия), вызывающие кислотные дожди и кислотные отравления, углеводороды канцерогенного воздействия (бензопирен, формальдегид), пары соляной и плавиковой кислот. Вещества, характерные для выбросов ТЭС, относятся к числу токсических примесей в воздухе многих городов мира. Подсчитано, что при сжигании 1 кг угля расходуется 2,67 кг кислорода. Всё это приводит к нарушению энергобаланса Земли, повышению температуры вблизи её поверхности. Многие климатологи рассматривают длительную жару в последние годы как последствия парникового эффекта. Хотя задерживание тепла вблизи поверхности Земли является очень важным процессом для поддержания жизни на планете, перспективы быстрого повышения температуры (глобальное потепление) очень опасны, так как приведут к 17

росту уровня Мирового океана за счёт таяния ледников и целому ряду других нежелательных для человеческой цивилизации эффектов. Поэтому, в 1997 г. был принят Киотский протокол, по которому большинство стран согласились снизить свои антропогенные выбросы парниковых газов, по меньшей мере, на 5 % по сравнению с уровнями 1990 г. в период действия обязательств с 2008 по 2012 г. В последнее время появляются новые технологии по уменьшению выбросов парникового газа на предприятиях. Широкое использование атомной энергетики также будет способствовать сокращению выбросов. В настоящее время во всем мире атомная энергетика позволяет уменьшить выброс углекислого газа почти на 4 млрд т/год, из них более 200 млн т – вклад действующих российских АЭС. Другой глобальной проблемой является разрушение озонового слоя атмосферы, вызывающее повышение на поверхности Земли интенсивности жёсткого ультрафиолетового излучения. Озон – это газообразный компонент атмосферы, имеющий исключительно важное значение для поддержания радиационного баланса стратосферы (всего около 10 % озона находится в тропосфере). Роль озона в приземном слое тропосферы (где он, кстати, является парниковым газом) и в стратосфере различна. Озон в приземном слое тропосферы делят на озон чистого воздуха, возникающий в лесных массивах и горах, и смоговый озон, способствующий образованию фотохимического смога. Термином «фотохимический смог» обозначают вредную для организма смесь газов, образующихся при воздействии солнечного излучения на антропогенные газообразные примеси. Содержание озона в фотохимическом смоге может составлять до 99 %. Таким образом, в стратосфере Земли, где сосредоточено 90 % атмосферного озона, он играет положительную роль, а тропосферный смоговый озон оказывает вредное воздействие на живые организмы. Механизм защитного действия стратосферного озона основан на резком ослаблении солнечной радиации при длинах волн меньше 0,32 мкм. Постоянство концентрации озона определяется равенством скоростей его образования и распада. На равновесие между образованием и распадом озона влияют стратосферные концентрации хлора, азота, водорода и брома. 18

К важному типу озоноразрушающих газов относятся производимые человеком ХФУ, которым принадлежит также важная роль в создании парникового эффекта. Под действием ультрафиолетового излучения молекулы ХФУ могут разрушаться, высвобождая хлор, который служит катализатором в реакциях разрушения озона. Хлорфторуглероды (ХФУ) или фреоны, использующиеся в промышленности с 1930 г. как хладагенты, растворители и т.д., оказались недорогими в производстве и, казалось, безвредными для окружающей среды. В 80-х годах прошлого столетия их ежегодное производство достигло 1 млн т. Долгое время считалось, что они – самые полезные и экономически выгодные вещества, изобретённые человечеством в XX столетии. Однако в последние десятилетия установлено разрушительное влияние ХФУ на стратосферный озон. Всё это привело к истощению озонового слоя и образованию «озоновых дыр», наиболее крупная из которых была обнаружена над Антарктидой. Затем было отмечено также общее снижение концентрации озона над протяжёнными областями в Северном полушарии, включая США, Канаду и европейские страны. Был принят ряд международных документов, которые регулирует потребление и производство хлорфторуглеродных соединений, разрушающих озоновый слой. В рамках санитарно-гигиенического нормирования основные критерии вредности атмосферного загрязнения формулируются следующим образом. 1. Допустимой может быть признана только такая концентрация или интенсивность воздействующего фактора, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного воздействия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение. 2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и являться доказательством недопустимости данного уровня воздействия. 3. Недопустимы такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности и бытовые условия жизни населения. Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух населенных пунктов, установлены два норматива: 19

1) максимальная разовая ПДК за 20 мин измерения (осреднения), мг/м3; 2) среднесуточная ПДК, осредненная за длительный промежуток времени (вплоть до года), мг/м3. Нормируется также ПДК для рабочей зоны предприятия, а также ПДК для крупных городов и курортов, значения которых значительно ниже остальных нормативов. ПДК вредного вещества в атмосфере – максимальная концентрация, отнесенная к определённому периоду времени (20−30 мин, сутки, месяц, год), которая не оказывает ни прямого, ни вредного косвенного воздействия на человека и санитарно-гигиенические условия жизни. При длительном воздействии малых концентраций атмосферных загрязнений в организме, прежде всего, развиваются неспецифические изменения со стороны центральной нервной системы, крови, ферментных систем и др. При действии на организм одновременно нескольких вредных веществ, обладающих суммарным действием, сумма отношений фактических концентраций каждого вещества (С1, С2, …, Сi) в воздухе к их пороговым значениям (ПДК1, ПДК2, …, ПДКi) не должна превышать единицы: C (1.11) ∑ ПДКi ≤ 1. i i При такой ситуации характер сочетанного воздействия оценивается как проявление аддитивности, т.е. общий эффект оценивается как независимое суммирование эффектов отдельных загрязнителей. Обнаружение порогового эффекта при сумме указанных отношений меньше единицы (1.11) свидетельствует об усилении действия одного загрязнителя другим (эффект синергизма). При значениях суммы больших единицы происходит ослабление действия одного загрязнителя другим (эффект антагонизма). Гигиенические нормативы установлены в России примерно для 700 веществ и 40 их комбинаций. Основываясь в качестве базовых значений на значениях ПДК, оценивают санитарно-гигиеническое и экологическое состояние окружающей среды. Контроль над источниками вредного воздействия и регулирование его функционирования выполняют приме20

нением нормативов предельно допустимого выброса (ПДВ) для атмосферного воздуха или предельно допустимого сброса (ПДС) вредных веществ для водных объектов. ПДВ определяют по каждому источнику выбросов или сбросов, которых может быть несколько на одном предприятии. При этом должно соблюдаться правило: выбросы вредных веществ от источника, а при наличии других источников – от их совокупности не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК. Для оценки качества воздуха в помещении можно применить ранее рассмотренную простую модель (см. рис. 1.1). Однокамерная модель распространения загрязнённого воздуха в помещении показана на рис. 1.2. Пусть проникновение воздуха в помещение и его вывод характеризуются величиной I ⋅ V , где I – скорость воздухообмена. Тогда уравнение (1.7) примет следующий вид: V

dC = S + CS ⋅ I ⋅ V − C ⋅ I ⋅ V − K ⋅ C ⋅ V , dt

(1.12)

где CS и С – концентрации загрязнителя вне и внутри помещения соответственно. Решение этого уравнения для стационарного состояния имеет вид S V + CS ⋅ I (1.13) C (∞ ) = . I+K Решение для нестационарного случая имеет вид (1.10), где Q = I ⋅ V . Такие загрязнители воздуха, как CO и NO, могут считаться консервативными (K = 0). Тогда, если начальная концентрация в помещении C (0) = 0, и можно пренебречь концентрацией загрязнителя вне помещения CS = 0, то нестационарное решение примет вид S C (t ) = [1 − exp(− I ⋅ t )]. (1.14) I ⋅V Это решение может быть использовано, в частности, для определения концентрации угарного газа (CO) в помещении при использовании различных нагревателей. 21

1.3. Загрязнение водной среды и почвы 1.3.1. Загрязнение водной среды

Вода играет важную роль в нашей жизни. Вода покрывает около 70 % территории планеты и обладает физическими и химическими свойствами, которые резко отличают её от других известных жидкостей. Например, она увеличивается в объёме при охлаждении, имеет максимальную плотность при температуре 4 °С, что означает уменьшение её массы при другой температуре. Значения температуры замерзания и кипения имеет высокую разницу, поэтому вода остается жидкой в большинстве областей Земли. Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью, составляющей 4,18 кДж/(кг·К). Это предопределяет её большое влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоёмов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды. Вода является богатейшим источником энергии – это гидроэнергия рек, энергия приливов, геотермальная и термоядерная энергия. Водные ресурсы планеты распределяются крайне неравномерно, усиливается конкуренция за воду для ирригации, промышленности, производства электроэнергии, бытовых целей. Солёные воды океанов сильно ограничивают возможность ее хозяйственного использования, а опреснение океанской воды достаточно трудоёмкое и дорогостоящее занятие. К счастью, Солнце выполняет за нас эту работу, испаряя воду и оставляя соли в океане (88 % влаги поступает именно из океанов). Согласно определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), воду следует считать загрязнённой, если в результате изменения её состава или состояния она становится менее пригодной для любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она соответствовала предъявляемым требованиям. Это определение включает физические, химические и био22

логические свойства воды, а также наличие в ней посторонних жидких, газообразных, твёрдых и растворённых примесей [1]. Россия обладает одним из самых больших водных ресурсов в мире: на каждого жителя приходится свыше 30 тыс. м3/год пресной воды. Тем не менее снабжение питьевой водой становится для России одной из наиболее острых экологических проблем. Около 70 % поверхностных водоёмов в России либо загрязнены, либо непригодны для использования в качестве источников питьевой воды, в результате чего почти половина населения потребляет загрязнённую воду. Основными источниками загрязнения поверхностных водных бассейнов является регулярный сброс в водоёмы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальным и сельским хозяйством, а также с поверхностным дренажным стоком с сельскохозяйственных угодий. Последний источник является наиболее значимым в связи с ростом применения удобрений, пестицидов, строительством ирригационных сооружений, в то время как промышленные и коммунальные стоки всё более эффективно очищаются и более тщательно контролируются. Загрязнению, как правило, подвергаются поверхностные воды. Подземные воды более чистые, поскольку почва является хорошим биологическим и химическим фильтром. Установлено, что более 400 типов веществ могут вызвать загрязнение вод. Вода считается загрязненной, если хотя бы по одному из трёх показателей – санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому (запах, привкус, цветность, мутность) – превышены допустимые нормы. Важная роль, обусловливающая загрязнение воды, принадлежит микроэлементам, главным образом, тяжёлым металлам, которые являются продуктами техногенного происхождения. Перечень приоритетных загрязнителей при изучении мониторинга природных сред включает постоянно расширяющийся список элементов, среди которых наиболее вредными считаются As, Hg, Cd, Pb, Cu и др. Для загрязняющих веществ, поступающих в водную среду, существует две группы нормативов.

23

1. Нормативы содержания, при которых охраняемые свойства водоёма не нарушаются, − предельно допустимая концентрация (ПДК). 2. Нормативы поступления загрязняющих веществ, при которых сохраняются охраняемые данным нормативом свойства водоёмов, − предельно допустимый сброс (ПДС). Значения ПДК устанавливаются по наименьшей пороговой концентрации с учётом стойкости вредных веществ в воде, способности водоёмов к самоочищению, влияния на органолептические свойства воды, а также влияния на здоровье населения, использующего воду. Данные показатели относятся к санитарногигиеническим. Но не только значениями концентрации различных загрязнителей определяется качество воды. Одним из основных параметров является количество растворённого в ней кислорода, концентрация которого обычно составляет СК = 8 – 15 мг/л, значение СК = 3 мг/л является минимально необходимым для существования популяции рыб. Этот показатель уменьшается с ростом температуры воды, а также с повышением концентрации загрязнителей. Важнейшим показателем по микробиологическим и паразитологическим свойствам воды является величина БПК – биологическая потребность в кислороде, необходимом микроорганизмам для разложения примесей, определяющая количество бактерий в объёме воды. На практике часто используется величина БПК5 – общее количество кислорода, потребляемое микроорганизмами за первые пять суток разложения при температуре 20 °С. По санитарным нормам значение этой величины для природных водоёмов не должно превышать 3−6 мг/л, в сточных водах это значение составляет уже от 200 до 3000 мг/л, и поэтому такие воды необходимо очищать или сильно разбавлять. Для определения величины БПК5 используется следующее соотношение: С − СК2 БПК 5 = К1 , (1.15) Р где С К1 и СК2 – начальное и конечное содержание кислорода в разбавленной загрязнённой воде, для которой P – фактор разбавления, отношение объёма загрязнённой воды к объёму воды с учетом 24

разбавления. В случае если в воде для разбавления содержатся микроорганизмы, то БПКW загрязнённой воды определяется из соотношения: БПК m ⋅ Vm = БПК w ⋅ Vw + БПК d ⋅ Vd , (1.16) где БПК m – определяется для смеси загрязнённой и разбавленной воды; БПКW – для загрязнённой воды; БПК d – для разбавителя, а Vm = Vw + Vd – объем смешанной воды. Распад органических отходов обычно рассматривается как реакция первого порядка, т.е. скорость распада пропорциональна количеству отходов: dLt = −kL, (1.17) dt где Lt – значение БПК, остающееся через время t, а k – коэффициент скорости БПК реакции, зависящий от различных параметров среды. Решение имеет вид Lt = L0 ⋅ e− kt , (1.18) где L0 – предельное значение БПК, необходимое микроорганизмам полное количество кислорода для окисления органических отходов (рис. 1.3). Тогда можно записать: L0 = БПКt + Lt , , (1.19) а также легко получить БПК t = L0 (1 − e − kt ). (1.20) Таким образом, коэффициент k является индикатором скорости биоразложения загрязнителей. Другую опасность для водоёмов составляет тепловое загрязнение, вызванное сбросом нагретой воды в результате производственной деятельности человечества. Коэффициент скорости реакции в зависимости от температуры T (°C) можно описать следующим выражением: k = k20 ⋅ θ(T −20) , (1.21) где k20 – скорость реакции при комнатной температуре 20 °С, а θ ≈ 1, 047. В табл. 1.1 приведена часть требований к качеству питьевой воды и водоснабжение населённых мест, взятые из санитарных пра25

вил, устанавливающих критерии безопасности для человека факторов среды его обитания и требования к обеспечению благоприятных условий его жизнедеятельности, по наличию органических и неорганических веществ. Другим нормируемым показателем, используемым для охраны водной среды от загрязнения, является предельно допустимый сброс (ПДС). ПДС – масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте. Таблица 1.1 Значения ПДК для питьевой воды Вещество

ПДК, мг/л

Вещество

ПДК, мг/л

Нефтепродукты

0,1

Мышьяк

0,05

Алюминий

0,5

Нитраты

45

Бериллий

0,0002

Нитриты

3,0

Железо

0,3

Ртуть

0,0005

Кадмий

0,001

Свинец

0,03

Медь

1,0

Хлориды

350

ПДС разрабатывается и утверждается для предприятий и организаций, имеющих самостоятельные выпуски сточных вод в водные объекты, прежде всего в зонах повышенного загрязнения в целях соблюдения ПДК в контрольных створах водопользования. 1.3.2. Экологические проблемы загрязнения почв

Почвенный покров представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Главное значение почв состоит в накоплении органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет также функции биологического поглотителя и разрушителя различных видов загрязнения. Почва обеспечивает человечеству 95−97 % продовольственных ресурсов. Площадь земельных ресурсов мира составляет почти 26

129 млн км2, или 86,5 % площади суши, а пригодных для ведения сельского хозяйства до 32 млн км2. Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, изменении их плодородия. Под влиянием человека меняются параметры и факторы почвообразования – рельеф, микроклимат, создаются водохранилища, проводится мелиорация. В разрушении почв и снижении их плодородия выделяют следующие процессы. Аридизация суши – уменьшение влажности обширных территорий и вызванное этим сокращение биологической продуктивности экологических систем под действием примитивного земледелия и нерационального использования пастбищ, в результате чего почвы превращаются в пустыни. Эрозия почв – разрушение почв под действием ветра, воды, техники и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия − смыв почвы талыми, дождевыми и ливневыми водами. Ветровой эрозии способствует уничтожение растительности на территориях с недостаточной влажностью, сильными ветрами, непрерывным выпасом скота. Техническая эрозия связана с разрушением почвы под воздействием транспорта, землеройных машин и техники. Ирригационная эрозия развивается в результате нарушения правил полива при орошаемом земледелии. Засоление почв, в основном, связано с ирригационной эрозией. За последние десятилетия 50 млн га стали непригодными для любого вида сельскохозяйственных культур по причине засоления, из них не менее 50 % площади орошаемых земель. Особое место занимают пахотные угодья, т.е. земли, обеспечивающие питание человека. Пахотные земли неуклонно сокращаются в результате нарушения и деградации почвенного покрова, отвода земель под застройку городов, посёлков и промышленных предприятий. Процессы почвообразования протекают очень медленно, со скоростью примерно 0,1 мм в год. Глубина почвенного покрова невелика: в среднем от 20 см в тундре до 100 см в чернозёмах. Естественное плодородие формируется очень длительное время, а его уничтожение может происходить всего за 5−10 лет. Поэтому почвы можно считать невозобновляемым ресурсом и должны рассматриваться как мировая ценность, которую необходимо охранять. 27

Интенсивное развитие промышленного производства приводит к росту промышленных отходов, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, приводят к изменению содержания микроэлементов и возникновению техногенных пустынь. Почвы вокруг больших городов и крупных предприятий загрязнены тяжёлыми металлами, нефтепродуктами и другими токсичными веществами, оседающими или вымываемыми осадками из атмосферы (рис. 1.4). Повышенное содержание свинца в почве происходит за счёт выхлопных газов автомобилей; пестициды, фунгициды и инсектициды представляют угрозу для птиц, животных и для людей. Почвы настолько разнообразны, что не существует даже их единой классификации. Поэтому нормирование загрязнений почв является очень сложной задачей. Основным критерием гигиенической оценки опасности загрязнения почвы вредными веществами является предельно допустимая концентрация химических веществ в почве. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в пахотном слое почвы − концентрация вредного вещества в верхнем, пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямого или косвенного отрицательного влияния на контактирующие среды (воду, воздух), и на здоровье человека, а также на способность почвы к самоочищению. Нормативные значения ПДК разработаны для веществ, которые могут попасть в атмосферный воздух или грунтовые воды, снижать урожайность или ухудшать качество сельскохозяйственной продукции. Оценка уровня химического загрязнения почв населенных пунктов проводится по разработанным показателям, которыми являются коэффициент концентрации химического элемента Kc и суммарный показатель загрязнения Zc [1]. Коэффициент концентрации Kc определяется как отношение реального содержания элемента в почве С к фоновому значению Cф .

28

Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими веществами, то для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения Zc , отражающий суммарный эффект воздействия: n

Zc = ∑ Kci ,

(1.22)

i =1

где Kci – коэффициент концентрации i-го вещества в пробе из n учитываемых веществ. Оценка опасности загрязнения почв (см. рис. 1.4) группой веществ по показателю Zc проводится по оценочной шкале, градации которой разработаны на основе изучения состояния здоровья населения, проживающего на территориях с различным уровнем загрязнения почв (табл. 1.2). Таблица 1.2 Оценочная шкала загрязнения почв Kатегория Величина загрязнения почв Zc

Изменение показателей здоровья населения в очагах загрязнения

Допустимая

До 16

Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимум функциональных отклонений

Умеренно пасная

16−32

Увеличение общего уровня заболеваемости

Опасная

32−128

Увеличение общего уровня заболеваемости, числа часто болеющих детей; детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционирования сердечнососудистой системы

Чрезвычайно опасная

Более 128

Увеличение заболеваемости детей; нарушение репродуктивной функции женщин

1.4. Обращение с бытовыми отходами

В XIII−XIV вв. в Англии и во Франции появились первые законы, обязывающие содержать дом и улицу перед ним в чистоте. Появилась профессия мусорщика. Стали использоваться специальные повозки. Однако проблема бытовых отходов со временем при29

обретала всё большую остроту, так как горожане не выполняли предписания, а городские власти не контролировали этот процесс. Уже к концу XIX в. в крупных городах вошли в практику фильтрация для очистки сточных вод, сжигание отходов, контролируемое размещение отходов на свалках и закапывание отходов. В середине XX в. проблема отходов признана одной из наиболее серьёзных, требующих применения сложных технологий. В настоящее время в развитых странах производится от 1 до 3 кг бытовых отходов на душу населения в день. По данным Американского агентства по защите окружающей среды, общий годовой объём твёрдых бытовых отходов (ТБО) в США за период 1960– 2005 гг. вырос почти в 3 раза и составил около 250 млн т. На сегодняшний день бóльшую часть ТБО составляют тара и упаковка. В России ежегодно накапливается примерно 130 млн т ТБО, из них промышленной переработке подвергается только 3,5 %, остальные размещаются на свалках. На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд т только ТБО. На полигоны под размещение отходов в России ежегодно отчуждается примерно 10 тыс. га земель. Дефицит свободных земель приводит к тому, что свалки удаляются от города на 50−100 км, что приводит к удорожанию перевозки отходов. Свалки являются источником загрязнения окружающей среды: атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод, однако часто они просто засыпаются слоем земли и используются затем для строительства и других нужд. Хранение и переработка отходов приводит к загрязнению природной среды самыми разнообразными соединениями, находящимися в различных агрегатных состояниях. ТБО современного города содержат более 100 различных токсичных и канцерогенных соединений, среди них красители, растворители, пестициды, соединения ртути, свинца, кадмия, мышьяка, лекарственные препараты и др. Примерное время жизни различных отходов в окружающей среде может варьироваться от нескольких месяцев до тысяч лет в зависимости от состава отходов, типа почв, климата и др. Традиционные методы обращения с отходами ориентированы на уменьшение опасного влияния на окружающую среду путём изоляции свалок от воздействия на грунтовые воды, очистку вы30

бросов мусоросжигательных заводов. Иной взгляд на проблему ориентирован на то, что гораздо проще контролировать то, что попадает на свалку, а не со свалки в окружающую среду. Что касается жидких стоков, их прямой сброс в природные водоемы запрещён без очистки до предельно допустимых уровней, при этом вредные вещества из водной среды фактически переходят в категорию твёрдых отходов. Обращение с отходами включает организацию сбора отходов, их утилизацию (включая переработку, извлечение энергии, захоронение остатков), а также меры по уменьшению количества отходов и их вторичному использованию. При правильно разработанной и осуществляемой системе утилизации отходов уменьшается ущерб, наносимый окружающей среде, сохраняются ресурсы и производится энергия. Промышленные отходы, как правило, менее разнообразны по составу, более четко классифицируются и контролируются. Очевидно, что полностью свести отходы к нулю невозможно, но значительно уменьшить их количество и объём человечеству по силам. Для осуществления качественного управления отходами необходимо выполнить ряд условий в порядке приоритета. 1. Использовать все возможности для предотвращения образования отходов. 2. Вторично использовать все полезные фракции отходов. 3. Сжигать с соблюдением мер экологической безопасности все горючие неутилизируемые фракции отходов. 4. Проводить экологически безопасное захоронение остатков, шлаков и других неутилизируемых продуктов их переработки. 5. Развивать рынок вторичных ресурсов. 6. Осуществлять жёсткий контроль за нелегальным захоронением отходов. 7. Следовать принципу «загрязнитель платит». На утилизации отходов можно зарабатывать, а также извлекать из них вторичное сырье, перерабатывая и продавая его. Некоторые крупные свалки в США имеют обороты в сотни тысяч долларов в день. Для твердых бытовых отходов экономически наиболее привлекательным могла бы быть сортировка смешанного мусора, в том числе на автоматизированных сортировочных комплексах, с последующим возвращением значительной части составляющих в про31

изводство. Этот чрезвычайно трудоёмкий процесс позволяет отсортировать только около 30 % мусора. Однако при исходном разделении мусора в местах его образования можно отобрать до 80 % полезного продукта. Но уровень отбора (сортировки) в значительной степени зависит от общей культуры и дисциплинированности населения. В разных странах доля повторного использования отходов колеблется от 20 (Япония) до 32 (США) %. Можно предположить, что в ближайшее время роль мусорных свалок не уменьшится. В этой связи такой технологический подход к обезвреживанию отходов, как санитарная земляная засыпка, позволяющая получение биогаза, будет весьма актуальным, хотя для этого требуются несколько лет после создания свалки и достаточно большой объем мусора. Сжигание не может рассматриваться и как экологически безопасный, экономически оправданный или ресурсосберегающий процесс, поскольку многие органические вещества, которые могли бы быть использованы, сжигаются с дополнительными затратами энергии. К тому же существующие мусоросжигательные установки образуют вторичные чрезвычайно токсичные отходы, выделяемые в окружающую среду с дымовыми газами. К подобным веществам относятся диоксины − крайне устойчивые хлорорганические соединения, входящие в группу из 12 наиболее опасных веществ. В шлаках и золе после сжигания содержание тяжёлых металлов, как правило, на 2−3 порядка выше, чем в сжигаемых отходах, поэтому использовать его для утилизации или захоронения без дополнительной переработки нельзя. Наиболее полная деструкция продуктов, содержащихся в мусоре, осуществляется в процессе высокотемпературного пиролиза или газификации при температуре 1650−1950 °С. В последнее время начала развиваться технология переработки отходов на основе низкотемпературной плазмы (2000−9000 °С). Необходимо заметить, что недостатками методов является их высокая стоимость. Таким образом, проблема загрязнения городов отходами своей жизнедеятельности и её решение оказались чрезвычайно сложными научно-техническими и социально-экономическими задачами. 32

1.5. Экологическое нормирование

Центральная методологическая проблема экологического нормирования – вопрос о норме экосистем и критериях нормальности. Можно выделить два основных понимания нормы – статистическое (оценка тенденции изменения доминирующего показателя за некоторый период времени) и функциональное (выполнение системой определенных функций). Принятая в настоящее время позиция – антропоцентризм, при котором ищется область состояний экосистемы, удовлетворяющих существующие представления человека о высоком качестве среды обитания. Норма детерминирована конкретным регионом и временем. Однако это не означает, что формулирование критериев нормальности произвольно. Только эксперты в области экологии могут задавать критерии качества, поскольку они обладают знанием о закономерностях функционирования и устойчивости экосистем. Объектами экологического нормирования могут быть и вся биосфера, и небольшой участок леса, и территория города, и среда обитания человека в узком смысле (жилище, производственные помещения). Внешняя по отношению к объекту нормирования среда представляется как совокупность агентов воздействия на объект, например промышленные выбросы, глобальные атмосферные выпадения, транспортные средства, приводящие к механическим нарушениям почвы или растительного покрова, люди (охотники и собиратели), изымающие определенную долю популяций охотничьих животных или лекарственных растений. Любое изменение внешней среды, осуществляемое субъектом управления (преднамеренно или непреднамеренно) и приводящее к изменению состояния объекта нормирования, носит название управляющего воздействия. Нормальное состояние объекта нормирования – часть области пространства возможных состояний, в пределах которой реализуется удовлетворительное качество объекта. Когда это не достигается, имеет место патологическое состояние объекта. Под экологической нагрузкой понимается изменение внешней среды, приводящее к ухудшению качества объекта. 33

Экологическое нормирование – нахождение граничных значений экологических нагрузок для того, чтобы можно было установить ограничения для управляющих воздействий на объект нормирования и достигнуть целей нормирования. Как известно, основой экологического нормирования является допустимая антропогенная нагрузка (ДАН) – максимальная нагрузка, которая не вызывает ухудшения качества объекта нормирования. Таким образом, экологическое нормирование является частным случаем регулирования управляющих воздействий, касающихся только определенного класса воздействий, которые могут снизить качество объекта. Другой случай регуляции управляющих воздействий – оптимизация, цель которой – улучшить качество объекта управления. Нормировать можно только индуцируемые субъектом управления изменения внешней среды, а естественно обусловленные нормировать бессмысленно. В общем виде решение задачи нахождения экологических нормативов можно представить в виде системы двух уравнений: ⎧ Z = f1 ( X ); (1.23) ⎨ ⎩ Z = f 2 (Y ), где Z – качество экосистемы; X, Y – наборы параметров, описывающих состояние и нагрузки на экосистемы соответственно; f1 – функция, описывающая связь качества экосистемы с ее состоянием; f 2 – функция, связывающая нагрузки и состояние экосистемы. Следует обратить внимание на то, что качество экосистемы – величина с небольшим числом градаций (от 3 до 7) на шкале «хорошо – плохо», тогда как состояние экосистемы и нагрузки на нее описываются многомерным (до 1000) набором переменных. Установить величину ДАН – значит найти такой набор нагрузок, при котором сохраняется определенное фиксированное значение оценки качества экосистемы Z («хорошее» или «удовлетворительное»). Государственная экологическая экспертиза является обязательной мерой охраны окружающей среды и направлена на реализацию конституционного права граждан России на благоприятную окружающую среду посредством предупреждения негативных воздей34

ствий хозяйственной и иной деятельности на окружающую природную среду. Экологическая экспертиза – установление соответствия документов, обосновывающих намечаемую хозяйственную и иную деятельность, экологическим требованиям, установленным техническими регламентами и законодательством в области охраны окружающей среды, в целях предотвращения негативного воздействия такой деятельности на окружающую среду. Экологическая экспертиза основывается на следующих принципах: • презумпции потенциальной экологической опасности любой намечаемой хозяйственной и иной деятельности; • обязательности проведения государственной экологической экспертизы до принятия решений о реализации объекта экологической экспертизы; • комплексности оценки воздействия на окружающую природную среду хозяйственной и иной деятельности и его последствий; • независимости экспертов экологической экспертизы при осуществлении ими своих полномочий в области экологической экспертизы; • гласности, участия общественных организаций, учета общественного мнения. Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) − вид деятельности по выявлению, анализу и учёту прямых, косвенных и иных последствий воздействия на окружающую среду планируемой хозяйственной и иной деятельности в целях принятия решения о возможности или невозможности её осуществления. В отличие от экологической экспертизы ОВОС – процедура учёта экологических требований на стадии проектирования. ОВОС является процессом исследования воздействия проектируемой деятельности и прогноза его последствий для окружающей среды и здоровья человека. ОВОС разрабатывается, как правило, в рамках проекта и состоит из совокупности оценок по видам объектов воздействия (атмосфера, вода, почва, биота, человек), сводимых к итоговой интегральной оценке. 35

Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличаются уравнения баланса массы для консервативного и неконсервативного вещества? Приведите примеры консервативных веществ 2. Как будет зависеть от времени t концентрация консервативного загрязнителя в помещении, где находится источник загрязнения, если скорость воздухообмена равна I? 3. Какова доля доступной для использования человеком пресной воды в мировом водном ресурсе? Где она сосредоточена? 4. Назовите основные источники поступления диоксида углерода в атмосферу. 5. Какова роль диоксида углерода в парниковом эффекте? Какие ещё находящиеся в атмосфере газы относят к парниковым? 6. Назовите основные виды загрязнения водной среды. 7. Что такое мониторинг окружающей среды? 8. Чем отличается экологическое нормирование от санитарногигиенического? 9. Какие экологические факторы принимаются во внимание при составлении ОВОС? 10. Чем ОВОС отличается от экологической экспертизы? Список литературы 1. Болятко В.В., Демин В.М., Евланов В.В., Ксенофонтов А.И. Скотникова О.Г. Основы экологии и охраны окружающей среды: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. 2. Болятко В.В., Ксенофонтов А.И. Сборник задач по курсу «Основы экологии и охраны окружающей среды». М.: МИФИ, 2007. 3. Masters G.M. Introduction to Environmental Engineering and Science. Prentice-Hall Inc., New Jersey, 1991.

36

Глава 2. ЭНЕРГЕТИКА И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

2.1. Единицы измерения энергии и мощности

Слово «энергия» происходит от греческого energeia – действие, деятельность. В физике энергией называют общую количественную меру различных форм движения материи. Соответственно различным формам движения материи (физическим процессам) различают энергию механическую, тепловую, электрическую, химическую, гравитационную, ядерную и т.д. Благодаря открытию в середине XIX в. закона сохранения и преобразования энергии понятие энергии связывает воедино все явления природы. Среди различных видов (форм) энергии наиболее удобной оказалась электрическая, которая легко преобразуется в свет, тепло, механическую энергию и др. Расход электроэнергии сравнительно легко и точно контролируется и измеряется. Некоторые специалисты склонны судить об «уровне цивилизованности страны» по душевому потреблению именно электроэнергии, несмотря на большие потери при ее производстве. Изучению законов преобразования энергии уделяется большое внимание в физике, химии и других естественных науках. Особую роль здесь играет научная дисциплина «Термодинамика». Для количественных расчетов необходимо принять единицу измерения энергии. В международной системе единиц СИ (System International) за единицу энергии принят джоуль (Дж). Камень массой в 2 кг, летящий со скоростью 1 м/с, имеет кинетическую энергию 1 Дж. Для расчетов, связанных с тепловой и биологической энергией, часто используют старую (внесистемную) единицу энергии калорию (кал) или килокалорию (ккал): 1 ккал = 1000 кал. Калория – это такое количество тепловой энергии, которое необходимо подвести к массе воды в 1 грамм, чтобы нагреть ее на 1 градус Цельсия (Кельвина). Джоуль и калория связаны соотношением (с точностью до четырех значащих цифр): 1 кал = 4,187 Дж, 1 ккал = 4187 Дж = 4,187 кДж.

37

Для глобальных оценок используют единицу измерения энергии 1 Q = 1,055·1021 Дж (то есть 1Q ≈ 1021 Дж). Это очень большая энергия: в год население Земли потребляет около 0,3 Q энергии. За все время существования человечества израсходовано около 10 Q энергии. В литературе встречается также энергетическая единица эксаджоуль (ЭДж): 1 ЭДж = 1018 Дж, 1 Q ≈1000 ЭДж. Для сравнения различных видов топлива, отличающихся калорийностью, используют понятие условное топливо – это топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг = 29,3 МДж/кг (МДж = = мегаджоуль = 106 Дж). То есть при сгорании 1 тонны условного топлива (т у.т.) выделяется энергия 29,3 ГДж (ГДж = гигаджоуль = = 109 Дж = 1000 МДж): 1 т у.т. = 29,3 ГДж. Теплотворная способность угля, нефти и газа связана с теплотворной способностью условного топлива так, что выполняются приближенные соотношения: Топливо 1 т угля 1 т нефти 1000 куб. м газа

Эквивалент, т у.т. 0,6–1,0 1,4 1,15

В литературе часто используют единицу измерения объема нефти 1 баррель (буквально – бочка): 1 баррель (американский нефтяной) = 159 л. При средней плотности нефти 900 кг/м3 один баррель нефти содержит приблизительно 0,2 т у.т. = 5,9 ГДж энергии. В связи с большой ролью нефти в мировой экономике для сравнения различных видов топлива применяется и такая единица энергии как «тонна нефтяного эквивалента» (ТНЭ): 1 ТНЭ = 1,4 т у.т. ≈ 41 ГДж (на английском TOE – Ton of Oil Equivalent, во множественном числе – Tonnes of Oil Equivalent). В зарубежной литературе встречается внесистемная единица «британская тепловая единица» (БТЕ, в оригинале BTU – British Thermal Unit): 1 БТЕ = 252 кал = 1055 Дж. В энергетике наряду с энергией наиболее важными понятиями являются теплота, работа и мощность. Теплота и работа – это две различные формы передачи энергии от одного тела к другому. Теплота и работа измеряются в тех же единицах, что и энергия (энергию можно рассматривать как меру способности производить 38

работу. Поэтому единицы измерения энергии и работы одни и те же). Скорость передачи (преобразования) энергии называют мощностью. Единицей измерения мощности в международной системе единиц СИ определен 1 ватт: 1 Вт = 1 Дж/с (джоуль за секунду). Так, электрическая мощность одного блока современной атомной электростанции равна 1 ГВт = 109 Вт. Исторически одной из первых единиц измерения энергии была лошадиная сила (л.с.): 1 кВт = 1,341 л.с. Оценивая годовой расход условного топлива, можно приближенно считать 1 т у.т./год ≈ 1 кВт (точнее 1 кВт = = 1,076 т у.т./год). Электрическую энергию обычно измеряют в киловатт-часах: 1 кВт·ч = 3600 кДж = 3,6 МДж или 1 т у.т. = 8139 кВт·ч. При подведении годовых энергетических балансов иногда используют величину 1 кВт·год = 8760 кВт·ч = 31,5 ГДж = 1,08 т у.т. Это то количество энергии, которое производится за год при непрерывной работе генератора с постоянной мощностью 1 кВт. 2.2. Экспоненциальная динамика потребления энергии человечеством

Ведущая роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в росте благосостояния людей принадлежит энергетике. Надежность и стабильность снабжения энергией лежат в основе национальной безопасности, экономического процветания и глобальной стабильности. Биологическая (мускульная) мощность человека составляет 2– 3 тыс. ккал/сут ≈ 100–150 Вт, т.е. находится на уровне мощности средней электрической лампочки. Благодаря развитию энергетики среднее годовое потребление энергии на душу населения в мире составляет приблизительно 3 т у.т./год⋅чел. ≈ 3 кВт/чел. Потребление энергии на душу населения иногда называют «энерговооруженностью». В экономически наиболее развитых странах энерговооруженность составляет 6–12 кВт/чел. (около 6–12 т у.т./год, или около 190–380 ГДж/год·чел) при годовом валовом национальном продукте (ВВП) 20–40 тыс. дол./год·чел. (рис. 2.1). В странах с меньшим производством энергии и ВВП меньше, и меньше продолжительность жизни людей (рис. 2.2). 39

Потребление энергии в мире весьма неравномерно: 1 млрд чел. (из 6) потребляет 80 % энергии, остальные 5 млрд – только 20 %. Энерговооруженность людей в разных странах отличается более чем в 50 раз. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек, и живет в четыре раза дольше. После энергетического кризиса 1973–1979 гг., когда цена на нефть возросла почти в шесть раз, в странах с большим энергопотреблением начались активные работы по энергосбережению. В итоге существенно (на 20–30 %) уменьшились затраты энергии на производство единицы ВВП (см. рис. 2.1). За последние 200 лет годовое энергопотребление в мире выросло почти в 30 раз с ежегодным приростом около 3 %, а душевое энергопотребление в мире увеличилось почти в пять раз. Это позволило решить такие грандиозные задачи, как увеличение более чем вдвое средней продолжительности жизни людей, сокращение почти вдвое продолжительности рабочей недели, обеспечение продуктами питания возросшего в семь раз населения Земли. Одновременно с развитием энергетики возросло ее влияние на окружающую среду. Возросли площади карьеров и изъятых из земледелия и лесоразведения земель, выбросы в атмосферу пыли и токсичных газов, твердые отходы, сбросы низкопотенциального тепла, электромагнитные поля линий электропередач и др. Если предположить, что для поддержания высокого уровня жизни, присущего сегодня населению высокоразвитых стран, в будущем понадобится увеличить потребление первичной энергии (энерговооруженность) во всех странах до 10–20 кВт на одного человека, то при ожидаемой численности населения Земли к концу ХХI в. 10–12 млрд чел. годовое производство энергии в мире должно быть на уровне 10 Q. Такое количество энергии (10 Q) человечество израсходовало за все время своего существования до 2000 г. По оценкам ряда специалистов, Земля не выдержит антропогенного производства энергии более 10 Q в год. Рост потребления энергии человечеством обусловлен одновременным действием трех факторов: 1) увеличением численности населения, 2) повышением эффективности использования освоенных энергоресурсов (развитие технологий) и 3) освоением более калорийных и технологичных видов топлива. 40

В России с 1913 г. добыча угля возросла в 80 раз, добыча нефти – в 270, добыча газа – более чем в 30 тыс. раз (табл. 2.1). Данные этой таблицы, свидетельствующие о почти экспоненциальном росте добычи топлива на начальных этапах развития, представлены также на рис. 2.3. Затем наступает стагнация или даже уменьшение добычи. Таблица 2.1 Динамика годовой добычи топлива в России Нефть*

Уголь

Год добычи

млн т

1913 1940 1950

6 73 160

млрд ГДж 0,18 2,1 4,7

1960 1965

288 319

1970 1975

Газ** млрд м3

1,3 7,0 18,2

млрд ГДж 0,06 0,29 0,75

0,02 0,4 3,1

млрд ГДж 0,00 0,01 0,10

8,4 9,3

119 200

4,9 8,2

26 65

0,88 2,2

336 374

9,8 11,0

284 411

11,6 16,8

83 115

2,8 3,9

1980 1985

384 387

11,2 11,3

547 550

22,4 22,6

254 462

8,6 15,6

1990 1995

386 306

11,3 9,0

519 310

21,3 12,7

641 618

21,6 20,9

2000 2005

258 299

7,6 8,8

323 470

13,2 19,3

584 600

19,7 20,2

2008/ 2009

329

9,6

494

20,2

665/582

22/20

млн т

* Максимальный объем добычи нефти в России был достигнут в 1987 г. – 570 млн т (≈23,4 млрд ГДж). Затем начался быстрый спад добычи, а с 2000 г. благодаря значительному повышению мировых цен на нефть начался подъем ее добычи. ** В 2009 г. «Газпром» пережил рекордное падение добычи газа – она сократилась на 16 %, опустившись до уровня 25-летней давности. «Газпром» обладает монополией на экспорт газа из России и контролирует три четверти его внутреннего производства.

Весь исторический отрезок времени в 100 лет можно разбить на три характерных периода: период угля – до 1965 г., период нефти – 1965–1985 гг., период газа – с 1985 г. по настоящее время. Иначе 41

говоря, с начала 60-х годов начался процесс вытеснения угля нефтью, а с начала 80-х – газом. Этому способствовали соответственно открытие и освоение крупнейшего в мире Самотлорского месторождения нефти (1965 г.) и природного газа на севере Тюменской области (1975 г.). Тот факт, что зависимость энергопотребления от времени в полулогарифмических координатах представляет собой почти прямую линию, означает, что эта зависимость экспоненциальная. В экономике часто встречаются экспоненциальные зависимости. Пять основных характеристик мировой системы – численность населения, производство продуктов питания, индустриализация, загрязнение окружающей среды и потребление невозобновляемых природных ресурсов – возрастали практически по экспоненциальному закону. Исследуем некоторые важные закономерности экспоненциального роста энергопотребления. Обозначим через W установленную суммарную мощность энергетических установок (в мире, в отдельной стране или регионе). Если скорость наращивания мощностей dW/dt пропорциональна установленной в данный момент времени t мощности W(t), то дифференциальное уравнение, описывающее изменение установленной мощности с течением времени, имеет вид dW W = kW = , (2.1) dt Te где k – темп роста, Te = 1 k – характерное время (период времени, постоянная времени), в течение которого установленная мощность энергоустановок увеличивается в e = 2,72 раза. Темп роста k = 1 Te называют также эффективностью развития энергетики (экономики). Чем больше величина k, тем быстрее растет величина W(t) (установленная мощность, ВВП и т.п.). Пусть в начальный момент времени (t = 0) установленная мощность равнялась W0 . После интегрирования уравнения (2.1) получим закон изменения установленной мощности с течением времени: W (t ) = W0 e kt . (2.2) Экспонента является быстро возрастающей функцией, логарифмируя предыдущее выражение, получаем 42

W (t ) (2.3) = kt . W0 Часто в литературе встречается такой параметр, как время (или период) удвоения Т2. Это такой период времени, за который установленная мощность возрастает в два раза, т.е. W(t + Т2) = 2W(t) или с учетом формулы (2.2) W0 exp(kt + kT2 ) = 2W0 exp(kt ). Поскольку по определению времени удвоения exp(kТ2) = 2, то находим искомую связь периода удвоения с темпом роста ln 2 T2 = = Te ln 2 ≈ 0,693Te . (2.4) k Как видно, период удвоения меньше периода Te : T2 ≈ 0,7Te . Найдем теперь связь этих параметров с относительным приростом величины W за некоторый период времени Δt. Увеличение (абсолютный прирост) мощностей ΔW за произвольный период времени Δt согласно выражению (2.2) составляет ΔW = W (t + Δt ) − W (t ) = W0 exp(kt + k Δt ) − W0 exp(kt ) = (2.5) W0 exp(kt )[exp(k Δt ) − 1]. lnW (t ) = lnW0 + kt

Δt:

или

ln

Отсюда находим относительный прирост мощностей за период

ΔW (t ) (2.6) = exp(k Δt ) − 1. W (t ) Как видно, относительный прирост не зависит от текущего момента времени t, а только от периода Δt наблюдения за изменением. Из последнего выражения находим искомую взаимосвязь

k=

1 ⎛ ΔW ln ⎜ 1 + Δt ⎝ W

⎞ ⎟. ⎠

(2.7)

При малом относительном приросте ΔW/W > Те , т.е. kT >> 1, можно пренебречь экспонентой в последней скобке по сравнению с единицей. Тогда Е ≈ Те · W(T), т.е. величина Е практически не зависит от начальной мощности W0 и целиком определяется конечной мощностью и темпом развития. Эта формула позволяет оценить, например, количество энергии, израсходованной человечеством за все время его существования, хотя начальное энергопотребление не известно точно. Полагая, что в настоящий момент времени ежегодно расходуется W(T) = = 0,3 Q/год энергии, и ежегодный прирост потребления энергии был на протяжении всей истории Т постоянным и равным 3 % (ΔW/W = 0,03 ≈ k, т.е. Те = 1/k ≈ 33 года), получаем полный расход энергии Е ≈ 10 Q ≈ 1022 Дж. 44

Экспоненциальный рост опасен тем, что может очень быстро, как бы внезапно, генерировать огромные числа. Интересен такой пример: предположим, что у вас имеется пруд заданной площади, в котором растут лилии. Каждый день количество лилий удваивается. Если бы лилиям позволили разрастаться бесконтрольно, то вся поверхность пруда заросла бы, например, за 30 дней, уничтожив при этом все другие формы жизни в воде. В начале процесса довольно долго заросшая лилиями часть пруда остается маленькой, и вы не беспокоитесь и не срезаете лишние лилии до тех пор, пока они не покроют половину поверхности пруда. На какой день это произойдет? Конечно же, на 29-й. Для спасения пруда вам остается всего один день. В экономической литературе для прогнозных оценок или для дисконтирования расходов часто используют закономерности геометрической прогрессии. Сравним эти две закономерности. Геометрической прогрессией называется такая последовательность чисел W1, W2, …, Wn (членов прогрессии), в которой каждое последующее число получается из предыдущего умножением его на определенное (постоянное) число q (знаменатель прогрессии). То есть Wi+1 = qWi . Если q > 1, прогрессия называется возрастающей, если q < 1 – убывающей. Любой член геометрической прогрессии можно выразить через первый член выражением Wn = W1 q n−1. (2.11) Сумма n членов геометрической прогрессии, выраженная через первый или последний член прогрессии, равна W1 ( q n − 1) q ⎛ 1 ⎞ En = = Wn 1− . (2.12) q −1 q − 1 ⎜⎝ q n ⎟⎠ Если Wn означает установленную мощность энергоустановок спустя n лет от начала рассмотрения, когда мощность равнялась W1 , то относительное приращение мощностей за любой год i неизменно (как и при экспоненциальном росте) и составляет ΔW Wi +1 − Wi = = q − 1. (2.13) Wi Wi Сравнивая это выражение с формулой (2.7), находим, что знаменатель геометрической прогрессии связан с темпом роста мощностей при экспоненциальном росте соотношением: q = exp(kΔt), 45

где Δt = 1 год. При малых kΔt имеем exp(kΔt) ≈ 1 + kΔt, т.е. q – 1 ≈ ≈ kΔt, откуда при Δt = 1 год следуют (2.8) и (2.9). Чтобы посчитать количество выработанной энергии за n лет при заданной геометрической прогрессии установленных мощностей, приходится вводить дополнительные предположения, так как в пределах каждого года Еi не задана (задана величина Wi). Например, будем считать, что в течение первого года мощность постоянна и равна W1, тогда за время Δt = 1 год будет выработано Е1 = W1 Δt энергии. На границе первого и второго годов мощность скачкообразно увеличивается до W2 и сохраняется постоянной в течение всего второго года и т.д. В этом случае расчет по формуле (2.12), умноженной на Δt = 1 год, совпадет с расчетом для экспоненциальной зависимости по формуле (2.10). Если задать геометрическую прогрессию для количества энергии, выработанной энергоустановками за год, то придется вводить дополнительные предположения о мощности установок. Таким образом, экспоненциальный вариант моделирования развития энергетики (экономики) более универсален и лишен недостатков дискретного моделирования на основе геометрической прогрессии. 2.3. Традиционный топливно-энергетический комплекс

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) – это часть народного хозяйства, включающая в себя всю совокупность предприятий, установок и сооружений, а также связывающих их хозяйственных отношений, которая обеспечивает добычу природных энергоресурсов и функционирование всей цепочки их преобразования до конечных установок потребителей энергии. В составе ТЭК различают четыре основные части (подсистемы): 1) топливодобычу и топливоснабжение, т.е. добычу первичных источников энергии (уголь, нефть, газ, дрова, торф, уран и др.), их переработку (сортировку, очистку, обогащение, сепарацию и др.) и доставку топлива на перерабатывающие предприятия или потребителю; 2) преобразование и генерирование энергии, т.е. получение тепловой, электрической, механической и другой энергии из первичных или переработанных энергоресурсов; 46

3) транспорт энергии, т.е. распределение и передачу преобразованной энергии к потребителям (по линиям электропередачи, нефте- и газопроводам, речными и морскими судами и др.); 4) потребление энергии в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в обогревающих и отопительных устройствах, в быту и т.д. ТЭК страны имеет многочисленные функциональные связи со смежными отраслями народного хозяйства. В зависимости от стадии преобразования энергии в ТЭК принято различать первичную энергию, подведенную и конечную. Иногда две последних называют вторичной. Первичная энергия – это энергетические ресурсы, извлекаемые из окружающей среды: все виды топлива (включая ядерное), механическая энергия воды (рек, приливов) и ветра, энергия Солнца, тепло недр Земли и океанской воды и др. Подведенная энергия – энергоносители, получаемые потребителями: жидкое, газообразное и твердое топливо; электроэнергия; пар и горячая вода; носители механической энергии. Конечная энергия – форма энергии, непосредственно применяемая в производственных, транспортных или бытовых целях: электронная, механическая, световая, тепловая, химическая, звуковая и т.п. В структуре ТЭК важное место для жизнеобеспечения людей занимают электроэнергетика, централизованное теплоснабжение и теплофикация. Электроэнергетика – часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение электроэнергии и тепла. Электроэнергия производится на тепловых (ТЭС), атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а также на ветряных, приливных и иных электростанциях. Централизованное теплоснабжение – часть ТЭК, обеспечивающая производство и распределение пара и горячей воды от источников общего пользования (котельные, бойлерные и др.). Теплофикация – часть электроэнергетики и централизованного теплоснабжения, обеспечивающая комбинированное производство электроэнергии, пара и горячей воды на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и магистральный транспорт тепла. Эффективность производства электроэнергии и полезного тепла (пара) на различных электростанциях сравнивают по величине промышленного КПД (коэффициента полезного действия), равного отношению количества произведенной электроэнергии и полезно используемого тепла к количеству выделившейся внутренней энергии, 47

заключенной в использованном топливе (химическом – углеводородном или ядерном). Характерные значения КПД для энергоустановок составляют: 90–97 % для ГЭС, 50–75 % для ТЭЦ (с учетом утилизации тепла), 33–42 % для ТЭС и 28–33 % для АЭС. Главной особенностью производства тепловой и электрической энергии является невозможность накапливать их в значительных количествах, так как нет рентабельных крупных аккумуляторов тепла и электричества. Невозможность «работы на склад» порождает жесткую связь производства и потребления энергии во времени (суточные и сезонные графики потребления). В каждый момент времени электростанция должна производить столько электроэнергии, сколько ее потребляется в тот же момент времени. В связи с непрерывным изменением потребления энергии для каждой электростанции устанавливается график нагрузки, т.е. график (диаграмма) изменения мощности во времени. Обычно различают четыре типа суточного графика нагрузки – для нормального рабочего дня, субботы, воскресенья и понедельника. Суточный график нагрузки чаще всего имеет два пика (утренний и вечерний) и два провала (дневной и ночной). Нижнюю часть графика нагрузки принято называть базовой нагрузкой, а верхнюю – пиковой. Недельная неравномерность связана с уменьшением нагрузки с пятницы до воскресенья и с резким повышением к понедельнику. Существует также сезонная неравномерность нагрузки, обусловленная климатическими условиями в стране. Гидро- и ядерные электростанции работают только в базовом режиме. Пиковые суточные нагрузки в энергосистеме покрывают специальные установки, как правило, с газовым топливом. Важнейшее значение при планировании, организации и управлении ТЭКом имеют топливно-энергетические балансы, в которых отражается качественное и количественное согласования производства и потребления всех видов топлива и энергии в стране или отдельном регионе. Важным аспектом энергосберегающей политики в ТЭК наряду с экономией энергоресурсов служит замещение принципиально ограниченных и быстро дорожающих ресурсов органического (прежде всего углеводородного) топлива крупномасштабными, экономически стабильными возобновляемыми энергоресурсами. Замещение органического топлива будет вестись в следующих на48

правлениях: использование ядерной энергии для производства электрической энергии и теплоты (в том числе в удаленных и труднодоступных районах страны); дальнейшее освоение гидроэнергетических ресурсов; более широкое использование других возобновляемых источников энергии – солнечной, геотермальной, ветровой, биомассы – главным образом для целей локального тепло- и электроснабжения. 2.4. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

Энергетические ресурсы подразделяются на возобновляемые и невозобновляемые (табл. 2.2). К невозобновляемым относятся извлекаемые из земли уголь, нефть, газ, торф, уран и некоторые другие, запасы которых сформировались в доисторические времена. К возобновляемым энергоресурсам относятся непрерывно возобновляемые в биосфере Земли виды энергии – солнечная энергия, энергия рек и приливных течений (гидроэнергия), ветер, геотермальная энергия, тепловая энергия океана и др. Запасы невозобновляемого органического топлива – основного источника энергии на протяжении последних трех столетий – весьма ограничены. Кроме того, на сжигание органического топлива расходуется кислород воздуха, а продукты сжигания в виде золы, сажи, газообразных токсичных веществ загрязняют окружающую среду. Правда, кроме обычных ресурсов природного газа есть нетрадиционные – так называемые газогидраты, представляющие собой кристаллическое соединение метана и молекул воды, похожее на лед либо мокрый снег, которое появляется под действием низких температур и сверхвысокого давления в зонах вечной мерзлоты либо на глубине Мирового океана. Потенциальные запасы гидрата метана (около 20000 трлн м3) вдвое превосходят разведанные запасы всех углеводородов. Однако промышленной технологии добычи газогидратов пока не существует, их добыча может быть освоена не ранее 2-й половины XXI в. Ядерная (и термоядерная) энергетика хорошо обеспечена ресурсами на столетия, но нуждается в разработке безопасного обращения с радиоактивными отходами. 49

Ежегодное поступление на Землю солнечной энергии (более 2000 Q) в сотни раз превышает предполагаемые потребности человечества (около 0,3 Q в год в настоящее время). Однако использовать энергию Солнца и других возобновляемых источников трудно, поскольку они рассеяны в пространстве и непостоянны во времени, что требует решения проблем концентрации и аккумулирования энергии. Таблица 2.2 Мировые ресурсы энергии (приближенные оценки) [1] Возобновляемые источники энергии Источник энергии Ежегодное поступление энергии, Q Солнце

2000

Тепловая энергия океана

1

2

Геотермальная энергия

0,5

Гидроэнергия

0,2

Ветер

0,04

Приливы

0,02 Невозобновляемые источники энергии Источник Глобальные запасы энергии, Q Органическое топливо

Уголь Нефть Газ

300 50 10 Ядерное топливо

2

104 104 105 103

Уран Торий 2 Дейтерий Литий 3

В таблице цифрами отмечено: 1 – в тропических областях температура поверхности морей и океанов 25–28 °С, а на глубине 500 м – менее 10 °С, 2 – с учетом запасов в океанской воде и при использовании реакторов-размножителей, 3 – литий как источник трития – искусственного термоядерного топлива. 50

Некоторые из возобновляемых источников энергии (приливы, ветер, гидроэнергия, геотермальные источники) могут играть важную роль в отдельных регионах, способствовать экономии углеводородного топлива, но их общие ресурсы малы по сравнению с ожидаемым потреблением энергии. Когда говорят о запасах энергетических ресурсов, то необходимо различать глобальные запасы (общее количество в земной коре или в воде морей и океанов) и запасы разведанные, технически извлекаемые или экономически обоснованные. Запасы могут расширяться по мере проведения геологической разведки, появления новых экономичных технологий извлечения ресурсов или повышения цен на энергетические ресурсы. Как следует из рис. 2.5, доступность энергетических ресурсов существенно зависит от стоимости их извлечения. При выборе энергетической стратегии приходится учитывать, помимо запасов энергоресурсов, также экономичность способа производства полезной энергии, его технические возможности и степень воздействия на окружающую среду и население. В связи с надвигающимся исчерпанием невозобновляемых углеводородов главное значение в перспективе получают другие виды горючего. К таковым относятся биотопливо (биоэтанол С2Н5ОН, биометанол СН3ОН, биогаз, биодизель) и синтетическое жидкое топливо (СЖТ – диметилэфир СН3ОСН3, метанол, бензин, дизтопливо и т. п.) [2, 3]. Биогаз (55 % метана и 25–45 % СО) получают метановым брожением биомассы при 80–90% влажности либо анаэробной микробиологической конверсией отходов пищевой индустрии, животноводства, очистных сооружений и коммунальных отходов. Выход биогаза на тонну полностью сухого сырья составляет 250–600 м3 (отходы большого рогатого скота, птицеводства, растениеводства). В Китае в год создают около 7 млрд м3 биогаза. В Дании биогаз обеспечивает до 18 % общего энергобаланса страны. В США имеется выше 500 заводов по производству «лэндфилл-газа» (биогаз из мусорных свалок), в Европе – 750, всего в мире – около 2000 (суммарная мощность выше 4 ГВт, масса обрабатываемых отходов выше 4 млрд т) [3]. В целях обеспечения энергетической безопасности и снижения экономических рисков важна диверсификация источников энергии для производства электричества. «Разнообразие энергоисточни51

ков – краеугольный камень зрелой энергетики» [3]. В мире в целом примерно по 17 % производства электроэнергии приходится на газ, гидроэнергию и ядерное топливо (рис. 2.6). Наибольшее количество электроэнергии (39 %) производится за счет сжигания угля. Экономические риски повышаются, когда превалирует какой-то один источник энергии как, например, газ в России и Нидерландах (более 51 %), уголь в Польше, ЮАР и США (более 50 %), гидроэнергия в Бразилии и Норвегии (более 75 %) или АЭС во Франции (около 80 %). 2.5. Пределы роста энергетики и защита климата

Под названием «Пределы роста» в 1974 г. опубликован отчет группы ученых под руководством Д. Медоуза из Массачусетского технологического института США. Отчет выполнен по заказу Римского клуба – международной группы крупных бизнесменов, государственных деятелей и ученых. Требовалось исследовать причины и долговременные последствия роста численности населения, промышленного капитала, производства продуктов питания, потребления ресурсов и загрязнения окружающей среды. Чтобы проследить за этими взаимодействующими элементами экономической системы и спрогнозировать возможные пути их развития в будущем, была создана компьютерная модель World 3. Отчет вызвал сенсацию, был переведен на 35 языков мира и стал бестселлером. Газеты гласили: «Компьютер заглянул в будущее и содрогнулся». Многие восприняли отчет как предсказание скорого конца света. Расчеты авторов [2] показали, что в первой половине ХХI в. объем промышленного производства на душу населения превысит вдвое уровень 1990 г., достигнет максимума и начнет резко уменьшаться. Более крупное промышленное производство в большей степени загрязняет окружающую среду и потребляет больше ресурсов. Загрязнение снижает урожайность сельскохозяйственных культур. Для поддержания необходимого уровня производства продуктов питания сельскохозяйственный сектор требует дополнительных капиталовложений. Исчерпание ресурсов, загрязнение среды и снижение качества питания приведут к драматическому снижению численности населения начиная с 2050 г., причем так, что через несколько десятилетий достигнет уровня «бронзового века». 52

Авторы [2] считают, что, безусловно, в отчете содержалось предупреждение, но была и надежда. Вот основные выводы авторов, подтвержденные и усиленные в их новой книге «За пределами роста» (2008 г.) [2], опубликованной к 30-летию первого отчета. 1. Темпы использования человечеством многих важных видов ресурсов и темпы производства многих видов загрязнений уже превышают допустимые пределы. Без существенного уменьшения потоков материальных и энергетических ресурсов в ближайшие десятилетия произойдет неконтролируемое (и резкое) сокращение следующих душевых показателей: продуктов питания, потребления энергии, промышленного производства и резкое сокращение численности населения (рис. 2.7). 2. Это сокращение не является неизбежным. Чтобы предотвратить его, необходимо: 1) пересмотреть политику и практику, способствующие росту численности населения и уровня материального потребления, 2) быстро и резко повысить эффективность использования материальных и энергетических ресурсов. 3. Технологически и экономически создание устойчивого общества еще возможно. Переход к устойчивому обществу требует тщательно сбалансированных дальних и ближних целей и акцента на достаточности, равенстве и качестве жизни, а не на объеме производства. Он требует большего, чем продуктивность, и большего, чем технология, он требует еще и зрелости, сострадания, мудрости. «Идеи пределов, устойчивости, достаточности, равенства и эффективности – это не барьеры, не препятствия, не угрозы. Они ведут к новому миру. Устойчивость, а не все более совершенное оружие или борьба за власть и материальные блага – вот последний вызов энергии и творческим способностям рода человеческого» – таков вывод авторов отчета Римскому клубу. Действительно, на всем пути развития человечество в целом всегда располагало достаточными ресурсами, и человек их осваивал, расселяясь по Земле и экспоненциально увеличивая масштабы производства. При этом общий рост населения планеты оставался неуклонным. По мнению ряда исследователей [4, 5], до настоящего времени отсутствует прямое влияние внешних факторов (окружающей среды и ресурсов) на пределы роста. Оптимисты полагают, что природные ресурсы не ограничены в своей величине и не могут быть исчерпаны. Скорее верно обратное – многие ресурсы 53

создаются трудом и изобретательностью человека. В технике и технологиях есть неограниченный резерв по производству новых ресурсов. Авторы «взрывной дейтериевой энергетики» [5] утверждают, что физических ограничений для получения громадного количества экологически чистой энергии нет. Основная идея очередного доклада Римского клуба (1997 г.) «Фактор четыре. Затрат – половина, отдача – двойная», вызвавшая небывалый интерес во всем мире, состоит в том, что современная цивилизация достигла уровня развития, на котором рост производства фактически во всех отраслях хозяйства способен осуществляться в условиях прогрессирующей экономики без привлечения дополнительных ресурсов и энергии. Человечество «может жить в два раза богаче, расходуя лишь половину ресурсов». Однако рано или поздно в более отдаленном будущем встанет вопрос о влиянии человечества на окружающую среду в планетарном масштабе и обратном влиянии глобальных условий существования на развитие человечества. Работы Римского клуба, концепция «устойчивого развития» (sustainable development), сформулированная в 1992 г. на Международной конференции в Рио-деЖанейро, а также Киотский протокол об ограничении эмиссии парниковых газов свидетельствуют о быстром приближении этого времени. Система добычи, доставки и преобразования энергии в настоящее время таковы, что в конечную полезную энергию (на совершение полезной работы) преобразуется лишь около 40 % потенциальной тепловой энергии, содержащейся в израсходованных ресурсах (угле, нефти, газе, дровах, торфе, уране и т.д.), а около 60 % составляют потери. С выбросами в атмосферу двуокиси (диоксида) углерода СО2, окислов серы и азота (и ряда других веществ) при сжигании углеводородного топлива связывают развитие таких негативных глобальных экологических явлений, как «закисление осадков», «парниковый эффект» и «истощение озонового слоя Земли». В связи с этими явлениями разрабатываются национальные и международные стандарты, определяющие допустимые уровни выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и регулирующие трансграничный перенос загрязнений. В 1992 г. в Рио-де-Жанейро представителями более чем 150 государств была подписана Рамоч54

ная Конвенция ООН по предотвращению катастрофических антропогенных изменений климата. В 1997 г. страны-участницы Рамочной Конвенции ООН подписали в Киото Протокол по сокращению эмиссии парниковых газов (СО2, метан и др.), в котором определены обязательства ряда стран по регулированию выбросов в атмосферу. Вступление в силу Киотского протокола благодаря его ратификации Россией в 2005 г. означает, что 35 промышленно развитых стран и Европейское Сообщество за пять лет (2008–2012 гг.) законодательно обязаны снизить совокупную эмиссию шести парниковых газов ниже уровня 1990 г. Несмотря на усилия по снижению антропогенного воздействия на окружающую среду, в последние годы всё чаще звучат опасения об экологических проблемах в странах с развитой промышленностью. Наиболее остро эти опасения сформулированы в трудах Римского клуба: «Конец 20-го века неприятно похож на конец «Титаника» медленным осознанием людьми грозящей им опасности: корабль уже давно обречен, а на палубе продолжается веселье». Такие прогнозы связаны с истощением энергетических ресурсов, загрязнением среды и перенаселением планеты. Тезис «ресурсов всем не хватит» кладется в основу агрессивной политики некоторых стран. Таким образом, энергетика оказывает существенное влияние на социально-экономическую и политическую жизнь общества. Высокая энергоемкость экономики развитых стран представляет серьезную проблему для их энергетической, экологической и экономической безопасности. Причем требования к экологической безопасности энергетики становятся не менее жесткими ограничителями ее развития, чем обеспеченность ресурсами топлива и экономическая эффективность производства. Именно поэтому энергетика находится в фокусе современного естествознания, экономики и политики. 2.6. Географические и климатические особенности энергетики России

Около 95 % территории России расположено севернее широты, по которой проходит северная граница США (широта Ростова-наДону). Сравнительно приемлемые агроклиматические условия (на55

зываемые условиями рискованного земледелия) характерны для малой части территории страны, где и сосредоточена основная часть населения. В высокоширотных районах нормальное товарнорыночное производство, как правило, нерентабельно. Причина – возрастание затрат до семи раз по сравнению с районами массового проживания людей [4]. Однако именно в этих районах находится 60–95 % важнейших ресурсов России – энергоносителей, редких металлов, драгоценных камней, золота, леса. Особенно неблагоприятны здесь условия добычи энергоносителей, которые не относятся к продукции с высокой удельной стоимостью как золото или драгоценные камни. Кроме того, внутриматериковое, отдаленное на тысячи километров от районов потребления, расположение месторождений энергоресурсов обусловливает неизбежность транспортировки нефти и газа почти целиком по суше – трубопроводами. Удельная стоимость газопровода Ямал–Восточная Германия длиной 4200 км в шесть раз выше, чем транскавказского нефтепровода Баку–Поти длиной 920 км – 1,8 и 0,3 млн дол. за километр соответственно [5]. Такая разница в цене – влияние отдаленных северных условий сооружения. Огромная сухопутная протяженность обрекает экономику России на дорогой железнодорожный грузооборот подавляющей части (80% в 1996 г.) валового продукта. Продукта, получаемого к тому же с повышенными затратами из-за дорогих энергоносителей и более суровых климатических условий. По этим причинам жить в России труднее. Для того чтобы обеспечить такой же, как в Западной Европе (не говоря о США), уровень жизни, удельные средние затраты энергии на одного человека должны быть в 2–3 раза выше, чем сейчас, даже при равенстве технологий, производительности труда и уровня организации материального производства. Непонимание этого порождает различные иллюзии и мифы. Тем временем на долю северотюменской нефтегазовой провинции пришлось 96 % общероссийского объема газодобычи и около 70 % нефтедобычи (на 1996 г.). Доля природного газа в объеме топливопотребления страны достигла 55 %, а в европейской части – 80 %. В производстве электроэнергии доля газа превысила 60 %. То есть энергетика Европейской части России, где проживает 80 % населения, приблизилась к 56

моногазовой, а экономика страны «посажена на нефтегазовую иглу» длиной до 3,5 тыс. км. Образовалась гигантская, невиданная в мире концентрация зависимости топливно-энергетической отрасли, а значит, и экономики России, от удаленного локального источника. Как только Россия вступила на рыночный путь – сразу дали о себе знать ее географические особенности, ставшие одной из главных причин превышения внутрироссийских цен над мировыми. Выход из этой российской энергоэкономической проблемы был начат в 1970-х гг., когда был взят курс на высокие энерготехнологии – ядерные. Их экономические показатели не зависят ни от климата, ни от места использования. АЭС как бы предрасположены именно к уникальным географическим особенностям России. Топливная составляющая электроэнергии АЭС почти в 10 раз меньше, чем на тепловых электростанциях. Железные дороги России, обеспечивающие 80 % ее грузооборота, потребляют 5 % электроэнергии, из которых 90 % потребляется железными дорогами Европейской части. АЭС, вырабатывающие 17 % электроэнергии и расположенные здесь же, могли бы взять на себя электроснабжение железных дорог вдвое более дешевой электроэнергией, чем она приобретается по тарифам из энергосистем РАО «ЕЭС России». Это позволило бы на 35–40 % снизить стоимость тонно-километра и цены на билеты. Еще один аспект – военный. Существует вероятность разрушения АЭС любым, даже обычным оружием. Это сопровождалось бы глобальным выбросом радиоактивности планетарного масштаба. Поэтому наличие АЭС во всех развитых странах (в значительно большем масштабе, чем в России) обеспечивает стратегическую стабильность равновесия возмездия. Это гарантирует национальную безопасность развития ядерной энергетики в любой стране, чего нельзя сказать об обычных электростанциях: чем больше их доля в электроэнергетике страны, тем больший риск их поражения и больший ущерб для ее экономики в случае их разрушения. Таким образом, ядерно-энергетические технологии являются единственным средством для прямого и опосредованного решения проблем экономики, экологии и достижения главной социальной цели государства – повышения благосостояния народа. 57

Контрольные вопросы и задания 1. С какой высоты должен падать камень массой 2 кг, чтобы перед падением на землю иметь кинетическую энергию 20 Дж? 2. При взрыве 200 г тротила (калорийность 4 МДж/кг) выделяется энергия 0,8 МДж, способная разрушить многоэтажный дом. Метеорная частица какой массы может спровоцировать такое энерговыделение при встречном столкновении с космическим кораблем (частица и корабль движутся со скоростями 8 км/с навстречу друг другу)? Ответ: около 6 г. 3. Электрический чайник мощностью 1,5 кВт работал непрерывно 10 мин для нагрева воды. Сколько израсходовано энергии за это время? Отметьте все правильные ответы (1 т у.т. = 1000 кг условного топлива (у.т.) = 7·106 ккал). 4. Среднее душевое потребление энергии в мире составляет приблизительно 2 т у.т./(чел.⋅год). Эту величину можно выразить в других единицах измерения. Отметьте все правильные ответы (в году 365 сут). 5. Производство электроэнергии в мире увеличивается с течением времени приблизительно по экспоненциальному закону: W(t) = W0exp(kt). Какой график правильно изображает эту зависимость?

6. Добыча нефти в России возросла с 1910 по 1980 г. приблизительно в N = 1000 раз. Каков период τ2 удвоения добычи нефти? (Предположить, что добыча увеличивается по экспоненциальному закону.) Приведите расчетную формулу и отметьте все правильные ответы. 7. Добыча нефти в России возросла с 1910 по 1980 г. приблизительно в N = 1000 раз. Каков ежегодный прирост добычи нефти? (Предположить, что добыча увеличивается по экспоненциальному 58

закону.) Приведите расчетную формулу и отметьте все правильные ответы. 8. Докажите, что в первые 20 лет XXI в. прирост энергопотребления в мире будет больше, чем за вс` время существования человечества до 2000 г., если темпы роста потребления энергии сохранятся на уровне 3,5 % в год. 9. Пусть две страны А и В развиваются по экспоненциальному закону, т.е. их годовой валовый внутренний продукт (ВВП) на душу населения изменяется с течением времени t по формулам WA = W0 A exp(k At ), WB = W0 B exp(k B t ), где W0 A и W0B – ВВП в начальный момент времени рассмотрения (t = 0) в странах А и В; k A и k B – темпы развития экономики в странах А и В. Пусть в начальный момент времени ВВП в стране В меньше, чем в стране А, т.е. W0 A > W0 B . Например, W0 A = 3W0 B , k A = 0,03 1/год, т.е. 3 % в год. Каким должен быть темп k B развития страны В, чтобы через t = 10 лет ВВП в обеих странах сравнялись? Список литературы 1. Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. – 344 с. 2. Медоуз Д.Х., Рандерс Й., Медоуз Д.Л. Пределы роста. 30 лет спустя. М.: ИКЦ «Академкнига», 2008. 3. Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях / Под общ. ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. Ч. 1. Трухний А.Д., Макаров А.А., Клименко В.В. Современная теплоэнергетика. М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 368 с. 4. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (ТЭК и государство). М.: МГФ «Знание», 2000. – 304 с. 5. Велихов Е.П., Гагаринский А.Ю., Субботин С.А., Цибульский В.Ф. Россия в мировой энергетике XXI века. М.: ИздАт, 2006. – 136 с.

59

Глава 3. ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 3.1. Инженерно-физические основы ядерной энергетики

В настоящее время в 30 странах мира работают более 440 коммерческих ядерных реакторов общей установленной мощностью около 350 ГВт (эл.). Они производят около 17 % электроэнергии, а в ряде стран их доля в производстве электроэнергии достигает 50– 80 % (рис. 3.1 и 3.2). Конструкции реакторов и экономические перспективы развития ядерной энергетики основываются на знаниях о физике ядерных превращений. 3.1.1. О строении ядра

Начиная с опытов Э. Резерфорда в 1911 г. была экспериментально установлена «планетарная» модель атома, в центре которого расположено маленькое ядро, несущее положительный заряд и почти всю массу атома. Отрицательно заряженные электроны формируют внешнюю оболочку атома. В свою очередь ядро атомов имеет протон-нейтронную структуру. В современной ядерной физике принято называть протоны и нейтроны единым термином – нуклоны (ядерные частицы). Итак, ядро состоит из А нуклонов, из которых Z протонов и (А–Z) нейтронов. Величину А называют также массовым числом химического элемента, а величина Z определяет порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Ядра с одним и тем же числом протонов Z, но с разным числом нейтронов называют изотопами. Изотопы химически тождественны, но могут резко отличаться ядерными свойствами. В табл. 3.1 приведены некоторые изотопы, играющие ключевую роль в ядерной и термоядерной энергетике. Как видно, в ядрах урана, плутония и тория гораздо больше нейтронов, нежели протонов. Уран-235, которого в природном уране всего 0,7 %, является в настоящее время основным топливом для ядерной энергетики. 60

Таблица 3.1 Состав и обозначения некоторых изотопов для энергетических целей Наименование и обозначение изотопа

Число Число Число нуклонов протонов нейтронов А Z A–Z Три изотопа водорода (смесь дейтерия и трития – лучшее термоядерное топливо) 1 1 Нет Протий (самый распространенный изотоп водорода)

H=

A =1 Z =1 H

Дейтерий D = AZ=2 =1 H

2

1

1

Тритий T = ZA=3 =1 H

3

1

2

Два изотопа лития (в природной смеси изотопов лития: 7,5 % лития-6 + 92,5 % лития-7). Литий – сырье для термоядерного топлива 6 6 3 Литий-6 3 Li Литий-7

7 3

Li

7

3

3 4

Три основных изотопа урана (в природной смеси изотопов урана: 0,7 % урана-235 + 99,3 % урана-238 + следы урана -234) 238 238 92 146 Уран-238 U 92

Уран-235

235 92

U

235

92

143

Уран-233

233 92

U

233

92

141

(искусственный изотоп) Основной изотоп плутония (искусственный изотоп) 239 239 94 Плутоний-239 94 Pu

146

Основной (единственный в природе) изотоп тория 232 232 90 140 Торий-232 Th 90

61

Из урана-238 получают отсутствующий в природе плутоний-239 для ядерного оружия и для замены урана-235 в ядерной энергетике. Из тория-232 можно получить при облучении нейтронами отсутствующий в природе уран-233, который является, как уран-235 и плутоний-239, ядерным топливом для реакторов. Размер ядра приблизительно в 105 раз меньше размера атома. Радиус самого маленького ядра (водорода) составляет r0 = 1,2 · 1015 м. Объём ядра увеличивается прямо пропорционально массовому числу (числу нуклонов в ядре), а радиус ядра – корню третей степени из числа нуклонов: R = r0 · A1/3. Радиус ядра урана приблизительно в 13 раз больше радиуса ядра водорода. 3.1.2. Реакция деления ядер

Деление ядер – одна из важнейших для энергетики ядерных реакций, происходящих под действием нейтронов. Для тяжелых ядер с массовым числом А > 90 энергетически выгодно деление [1]. Единственным делящимся материалом, распространенным на Земле, является изотоп урана 235U. Именно на основе природных запасов урана-235 стала развиваться ядерная энергетика. Деление урана под действием нейтронов отличается невиданным энергетическим выходом (калорийностью) – около 200 МэВ на одно ядро или 8,2 · 1013 Дж/кг. То есть калорийность урана в 2,5 миллиона раз выше калорийности углеводородного топлива (угля, нефти и газа). Физический предел калорийности, вытекающий из теории относительности, составляет E/m = c2 ≈ 9 · 1016 Дж/кг, т.е. всего в 1000 раз больше калорийности ядерного топлива. Деление ядер происходит в несколько стадий. Сначала при поглощении нейтрона образуется возбужденное ядро. Затем возбужденное ядро делится на два осколка – близкие по массе новые ядра с массовыми числами А1 и А2, причем в ядерных превращениях сохраняются числа нуклонов и числа протонов: А + 1 = А1 + А2, Z = Z1 + Z2. Возбужденное ядро сначала как бы деформируется, приобретая вид гантели. Из-за кулоновского отталкивания обе части «гантели» (капли ядра) разлетаются с большой скоростью. Спустя 10–17–10–14 с после образования осколков (т.е. практически мгновенно) последние испускают по 2–4 нейтрона и несколько гамма-квантов. 62

Кинетическая энергия осколков и представляет собой основную часть энергии деления (более 83 %). Осколки деления, являясь достаточно тяжелыми ядрами (чаще всего Z = 40 – 50, A = 80 – 150), быстро замедляются в веществе за счет торможения при кулоновском взаимодействии с ядрами и электронами вещества (ядерного топлива). Длина пробега осколков деления составляет: 5–7 мкм в металлическом уране, 10 мкм в алюминии, 20 мм в воздухе (1 мкм = 10–6 м = 10–3 мм). В конце пути торможения осколки превращаются в нейтральные атомы, которые принято называть продуктами деления. Некоторые из них радиоактивны. Торможение осколков сопровождается разогревом вещества, которому передается энергия осколков, т.е. кинетическая энергия осколков преобразуется в тепло, вызывая разогрев топлива. Ядерное топливо, в котором замедляются осколки деления, может нагреваться до высокой температуры. Поэтому топливо надо охлаждать, передавая тепло теплоносителю, от которого затем нагревается вода паротурбинного цикла атомной (точнее, ядерной) электростанции. Реакцию деления урана под действием нейтрона упрощенно записывают так: 235 U + n → ( f + f ) + νn′ + q. (3.1) 1 2 92

Здесь f1 + f 2 – два осколка деления (от английского fission – деление), ν – число вторичных нейтронов n′, образующихся при делении ядер. Средняя энергия нейтронов деления (вторичных нейтронов) – около 2 МэВ. Суммарная энергия, выделяющаяся в одном акте деления, составляет q ≈ 200 МэВ = 32 · 10–12 Дж. Эту величину можно назвать теплотворной способностью (калорийностью) урана в расчете на акт деления. В расчете на 1 кг урана получим q = 200 · 106 · 1,6 · 10–19/ (235 · 1,66 · 10–27) = 82 · 1012 Дж/кг. Эта величина почти в 2,5 млн раз больше теплотворной способности 1 кг углерода, для сжигания которого требуется еще почти 3 кг кислорода. Принципиально важно, что деление ядра урана возбуждается одним нейтроном, а в результате деления образуется в среднем от ν = 2 до 4 новых (вторичных) нейтрона, которые могут разделить более двух других ядер урана. Так возникает цепная реакция деле63

ния (каждое деление удваивает – утраивает число новых делений и порождает экспоненциальный рост числа делений со временем). Характерный для реакции деления избыток нейтронов деления (ν – 1), т.е. превышение их числа над единицей, служит физической основой: 1) цепной самоподдерживающейся реакции деления и 2) воспроизводства искусственного ядерного топлива. Сечение деления. Исключительно важной характеристикой деления (fission) является сечение деления σf. Величина сечения характеризует вероятность деления при взаимодействии ядра с нейтроном данной энергии En. Сечение численно равно площади такого круга (центр которого совпадает с центром ядра), попадая в который нейтрон со 100 %-й вероятностью вызывает деление ядра. Для удобства часто используют специальную единицу измерения сечения (площади) – барн (1 барн = 10–28 м2 = 10–24 см2). Сечение в 1 барн соизмеримо с площадью поперечного сечения ядер. Величина сечения существенно зависит от энергии нейтрона. Как видно, четные ядра (уран-238, торий-232) могут делиться только при взаимодействии с быстрыми нейтронами, кинетическая энергия которых превышает 1 МэВ. В этой области энергий сечение деления близко по величине к площади поперечного сечения ядер и составляет 1–2 барна. По отношению к делению эти нуклиды называют пороговыми, т.е. не способными поддержать цепную реакцию. Нечетные нуклиды (уран-233, уран-235, плутоний-239) называют делящимися, так как они могут делиться от нейтронов любых энергий, причем (и это важно!) вероятность деления возрастает почти в тысячу раз при уменьшении энергии нейтронов от 2 МэВ (нейтроны деления) до 0,025 эВ (комнатная температура). Нейтроны с энергией порядка 0,025 эВ называют тепловыми. Таким образом, в области тепловых энергий нейтронов сечение деления превышает площадь поперечного сечения ядер в сотни раз в силу квантово-механических законов. Это важное обстоятельство делает полезным замедление нейтронов в реакторе, т.е. снижение их кинетической энергии до тепловых энергий (соответствующих температуре активной зоны), так как позволяет в сотни раз повысить вероятность реакции деления и тем самым осуществить цепную реакцию на природном (естественном, необогащенном) уране. 64

Нейтроны замедляются в результате столкновения с легкими ядрами, поэтому для замедления нейтронов используют «разбавление» ядерного топлива сравнительно недорогим веществом – замедлителем нейтронов, содержащим легкие ядра и обладающим низким сечением поглощения нейтронов: графитом С, тяжелой водой D2O или легкой (обычной) водой Н2О. Реакторы с большим количеством замедлителя нейтронов в активной зоне называют реакторами на тепловых нейтронах, так как в этих реакторах реакции деления происходят под действием преимущественно замедленных до тепловой энергии нейтронов. Реакторы, в которых специального замедлителя нейтронов нет, отличаются жестким спектром нейтронов и называются реакторами на быстрых нейтронах. Обогащение ядерного топлива. Степенью обогащения z или просто обогащением называют относительное содержание делящихся ядер (например, урана-235) в смеси ядер урана-235 и урана-238: N5 (3.2) z5 = 100 %. N 5 + N8 В естественной смеси изотопов урана (в урановой руде) z5 = 0,7 %, в реакторах с водяным охлаждением применяют в качестве топлива уран с обогащением 2–4 %, в реакторах на быстрых нейтронах – z5 = 20–25 %. Процесс обогащения урана в настоящее время осуществляется на специальных установках – газовых центрифугах, в которых используется газообразное соединение гексафторид урана UF6. На выходе центрифуг формируются два потока: обогащенный и обедненный изотопом уран-235 (по отношению к естественному урану). Обогащенный уран направляется на изготовление топлива для реакторов. В обедненном (отвальном) уране неизвлекаемый по экономическим соображениям остаток урана-235 составляет около 0,2–0,3 %. К настоящему времени накоплены большие запасы отвального урана, состоящего на 99,8 % из урана-238. 3.1.3. Воспроизводство ядерного топлива

Четные нуклиды торий-232 и уран-238 (называемые часто сырьевыми, так как существуют в естественном виде), запасы которых 65

на Земле достаточно велики, могут быть переработаны в делящиеся нуклиды благодаря реакциям радиационного захвата нейтронов, которые можно условно и сокращенно записать так: 232 Th + n → 233 Th + γ; (3.3) 90 90 238 U + n → 239 U + 92 92

γ. (3.4) Как видно, в результате радиационного захвата нейтронов ядрами тория-232 и урана-238 возникают ядра тория-233 и урана-239 соответственно, при этом излучаются γ-кванты (гамма-кванты жесткого электромагнитного излучения). Возникшие ядра нестабильны и после двух последовательных β-распадов превращаются в делящиеся нечетные ядра: уран-233 (через 27,4 сут после захвата нейтрона) и плутоний-239 (через 2,3 сут), которых практически нет в природе. Эти реакции записывают так: − β− 233 Th β → 233 → 233 (3.5) 90 91 Pa 92 U; 22мин 27, 4сут β− β− 239 → 239 Pu. (3.6) 93 Np 23,5мин 2,3сут 94 Бета-распадом (β–-распад) называют спонтанное превращение ядра (A, Z) в ядро-изобар (A, Z + 1) в результате испускания электрона и антинейтрино. Можно сказать, что при β−-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино. Искусственные нуклиды плутоний-239 и уран-233 по некоторым параметрам, характеризующим деление, превосходят единственный природный делящийся нуклид уран-235. Накопление (воспроизводство) делящихся нуклидов в разной степени происходит во всех типах ядерных реакторов, в которых ядерное топливо состоит из смеси делящихся и сырьевых нуклидов. В специальных типах ядерных реакторов, называемых реакторами на быстрых нейтронах, в которых отсутствуют вещества – замедлители нейтронов, скорость накопления новых делящихся нуклидов может превосходить скорость выгорания первоначально загруженного топлива, т.е. возможно расширенное воспроизводство ядерного топлива. Реакторы на быстрых нейтронах сокращенно именуют РБН и часто называют просто «быстрыми реак239 U 92

66

торами» или «реакторами-бридерами» (от англ. breeding – расширенное воспроизводство). Избыток нейтронов деления и реакции радиационного захвата нейтронов с образованием урана-233 и плутония-239 служат физической основой реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного топлива и существенного увеличения сырьевой базы ядерной энергетики на базе замкнутого ядерного топливного цикла. Коэффициент воспроизводства. Отношение числа вновь образовавшихся делящихся нуклидов к числу выгоревших делящихся нуклидов называют коэффициентом воспроизводства (КВ). В реакторах на тепловых нейтронах с топливом из естественного (или слабо обогащенного) урана (CANDU, РБМК) величина КВ около 0,8. В реакторах на обогащенном уране (ВВЭР, PWR) величина КВ ≈ 0,5–0,6. При КВ < 1 после сжигания 1 кг имеющегося урана-235 получается КВ кг плутония, при сжигании которого получается еще КВ · КВ = КВ2 кг плутония и т.д. В результате, имея М0 килограмм первичного топлива, можно сжечь (без учета потерь при переработке) массу топлива, равную сумме геометрической прогрессии: М = М0 + М0КВ + М0(КВ)2 + … = М0 /(1 – КВ). То есть при КВ = 0,8 запасы природного урана-235 как бы увеличиваются в 1/(1–0,8) = 5 раз благодаря вовлечению в производство топлива урана-238 (или тория-232). Если осуществить расширенное воспроизводство с КВ > 1, то указанная прогрессия оказывается расходящейся и, тем самым, появляется принципиальная возможность, начиная с урана-235, переработать почти весь уран-238, запасов которого в 0,993/0,007 ≈ ≈ 140 раз больше запасов урана-235, а также переработать торий-232, запасов которого, по некоторым данным, больше запасов урана-238. В реакторах на быстрых нейтронах (реакторы типа РБН), в которых отсутствует замедлитель нейтронов и обогащение по урану235 достигает 20–25 %, верхний предел КВ около 2,5. В действующих ныне реакторах РБН величина коэффициента воспроизводства топлива не превышает 1,3. 67

Время удвоения. Важной физической и экономической характеристикой РБН является время удвоения количества делящегося материала Т2. Чем меньше период удвоения, тем быстрее будет развиваться ядерная энергетика на искусственном топливе (плутонии). Так, при Т2 = 10 лет ежегодный прирост ядерных мощностей может составить 7%. Величина Т2 обратно пропорциональна КВ–1, т.е. превышению КВ над единицей. Чем больше КВ по сравнению с 1, тем меньше период удвоения топлива и выше темпы развития энергетики. Таковы вкратце некоторые важные для дальнейшего изложения физические факторы, которые впервые анализировались еще в 40-е годы ХХ в. Э. Ферми и Л. Сциллардом в США и А.И. Лейпунским в СССР [1–4]. Э. Ферми и независимо от него А.И. Лейпунский основную цель использования ядерной энергии в мирных целях видели в овладении ресурсами ядерного топлива на основе воспроизводства. Они впервые показали, что роль быстрых реакторов в крупномасштабной ядерной энергетике определяется в первую очередь уникальным избытком нейтронов (ν-1) в расчёте на сгоревшее ядро урана или плутония. Такой избыток служит фундаментальной физической предпосылкой воспроизводства и даже бридинга ядерного топлива, решения проблем безопасности, радиоактивных отходов, нераспространения ядерного оружия и связанной с этими процессами экономики. 3.1.4. Принципы работы ядерных реакторов Условия критичности реактора. Установка с контролируемой цепной реакцией деления и представляет собой ядерный реактор. Та часть реактора, которая содержит делящийся материал и собственно в которой протекает цепная самоподдерживающаяся реакция деления, называется активной зоной реактора. Хотя при каждом делении испускается больше двух нейтронов, продолжение цепной реакции не всегда гарантировано. Нейтроны могут быть «утеряны» за счет двух процессов: 1) поглощения в топливе (без деления) и других материалах активной зоны реактора или 2) утечки через границу (поверхность) активной зоны [3]. Первый процесс зависит от количества делящегося топлива и состава активной зоны, а второй – от ее размеров и окружения. Минимальное количество делящегося материала и минимальный размер ак68

тивной зоны, необходимые для поддержания цепной реакции, называются соответственно критической массой и критическим размером. При размерах активной зоны меньше критического утечка нейтронов через ее поверхность превышает генерацию нейтронов в объеме активной зоны, и цепная реакция затухает. Для количественного описания критичности используют коэффициент размножения нейтронов k, который характеризует отношение числа нейтронов, полученных в реакциях деления, к числу нейтронов, вызвавших эти деления в реакторе (т.е. k – это отношение числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения). Когда k = 1, реактор критичен, так что скорость реакций деления и тепловая мощность реактора остаются постоянными. При k > 1 реактор надкритичен и число нейтронов и уровень мощности будут возрастать, пока k не станет равным 1 в результате выгорания топлива или воздействия органов регулирования. При k < 1 реактор подкритичен и реакции деления прекращаются. Введение в размножающую среду дополнительного количества делящегося материала и (или) удаление поглотителя нейтронов приводит к избыточному размножению цепей реакции, т.е. сопровождается ростом k, числа нейтронов и мощности реактора. Напротив, введение поглотителя нейтронов увеличивает число обрывов цепей и снижает k. Из сказанного следует, что по мере выгорания топлива в реакторе, когда количество делящихся ядер снижается ниже определенного уровня и накапливаются продукты деления, необходимо заменять часть топлива в активной зоне. Развитие цепной реакции во времени. Изменение числа нейтронов в некритичном реакторе определяется отличием числа k от единицы и временем нейтронного цикла τ (временем жизни одного поколения нейтронов в реакторе). Если в некоторый момент времени t в реакторе имеется n нейтронов, то по определению коэффициента размножения их число по прошествии одного цикла обращения станет равным kn, а приращение за время цикла составит kn – n = n (k – 1). Следовательно, изменение числа нейтронов в единицу времени (скорость изменения числа нейтронов) dn n(k − 1) = . (3.7) τ dt 69

Решение этого уравнения дает зависимость числа нейтронов от времени в некритичном реакторе k −1 n(t ) = n0 exp t . (3.8) τ Здесь n0 – число нейтронов в начальный момент времени t = 0. При k < 1 (подкритичный реактор) число нейтронов экспоненциально уменьшается (реактор глушится), а при k > 1 (надкритичный реактор) – экспоненциально возрастает (реактор разгоняется). Величину τ/(k – 1) называют периодом разгона реактора. Наибольшее время цикла характерно для реакторов на тепловых нейтронах, где оно достигает τ = 10–3 с. Если предположить k = 1,01, то период разгона составит 0,1 с, и через каждую секунду число нейтронов возрастает в n(1)/n0 = exp(0,01·1/0,001) = e10 ≈ 20 000 раз, и в такое же число раз возрастает число делений и энерговыделение в реакторе. Следовательно, в контролируемом реакторе превышение k над единицей всего на 0,01 (на 1 %) уже недопустимо, так как практически невозможно управлять процессами при столь малых периодах разгона. В чистых делящихся материалах, где нет замедлителя нейтронов, времена нейтронных циклов существенно меньше и имеют порядок 10–8 с. При k = 1,1 один начальный нейтрон через 6 мкс (6·10–6 с) порождает 1026 нейтронов, что эквивалентно делению 40 кг урана в момент t = 6 мкс или 400 кг за все 6 мкс [1]. Эта оценка показывает, что скорость нарастания цепной реакции деления может быть необычайно высока, что характерно для ядерных взрывов. Роль запаздывающих нейтронов. Из-за малых времен жизни одного поколения мгновенных нейтронов τ управлять реактором было бы практически невозможно. Однако природа «сделала нам подарок». Ситуация принципиально меняется, если учесть, что в результате деления тяжелых ядер наряду с мгновенными нейтронами рождаются так называемые запаздывающие нейтроны, которые излучаются в результате последовательных β-распадов продуктов деления в течение нескольких минут. Среднее время запаздывания нейтронов для делящихся нуклидов составляет 13–18 с. Хотя доля β запаздывающих нейтронов в полном числе нейтронов деления ν составляет только β = 0,0065 (0,65 %) для урана-235 и

(

70

)

еще меньше (0,0021) для плутония-239, существование запаздывающих нейтронов оказывается чрезвычайно важным для управления ядерными реакторами. Благодаря запаздывающим нейтронам эффективное время жизни поколения нейтронов в реакторе оказывается много больше времени жизни мгновенных нейтронов, превышая 0,1 с для реакторов с ураном-235. В этом случае при k = 0,001 период разгона реактора τ/(k – 1) увеличивается до 100 с, т.е. отклик реактора на изменение коэффициента размножения достаточно медленный, и есть запас времени для корректировки уровня мощности стержнями регулирования. Реактивность реактора. Понятие реактивности широко используется при описании некритических состояний реакторов. Величина ρ = (k – 1)/k (3.9) называется реактивностью ядерного реактора. Поскольку k обычно мало отличается от единицы, то ρ ≈ k – 1, т.е. реактивность показывает превышение k над единицей. В критическом реакторе ρ = 0, в надкритическом реакторе реактивность положительна, в подкритическом – отрицательна. Если какое-либо явление приводит к снижению коэффициента размножения, говорят, что оно порождает отрицательную реактивность. Если в результате некоего эффекта k повышается, эффект сопровождается появлением положительной реактивности. При разработке ядерных реакторов стараются так подобрать состав активной зоны и ее конструкцию, чтобы при случайных и аварийных всплесках (скачках) мощности реактор самостоятельно, без вмешательства человека, мог возвращаться в исходное состояние или останавливаться. Иначе говоря, чтобы реактор обладал отрицательными коэффициентами реактивности к нежелательным (нештатным) процессам. Например, важным вопросом при проектировании реактора является то, каким окажется изменение реактивности при увеличении температуры, т.е. будет ли dρ/dT > 0 (нежелательно) или dρ/dT < 0 (желательно). В физике реакторов подробно исследуются такие важные для безопасности параметры, как температурный коэффициент реактивности, пустотный или паровой коэффициент реактивности и др. 71

Согласно определению реактивности (3.9) ее величина безразмерна. Часто реактивность выражают в процентах 100 · ρ %. В силу большой важности запаздывающих нейтронов в управлении реакторами наиболее употребимо измерение реактивности в долях запаздывающих нейтронов β. Так, реактивности в 1β соответствует реактивность ρ = 0,0065 для реактора с топливом из урана-235 и ρ = 0,0021 – с топливом из плутония-239. Измерение реактивности в долях β удобно потому, что, во-первых, одинаковая реактивность в этих единицах вызывает разгон реактора с одним и тем же периодом независимо от того, на каком делящемся топливе он работает; во-вторых, при небольшой реактивности (ρ < β) период разгона практически не зависит от времени жизни мгновенных нейтронов, а когда ρ становится равным или больше доли запаздывающих нейтронов, период разгона становится очень маленьким и сильно зависящим от времени жизни мгновенных нейтронов. При ρ > β реактор становится надкритичным только на мгновенных нейтронах, что существенно затрудняет управление его мощностью. Поэтому очень важно проектировать реактор таким образом, чтобы исключить возможность внезапного увеличения реактивности на величину порядка β. Отравление продуктами деления. Каждое деление ядра топлива в реакторе приводит к образованию двух осколков – продуктов деления. Кроме большого числа изотопов, образующихся непосредственно в процессе деления множества ядер, новые изотопы образуются также при радиоактивном распаде первичных продуктов деления. Некоторые из продуктов деления или их дочерних элементов имеют большие сечения захвата тепловых нейтронов, следовательно, их присутствие уменьшает реактивность реактора. Система регулирования должна быть в состоянии не только компенсировать относительно медленное накопление стабильных изотопов – поглотителей нейтронов, но и справляться с флуктуациями концентраций радиоактивных изотопов, из которых наиболее сильными поглотителями нейтронов и отравителями активной зоны являются ксенон-135 (135Xe) и самарий-149 (149Sm). Так, сечение поглощения тепловых нейтронов ядрами ксенона-135, имеющего резонанс вблизи тепловой области энергий нейтронов, составляет приблизительно 3·106 барн, что в несколько тысяч раз больше сечения деления урана-235. 72

Ксенон-135 образуется как продукт деления урана, так и, в основном, в результате β-распада другого продукта деления урана – теллура-135, который сначала быстро распадается в йод-135 (с периодом полураспада менее 0,5 мин). В последнем случае ксенон появляется приблизительно через 6,8 ч после образования 135Te. Ксенон-135 принадлежит следующей цепочке радиоактивных превращений (β-распадов) продуктов деления: − − β− β− 135 Te 135 I β 135 Xe β 135 Cs 135 Ba. → → → 55 52 53 54 ≤ 0,5мин 6,75ч 9,13ч 2 ⋅106 лет 56 На долю теллура-135 приходится около 6 % всех продуктов деления урана. Исчезновение ксенона (сильного поглотителя нейтронов) в реакторе обусловлено двумя причинами: 1) выгоранием при поглощении нейтронов и 2) β-распадом с периодом полураспада около 9,2 ч. Воздействие ксенона-135 на реактивность называется отравлением, поскольку радиоактивный 135Xe после прекращения цепной реакции постепенно распадается (исчезает). Отравление работающего реактора – это доля поглощений нейтронов ксеноном относительно поглощения ураном. Эта доля может быть достаточно большой (3–5%), поэтому система управления реактором должна иметь необходимый запас реактивности, чтобы подавить отрицательную реактивность, порождаемую ксеноном. Интересная, но «не приятная» особенность поведения реактора наблюдается в связи с изменением концентрации ксенона после остановки реактора, который перед этим долгое время работал на постоянном и высоком уровне мощности. Расчеты показывают, что отравление реактора ксеноном достигает наибольшего значения, превышающего предельное стационарное значение ρ = – (3–5) % в 5 раз, примерно через 10 ч после остановки реактора. Причина такого отравления связана с тем, что в отсутствие потока нейтронов в остановленном реакторе ксенон продолжает накапливаться за счет распада йода-135 – предшественника ксенона (период полураспада йода около 6,75 ч). Скорость выведения ксенона связана только с его естественным распадом с периодом полураспада 9,2 ч. С течением времени отравление реактора постепенно уменьшается по мере естественного распада йода и ксенона. Только примерно через 3 сут реактивность снизится до того уровня, который она имела до остановки реактора. Через меньшее 73

время после остановки реактор не может быть пущен снова, пока ксеноновое отравление превосходит имеющийся запас реактивности. В течение этого периода времени, измеряемого десятками часов, реактор находится в ксеноновой (или йодной) яме. Из ксеноновой ямы реактор выходит сам собой после распада накопившихся йода и ксенона. Если реактор необходимо запустить вновь через период времени, меньший 3 суток, то должен быть предусмотрен запас реактивности для перекрытия ксенонового отравления. При нормальной работе эта избыточная реактивность должна быть подавлена стержнями регулирования или другим способом. Система управления реактором. Ядерный реактор может работать на заданном уровне мощности в течение длительного времени только в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности, достаточный для компенсации истощения (выгорания) ядерного топлива и отравления реактора продуктами деления. Необходимый первоначальный запас реактивности создается в активной зоне, размер которой значительно превосходящит критические. А чтобы реактор не становился надкритическим при этих размерах, одновременно вводят в активную зону вещества – поглотители нейтронов, которые могут удаляться из активной зоны в последующем. Такими веществами служат бор (10B), кадмий (112Cd), гадолиний (157Gd), гафний (174Hf и 177Hf), самарий (150Sm), европий (152Eu). Обычно сильно поглощающие материалы вводятся в первую топливную загрузку в виде выгорающих поглотителей, теряющих свою эффективность в процессе выгорания примерно с той же скоростью, с которой выгорает топливо. Так, окись гадолиния Gd2O3 равномерно смешивается с топливным материалом двуокисью урана UO2 в концентрации 1–5 %. Материалы на основе бора – боросиликатное стекло или смесь оксида алюминия Al2O3 c карбидом бора В4С – размещают в отдельные стержневые конструкции (поглощающие стержни – ПС). Число стержней для компенсации начального избытка реактивности может достигать сотни. Эти стержни называют компенсирующими. Они постепенно выводятся из активной зоны реактора, обеспечивая критическое состояние в течение всего времени его работы. Регулирующие стержни предназначены для поддержания критического состояния реактора в любой момент времени, для оста74

новки и пуска реактора, перехода с одного уровня мощности на другой. Стержни аварийной защиты предназначены для экстренного прекращения цепной реакции. Они сбрасываются в центральную часть активной зоны, где поток нейтронов максимален и, значит, наиболее велика отрицательная реактивность, вносимая в реактор стержнем с поглощающим нейтроны материалом. Всё более широкое распространение в органах регулирования мощности реакторов получает гафний (вместо дорогостоящего сплава AgInCd), аналогичный по механическим свойствам цирконию и титану. Преимущество гафния заключается в том, что он коррозионно-стоек и может использоваться без оболочек, дешевле сплава AgInCd и имеет больший срок службы. В водоохлаждаемых реакторах используют также метод регулирования реактивности путем растворения бора в воде. Концентрацию бора подбирают такой, чтобы при нормальной работе реактора стержни регулирования были почти полностью выведены из активной зоны. Для реакторов РБН эффективных поглотителей быстрых нейтронов практически нет. Такие поглотители, как кадмий, гафний и др., сильно поглощают лишь тепловые нейтроны вблизи резонансной области, а в области быстрых нейтронов практически ничем не отличаются от других веществ. Исключение составляет бор-10, сечение поглощения которого плавно уменьшается с ростом энергии нейтронов и несколько превышает сечения других материалов. В быстрых реакторах используются регулирующие стержни из карбида бора с обогащением по бору-10 до 80 % (в природной смеси изотопов бора доля бора-10 составляет 19 %). Применяются также тантал и европий. Главными условиями нормальной работы реактора являются контролируемый процесс деления урана и надежная циркуляция теплоносителя через активную зону. Поскольку радиоактивные вещества надежно локализованы в твэлах, при нормальных условиях работы выбросы радиоактивности ничтожно малы, и поэтому радиационная опасность АЭС определяется целиком аварийными режимами. В связи с этим при разработке систем управления и защиты реактора рассматриваются все возможные варианты развития аварий и методы их предотвращения. 75

Кампания реактора. Когда весь запас реактивности реактора исчерпан, т.е. когда компенсирующие стержни заняли свое конечное положение (выведены из активной зоны), цепная реакция прекращается. Она может быть возобновлена только после замены топлива в активной зоне. Время работы реактора с одной и той же загрузкой урана называется кампанией реактора. Разумеется, что кампанию энергетического (коммерческого) реактора желательно иметь возможно большей, поскольку получаемая энергия тем дешевле, чем больше ее производится при одной загрузке урана. Эффективность использования ядерного топлива можно улучшить при частичных перегрузках активной зоны, когда цепной процесс восстанавливается за счет извлечения части наиболее выгоревшего топлива (из центральной части активной зоны) и введения свежего топлива. Невыгруженное топливо перемещается в центральную (освобожденную зону) и еще глубже дожигается, а свежее помещается на периферию активной зоны. Процедура замены топлива проводится ежегодно. Примерно 1/3 или 1/4 активной зоны заменяют свежим топливом во время перегрузки, которая обычно длится от 4 до 8 недель. Конструкции современных реакторов предусматривают минимальное время на перегрузку топлива в целях минимизации непроизводительного простоя реактора. Перегрузка тепловыделяющих сборок (ТВС), в которых заключено топливо, производится в строгой последовательности и под строгим контролем. Обычно сначала производится выгрузка отработавших ТВС из реактора и установка их в ячейки стеллажа бассейна выдержки, где отработанные ТВС хранятся несколько лет. Затем производится переустановка ТВС и сборок поглощающих стержней внутри активной зоны. После этого начинается загрузка в реактор свежих ТВС и сборок с поглощающими стержнями и выгорающими поглотителями. На период перегрузки планируется также планово-предупредительный ремонт, чтобы уменьшить потери вырабатываемой за год энергии вследствие простоя реактора. В целях повышения экономической эффективности реакторов разрабатываются новые типы топлива с большей глубиной выгорания и увеличенным до 18 мес периодом непрерывной работы до перегрузки топлива. В реакторах канального типа (CANDU, РБМК) перегрузка топлива может производиться без остановки реактора. При таких пе76

регрузках понятие кампании реактора относится к топливу, перегружаемым сборкам, а не к активной зоне реактора. Продолжительность кампании ограничивается не только начальным запасом реактивности. Имеется еще одно ограничение, которое связано с реакцией материала твэлов на накопление продуктов деления и радиационное воздействие. В результате деления ядра вместо одного атома образуется два новых, суммарный объем которых примерно в 2 раза превышает объем разделившегося атома. Кроме того, значительная часть продуктов деления – газы. Накопление продуктов деления и радиационные повреждения структуры вещества сопровождаются ростом объема (распуханием), накоплением напряжений в материале и повышением давления газа под оболочкой твэла, что, в конце концов, может привести к возникновению дефектов и выходу радиации в теплоноситель. Накопление продуктов деления характеризуется их количеством, например, в граммах. Поскольку деление 1 г урана сопровождается образованием около 1 г продуктов деления и освобождением примерно 1 МВт · сут энергии, то число выработанных на АЭС мегаватт-суток тепловой энергии приблизительно равно числу граммов продуктов деления. Поэтому обычно количество накопившихся продуктов деления выражают количеством мегаваттсуток на тонну урана (МВт · сут/т). Каждый топливный материал характеризуется своим пределом по накоплению продуктов деления. Этот предел, выраженный в МВт · сут/т, называют глубиной выгорания делящихся атомов. Чем выше глубина выгорания, тем больше кампания реактора и экономичнее АЭС. Самое распространенное ядерное топливо – двуокись урана UO2 – допускает выгорание до 150 ГВт · сут/т, или 150 кг/т, или 15 %. В действительности, глубина выгорания в энергетических реакторах на тепловых нейтронах составляет 40–50 ГВт · сут/т, т.е. за кампанию выгорает 4–5 % урана. В новом поколении коммерческих реакторов глубина выгорания доводится до 60–80 ГВт · сут/т за счет усовершенствования конструкции ТВС и технологии изготовления твэлов. Остаточное тепловыделение. Часть образующихся в результате реакции деления осколков радиоактивна. Поэтому радиационное излучение осколков деления – источник «остаточного тепловыделения» после остановки реактора. То есть после прекращения 77

реакции деления в реакторе происходит тепловыделение, что требует непрерывного охлаждения реактора. Со временем остаточное тепловыделение постепенно уменьшается. Уровни остаточного тепловыделения составляют примерно 2 % тепловой мощности работавшего реактора спустя 15 мин после остановки, 1 % – спустя 2,5 ч и 0,5 % – спустя сутки. Так, по истечении нескольких часов после остановки реактора тепловой мощностью 3 ГВт остаточное тепловыделение составит около 50 МВт. В целях безопасности во всех режимах работы реактора активная зона должна быть заполнена теплоносителем. Классификация реакторов. С тех пор как 2 декабря 1942 г. был пущен под руководством Э. Ферми первый исследовательский ядерный реактор в Чикагском университете, в мире построено почти тысяча реакторов различного типа. Из них более 440 реакторов в 30 странах мира производят электроэнергию. Классификация ядерных реакторов проводится обычно по четырем признакам: 1) назначению; 2) нейтронно-физическим характеристикам; 3) применяемым материалам; 4) конструктивным особенностям. По назначению различают реакторы энергетические, многоцелевые или продуктивные (например, производящие электричество, тепло, плутоний, водород или опресняющие морскую воду), судовые, космические, исследовательские и экспериментальные [1–3]. По нейтронно-физическим характеристикам (спектру нейтронов) различают реакторы на быстрых, промежуточных и тепловых нейтронах. Основу мировой ядерной энергетики в настоящее время составляют реакторы на тепловых нейтронах. Методы нейтроннофизических расчетов реакторов рассматриваются в [1, 3]. По применяемым материалам реакторы классифицируют по роду топлива, замедлителя и теплоносителя. Топливо делают из природного или обогащенного урана, металлическое (уран или его сплавы с магнием, алюминием, молибденом и др.) или керамическое (двуокись урана UO2, нитрид урана UN и др.), урановое или смешанное с плутонием (МОХ-топливо). Замедлителем в реакторах служат вода Н2О, графит, тяжелая вода D2O, бериллий, карбиды некоторых металлов. В качестве теплоносителя в реакторах используют воду под давлением или кипящую воду, тяжелую воду 78

(D2O), жидкие металлы (натрий, калий, свинец, висмут), газы (гелий, углекислый газ). По конструктивным особенностям различают реакторы корпусные, канальные, гетерогенные и гомогенные. Конструкции корпусных и канальных реакторов принципиально отличаются способом удержания высокого давления воды, достигающего 160 атм. Согласно теории прочности цилиндрических сосудов, толщина стенки сосуда δ и его диаметр D определяются при заданных избыточном давлении в сосуде р (Па=Н/м2) и пределе прочности материала сосуда σ (Па) выражением (3.10) δ > Dр/2σ. В реакторах корпусного типа высокое давление воды удерживается толстостенным корпусом большого диаметра (более 4 м), а в реакторах канального типа – тонкостенными трубами (каналами) малого диаметра (около 130 мм), пронизывающими активную зону. В гетерогенных реакторах топливо отделено от замедлителя и теплоносителя и заключено в герметичную защитную оболочку. В гомогенных реакторах топливо и замедлитель перемешаны, например, в водном растворе урановой соли UO2SO4 или в флайбе – жидкой смеси фторидов урана, бериллия, лития (UF4 + Li2BeF4). Их смесь выполняет одновременно и функции теплоносителя. В энергетике пока используются только гетерогенные реакторы. В американской литературе встречается также классификация по использованию топливных материалов (по количеству получаемого нового делящегося материала): реакторы сжигающие, реакторы-конвертеры и реакторы-бридеры. Тепловые реакторы с малым коэффициентом воспроизводства называют сжигающими. Если КВ = 0,5 – 1, то реактор называется конвертером. Если КВ превышает 1 (т.е. нового топлива производится больше, чем сгорает старого), то такой реактор называют бридером. В дальнейшем будут рассматриваться преимущественно энергетические реакторы гетерогенной конструкции. 3.2. Конструкции ядерных реакторов 3.2.1. Типы ядерных реакторов

Реакторы на тепловых нейтронах (или «тепловые реакторы») первоначально, еще в 40-х годах ХХ в., были освоены для произ79

водства оружейных материалов – плутония и трития, а также энергообеспечения ядерных подводных лодок. Этот опыт позволил осуществить 27 июня 1954 г. пуск первой в мире атомной электростанции электрической мощностью 5 МВт, построенной в СССР в г. Обнинске, примерно в 100 км от Москвы. После этого исторического события в 60–70-е годы в Америке и Европе произошел бурный старт ядерной энергетики. Основой современной ядерной энергетики в мире являются так называемые легководные реакторы (LWR – Light Water Reactor) корпусного типа, в которых обычная вода является теплоносителем и замедлителем нейтронов. Реакторы этого типа, первоначально разработанные для ядерного подводного флота, имеют две модификации: 1) реакторы с водой под давлением (Pressure Water Reactor – PWR), аналогами которых в России являются водоводяные энергетические реакторы ВВЭР, 2) кипящие реакторы (Boiling Water Reactor – BWR). Число реакторов PWR (ВВЭР) больше, чем реакторов BWR. Технология реакторов с водой под давлением ВВЭР (PWR – в международной классификации) – наиболее распространенная в мире: более 60 % блоков АЭС эксплуатируется и сооружается по технологии PWR. Активная зона реакторов PWR размещена в прочном стальном корпусе, через который под большим давлением (около 160 атм) циркулирует вода, охлаждающая ядерное топливо в активной зоне. Вода, нагретая в активной зоне реактора ВВЭР (PWR), передает тепло в теплообменникепарогенераторе воде второго контура, которая превращается в пар (вследствие более низкого давления во втором контуре) и используется в паровой турбине для выработки электроэнергии. Обогащение топлива в реакторах этого типа составляет 4–6 % по урану-235. В кипящем реакторе часть воды, охлаждающей активную зону, превращается в пар непосредственно в активной зоне и из корпуса реактора направляется в паровую турбину без дополнительного контура с парогенераторами, что удешевляет капитальные затраты АЭС. Альтернативой корпусным реакторам являются канальные реакторы, которые разработаны в СССР под названием РБМК (реакторы большой мощности канальные или кипящие) и Канаде под 80

названием CANDU (Canadian Deuterium Uranium – канадский урановый реактор с дейтериевым замедлителем). Реакторы РБМК строились только в СССР. Такой реактор представляет собой графитовую кладку цилиндрической формы диаметром 12 и высотой 7 м, пронизанную вертикальными каналами, каждый из которых представляет собой как бы небольшой кипящий реактор малого диаметра (около 130 мм). В реакторах РБМК, называемых также канальными графитовыми, графит является замедлителем нейтронов, а обычная вода – теплоносителем и рабочим телом паротурбинного цикла. Обогащение топлива в реакторах РБМК около 2 %, т.е. меньше, чем в ВВЭР, поскольку графит – лучший замедлитель нейтронов по сравнению с обычной водой. В реакторах CANDU замедлителем нейтронов и теплоносителем служит тяжелая вода D2O, являющаяся лучшим замедлителем нейтронов. Поэтому в этих реакторах применяется естественный (необогащенный) уран, что делает эти реакторы привлекательными для стран, обладающих запасами урана и не имеющих дорогостоящих производств по разделению изотопов (обогащению урана). Реактор представляет собой большую цилиндрическую «бочку» (каландр) диаметром около 10 м, заполненную тяжелой водой D2O – замедлителем нейтронов и расположенную горизонтально. Каландр пронизан несколькими сотнями горизонтальных каналов с топливом и циркулирующим тяжеловодным теплоносителем. Конструкция реактора позволяет перегружать топливо без снижения его мощности, т.е. без остановки реактора. Первый реактор на быстрых нейтронах тепловой мощностью 25 кВт под названием «Клементина» был запущен в США в 1949 г. в Лос-Аламосской лаборатории, где была создана первая атомная бомба. Активная зона содержала топливо из металлического плутония, охлаждаемого ртутью. В 1952 г. в Аргонской национальной лаборатории США был введен в эксплуатацию экспериментальный быстрый реактор EBR-1 с металлическим ураном в качестве топлива и с теплоносителем NaK (натрий-калиевая эвтектика). Символично, что с помощью этого быстрого реактора впервые в мире была получена электроэнергия (200 кВт). Несмотря на первые успехи, программа развития быстрых реакторов в США не получила широкого развития до сих пор. Среди причин такого отношения к перспективной идее РБН – авария на крупном реакторе «Энрико 81

Ферми» и высокая стоимость реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. В СССР первый экспериментальный реактор на быстрых нейтронах БР-1, сооруженный под руководством А.И. Лейпунского, был аналогом «Клементины». Первый промышленный быстрый реактор БН-350 с натриевым охлаждением тепловой мощностью 1000 МВт был построен в г. Шевченко полуостров Мангышлак на берегу Каспийского моря со стороны Казахстана. Реактор обеспечивал производство электроэнергии и опреснение морской воды для снабжения города пресной водой и электричеством и устойчиво работал почти 25 лет до 1997 г., когда он был остановлен по решению правительства Казахстана. С 1980 г. успешно работает самый мощный в мире быстрый реактор БН-600 на Белоярской АЭС (Урал) электрической мощностью 600 МВт (рис. 3.3). В 2007 г. там же возобновлено строительство более мощного реактора БН-800. В России были разработаны реакторы, охлаждаемые эвтектикой свинец-висмут РbВi, для ядерных подводных лодок. Начиная с 1962 г. было спущено на воду 8 таких кораблей («лодкиистребители»). Они развивали под водой рекордные скорости (до 80 км/ч), превосходящие почти вдвое скорость боевых морских торпед. Оригинальная реакторная технология свинцово-висмутовых реакторов легла в основу создания ряда проектов нового поколения автономных АЭС малой мощности для удаленных районов. В стратегиях развития ядерной энергетики ряда стран быстрым реакторам с высоким коэффициентом воспроизводства (КВ) топлива отводилась роль «плутониевой фабрики» для снабжения тепловых реакторов плутониевым топливом. Однако первые АЭС с быстрыми реакторами в США, России, Франции и Великобритании оказались дорогими, имели низкий (менее 1,3) КВ, увеличивали риск расползания ядерного оружия и поэтому не получили пока распространения. Таким образом, первоначальная стратегия развития ядерной энергетики, основанная на идеях Э. Ферми и А.И. Лейпунского, стратегия быстрого роста энергетики на быстрых нейтронах, не была осуществлена ни в одной стране. Тем не менее реакторыразмножители (бридеры) на быстрых нейтронах – это основа долгосрочного развития ядерной энергетики. Россия занимает лидирующие позиции в этой инновационной реакторной технологии. 82

В настоящее время на ядерную энергию приходится около 6 % мирового топливно-энергетического баланса и около 17 % производства электроэнергии. В России эксплуатируется 31 ядерный реактор на 10 АЭС суммарной мощностью 23 ГВт (эл.). Они производят около 17 % электроэнергии, а в европейской части России – более 30 %. Среди 31 реактора 15 – типа ВВЭР, 15 – канальные, из них 11 – типа РБМК и 4 – типа ЭГП-6 (Билибинская АЭС), и один реактор БН-600. Всего за полвека мощность ядерной энергетики в мире возросла с 5 МВт (первая АЭС в Обнинске) до 350 ГВт. В целом современные ядерные реакторы при существующем масштабе ядерной энергетики можно считать достаточно безопасными установками. Несмотря на случающиеся инциденты, нельзя забывать о том, что ядерная энергетика наработала уже более 12 000 реакторо-лет, из них около 8 без крупных аварий после апреля 1986 г. Это – серьезный успех ядерной энерготехнологии. 3.2.2. Реактор ВВЭР-1000

В предыдущих разделах этой главы показано, что мировая ядерная энергетика преимущественно базируется на корпусных реакторах с водой под давлением на тепловых нейтронах. В России к этому классу реакторов относятся реакторы ВВЭР-440 и более современная, безопасная и мощная модификация ВВЭР-1000 [1, 7]. В восьми странах мира успешно работают 26 реакторов ВВЭР-440; в семи – эксплуатируются или строятся более 30 реакторов ВВЭР1000: 11 работают в России, 13 – на Украине, 2 – в Болгарии, 2 – в Чехии, и строятся: 1 – в Иране, 2 – в Китае и 2 – в Индии. Наработан опыт эксплуатации 410 реакторо-лет. Ниже дается описание современного реактора на примере ВВЭР-1000. Общая характеристика реактора ВВЭР-1000. Как следует из самого названия корпусных реакторов, их отличительная особенность – использование толстостенного цилиндрического корпуса для размещения активной зоны, которая охлаждается водой высокого давления. Замедлителем нейтронов и теплоносителем первого контура служит дистиллированная вода при давлении 15,7 МПа. 83

Реактор в составе двухконтурного энергоблока АЭС имеет тепловую мощность 3000 МВт и позволяет вырабатывать электрическую мощность 1000 МВт (1 ГВт). В состав основного оборудования (рис. 3.4) и систем нормальной эксплуатации реактора входят: • главный циркуляционный контур и система компенсации давления; • система управления и защиты, система контроля, управления и диагностики; • система радиационной защиты; • система контроля герметичности оболочек твэлов; • транспортно-технологическое оборудование перегрузки топлива. Главный циркуляционный контур состоит из реактора и четырех циркуляционных петель. Каждая циркуляционная петля включает парогенератор, главный циркуляционный насос (ГЦН) и главные циркуляционные трубопроводы, соединяющие оборудование петли с реактором. Создание и поддержание давления в главном циркуляционном контуре осуществляются системой компенсации давления. При давлении 15,7 МПа (160 атм) температура кипения воды составляет 346 °С, а температура воды в реакторе поддерживается на уровне от ТВХ = 291 °С на входе до ТВЫХ = 321 °С на выходе. Поэтому вода циркулирует в первом контуре без парообразования (в однофазном состоянии). Для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре используются вертикальные насосы центробежного типа с трехфазным асинхронным электродвигателем мощностью 5,3 МВт. Число оборотов ротора – 1000 об/мин. Производительность насоса составляет 20 тыс. м3 воды в час. Тепловая мощность реактора Q (Вт), расход теплоносителя G (кг/c) и его подогрев ΔТ = ТВЫХ – ТВХ (°С) в активной зоне связаны между собой уравнением материально-теплового баланса. В общем виде это уравнение имеет вид (3.11) Q = G · (IВЫХ – IВХ), где IВЫХ и IВХ – энтальпии воды на выходе из реактора и на входе в него соответственно (Дж/кг). Приведенное уравнение означает, что все тепло, выделившееся в активной зоне реактора, передается теп84

лоносителю, повышая его теплосодержание (энтальпию) при заданном давлении. При течении однофазного теплоносителя с постоянными физическими свойствами имеем I = cpT, где ср – изобарная теплоемкость теплоносителя при рабочих давлении и температуре (Дж/кг·град). Поэтому применительно к PWR уравнение материально-теплового баланса принимает вид Q = Gcp ΔТ. (3.12) Так, при давлении воды 16 МПа и средней температуре 306 °С теплоемкость равна ср ≈ 5,1 кДж/(кг·град). Следовательно, для обеспечения тепловой мощности реактора Q = 3 ГВт и подогрева воды ΔТ = 30 °С, необходимо прокачивать через реактор воду с расходом G = Q/cp ΔТ = 3·109/(5,1·103·30) ≈ 2·104 кг/с ≈ 70 тыс. т в час, т.е. около 18 тыс. м3 воды в час через каждый из четырех насосов (ГЦН). Теплоноситель переносит полученное тепло в парогенератор (рис. 3.5). Первый контур со всем оборудованием и трубопроводами заключен в специальную защитную герметичную конструкцию (оболочку), называемую контейнментом, которая должна изолировать окружающую среду от возможного проникновения радиоактивных элементов из первого контура. Защитная оболочка из железобетона имеет форму цилиндра с куполом. Железобетонная плита, замыкающая снизу цилиндрическую оболочку, воспринимает весовые нагрузки от оборудования и строительных конструкций реактора. Сам реактор установлен в толстостенной железобетонной шахте. В парогенераторе, являющемся связующим звеном первого и второго (паротурбинного) контуров, генерируется сухой пар при давлении 60 атм (меньшем по сравнению с давлением первого контура) и температуре 275 оС. Этот пар направляется в турбину (цилиндр высокого давления – ЦВД), где он расширяется до давления 10 атм (рис. 3.7). При этом давлении влажность пара составляет 10–12 %, так что дальнейшее использование этого пара неэффективно. Поэтому из ЦВД пар направляется в сепаратор-пароперегреватель, где отделяется от влаги и перегревается так, что его параметры доводятся до значений 10 атм и 250 оС. Перегретый пар направляется в цилиндры низкого давления (ЦНД) турбины, после чего поступает в конденсатор (рис. 3.7). В целях повышения экономической эффектив85

ности АЭС с реакторами ВВЭР-1000 строятся в «моноблочном исполнении». Конструкция реактора ВВЭР-1000. Корпус реактора из нержавеющей радиационно-стойкой стали. Высота корпуса реактора – около 19 м. Диаметр корпуса в районе расположения активной зоны примерно 4,5 м. Проектный срок службы корпуса 40 лет. Активная зона. Диаметр активной зоны составляет 3,2 м, высота – 3,5 м. В активной зоне серийных реакторов установлены 163 кассеты (ТВС) шестигранной формы с расположением твэлов (317 шт.) по треугольной решетке. В качестве поглощающего материала используется карбид бора. Тепловыделяющий элемент (твэл) состоит из герметичной цилиндрической оболочки с толщиной стенки 0,65 мм, изготовленной из циркониевого сплава и заполненной топливным сердечником из таблеток двуокиси урана UO2 с обогащением 4,4% по урану-235. Всего в активной зоне находится около 50 тыс. твэлов. Датчики системы внутриреакторного контроля. Система внутриреакторного контроля обеспечивает контроль основных нейтронно-физических и теплогидравлических характеристик, определяющих состояние активной зоны. Распределение энерговыделения в активной зоне реактора ВВЭР-1000 измеряют с помощью датчиков. Специальным детектором контролируется уровень теплоносителя в активной зоне. Управление реактором. Управление реактивностью производится путем использования двух независимых систем: • механического перемещения сборок поглощающих стержней (ПС) системы управления и защиты (СУЗ) в активной зоне, • изменения концентрации бора в теплоносителе (воде). 3.2.3. Развитие реакторов типа ВВЭР в мире

Основные усилия разработчиков серийных реакторов направлены на повышение безопасности АЭС, ужесточение показателей по предотвращению аварий и удержанию продуктов деления в случае, если авария все же произошла. Одним из критериев безопасности часто фигурирует вероятность больших выбросов радиоактивности с АЭС: эта вероятность не должна превышать 10–6 1/реакторо-лет (по сравнению с типичным значением 10–4 1/реакторо-лет для существующих станций). Обеспечение требований безопасности 86

привело к существенному повышению капитальных затрат на строительство современных блоков АЭС. Развитие международного рынка вызвало к жизни создание совместных проектов и международное согласование критериев проектирования и требований по безопасности, что с успехом продемонстрировали Франция и Германия при разработке европейского реактора с водой под давлением (EPR), а также США и Япония при разработке реактора APWR и др. Основными требованиями к реакторам нового 3-го поколения являются широкое применение опробованных технологий и повышение технико-экономических показателей с целью снижения финансовых рисков для возможных инвесторов. 3.2.4. Кипящие реакторы BWR Корпусные кипящие реакторы BWR. В рассмотренных выше реакторах типа PWR (ВВЭР) используются двухконтурные тепловые схемы, содержащие громоздкие и дорогостоящие парогенераторы. В реакторах BWR допускается кипение воды в активной зоне. Экономические преимущества кипения воды в активной зоне могут быть получены только при использовании прямого паротурбинного цикла без промежуточных теплообменников и парогенераторов. Вырабатываемый в активной зоне пар направляется непосредственно в турбину, а конденсат после турбины возвращается в реактор, т.е. реактор работает как «циркуляционный кипятильник» [1]. Впервые реакторы этого типа стала строить в США фирма General Electric. Кипящие корпусные реакторы производятся также в Японии, Корее, Германии, Китае и Швеции. В России таких реакторов нет. Единственный реактор подобного типа ВК-50 работает в Научно-исследовательском институте ядерных реакторов в Дмитровграде и имеет исследовательский характер. Реактор BWR стал вторым основным типом энергетических ядерных реакторов в мире после PWR. Инженерно-физические особенности реактора. Как и в PWR, замедлителем и теплоносителем в них является вода, но с давлением примерно вдвое меньшим. Это позволяет иметь для BWR при одинаковой мощности и большем размере корпуса меньшую тол87

щину его стенок, что способствует снижению капитальных расходов. Следует отметить три принципиальных отличия BWR от PWR. 1. В кипящем реакторе вода отбирает тепло от активной зоны и прямо поступает в виде пара в турбину, т.е. радиоактивность может попадать с паром в турбогенераторный (машинный) зал. Обеспечение безопасности машинного зала и недопущение выбросов радиоактивности из трубы АЭС становятся более сложными и ответственными задачами. 2. Органы регулирования в BWR вводятся в активную зону снизу (а не сверху, как в PWR), что позволяет освободить пространство над активной зоной для размещения оборудования для сепарации и осушения пара. Поэтому сила тяжести не может быть использована для быстрого введения поглотителей в активную зону для остановки реактора. Приходится изобретать иные (гидравлические) системы управления реактивностью, не имеющие той же степени надежности, какую дает использование гравитации. 3. Изменение паросодержания (и количества воды – замедлителя нейтронов) в активной зоне вызывает изменение реактивности и мощности реактора. Поэтому в BWR связь между теплогидравлическими и нейтронно-физическими параметрами более тесная, нежели в PWR, что необходимо учитывать при создании систем управления и защиты реактора. Развитие кипящих реакторов типа BWR в мире. Совершенствование конструкций реакторов этого типа, как и других типов, идет в условиях тесной международной кооперации по пути дальнейшего ужесточения показателей по предотвращению аварий и удержанию продуктов деления в случае, если авария все же произойдет. Кроме того, большие усилия направлены на улучшение экономических показателей АЭС. 3.2.5. Канальные реакторы Отличительные особенности канальных реакторов. Как отмечалось выше, альтернативой корпусным реакторам типа ВВЭР (PWR) и BWR являются канальные реакторы, которые разработаны в СССР (РБМК) и Канаде (CANDU). Отличительной особенностью канальных реакторов является отсутствие толстостенного стального корпуса, несущего давление теплоносителя, поскольку 88

это давление воспринимают многочисленные трубы (каналы), по которым течет теплоноситель и где расположено топливо. Для соединения большого числа каналов с теплоносителем в единый контур приходится сооружать сложную систему коллекторов, из которых теплоноситель поступает в парогенераторы. В отличие от корпусных реакторов ВВЭР (PWR) и BWR, где вода при высоком давлении является одновременно теплоносителем и замедлителем, в реакторах канального типа функции замедлителя и теплоносителя разделены. В реакторах РБМК замедлителем нейтронов является графит, а теплоносителем – обычная вода под давлением. В реакторах CANDU замедлителем нейтронов служит тяжелая вода D2O при низком давлении в межтрубном (межканальном) пространстве, а теплоносителем – тяжелая вода при высоком давлении, движущаяся в каналах с топливом. Реакторы CANDU. Это единственный тип коммерческих реакторов, работающих на естественном (необогащенном) уране благодаря наилучшим ядерно-физическим свойствам тяжелой воды как замедлителя (малое сечение поглощения нейтронов). Замедляющая способность тяжелой воды меньше, чем у легкой воды. По этой причине в реакторной композиции требуется меньшее отношение ядер топлива к ядрам замедлителя по сравнению с легководными реакторами, что приводит к меньшим удельным тепловыделениям (10 против 110 МВт/м3) и большим объемам активной зоны (диаметр и высота 6–8 м). Использование естественного урана приводит к отсутствию избыточной реактивности активной зоны для компенсации выгорания топлива и к необходимости частых перегрузок топлива. В Канаде успешно работают 18 реакторов CANDU. Этот тип реакторов в Канаде – единственный. Такие реакторы построены также в Индии, Пакистане, Корее, Аргентине, Румынии. Реакторы РБМК. Реакторы РБМК строились только в СССР. В настоящее время работают 11 реакторов РБМК-1000 в России и 1 – в Литве. На них производится ежегодно около 50 % ядерной электроэнергии в России и около 5 – в мире. После аварии на 4-м блоке Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. строительство энергоблоков с реакторами РБМК приостановлено. В программах развития ядерной энергетики России строительство реакторов этого типа не предусмотрено. Реактор с графитовым замедлителем имеет более 89

длинную историю, чем любой другой тип реакторов, поскольку первые критические сборки, построенные под руководством Э. Ферми в Чикаго (1942 г.) и И. Курчатовым в Москве (1946 г.), представляли собой реактор с графитовым замедлителем на естественном уране. Первая АЭС, пуск которой состоялся в 1954 г. в г. Обнинске (СССР), была с реактором канального типа с графитовым замедлителем. Реактор РБМК-1000 представляет собой графитовую кладку цилиндрической формы диаметром 12 м и высотой 8 м, набранную из графитовых блоков с осевым отверстием и пронизанную вертикальными каналами, каждый из которых представляет собой как бы небольшой кипящий реактор малого диаметра (около 88 мм). В реакторах РБМК, называемых также канальными графитовыми, графит является замедлителем нейтронов, а обычная вода – теплоносителем и рабочим телом паротурбинного цикла. Реакторы рассчитаны на одноконтурную схему отвода тепла и выработку насыщенного пара как в реакторах BWR. В циркониевом канале полной длиной 22 м размещены одна над другой две тепловыделяющие сборки (ТВС) высотой 3,5 м каждая. ТВС имеют на оси несущий циркониевый стержень, а вокруг него – два ряда концентрически расположенных твэлов. Сердечник твэла из двуокиси урана с 2 % обогащением по урану-235. Перегрузка топлива – непрерывная без остановки реактора. Вода подается снизу, нагревается и закипает, и образующаяся пароводяная смесь с паросодержанием 14,5 % из верхней части трубы (канала) отводится в сепаратор, где пар отделяется от влаги и с температурой 280 °С и давлением 6,5 МПа направляется в турбину. КПД АЭС около 31 %. К основным достоинствам канальных реакторов типа РБМК, подтвержденным более чем 55-летним опытом разработки и эксплуатации, относятся: • дезинтегрированность конструкции и отсутствие проблем, связанных с изготовлением, транспортировкой и эксплуатацией толстостенного корпуса реактора и парогенераторов; • большой объем теплоносителя в контуре циркуляции; • непрерывность перегрузки топлива, малый запас реактивности; 90

• наличие аккумулятора тепла в активной зоне в виде графитовой кладки; • высокий уровень естественной циркуляции теплоносителя. • К недостаткам канальных водо-графитовых реакторов относятся: • сложность организации контроля и управления из-за больших размеров активной зоны; • большой объем сборочных работ на стройплощадке; • разветвленность циркуляционного контура и большой объем контроля сварных швов; • образование за счет графитовой кладки большого объема отходов при снятии реактора с эксплуатации. Благодаря серьезным усовершенствованиям конструкции реакторов РБМК после Чернобыльской аварии, способствовавшим обеспечению надежности, технической и экологической безопасности эксплуатации, в России принято решение о продлении срока эксплуатации реакторов РБМК-1000 на 15 лет сверх проектного 30летнего срока. 3.2.6. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах Инженерно-физические основы реакторов на быстрых нейтронах. Как отмечено выше, основоположники идей о быстрых реакторах Э. Ферми и А.И. Лейпунский основную цель использования ядерной энергии в мирных целях видели в овладении ресурсами ядерного топлива на основе воспроизводства. Принципиальные различия между реакторами на тепловых и быстрых нейтронах прежде всего связаны с тем, что если в первых реакторах замедляющий нейтроны материал специально вводится в активную зону, то во вторых – количество замедляющего материала сводится к минимуму. Поэтому энергетический спектр нейтронов в быстрых реакторах сильно отличается от спектра нейтронов в тепловых реакторах. Средняя энергия нейтронов, вызывающих деления тяжелых ядер в тепловых реакторах, составляет примерно 0,03 эВ, тогда как в РБН – сотни кэВ. В этой области энергий уран238 эффективно захватывает нейтроны с образованием нового топлива плутония-239 (или урана-233 из тория-232). Мерой эффективности реакторов на быстрых нейтронах в нара91

ботке делящихся материалов служит время удвоения Т2, которое определяется как время, необходимое для производства избыточного топлива, достаточного для первой загрузки другого такого же реактора. Чем меньше период удвоения, тем быстрее будет развиваться ядерная энергетика на искусственном топливе (плутонии). Для охлаждения энергонапряженной активной зоны необходимо обеспечить высокий удельный теплоотвод, что достигается распределением топлива в тонких (диаметром около 5–6 мм) твэлах для увеличения поверхности теплообмена и использованием радиационно стойких теплоносителей с хорошими теплофизическими характеристиками и слабыми замедляющими свойствами. Наиболее подходящими теплоносителями для РБН оказались жидкие металлы – натрий, эвтектика свинец-висмут. В энергетических РБН, построенных в СССР, США, Франции, Японии и Великобритании, теплоносителем служил натрий. Натрий обладает наилучшими теплофизическими свойствами и может работать при высоких температурах (температура кипения 881 оС), что важно для достижения высоких КПД паротурбинного цикла. Однако использование натриевого теплоносителя связано с рядом технических сложностей: 1) в теплоносителе накапливается радиоактивный 24 11 Na, излучающий γ-кванты с периодом полураспада 15 ч, что затрудняет проведение профилактических ремонтных работ; 2) натрий взрывообразно взаимодействует с водой и кислородом, если они вступают с ним в контакт, например при разрушении парогенератора; 3) коррозионная активность натрия требует применения для оболочек твэлов и материалов контуров аустенитных нержавеющих сталей; 4) поскольку, в отличие от воды и гелия, натрий непрозрачен, работы по перегрузке топлива или по замене реакторного оборудования производятся вслепую. В силу приведенных факторов, в систему преобразования энергии вводится промежуточный – буферный – контур с натрием между первым (реакторным) и паросиловым контуром. Этот промежуточный контур предотвращает распространение взрывных реакций в активную зону реактора и предохраняет персонал станций и обо92

рудование паротурбинного контура от радиоактивного натрия первого контура. Трехконтурная система преобразования энергии существенно повышает капитальные затраты на строительство РБН. Реакторы-размножители оказались примерно вдвое дороже легководных реакторов за счет мер безопасности, принятых при работе со щелочными жидкометаллическими теплоносителями. В РБН сравнительно велика утечка нейтронов из активной зоны вследствие малых сечений поглощения в быстром спектре. Поэтому активную зону окружают отражателем нейтронов толщиной до 1–2 м. Материалы с низким массовым числом здесь, в отличие от тепловых реакторов, применять нельзя, чтобы не смягчать спектр нейтронов. Поэтому в качестве отражателя используют уран-238, который, кроме отражения нейтронов в активную зону, обеспечивает накопление плутония. Урановая область, окружающая активную зону (и состоящая обычно из двуокиси природного или отвального урана), называется зоной воспроизводства или экраном. Реакторы БН-600 и БН-800. Реактор БН-600 электрической мощностью 600 МВт и тепловой – 1480 МВт с натриевым теплоносителем успешно работает на Белоярской АЭС с 1980 г. На основе опыта строительства и эксплуатации реактора БН-600 разработаны проекты типовых реакторов со смешанным уран-плутониевым топливом БН-800 и БН-1600. Первый из них сооружается на площадке Белоярской АЭС. 3.3. Ядерный топливный цикл 3.3.1. Открытый и замкнутый ядерные топливные циклы

Ядерным топливным циклом (ЯТЦ) называют совокупность предприятий, процессов и этапов по обращению с ядерным топливом на всем его жизненном цикле – от добычи до утилизации или захоронения. Единственный делящийся материал, распространенный на Земле, – 235U. Плутоний становится частью цикла тогда, когда воспроизводящий материал 238U превращается в делящийся 239Pu. Таким образом, главным топливным циклом является цикл уранплутоний. Если в реакторе используется 232Th, то из него получается делящийся 233U. Возникает другой цикл: торий-уран, обладающий рядом достоинств. Поскольку применение последнего в на93

стоящее время довольно-таки ограничено, ниже будет рассмотрен уран-плутониевый цикл. Топливный цикл АЭС принято делить на три стадии: 1) начальную стадию, охватывающую операции от добычи урановой руды до поставки тепловыделяющих сборок на площадку АЭС и называемую также внешним топливным циклом; 2) стадию использования топлива в реакторе и временного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) на площадке АЭС; 3) заключительную стадию, которая начинается с отправки ОЯТ в отдельно стоящее хранилище или на завод по переработке ОЯТ и заканчивается окончательным удалением высокоактивных отходов после переработки (в остеклованном или ином виде), или непосредственно инкапсулированного ОЯТ. Заключительную стадию по обращению с ОЯТ называют также послереакторной стадией топливного цикла. Внешний топливный цикл включает следующие стадии: 1) добычу урана и тория в рудниках; 2) переработку руды, ее измельчение и очистку от породы методом флотации; переработанный на гидрометаллургическом заводе уран представляет собой концентрат закиси-окиси урана U3O8; 3) конверсию U3O8 в газообразную форму гексафтроид урана UF6, необходимую в технологии разделения изотопов; 4) обогащение урана изотопом 235U на заводе по разделению изотопов; 5) конверсию обогащенного UF6 в порошок двуокиси урана UO2 и изготовление топливных таблеток для заполнения тепловыделяющих элементов (твэлов); 6) изготовление твэлов и тепловыделяющих сборок (ТВС); 7) транспортирование топлива между различными предприятиями начальной стадии, включая доставку на АЭС. Укомплектованные ТВС доставляют на АЭС в специальных контейнерах, предотвращающих возникновение критичности, и по прибытии размещают в камерах свежего топлива для последующей перегрузки в реактор. Послереакторная (заключительная) стадия топливного цикла. Приблизительно 1/3 часть отработавшего в реакторе топлива ежегодно заменяется на свежее. В отработанном ядерном топливе (ОЯТ) остается некоторое количество невыгоревшего урана-235 94

(исходного топлива) и вновь наработанного плутония. Например, в 1 т выгружаемого топлива реакторов ВВЭР-440 содержится примерно 12 кг 235U и 6 кг 239Pu и 241Pu. Наибольшее количество делящихся нуклидов (плутония-239, 241 и урана-235) находится в ОЯТ реакторов на быстрых нейтронах. Эти нуклиды после очистки от продуктов деления целесообразно как можно быстрее вернуть в топливный цикл. Такой топливный цикл называется замкнутым или полным. То есть в замкнутом ЯТЦ топливо производится как из первичного (природного), так и вторичного сырья после радиохимической переработки. Замыкание топливного цикла часто называют рециклом, а замкнутый топливный цикл – топливным циклом с рециклом ядерного горючего. Если ОЯТ не подвергается химической переработке, а отправляется на хранение или захоронение, то такой топливный цикл называется открытым или неполным. На рис. 3.8 показаны характерные времена выдержки ОЯТ после извлечения из реактора. Как видно, процессы хранения (выдержки) и переработки ОЯТ могут длиться 50–100 лет. После нескольких лет хранения ОЯТ в бассейне выдержки при АЭС большинство высокоактивных продуктов деления распадается, т.е. снижаются радиоактивность и тепловыделение в ОЯТ. После этого легче осуществлять безопасную транспортировку ОЯТ на переработку. Таким образом, заключительная стадия замкнутого ЯТЦ состоит из следующих этапов: 1) хранение ОЯТ в специальных храни-лищах на территории АЭС; 2) транспортировка ОЯТ от АЭС к радиохимическому заводу; 3) переработка ОЯТ на радиохимиическом заводе и обработка радиоактивных отходов (РАО); 4) хранение РАО; 5) их транспортировка; 6) захоронение. 3.3.2. Топливная база ядерной энергетики Добыча урана. Уран используется в качестве топлива почти во всех энергетических ядерных реакторах (в том числе и на подводном флоте). Он достаточно распространен в земной коре и в океан95

ской воде. Однако экономически выгодная добыча урана возможна только в тех местах, где в результате геологических процессов возросла его локальная концентрация (более 0,1 % урана в руде). Богатые руды могут содержать до 4 % урана. Главные урановые руды – уранинит (урановая смолка черного цвета), карнотит (ярко-желтый или зеленовато-желтый минерал), отунит (зеленоватый или желтый минерал) – содержат уран в виде его окислов. Урановая руда добывается традиционным открытым способом в карьерах иногда глубиной более 100 м (Казахстан, Австралия, Намибия), шахтным методом (Франция, Нигер, ЮАР) или подземным выщелачиванием (США, Канада, Россия, Казахстан), приобретающим наибольшее распространение в последние годы. Промышленная технология извлечения урана из руд использует свойство растворимости окислов урана, содержащихся в руде, водных растворах азотной, серной и соляной кислот, а также в щелочных растворах. Технологические процессы перевода и концентрирования металлов, содержащихся в измельченной руде, в растворы и последующее селективное извлечение металлов из этих растворов различными химическими методами называются гидрометаллургическими процессами. На заводах по переработке руды (гидрометаллургических заводах или обогатительных фабриках) конечным продуктом переработки руды является закись-окись урана U3O8 (урановый концентрат или «желтый кек»). В промышленной технологии урана закись-окись урана имеет важное значение как промежуточный продукт для получения двуокиси UO2, тетрафторида UF4 и гексафторида UF6 урана. Вследствие высоких требований к чистоте урана, используемого в ядерных реакторах, в производственном цикле переработки урана необходимой и обязательной ступенью являются так называемые аффинажные процессы, обеспечивающие тонкую очистку и получение ядерно-чистых соединений урана. Наиболее жесткие требования предъявляются к присутствию в уране таких примесей, как гафний, бор, кадмий, редкоземельные элементы (европий, гадолиний, самарий и др.), обладающие очень большим сечением захвата тепловых нейтронов (сотни и тысячи барн). Их содержание не должно превышать 10–5–10–6 %. Конверсия урана. Урановый концентрат U3O8 в металлических контейнерах отправляют на конверсионный завод, где из закись96

окиси урана получают тетрафторид или гексафторид урана. На конверсионном заводе урановый концентрат сначала растворяют в азотной кислоте и получают уранилнитрат UO2(NO3)2. Уранилнитрат фильтруют и обрабатывают различными реагентами (и экстрагентами) для обеспечения требуемой ядерной чистоты урана. Получающиеся в результате этих операций урановые соли (уранилнитрат, пероксид урана или диуранат аммония) переводят в окись-закись урана U3O8 или триоксид урана UO3, который в свою очередь конверсируют в тетрафторид урана UF4, используемый для производства металлического урана. При взаимодействии UF4 с фтором при температуре выше 60 оС получается газообразный гексафторид урана UF6: UF4 + F2 = UF6 . (3.13) Гексафторид отгружают в баллонах на разделительный завод для производства обогащенного урана. В настоящее время продукты конверсии природного урана, большей частью UF6, поставляют четыре крупных зарубежных завода: в США (один завод мощностью 14 тыс. т U/год), во Франции (до 14 тыс. т U/год), в Великобритании (менее 6 тыс. т U/год), Канаде (12,5 тыс. т U/год). Россия экспортирует обогащенный UF6, включая услуги по конверсии в качестве составляющей. Производственные мощности заводов России по производству UF6 оцениваются в 10 тыс. т U/год, уровень производства – в 4,5 тыс. т. 3.3.3. Обогащение урана Газовые центрифуги для разделения и обогащения урана. Концентрация делящегося урана-235 в природном уране составляет всего 0,7 %. Остальные 99,3 % приходятся на уран-238, который может служить сырьем для производства искусственного ядерного топлива плутония-239. Для энергетических ядерных реакторов содержание урана-235 должно быть 2–5 %, а для перспективных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах – около 20 % (исключение составляет канадский реактор CANDU, работающий на природном уране благодаря использованию тяжелой воды D2O в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя). Уран для оружейных целей должен иметь обогащение, близкое к 100 %. 97

Процесс увеличения концентрации изотопа уран-235 в смеси изотопов урана называют изотопным обогащением. Для разделения изотопов урана невозможно применить химические методы, так как химические свойства изотопов одинаковы. Практически все физические методы разделения изотопов (электромагнитный, газодиффузионный, центробежный или метод газовых центрифуг, лазерный, метод разделительного сопла и др.) используют различие масс изотопов урана-235 и урана-238. В последние годы наибольшее распространение приобрел центрифужный метод разделения изотопов урана, впервые освоенный в промышленном масштабе в СССР и отличающийся высокой экономичностью по сравнению с диффузионным методом. Как в диффузионном, так и в центрифужном методах применяется гексафторид урана UF6 – единственное газообразное соединение урана при комнатной температуре. Дополнительное преимущество газообразного гексафторида урана заключается в том, что у фтора имеется лишь один изотоп, поэтому различия в массах молекул гексафторида полностью связаны с различиями в массе атомов урана. Основной элемент газовой центрифуги – ротор, представляющий собой тонкостенный замкнутый цилиндр, вращающийся с высокой скоростью вокруг собственной оси. Разделение молекул газа с разными массами m1 и m2 в роторе центрифуги возникает за счет различия центробежных сил (3.14) F1 = m1u2/r и F2=m2u2/r, действующих на молекулы на расстоянии r от оси; u – тангенциальная или окружная скорость (м/c) вращения на расстоянии r от оси. В результате вблизи стенки ротора возникает избыток более тяжелых молекул (т.е. концентрация тяжелых молекул выше исходной), а на оси ротора – избыток менее тяжелых (концентрация тяжелых молекул ниже исходной). То есть за счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на «тяжелую» и «легкую» фракции. При этом «тяжелые» молекулы гексафторида с ураном-238 собираются на периферии, а «легкие» молекулы с ураном-235 концентрируются около оси ротора. Эффект разделения возрастает с увеличением скорости вращения пропорционально ее квадрату. При этом быстро (экспоненци98

ально) растет давление газа вблизи стенки. Однако давление гексафторида урана ограничено сверху величиной, при которой начинается конденсация газа. Кроме того, увеличение окружной скорости вращения ротора u, имеющего радиус r, жестко ограничено ростом механических напряжений в материале ротора, которые не должны превышать предела прочности материала Высокопрочные алюминиевые сплавы позволяют работать при скоростях менее 400 м/c, легированные стали – до 500 м/c, композитные углеситалловые материалы (графитовые нити в матрице из карбида кремния и др.) – до 700 м/c и выше. При таких скоростях и радиусе ротора 10 см угловая скорость n = u/2πr превышает 1115 об/с ≈ 67 тыс. об/мин. Заметим, что скорость звука в воздухе равна 330 м/c. Поэтому для снижения затрат на вращение ротора его помещают в вакуумную камеру или в среду гелия, скорость звука в котором близка к 1000 м/с (в силу малой массы атомов гелия). Для обеспечения необходимой производительности разделения изотопов (сотни тонн обогащенного урана в год) отдельные центрифуги объединяют в разделительные каскады, состоящие из сотен тысяч центрифуг (рис. 3.9). На выходе каскада образуются два потока: легкая фракция, обогащенная изотопом уран-235 до необходимой концентрации, и тяжелая (отвал), обогащенная изотопом уран-238. Содержание урана-235 в отвале обычно около 0,2 %, что в несколько раз меньше, чем в природном уране. Уменьшение содержания урана-235 в отвале позволяет сэкономить природный уран, но удорожает процесс разделения изотопов. В случае роста цен на природный уран в несколько раз может стать экономически выгодным извлечение урана-235 из накопившихся отвалов. Разработанные в России центрифуги отличаются высокой надежностью и производительностью. Срок непрерывной работы со скоростью около 1500 об/с – до 30 лет (рекорд – 32 года непрерывного вращения). Работа разделения. Исходное сырье (называемое питанием) – природный уран с расходом F кг/с и начальной концентрацией с урана-235 поступает на вход разделительного производства. В результате обогащения производится продукт (отбор) с расходом Р кг/с и концентрацией х > с и обедненный уран (отвал) с расходом W кг/с и концентрацией y < с. Так как выполняется баланс масс по 99

полному количеству урана и по урану-235 до и после разделения, то получаем два уравнения баланса: F = P + W, (3.15) сF = xP + yW. (3.16) Решая систему (3.15)–(3.16), получаем x− y , F=P (3.17) c− y x−c W =P . (3.18) c− y Отсюда следует, что на производство 1 кг обогащенного урана (Р = 1) с обогащением х = 4,4 % и содержанием урана-235 в отвале y = 0,1 % требуется F=

4, 4 − 0,1 ≈ 7 кг 0,711 − 0,1

природного урана (с = 0,711 %), при этом образуется около 6 кг обедненного урана (отвала). Величину y обычно называют глубиной выработки отвала (или глубиной отвала). Эффективность процесса обогащения урана определяется работой разделения. Эта величина связана с так называемыми разделительными потенциалами, характеризующими единицу массы вещества с заданной концентрацией урана-235. Разделительный потенциал при концентрации с определяется безразмерным выражением c (3.19) . Φ (c ) = (2c − 1) ln 1− c

Работой разделения называют величину (кг) R = PΦ(x) + WΦ(y) – FΦ(c), (3.20) представляющую собой разность между «ценностями» полученных продуктов P и W и исходного продукта F. Работа разделения, равная 1 кг, называется единицей работы разделения (ЕРР). Для рассмотренного выше примера (х = 4,4 %, y = 0,1 %) имеем: Ф(0,711 %) = 4,869; Ф(4,4 %) = 2,807; Ф(0,1 %) = 6,893. Тогда для производства 100 т обогащенного до 4,4 % урана за год требуется мощность разделительного производства более 1 млн кг ЕРР/год. В настоящее время номинальные мощности заводов по обогащению урана составляют примерно 45 млн кг ЕРР/год. Цена на единицу работы разделения (ЕРР) зависит от способа разделения. В 100

2002–2004 гг. цены на обогащение урана центрифужным методом стабилизировались на уровне около 110 дол./кг ЕРР. 3.3.4. Изготовление твэлов и ТВС Двуокись урана. Обогащенный гексафторид урана поступает на производство топливной композиции – порошка двуокиси урана UO2. Основные достоинства двуокиси урана, обеспечившие широкое применение ее в ядерной энергетике: • высокая температура плавления (около 2800 °С); • химическая устойчивость в широком диапазоне температур по отношению ко многим теплоносителям и замедлителям (вода, водяной пар, натрий, углекислый газ); • совместимость с различными материалами оболочек твэлов (нержавеющая сталь, цирконий и его сплавы, графит, алюминий, никель, молибден, ниобий и др.); • возможность получения высокой плотности таблеток для удержания продуктов деления урана; • приемлемая радиационная стойкость при больших потоках нейтронов. Основные недостатки двуокиси урана: • низкая (около 3 Вт/м⋅град.) теплопроводность, приводящая к большим градиентам температуры в таблетках (около 500 °С по радиусу таблетки); • гигроскопичность порошка (поглощение влаги) и окисляемость на воздухе при комнатной температуре, что требует высокой степени сушки таблеток перед укладкой в твэлы. Порошок двуокиси урана подвергается специальному процессу прессования и высокотемпературного спекания в керамические топливные таблетки (рис. 3.10). Обычно диаметр таблеток двуокиси урана для различных твэлов составляет около 10 мм, высота – 12 мм и плотность – 10 г/см3. Твэлы и ТВС. Таблетки двуокиси урана собираются в трубчатые конструкции, называемые тепловыделяющими элементами – твэлами. Тонкостенные оболочки твэлов из циркония или нержавеющей стали заполняются гелием для улучшения теплопередачи от топливных таблеток к оболочке и герметизируются. 101

Пучки твэлов собирают в специальные конструкции – тепловыделяющие сборки (ТВС), которые и представляют собой законченную форму реакторного ядерного топлива. Тепловыделяющие сборки, загруженные в ядерный реактор, образуют активную зону реактора. В активной зоне реактора ВВЭР-1000 содержится 163 ТВС. 3.3.5. Обращение с отработанным ядерным топливом Активность ОЯТ. Среди важнейших и наименее исследованных проблем ядерного топливного цикла – проблема обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ). Это связано с его высокой радиоактивностью, достигающей 106 Ки/т, значительным тепловыделением, доходящим до десятков кВт на 1 т топлива, значительным количеством делящегося вещества. Активность продуктов деления и тепловыделение в ОЯТ спадают с течением времени (табл. 3.2). Примерно 90 % продуктов деления не требуют длительного хранения, так как имеют небольшое время жизни (менее 4 лет) или, наоборот, настолько большое время жизни (более 1010 лет), что их активностью можно пренебречь. Первые несколько сотен лет в радиоактивность ОЯТ основной вклад вносят изотопы стронций 90Sr (период полураспада 29 лет) и цезий 137Cs (30 лет) и их дочерние продукты – барий 137mВa и иттрий 90Y. После 500 лет основной вклад в тепловыделение ОЯТ вносят изотопы плутония и америция, а после 100 тыс. лет – дочерние продукты этих изотопов, такие как полоний 213Ро и торий 229Th. В типичном энергетическом реакторе тепловой мощностью около 3 ГВт за год сгорает приблизительно 1 т ядерного топлива. Если перед началом облучения в 1 т топлива ВВЭР-1000 содержится 44 кг 235U и 956 кг 238U, то в конце трехлетней кампании в реакторе уран частично выгорает. Вместо него накапливается 40 кг продуктов деления и 11 кг актиноидов, среди которых около 10 кг плутония, 0,6 кг нептуния, 0,2 кг америция, 60 г кюрия. В реакторах на быстрых нейтронах глубина выгорания топлива в два раза больше, чем в тепловых реакторах, поэтому и концентрация продуктов деления в выгружаемом топливе РБН выше. Плутония в ОЯТ РБН в 10 раз больше, чем в ОЯТ тепловых реакторов. 102

Таблица 3.2 Некоторые характеристики отработанного топлива энергетических реакторов Наименование Загрузка топлива UO2, т Длительность кампании облучения топлива в реакторе, лет Глубина выгорания топлива, ГВт·сут/т Среднее удельное тепловыделение в топливе, МВт/т Удельная активность ОЯТ: на момент выгрузки, 1018 Бк/т через 3 года, 1016 Бк/т Остаточное тепловыделение в ТВС, кВт, через годы: 0,5 1,0 3,0 10,0

Тип реактора ВВЭР-1000 РБМК-1000 70 192 3 3 40 46

20 17

9,6 4,1

4,2 2,0

9,1 5,2 1,7 0,6

0,59 0,34 0,10 0,03

После выгрузки из реактора и до отправления на регенерацию ОЯТ хранится в бассейнах выдержки при АЭС в течение не менее трех лет для спада остаточного тепловыделения, обусловленного активностью продуктов деления, до приемлемого уровня, при котором транспортировка ОЯТ к месту назначения станет экономически целесообразной. В настоящее время основная часть отработанного топлива АЭС хранится под водой в бассейнах выдержки при АЭС, так как отсутствуют производственные мощности для переработки ОЯТ в достаточном количестве. Транспортировка ОЯТ на завод регенерации или в отдельное хранилище ОЯТ – одна из наиболее важных операций в топливном цикле. Перевозка ОЯТ осуществляется в специальных транспортных контейнерах по железной дороге. Контейнер с топливом должен оставаться подкритичным во всех аварийных случаях. Коэффициент размножения нейтронов k в нем не должен превышать 0,95. Поэтому в состав материалов контейнера вводят поглотители нейтронов на основе бора и кадмия. Для предотвращения выхода γизлучения и повышения прочности контейнера его стенки делают 103

толщиной до 350 мм. Снаружи корпус контейнера оснащен ребрами для отвода тепла воздухом. Масса контейнера достигает 110 т. Радиохимическая переработка ОЯТ позволяет разделить его на фракции: • топливо, пригодное для повторного использования в реакторах (U, Pu); • младшие актиниды (Np, Am, Cm); • продукты деления с отделением долгоживущих фракций; • элементы (изотопы), имеющие промышленное или медицинское применение. Поступившее на радиохимический завод топливо (твэлы) сначала освобождается от оболочки, затем топливные таблетки (или твэлы целиком) растворяются в азотной кислоте. Образовавшийся водный раствор вводится в противоточную экстрактивную систему, где и происходит экстракция различных фракций ОЯТ. Такая водная технология переработки широко применяется в промышленном масштабе и имеет наименование PUREX-процесса. В последние годы большое внимание уделяется «сухой» пирохимической технологии переработки ОЯТ. Переработка включает растворение топлива, электролитическое выделение UO2, объемную кристаллизацию PuO2, осаждение продуктов деления и др. В замкнутом уран-плутониевом топливном цикле энергетический плутоний, извлекаемый из ОЯТ, смешивается с природным или отвальным (обедненным) ураном, образуя так называемое МОХ-топливо. Цикл с таким топливом реализован в ряде зарубежных стран, в частности во Франции, Бельгии и др. В России топливный цикл реакторов ВВЭР-1000 – открытый. Вопрос о дальнейшей судьбе ОЯТ пока не решен, поэтому в перспективе возможны варианты, включающие как захоронение, так и переработку. Отработанное топливо реакторов ВВЭР-440 после выдержки в бассейнах АЭС направляется на радиохимическую переработку, где из него извлекаются уран и плутоний. Энергетический плутоний направляется на долговременное хранение, а регенерированный уран дообогащается методом смешения и используется в качестве топлива реакторов РБМК-1000. В отработанном топливе РБМК-1000 содержание урана-235 значительно ниже природного, поэтому его извлечение и рециклирование в настоящее время экономически неэффективны. Переработка ОЯТ этих реак104

торов возможна в целях извлечения плутония лишь при развитии реакторов на быстрых нейтронах. Затраты на весь топливный цикл в цене электроэнергии АЭС составляют менее 20 %. Контрольные вопросы и задания

1. Используя таблицу, найдите правильное определение изотопов: № п/п 1 2 3

Ответ Радиоактивные атомы Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в ядре Разные ядра с одинаковым числом нуклонов

2. При делении одного ядра урана-235 выделяется 200 МэВ энергии. При сгорании 1 кг углерода в кислороде выделяется 33 МДж энергии. Во сколько раз уран «калорийнее» углерода? (1 эВ = 1,6·10–19 Дж, 1 а.е.м. = 1,66·10–27 кг.) 3. Докажите, что в реакторе ВВЭР-1000 за сутки сгорает около 3 кг топлива. Принять КПД реактора 33 %, калорийность топлива 200 МэВ на акт деления. 4. Реактор на естественном уране работает с тепловой мощностью Q = 1800 МВт. Определите массу плутония-239, наработанного за год (в начале кампании), если коэффициент конверсии (воспроизводства) С = 0,8. Выгоранием топлива за счет захвата нейтронов без деления и выгоранием плутония пренебречь. 5. Докажите, что благодаря конверсии (воспроизводству) топлива в реакторах на тепловых нейтронах с коэффициентом конверсии С = 0,8 расход топлива может быть уменьшен в 1/(1 – С) = 5 раз. 6. Определите среднюю энергию (в эВ) и скорость движения нейтронов в тепловом реакторе при температуре 300 0С и при комнатной температуре 20 °С. 7. АЭС с реактором БН-600 имеет электрическую мощность W = 600 МВт и термический КПД η = 41 %.Натрий, проходя активную зону, нагревается от ТВХ = 377 °С до ТВЫХ = 550 °С. Определите расход натрия G, кг/с, через реактор. 105

Список литературы 1. Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 2002. – 464 с. 2. Справочник по ядерной энерготехнологии / Ф. Ран, А. Адамантиадес, Дж. Кентон, Ч. Браун.: Пер. с англ. / Под ред. В.А. Легасова. М.: Энергоатомиздат, 1989. – 752 с. 3. Камерон И. Ядерные реакторы: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987. – 320 с. 4. Экономика ядерной энергетики (конспект лекций): Учебное пособие / Под ред. проф. В.В. Харитонова. М.: МИФИ, 2004. – 280 с. (Сер. «Учебная книга Экономико-аналитического института МИФИ») (лекция 3). 5. Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. – 344 с. 6. Шевелев Я.В., Клименко А.В. Эффективная экономика ядерного топливно-энергетического комплекса. М.: РГГУ, 1996. – 736 с. 7. Резепов В.К., Денисов В.П., Кирилюк Н.А., Драгунов Ю.Г., Рыжов С.Б. Реакторы ВВЭР-1000 для атомных электростанций. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. – 333 с.

106

Глава 4. ЭКОЛОГИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Экология ядерной энергетики неразрывно связана с предприятиями ядерного топливного цикла (ЯТЦ). ЯТЦ обычно называют последовательность производственных процессов, начиная с добычи урановой руды, приготовления ядерного топлива, включая производство энергии на АЭС, и заканчивая переработкой и захоронением отходов. ЯТЦ можно представить в виде трех стадий: начальной (добыча и переработка руды, очистка и обогащение концентрата, изготовление тепловыделяющих элементов), основной (получение электроэнергии на АЭС) и заключительной (хранение отработанного ядерного топлива, переработку топлива на радиохимическом заводе и захоронение радиоактивных отходов). Поскольку функционирование предприятий ЯТЦ, как любых крупных промышленных объектов, связано с разнообразными видами воздействия на окружающую среду, в том числе химическим и тепловым загрязнением, отчуждением земель, использованием природных водоемов, в рассмотрение включены все виды воздействия на окружающую среду, в том числе и радиационное. Для ЯТЦ радиационное воздействие безусловно является определяющим, особенно в случаях возможных радиационных аварий. Поэтому радиационному воздействию в данном разделе уделено наибольшее внимание. 4.1. Величины, характеризующие радиационное воздействие

Искусственные источники ионизирующего излучения, возникающие в связи с использованием ядерной энергии, неизбежно вызывают облучение живых организмов. В биологическом и экологическом аспекте действие радиации на организмы и их сообщества изучено полнее, чем действие какого-либо иного токсического фактора антропогенного происхождения. Тем не менее однозначного подхода на последствия воздействия радиации в малых дозах (на уровне естественного фона) до сих пор не получено. Важными моментами при решении задач радиационной безопасности человека и окружающей среды являются разработка ме107

тодологии нормирования радиационного фактора воздействия и выработка соответствующих нормативных актов. Под радиационным воздействием понимают воздействие ионизирующего излучения, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков (видимый свет и ультрафиолетовое излучение не входят в это понятие). Ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении, называется непосредственно ионизирующим излучением, а ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц (нейтронов) или фотонов, – косвенно ионизирующим. К фотонному излучению относятся гамма-излучение, тормозное и характеристическое излучения. Основные виды корпускулярного излучения – альфа-излучение, бета-излучение (электронное), нейтронное, протонное. Нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре, радионуклид – обладает радиоактивностью (способностью самопроизвольно превращаться в другой нуклид с испусканием ионизирующего излучения). В настоящее время в нашей стране действует Международная система единиц СИ, однако для характеристик радиационного воздействия существует ряд внесистемных единиц, допущенных к применению без ограничения срока. Основной характеристикой любого радионуклида является его активность. Активность A радионуклида в источнике есть отношение числа спонтанных ядерных превращений dN, происходящих за малый интервал времени dt к этому интервалу: A = dN/dt .

(4.1)

Спонтанное ядерное превращение называют радиоактивным распадом. Единицей измерения активности радионуклида является беккерель (Бк), равный 1 распаду в секунду. Внесистемная единица активности – кюри (Ки), 1 Ки = 3,7⋅1010 Бк. Отношение активности радионуклида к массе, объему, площади поверхности источника называется удельной (Am), объемной (Av), поверхностной (As) активностью соответственно. Активность радионуклида уменьшается во времени по закону: 108

A(t) = A0 exp(–λt),

(4.2)

где A0 – активность в начальный момент времени, а λ – постоянная радиоактивного распада. Часто радиоактивный распад характеризуют с помощью периода полураспада T1/2. Время, в течение которого распадается половина ядер радионуклида T1/2, связано с постоянной распада следующим образом: λ = ln2/T1/2. Мерой воздействия излучения на вещество является средняя энергия dW, поглощенная единицей массы облучаемого вещества dm. Величиной, характеризующей воздействие любого вида ионизирующего излучения (фотоны, электроны, нейтроны и др.) на любое вещество является поглощенная доза D, определяемая так: D = dW/dm.

(4.3)

Единица измерения поглощенной дозы – грей (Гр), равный средней поглощенной энергии 1 Дж в 1 кг вещества (1 Гр = 1 Дж/кг). Поглощенная доза в ткани или органе DT – это средняя поглощенная доза для ткани или органа. Таким образом, предполагается равномерное распределение поглощенной энергии по всему объему ткани или органа. Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе в биологической ткани, создаваемой различными видами излучения (и даже частицами разной энергии одного и того же вида излучения), наблюдаемые биологические последствия будут различны. Поэтому введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза H равна сумме поглощенных доз в органе или ткани DT, R , создаваемых излучениями вида R, умноженных на радиационные взвешивающие коэффициенты ωR : H = ∑ ωR DT, R .

(4.4)

R

Безразмерный радиационный взвешивающий коэффициент ωR определяет зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения тканей человека в малых дозах от линейной потери энергии в ткани или органе для различных ионизирующих излучений. Значения радиационных взвешивающих коэффициентов варьируются от 1 (фотоны, бета-частицы) до 20 (альфа-частицы, осколки деления). 109

В случае неоднородного облучения различных органов, например, при внутреннем облучении органов, для оценки воздействия радиации на человека вводится понятие эффективной дозы E: E = ∑ HT ωT , (4.5) T

где HT – эквивалентная доза в T-м органе; ωT – тканевый взвешивающий коэффициент, характеризующий отношение вероятности стохастических эффектов от облучения органа T к вероятности стохастических эффектов при равномерном облучении всего тела при одинаковых эквивалентных дозах. Единицей измерения эквивалентной и эффективной доз является зиверт (Зв), 1 Зв = 1 Гр/ ωR . Поскольку ωT определяет весовой вклад органа в риск неблагоприятных последствий для организма при равномерном облучении, то ∑ ωT = 1. Очевидно, что при равномерном облучении оргаT

низма E = H. В табл. 4.1 приведены тканевые взвешивающие коэффициенты для различных органов человека. Чтобы оценить радиационные последствия, связанные с поступлением радионуклида в организм, используется понятие ожидаемой дозы. Это объясняется тем, что при попадании радионуклида внутрь организма из окружающей среды облучение продолжается длительное время, определяемое периодами полураспада и биологического выведения. Тканевые взвешивающие коэффициенты ωT Орган Орган ω T

Таблица 4.1 ωT

Гонады Толстая кишка Красный костный мозг Легкие

0,2 0,12 0,12

Грудная железа Печень, пищевод Щитовидная железа

0,05 0,05 0,05

0,12

Костная поверхность

0,01

Желудок Мочевой пузырь

0,12 0,05

Кожа Остальное

0,01 0,05

Ожидаемая эквивалентная доза определяется как τ

H T ( τ ) = ∫ H T (t )dt , 0

110

(4.6)

где H T (t ) – мощность эквивалентной дозы в органе в момент времени t; τ – время с момента поступления радионуклида в организм. Обычно время интегрирования в годах принимают равным 50 годам для взрослых и 70 – для детей. Ожидаемая эффективная доза определяется суммированием ожидаемых эквивалентных доз с учетом тканевых взвешивающих коэффициентов. Для оценки воздействия радиации на человеческую популяцию вводится понятие коллективной эффективной дозы S: S = ∑ Ei Ni , (4.7) где Ni – число лиц в популяционной группе i, получивших среднюю эффективную дозу Ei . Единицей измерения S является человеко-зиверт (чел-Зв). 4.2. Принципы нормирования и Нормы радиационной безопасности НРБ 99/2009

Негативные биологические последствия воздействия радиации на биологические структуры и организм человека были обнаружены вскоре после открытия радиоактивности. Это привело к необходимости развития радиационной безопасности: первые нормы радиационной безопасности были приняты в 20-х годах прошлого века для ограниченного круга лиц, профессионально связанных с радиацией. Развитие атомной промышленности существенно увеличило контингент работников, связанных с источниками ионизирующих излучений, причем не только профессионалов, но и людей, проживающих в непосредственной близости от объектов ядерного топливного цикла (ЯТЦ). В период испытаний ядерного оружия, начиная с середины прошлого века, проблемы радиационной безопасности коснулись всего населения мира из-за глобального радиоактивного загрязнения природной среды. Масштабное загрязнение окружающей среды было дополнено рядом крупных аварий на радиационно-опасных объектах ЯТЦ. В этих условиях начали разрабатываться концепции радиационногигиенического нормирования, учитывающие все население земного шара [1]. Кроме того, глобальное рассеяние радионуклидов в биосфере приводит к облучению всей биоты и выдвигает проблему 111

экологического нормирования при воздействии радиации на биогеоценозы. В связи с тем, что практически отсутствуют подходы к нормированию воздействия ионизирующих излучений на живую природу, на практике в качестве экологических норм довольно успешно используются санитарно-гигиенические нормы радиационной безопасности. В основу действующей концепции радиационного нормирования Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) положен антропоцентрический принцип ограничения дозы облучения, основанный на том, что нормы контроля окружающей среды, необходимые для защиты человека, в основном обеспечат безопасность и других биологических видов. Этот принцип базируется на том, что человек, во-первых, является наиболее радиочувствительным объектом в биосфере, а во-вторых, охрана его здоровья – задача первостепенной важности. На основе рекомендаций МКРЗ были разработаны отечественные нормы радиационной безопасности НРБ-99 [2]. Однако охрана здоровья человека – это не только его непосредственная защита от излучения, но и обеспечение радиационной безопасности среды его обитания. С этой точки зрения экологические ограничения в ряде случаев могут оказаться более жесткими, чем гигиенические, так как дозы облучения человека и биологических объектов в одном и том же месте воздействия могут существенно различаться. Человек обладает большим арсеналом активных методов защиты от радиации, что в большинстве случаев недоступно другим живым организмам. Таким образом, принимая принципы радиационно-гигиенического нормирования, следует признать целесообразность дополнения их экологическими критериями, чтобы гарантировать охрану природной среды от радиационных воздействий. Следует отметить: дозы, при которых наблюдаются заметные радиационные повреждения природных экосистем, настолько велики, что могут быть достигнуты только в ограниченных зонах сильного радиоактивного загрязнения при крупных радиационных авариях [3]. Тем не менее в настоящее время предпринимаются попытки перейти от антропоцентрической концепции к биоцентрическим и экоцентрическим принципам обеспечения безопасности. 112

При биоцентрическом подходе радиационная безопасность распространяется на особи других видов (кроме человека), а при экоцентрическом – на всю окружающую среду, включая биотическую и абиотическую компоненты экосистем. В настоящее время действуют отечественные Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009 [4], которые развивают основные принципы НРБ-99. НРБ-99/2009 применяются для обеспечения безопасности человека во всех условиях воздействия на него ионизирующего излучения искусственного или природного происхождения. Нормы устанавливают основные пределы доз, допустимые уровни воздействия ионизирующего излучения по ограничению облучения населения. Нормы распространяются на следующие источники ионизирующего излучения: • техногенные источники за счет нормальной эксплуатации техногенных источников излучения; • техногенные источники в результате радиационной аварии; • природные источники; • медицинские источники. Требования Норм не распространяется на источники излучения, создающие при любых условиях обращения с ними: • индивидуальную годовую эффективную дозу не более 10 мкЗв; • коллективную годовую эффективную дозу не более 1 чел-Зв либо когда при коллективной дозе более 1 чел-Зв оценка по принципу оптимизации показывает нецелесообразность её снижения; • индивидуальную годовую эквивалентную дозу в коже не более 50 мЗв и в хрусталике глаза не более 15 мЗв. В основу Норм положены следующие принципы (ALARA): • непревышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников излучения (принцип нормирования); • запрещение всех видов деятельности с источниками излучения, при которых полученная польза не превышает риск возможного вреда от дополнительного облучения (принцип обоснования); • поддержание на возможно низком уровне с учетом экономических и социальных факторов индивидуальных доз облучения и 113

числа облучаемых лиц при использовании любого источника излучения (принцип оптимизации). Для наиболее полной оценки вреда, который наносится здоровью при облучении малыми дозами, определяется ущерб, учитывающий как эффекты облучения отдельных органов, так и всего организма в целом. В соответствии с линейной беспороговой теорией зависимости риска стохастических эффектов от дозы, величина риска пропорциональна дозе излучения и связана с дозой через линейные коэффициенты радиационного риска (табл. 4.2). Усредненная величина коэффициента риска, используемая для установления пределов доз персонала и населения, принята равной 0,05 Зв–1. Коэффициенты радиационного риска, 10–2 Зв–1 Облучаемая группа населения Все население Взрослые

Злокачественные новообразования 5,5 4,1

Наследственные эффекты 0,2 0,1

Таблица 4.2 Сумма 5,7 4,2

В условиях нормальной эксплуатации источников излучения пределы доз в течение года устанавливаются, исходя из следующих значений индивидуального пожизненного риска: • персонал – 1,0⋅10–3; • население – 5,0⋅10–5. При обосновании защиты от источников облучения в течение года принимаются следующие значения индивидуального риска: • персонал – 2⋅10–4; • население – 1⋅10–5. В НРБ устанавливаются две категории облучаемых лиц: персонал (группы А и Б) и все население (включая лиц из персонала вне сферы и условий их производственной деятельности). Также устанавливаются два класса нормативов: • основные пределы доз (ПД); • допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего облучения), являющиеся производными от основных пределов доз: пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые 114

объемные активности (ДОА), среднегодовые удельные активности (ДУА) и др. Основные пределы доз для персонала и населения, соответствующие указанным выше индивидуальным рискам, приведены в табл. 4.3 взятой из [4]. Для обеспечения условий, при которых радиационное воздействие будет ниже допустимого, с учетом достигнутого на предприятии уровня радиационной безопасности, администрацией дополнительно устанавливаются контрольные уровни (дозы, уровни активности, плотности потоков и др.). Таблица 4.3 Основные пределы доз Нормируемые величины Эффективная доза

Эквивалентная доза за год, мЗв: в хрусталике глаза коже кистях и стопах

Персонал (группа А)

Население

20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5лет, но не более 50 мЗв в год

1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5лет, но не более 5 мЗв в год

150 500 500

15 50 50

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1 Зв, а для населения за 70-летний период жизни – 70 мЗв. Основные пределы доз облучения не включают в себя дозы от природного и медицинского облучения, а также дозы вследствие радиационных аварий. Для радиационных аварий в целях предотвращения развития аварии или ликвидации её последствий в НРБ99/2009 предусмотрено планируемое повышенное облучение персонала группы А выше установленных пределов доз (не более четырехкратных значений по табл. 4.3). При переходе от санитарно-гигиенических принципов (в основу которых заложен человек) к экологическим происходит смена объекта нормирования, где рассматриваются природные и созданные человеком популяции и экосистемы. В этом случае базовой ин115

формацией для оценки риска должны стать данные экологического мониторинга, задачей которого является определение биологически и экологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций популяций и их сообществ. 4.3. Воздействие на окружающую среду предприятий начальной стадии ядерного топливного цикла

Начальная стадия ЯТЦ включает добычу урановой руды, её переработку и получение концентрата, очистку, конверсию, обогащение топлива и изготовление тепловыделяющих элементов (твэлов). Воздействие на окружающую среду проявляется в виде радиоактивного загрязнения отходами, содержащими радиоактивные вещества (в основном уран и дочерние продукты его распада), химического загрязнения отходами при добыче и переработке урановой руды, отчуждения земель для предприятий начальной стадии ЯТЦ. Рассмотрим вопросы радиоактивного загрязнения среды для типичных технологий этой стадии. Основные загрязнители – естественные радионуклиды цепочки распада 238U. Вклад радионуклидов цепочек 235U и 232Th обычно пренебрежимо мал и не учитывается при рассмотрении радиоактивного загрязнения. Месторождениями урановой руды считаются пласты с весовым содержанием естественного урана в породе более 0,05 %, богатыми считаются руды с содержанием урана выше 1 %. При этом среднее содержание урана в литосфере и гидросфере Земли составляет⋅ 4⋅10–4 %. Разработка урановых месторождений ведется открытым методом (карьеры), подземным методом (шахты) и методом подземного выщелачивания. Выбор метода добычи зависит от геологических условий местности и концентрации урана в руде. При открытой добыче карьеры отчуждают значительную часть земель. При использовании метода подземного выщелачивания руда подвергается химической обработке (растворению в серной кислоте) под землей в урановом пласте. Шахтным способом и методом подземного выщелачивания сейчас добывается более половины урановой руды. Суммарная активность радионуклидов цепочки 238U (наиболее важными в радиологическом отношении являются 230Th, 226Ra, 222 Rn, 210Pb, 210Po) для их радиоактивного равновесия составляет около 3⋅108 Бк на 1 т руды. 116

По своему агрегатному состоянию отходы уранодобывающих и перерабатывающих предприятий подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. В уранодобывающей промышленности наблюдается повышенная по сравнению с фоновой радиоактивность практически всех её отходов [5]. Твердые отходы (шламы) содержат нерастворимую форму поступающих в хвостохранилища радионуклидов. Активность твердых отходов обусловлена, в основном, 226Ra и продуктами его распада и составляет 2,6⋅107 Бк/т. Жидкие отходы (растворимая форма радионуклидов) сбрасываются в хвостохранилища, где фильтруются через землю и испаряются. Иногда после очистки сбрасываются в реки. Основной вклад в радиоактивность дает 226Ra. Его концентрация в жидких сбросах гидрометаллургических заводов (ГМЗ) может достигать от 10 до 30 Бк/л, что в сотни раз выше естественной концентрации радия в грунтовых водах. При сбросе жидких отходов в реку концентрация радия в воде в месте сброса может достигать 0,5 Бк/л. Газообразные отходы – это газообразные нуклиды и аэрозоли, выбрасываемые с вентиляционным воздухом шахт и с поверхности хвостохранилищ. Основную роль здесь играет инертный газ радон 222 Rn, величина выброса которого в 104 раз превышает выбросы других радионуклидов уранового семейства. В результате наиболее значимым фактором долговременного радиоактивного загрязнения окружающей среды на первичном этапе ЯТЦ являются хвостохранилища обогатительных фабрик и гидрометаллургических заводов (в основном за счет 222Rn). Это воздействие соизмеримо с загрязнениями от АЭС и во много раз превышает выбросы радиоактивных веществ при добыче урана. Основными видами радиационного воздействия при добыче и переработке руды являются внешнее и внутреннее облучение персонала радионуклидами урановой руды, внешнее и внутреннее облучение населения, связанное с миграцией радионуклидов на большие расстояния. Оцененная среднемировая эффективная доза внешнего и внутреннего облучения персонала рудников не превышает 20 мЗв/год. Средняя измеренная эффективная доза для персонала предприятий по переработке руды составляет примерно 5 мЗв/год. 117

С точки зрения облучения населения предприятиями ЯТЦ часто используются величины, нормированные на 1 ГВт(эл.)год работы АЭС. В табл. 4.4 приведены нормированные выбросы объектов ЯТЦ, обеспечивающих работу АЭС на мощности 1 ГВт(эл.) в течение года. Таблица 4.4 Нормированные выбросы радионуклидов в атмосферу для предприятий начальной стадии ЯТЦ, ГБк/ГВт(эл.)год Предприятие Рудник ГМЗ Хвостохранилище

222

Rn 75000 3000 3000

238

U – 0,66 0,0007

230

Th – 0,07 0,015

226

Ra – 0,04 0,015

Видно, что выбросы 222Rn c рудника определяют радиационную обстановку на прилегающих территориях. Для расчета миграции радионуклидов в атмосфере, осаждения на почву и водоёмы использовали модели локального и регионального переноса [3]. Оцененная годовая индивидуальная эффективная доза на расстоянии 500 км от источника выброса составляла около 0,5 мЗв/год. Она определялась, в основном, ингаляционным поступлением 222Rn. В табл. 4.5 приведены годовые коллективные эффективные дозы при работающей шахте и ГМЗ. Таблица 4.5 Нормированные годовые коллективные эффективные дозы от предприятий начальной стадии ЯТЦ, чел-Зв/ГВт(эл)год Предприятие Рудник Гидрометаллургический завод Хвостохранилище

Эффективная доза 0,19 0,0075 0,04

Видно, что нормированная годовая коллективная эффективная доза от предприятий по добыче и переработке руды начальной стадии ЯТЦ не превышает 0,2 чел-Зв. Кратко рассмотрим воздействие на человека и окружающую среду предприятий по очистке, конверсии, обогащению топлива и изготовлению твэлов. Основная задача этого этапа – использование полученного на предыдущей стадии уранового концентрата для изготовления топливных элементов ядерного реактора. Получен118

ный после переработки руды концентрат перед обогащением по 235 U очищают, так как для разделения изотопов требуется уран высокой чистоты. В большинстве энергетических реакторов используется слабообогащенное топливо в виде UO2. Поэтому полученная на предыдущем этапе U3O8 конвертируется в UO2. Более 95 % мощностей промышленности по разделению урана базируется на двух молекулярных методах: газодиффузионном и газоцентрифужном. Для этих целей твердую UO2 переводят в газообразный UF6. Основные проблемы на заводах по изотопному обогащению – это обращение с газообразным гексафторидом урана, а также возможность химических взрывов в связи с использованием агрессивных химических веществ. На конечном этапе UF6 вновь превращается в UO2 или металлический уран. В этом звене ЯТЦ практически не существует проблемы защиты от внешних потоков гамма-излучения радона и его дочерних продуктов, так как 226Ra вместе с его дочерними элементами выведен из процесса со шламами. Оцененные среднегодовые дозы облучения персонала на заводах по обогащению урана и изготовлению топлива обычно не превышают 2 мЗв. Источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды являются твердые, жидкие и газообразные отходы производства. К твердым отходам относятся большие количества обедненного урана (0,3 % 235U) и небольшие количества 226Ra и 230Th. Жидкие отходы – это, в основном, соединения урана, тория и радия. Они сбрасываются в отстойники, замкнутые водоемы или реки. Газообразные выбросы – радиоактивные аэрозоли урана, тория и радия, а также радон. Оценка локальной ожидаемой коллективной эффективной дозы за счет жидких сбросов дает величину 2⋅10–4 чел-Зв/ГВт(эл.)год, при этом примерно 50 % её связано с поступлением радионуклидов с пищевыми продуктами. Нормированная региональная коллективная эффективная доза за счет газоаэрозольных выбросов составляет 2⋅10–3 чел-Зв/ГВт(эл.)год. Оцененная годовая индивидуальная эффективная доза на расстоянии 500 км от источника выброса составляет 0,1 мЗв/год. Приведенные данные показывают, что радиационное воздействие этого этапа на порядок ниже, чем этапов добычи и переработки руды. 119

Таким образом, на начальной стадии ЯТЦ коллективные эффективные дозы в значительной степени определяются облучением персонала и составляют 4 чел-Зв/ГВт(эл.)год. Коллективные дозы для населения, проживающего в радиусе 2000 км, оцениваются примерно в 0,24 чел-Зв/ГВт(эл.)год. Начальная стадия ЯТЦ характеризуется минимальными выбросами и сбросами радионуклидов, на несколько порядков меньшими допустимых уровней. 4.4. Воздействие АЭС на окружающую среду 4.4.1. Источники радиоактивного загрязнения при эксплуатации АЭС и барьеры безопасности

Основной элемент атомной электростанции (АЭС), обеспечивающий самоподдерживающую реакцию деления и выделение тепла, – ядерный реактор. С его работой неразрывно связана радиационная опасность для человека и окружающей среды. Поступающее на АЭС топливо обладает сравнительно небольшой активностью (для АЭС с ВВЭР примерно 1011 Бк/т), которая, в основном, связана с α-распадом 234U. Однако к концу трехлетней кампании для реактора ВВЭР с обогащением топлива 3,6 % активность облученного топлива достигает 5⋅1018 Бк/т. Это связано с накоплением в реакторе около 1000 радионуклидов: продуктов деления, актиноидов, продуктов активации. Попадание в окружающую среду этих веществ может привести к опасным последствиям, поэтому основной задачей обеспечения радиационной безопасности на этой стадии ЯТЦ является изоляция радиоактивных веществ от биосферы как при нормальном режиме работы АЭС, так и аварийных ситуациях. Образование радиоактивных веществ происходит за счет деления топлива (продукты деления) и за счет активации конструкций реактора, теплоносителя и самого топлива (продукты активации). Продукты деления (ПД) представляют собой радиоактивные осколки, на которые распадается ядро урана при делении. Образование продуктов деления характеризуется их независимыми и кумулятивными выходами. Абсолютный независимый выход соответствует вероятности образования данного радионуклида непосредственно в процессе деления, а кумулятивный – с учетом радиоактив120

ных превращений первичных осколков с малым периодом полураспада. В зависимости от физико-химического состояния и особенностей поведения в окружающей среде можно выделить следующие группы ПД: 1) инертные радиоактивные газы (изотопы криптона и ксенона); 2) летучие вещества (в основном изотопы иода); 3) нелетучие вещества (аэрозольобразующие). Как отмечалось ранее, к концу кампании активность ПД для АЭС с ВВЭР может достигать 5⋅1018 Бк/т. При радиационном захвате нейтронов ядрами топлива и тяжелыми нуклидами, а также в результате их радиоактивных превращений, в реакторе образуется около 50 актиноидов (семейство актиноидов включает в себя элементы с Z = 90–103: торий Th, протактиний Pa, уран U, нептуний Np, плутоний Pu, америций Am, кюрий Cm, берклий Bk, калифорний Cf, эйнштейний Es, фермий Fm, менделевий Md, нобелий No и лоуренсий Lr). Их отличительная особенность – большие периоды полураспада. Основными среди актиноидов являются изотопы плутония, америция, кюрия и калифорния. Суммарная активность актиноидов для АЭС с ВВЭР составляет примерно 5⋅1015 Бк/т, т.е. на три порядка ниже, чем для ПД. Вторую важную группу радиоактивных веществ, возникающих на АЭС, составляют продукты активации (ПА) конструкционных материалов, теплоносителя и топлива. С точки зрения выхода ПА в окружающую среду важен процесс коррозии конструкционных материалов. Основные радионуклиды здесь – изотопы железа, марганца, хрома, кобальта и некоторых других элементов. Активация топлива связана со взаимодействием его ядер, приводящим не к делению, а к образованию новых тяжелых нуклидов. Основные радионуклиды здесь – изотопы урана, плутония, америция и кюрия. Все они, в основном, α-излучатели. Однако, обладая большими временами жизни, они создают серьёзную проблему для надежного долговременного захоронения. К продуктам активации теплоносителя относятся радионуклиды образующиеся как при активации собственно теплоносителя (собственная активность), так и его примесей. Для водоохлаждаемых реакторов основной вклад в активность теплоносителя (более 99 %) 121

дает реакция на кислороде 16O(n, p)16N с образованием нуклида азота 16N, излучающего фотоны с энергией 6,1 МэВ. Удельная активность 16N в воде 1-го контура охлаждения реактора достигает 5⋅109 Бк/л. Отметим, что этот радионуклид имеет период полураспада 7,11 с, и его активность быстро спадает при остановке реактора. Важными элементами с точки зрения радиоактивного загрязнения окружающей среды являются образующиеся в теплоносителе радиоактивные углерод и тритий. Образование этих биосферных радионуклидов существенно с точки зрения облучения населения вокруг АЭС. Источниками 14C (T1/2 = 5730 лет) в теплоносителе реактора служат реакции 14N(n, p)14C, 17O(n, α)14C и 13C(n, γ)14C. К концу трехлетней кампании 14C накапливается в количестве до 1012 Бк/т. Основными реакциями образования трития 3H (T1/2 = 12,3 года) в реакторах ВВЭР являются 2H(n, γ)3H, 10B(n, 2α) 3H, 6Li(n, α) 3H и ряд других. Концентрация 3H при этом может достигать 107 Бк/л. Для реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем основными ПА теплоносителя являются 24Na (T1/2 = 15 ч) и 22Na (T1/2 = 2,6 года), получаемые по реакциям (n, γ) и (n, 2n) соответственно. Удельная активность 24Na и 22Na в теплоносителе составляет соответственно 2⋅1012 и 4⋅106 Бк/кг. Учитывая опасность выхода радиоактивных ПД и ПА в окружающую среду, необходимо принимать меры по их удержанию внутри активной зоны реактора и во внутриреакторных помещениях. Пути миграции радионуклидов на АЭС в значительной степени определяются типом реактора, количеством контуров теплоносителя и системами его очистки. При этом основным принципом обеспечения безопасности на АЭС является создание барьеров безопасности (рис. 4.1), отделяющих радионуклиды от населения и окружающей среды. Как уже отмечалось, ПД, актиноиды и часть ПА образуются в топливе и материалах твэла. Значительная часть образовавшихся в топливных таблетках радионуклидов удерживается в них. Однако примерно 1 % радионуклидов покидает твэлы. Под оболочкой, между набором таблеток и в верхней части твэлов имеются зазоры и полости, в которых накапливаются газообразные ПД и ПА. Обо122

лочка твэла – первый барьер, расположенный в активной зоне реактора. При герметичной оболочке выход активности за её пределы практически исключен. Однако из-за высоких температурных и радиационных нагрузок оболочки твэлов со временем теряют герметичность. Имеются допустимые масштабы повреждения оболочек. При проектировании допускается наличие в активной зоне 1 % твэлов с микротрещинами, допускающими утечку газообразных ПД, и 0,1 % твэлов с макротрещинами, допускающими прямой контакт теплоносителя с топливом. Через микротрещины в теплоноситель поступают газообразные радионуклиды (изотопы ксенона, криптона, йода и брома) и летучие радионуклиды (цезий, рубидий, теллур). Через макротрещины возможен выход нелетучих радионуклидов и даже актиноидов, но вероятность такого выхода на порядок ниже. Таким образом, эффективность удержания радионуклидов оболочкой, определяемая отношением активности в газовой полости под оболочкой к активности, вышедшей за пределы оболочки, составляет примерно 102–103. Полная активность теплоносителя 1-го контура реактора определяется как активностью ПД и ПА, вышедших из-под оболочки, так и собственной активностью теплоносителя и его примесей и активностью содержащихся в теплоносителе продуктов коррозии. Трубопроводы 1-го контура формируют второй барьер безопасности. С точки зрения миграции радионуклидов следует отметить, что при герметичном 1-м контуре радионуклиды не должны покидать его пределы. Тем не менее надежность второго барьера не безгранична, эффективность удержания радионуклидов оценивается как 105–106. Это вызвано неплотностями в стыках, трещинами и др., в результате чего возникают протечки теплоносителя во 2-й контур или помещения АЭС. При протечках в парогенераторе возможна миграция радионуклидов по трубопроводам 2-го контура с последующим выходом в водоем-охладитель. Третий барьер образует защитная оболочка (ЗО) на АЭС с ВВЭР и большинством других реакторов. На АЭС с РБМК третий барьер образуют герметичные помещения станции. ЗО должна выдержать повышение давления на любых авариях с потерей тепло123

носителя. Проектный уровень негерметичности ЗО – выход 0,1– 1 % от внутреннего объёма оболочки в сутки. Барьеры безопасности АЭС должны обеспечивать практически полную изоляцию радиоактивных веществ от биосферы. А возможные их утечки в окружающую среду снизить до уровня, допустимого действующими санитарными правилами. Страховочный защитный барьер на АЭС – санитарно-защитная зона (СЗЗ) вокруг станции. Её границы определяются исходя из мощности станции таким образом, чтобы при максимальной проектной аварии территория, где уровни радиации превышают допустимые пределы, находилась внутри СЗЗ. 4.4.2. Радиоактивные отходы АЭС и дозовые нагрузки на население

В результате очистных мероприятий в технологических системах реактора, ремонта и замены оборудования и других мероприятий на АЭС появляются радиоактивные отходы, которые можно разделить на три категории: газообразные, жидкие и твердые. Газообразные отходы. Технологический процесс требует постоянного удаления газов из теплоносителя, поскольку они ухудшают его технологические параметры. В двухконтурных системах (ВВЭР, PWR) газы удаляются из компенсаторов объёма и с фильтров внутриконтурной очистки теплоносителя, а в одноконтурных (РБМК, BWR) газы удаляются эжекторами из конденсаторов турбин. Кроме того, газы удаляются из теплоносителя в результате его протечек и испарения [3, 5]. Различные типы реакторов отличаются как по выходу газоаэрозольной фракции, так и по её нуклидному составу. После очистки газоаэрозольные ПД и ПА выбрасываются в вентиляционную трубу АЭС, высота которой для АЭС с ВВЭР составляет 100, а для АЭС с РБМК – 150 м. В выбросах присутствуют, в основном, инертные радиоактивные газы (ИРГ), радиоактивные аэрозоли и йод (газ и аэрозоль). В соответствии с санитарными правилами проектирования и эксплуатации атомных станций (СП АС-03) величина максимального допустимого выброса в атмосферу радиоактивных веществ (ПДВ) ограничена. При этом значения ДВ определяются так, чтобы доза облучения населения не превысила 10 мЗв в год. В табл. 4.6 срав124

ниваются выбросы российских АЭС в 1990-е гг. с действующими ДВ [5] для ИРГ, 131I и долгоживущих нуклидов 60Co, 90Sr, 134Cs, 137 Cs (ДЖН). Разница в выбросах РБМК и ВВЭР примерно на порядок объясняется разницей между одно- и двухконтурной схемами теплосъема. В целом по радионуклидному составу в выбросах доминируют ИРГ (135Xe, 133Xe). Кроме того, в выбросах РБМК содержится значительное количество 41Ar, который излучает гамма-кванты высокой энергии. После того как радионуклиды выброшены в атмосферу через вентиляционную трубу АЭС, их миграцию определяют метеорологические условия выброса: скорость и направление ветра, атмосферная диффузия, градиент температуры, осадки и пр. Таблица 4.6 Сравнение реальных и допустимых выбросов АЭС, ГБк/год Радионуклиды ИРГ 131

I ДЖН

ВВЭР реальный

ДВ

(48±16)⋅103 1,2±0,5 1,0±0,4

690⋅103 18 10,5

РБМК реальный 1100⋅103 8±3 13±5

ДВ 3700⋅103 93 8,1

Жидкие радиоактивные отходы. Жидкие отходы станции считаются радиоактивными, если их удельная активность более чем в 10 раз превышает значения уровней вмешательства (УВ) при поступлении с водой для населения. Для различных нуклидов, попадающих в жидкие отходы, УВ располагаются в диапазоне от 5 до 8000 Бк/кг. Жидкие радиоактивные отходы формируются вследствие очистки теплоносителя и конденсата от радиоактивных примесей на ионообменных фильтрах с образованием пульпы ионообменных смол, ремонтных работ на технологическом контуре и в реакторе, сброса протечек теплоносителя, а также отработанных промывочных и дезактивирующих растворов и др. Жидкие радиоактивные отходы подвергают очистке и переработке. Цель спецводоочистки жидких отходов – выделение практически чистого конденсата и концентрирование радиоактивных и химических примесей. Полученный конденсат используется стан125

цией повторно, а избыток сливается в водоем-охладитель АЭС (дебалансные воды). В первые годы эксплуатации общее количество дебалансных вод АЭС максимально и может достигать 104– 105 м3/год. Основная активность таких сбросов определяется тритием. Следует отметить, что даже в самых неблагоприятных случаях концентрация сбрасываемого трития ниже допустимого значения для питьевой воды. Для остальных радионуклидов это требование выполняется с многократным запасом. Жидкие радиоактивные отходы, как правило, поступают в специальное хранилище отходов – облицованные нержавеющей сталью бетонные ёмкости. Такое хранение рассматривается как временное решение вопроса об изоляции жидких отходов. Планируется «отверждать» концентрированные жидкие радиоактивные отходы с последующим их захоронением на территории АЭС или региональных хранилищ (могильников). Твердые отходы. К этому типу отходов на АЭС относят твердые отходы, возникающие после отверждения концентрированных жидких отходов, вышедшее из строя оборудование, расходные материалы и др. Твердые отходы после переработки помещают в хранилище твердых отходов, расположенное на территории АЭС. Основные виды радиационного воздействия при эксплуатации АЭС для персонала – внешнее и внутреннее облучения при работе в различных помещениях АЭС. Источниками внешнего облучения являются активная зона реактора (нейтроны и гамма-излучение) и технологический контур (гамма-излучение). Внутреннее облучение персонала связано с загрязнением воздуха и поверхностей аэрозолями, т.е. жидкими и твердыми частицами размером порядка 1 мкм. Дозы, получаемые персоналом различных АЭС, сильно отличаются. Даже для одного и того же типа реактора нормированные на 1 Гвт(эл.)год эффективные коллективные дозы могут различаться до десяти раз. Ещё большие различия наблюдаются для работников АЭС с реакторами различного типа. На начало 1990-х гг. нормированная коллективная эффективная доза персонала российских АЭС с реакторами ВВЭР составила примерно 1,3 чел-Зв, а для АЭС с реакторами РБМК – 15. При этом среднегодовая эффективная доза составляла менее 10 % от допустимой. Индивидуальные эффектив126

ные дозы 90 % персонала не превосходят 1 мЗв (5 % норматива НРБ 99/2009). Из трех вышеперечисленных видов отходов, образующихся на АЭС, в окружающую среду после прохождения соответствующих систем очистки сбрасывают только газообразные и частично жидкие отходы. Твердые отходы, как это было отмечено ранее, поступают на хранение в специально отведенные места на территории АЭС. Газообразные радиоактивные отходы формируются, в основном, в системах очистки воды первого контура. Системы обработки отходов на современных АЭС с высокой эффективностью улавливают почти все радиоактивные вещества, кроме ИРГ и трития. Облучение населения, проживающего в районе АЭС, за счет газообразных атмосферных выбросов складывается из следующих компонент: • внешнего облучения от радиоактивного облака; • внешнего облучения от выпадений радиоактивных аэрозолей на почву; • внутреннего облучения от ингаляции радиоактивных веществ; • внутреннего облучения от радионуклидов, выпавших на почву и попавших в организм через пищевые цепочки. Непосредственное измерение вклада АЭС в радиационную обстановку вблизи станции при её нормальной работе является затруднительным, так как он на два-три порядка ниже вклада естественного фона. Внешнее облучение от облака определяется ИРГ, так как их выброс примерно в 102–104 раз больше остальных радионуклидов. Нуклидный состав ИРГ зависит от типа реактора, для водоводяных реакторов доминируют 133Xe и 135Xe. Вклад активационных газов, в частности 41Ar, в газовую активность, как правило, не превышает 0,5 % смеси ИРГ, но для реакторов РБМК он может достигать 20 % за счет активации газового контура. Вклад аэрозолей во внешнее облучение пренебрежимо мал (10–3 %). На рис. 4.2 приведены расчетные данные дл внешнего облучения от выбросов АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК [5]. Видно, что доза облучения от облака для РБМК существенно больше, чем для ВВЭР. Следует заметить, что расчеты выполнены 127

для начального периода эксплуатации указанного типа реакторов, а в настоящее время уровень выбросов снизился в несколько раз. Радиоактивные выпадения на почву образуются в результате гравитационного, сухого и мокрого осаждения аэрозолей облака. По сравнению с внешним облучением от облака, вклад от облучения выпадений составляет примерно 0,2 %. Суммарная мощность дозы облучения населения вблизи станции не превосходит 1 мкЗв/год, что значительно ниже фоновой (1 мЗв/год). Если доза внешнего облучения, в основном, связана с гаммаизлучением ИРГ, то доза внутреннего облучения связана с йодом, 14 C и аэрозолями. Эффективная доза внутреннего облучения от ингаляции примерно на два порядка меньше, чем доза внешнего облучения. Внутреннее облучение при пероральном поступлении создается выпавшими на землю нуклидами, которые попадают в пищевые цепочки человека. Эффективная доза этого вида облучения меньше эффективной дозу внешнего облучения почти везде, кроме больших (свыше 100 км) расстояний от АЭС. Таким образом, суммарная дозовая нагрузка населения от газоаэрозольных выбросов определяется внешним облучением облака, и составляет около 1 мкЗв/год на удалении 10 км от АЭС и 0,1 мкЗв/год на удалении 30 км. Среднемировое значение нормированной коллективной эффективной дозы от выбросов в атмосферу для разного типа реакторов составляет 0,38 чел-Зв/ГВт(эл.)год. Жидкие радиоактивные отходы АЭС подвергаются фильтрации, очистке, после которой вода используется вновь, а концентрированные отходы изолируются. Сбросу подвергаются только очищенные отходы (дебалансные воды), удельная активность которых не превышает допустимой для питьевой воды. При нормальной эксплуатации АЭС нормированная коллективная эффективная доза внешнего и внутреннего облучения для всех путей воздействия составляет в среднем 0,13 чел-Зв/ГВт(эл.)год для реакторов ВВЭР и 0,6 чел-Зв/ГВт(эл.)год для реакторов РБМК. Среднемировое значение нормированной коллективной эффективной дозы составляет 0,43 чел-Зв/ГВт(эл.)год. Эти величины составляют доли процента от соответствующих значений для естественного фона. К нерадиационному влиянию АЭС на водоем-охладитель относят его тепловое и химическое загрязнения. Рассмотрим в качестве 128

примера водоем-охладитель атомной электростанции (АЭС). На АЭС, в отличие от ТЭС, основная часть теплового сброса осуществляется охлаждающими турбины водами. На охлаждение конденсаторов турбин АЭС мощностью 1 ГВт (эл.) требуется 50 м3/с воды, при этом ее температура повышается примерно на 10 ºС. Минимальная площадь зеркала водоема-охладителя составляет около 5 км2 на 1 ГВт (эл.), а если водоем используется для разведения рыб и отдыха – не менее 10 км2. Дополнительный подогрев воды приводит к изменению ее физико-химических свойств (растворимости газов, плотности, вязкости и др.), увеличению испарения. Кроме изменения водного баланса в экосистеме водоема, происходят изменения, связанные с заменой организмов более теплолюбивыми видами. Хладолюбивые диатомовые водоросли, являющиеся кормовой базой зоопланктона и рыб, сменяются сине-зелеными водорослями, которые, быстро развиваясь и отмирая, отравляют воду токсичными цианистыми соединениями. Снижение растворимости кислорода при повышении температуры приводит к ухудшению разложения органических остатков в придонных слоях и образованию «заморных» зон, массовой гибели водных организмов и рыб. В результате водоем может значительно снизить свой рекреационный статус и хозяйственное значение. При нормальном режиме эксплуатации АЭС основное воздействие на окружающую среду определяется тепловым сбросом, а не выбросом радиоактивных веществ в водоем. 4.5. Обращение с отработанным ядерным топливом и радиоактивными отходами 4.5.1. Радиоактивное загрязнение окружающей среды при переработке ОЯТ

В зависимости от типа ЯТЦ (открытый или замкнутый) ОЯТ должно подвергаться захоронению или переработке на радиохимическом заводе с целью регенерации. При регенерации ядерного топлива невыгоревший уран и образовавшийся плутоний отделяются от накопившихся в твэлах осколков деления для повторного ис129

пользования в реакторах АЭС. Учитывая высокую активность ОЯТ к концу кампании при наличии большого количества короткоживущих радионуклидов, отработанное топливо в течение примерно двух-пяти лет хранится в бассейне выдержки на АЭС. Затем (после выдержки) ОЯТ в специальном контейнере транспортируется в хранилище радиохимического завода [5] в котором подвергается переработке. Образующиеся при переработке РАО после обработки поступают на хранение и захоронение. Мировой опыт по переработке ОЯТ невелик, лишь несколько стран (Великобритания, Франция, Россия, Япония) имеют радиохимические комбинаты промышленного масштаба, а их количество находится в пределах десяти. Выброс радиоактивных веществ в окружающую среду на заводах по регенерации топлива в настоящее время определяется, в основном, газоаэрозольной фракцией. Среди выбрасываемых радионуклидов основную опасность представляют долгоживущие 3H, 14 C, 85Kr, 90Sr, 106Ru, 129I, 131I, 134Cs, 137Cs. В газоаэрозольном выбросе содержится также 239Pu. Для правильной оценки вклада радиохимических заводов (РХЗ) в глобальное радиоактивное загрязнение биосферы необходимо учитывать полное количество ядерного топлива, переработанного всеми странами. Воздействие предприятий по переработке ОЯТ зависит от мощности предприятия и места его расположения. Газоаэрозольный выброс РХЗ намного превышает выброс АЭС и осуществляется через трубу высотой до 200 м. В табл. 4.7 приведены примерные годовые газоаэрозольные выбросы, рассчитанные для РХЗ производительностью 1500 т/год. Часть радиоактивных отходов РХЗ поступает в окружающую среду с жидкими сбросами. Здесь определяющими радионуклидами являются 3H, 106Ru, 131I, 137Cs, 90Sr, а также актиноиды. Следует заметить, что в жидких отходах первоначально содержатся почти все ПД (5000 л на 1 т топлива). Далее за счёт упаривания их объём уменьшается до 20–100 л на 1 т топлива. Высокая концентрация долгоживущих радионуклидов требует их длительной выдержки в герметизированном виде с обеспечением теплосъёма в подземных ёмкостях на территории предприятий по переработке топлива.

130

Таблица 4.7 Газоаэрозольный выброс РХЗ, Бк/год Радионуклид Выброс Радионуклид Выброс

3

14

H

3⋅10

C

16

137

Cs

3⋅10

11

3⋅10

13

90

Sr

3⋅10

10

85

Kr

3⋅10

17

238

Pu

3⋅10

10

129

I

3⋅1010 239

Pu

3⋅109

По оценкам экспертов, в 1990–1994 гг. величина нормированной коллективной эффективной дозы персонала РХЗ составила 0,6 челЗв/ГВт(эл.)год во Франции, 11 чел-Зв/ГВт (эл.) год в Великобритании и 39 чел-Зв/ГВт (эл.) год в России. При этом среднемировая эффективная доза рабочих РХЗ не превышала 3 мЗв/год. С точки зрения формирования коллективной дозы для населения определяющими являются радионуклиды 14C и 85Kr для атмосферных выбросов, и 3H, 90Sr, 137Cs для жидких сбросов. Коллективные эффективные дозы от жидких сбросов за весь период работы РХЗ мира значительно превышают дозы от радионуклидов атмосферного выброса, однако в настоящее время они стали значительно меньше доз, связанных с выбросами радионуклидов в атмосферу. Если до 1990 г. коллективная доза населения определялась радионуклидом 137Cs, то сейчас она определяется, в основном, 14C. Оцененные для разных лет работы региональные коллективные дозы, связанные с переработкой ОЯТ, составляют 20–30 чел-Зв/год. Принимая, что основная дозовая нагрузка приходится на население, проживающее в радиусе 50 км от РХЗ, индивидуальная годовая эффективная доза составит около 10 мкЗв [3]. Таким образом, дозовые нагрузки для заключительной стадии ЯТЦ, которая в радиационном отношении наиболее опасна, составляют для персонала 1–40 чел-Зв/ГВт (эл.) год, и населения – 20–30 чел-Зв/год, что не превышает 0,2 % естественного фона излучения. В процессе работы ядерного реактора образуются долгоживущие радионуклиды, рассеивающиеся на большие расстояния в процессе миграции, что приводит к глобальному радиоактивному загрязнению биосферы и облучению населения за пределами региональных границ. К таким радионуклидам относятся прежде всего 3 H, 14C, 85Kr и 129I. Из суммарного выброса этих радионуклидов в 131

окружающую среду всеми предприятиями ЯТЦ на долю АЭС приходится до 30 % 14C и менее 1 % других радионуклидов, остальные выбросы связаны с РХЗ. Однако среднегодовые эффективные дозы для населения от этих радионуклидов значительно (на один-два порядка) меньше годовых доз от естественного фона и находятся в пределах его колебаний. Всё это в условиях безаварийной работы предприятий ЯТЦ не требует специальных мер по сокращению в глобальном масштабе выбросов долгоживущих радионуклидов. 4.5.2. Хранение радиоактивных отходов

Радиоактивные отходы (РАО) преимущественно образуются при эксплуатации и снятии с эксплуатации объектов ядерного топливного цикла, в том числе АЭС, и судов с ядерными энергетическими установками. Оценка количества радиоактивных отходов на территории России в период 1996–1997 гг. приведена в табл. 4.8 [3, 6]. Таблица 4.8 Радиоактивные отходы на территории России Объём, м3

Источник образования

Активность, Бк

Добыча и переработка руды

1,0⋅10

8

6,7⋅1015

Обогащение, изготовление твэлов

1,6⋅106

1,5⋅1014

АЭС при нормальной работе

2,9⋅105

1,6⋅1015

РХЗ

5,0⋅108

5,5⋅1019

5

7,5⋅1016

6,0⋅108

5,5⋅1019

Другие (радионуклидные источники, транспортные установки) Всего:

2,3⋅10

Как видно, основной объем РАО накапливается на предприятиях ЯТЦ, причем РХЗ, задействованные в производстве оружейных материалов, играют здесь ведущую роль. При нормальной эксплуатации предприятий ЯТЦ лишь небольшая доля радиоактивных веществ (в основном газообразных) после очистки сразу выбрасывается в окружающую среду. Остальные РАО, образующиеся в ЯТЦ, требуют определенного обращения. Они после соответствующей 132

обработки поступают на хранение и захоронение. В отличие от хранения понятие «захоронение» применяется для обращения с теми отходами, которые не предполагается повторно использовать. При захоронении РАО не требуется их постоянного обслуживания (теплосъем, наблюдение и др.). Захоронение РАО можно проводить тогда, когда гарантируется их полная изоляция от биосферы при отсутствии постоянного контроля. Характер обработки и обращения с РАО зависит от их агрегатного состояния. Поэтому отходы подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. К газообразным радиоактивным отходам (ГРО) относят газовые смеси, содержащие радионуклиды виде газа или аэрозоля, а к жидким радиоактивным отходам (ЖРО) – любые радиоактивные жидкости, растворы органических и неорганических веществ, пульпы. К твердым радиоактивным отходам (ТРО) относят отработавшие свой ресурс радионуклидные источники, различные радиоактивные материалы, оборудование, биологические объекты, загрязненные объекты внешней среды, отверждённые жидкие отходы. Для каждого из агрегатных состояний отходов важен вопрос об их отнесении к категории радиоактивных. Газовые отходы считаются радиоактивными, если их объёмная активность превышает допустимую активность в воздухе для населения. Жидкие и твёрдые отходы считаются радиоактивными, если их удельная активность превышает, соответственно, уровни вмешательства или минимально значимые удельные активности, установленные НРБ99/2009. При неизвестном радионуклидном составе ТРО и ЖРО относят к радиоактивным, если их удельная активность больше: • 100 кБк/кг – для бета-излучающих радионуклидов; • 10 кБк/кг – для альфа-излучающих нуклидов (исключая трансурановые); • 1 кБк/кг – для трансурановых радионуклидов. Радиоактивные отходы классифицируют по их радиоактивности на низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные (табл. 4.9). При обращении с РАО, помимо их агрегатного состояния и удельной активности, необходимо учитывать и другие физико- химические характеристики: органические или неорганические веще133

ства, взрыво- и огнеопасность, периоды полураспада радионуклидов. Низкоактивные отходы образуются, в основном, на начальной стадии ЯТЦ при добыче и переработке руды, а также на других стадиях, например при дезактивационных работах. Среднеактивные отходы – это оболочки твэлов, отработавшие радионуклидные источники, загрязненные конструкции и т.п. Преимущественно высокоактивные отходы образуются на заводах по регенерации топлива (РХЗ). Таблица 4.9 Удельные активности жидких и твердых отходов, кБк/кг Категория отходов Низкоактивные Среднеактивные Высокоактивные

Бетаизлучающие нуклиды 102 –103 103–107 ≥107

Альфаизлучающие нуклиды 101–102 102–106 ≥106

Трансурановые радионуклиды 1–10 101–105 ≥105

Важным элементом при обращении с РАО является их переработка, включающая сортировку и кондиционирование [3, 5]. Длительное хранение РАО в местах их образования без переработки запрещается. Хранение РАО осуществляется раздельно для отходов разных категорий в условиях, обеспечивающих безопасную изоляцию отходов в течение срока хранения. Временное хранение РАО осуществляется в контейнерах, при этом мощность излучения в воздухе на расстоянии 1 м от контейнера допускается не более 0,1 мГр/ч. Низко- и среднеактивные РАО обычно вывозятся на спецкомбинаты или пункты захоронения. Крупнейшие комплексы хранилищ РАО находятся вблизи РХЗ. В России функционирует система спецкомбинатов «Радон», осуществляющая транспорти-ровку и захоронение РАО низкой и средней активности. Долговременное хранение низко- и среднеактивных отходов обычно осуществляется в сооружениях приповерхностного типа. Такие хранилища выполнены в виде котлованов различного типа и размеров, стенки которых имеют облицовку из земли или бетона. Долговременное хранение кондиционированных отходов средней и 134

высокой активности, с преимущественным содержанием радионуклидов с периодом полураспада T1/2 более 30 лет, должно осуществляться в специальных ёмкостях в подземных сооружениях. На долю РАО, возникающих в ЯТЦ, приходится более 99 % всех радиоактивных отходов, и именно они представляют наибольшую опасность для населения и окружающей среды. Суммарная активность жидких и твердых РАО в ЯТЦ, накопленных в России на конец 2001 г., оценивается в 7,7⋅1019 Бк (6,8⋅1019 Бк – жидких, 8,5⋅1018 Бк – твердых). При этом активность отработавшего топлива превысила 3⋅1020 Бк. Более 99 % активности накопленных РАО связано с оборонной деятельностью и сосредоточено на предприятиях Росатома, из которых основными являются три: ПО «Маяк» (Озёрск, Челябинская область), Сибирский химический комбинат (Северск, Томская область), Красноярский горно-химический комбинат (Железногорск, Красноярский край). Как отмечалось ранее, РАО низкой и средней активности образуются, в основном, на начальной стадии ЯТЦ, их объём составляет примерно 5⋅104 м3/ГВт (эл.) год. Их хранение осуществляется в приповерхностных хвостохранилищах. Преимущественно РАО, накапливаемые при эксплуатации АЭС, относятся к низко- и среднеактивным и содержатся в хранилищах, расположенных вблизи АЭС. Для большинства АЭС не обнаружено воздействие хранилищ на окружающую среду, но в ряде случаев наблюдалось радиоактивное загрязнение грунтовых вод вблизи хранилищ. Бóльшая часть РАО формируется на заключительной стадии ЯТЦ, причем в состав отходов входят жидкие и твёрдые РАО всех категорий. Как правило, ТРО низкой и средней активности хранятся и захораниваются в грунтовых могильниках, а высокоактивные ТРО – в железобетонных сооружениях с многослойной изоляцией. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют ЖРО. ЖРО низкой активности обычно находятся в открытых водохранилищах со специально обработанными дном и стенками для улучшения изоляции от окружающей среды; часть жидких промышленных сбросов поступает в поверхностные водоёмы. Хранилища среднеактивных ЖРО представляют собой облицованные нержавеющей сталью железобетонные ёмкости или бочки из нержа135

веющей стали. Подземное захоронение таких РАО иногда проводится без предварительной выдержки. Наибольшую проблему создает хранение высокоактивных ЖРО. Из-за высокой активности они требуют не только мощной радиационной защиты, но и охлаждения в течение длительного времени. Эти высокоактивные растворы образуются в объёме 4 м3/ГВт(эл.)год. Учитывая высокую активность этих ЖРО при их относительно небольших объёмах, считается оптимальной следующая схема хранения и переработки: • хранение в жидкой форме для снижения остаточного тепловыделения до приемлемого; • отверждение и временное хранение в контролируемых условиях; • захоронение в стабильных геологических формациях. До настоящего времени значительная часть высокоактивных отходов содержится во временных хранилищах в жидкой форме под постоянным наблюдением. Проводятся исследования возможных способов их переработки, в частности отверждения. Изучаются также возможности ядерной трансмутации долгоживущих нуклидов в стабильные и короткоживущие, что позволит существенно снизить радиационную опасность этих отходов. Вопросы захоронения высокоактивных РАО находятся в стадии практического решения. Выработка проверенной технологии захоронения долгоживущих РАО позволит дать новый импульс развитию ядерной энергетики. Изучаются следующие основные методы захоронения: в континентальных геологических формациях, океанских впадинах, а также трансмутация и удаление в космос. Основное развитие в международных исследованиях получил первый метод. Концепция помещения высокоактивных отходов в глубокие подземные хранилища базируется на разумном сочетании искусственных способов, уменьшающих возможность миграции радионуклидов в биосферу, с естественными геологическими условиями. Для локализации долгоживущих РАО на пути возможного поступления радионуклидов в биосферу необходимо иметь инженерный барьер. Критерием эффективности барьера K является отно136

шение времени удержания радионуклида в пределах барьера к промежутку времени, равному 10 периодам полураспада. Очевидно, что при K ≥ 1 активность радионуклида в пределах барьера уменьшится более чем в 103 раз. При анализе методов геологического захоронения предполагалось, что срок жизни контейнеров из нержавеющей стали равен 103 лет, а время удерживания радионуклидов в остеклованном виде 104 лет. Таким образом, время поступления значимых долгоживущих осколочных радионуклидов 99Tc, 129I, 135Cs и актиноидов в подземные воды составит 105–106 лет. Особое место в формировании РАО занимает вопрос снятия реакторов с эксплуатации, так как время работы ядерного реактора ограничивается 30–50 годами. Существуют различные виды стратегии снятия реакторов АЭС с эксплуатации и использования освобождающейся территории вплоть до «зеленой лужайки». Сейчас они прорабатываются, а проблема снятия реакторов АЭС с эксплуатации является отдельной важной задачей, требующей экологически безопасного решения. 4.6. Радиационные аварии

Радиационными авариями считаются события, приведшие к непредусмотренному облучению людей или попаданию в окружающую среду сверхнормативного количества радиоактивных веществ. Такого рода аварии возникают из-за потери управления источником излучения, вызванного неисправностью оборудования, неправильных действий персонала, стихийных бедствий. Иногда аварии этого типа подразделяют на «чисто» радиационные, возникшие при утрате контроля над источником ионизирующего излучения, и ядерные, связанные с облучением людей и (или) загрязнением окружающей среды в результате возникновения неконтролируемой цепной ядерной реакции [5]. Для оценки тяжести ядерных происшествий, типичных для предприятий ядерного топливного цикла, Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) использует специальную семиуровневую шкалу – International Nuclear Event Scale (INES), пред137

ставленную в табл. 4.10. В этой шкале оценка тяжести события основана на трех критериях: 1) последствия для населения и окружающей природной среды; 2) последствия для персонала и предприятия; 3) степень разрушения барьеров безопасности. Напомним, что барьеры безопасности служат защитными барьерами, отделяющими радиоактивные продукты деления и активации от окружающей среды. Барьеры безопасности для реактора, охлаждаемого водой под давлением (ВВЭР, PWR), показаны на рис. 4.3. Все ядерные происшествия, в соответствии с приведенной в табл. 4.10 шкалой, подразделяются на инциденты и собственно аварии. Поскольку аварии обычно связаны с разрушением всех барьеров безопасности, последний критерий, оценивающий степень разрушения защитных барьеров, применяется к происшествиям с 1-го по 3-й уровень. Начиная с 4-го уровня, все защитные барьеры считаются разрушенными. Вплоть до 5-го уровня основной критерий для аварий – второй. Аварии с 5-го по 7-й уровень связаны с риском для населения и серьёзным воздействием на окружающую среду, и их тяжесть оценивается по первому критерию. На основе анализа происшедших к настоящему времени крупных аварий можно сделать вывод, что атмосферный выброс при аварии существенно отличается от выброса при нормальной эксплуатации реактора АЭС. По величине он может составлять от 102 до 105 ТБк (за несколько часов или суток), тогда как при нормальной эксплуатации выброс изменяется в пределах 0,1–1 ТБк/сут. Изза отсутствия фильтрации в радионуклидном составе выброса содержится значительно большее количество короткоживущих продуктов деления, в том числе в аэрозольной форме, а также изотопов йода. Например, при нормальной работе АЭС отношение активностей ксенона и йода в выбросе составляет 5⋅103, а при авариях – около 10. Выбросы при авариях с разрушением активной зоны реактора обогащен крупными частицами с размером частиц до 200 мкм и более [5].

138

Таблица 4.10 Международная шкала ядерных происшествий Уровень Название

Критерий 1

Критерий 2

Критерий 3

1

Аномалия

Выход за предписанный режим функционирования

2

Инцидент

Значительное загрязнение или переоблучение персонала

Значительные отказы или разрушение части защитных барьеров

3

СверхнормативСерьезный ин- ный выброс. Облучение населецидент ния много меньше допустимого (порядка 0,1 мЗв)

Серьезные загрязнения, острые эффекты при облучении персонала

Отказы системы безопасности такие, что дополнительное воздействие может привести к аварии

4

Авария без большого риска для населения

Облучение населения близко к допустимому (порядка 1 мЗв)

Существенные повреждения реактора и защиты, летальные исходы среди персонала

5

Авария с риском для населения

Ограниченный выброс радиоактивности, необходимы некоторые меры защиты населения

Серьезные повреждения реактора и защиты

6

Тяжелая авария

Значительный выброс радиоактивности, необходимы меры защиты населения

139

Окончание табл. 4.10 Уровень Название Критерий 1 Максимальный вы7 Максиброс. Острые и отдамальная лённые эффекты у авария населения на большой территории. Долговременные последствия для окружающей среды

Критерий 2

Критерий 3

В течение аварии обычно выделяют три периода ее воздействия на окружающую среду и население. Первый, отсчитываемый с начала аварии, соответствует времени, в течение которого осуществляются повышенный выброс радиоактивных веществ в атмосферу и формирование радиоактивного следа выпадений на местности. Этот период (несколько часов или суток) характеризуется острым внешним облучением от облака радиоактивного выброса (в основном за счет инертных радиоактивных газов и радиоактивного йода) и внутренним облучением за счет ингаляции радионуклидов, содержащихся в воздухе. Второй период (обычно дни или недели) длится от момента завершения формирования радиоактивного следа выпадений на местности до принятия мер по защите населения. В этот период доминирует внутреннее облучение населения от радиоактивных аэрозолей, выпавших на почву. Происходит также воздействие излучения радиоактивных выпадений на флору и фауну, обитающую в лиственном покрове деревьев. Если поверхностная активность выпадений достаточно высока, то может потребоваться эвакуация населения с загрязненных территорий. Третий период (годы или десятки лет) связан с загрязнением сельскохозяйственной продукции: растений, молока, мяса. В этот период вводятся строгие ограничения на использование сельскохозяйственной продукции, полученной на загрязненных территориях вплоть до полного отказа от неё. Завершение этого этапа связано со снятием всех ограничений на жизнедеятельность на загрязненных территориях. 140

Наиболее тяжелые аварии в ЯТЦ происходили на реакторах Чернобыльской АЭС (1986) и Три Майл Айленд (1979), реакторах на предприятиях по наработке плутония (Уиндскейл, 1957) и на радиохимических комбинатах («Маяк», 1957). Аварии в Уиндскейле и на Три Майл Айленд относят к происшествиям 5-го уровня, аварию на комбинате «Маяк» – к происшествиям 6-го уровня, а чернобыльскую аварию рассматривают как максимальную аварию 7-го уровня. Авария в Уиндскейле с загоранием графита в реакторе произошла 10 октября 1957 г. в Уиндскейле (Великобритания) на реакторе, предназначенном для наработки плутония. При отжиге графита, когда была выключена система газового охлаждения первого контура, реактор разогрелся до температуры, при которой начала выделяться аккумулированная в графите энергия (энергия Вигнера). Лишь используя воду, реактор удалось охладить. Произошли пожар и разрушение твэлов в активной зоне (АЗ) реактора. Причинами аварии явились ошибки персонала и недостаток контрольноизмерительных приборов. Произошел значительный выброс радиоактивности через трубу высотой 120 м. Активность 131I в аварийном атмосферном выбросе составила 2⋅104 Ки (700 ТБк), что составляло 12 % от накопленной в реакторе; активность 137Cs в аварийном атмосферном выбросе составила 103 Ки (300 ТБк). Загрязнение воздуха по 131I достигало 20 Бк/л, что на три порядка превышает допустимую объёмную активность для населения, а объёмная активность отдельных проб молока достигала 5,8⋅104 Бк/л, что также значительно превышало допустимую норму (7,7 Бк/л). Были зарегистрированы также случаи высокого облучения сельскохозяйственных животных. Загрязненной оказалась площадь в 520 км2. Средняя эффективная доза облучения персонала на промплощадке составила 45 мЗв, а средняя эффективная доза облучения населения на обширной загрязненной территории – 0,2 мЗв. В связи с загрязнением сельскохозяйственной продукции (молока, мяса) были введены строгие ограничения на использование сельскохозяйственной продукции, полученной на загрязненных территориях вплоть до её полного уничтожения. Полученная в результате аварии коллективная эффективная доза оценивается в 2⋅103 чел-Зв. 141

Авария на комбинате «Маяк», Челябинской обл., произошедшая 29 сентября 1957 г., была вызвана химическим взрывом цистерны, в которой хранились высокоактивные РАО переработки твэлов (около 80 т ацетатно-нитратных солей). Причинами взрыва явились нарушение системы водоснабжения (охлаждения) цистерны с образованием гремучей смеси и её перегрев за счет радиоактивного распада продуктов деления. Мощность взрыва была такова, что 160-тонная бетонная крышка была отброшена на 25 м, а высота столба выброса составила около 1 км [5]. Было выброшено 20 МКи, из которых 18 мКи осело на промплощадке, а остальные 2 мКи были разнесены юго-западным ветром и образовали Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС) протяженностью 345 км и площадью около 23 000 км2. В области следа, охватившего часть территории Челябинской, Свердловской и Курганской областей, проживало 272 тыс. человек. Выброс состоял большей частью из относительно короткоживущих радионуклидов, вклад долгоживущих радионукдидов (90Sr) не превышал 6 %. При этом поверхностная активность на зараженной местности в отдельных местах на внутренней части следа достигала 4000 Ки/км2 (при норме 1 Ки/км2). 10 тыс. человек, проживающих на территории внутренней части следа, были эвакуированы, коллективная доза эвакуированных составила 1,3⋅103 чел-Зв (при средней эффективной дозе 0,6 Зв). Суммарная коллективная доза населения в результате аварии составила около 3⋅103 чел-Зв. Авария на Три Майл Айленде с потерей теплоносителя произошла 28 марта 1979 г. на АЭС «Три Майл Айленд» (США), имела отголосок во всём мире, вызвала крупномасштабную аналитическую работу, интенсивный международный обмен информацией и в целом привела к всестороннему пересмотру подхода к безопасности АЭС. Станция состоит из двух энергоблоков по 905 МВт с реакторами, охлаждаемыми водой под давлением (PWR). Второй блок, на котором произошла авария, был введен в промышленную эксплуатацию 30 декабря 1978 г. АЭС находится на острове, расположенном на реке Саскуэханна, в 16 км от города Гаррисберга с населением 90 тыс. человек, являющегося столицей штата Пенсильвания. В радиусе 25 км от АЭС проживало 500 тыс. человек. 142

Неисправности во втором контуре привели к остановке питательных насосов и прекращению подачи воды в оба парогенератора. В результате ошибок в действиях персонала и отказов в работе контрольно-измерительных приборов были остановлены оба циркуляционных насоса первого контура, произошло вскипание воды при её контакте с топливом. Под влиянием тепловыделения в активной зоне и прекращения подпитки уровень воды в корпусе реактора постепенно снижался, что привело к оголению активной зоны. В результате подъёма температуры на оболочках твэлов выше 1300 °C началась химическая реакция циркония с водяным паром с выделением водорода и его воспламенением. Произошло оплавление и разрушение значительной части активной зоны (45 % топлива вместе с материалами оболочек твэлов и внутрикорпусными конструкциями). Первый контур реактора подвергся сильному радиоактивному загрязнению. Аварийный атмосферный выброс был оценен в 3 МКи (1⋅105 ТБк) ИРГ и 20 Ки (0,7 ТБк) йода 131I. Следует заметить, что предусмотренных мер по обеспечению безопасности (стальной корпус реактора и бетонный контайнмент) оказалось достаточно, чтобы предотвратить опасную для населения утечку радиоактивности. Воздействие внешнего облучения облака выброса было кратковременным, а для предотвращения внутреннего облучения населения была предпринята эвакуация из пострадавшего района детей и беременных женщин и введены ограничения на использование сельскохозяйственных продуктов. В результате индивидуальная эффективная доза за границами объекта не превысила 1 мЗв, а коллективная доза оценивается лишь в 33 чел-Зв. Авария на Чернобыльской АЭС – «реактивностная» авария с разрушением активной зоны на четвёртом блоке (СССР) – произошла 26 апреля 1986 г. В 1 ч 23 мин произошел взрыв реактора, разрушивший сам реактор и здание четвёртого блока. Это была самая тяжёлая авария, которая когда-либо случалась на реакторной установке, эксплуатируемой в мирных целях. ЧАЭС расположена вблизи северной границы Украины, на расстоянии около 100 км к северу от Киева, в 3 км от сравнительно крупного города Припять (49 тыс. чел.), в котором жили сотрудники станции со своими семьями. Всего в 30-километровой зоне вокруг АЭС проживало около 130 тыс. чел. Четвёртый блок являлся 143

одним из 14 эксплуатируемых блоков с реакторами РБМК-1000 с графитовым замедлителем мощностью 1000 МВт, охлаждение которого осуществляется легкой кипящей водой. Четвёртый блок ЧАЭС был введен в эксплуатацию в декабре 1983 г. Перед остановкой на плановый ремонт 25 апреля 1986 г. должен был быть проведён специальный эксперимент по испытанию работы одного из турбогенераторов. Проверялась возможность подачи электропитания на систему аварийного расхолаживания реактора от работающего на выбеге турбогенератора во время потери внешнего электроснабжения энергоблока. Такие эксперименты уже проводились, но каждый раз сталкивались с трудностями по электротехнической части. Эксперимент должен был проводиться на мощности около 700 МВт (тепл.). 25 апреля приступили к снижению мощности, и к часу дня реактор вышел на половинную мощность 500 МВт (эл.), то есть 1600 МВт (тепл.), и один из турбогенераторов был отключен. В этот момент диспетчер энергосистемы потребовал от персонала станции, чтобы они остановили снижение мощности и продолжали снабжать электросеть на половинной мощности. Кроме того без каких-либо понятных оснований была отключена система аварийного охлаждения реактора. В таком режиме реактор, в нарушение регламента испытаний, проработал в течение 9 ч; за это время отравление активной зоны ксеноном возросло до своего максимального значения, а в целях компенсации этого эффекта из активной зоны постепенно извлекались регулирующие стержни. Около одиннадцати часов вечера снижение мощности было продолжено, но операция прошла неудачно. Мощность резко упала до 30 МВт (тепл.). Пришлось извлечь еще большее количество регулирующих стержней, чтобы хоть сколь-нибудь повысить мощность, которую 26 апреля около часа утра удалось стабилизировать на уровне 200 МВт (тепл.). Поскольку мощность не достигла плановой для испытаний, из активной зоны продолжали извлекать регулирующие стержни. Число эффективных стержней уже составляло менее 30, однако никто не придал значение этому обстоятельству, и было решено проводить запланированный эксперимент по установленной программе. Согласно этой программе были включены ещё два циркуляционных насоса, и расход в активной зоне превысил все допустимые 144

пределы. Поскольку мощность была далека от значения, при котором должен был проводиться эксперимент, давление пара и уровень воды в барабанах-сепараторах в нормальных пределах удерживать было трудно. Тогда, в нарушение регламента, операторы заблокировали систему аварийной защиты. В 1 ч 22 мин, из-за большого количества накопившегося ксенона, в активной зоне оставалось 6–8 регулирующих стержней, тогда как немедленная и обязательная остановка реактора требовалась уже при наличии 15 стержней. В результате многочисленных нарушений регламента эксплуатации реактора в 1 ч 23 мин произошел мгновенный разнос мощности реактора (за 4 с мощность возросла в 100 раз). Всплеск мощности вызвал сильное энерговыделение в топливных таблетках. В результате произошел тепловой взрыв. Крышка реактора (2000 т) приподнялась, разрушая технологические каналы и трубопроводы, направляющие пар в коллекторы, а также сминая регулирующие стержни. Вскоре произошел второй взрыв, возможно, вызванный вспышкой газообразного водорода, образовавшегося в результате реакции воды с цирконием оболочек твэлов и каналов и смешавшегося с воздухом после вскрытия активной зоны. Другой его причиной мог явиться эффект реактивности, связанный со всеобщим вскипанием воды в результате резкого падения давления при разрыве технологических каналов. Эти взрывы разрушили реактор и часть здания четвёртого блока. Была полностью разрушена система охлаждения и значительная часть активной зоны реактора. Установлено, что причинами аварии явились многочисленные грубые нарушения персоналом регламента эксплуатации реактора, а также конструктивные недостатки самого реактора. Атмосферный выброс возник мгновенно 26 апреля в момент вскрытия активной зоны в виде облака частиц графита, осколков топлива и твэлов, дыма, продуктов деления и продуктов активации. Вследствие очень высокой температуры первого облака, газы и аэрозоли поднялись на сравнительно большую высоту – от 1 км до 1,5 км, что несколько ограничивало их местное воздействие, но способствовало распространению радиоактивных продуктов по всей Европе. После этого высота выбросов снизилась до 200–400 м. 145

Можно выделить несколько временнÏх отрезков выброса, который длился около 20 дней. Из общего количества примерно одна треть была выброшена практически мгновенно 26 апреля в момент теплового и водородного взрывов и вскрытия активной зоны. Остальные две трети были выброшены между 27 апреля и 5 мая. Состав выбросов менялся, но во всех содержались йод, цезий, благородные газы (ИРГ). Начиная со 2 мая, активная зона, по мере её засыпки материалами с вертолётов, охлаждалась всё хуже и температура в ней повышалась, что продолжалось до 6 мая, когда удалось остановить горение графита. Выбросы тем не менее продолжались, хотя и с меньшей (примерно в 100 раз) интенсивностью. Содержание в выбросе наиболее важных дозообразующих нуклидов приведено в табл. 4.11. Таблица 4.11 Нуклидный состав выброса при аварии на ЧАЭС Нуклиды

Активность, ТБк

ИРГ (131Xe и др) 131

I

137

Cs

90

Sr

Pu

7,5⋅106

Активность, МКи 200

Доля выброса из АЗ, % 100

1,9⋅106

50

60

7,5⋅10

4

2,0

20–40

1,2⋅10

4

0,3

6

0,16

3,5

6⋅10

3

Следует отметить, что приведенные в табл. 4.11 данные носят оценочный характер и базируются, в основном, на материалах Международного Чернобыльского проекта 1991 г., в котором приведены уточненные спустя пять лет после аварии данные. По сравнению с этими данными, цифры, приведенные в докладе экспертов СССР в МАГАТЭ в 1986 г., значительно занижены. Например, выброс ИРГ в четыре раза (50 МКи), а суммарный выброс остальных нуклидов примерно в три раза (50 МКи вместо 140 МКи). Данные по выбросу стронция и плутония находятся в достаточно хорошем согласии. В результате аварии два человека погибли на месте от многочисленных травм, а 28 человек умерло в результате переоблучения за ближайшие два месяца. Кроме того, острые синдромы облучения 146

наблюдались у 237 человек, среди которых были умершие за различные сроки после аварии. Радиоактивные выпадения явились следствием выброса – обломки графита и фрагменты твэлов выпали непосредственно на промплощадку, крупные частицы (размером около 1 мм) выпали в радиусе до 100 км, а мелкие фракции были разнесены на расстояния более тысячи километров. В целом на территории СССР зоны с уровнями загрязнения свыше 40 Ки/км2 составили 3100 км2, свыше 15 Ки/км2 – 7100 км2, а свыше 1 Ки/км2 – 103000 км2 [5]. Таким образом, последствием аварии явилось сильное и долгосрочное загрязнение обширных территорий на Украине, в Белоруссии и России. Загрязнение, поддающееся измерению, было также зарегистрировано на территории многих европейских стран. Всех людей, получивших повышенные дозы радиации в связи с Чернобыльской аварией, можно разбить на следующие три группы: • ликвидаторы (персонал АЭС, пожарные, солдаты, рабочие, учёные) – около 800 тыс. чел.; • эвакуированные (население 30-километровой зоны, включая г. Припять) – около 80 тыс.чел.; • проживающие на загрязненных территориях с сильным загрязнением (более 15 Ки/км2) – около 270 тыс. чел. Коллективная доза для третьей группы составила около 104 челЗв, а суммарная коллективная доза для всех пострадавших в результате аварии – 105 чел-Зв. В результате аварии окружающая среда получила сильное радиационное воздействие. Часть флоры и фауны погибла от острого облучения. Отдельные участки сосновых лесов вокруг АЭС получили летальные дозы радиации (до 100 Гр), изменили окраску и засохли, а из сельскохозяйственного пользования надолго изъято большое количество земель. На обширных загрязненных площадях надолго останется опасной продукция лесов, в первую очередь грибы. Пока нет проблем с загрязнением питьевой воды, но существует опасность попадания радионуклидов, в первую очередь 90Sr, в грунтовые воды ниже по течению водосбора в районе аварии. Тем не менее в некоторых пресноводных водоёмах, в том числе в зарубежных странах, оказалось существенным загрязнение радиоактивным цезием рыбы и озерного ила [5]. 147

Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличаются эффективная и эквивалентная дозы излучения? 2. Как зависит от времени t активность радионуклида? 3. Какие радионуклиды являются основными загрязнителями окружающей среды на начальной стадии ЯТЦ? 4. Назовите основные принципы норм радиационной безопасности (ALARA) НРБ-99/2009. 5. Перечислите барьеры безопасности на АЭС. 6. Какие биосферные радионуклиды, образующиеся в теплоносителе АЭС, являются важными элементами с точки зрения радиоактивного загрязнения окружающей среды? 7. Назовите компоненты, из которых складывается облучение населения, проживающего в районе АЭС, за счет газообразных атмосферных выбросов. 8. Как радиоактивные отходы классифицируют по их удельной активности? 9. Обрисуйте оптимальную схему хранения и переработки высокоактивных ЖРО? 10. Назовите основные возможные виды захоронения РАО. Список литературы 1. Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 1990 г. Публикация 60, ч.1, 61 МКРЗ. М.: Энергоатомиздат, 1994. – 192 с. 2. Нормы радиационной безопасности НРБ-99. СП 2.6.1.758-99. М.: Минздрав России, 1999. – 116 с. 3. Сахаров В.К. Радиоэкология. СПб: Издательство «Лань», 2006. – 320 с. 4. Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009. СанПиН 2.6.1.2523-9. М.: Минздрав России, 2009. – 68 с. 5. Панин М.П., Скотникова О.Г. Безопасность человека и окружающей среды в ядерной энергетике. М: МИФИ, 2006. – 204 с. 6. Крышев И.И., Рязанцев Е.П. Экологическая безопасность ядерноэнергетического комплекса России. М.: ИЗДАТ, 2000. – 384 с.

148

Глава 5. ЭКОЛОГИЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ 5.1. Гидроэнергия и гидроэлектростанции 5.1.1. Гидроэлектростанции на реках

Человечество более 14 веков назад освоило преобразование потенциальной энергии воды в механическую энергию вращения водяного колеса, которое системой приводов заставляло работать мельницы, воздуходувки в кузницах и т.п. Одно из первых упоминаний в России о водяных мельницах на реках Яузе и Ходынке приводится в завещании князя Дмитрия Донского в 1389 г. Преобразование гидроэнергии на реках в электричество с помощью динамомашин на гидроэлектростанциях (ГЭС) началось в конце XIX века. Тогда же первые в мире опыты передачи электрической энергии постоянным током были проведены Ф.А. Пироцким на Волковом поле в Петербурге: мощность в 6 л.с. на расстояние 1 км. В настоящее время в мире на ГЭС вырабатывается почти 17 % электроэнергии, в России – около 15 %. Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаков. Больше всего гидроэлектроэнергии производят Соединённые Штаты, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия. Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности строительства новых ГЭС. На Северную Америку, в распоряжении которой находится всего около 13 % мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35 % полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21 % мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39 %) вносят лишь 5 и 18 % соответственно в мировую выработку гидроэлектроэнергии. Из остальных континентов – Европа (21 % ресурсов) дает 31 % выработки, а Южная Америка вместе с Австралией, располагая примерно 15 % ресурсов, – только 11 % производимой в мире гидроэлектроэнергии. Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электрическую энергию хорошо известны. Основными сооружениями гидроэлектростанции являются: плотина, 149

создающая водохранилище и необходимый перепад уровней воды (напор); здание ГЭС, в котором размещено электрическое и механическое оборудование. Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины – нижним. Вода под действием силы тяжести движется по водоводам плотины из верхнего бьефа в нижний, вращая рабочее колесо турбины (рис. 5.1). Турбина вращает вал, к которому присоединён ротор генератора, вращающийся в магнитном поле статора. Турбина и генератор вместе образуют гидроагрегат. Таким образом, на ГЭС происходит преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую. Затем механическая (вращательная) энергия ротора превращается в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет 85–90 %. Найдём зависимость мощности ГЭС от расхода воды через плотину, G кг/с, и от напора Н, равного разности уровней воды до и после плотины. Максимальная величина потенциальной энергии некоторой массы воды Δm (перед плотиной) относительно нижнего уровня воды (после плотины) составляет ΔE = Δm · g · H. При постоянной скорости течения воды с расходом G за время Δt через плотину протечёт масса воды Δm = G5 · Δt, потенциальная энергия которой составит ΔE = G · g · H · Δt. С учётом КПД ГЭС η = 0,85–0,90 мощность ГЭС будет равна W = ηΔE Δt = ηG ⋅ g ⋅ H . (5.1) Самая крупная в мире ГЭС – Санься («Три ущелья») находится в Китае на реке Янцзы (плотина имеет длину 2309 и высоту 185 м). Её 26 гидроагрегатов развивают мощность 18,2 ГВт, а после ввода в строй всех 32 блоков – 22,4 ГВт. Вторая по величине – Итайпу, построенная в 1991 г. на границе Бразилии и Парагвая, на реке Парана. Её 18 гидроагрегатов развивают мощность 14 ГВт. Третьей по вырабатываемой мощности (10,3 ГВт) является Венесуэльская станция Гури, построенная на реке Карони в 1986 г. Четвёртая в мире ГЭС – Тукуруйская – построена на р. Токантинс в Бразилии и имеет мощность 8,4 ГВт (обеспечивает работой 24 генератора). Водосброс плотины является самым мощным в мире – около 120 тыс. м3 воды в секунду. Замыкает пятёрку крупнейших ГЭС американская Гранд-Кули, 33 турбины которой дают мощность 6,8 ГВт. Впечатляют даты запус150

ка ГЭС: проектная мощность достигнута в 1953 г., при этом первый генератор начал работу ещё в 1941 г. Мощность крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС в верховьях Енисея с высотой плотины 250 м и 10 гидроагрегатами составляет более 6 ГВт, среднегодовая выработка электроэнергии – 23 млрд кВт · ч, а водосброс плотины – 14 тыс. м3/с. Выработка электроэнергии на ГЭС за год определяется накопленным запасом и напором воды и характеризуется значительной сезонной неравномерностью. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая. Чтобы избавиться от этой неравномерности поверхностного стока воды сооружают огромные водохранилища на реках выше ГЭС (табл. 5.1, рис. 5.2). Для их создания порой требуется затопить огромные территории, занятые сельхозугодиями, лесными массивами, населёнными пунктами, промышленными предприятиями. Водохранилища, образованные плотинами ГЭС, могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду: уничтожать уникальную флору и фауну, сокращать сток рек и сезонные паводки, наносить ущерб ландшафту, вызывать климатические изменения, увеличивать давление на земную кору и тем самым создавать напряжения в породе, что может вызвать землетрясения. Таблица 5.1 Объём и площадь водохранилищ некоторых крупных ГЭС Водохранилище Братское на Ангаре Красноярское на Енисее Куйбышевское на Волге Рыбинское на Волге Лейк-Мид (ГЭС Боулдер, США) «Три ущелья» (Санься, Китай)

Объём водохранилища, км3 169 73 58 25 44 39

Площадь водохранилища, км2 5400 2000 6500 4600 5000 330

Благодаря высокой автоматизации и низким эксплуатационным расходам себестоимость электроэнергии на ГЭС, как правило, в 6–8 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС. При этом численность экс151

плуатационного персонала ГЭС примерно в 20 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС. При оценке энергетических ресурсов условно принимают, что каждый выработанный на ГЭС 1 кВт · ч электроэнергии эквивалентен с учётом КПД 0,32 кг у.т., что примерно равно удельному расходу топлива лучшими ТЭС. В то же время к серьёзным недостаткам ГЭС относятся высокие капитальные затраты на строительство, отчуждение под водохранилища больших земельных площадей, переселение людей и зависимость от погодных условий. В своё время в Советском Союзе широкое распространение получили малые ГЭС (МГЭС), которые затем были законсервированы или списаны. В прошлом их было построено более 7000 общей мощностью 1,5 млн кВт, в конце ХХ в. их число резко снизилось, что связано в том числе и с развитием крупных ГЭС. Сейчас есть предпосылки возврата к МГЭС на новой основе, за счёт производства современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 6000 кВт. Потенциал МГЭС в России оценивается в 360 млрд кВт · ч в год, который в настоящее время употребляется всего на 1 %. Вначале работа малых ГЭС отличалась неэффективным использованием стока рек, остановкой в период паводков и неустойчивым режимом. Со временем были повышены надёжность и экономичность их работы. По сравнению с крупными ГЭС они имеют важные преимущества, связанные с относительно небольшими единовременными затратами, а их строительство вполне оправдано в районах, удалённых от основных источников энергии. Существуют две основные схемы концентрации напора гидротехническими сооружениями – плотинная, уже рассмотренная ранее, и деривационная (от англ. derivation – отведение, ответвление). Разновидность деривационной схемы – гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), основанные на использовании двух бассейнов, расположенных на разной высоте. Вода сливается из верхнего бассейна для вращения турбин и получения электроэнергии в дневное время и перекачивается в верхний бассейн в ночное время при спаде расхода электроэнергии. В мире построены и действуют более 300 ГАЭС общей мощностью порядка 100 ГВт, охватывающих диапазон напоров от нескольких метров до 2000 м, используемые в качестве маневренных 152

источников выравнивания нагрузки энергосетей. Зарубежный опыт работы энергосистем с преобладанием ТЭС и АЭС показывает, что для их оптимальной работы необходимо иметь ГАЭС с суммарной мощностью 10–12 % от мощности всех электростанций, входящих в состав энергосистемы. В России с 1987 г. работает Загорская ГАЭС в Подмосковье имеющая мощность шести блоков 1200 МВт и среднегодовую выработка электроэнергии 1900 млн кВт · ч. Станция обеспечивает более надёжное энергоснабжение Москвы и Московской области, а по результатам экспертизы Загорская ГАЭС признана предприятием, оказывающим минимальное воздействие на природный комплекс Сергиево-Посадского района. 5.1.2. Ресурсы тепловой энергии океана

Растущие цены на органическое топливо, трудности, связанные с его получением, и истощение топливных ресурсов вызвали во многих странах всё больший интерес к утилизации энергии Мирового океана, доступная часть которой во много раз превышает уровень современного потребления энергии в мире. В разных видах Мировой океан аккумулирует энергию, поэтому главный вопрос: как найти оптимальные способы её использования? Нетрадиционные источники гидравлической энергии можно разделить на следующие виды: • приливные ГЭС (ПГЭС); • свободнопоточные (океанические непериодические течения, речные течения, течения в искусственных безнапорных водоводах) ГЭС; • волновые ГЭС (на берегу, в акватории в зоне свободных волн). Для получения электроэнергии запасы энергии океана используются в различных технологических схемах. Например, морская волна высотой 3 м несёт около 90 кВт мощности на каждый метр побережья. В табл. 5.2 приведены некоторые свойства океанских ресурсов энергии, важных при определении размеров будущих преобразователей, необходимой мощности и режимов использова-ния энергии. 153

В данной таблице показана величина средней плотности энергии. Она измеряется высотой эквивалентного столба морской воды, обладающей потенциальной энергией, которую может создать 1 кг той же воды (или воздуха для океанских ветростанций), использованной в качестве рабочего тела в преобразователе соответствующего вида ресурса (тепло, солёность, уровень, скоростной напор). За стабильность источника энергии принята доля времени (%), в течение которого мощность источника остаётся постоянной. Например, сравнивая океанские преобразователи энергии с традиционными, отметим, что для ГЭС характерна величина порядка 50–100 м водн. ст. Таблица 5.2 Сравнительные характеристики океанских источников энергии [3] Вид источника Течения Волны Приливы Перепады температуры Перепады солёности Водоросли Ветер

Средняя Среднегодовая КПД энергия, преобра- плотность зования, энергии, кВт · ч/год, ×1012 м % всего доступная 40–70 0,4 75 0,01–0,05 600 25 90 1,5–5,0 25 0,25 35 6–14 250 000 400 6 200–300

Стабильность источника, % 75 35 100 75

250

20

25

240

100

125 20 000

1,25 13

35 60

3000 5–90

50 30

Преобразование тепловой энергии, запасённой океаном, в механическую и далее в электрическую происходит согласно циклу Карно тепловой машины. Доля преобразованной энергии может быть оценена через КПД термодинамического цикла: КПД = Δ T T , (5.2) где ΔT – разница значений температуры поверхностного (тёплого) и глубинного (холодного) слоёв воды, T – абсолютная температура поверхностного слоя океана. Приближённая оценка показывает, что в среднем перепад температуры между поверхностью и глубиной порядка 400 м Мирового океана составляет 12 °С и только в некоторых районах вблизи 154

экватора достигает 20 °С. Считая, что свободная ото льда площадь океана равна 3·1014 м2, в слое толщиной 100 м величина запасённой в воде тепловой энергии W = ρ ⋅ V ⋅ c ⋅ ΔT , (5.3) где ρ – плотность воды, кг/м3; V – объём нагретой воды, м3; c = 4,19 · 103 Дж/(кг · К) – теплоёмкость воды. Таким образом, тепловая энергия W = 15 · 1023 Дж или W = 1582,5 Q. Воды океана находятся в постоянном движении, хотя средние скорости этого движения малы и измеряются несколькими сантиметрами в секунду, так что круговорот вод происходит в океане за период T = 1000 лет [3]. Поэтому возобновляемая мощность, которая непрерывно должна поступать в океан для сохранения естественного перепада температур, будет равна P = W/T = 50 ТВт, а с учётом КПД = 4 % при перепаде температур 12 °С примерно 2 ТВт. Более точные оценки [4] должны учитывать распределение температуры, реализацию возможности теплового источника, перемещение водных масс и поглощение солнечного излучения. Мощность преобразователя тепловой энергии (c линейным размером вдоль течения L), забирающего воду с площади S при скорости течения v на глубине забора холодной воды H, определяется следующей формулой: W =ρ ⋅ c ⋅ ΔT ⋅ S × H ⋅ v ⋅ ηM ⋅ ηK /L, (5.4) где ηK – КПД идеальной тепловой машины; ηM = 0,1− 0,5 – КПД всех технических систем преобразования энергии. Значение электрической мощности, вычисленное по формуле (5.4), равно примерно 1 ГВт для минимального ηM и перепада температур ΔT = 10 К между поверхностным слоем и слоем на глубине 1000 м при скорости течения v = 0,1 м/с на площади S = 1 км2. Идея использования разницы температур (температурных градиентов) морей у поверхности моря (например, более 35 °С в Красном море) и на больших глубинах (8 °С) давно и хорошо известна как способ получения энергии. Тёплая вода омывает теплообменник с фреоном с температурой кипения 27 °С, который, испаряясь, вращает турбину, вырабатывающую электроэнергию. В другом теплообменнике с температурой 8 °С фреон сжижается и снова включается в оборот. 155

Данный способ преобразования энергии океанских градиентов был впервые опубликован ещё в 1891 г. французским физиком д’Арсонвалем. Его ученик Жорж Клод начал экспериментальные работы по использованию тепла океана для получения электрической энергии в 20-е годы прошлого века. Для получения холодной воды он в своей энергетической установке смонтировал на судне почти полукилометровую трубу (рис. 5.3), которая отломилась во время первого же шторма. Однако две недели установка вырабатывала мощность 22 кВт за счёт тепла океана, хотя на собственные нужды она потребила значительно больше. Тем не менее правильность принципа была доказана. Французский учёный сделал ещё несколько попыток по созданию подобных установок, но ни разу ему не удалось получить из океана больше энергии, чем необходимо на собственные нужды. Эта особенность была связана с малой мощностью установки, что приводило к большим потерям в общем балансе. В дальнейшем такие установки получили название ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion). В качестве рабочего тела для тепловой машины должна быть выбрана рабочая жидкость, закипающая при температуре нагревателя, а пары её после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника. Нагревателем служит тёплая вода верхних слоёв океана, при которой кипят многие жидкости, например аммиак. Благодаря уникальным термодинамическим свойствам аммиак стал широко применяться в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океанических вод. При этом установка представляет собой замкнутый цикл: после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка Если в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду, то для её закипания при температуре поверхностных вод в тропиках требуется понизить атмосферное давление в 15 раз. Образовавшийся пар пойдёт в турбину, заставляя её вращаться и вращать электрогенератор. Затем пар поступает в холодильник, превращаясь с помощью холодной глубинной воды в пресную воду, которая 156

выбрасывается в море. Такой цикл называется открытым, или незамкнутым. В последнее время внимание снова привлечено к открытому циклу, который не только устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, но и возможностью получения пресной воды, недостаток которой особенно ощущается в жарких странах. Другим ресурсом тепловой энергии океана является возможность использования перепада температур между холодным воздухом и незамерзающей тёплой водой подо льдами Арктики, где в течение большей части года эта величина может достигать ΔT = 30°. Расчёты показывают, что полярная ТЭС при мощности в 1 МВт будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м2. Однако особенностью такой станции является сезонный характер её работы. Например, для нашего сектора Арктики устойчивая разность температуры ΔT = 10 °С наблюдается только в течение примерно полугода, а в другое время требуется переход на другой вид источника. 5.1.3. Ресурсы океанических течений

Около 0,02 % солнечной энергии, поступающей в Мировой океан, преобразуется в кинетическую энергию: это 5–7 ТВт, что равняется современному потреблению энергии всего человечества. Пятая часть этой энергии идёт на преодоление сил трения, остальная – расходуется на перенос водных масс. Этот перенос проходит по горизонтали и вертикали с разными скоростями: от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду. В результате взаимодействия образующихся потоков с дном и берегами, вращения Земли и влияния ветров над океанской поверхностью возникают течения с заметной концентрацией энергии, которую можно использовать для нужд энергетики. Для течений со средними скоростями 1 м/с имеется достаточно мест для размещения океанских ГЭС в открытом океане и вблизи берега, а в проливах и между островами можно использовать не только поверхностные, но и глубинные потоки, обладающие подходящими скоростями. Например, из Великих океанических течений Гольфстрим в Атлантическом и Куросио в Тихом океанах с суммарной мощностью в 15 и 50 ГВт соответственно. 157

С практической точки зрения течения должны обладать устойчивыми потоками, определяющими стабильность работы гидростанций. Так, средние сезонные колебания расхода воды в Гольфстриме составляет 15–20 % максимального значения, а для более стабильного – Куросио не выше 10–15 %. Однако энергия океанских течений характеризуется низкой плотностью, а использование этого источника влечёт создание и обслуживание объёмных сооружений для утилизации их кинетической энергии в толще океана. Расчёты показывают, что с площади 1 м2 в поперечном сечении океанских течений при скорости 1 м/с можно получить не более 600 Вт электрической мощности. Механическая мощность P, извлекаемая из океанского течения, определяется (аналогично, как и для воздушного потока): ρ ⋅ v3 (5.5) P = η⋅ S ⋅ , 2 где v – скорость течения воды с плотностью ρ, протекающей через площадь сечения S; η = 0,5–0,75 – коэффициент преобразования энергии. Например, для мощности 40 МВт получаем согласно (5.5) диаметр рабочего колеса равный 200 м, если средняя скорость течения равна 1,5 м/с. Океанские течения могут рассматриваться как источник возобновляемой энергии, по крайней мере для региональной энергетики. В последнее время начаты работы по использованию энергии Гольфстрима и предполагается освоить 1 % его энергии, что не должно отразиться на общем балансе энергии течения. 5.1.4. Гидроэнергетические узлы в проливах

Данное направление в гидротехническом строительстве предполагает вторжение в естественную динамику океанских вод, влекущее изменения в природную среду отдельных регионов и планеты в целом. Одним из множества таких проектов является создание тёплого течения в Арктике, так называемый полярный Гольфстрим. Результатом такого проекта станет таяние арктических льдов, повышение средней температуры воздуха, что существенно улучшит климатические условия в северных районах нашей страны, а также США и Канады. 158

Создание тёплого течения может произойти за счёт перекачки поверхностных вод из Чукотского в Берингово море. Для этого необходимо перегородить плотиной Берингов пролив и установить в ней насосы мощностью 20 ГВт, ежегодно перекачивающие до 140 000 км3 воды. Мощность насосов и объём перекачиваемой воды определены из условия получения устойчивого изменения климата за три года после пуска этого сооружения. Протяжённость плотины составит около 80 км с высотой 50 м. По оценкам авторов проекта, нежелательные последствия для климата в бассейнах Охотского и Японского морей из-за поступления холодных вод и льда в Берингово море не выйдут за пределы встречающихся в природе похолоданий. Однако этот проект может привести к серьёзным экологическим последствиям для животного мира Арктики, не говоря уже о гигантских энергетических затратах. Был предложен подобный проект по использованию течения в Гибралтарском проливе с расходом воды порядка 30–40 тыс. м3/с и получением ежегодно до 150 млрд кВт · ч электроэнергии. Проект предусматривает строительство в проливе плотины с агрегатами, а напор воды должен обеспечиваться понижением уровня Средиземного моря за счёт уменьшения поступления морской воды из Атлантического океана. Однако при осуществлении и этого проекта велика вероятность появления значительных проблем в экологии Средиземного моря. Кроме того, очень большие затраты препятствуют быстрому принятию этого проекта. Рассматривается и более реальный проект строительства электростанции в искусственном проливе, который может быть проложен из Средиземного моря во впадину Каттара (в Ливийской пустыне), дно которой лежит на 135 м ниже уровня моря. Этот перепад может обеспечить электроэнергией в ныне пустынных землях и значительно увлажнить климат. Конечно, и этот проект может привести к серьёзным последствиям для природы северо-запада Африки. 5.1.5. Использование энергии волн

Появление волн на океане происходит благодаря рассеиванию части энергии ветров при взаимодействии с океанской поверхно159

стью. В океане много видов волн, но с точки зрения выработки электроэнергии заслуживают внимания лишь три типа: приливные волны, ветровые волны и зыбь. Если полная кинетическая энергия атмосферы оценивается на два порядка выше кинетической энергии Мирового океана, то суммарная энергия волн составляет лишь доли процента от энергии ветров (мощность приблизительно равна 3 ТВт). В Мировом океане имеется небольшое число акваторий со стабильным по мощности волнением. Например, в Северном море обычная волна обладает мощностью около 40 кВт на метр гребня только в течение 30 % времени существования и 10 кВт/м в остальное. Для оценки энергетической возможности волн воспользуемся следующим соотношением: W = 0, 25 ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H 2 ⋅ v ⋅ L, (5.6) где ρ – плотность морской воды в волне высотой H; v – скорость распространения волны; L – характерный горизонтальный размер преобразователя. Среднегодовой энергетический потенциал волн Северного моря у Западного побережья Великобритании оценивается в 30– 40 кВт/м. Для морей, омывающих берега нашей страны, рассчитаны осреднённые удельные мощности: от 6–8 кВт/м (Чёрное море), 20–30 (Японское) до 15–45 (Берингово). В своей ставшей уже классической работе [6] академик В.В. Шулейкин отметил три направления использования энергии поверхностных вод. Во-первых, это энергия качки (движение поплавка передаётся поршню насоса); во-вторых, ударное давление, когда кинетическая энергия волны передаётся подвижной детали; и, наконец, в-третьих, использование гидравлического тарана, при котором часть кинетической энергии большой массы воды передаётся малой массе, за счёт чего вода приобретает бóльшую скорость и способна подняться на значительную высоту. Гидравлический таран – изобретение французского физика Жозефа Мишеля Монгольфье (одного из двух братьев, создавших в 1783 г. воздушный шар), позволяющее решать ряд важных экологических задач. Например, создавать искусственный апвеллинг – подъём глубинной массы воды на поверхность без затраты какойлибо энергии, кроме энергии волн, обеспечивая интенсивный рост фитопланктона. Весьма перспективно применение гидравлических преобразователей для аэрации воды в застойных водоёмах. 160

Важное преимущество ветровых волн и зыби – возможность использовать их энергию в акваториях с любыми географическими условиями без строительства больших и дорогих плотин. В целом серьёзным препятствием развития энергетики на ресурсе морских волн является их изменчивый сезонный и суточный характер. Тем не менее в настоящее время в мире эксплуатируются около 1000 автономных навигационных буев, использующих энергию воды, и прогнозируется получение от океанских волн мощности не менее 10 ГВт. 5.2. Приливные электростанции

Приливы и отливы, ежедневно возникающие на побережьях океанов, вызваны воздействием Луны. Из-за её притяжения подвижная водная поверхность вытягивается, образуя два «горба»: один со стороны Луны, другой – с противоположной. Они перемещаются благодаря вращению Земли, а на побережьях наблюдаются два прилива и два отлива в сутки (рис. 5.4). Солнце своим притяжением тоже вызывает приливы, но из-за удалённости его от нашей планеты солнечные приливы слабее лунных. В открытом океане приливы практически не ощущаются, а проявляются лишь у побережья, где приливная волна выходит на мелководье. Например, для Атлантического побережья подъём уровня воды составляет 1–3 м. В узких местах морей, в пределах вытянутых эстуариев рек и широких отмелей высота подъёма воды может достигать 18 м (берега Канады). В проектах приливных электростанций (ПЭС) обычно предусматривается создание двух бассейнов – верхового и низового – с водопропускными отверстиями и затворами. Верховой бассейн наполняется во время прилива, а затем опорожняется в низовой, опорожнившийся при отливе. Приливно-отливная вода, движущаяся в обоих направлениях, используется для вращения турбин (рис. 5.5). Высота приливной волны H увеличивается как H ∼ 4 d ⋅ L,

(5.7)

где d – глубина и L – ширина бассейна. Величину прилива можно оценить по формуле [5] для приливного потенциала W, кВт · ч: 161

2 ⋅ S, W = 1,97 ⋅ 106 ⋅ H ср

(5.8)

где H ср – средняя величина прилива, м; S – площадь бассейна, м2. Однако для практических оценок величину технического потенциала (ПЭС) двухстороннего действия при условии работы с максимальной выработкой энергии при реальном значении КПД турбин следует заменить числовой коэффициент в формуле (5.8) на значение 0,64 · 106. Получаемая энергия может использоваться там, где есть значительные области с приливно-отливными потоками и большими (6 м и более) перепадами уровней при отливе и приливе. На Земле не так много мест, где выполняются эти условия: побережья штата Мэн (США) и провинции Нью-Брансуик (Канада), некоторые заливы Желтого моря, Персидский залив, Аляска, некоторые побережья Аргентины, юг Англии, север Франции, север европейской России и ряд заливов Австралии. Но и в таких подходящих местах в настоящее время вряд ли могли бы по стоимости вырабатываемой электроэнергии ПЭС конкурировать с современными ТЭС. На рис. 5.6 показана схема распространения волны и наполнения водоёма, отделённого от океана плотиной с дополнительной подкачкой воды в момент высокой волны. Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях рек было осуществлено во Франции и в России. В 1967 г. во Франции в устье р. Ла-Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м, была введена в эксплуатацию первая промышленная приливная электростанция мощностью 240 МВт, состоящая из 24 агрегатов (рис. 5.7). В России c 1968 г. на побережье Баренцева моря действует Кислогубская ПЭС мощностью 1,7 МВт. В России апробирован наплавной способ строительства: на Белом море работает Кольская ПЭС. Она представляет собой бетонный плавучий блок, который поднимаясь во время прилива и опускаясь при отливе, накапливает водную энергию, направляет её в гидравлические турбины, вращающие генераторы, которые вырабатывают электроэнергию. Имеются дальнейшие перспективы реализации энергии морских приливов. Опыт эксплуатации показал, что ПЭС устойчиво работают в энергосистемах в пике нагрузок при гарантированной по162

стоянной месячной выработке электроэнергии. Они не загрязняют атмосферу вредными выбросами, не затапливают земель и не представляют потенциальной опасности. Капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС, и стоимость электроэнергии самая дешёвая в энергосистеме. Несмотря на ряд преимуществ, строительство таких станций ограничено малым числом мест, где оно экономически выгодно. Кроме того, импульсивный характер работы ПЭС нуждается в создании накопителей энергии большой ёмкости и мощности. Распространению приливных электростанций препятствуют, по крайне мере, два момента: суточная и месячная неравномерность, связанная с вращением Земли и вращением Луны вокруг Земли. Эта неравномерность ведёт к переменной мощности приливных станций. ПЭС имеют сравнительно небольшой технический потенциал (≈ 0,014 Q/год), поэтому они могут представлять лишь региональный интерес. Что касается перспектив приливной энергетики в России, то следует отметить: в силу природных условий проектируемые ПЭС должны обладать весьма большой мощностью в несколько тысяч МВт с большим числом (по нескольку сотен) гидроагрегатов на каждой станции. Это влечёт за собой весьма длительные сроки строительства, огромные капиталовложения и делает создание этих ПЭС предметом отдалённого будущего. Сейчас подготовлены проекты Мезенской станции на Белом море мощностью 11 ГВт и Тугурской ПЭС в Охотском море (8 ГВт). В настоящее время в мире работают 10 приливных станций. По оценкам специалистов, использование приливных станций может покрыть 15–20 % потребностей в электроэнергии. 5.3. Использование геотермального тепла

Рассмотрим другой прибыльный быстро развивающийся альтернативный источник: геотермальную энергию. В среднем из недр Земли к поверхности поступает тепло мощностью 32 млрд кВт, но эта энергия сильно рассеяна. В настоящее время в сравнении с инсталлированной мощностью около 10,5 ГВт геотермальная энергия не достигла масштаба использования ветровой (~142 ГВт) и солнечной (более 18 ГВт) энер163

гии. Однако необычайно эффективная геотермальная энергия широко распространяется, и, по оценкам специалистов, в следующие пять лет её мощность удвоится. В отличие от ветра и солнца, геотермальное тепло имеет высокую способность обеспечивать постоянной энергией независимо от климатических условий. Главные достоинства геотермальной энергии – её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Геотермальная энергия представляет собой естественное тепло земного ядра, которое имеет температуру даже выше, чем солнечная поверхность. Только в верхнем трёхкилометровом слое Земли запасено тепловой энергии, эквивалентной энергии примерно 300 млрд т угля. Чистый, возобновляемый источник национальной энергии, которая не может никогда быть переправлена за границу страны. Температура геотермальных вод изменяется от 30 до 300 °С, от слаботермальных до перегретых, а по степени минерализации – от пресных до крепких рассолов (более 100 г/л). Скорость водоотдачи изменяется в пределах 0,005–0,02 м3/с. По газовому составу воды делятся на агрессивные (углекислые и сероводородные) и нейтральные (азотные и метановые). Фактически первое индустриальное применение сухого пара геотермального тепла произошло в Италии (месторождение Лардерелло) в 1904 г., и с тех пор предприятие безупречно даёт энергию 1 млн жителей (рис. 5.8). Старейшие и наиболее эффективные по применению геотермальной энергии – промышленные системы, использующие сухой геотермальный пар, поднимающийся прямо из скважины подземного резервуара на турбины генератора, вырабатывающего электричество. Другая область использования геотермальной энергии – извлечение горячей воды под давлением из подземных резервуаров и перекачивание её в ёмкости для снижения давления, вызывающее образование пара, вращающего турбины. Затем охлаждённый пар конденсируется в воду, которая возвращается в подземные резервуары для повторного использования. В настоящее время большинство предприятий применяют именно такую технологию. Геотермальное тепло можно использовать не только для работы турбин, но и теплоснабжения зданий, бассейнов, таяния снега и 164

льда на улицах городов, как, например, это происходит в Исландии, где 57 % электричества и 87 % тепла дают геотермальные источники. Бинарный геотермальный цикл предлагает развивать энергетическую мощность для тех мест, где нет достаточного тепла для получения пара. В этом случае умеренно горячую воду пропускают через вспомогательный газ, который превращает её в пар при более низкой температуре, чем вода. Потом этот вторичный раствор превращается в пар, использующийся для работы турбины. Запасы геотермальных вод и пароводяных смесей в некоторых районах стран СНГ оцениваются в 25 млн м3/сут (воды) и 500 тыс. т/сут (пара) в том числе: Западная Сибирь 54 %, Кавказ 10 % Восточная Сибирь и Дальний Восток 17 %. В России, на Камчатке, с 1960 г. действует Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт. На Камчатке сегодня есть 73-мегаваттные генерирующие мощности, работающие на геотермальной энергии. Эти мощности производят четверть региональной электроэнергии и значительно уменьшают зависимость региона от дорогого привозного топлива. Проектируются станции на Камчатке, в Ставропольском крае и Дагестане. Общие тепловые ресурсы термальных вод в России оценивают в 500 МВт. В Калифорнии, на месторождении Большие Гейзеры, построены самые крупные в мире ГеоТЭС общей мощностью 900 МВт, где параллельно из термальной воды извлекаются полезные ископаемые. В Германии, вблизи Мюнхена, намечено построить геотермальную установку мощностью 25 МВт для снабжения теплом здания, для чего будет пробурена скважина глубиной 1700 м, откуда будет поступать вода с температурой до 90 °С. В Новой Зеландии земная кора в ряде месторождений прогрета до самой поверхности, и пар появляется уже на глубине 30–60 м. Максимальная температура 263 °С получена на глубинах до 600 м, скважины дают около 25 т высококачественного пара в час и более 150 т перегретой воды. Пар содержит мало коррозирующих примесей.

165

5.4. Энергия растворения пресных вод в океане

Этот вид возобновляемых энергетических ресурсов основан на преобразовании части тепловой энергии океана при испарении воды с его поверхности. Известно, что на процессы испарения затрачивается более 50 % солнечной энергии. При поступлении пресной воды в виде осадков и речного стока в океан в процессе смешивания с солёными водами выделяется энергия, пропорциональная величине изменения энтропии системы «пресная вода – океанская вода». В случае растворения в объёме V некоторого количества вещества (массы m, молярной массы µ) равновесное значение осмотического давления P определяется так: m ⋅ R ⋅T , (5.9) P = [1 − α ⋅ (k − 1)] ⋅ μ ⋅V где α – степень диссоциации молекул растворимого вещества; k – число ионов, образующихся при диссоциации; R – универсальная газовая постоянная; T – температура. При сложном составе раствора осмотическое давление определяется как сумма парциальных, создаваемых всеми входящими растворимыми компонентами с их собственными µ, k, α. Величина равновесного осмотического давления характеризует максимальную плотность энергии, соответствующую градиенту концентрации между растворителем и раствором. Для морской воды с солёностью 35‰ осмотическое давление равно примерно 2,4·106 Па и по величине близко к средней плотности температурного градиента в океане. В свою очередь, равновесное значение полной энергии растворения, связанной с глобальным круговоротом воды, определяется величиной испаряемой массы воды (1,2 · 107 м3/с), а средняя мощность такого источника станет равной почти 30 ТВт. С учётом технического использования только части этой мощности, а также невысокого КПД преобразования солёностной энергии (от 3 до 20 %), величина мощности уменьшится до 9 ГВт. Но даже при минимальном значении КПД возможности этого источника оказываются сравнимыми с возможностями теплового градиента океанских вод при примерно равной плотности энергии. Однако техническая про166

работка последнего способа получения энергии на 10 лет опережает таковую для преобразования градиента солёности. Перспективным вариантом преобразования энергии растворения может оказаться использования запасов солей в солевых куполах (рис. 5.9), служащих сейчас естественным хранилищем нефти. Например, много таких куполов расположено в море вдоль Мексиканского залива, где ведётся интенсивная добыча нефти. Оценки показывают, что при среднем содержании соли в куполе примерно 7 млрд т и при максимальной эффективности можно получить 22 млн т у.т., в то время как запас нефти всего 14 млн т. В нашей стране значительное количество солёностной энергии выделяется в дельтах ряда рек (например, Амура), впадающих в моря, связанные с океаном. При использовании только 10 % его среднего стока (11 тыс. м3/с) и КПД = 20 % вырабатывается энергия примерно 2 ГВт. 5.5. Влияние гидроэнергетики на окружающую среду

Общее мировое производство электроэнергии в наше время достигло величины порядка 16 млн ГВт ⋅ ч в год, из них 17 % приходится на гидростанции, и, несмотря на строительство новых гидростанций, их доля в производстве энергии снижается. В перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5 % от общего производства энергии. Широкое освоение гидроэнергии подтвердило общий тезис, что ни одно энергетическое нововведение не обходилось без ущерба для среды. Более того, не удавалось даже предсказать, где будут возможные потери. Так, особенностью широкомасштабного использования океанской энергетики является появление нового типа воздействия на среду в области, формирующей и поддерживающей на границе гидро- и атмосферы климатические условия, обеспечивающие жизнь на планете. С одной стороны, энергетика на возобновляемых ресурсах океана не затрагивает запасов ископаемого топлива, не даёт увеличение в атмосфере концентрации вредных химических веществ и аэрозолей. А с другой стороны, тезис об экологической чистоте гидроэнергетических технологий со временем подвергнут сомнению. В СССР в результате реализации общегосударственной программы бурного освоения гидроэнергетических ресурсов затоплен167

ными оказались громадные территории, и общие потери земель составили около 100 000 км2. Переселение людей с обжитых плодородных территорий даже превысило эвакуацию населения из Чернобыльской зоны. Немалую роль играют перераспределение грунтовых вод, цветение воды, уничтожение нерестилищ ценных пород рыб, влияние гигантских площадей водохранилищ (в нашей стране − до 6500 км2) на изменение регионального климата. Подъем грунтовых вод, вызванный этими водохранилищами, приводит к подтапливанию, заболачиванию, засолению близлежащих территорий и, как результат, к изъятию сельскохозяйственных угодий. Дамбы для электростанций вызывают затопление прилегающих земель и нарушают свободное течение рек. После строительства на Волге каскада из восьми ГЭС места нерестилищ осетровых рыб сократились более чем в 10 раз. Имеются данные, что в результате заиления водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50–100 лет после их строительства. Например, подсчитано, что высотная Асуанская плотина, построенная на Ниле в 1960-е гг., будет наполовину заилена уже к 2025 г. Серьёзную опасность представляют высотные плотины при их случайном или преднамеренном разрушении. При строительстве станций в горах существуют проблемы, связанные с сейсмостойкостью, возможностью образования трещин в плотине и даже её разрушением. Крупнейшей аварией за всю историю ГЭС является прорыв плотины китайского водохранилища Банкяо в 1975 г. Выпадение обильных осадков переполнило водохранилище, шлюзовые затворки оказались заблокированы, началось разрушение боковых дамб и основной плотины. В результате каскадного разрушения плотин ниже по течению сразу погибло 26 тыс. человек, а после затопления утонуло ещё 145 тыс. Общее число пострадавших составило 11 млн человек. В 1979 г. в Индии из-за перелива и последующего разрушения плотины произошла крупнейшая катастрофа, жертвами которой стало более 2000 человек. Крупнейшая в истории катастрофа на гидроэнергетическом объекте России и одна из самых значительных в истории мировой гид168

роэнергетики – авария на Саяно-Шушенской ГЭС. Эта индустриальная техногенная катастрофа произошла в августе 2009 г. В результате аварии погибло 75 человек, разрушены девять из десяти гидроагрегатов, помещениям станции нанесён серьёзный ущерб, работа станции приостановлена. Последствия аварии сказались на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, на экономике региона. Непосредственной причиной аварии было названо усталостное разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата, что привело к её срыву и затоплению машинного зала станции. При преобразовании любых видов океанической энергии неминуемы определенные изменения естественного состояния затрагиваемых экосистем. К отрицательным последствиям гидротермальной энергетики можно отнести возможные утечки загрязняющих океан веществ, выделение CO2 из воды, появление региональных и биологических аномалий. Строительство приливных электростанций и использование волновой энергетики неблагоприятно сказываются на состоянии побережья: изменяются условия подтопления, засоления, размыва берегов, формирование пляжей и т.д. Например, промышленным стокам, загрязняющим воды Мирового океана, мешают распространяться естественные барьеры, создаваемые в океане градиентами температуры, плотности, солёности, скорости. Развитие океанской энергетики предусматривает как раз возможность воздействия на эти барьеры. Кроме того, в прибрежных районах могут возникнуть новые искусственные водоразделы, препятствующие оттоку загрязнённых вод в результате эксплуатации протяжённых сетей волновых электростанций. Работа океанских тепловых электростанций может стать источником увеличения в атмосфере концентрации углекислого газа за счёт выхода растворённого газа на поверхность из глубинных слоёв в результате нагревания и снижения давления. Особенно интенсивно этот процесс может идти в теплообменниках станций. Требует детального рассмотрения воздействие океанских станций на биопродуктивность океана: с одной стороны, подъём холодных вод богатых биогенными солями и повышение концентрации растворённого кислорода будут способствовать росту биопро169

дукции, но, с другой стороны, сброс холодных вод может привести к гибели теплолюбивых видов морских организмов. По величине рассеяния приливной энергии можно оценить общую мощность Мирового океана: половина всей энергии расходуется на трение о дно в мелководных прибрежных морях. Эта величина составляет примерно 10 000 ТВт · ч/год при мощности порядка 1 ТВт. Из-за ограниченности мест, где целесообразно строить ПЭС, общая мощность реальных станций оценивается только в 200 ГВт, что составляет по годовой выработке только несколько процентов от прогнозируемого потребления энергии. Существует мнение, что увеличение приливного трения за счёт использования энергии приливов может привести к существенному изменению скорости вращения планеты в течение достаточно короткого геологического времени. Приливное трение замедляет вращение Земли вокруг своей оси. Так, 400 млн лет тому назад скорость вращения планеты была в 1,1 раза больше, а земной год состоял из более 400 сут. Следовательно, величину преобразования приливной энергии следует значительно (до 3 раз) уменьшить. Любые варианты преобразования волновой энергии изменяют естественный волновой режим побережья, воздействуют на условия существования гидробионтов. Геотермальные воды используются двумя способами: фонтанным (теплоноситель сбрасывается в окружающую среду) и циркуляционным (теплоноситель закачивается обратно в продуктивную толщу). Первый способ дешевле, но экологически небезопасен, второй – дороже, но обеспечивает сохранность окружающей среды, поскольку в термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов и химических соединений, а также радионуклидов. Значительную нагрузку окружающая среда испытывает в период разработки месторождения, строительства паропроводов и здания геотермальной электростанции, но оно обычно ограничено районом месторождения. Например, для работы станции мощностью 1000 МВт требуется 150 скважин, которые занимают территорию более 19 км2. Геотермальные станции, имея КПД в 2−3 раза меньше, чем АЭС и ТЭС, дают в 2−3 раза больше тепловых выбросов в атмосферу и требуют в 4–5 раз больше охлаждающей воды по сравнению с ТЭС. 170

Одна из проблем геотермального теплоснабжения – отложение солей при использовании высокоминерализованных вод, что снижает эффективность процесса. Для предотвращения нежелательного отложения солей приходится применять дорогие технологии и материалы. Опасен прорыв трубопроводов, в результате которого на землю может поступить большое количество рассолов. Тем не менее за счёт использования нетрадиционных электростанций можно достичь достаточно большой экономии топлива (табл. 5.3). Таблица 5.3 Прогноз установленной мощности электростанций в России до 2015 г. Электростанции Геотермальные Малые ГЭС Солнечные Ветровые Итого

Вводимая мощность, МВт 60–165 100–250 1–10 10–100 171–525

Годовая экономия топлива, тыс. т у.т. 172–470 153–415 1–10 10–105 336–1000

Интересным результатом проекта «Lunaheat» является возможность воздействовать на климат с помощью приливной энергии [5], создавшей искусственное тёплое течение из Тихого океана через Атлантический и Ледовитый океаны снова в Тихий океан (рис. 5.10). Предполагается в районе Центральной Америки и в Беринговом проливе установить систему клапанных насосов, приводимых в действие приливной энергией. Величина потока в таком течении может оказаться в 10 раз больше, чем несёт р. Амазонка, а всего лишь 5 % тепла этого потока смогут в течение 12 лет расплавить арктические льды, что, правда, не приведёт к существенному изменению уровня Мирового океана. На расплавление льдов Гренландии понадобится ещё несколько сотен лет, и за это время удастся направить избыток воды на создание искусственного моря в центре пустыни Сахара. По оценкам, затраты одной единицы приливной энергии будет достаточно для переброски в северном направлении миллиона единиц тепловой энергии. Ожидается, что данный проект позволит огромные районы моря и суши в Арктике сделать пригодными для хозяйственной деятель171

ности, улучшить климат в Северной Европе, поможет очистить Атлантику и Средиземное море за счёт усиления циркуляции воды в Атлантическом океане. В табл. 5.4 приведена обобщённая оценка [3] воздействия на среду различных типов преобразователей океанской энергии. Результаты получены экспериментальным путём на близких по масштабу к натуре образцах. Однако полученные в одном районе океана результаты необязательно соответствуют другим районам из-за различия как в природных условиях, так и в структуре биотопов. Поэтому полученные результаты имеют частный и порой противоречивый характер, и сами результаты этой таблицы иллюстрируют качественный характер оценки экологической ситуации в Мировом океане. Из табл. 5.4 видно, что воздействие океанских ТЭС и ГЭС может нести глобальный характер, а влияние других станций не выходит за пределы локальных зон. Виды отрицательных действий на человека и другие организмы может сказаться непосредственно на здоровье человека, так и через ограничение его деятельности. Изъятие энергии тепла из поверхностного слоя океана и подъём на поверхность холодной глубинной воды приведут к охлаждению поверхностных вод, и океан станет меньше отдавать тепла в атмосферу, что может способствовать изменению климата на континентах. В работе [7] предпринята попытка оценки величины допустимого изъятия энергии из океана без вреда для окружающей среды. Критерием служило уменьшение температуры поверхностного слоя океана на полградуса за счёт работы станций ОТЭС. Расчёты показали, что при непрерывной работе тепловых преобразователей за год будет выработано энергии втрое меньше прогнозируемой на 2020 г. Другой важной причиной, ограничивающей использование тепловой энергии Мирового океана, является значительное выделение углекислого газа из холодных глубинных вод, необходимых для работы тепловых преобразователей.

172

Таблица 5.4 Взаимодействие преобразователей энергии океана и природной среды Результат воздействия на среду Изменение/управление климатом Изменение состава атмосферы Аварийные выбросы реагентов Опасности при обслуживании Повышения уровня шума Ограничение / перестройка хозяйственной деятельности Ущерб рекреации Изменение циркуляции вод Изменение температуры вод Изменение видового состава организмов Гибель организмов Обогащение среды биогенными элементами Обогащение среды кислородом Создание искусственных биотопов Создание очистных систем Уменьшение транспорта осадочных пород

ОТЭС ОГЭС -------++

Группа преобразователей ВолнЭС ОВЭС БиоЭС

СолЭс

ПЭС

--

----

--/-+

++

+

+

+

+

++

+

-

-

-

-

-/-

+ + ++ ++ ++

-

-/-

+

В таблице приведены возможные положительные (+) и отрицательные (-) результаты воздействия на среду. ОТЭС, ОГЭС – океанские ТЭС и ГЭС; ВолнЭС – волновая электростанция; ОВЭС – океанская ветровая электростанция; БиоЭС – биологическая электростанция; СолЭС – солнечная электростанция; ПЭС – приливная электростанция

Контрольные вопросы и задания

1. Турбина гидроэлектростанции расположена на 200 м ниже уровня воды в водохранилище. Скорость воды после прохождения турбины 30 м/с. Какая часть энергии воды передана турбине, если пренебречь потерями на трение в подводящем канале? 2. За плотиной ГЭС (ниже по течению) река имеет ширину b = 1 км и глубину h = 10 м. Скорость течения около v = 4 км/ч. Каков массовый расход G воды через плотину? 3. Как изменится мощность малой ГЭС, если напор водохранилища в засушливый период уменьшится в 1,2 раза, а расход воды сократится на 20 %? Потери в гидротехнических сооружениях, водоводах, турбинах и генераторах считать постоянными. 4. Крупная система аккумулирования энергии имеет верхний резервуар, содержащий 6,7 млн м3 воды и расположенный на 500 м выше нижнего резервуара. Система может выдать в электрическую сеть мощность 1800 МВт. В предположении отсутствия потерь определить возможную продолжительность работы системы на максимальной мощности. 5. Определить увеличение массы всей воды Мирового океана (1,38 · 1021 кг) при нагревании её на 10 ºС. 6. Через освещённый солнечным светом интенсивностью 600 Вт/м2 солнечный коллектор с площадью поверхности 6 м2 пропускается холодная вода с расходом 2 л/мин. Каково будет увеличение температуры воды на выходе из коллектора, если его эффективность составляет 50 %? Список литературы 1. Renewable Electricity and the Grid: the Challenge of Variability. Edited by Godfrey Boyle. Earthscan, London, 2007. 2. Сайт «Геоглобус.ру» – геолого-географическое обозрение. 3. Коробов В.А. Преобразование энергии океана. Л.: Судостроение, 1986. 4. Акуличев В.А. Океан и энергетика. Природа, 8, 29, 1979. 5. Anderson H.H. Lunaheat: Let’s Abolish Winter in the Northern Regions. Pumps’79. 6-th Technol. Conf. Beaford, 1979, p. 83–88. 6. Шулейкин В.В. Физика моря. М.: ОНТИ, т. 2, с. 314, 1938. 7. Акуличев В.А., Ильин А.К. Тепловые энергетические ресурсы тропических районов Мирового океана. В кн.: Преобразование тепловой энергии океана. Владивосток, ТОИ ДВНЦ АН СССР, 1984. 174

Глава 6. ЭКОЛОГИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 6.1. Солнечное излучение на поверхности Земли Свойства солнечного излучения. Солнце является мощным источником электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение – это волны колебаний электрического и магнитного полей, распространяющиеся со скоростью света с = 3·108 м/с. Длина волны λ и частота колебаний (число колебаний в секунду) ν связаны соотношениями с = λ ν = λ/τ, (6.1) где τ = 1/ ν – период колебаний. То есть за время τ волна проходит путь λ = сτ, равный длине волны. В силу квантово-механического «дуализма» поток электромагнитной энергии можно рассматривать и как поток частиц, не имеющих массы покоя, – фотонов, энергия которых Еф прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны излучения: Еф = h ν = hc/λ, где h = 6,63 · 10–34 Дж · с – постоянная Планка. Солнце, как и любое нагретое тело, излучает волны с разной длиной волны. Распределение энергии по длинам волн называют спектром излучения. Спектр солнечного излучения имеет «колоколообразную» форму (рис. 6.1) и совпадает со спектром так называемого черного тела, имеющего температуру Т ≈ 6000 К (точнее, 5785 К). Согласно формуле М. Планка, полученной на основе представлений квантовой механики, спектр излучения черного тела, т.е. плотность потока энергии через единицу площади в единицу времени (на единицу интервала длин волн), Вт/м2/м, определяется выражением [1, 2] Eф5 2πhc 2 1 2π = , Wλ = (6.2) λ5 exp(hc / λkT ) − 1 h 4 c3 exp( Eф / kT ) − 1

где k = 1,38 · 10–23 Дж/К – постоянная Больцмана. Длина волны λ m , соответствующая максимуму спектра излучения чёрного тела, зависит от его температуры Т. Величину λ m и её 175

зависимость от Т можно определить, если продифференцировать Wλ по λ и приравнять производную нулю. В итоге получим λ mT = 2,88 ⋅ 10−3 м · К ≈ 3 мм · К.

(6.3)

Эта зависимость называется законом смещения Вина. Согласно этому закону с ростом температуры тела максимум энергии излучения смещается в область коротких длин волн (или высоких частот). Для Солнца при Т = 5785 К получаем λ m = 2,88/5785 ≈ ≈ 0,5 мкм – это середина видимого диапазона волн (0,4–0,8 мкм). То есть человечество в процессе эволюции адаптировалось к Солнцу так, что глаз видит лучше всего в диапазоне длин волн из окрестности максимума энергии солнечного излучения. Суммарная энергия излучения по всем длинам волн (с единицы поверхности Солнца как черного тела) зависит только от температуры тела: q=

∞

∫ W (λ ) d λ = σ ⋅ T 4 ,

Вт/м 2 .

(6.4)

λ= 0

Это выражение известно как закон излучения Стефана– Больцмана. По этому закону мощность излучения черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела. Константа σ называется постоянной Стефана– Больцмана и определяется выражением σ=

где обозначено x =

2πk 4 c 2 h3

∞

x3dx ∫ e x − 1, x =0

(6.5)

hν hc = . Численное значение интеграла равно kT λkT ∞

x3dx

π4

∫ e x − 1 = 15 ≈ 6, 494. 0

В итоге из (6.5) следует значение постоянной Стефана– Больцмана σ = 5,67 · 10–8 Вт/(м2 К4). Согласно (6.4) мощность излучения с квадратного метра поверхности Солнца составляет q⊕ = 5,67 ⋅ 10−8 ⋅ (5785) 4 ≈ 7,3 ⋅ 107 Вт/м2 = 73 МВт/м2. 176

Радиус Солнца R⊕ ≈ 7 ⋅ 108 м (в 109 раз больше земного радиуса), а площадь поверхности Солнца S⊕ = 4πR⊕2 ≈ 6 ⋅ 1018 м 2, следовательно, полная мощность солнечного излучения W⊕ = q⊕ S⊕ = 7,3 ⋅ 107 ⋅ 6 ⋅ 1018 = 4, 4 ⋅ 1026 Вт. Ничтожная часть этой энергии, расточаемой Солнцем во всех направлениях, попадает на планеты Солнечной системы. На долю Земли приходится лишь малая ее часть, составляющая πRЗ2 ≈ 0, 45 ⋅ 10−9 , 4πR 2 т.е. около 2 · 108 ГВт или 6300 Q в год (здесь RЗ = 6400 км = 6,4 · 106 м – радиус Земли, R = 150 млн км = 1,5 · 1011 м – радиус орбиты Земли вокруг Солнца). Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Оценим плотность потока солнечной энергии qЗ (Вт/м2) в окрестности Земли (рис. 6.2). Из закона сохранения энергии следует: q⊕ 4πR⊕2 = q3 4πR 2 , где R⊕ и R – радиус Солнца и радиус орбиты Земли вокруг Солнца соответственно. Отсюда находим q3 = q⊕ ( R⊕ R )2 ≈ 1400 Вт/м2 = 1,4 кВт/м2.

(6.6)

Как видно, плотность теплового потока от Солнца вблизи Земли составляет почти полтора киловатта на квадратный метр. Приблизительно 28 % этой энергии отражается атмосферой и возвращается в космическое пространство, около 25 % поглощается и превращается в тепло в атмосфере. До поверхности Земли в районе экватора сквозь атмосферу доходит около половины. Среднесуточная плотность потока солнечной энергии не превышает 250 Вт/м2. Из формулы (6.6) следует также, что по мере удаления от Солнца (с ростом R) плотность потока энергии убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца (табл. 6.1). По этой причине использование солнечных батарей (см. далее) на космических аппаратах, направляемых к дальним планетам Солнечной системы, неэффективно. Гелиоэнергетика. Энергетика, основанная на использовании солнечной энергии в широком смысле, часто именуется как гелио177

энергетика (от греч. Helios – Солнце). Использовать огромные ресурсы солнечной энергии пока не удается в больших масштабах. Одни из наиболее серьезных препятствий на этом пути – низкая интенсивность солнечного излучения даже при наилучших атмосферных условиях и непостоянство во времени (день-ночь, яснооблачно, лето-зима и т.п.). Таблица 6.1 Средняя плотность потока солнечного излучения (Вт/м2) (солнечные постоянные) планет Планета Меркурий Венера Земля Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун Плутон

Плотность потока излучения 9030 2590 1350 580 50 15 3,7 1,5 0,9

Например, на экваторе интенсивность солнечного излучения в среднем за сутки составляет около 250 Вт/м2 (при максимальном значении около полудня почти 1000 Вт/м2). В то же время в современных парогенераторах ТЭС и АЭС тепловой поток в сотнитысячи раз выше (0,1–1,0 МВт/м2), что обеспечивает относительную компактность и меньшую стоимость оборудования. Поэтому главная проблема крупномасштабного использования энергии Солнца в земных условиях – разработка дешевых и надежных методов концентрации его излучения в сотни раз еще до того, как оно превратится в тепло или электричество. Энергию солнца в энергетических целях можно использовать для получения электричества или для отопления. В настоящее время применяются и развиваются следующие энергетические установки, использующие энергию Солнца: • солнечные тепловые электростанции (или гелиотерми-ческие станции), в которых концентрированное солнечное излучение используется как источник тепла для традиционного паротурбинного цикла; 178

• полупроводниковые солнечные батареи или солнечные фотоэлектрические преобразователи (системы), в которых реализуется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью полупроводников (photovoltaics systems – от греческого photos (свет) и названия единицы электрического напряжения – volt); • солнечные водонагреватели или, более общо, солнечные термальные установки (solar thermal installations), в которых солнечное излучение служит для прямого нагрева воды (или других теплоносителей) в различных коммунальных целях (включая обогрев зданий). Мировой рынок солнечной энергетики в XXI в. динамично развивается с ежегодным приростом установленной мощности 10– 20 %. Установленная мощность солнечных электро-станций различного типа превышает 20 ГВт. 6.2. Солнечные тепловые электростанции

В соответствие с законами термодинамики повышение коэффициента полезного действия солнечной тепловой электростанции требует увеличения температуры рабочего тела паротурбинного цикла. Поэтому главная задача крупномасштабного использования энергии Солнца – разработка дешевых и надежных методов концентрации его излучения в сотни-тысячи раз на поверхность теплообменника или парогенератора. Достигается это с помощью специальных зеркал (гелиостатов), которые «отслеживают» положение Солнца и фокусируют его излучение на поверхность емкости (коллектора), где нагревается теплоноситель, как в топке (парогенераторе) угольной или газовой ТЭС. Образующийся пар приводит в движение паровую турбину, на одном валу с которой обычно закреплен ротор электрогенератора, вырабатывающего электрический ток. Разработано три основных типа (системы) солнечных тепловых электростанций (СТЭС) с разными способами концентрации солнечного излучения: параболическая (лотковая), башенная и тарельчатая (рис. 6.3). На сегодня параболические и башенные установки – наиболее развитые из солнечных энергетических технологий, и именно они, 179

вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе в составе крупных электростанций мощностью 30–200 МВт, соединенных с электросетью. Модульный характер «тарелок» позволяет использовать их в небольших установках. Параболоцилиндрические концентраторы (гелиостаты) длиной до 50 м ориентируют по оси север–юг и располагают рядами через несколько метров. Гелиостат (желоб) поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволяет упростить систему слежения за Солнцем. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (например, маслом) или фотоэлектрический элемент с системой охлаждения. Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение «в линию» и может обеспечить его стократную концентрацию на поверхности трубки с теплоносителем. Теплоноситель (например, масло) нагревается в трубке до температуры 300–390 °C и поступает в парогенератор для дальнейшей выработки электроэнергии. Важно напомнить, что конденсаторы паротурбинного цикла должны охлаждаться с помощью внешнего источника воды. Предполагается, что на таких гелиотермических станциях в перспективе могут быть созданы тепловые аккумуляторы – «хранилища пара», например в виде хранилища расплавленной соли (нагретой до температуры 565 °С), которая сможет обеспечивать работу парогенераторов в течение 16 ч после захода Солнца, т.е. обеспечить практически безостановочную работу турбины. Тогда электроэнергию можно будет вырабатывать и в пасмурные дни, и ночью. Дело в том, что электростанция получает солнечную энергию всего в течение 6–9 ч в зависимости от времени года. В сочетании с тепловым аккумулятором, рассчитанным как минимум на 6-часовое действие, возможно обеспечить работу электрогенератора мощностью 100 МВт в течение 10–14 ч. Строительство тепловых аккумуляторов, конечно, повышает стоимость электроэнергии СТЭС. С 1984 г. в Калифорнии (США) было построено около 10 электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Подобные мощные электростанции построе180

ны или строятся в Испании, Китае, Мексике, Алжире, Египте и некоторых других странах. В СТЭС башенного типа (рис. 6.3 и 6.4) коллектор (приемник излучения) с водой поднят над поверхностью земли и установлен на высокой (до 300 м) башне для снижения взаимного затенения гелиостатов. На поверхность коллектора снаружи наносится специальное селективное покрытие, хорошо поглощающее солнечное излучение и сокращающее собственное излучение коллектора («парниковый» эффект). Множество зеркал (гелиостатов), расположенных на земле вокруг башни, постоянно автоматически поворачиваются вслед за солнцем так, чтобы в каждый момент времени плотность сфокусированного на коллектор излучения была максимальной. Запасенное водой тепло преобразуется в электроэнергию с помощью традиционного паротурбинного цикла. Впервые идея создания солнечной электростанции башенного типа была выдвинута советским инженером Н.В. Линицким в 30-х годах ХХ в. В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Некоторые технико-экономические параметры СТЭС приведены в табл. 6.2 и 6.3. Башня PS20 собирает лучи, отражённые от 1255 гелиостатов, направляющих солнечные лучи на солнечный коллектор, расположенный наверху 165-метровой башни. Первая в Европе коммерческая солнечная тепловая электростанция PS10 – «солнечная башня» (solar power tower) официально вступила в строй 30 марта 2007 г. Мощность станции, возведённой в Андалусии (Испания), составляет 11 МВт. Этого достаточно для энергоснабжения 6000 семей. Её 624 зеркала, площадью по 120 м2 каждое, направляют свет на вершину красивой бетонной башни высотой 115 м. Одной из крупнейших башенных СТЭС в мире стала солнечная электростанция PS20 мощностью 20 МВт, расположенная, как и PS10, недалеко от Севильи, в Испании (рис. 6.5). В пустыне Мохаве (Калифорния, США), которую часто называют Сахарой Нового Света, к 2012 г. должна войти в строй аналогичная гелиотермическая электростанция, суммарной мощностью около 550 МВт. Оценки, основанные на данных табл. 6.2 и 6.3, показывают, что для крупной электростанции со среднесуточной мощностью 1 ГВт (как на современных блоках ТЭС и АЭС) величина КПД не превы181

сит 15 %, а для размещения фокусирующих зеркал потребуется площадь земной поверхности 30–50 км2, что сравнимо с площадью крупнейших водохранилищ равнинных ГЭС. Таблица 6.2 Характеристики солнечных тепловых электростанций Показатель Мощность, МВт Рабочая температура, °C Коэффициент готовности, % Пиковый КПД, % Практический годовой КПД, % Промышленное применение Риск, связанный с развитием технологии Аккумулирование тепла Гибридные системы Стоимость, дол./Вт

Параболический концентратор 30–320

«Тарелка» 5–25

Электростанция башенного типа 10–200

390

750

565

23–50

25

20–77

20

29

23

11–16

12–25

7–20

Прототип промышленной установки

В стадии демонстрации

Существующие демонстрационные проекты

Низкий

Высокий

Средний

Ограничено

Аккумулятор

Да

Да

Да

Да

2,7–4,0

1,3–12,6

2,5–4,4

Таблица 6.3 Параметры солнечной тепловой электростанции башенного типа электрической мощностью 100 МВт Параметр Размер территории, км2 Число гелиостатов (зеркал) Размер гелиостата, м2 Высота башни, м Температура котла (пиковая), °С Температура теплового аккумулятора, °С КПД (пиковый), % 182

Величина 3,25 29 300 36 330 510 316 26–30

Таким образом, тепловые солнечные электростанции становятся в ряде стран заметным источником электроэнергии. 6.3. Полупроводниковые солнечные батареи Солнечными полупроводниковыми батареями (или просто солнечными батареями, или фотоэлектрическими преобразователями – ФЭП) называют установки, в которых реализуется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью полупроводников [1]. Солнечные фотоэлектрические преобразователи просты в обращении и не имеют движущихся механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. Работа ФЭП основана на двух физических фотоэффектах: «внутреннем» и «вентильном». «Внутренний фотоэффект» – это увеличение концентрации носителей электрического тока (свободных электронов и «дырок») в полупроводнике под действием фотонов, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости. «Вентильный эффект» – выпрямляющее свойство p-n перехода («сэндвича» из двух полупроводников), т.е. способность контактной зоны полупроводников p- и n-типов пропускать ток преимущественно в одном направлении, т.е. разделять (сортировать) электроны (n) и дырки (p). Благодаря этим эффектам электроны и дырки, возникшие под действием света вблизи p-n перехода, диффундируют через контакт и создают фототок, пропорциональный потоку световой энергии (рис. 6.6). Впервые явление фотоэлектричества было обнаружено Э. Беккерелем (отцом Анри Беккереля, открывшего в 1896 г. радиоактивность) еще в первой половине XIX в. Однако проблема превращения солнечного света в электроэнергию впервые была четко поставлена и решена в России школой академика А.Ф. Иоффе в 1930-х гг. Первые фотоэлементы, изготовленные его сотрудниками, имели КПД около 1 %. В настоящее время отдельные экземпляры на основе кремния имеют КПД 15 % при максимальном теоретическом значении 23 %. 183

Солнечные батареи, установленные впервые в 1958 г. на советском спутнике Земли «Спутник-3» и на американском спутнике «Авангард», являются незаменимыми источниками электроэнергии для космических аппаратов. Фотоэлектрические модули благодаря своим электрическим свойствам вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный. КПД солнечной батареи. Оценим КПД солнечной батареи (СБ) и определим наиболее подходящий полупроводник, дающий наибольший КПД преобразования светового излучения в электричество. Пусть на единицу поверхности СБ (рис. 6.6) падает световой поток мощностью q Вт/м2, и при этом генерируется электрическая мощность w = jV (тоже в расчете на единицу площади СБ), где j – электрический ток в цепи в расчете на единицу площади СБ, А/м2; V – напряжение на нагрузке, В. По определению КПД есть отношение генерируемой электрической мощности ФЭП к тепловой мощности светового потока, т.е. η = w/q. Фотоны солнечного света имеют распределение Планка по энергии (6.2). Из всех фотонов, падающих на поверхность СБ, только фотоны с энергией Еф = hν = hc/λ, превосходящей ширину запрещенной зоны ΔЕ полупроводника, то есть с длиной волны λ ≤ λм = hc/ΔЕ, могут генерировать фототок (перебрасывать электроны из валентной зоны в зону проводимости). Оценим сначала долю β фотонов в спектре Солнца, участвующих в создании фототока через p-n переход, как функцию ширины запрещенной зоны ΔЕ полупроводника: λM

∫

β(ΔE ) = λ=∞0

∫

λM

Фλ d λ = Фλ d λ

λ= 0

∫ λWλ d λ

0 ∞

,

(6.7)

∫ λWλ d λ 0

где обозначено Фλ = Wλ Eф = λ Wλ hc (6.1)–(6.4). В числителе вы-

ражения (6.7) стоит величина, пропорциональная числу фотонов, способных вызвать внутренний фотоэффект в полупроводнике, а в знаменателе – полное число фотонов в спектре солнечного излучения. 184

Величина β является убывающей функцией ширины запрещенной зоны полупроводника ΔЕ, поскольку, чем больше ΔЕ, тем меньше в спектре фотонов, способных вызвать фотоэффект. Величина

ϕ=

∞

∫

Ф λ d λ = σϕ T 3

λ =0

в знаменателе предыдущего выражения (6.7) имеет смысл плотности потока фотонов на единичную площадку (1/м2). Здесь обозначено σϕ = σ 2, 7 k . Из сравнения с формулой для закона Стефана– Больцмана (6.4) следует, что q = 2,7 kT ϕ. То есть величина 2,7kТ характеризует среднюю энергию фотонов в спектре черного тела. Для солнечного излучения при температуре поверхности Солнца Т = 5785 К средняя энергия фотонов составляет 2,15 · 10–19 Дж ≈ ≈ 1,35 эВ. Зная β и полагая для простоты, что в идеальном случае каждый фотон с длиной волны λ ≤ λМ создает носитель тока в полупроводнике, определяем максимальный фототок: jМ = eβφ, где e – заряд электрона. Максимальное напряжение на нагрузке не может превышать контактной разности потенциалов p-n-перехода, равной VК =ΔЕ/e. Поэтому максимально возможная электрическая мощность солнечной батареи (в расчете на единицу ее площади) равна w = j М VК ≈ β ( Δ E ) ⋅ ϕ ⋅ Δ E . В итоге находим КПД солнечной батареи как функцию ширины ΔЕ запрещенной зоны полупроводника: λM

ϕ w η ( ΔE ) = = β(ΔE ) ⋅ ΔE = q q

∫

λ= 0 ∞

λWλ d λ .

(6.8)

∫ λ MWλ d λ 0

Максимальный теоретический КПД не превышает 40 %, причем экстремум приходится на ΔЕ = 1,1 эВ. Такую ширину запрещенной зоны имеет кремний (Silisium, Si) – второй по распространенности на Земле элемент. Поэтому именно кремний получил широкое 185

применение в солнечных батареях и электронной промышленности. Более строгие расчеты КПД с учетом отражения и поглощения света в окрестности p-n перехода дают верхний предел КПД солнечных батарей на кремнии около 23 %. Фотоэлементы массового производства на монокристаллическом кремнии характеризуются величиной КПД 16–17 %. Чем выше КПД, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, отличающихся высокой стоимостью изготовления. Девяносто девять процентов современных солнечных элементов изготавливают из кремния. Фотоэлементы производятся из сверхчистого кремния, легированного специальными примесями для создания p- и n-типа проводимости в контактирующих слоях. Если в кремний ввести фосфор, сурьму или мышьяк, то получится полупроводник n-типа. Если же в кремний ввести бор, галлий или алюминий), то он становится полупроводником p-типа. Количества сверхчистого кремния, необходимого для изготовления одного фотоэлектрического модуля мощностью 50 Вт, было бы достаточно для интегральных схем примерно двух тысяч компьютеров. Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40–50 % состоит из стоимости кремния. Фотоэлементы в настоящее время стоят 3– 6 дол. США за 1 Вт, а производство фотоэлектричества – около 0,5–1 дол./кВт · ч, т.е. более чем на порядок дороже других возобновляемых источников. Цены на кремниевые фотоэлектрические батареи благодаря прогрессу в технологиях и расширению производства снизились за 25 лет почти в 30 раз: с 70–100 дол./Вт (в семидесятых годах ХХ в.) вплоть до 3–6 дол./Вт в 2010 г. Созданы фотоэлектрические батареи с предполагаемым ресурсом работы до 30 лет и сроком окупаемости от 4 до 9 лет (для подключенных к сети при среднегодовом потоке солнечной энергии 1500 кВт · ч/м2. В будущем, по мере более широкого применения фотоэлементов, их стоимость должна еще уменьшиться. Наноструктурные фотоэлектрические преобразователи. Использование наноматериалов и нанотехнологий позволяет многократно поднять эффективность солнечной энергетики на основе использования наноструктурных фотоэлектрических преобразователей. Появился полный цикл производства новых солнечных батарей, созданных на основе наногетероструктур, которые состоят 186

из большого количества каскадных элементов – до 30 чередующихся слоев, каждый из которых имеет толщину всего 10–15 нм. В многослойном (гетероструктурном) фотоэлементе в создании фототока используется бóльшая часть фотонов спектра, чем в одном p-n переходе из кремния. Самый многообещающий путь повышения эффективности солнечных батарей – использование гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия GaAs (ширина запрещенной зоны 1,4 эВ) и родственных ему соединений. Такие солнечные элементы впервые в мире были предложены и созданы в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1969 г. [3, 4]. Одним из результатов этих работ явилась организация в стране производства гетероструктурных солнечных батарей, установленных на ряде космических аппаратов, в том числе на орбитальной станции «Мир». КПД гетероструктурных солнечных батарей доходит до 35– 40 %. Их максимальная рабочая температура достигает +150 °С, в отличие от + 70 °С у кремниевых батарей, что увеличивает возможности концентрирования света на этих полупроводниках. Однако арсенид-галлиевые СБ значительно дороже кремниевых. В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что пока ограничивает возможности производства солнечных батарей на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения в наземной солнечной энергетике. Несмотря на большую стоимость гетероструктурных батарей, их использование в космических условиях обеспечивает почти двухкратное снижение суммарных затрат благодаря: 1) увеличению в 2 раза КПД, 2) удельному энергосъему, 3) радиационной стойкости по сравнению с кремниевыми батареями, а также 4) увеличению ресурса и 5) снижению расхода топлива на доставку батарей на орбиту, ориентацию и стабилизацию космического аппарата. Современные солнечные панели спутников Земли достигают площади 500 м2 и имеют удельную стоимость около 10 тыс. дол. за квадратный метр. Поэтому пока экономически оправдано применение солнечных батарей только для космических аппаратов, потребляющих сравнительно невысокую мощность (до 100 кВт). КПД «наземных» каскадных солнечных элементов достигает значений 40 % при концентрированной засветке. При степени концентрирования излучения 100–1000 крат площадь солнечных эле187

ментов, необходимая для выработки эквивалентной электрической мощности, пропорционально уменьшается, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрации и обеспечить существенное снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями с концентраторами. Практическое использование фотоэлектричества в земной энергетике. В наземных условиях солнечные электростанции на основе полупроводниковых солнечных батарей пока неконкурентоспособны. В ряде стран принято законодательство о снижении налогообложения на солнечные энергетические установки в целях поощрения их распространения либо законодательство о повышении тарифов на электроэнергию с целью привлечения инвестиций в солнечную энергетику. Благодаря этим мерам, а также прогрессу в технологиях фотоэлектричество проникает во многие сферы деятельности. Так, в отдаленных районах фотоэлементы обслуживают автономные энергоустановки с 1970-х гг. В 1980-х производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной аппаратуры; в 1990-х предприятия энергоснабжения начали применять фотоэлементы для обеспечения мелких потребностей пользователей. Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т.д. Разные фирмы предлагают фотоэлементы в виде легких, эластичных и прочных кровельных плит, а также ненесущих стен-перегородок для фасадных работ. Расположение фотоэлектрических модулей на крышах зданий или встраивание их в фасадные стены позволяет достичь существенной экономии строительных материалов. Появились экономически привлекательные новинки строительных материалов с включенными в их состав фотоэлементами. В отдаленных районах фотоэлектрические установки являются наиболее рентабельным, надежным и долговечным источником энергии. Энергетические компании США обнаружили, что экономичнее использовать водяные насосы на солнечной батарее, чем обслуживать распределительные электрические линии, ведущие к удаленным насосам. В сельских районах находится и другое при188

менение фотоэлектрическим системам – зарядка и освещение электрических изгородей; обеспечение циркуляции воды, вентиляции, света и кондиционирования воздуха в теплицах и гидропонных сооружениях. Многие малые фотоэлектрические системы, питающие несколько лампочек и телевизор, дешевле, чем альтернатива – продление линии электропередачи, замена и утилизация одноразовых батарей либо применение дизель-генератора. Самый главный недостаток солнечных батарей в том, что они могут работать только в дневное время и при свете Солнца. Для компенсации этого недостатка к системе подсоединяют аккумуляторы энергии (тепловые аккумуляторы для крупных установок и электроаккумуляторы для маломощных установок). Так, электроаккумулятор заряжается от солнечной батареи, запасает энергию и делает ее доступной в любое время. Благодаря аккумулированию электроэнергии фотоэлектрические системы служат надежным источником электропитания днем и ночью, в любую погоду для водяных насосов, осветительных приборов, сенсоров, звукозаписывающего оборудования, бытовых приборов, телефонов, телевизоров и электроинструментов, но повышают стоимость системы. Общая установленная мощность солнечных фотоэлектри-ческих систем (солнечных батарей) на начало 2009 г. составила 15 ГВт (1,5 ГВт в 2000 г.), из них около 60 % установлено в Европе. Европейские страны лидируют и по показателю потребления солнечного фотоэлектричества на душу населения: например, в Испании этот показатель составил 75 Вт/чел., в Германии – 65 Вт/чел. Как следует из табл. 6.4, в нескольких странах построены солнечные фотоэлектрические станции мощностью около 10 МВт и более. Мегапроекты солнечных электростанций. В этом разделе описаны два крупных проекта использования солнечной энергии для производства электроэнергии: Европейский проект Desertec и проект Глазера. Проект Desertec. «В течение шести часов пустыни получают от Солнца больше энергии, чем человечество потребляет за целый год». Это утверждение, приписываемое доктору Герхарду Кнису (Gerhard Knies), стало практически лозунгом оптимистически настроенных европейцев, полагающих, что они смогут воспользоваться еще одним природным ресурсом Африки – солнечной энер189

гией [5]. Над пустыней Сахара солнце светит 4800 ч в год – втрое дольше, чем над Германией. Гелиотермические станции, расположенные на площади 300×300 км, способны обеспечить энергией весь мир. Таблица 6.4 Крупнейшие солнечные электростанции в мире Пиковая мощность, МВт 46 24 11 9 6,3 5 5 4,6 4 4 4 3,9

Местонахождение Amareleja, Португалия Республика Корея Serpa, Португалия Республика Корея Mühlhausen, Германия Bürstadt, Германия Espenhain, Германия Springerville, США Geiseltalsee, Merseburg, Германия Gottelborn, Германия Hemau, Германия Rancho Seco, США (рядом с АЭС, закрытой в 1989 г. по итогам местного референдума)

Описание Более 262 тыс. солнечных модулей 131 тыс. самонаводящихся панелей, территория площадью 670 тыс. м2 52 тыс. солнечных модулей 194 тыс. м2

Производство энергии, ГВт · час/год 93 40 20 14

58 тыс. солнечных модулей 30 тыс. солнечных модулей BP 33,5 тыс. солнечных модулей Shell 35 тыс. солнечных модулей BP 25 тыс. солнечных модулей BP

6, 7

50 тыс. солнечных модулей 33 тыс. солнечных модулей 33 тыс. солнечных модулей

8,2

190

4, 2 5 7, 7 3,4

3,9 3,8

Пиковая мощность, МВт 3,3 3,3

Местонахождение Dingolfing, Германия Serre, Италия

Окончание табл. 6.4 Производство Описание энергии, ГВт · час/год Солнечные модули 3 Solara, Sharp и Kyocera 60 тыс. солнечных 3 модулей

В 2009 г. двенадцать европейских компаний одобрили план по строительству в Африке и на Ближнем Востоке гигантских солнечных электростанций, которые будут обеспечивать энергией Европу. Проект Desertec Industrial Initiative оценивается в 400 млрд евро. Солнечные энергоустановки появятся в целом ряде стран — от Марокко до Саудовской Аравии. Площадь, на которой должен расположиться Desertec, равна 6,5 тыс. кв. миль, или 0,18 % площади Сахары. Электричество будет передаваться в европейские государства по подводным кабелям, проложенным по дну Средиземного моря. В результате ожидается, что к 2050 г. будет обеспечиваться 15 % потребностей Европы в электроэнергии. После запуска энергоустановок на полную мощность Desertec сможет вырабатывать 100 ГВт экологически чистой энергии. Первые поставки «африканской» солнечной электроэнергии, начнутся, предположительно, через десять лет. Транспортировка электричества на такие большие расстояния в виде переменного тока невозможна, ведь потери при этом достигают 30 % на каждую тысячу километров, т.е. в Европу переменный ток из Сахары просто не доберется. Поэтому планируется использование систем электропередачи высокого напряжения на постоянном токе (HVDC). В них потери не превышают 3 % на тысячу километров. Чтобы свести к минимуму потери при передаче электричества, в ход пойдет около 20 кабелей постоянного тока, каждый из которых стоит 1 млрд дол., но в Desertec Foundation надеются, что в будущем цены на них снизятся. Важная деталь: все технологии, на которых должен базироваться проект Desertec, уже существуют, причем не один год. Полученный в Африке ток предлагается частично использовать в странах региона для опреснения во191

ды, промышленного и сельского производства, охлаждения домов и цехов — в общем, для создания там нормальной жизни. Принципиально, что к 2050 г. у европейцев будет надежный набор разнообразных и взаимозаменяемых источников энергии: атом, биомасса, ветер, газ, земля (геотермия), нефть, Солнце. Проект Глазера. Идея солнечной космической электростанции впервые предложена П. Глазером в 1968 г. в предположении, что будут созданы дешевые тонкопленочные солнечные батареи, которые можно сворачивать в рулон. С тех пор разработаны достаточно подробные проекты таких электростанций, и многие их элементы исследованы экспериментально в США, Японии и ряде других стран. В этих проектах предполагается, что крупные панели солнечных батарей (с фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии) размещаются на геостационарной орбите, расположенной в экваториальной плоскости на расстоянии примерно 36 тыс. км от поверхности Земли. Угловая скорость вращения спутника на этой орбите равна угловой скорости вращения Земли. Такой спутник «неподвижен» на небосводе и будет практически непрерывно освещен солнечным излучением с плотностью потока энергии 1,4 кВт/м2 (за исключением коротких промежутков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда спутник попадает в тень Земли). Энергия, вырабатываемая солнечными батареями и преобразуемая далее в микроволновую энергию, передается на Землю хорошо сфокусированным электромагнитным пучком на частоте 2,45 ГГц (сверхвысокочастотное СВЧ-излучение). На этой частоте потери в атмосфере малы (менее 1 %) даже при довольно интенсивных осадках. На поверхности Земли микроволновая энергия принимается специальными антеннами и преобразуется в энергию постоянного или переменного тока для распределения по линиям электропередачи потребителям. Проектная электрическая мощность таких электростанций 5–10 ГВт [1, 6] (табл. 6.5). Так, орбитальная конструкция для сбора солнечной энергии и получения 10 ГВт электроэнергии с 10-процентной эффективностью фотопреобразователей должна иметь площадь около 10 км2. Для передачи электроэнергии на Землю в виде хорошо сфокусированного СВЧ-пучка понадобится космическая передающая антенна размерами более 1 км, а приемную антенну (ректенну) придется делать 15-километровой. 192

Таблица 6.5 Параметры солнечной космической электростанции (СКЭС) Общее число СКЭС Мощность каждой СКЭС, ГВт Размер панели солнечных батарей, км2 Диаметр предающей СВЧ-антенны, км Масса каждой СКЭС, тыс. т Размеры наземной приемной системы, км2 Плотность излучения в центре передающей антенны, кВт/м2 Плотность излучения в центре приемной антенны, Вт/м2 Стоимость первой СКЭС, млрд дол. Стоимость транспортных средств, млрд дол. Срок разработки, лет Ресурс работы каждой СКЭС, лет Время окупаемости каждой СКЭС, лет

60 5 5×10 1 30–50 10×13 30 230 Около 25 Около 10 Около 20 Более 30 Около 6

Многие технологии, на которых должен базироваться проект гигантской космической электростанции, уже существуют и проверены практически, но пока не созданы дешевые тонкопленочные солнечные батареи, которые можно будет сворачивать в рулон, и технологии сборки на орбите столь крупных конструкций. В то же время, по оценкам [6], совокупная удельная материалоемкость солнечной космической электростанции вместе со средствами доставки на орбиту будет в десятки раз выше, чем у АЭС. 6.4. Солнечные водонагреватели Солнечная теплофикация. Использование солнечной энергии сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального тепла (до 200 °С) для горячего водоснабжения, подогрева воды в плавательных бассейнах, дополнительного обогрева или кондиционирования жилищ. Энергию Солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время. 193

Простейшие солнечные водонагреватели уже давно широко используются в России в сельской местности и состоят из чёрного металлического бака ёмкостью 50–200 л. Бак выставляется на солнце, иногда на возвышение, для создания давления воды в кране или в душе. Современные тепловые солнечные коллекторы промышленного изготовления устанавливают на крышах, обращенных в южную сторону. Они работают по «принципу парника». Это – двухслойная конструкция, с одной (нижней) стороны которой расположены деревянные, металлические или пластиковые короба, закрытые с другой (солнечной) стороны одинарным или двойным стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагреваются воздух или вода, которые периодически (или постоянно) отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса. Устройство промышленного солнечного водонагревателя с одноконтурной системой термосифонного типа показано на рис. 6.7. Конструкция состоит из наклонного остеклённого коллектора, хорошо изолированного водяного бака и теплоизолированных труб, соединяющих эти элементы. Коллектор должен быть ориентирован строго на юг и наклонён к горизонтали под углом, равным широте места. Такая ориентация теоретически оптимальна для круглогодичной работы. Бак горячей воды располагается наверху нагревателя, что обеспечивает термосифонный эффект: горячая вода поднимается в результате конвекции в бак, выпуская более холодную воду в нагревательный элемент. Нагретый воздух или воду используют для различных коммунальных целей. Дневная производительность на широте 50° может достигать 2 кВт · ч с квадратного метра (до 600 кВт · ч тепла в год). КПД солнечных коллекторов составляет 40–50 %. Одноконтурные водонагреватели можно использовать сезонно или в местностях, где нет отрицательных температур в течение всего года. Для местности с холодным климатом существует опасность того, что зимой вода в такой системе может замёрзнуть. Поэтому существуют более сложные системы, использующие антифриз в закрытом цикле системы циркуляции, соединённой через водообменник с теплоизолированным баком горячей воды внутри 194

помещения. Конечно, такие системы имеют бóльшую стоимость и обладают меньшей (≈ 40 %) эффективностью. Большой объем работ по применению солнечной энергии в этих целях выполнен в США, Германии, Японии, Австралии и ряде других стран. В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой, используется более 800 тыс. солнечных коллекторов, которые производят около 15 млн ГДж тепла и обеспечивают горячей водой 70 % населения. В феврале 2000 г. в Германии был принят многообещающий закон по возобновляемой энергетике как дополнительная поддержка программе «100 000 солнечных крыш», в которой главная роль отведена использованию солнечной энергии. Эта важнейшая программа мирового уровня, ее цель – стимулировать инвестиции частных лиц, мелкого и среднего бизнеса в создание возобновляемых энергоисточников, соединенных с энергетической сетью. Аналогичные программы принимаются в других странах. Путём экономии топлива и уменьшения других производственных расходов котельных в летний период, солнечные коллекторы создают возможность снизить стоимость теплоснабжения и горячего водоснабжения в холодные зимние месяцы. Если экономически корректно определить затраты на производство горячей воды в летние месяцы, то применение солнечных коллекторов может оказаться экономически оправданным во многих случаях. 6.5. Экологические последствия развития солнечной энергетики

Солнечные электростанции ещё недостаточно изучены, поэтому их нельзя сразу отнести к экологически чистым предприятиям. В лучшем случае только стадия эксплуатации может оказаться экологически чистой. Главные препятствия использования энергии Солнца – очень большая рассеянность солнечной энергии на Земле и неравномерность поступающей на земную поверхность солнечной радиации. Потоки солнечной энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Это приводит к низкому коэффици195

енту использования солнечной энергии (обычно менее 15 %), а также к значительному отчуждению земель под строительство солнечных электростанций (табл. 6.6). За время существования человеческого сообщества количество земель, необходимых для обеспечения жизненных потребностей одного человека, сократилось на несколько порядков величины. Таблица 6.6 Площади отчуждаемых земель для выработки 1 МВт·год электроэнергии Тип электростанции

АЭС

Площадь, га

6,3

мазут 9

ТЭС газ уголь 15

24

ГЭС

Солнечный

Ветряной

2650

1000

1700

Развитие возобновляемых источников энергии, включая солнечную, будет требовать дальнейшего значительного увеличения земельных площадей. Например, размеры необходимых площадей для получения с них 1 МВт энергии изменяется от 1 до 6 га, хотя это несколько меньше, чем для ГЭС, но значительно больше, чем для ТЭС и АЭС; к тому же в приведенных значениях не учитывается изъятие земли на стадиях добычи и обработки сырья. Солнечная энергетика, как и большинство альтернативных источников, относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Согласно расчётам на изготовление простейших коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2 требуется примерно 10 тыс. т алюминия, на получение которого тратится большое количество энергии. Создание глобальной системы гелиоэнергетики поглотило бы, по крайней мере, 20 % известных мировых ресурсов железа. Крупномасштабное использование альтернативной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления различной аппаратуры и их перевозки. Трудовые затраты в альтернативной энергетике по сравнению с традиционной возрастают на порядки. Так, по некоторым оценкам, для производства 1 МВт·год солнечного электричества потребуется затрат времени и людских ресурсов в сорок раз 196

больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе (уголь, мазут, природный газ). Труднопреодолимые препятствия на пути развития альтернативных источников – их низкий коэффициент готовности (коэффициент использования установленной мощности – КИУМ) и уязвимость по отношению к различным природным и погодным условиям. Коэффициент готовности (КИУМ) солнечной и ветровой энергетики составляет всего 20−40 %, в основном из-за зависимости от погодных условий, неконтролируемых человеком. В то время как коэффициент готовности гидроэнергетики достигает величины порядка 50 %, соответствующий коэффициент готовности ядерной энергетики равен 80−90 %. Для преодоления недостатков, связанных с неравномер-ностью работы солнечной или ветряной энергетики, нужно либо использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешенная проблема), либо использовать концепцию водородной энергетики, также не доведенную до промышленной реализации. Следовательно, для устойчивого функционирования крупномасштабной солнечной или ветровой энергетики необходимо иметь как базовую, так и резервную глобальную систему, работающую на альтернативном уже по отношению к ним источнике. Строительство солнечных электростанций, работающих на основе паротурбинного цикла с невысоким КПД, может вызвать ряд серьезных экологических проблем. На землях, которые идеально подходят для строительства солнечных электростанций, может начаться истощение водных ресурсов. Дело в том, что солнечная электростанция требует большого количества воды для охлаждения конденсаторов турбин, в то время как в засушливых районах, где они строятся, водные ресурсы невелики. Мощные солнечные станции нуждаются в нескольких миллиардах литров воды в год. В частности, подобные конфликты между «солнечными проектами» и сохранением водных ресурсов всё чаще стали возникать в Калифорнии. Вместе с тем техника «сухого охлаждения», которая использует на 90 % воды меньше, чем при «мокром охлаждении», стоит намного дороже, что, естественно, снижает эффективность работы солнечной электростанции. Таким образом, при строительстве солнечных тепловых электростанций надо попытаться сохранить драгоценные источники воды и защитить пустынных черепах 197

и других существ, которым может не понравиться соседство с целыми полями зеркал. Солнечные фотоэлектрические станции не нуждаются в таком охлаждении, как тепловые. Однако при крупномасштабном производстве фотоэлементов повышается уровень загрязнений на предприятиях микроэлектронной промышленности, производящих фотоэлементы. Сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например свинец, кадмий, галлий, мышьяк и др., используемые с целью повышения эффективности преобразования, а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный (30–50 лет) срок службы, и массовое применение солнечных батарей поставит в ближайшее же время сложный вопрос утилизации фотоэлементов, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения. Поэтому в настоящее время исследуются возможности достойной замены соединениям кадмия и других токсичных веществ при производстве современных фотоэлементов. Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, приводящие к сильным изменениям почвенных условий и растительности. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы. Серьезные экологические проблемы могут возникнуть в связи с необходимостью аккумулирования энергии солнечных электростанций. Так, использование электрических аккумуляторов и их последующая утилизация, связанная с извлечением токсичного свинца, вызывает ряд опасных заболеваний при увеличении концентрации свинца в организме людей и домашних животных. Космические солнечные станции за счёт использования СВЧизлучения могут оказывать влияние на климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его влияния. Некоторые оценки для сравнения экологических показателей различных методов производства электроэнергии приведены в табл. 6.7. 198

Таблица 6.7 Экологические показатели работы электростанций Затраты на Объем Расход Сброс Объем выбросов Изъятие охрану Вид свежей сточных твердых земель природы, электро- в атмоводы, вод, отходов, сферу, га/МВт·ч % общих станции 3 3 м /МВт·ч м /МВт·ч кг/МВт·ч затрат м3/МВт·ч Солнечная – – 0,02 – 2–3 – Ветровая – 0,01 – 1–10 1 Геотермальная 1 – – – 0,2 1 Энергия биомассы 2–10 20 0,2 0,2 0,2–0,3 – ТЭС: 30 1,5 200–500 0,5 40–60 20–35 уголь 10 0,5–0,8 0,2 0,2 2–5 2–15 газ ГЭС – – – – 100 2 АЭС – 70–90 0,5 0,2 2,0 50

Надежды на широкомасштабный бум солнечной энергетики поугасли в последнее время из-за двух причин: 1) возможного прекращения срока действия значительных налоговых льгот на инвестиции в солнечную энергетику, от которых, по словам ее защитников, зависит будущее этого сектора экономики (США, Германия и некоторые другие страны), 2) введения моратория на прием новых заявок на установку солнечных батарей на федеральных землях (например, в США) для проведения экологических экспертиз в регионах размещения солнечных электростанций. Контрольные вопросы и задания

1. Оцените энергию фотонов (Еф, эВ) солнечного излучения в максимуме спектра (λ ≈ 0,5 мкм). 2. Что препятствует широкому распространению солнечных ТЭС? 3. Если солнечную энергию расценивать на деньги по весьма низкой цене – 2 цента за киловатт-час (половина стоимости электроэнергии в США), то окажется, что за каждую секунду Земля получает энергии от Солнца на миллиард долларов. Докажите это. 199

4. Докажите, что солнечная тепловая электростанция, зеркала которой расположены на площади 300×300 км в пустыне Сахара, способна обеспечить электроэнергией весь мир. Принять, что средний КПД электростанции 15 %, а мировая годовая потребность в электроэнергии составляет 18·1012 кВт · ч. 5. В районе Крыма среднесуточный поток солнечной энергии составляет около q = 250 Вт/м2. Эта энергия фокусируется с помощью зеркал на паровой котел, где образуется водяной пар, поступающий в турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию мощностью W = 100 МВт. Какова должна быть площадь S зеркал, если КПД преобразования солнечной энергии в электричество составляет 25 %? 6. Докажите, что солнечная тепловая электростанция с паротурбинным циклом преобразования энергии электрической мощностью W = 1 ГВт и КПД = 25 % должна сбрасывать в окружающую среду путем охлаждения ее конденсаторов Q2 = 3 ГВт тепловой энергии. Список литературы 1. Кокорев Л.С., Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные энергетические установки. М.: Атомиздат, 1980. – 216 с. 2. Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. – 344 с. 3. Наногетероструктурные фотоэлектричские преобразователи солнечной энергии //Андреев В.М., Румянцев В.Д., Лантратов В.М., Шварц М.З., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А./ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН. Первый Международный форум по нанотехнологиям, 3–5 декабря 2008. 4. Алферов Ж.И. Перспективы электроники в России. Гетероструктурная электроника и акустоэлектроника // Электроника. Наука, технология, бизнес. 2004, вып. 6. 5. Clean Power from DESERTS. The DESERTEC Concept for Energy, Water and Climate Security. WhiteBook – 4th Edition. Protext Verlag, Bonn. – 2009. 6. Взрывная дейтериевая энергетика / Иванов Г.А., Волошин Н.П., Ганеев А.С., Крупин Ф.П., Кузьминых С.Ю., Литвинов Б.В., Свалухин А.И., Шибаршов Л.И. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004. – 288 с. 7. Солнечная энергетика: Учебное пособие для вузов / Виссарионов В.А. и др. / Под ред. В.А. Виссарионова. М.: Изд-во МЭИ, 2008. – 276 с. 200

Глава 7. ЭКОЛОГИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 7.1. Развитие ветровой энергетики

Энергия ветра – «косвенный» (непрямой) вид солнечной энергии, в отличие от рассмотренной в предыдущих главах непосредственной формы солнечной энергии. Излучение Солнца вызывает температурные изменения воздуха вблизи поверхности земли, которые являются первоосновой ветров. Сферическая форма поверхности и вращение Земли, сезонные и региональные флуктуации интенсивности солнечного излучения создают пространственные разности атмосферного давления. Указанные факторы и приводят к движению воздуха – ветру. Перегрев воздуха на экваторе создаёт компенсационные потоки между экватором и полюсами. Кроме этих мощных компенсационных потоков воздуха имеются локальные воздушные потоки, возникающие вблизи земной поверхности из-за областей повышенного и пониженного давления. Кориолисова сила отклоняет воздушные потоки. Из-за вращения Земли воздушные массы в Северном полушарии закручиваются вправо, а в Южном – влево, что, в конечном итоге, приводит к вращению масс воздуха вокруг областей низкого давления. Ветровые ресурсы особенно велики на побережьях, так как ветер может беспрепятственно двигаться через гладкие поверхности морей. Кроме того, в прибрежных областях разница температур воды и земли вызывает локальные компенсационные потоки воздуха. Днём солнце нагревает землю быстрее, чем воду, и ветры дуют на сушу, проникая на глубину до 50 км. Ночью земля охлаждается быстрее моря, и ветры дуют в противоположном направлении. В настоящее время карты ветров и программы для оценки его скорости созданы в большинстве развитых стран мира. Для прибрежных территорий характерны ветры со средней скоростью более 6 м/с, тогда как на континентальных участках суши она обычно менее 3 м/с. С точки зрения ветровых условий благоприятны также горные области. 201

Ветер, обладающий кинетической энергией, можно использовать в технических системах для получения других видов энергии. Плотность потока энергии ветра может намного превосходить плотность потока солнечного излучения: 10 кВт/м2 во время сильного (жёсткого) шторма и свыше 25 во время урагана, тогда как плотность потока энергии солнечного излучения на поверхности земли, в основном, не превышает 1 кВт/м2. В то же время при слабом ветре (5 м/с) плотность потока энергии ветра составляет всего лишь 0,075 кВт/м2 [1]. История использования ветровой энергии насчитывает много столетий. С древнейших времён человек использовал энергию ветра в судоходстве, для замены своей мускульной силы. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. Уже 3000 лет назад энергия ветра использовалась для ирригации. В Египте (около г. Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных ещё во II–I вв. до н.э. В VII в. н.э. в Персии и Афганистане строили ветряные мельницы уже более совершенной конструкции — крыльчатые. Несколько позднее, по-видимому, в VIII–IX вв., ветряные мельницы появились на Руси и в ряде европейских стран, а начиная с XII в. энергия ветра стала широко применяться в Западной Европе. В XIII в. ветродвигатели получили широкое распространение в европейских странах, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков. В Голландии в XVIII в. в дренажных системах использовались уже сотни тысяч таких ветряных «мельниц». Начиная с XIX в. многочисленные ветровые установки стали использоваться в Северной Америке для перекачки воды. В установках для паровых двигателей энергия ветра применялась с начала XX в., а со второй его половины вошла в строй ветровая электроэнергетика. После нефтяного кризиса 1970 г. ветровые установки начали играть заметную роль в мировом энергетическом балансе. Современные ветровые установки практически полностью предназначены для выработки электроэнергии. Начиная с 90-х годов прошлого столетия лидерство в развитии технологий использования энергии ветра захватила Германия, где вклад ветроэнергетики в производство электроэнергии превысил 14 %. Мощность отдельных ветровых генераторов достигла 6 МВт, а их количество 202

сейчас превышает 20 тыс. (в том числе и на прибрежной территории Северного моря). Дания также стала одним из лидеров развития технологий использования энергии ветра. В этой стране вклад ветроэнергетики в производство электроэнергии достиг 17 % За последние два года США обогнали Германию в развитии ветроэнергетики, став мировым лидером по производству ветровой электроэнергии, хотя её доля в энергетическом балансе страны составляет около 1 %. В табл. 7.1 приведены установленные мощности ветровых станций в различных странах мира на конец 2008 г. [2]. Таблица 7.1 Установленные мощности ветровых электростанций в различных странах мира Страна США Германия Испания Китай Индия Италия Франция Великобритания Дания Все страны

Мощность, ГВт 25,2 23,9 16,8 12,2 9,6 3,7 3,4 3,2 3,2 104

Доля в мировом производстве, % 20,8 19,8 13,9 10,1 8,0 3,1 2,8 2,7 2,6 100

Следует отметить, что широкое применение ветроэнергетики, как и большинства других альтернативных источников энергии, требует дальнейшего значительного увеличения земельных площадей. Ограниченность возможности использования суши для строительства ветровых станций приводит к необходимости использования морских прибрежных территорий. Уже сейчас в Германии более 15 % ветровых турбин расположено в прилегающих морях. В настоящее время ветроэнергетика – единственный из альтернативных источников энергии, который развивается в относительно крупных масштабах. Можно ожидать, что через 10–20 лет ветроэнергетика начнет давать заметный вклад в мировое производство электроэнергии (сейчас её вклад составляет около 1 %). Во многих странах потенциал использования энергии ветра огромен. Так, 203

Германия может обеспечивать до трети своих потребностей в электроэнергии, а Великобритания – удовлетворять их полностью. В США строятся грандиозные планы по использованию ветроэнергетики, количество генерируемой на ветровых установках электроэнергии сейчас каждый год вырастает на треть, а к 2030 г. должно достигнуть 20 % от общего производства электроэнергии в стране. В Великобритании к 2020 г. планируется ввести в строй ветровые установки общей мощностью 25 ГВт, расположенные, в основном, в прибрежных водах. 7.2. Ветровые ресурсы, ветровые турбины

Классификация скорости и силы ветра производится в соответствии с 12-балльной шкалой Бофорта: от штиля до урагана (более 32,7 м/с). Важным моментом при использовании энергии ветра является относительное распределение ветров по скорости h(υ ) . Если h(υ ) приведено в групповом разбиении, то средняя скорость ветра (7.1) υ = ∑ h(υ ) ⋅ υ . i

Для прибрежных территорий характерны ветры со средней скоростью более 6 м/с, тогда как на континентальных участках суши она обычно менее 3 м/с. Данная местность характеризуется не только значением υ , но и распределением h(υ ), которое может быть либо непрерывным по υ, либо с промежуточными скачкообразными изменениями скорости ветра, которая обычно регистрируется на высоте 10 м от земной поверхности. Важность знания распределения скорости ветра во времени объясняется тем, что, как будет показано далее, при расчете мощности ветровой энергии оказывается важным усреднение по υ 3 , а не по υ. В настоящее время карты ветров и программы для оценки его скорости созданы в большинстве развитых стран мира. Существуют также многочисленные таблицы и графики частотных распределений скорости ветра по интервалам и их аппроксимации. Исходя из формулы для кинетической энергии ветра, можно показать, что мощность ветра [1, 2] P = 1 2 ⋅ ρ ⋅ A ⋅υ 3 , (7.2) 204

где ρ – плотность воздуха, а A – площадь, охватываемая ветроколесом. Таким образом, мощность ветрогенератора зависит от охватываемой поверхности ротора (ветроколеса) и пропорциональна квадрату длины лопасти и кубу скорости ветра (рис. 7.1). Когда ветровая турбина преобразует энергию ветра в электроэнергию, она замедляет ветер со скорости υ1 до υ2 , при этом масса воздушного потока до и после турбины постоянна (рис. 7.2). Принимая, что скорость ветра υ на высоте турбины равна полусумме скоростей υ1 и υ2 , получаем формулу для расчета используемой мощности ветра: (7.3) PT = 1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ (υ1 + υ2 ) ⋅ (υ12 − υ22 ) . 4 Начальная мощность ветра (мощность набегающего потока) определяется в соответствии с формулой (7.2): P0 = 1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ υ13 . (7.4) 2 Отношение используемой мощности ветра (7.3) к мощности набегающего потока ветра (7.4) называют коэффициентом использования мощности ветра c p , который определяется выражением

2 2 PT (υ1 + υ2 ) ⋅ (υ1 − υ2 ) ⎛ υ2 ⎞ ⎛ υ22 ⎞ = = 1 2 ⋅ ⎜ 1 + ⎟ ⋅ ⎜ 1 − 2 ⎟ . (7.5) P0 2 ⋅ υ13 ⎝ υ1 ⎠ ⎝ υ1 ⎠ Нетрудно заметить, что зависимость c p от величины отношения

cp =

скоростей υ2 υ1 имеет экстремум при υ2 υ1 = 1 3, равный c p = 16/27 ≈ 0,6. В действующих ветровых турбинах теоретического оптимума не достигается, однако хорошие турбины могут использовать до 40–50 % начальной мощности ветра [1]. В ветровых турбинах используются тормозящие и поднимающие системы, которые и снижают приведенный выше коэффициент c p . Ветровые турбины могут быть с горизонтальной или вертикальной осью ротора (ветроколеса), при этом имеется большое количество концепций конструирования ротора. В настоящее время большинство ветрогенераторов имеет горизонтальную ось вращения ротора. Как указывалось ранее, сейчас ветрогенераторы имеют мощность до нескольких мегаватт, а в начале 1980-х их мощность 205

не превышала 100 кВт. Примером агрегата мощностью 600 кВт является ветротурбина TW 600, показанная на рис. 7.3. Основные компоненты ветровой турбины: • лопасти ротора, втулка ротора, тормозная система; • электрический генератор с коробкой передач; • системы измерения скорости ветра и азимутальной ориентировки; • корпус и башня; • системы управления, подстанция, система электропроводов. Для турбины, схема которой представлена на рис. 7.3, диаметр ротора составляет 43 м, а высота втулки – 60 м. Для ветровых турбин мощностью 6 МВт диаметр ротора достигает 114 м, а высота втулки – 95 м. При этом высота башни – 124 м. Стремление увеличивать высоту башни связано с увеличением скорости ветра с ростом высоты подъёма ротора над землёй. 7.3. Влияние ветроэнергетики на природную среду

Прежде всего к достоинствам ветровой энергии следует отнести доступность, повсеместное распространение и неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю. Эта особенность ветра чрезвычайно важна для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника – непостоянство его скорости и, следовательно, энергии во времени. Наряду с такими позитивными аспектами, связанными с использованием энергии ветра, как отсутствие выбросов парниковых газов и других вредных веществ, загрязняющих окружающую среду, наличие большого возобновляемого ресурса этого источника энергии, следует отметить также и негативные с экологической точки зрения аспекты ветроэнергетики. Рассматривая негативное влияние ветроэнергетики на окружающую среду, можно выделить следующие основные моменты: 206

1. Использование для ветровых турбин значительных территорий, которые могли быть использованы, например, для сельскохозяйственных и животноводческих нужд. Так, ветровая турбина мощностью 1 МВт требует до 15 га земли. Для замены только одной АЭС мощностью 4 ГВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч таких ветровых турбин. Ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, «отнимая ветер» один от другого. В связи с этим многие ветровые электростанции располагаются в пустынных областях или прибрежных водах, что, в свою очередь, требует прокладки протяженных линий электропередач до потребителей энергии. Следует отметить: расположение ветровых электростанций в пустынных областях приводит к возникновению серьёзной эрозии почв, а станции, расположенные в прибрежных водах, служат помехой для судоходства (рис. 7.4). 2. Изменения качества пейзажа, особенно, если станции располагать в горной местности, на гряде холмов или в море, вблизи побережья с курортными зонами (рис. 7.5). 3. Серьёзные разрушения флоры и фауны, влияние на популяции диких животных (особенно птиц и летучих мышей). Работающие ветродвигатели создают значительный шум, распугивая птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Особо нужно отметить луговые и лесные пожары, возникающие из-за замыканий в электрических кабелях при поворотах турбин к направлению ветра, а также гибель птиц, летучих мышей и насекомых из-за столкновений с ветровыми турбинами, башнями и примыкающими линиями электропередачи. 4. Работа ветровых турбин создает проблемы звуковых и ультразвуковых воздействий на объекты окружающей среды. При близком расположении ветроустановок к жилищам людей у многих жителей проявляется «ветротурбинный синдром» – болезни сердца, звон в ушах, головокружение, приступы паники и мигрени. Генерируемый ветротурбинами инфразвук вызывает вибрации костей, что может сопровождаться вышеназванными проявлениями. 207

5. Электромагнитное воздействие, влияющее на работу телевидения, радарных систем, установок в аэропортах. 6. Башня ветровой турбины должна быть массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Зарегистрированные в последние годы многочисленные обрушения ветровых башен и разрушения турбин часто сопровождаются возгораниями. При проектном сроке работы турбин 20–30 лет, разрушения зачастую происходят через 5 лет. Контрольные вопросы и задания

1. Какие страны являются мировыми лидерами в использовании ветроэнергетики? 2. Каков вклад ветроэнергетики в мировое производство электроэнергии? 3. В каких областях земного шара сосредоточены основные ветровые ресурсы и почему? 4. Какие величины являются основными характеристиками ветра с точки зрения его использования в ветровых турбинах? 5. Рассчитайте мощность ветра, если его скорость равна 10 м/с, а площадь, охватываемая ветроколесом, – 1000 м2. 6. Определите коэффициент использования мощности ветра, если турбина замедляет его со скорости 9 м/с до скорости 4 м/с. 7. Какова максимальная мощность современного ветрогенератора? 8. Перечислите основные компоненты ветротурбины. 9. Назовите позитивные аспекты, связанные с использованием энергии ветра. 10. Перечислите основные моменты использования ветровых турбин, которые оказывают отрицательное влияние на окружающую среду. Список литературы 1. Volker Quaschning. Understanding Renewable Energy Systems, London, Sterling, VA, 2005, 271 p. 2. Ветроэнергетика / Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1982. – 271 с. 3. Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. М.: Колос, Гелиос, 2008. – 196 с. 208

Глава 8. ЭКОЛОГИЯ БИОТОПЛИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 8.1. Образование и оценка биомассы планеты

Одним из перспективных источников энергии на Земле считается биомасса. «Биомасса» – это термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Она делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную (отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных). Получение энергии из биомассы является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей во многих странах мира. Этому способствуют такие ее свойства, как большой энергетический потенциал и возобновляемость. А также тот фактор, что она может быть произведена и использована без значительных финансовых затрат, что немаловажно для малоразвитых стран. Виды биомассы. Все источники биомассы можно разделить на три основные группы. К первой относятся специально выращиваемые для энергетических целей наземные растения. Наибольшее значение имеют лесоводческие энергетические хозяйства для выращивания эбенового дерева, эвкалипта, пальмы, гибридного тополя и др. Одними из перспективных энергетических культур являются сладкое сорго, земляная груша, сахарный тростник. Ко второй группе источников биомассы относятся различные органические остатки и отходы: • биологические отходы животных (навоз, птичий помет и др.); • остатки от сбора урожая сельскохозяйственных культур и побочные продукты их переработки: багасса (жом сахарного тростника), солома ржи и пшеницы, кукурузные кочерыжки, стебли хлопка, скорлупа земляного ореха, отходы картофеля, рисовые шелуха и солома и др.; • отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки: кора, опилки, древесная щепа, стружка; • промышленные сточные воды (в частности, текстильных, молочных, а также других предприятий по переработке пищевых продуктов); 209

• городские отходы (твердые и сточные воды).

Третья группа – это водные растения: морские водоросли, гигантские ламинарии (бурые водоросли), водяной гиацинт. Наряду с океаном, который рассматривается как основной поставщик крупных морских бурых водорослей, водорослей, обитающих на дне водоема и плавающих в стоячей воде, анализируются возможности использования биомассы эстуарий, соленых и пресноводных болот. Как возможные источники биомассы предлагаются также: гибридный сорго, микроводоросли, пресноводные макрофиты и макроводоросли, маниок (пищевое растение в тропиках). Важно отметить, что растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. Она образуется под действием солнечной энергии при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода. Можно сказать, что биомасса – форма запасённой солнечной энергии. При образовании 1 кг сухой биомассы (например, древесины) поглощается около 1,83 кг CO2 и столько же выделяется при ее разложении (окислении, горении). В результате содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным. Кроме того, биомасса как топливо имеет ряд достоинств. Использование биомассы для получения энергии более экологически безопасно, чем, например, угля, из-за низкого содержания серы в биомассе (менее 0,2 % серы и до 5 % золы в сравнении с 2–3 % серы и 10–15 % золы для угля). Зола может быть возвращена обратно в почву, что обеспечивает замкнутость круговорота биогенных элементов. Эмиссия оксидов азота при сжигании биомассы может быть снижена при использовании современных технологий и понижении температуры сжигания. Производство компоста из переработанной биомассы улучшает структуру почвы и снижает загрязнение стоков и подземных вод. Биомасса также имеет превосходство перед углем благодаря своей более высокой способности к реакции газификации (состав генераторного газа: 18–20 % H2, 18–20 % СО, 2–3 % СН4, 8–10 % СО2, остальное – азот). В связи с малой мощностью электростанций, использующих в качестве топлива биомассу, к их преимуществам можно отнести также короткий срок проектирования и строительства, повышение надежности энергоснабжения, связанное с его децентрализацией, повышение эффективности использо210

вания топлива, снижение остроты проблемы избавления от отходов. Содержание биомассы в биосфере составляет очень большую величину, примерно 800 млрд т, и ежегодно возобновляется 200 млрд т. В мире для энергетических целей используется до 1 млрд т у.т. растительной массы, что эквивалентно 25 % мировой добычи нефти. Потенциальные же ресурсы растительной массы для энергетического использования достигают 100 млрд т у.т. В странах экваториального пояса биомасса остается основным источником энергии. Ее доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35 %, в мировом потреблении энергоресурсов – 12 %, в России – 3 %. Ежегодно в странах СНГ производство биоотходов оценивается в 500 млн т, в том числе отходы городского хозяйства и промышленности – 60 млн т, осадки сточных вод – 7 млн т, отходы животноводства – 230 млн т. Их переработка позволит получить 150 млн т у.т. Человечество непосредственно или косвенно потребляет всего 3,9 % продукции биомассы, выращенной на земной поверхности. Насколько больше могли бы запасти биомассу леса, если бы не превращение их в пастбища и пустыни. В целом человек изымает, ассимилирует или делает непригодным почти 40 % земель, способных давать первичную продукцию, а при стремительном росте населения планеты эта величина может приблизиться к 80 %, что абсолютно неприемлемо. Переработка биомассы. В зависимости от влажности биомасса перерабатывается термохимическими или биологическими способами. Биомасса с низкой влажностью (сельскохозяйственные и городские твердые отходы) перерабатывается термохимическими процессами: прямым сжиганием, пиролизом (термическое разложение), ожижением, гидролизом. В результате получают водяной пар, электроэнергию, топливный газ, водород, жидкое топливо, древесный уголь, глюкозу. Биомасса с высокой влажностью (сточные воды, бытовые отходы, продукты гидролиза органических остатков) перерабатывается биологическими процессами: анаэробным сбраживанием и ферментацией. В результате этих процессов получают биогаз (метан и углекислый газ), органические кислоты, спирты, ацетон. 211

Одним из самых широко применяемых методов переработки биомассы является прямое сжигание древесины и древесных отходов, соломы, торфа, городских твердых отходов и др. Особое место занимает переработка биомассы (сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70 % метана, и органических удобрений. Биогаз – это смесь метана CH4 и углекислого газа СО2, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах – метантенках (генераторах биогаза или автоклавах), устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Теплота сгорания биогаза составляет 10–17 МДж/м3 (при нормальных условиях). Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90 % той, которой обладает исходный материал. Биогаз не содержит окиси углерода и поэтому неядовит, но может вызвать смерть от удушья, так как не содержит кислорода, в смеси с которым взрывоопасен. Остатки после получения биогаза из зелёных отходов имеют высокое содержание азота и могут использоваться в качестве удобрений. Производство биогаза, осуществляется в установках самых разных масштабов: • на малых установках по переработке сельскохозяйственных и бытовых отходов индивидуальных крестьянских фермерских хозяйств, общее количество которых превысило 6 млн шт. (это направление особенно развито в Китае и Индии); • на больших установках по переработке городских сточных вод (более 10 тыс. установок) и комбинированных установках по сбраживанию городских и промышленных сточных вод (более 100 новейших установок); • на мощных комбинированных установках (фабриках) по переработке отходов продукции сельского хозяйства, животноводства и фермерских хозяйств (фабрики получили большое распространение в Дании, где находится 18 из 50 фабрик Европы). Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов. Широкое распространение получили электростанции, на которых сжигаются твердые бытовые отходы (ТБО) городов (США, Дания), а также электростанции, работающие на биогазе свалок 212

ТБО (Италия). В районе большого кольца Парижа работают 19 заводов по термической переработке ТБО общей суммарной установленной мощностью около 4 млн т в год. Термическая переработка отходов позволяет направлять в городские сети около 130 ГВт ⋅ ч электроэнергии и обеспечивать отоплением и горячей водой примерно 240 тыс. домов парижан. В России ТБО вывозятся на полигоны, площадь которых составляет около 15 тыс. га. С 1 га полигона в течение одного года можно собрать около 1 млн м3 биогаза. Таким образом, его ежегодное производство в стране могло бы составить 15 млрд м3. Стратегии развития биоэнергетики существенно отличаются в различных странах. Так, Австрия концентрирует свои усилия на строительстве станций централизованного теплоснабжения мощностью 0,5–10 МВт, использующих в качестве топлива отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности. В Дании, Швеции и Финляндии около 70 % полученной из биомассы тепловой энергии вырабатывается на малых теплоэнергетических централях (мини-ТЭЦ), остальная часть – на станциях централизованного теплоснабжения. В большинстве случаев мини-ТЭЦ (мощностью 10–80 МВт) используют в качестве сырья смесь биомассы и традиционных видов топлива. А в США почти все станции, работающие на промышленных и сельскохозяйственных отходах, вырабатывают электроэнергию. В Великобритании строится электростанция, топливом для которой будет служить солома. Кроме того, из 1 млн т соломы можно получить 100 тыс. т этилового спирта, 140 млн м3 метана и десятки тысяч тонн удобрений. Долю дров в энергетическом балансе США к 2015 г. намечено увеличить с 1 до 15 %. Важное достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале. Другой разновидностью биотоплива (любое топливо из возобновляемого сырья) является спирт, который можно получать, например, из сахарного тростника путём ферментации (сбраживания) и перегонки.

213

8.2. Производство биомассы для нужд энергетики

Мировое сообщество всё более активно работает над переходом на возобновляемые источники энергии. Главными стимулами для этого являются неуклонный рост цен на углеводородное топливо, ограниченность его ресурсных запасов, а также рост выбросов парниковых газов на основе углерода, который связывают с глобальным потеплением. Наиболее перспективен в этом направлении ускоренный переход на биотопливо, сырьё для которого растительного происхождения. Уже сейчас в сельском хозяйстве многих стран выделяется специальное направление – выращивание биотопливного сырья. В настоящее время используют следующие технологии получения биоэнергии: • сжигание сырья растительного происхождения (дрова, солома и пр.); • переработку твёрдых городских отходов для получения биогаза; • использование растительных масел в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания; • биоконверсию или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных условиях с образованием биогаза; • термохимическую конверсию (пиролиз, газификация, синтез) твёрдых органических веществ (торф, дерево и др.) с получением газа, искусственного бензина. Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями наиболее экологически безопасны. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твёрдые органические вещества теряют запах, в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы и образуются дополнительный корм для скота и удобрения. Энергетическая ферма – учреждение, которое практически полностью обеспечивает себя электричеством и теплом, производимом из возобновляемых источников энергии. Энергетическая 214

ферма производит энергию в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства и тех видов промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы. В Индии созданы «биобактерии», в которых для выработки электроэнергии используются биоотходы овощей и фруктов. Разработана технология быстрого пиролиза биомассы – термического разложения органических соединений без доступа воздуха. Из одной тонны древесных опилок можно получить 700 кг жидкого топлива. В странах Африки и Южной Америки (с тёплым климатом, но с недостатком энергоресурсов) в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания широко используется растительное масло. Двигатели стали экономичнее, а так как в масле нет серы, они не выбрасывают вредных веществ. Перспективным следует признать использование определённых растений, содержащих повышенное количество углеводородов (эвкалипт, арахис, кукуруза и др.). В Бразилии, самом крупном в мире производителе этанола, и ряде других стран в качестве топлива используется этиловый спирт C2H5OH, получаемый из сахарного тростника и кукурузы. Объём его потребления в Бразилии уже составляет 40 %, и считается возможным удвоить выпуск биотоплива до 2015 г. В США на нескольких заводах из биомассы производят спирт. На рис. 8.1 приведены данные по некоторым возобновляемым видам энергии, которую можно получить с одного гектара площади, а также её стоимость. С помощью ветровой и солнечной энергии вырабатывается электричество, остальные источники производят биотопливо. Всё большее значение во многих странах приобретает биоконверсия – разложение бытовых отходов без доступа воздуха с получением биогаза и других продуктов. Например, в России отходы животноводства составляют 20 млн т в год, из которых при переработке можно получить 35 млрд м3 метана или 50 млн т у.т. Во многих странах используются биогенераторы, вырабатывающие газ из отходов, принцип действия которых показан на рис. 8.2. В Австралии сточные воды подвергаются биологической очистке с помощью специально подобранных микроорганизмов с выде215

лением метана и сероводорода H2S. Используются сине-зелёные водоросли для синтеза водородного топлива: этот вид водорослей способен в процессе фотосинтеза преобразовать солнечную энергию в энергию водорода. Термохимическая конверсия органических веществ (торф, древесина и др.) является источником искусственного бензина. Быстрый рост мирового производства энергии различными источниками, в том числе и за счёт биотоплива, показан на рис. 8.3. Мировой объём используемого биотоплива по оценкам аналитиков к 2015 г. увеличится в 2 раза. Крупнейшим экспортёром биотоплива останется Бразилия. На европейском рынке лидирующие позиции по производству биотоплива окажутся у Германии, за ней будет идти Франция. На азиатском рынке значительно усилятся позиции Индии как производителя альтернативного вида топлива. Также станут выделяться в качестве производителей Китай, Индонезия, Малайзия, Филиппины и Таиланд. Прогнозируется наибольший спрос со стороны США и стран ЕС. 2009 г. стал успешным для производителей биотоплива. В мире было выпущено 54 млрд л различных его видов. Больше всего произведено этанола – 46 млрд л. Причём 95 % его производства пришлось на США и Бразилию. Однако в общемировом потреблении жидкого горючего биотопливо составило всего 1,5 %. Так что темп вытеснения им бензина остаётся невысоким. В Европе уже существует норма, по которой в составе топлива должны присутствовать не менее 6,5 % биологических компонентов. Отходы сельскохозяйственных культур можно оценить по так называемым коэффициентам доступности (табл. 8.1). Их значения можно получить, определяя общее количество отходов как произведение урожайности на коэффициент отходов. Затем доступное количество отходов определяется как произведение общего количества отходов на коэффициент доступности, показывающий долю общих отходов от собранного урожая. Возможность использования сельскохозяйственных отходов в качестве сырья для производства энергии зависти от их сезонной доступности, которую надо учитывать при хранении этих продуктов. 216

Таблица 8.1 Показатели при определении количества сельскохозяйственных отходов как энергетического сырья Сельскохозяйственная культура Сахарная свёкла Картофель Кукуруза Пшеница Посевные травы

Коэффициент отходов 0,52 1,40 1,10 2,53 4,44

Коэффициент доступности, % 90 90 90 85 60

Отходы к использованию, % 100 100 45 99 97

Для нужд энергетики можно привлечь биоресурсы Мирового океана, прирост биомассы которых ежегодно составляет почти 40 млрд т у.т., т.е. около 40 % общего прироста биомассы планеты. Важными преимуществами производства морской биомассы являются отсутствие ограничений по площади и значительная урожайность водных культур. Для сравнения, максимальная урожайность растений суши составляет до 35 т/га при росте 0,5 т/га, а урожайность у водорослей может оказаться более 100 т/га с приростом 2 т/га. «Рекордсменом» является морская капуста, урожайность которой достигает 1500 т/га. Наряду с океаном, который рассматривается как основной источник крупных морских бурых водорослей, бентических растений (обитающих на морском дне) и плавающих в стоячей воде водорослей, оценивают возможность и определяют ресурсы биомассы эстуариев, солёных и пресноводных болот. Данные из табл. 8.2 показывают продуктивность некоторых морских растений, у которых намного выше продуктивность, чем у более сложных наземных растений. В то же время, несмотря на то, что 50–70 % водорослей может ферментироваться в метан, потенциальные возможности образования биомассы водорослей ограничены. Например, чтобы функционировала одна крупная углегазификационная установка, необходимо отвести под водоросли площадь 500 тыс. га, что в свою очередь ведёт к большому расходу воды и питательных веществ. 217

Таблица 8.2 Продуктивность наземных и морских растений Тип растения

Годовая продуктивность, кг/м2

Наземные: деревья травы

0,9–2,8 1,1–6,8

Морские: водоросли (пруды) водоросли (лабораторные культуры) бурые водоросли (естественные условия)

4,5 6,8–13,5 4,9

8.3. Биоэнергетические установки

К способам получения энергии из биомассы относится непосредственное сжигание. При полном сгорании органических веществ образуются диоксид углерода и вода, в то время как при неполном сгорании образуются зольные частицы, дым, смолистый аэрозоль, а также неприятно пахнущие и вредные газы с карбонилсодержащими соединениями и оксидом углерода. Присутствие воды в биомассе не снижает выход тепла, но уменьшает эффективность процесса, что связано с необходимостью нагрева воды и её испарения при температуре сжигания. Основной целью повышения качества биомассы является её превращение в транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива. Путём сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов получают твёрдые, жидкие и газообразные соединения. Пиролиз – процесс термического разложения органических соединений, происходящий при температуре 800–900 °С. При такой высокой температуре жидкие продукты пиролиза газифицируются, а дальше газифицируется также и уголь с образование синтез-газа, смеси оксида углерода и водорода. Превращение биомассы в газы при сжигании рассматривается как газификация, а сухая перегонка – как анаэробный процесс. Сжижение охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы. 218

Важной стороной применения биогазовых установок является предотвращение загрязнения воздушного и водного бассейнов, почвы и посевов благодаря утилизации и дезодорации навозных стоков крупных животноводческих ферм и комплексов, получению обеззараженных высокоэффективных органических удобрений. Получение биогаза, возможное на установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10–12 м3 метана. Производство биогаза из органических отходов даёт возможность решать три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений) и экологическую. Выход биогаза при метановом сбраживании сельскохозяйственных отходов может достигать величины 0,7 м3 на 1 кг сухого вещества с теплотой сгорания до 7,3 кВт · ч/м3. При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствии кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа. На первом этапе сложные органические полимеры под действием разнообразных видов анаэробных бактерий разлагаются до более простых соединений, а на втором – метанообразующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду. Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов. К факторам, влияющим на процессы биохимических превращений, относится как температура, сказывающаяся на качестве биогаза, так и метаболическая активность и уровень воспроизводства метановых бактерий. В табл. 8.3 приводятся значения эффективности для нескольких видов топлива, а на рис. 8.4 – типичные объекты брожения [1]. Необходимо отметить также, что при оценке биоресурсов учитывается энергия, которая экологически и экономически обоснована на сегодняшнее время. Важным вопросом является рациональное использование биогаза в сельскохозяйственном производстве, поэтому требуется преду219

сматривать аккумулирование биогаза в определённом объёме для его постепенного расходования по мере необходимости. Таблица 8.3 КПД использования биомассы Технология Использование дровяного парового котла Сжигания биомассы в псевдоожиженном слое Комбинированный цикл интегрированной газификации с использованием биомассы

КПД, % 20–25 23–27 27–48

8.4. Источники биомассы

Как уже отмечалось, источниками биомассы могут быть не только продукты биологического происхождения. Рациональное использование и удаление твёрдых городских отходов в крупных городах является важной проблемой защиты окружающей среды от загрязнения. К таким отходам относятся домашние отходы, отходы лёгкой промышленности и строительный мусор. Их общее количество может достигать сотни миллионов тонн в год, и примерно 80 % этих отходов относятся к горючим материалам. Известно, что значительную роль в обеспечении экологической безопасности играет решение вопросов хранения, переработки и утилизации отходов. При анализе отходов в первую очередь определяют их влажность, а также содержание летучих веществ, углерода и золы. В составе типичных твёрдых городских отходов содержание углерода и водорода достаточно высокое и может достигать 30 % от общей массы. В табл. 8.4 показан типичный состав твёрдых городских отходов с теплотой сгорания – 10000 кДж/кг. Наиболее высокая теплота сгорания может изменяться в пределах от 9300 до 11 600 кДж/кг. Важнейшей характеристикой твёрдых городских отходов с учётом их дальнейшего использования в качестве топлива является низкое содержание в них серы (как правило, десятые доли процента), что значительно ниже, чем в высококачественном топливе городских котельных. 220

Таблица 8.4 Состав типичных городских отходов Компонент Бумажная смесь Древесина Текстиль Пластмасса и резина Пищевые отходы Пыль и зола Металлы Стекло

Среднее содержание, масс. % 45 4 1 5 25 7 6 7

По некоторым оценкам, для обеспечения рентабельности предприятия по производству энергии из отходов необходимо перерабатывать не менее 270 т отходов в сутки. Такие предприятия выгодно строить в крупных городах с населением 150–200 тыс. человек, получая при этом примерно 1015 кДж энергии в год. Часто, прежде чем использовать твёрдые городские отходы в качестве топлива, их приходится обогащать: отделять металлы и стекло, производить осушку отходов и т.д. В результате обогащения теплота сгорания топлива, полученного из отходов, приближается к теплоте сгорания угля. В табл. 8.5 приводятся сравнительные расчёты стоимости выработки электроэнергии (в ценах 1980 г.) при сжигании отходов. Отметим, что в настоящее время затраты на простое сжигание 1 кг мусора составляют уже 65 центов, и если не переходить на другие технологии ликвидации отходов, то затраты будут только расти. В России при переходе к рыночной системе хозяйствования старые методы использования вторичных материалов, являющиеся мощным фактором ресурсосбережения, перестали работать. В новых условиях не созданы пока условия, которые стимулировали бы сбор и использование вторичного сырья. Специализированные предприятия, занимавшиеся ранее переработкой вторичных материалов, частично перешли на другие виды деятельности, что привело к резкому сокращению сбора вторичного сырья. 221

В последнее время даже отстои сточных вод рассматриваются как один из видов твёрдых городских отходов, в которых содержание органической части может доходить до 70 %. В необработанном отстое содержится примерно 16 300 кДж/кг сухого вещества, что при современных темпах накопления отстоя городских сточных вод может дать до 1015 кДж/кг. Таблица 8.5 Стоимость утилизации твёрдых городских отходов Способ утилизации Мусорные свалки Простое сжигание Сжигание и выработка электроэнергии Пиролиз Анаэробное брожение

Стоимость, дол./т отходов 15 20 24 26,6 38,8

Однако практическое использование отстоя в качестве топлива вызывает существенные затруднения. Основная трудность состоит в том, что высокое влагосодержание не позволяет использовать отстой без осушки, на которую расходуется фактически вся выделяемая в процессе его горения энергия. Плюс затраты на предотвращение загрязнения окружающей среды. Одним из наиболее эффективных методов получения энергии из отстоя городских сточных вод является производство метана путём анаэробного перегнивания отстоя. Но существующие установки для такого процесса эксплуатируются в основном для частичной обработки отстоя и уменьшения его объёма. А бóльшая часть метана теряется. Растительные остатки состоят преимущественно из целлюлозы, содержащей углерод, могут быть подготовлены для производства из них энергии. Однако их ещё можно эффективно использовать для производства бумаги, повышения плодородия почвы и как вещества, разлагающие органические соединения в почве с целью повышения эффективности действия химических удобрений. Растительные остатки могут оставаться на полях после сбора урожая или удаляться с поля вместе с урожаем. Последние составляют бóльшую часть отходов, которые поступают на перерабатывающие предприятия. 222

Возможность использования растительных остатков для производства энергии зависит от характера преобладающей культуры, которой засеиваются большие площади, и количества остатков, собранных с единицы посевной площади. Полевые культуры дают больше растительных остатков, чем овощные. Количественно можно оценить массу собираемых растительных остатков для конкретной сельскохозяйственной культуры, умножив её полную массу на отношение сухой массы наземных остатков к массе собранного с полевой влажностью урожая. Для отдельных видов сельскохозяйственных культур эта величина меняется в пределах от 0,07 (свёкла) до 1,75 (пшеница). Представленные численные значения зависят не только от вида культуры, но и условий её выращивания, способов сбора урожая и метода определения самой величины. Как правило, чем выше выход продукции с единицы площади, тем больше доля растительных остатков. Основные характеристики растительных остатков – размер частиц, плотность, содержание влаги и золы. В основном все они относятся к относительно сухим культурам: содержание влаги в них составляет примерно 15 %. Теплота сгорания большинства остатков колеблется в пределах 11 500–18 600 кДж/кг, а полная энергия, которую можно получить из растительных остатков, на примере США, может составлять до 1016 кДж/год. Сезонность образования растительных остатков является отрицательным фактором, так как чтобы обеспечить равномерное использование отходов, приходится сооружать для них специальные хранилища, обеспечивая в них надлежащие условия хранения. Очевидно, что экономическая выгода в первую очередь будет зависеть от возможности переработки растительных остатков вблизи их сосредоточения. Промышленные отходы также могут быть источниками энергии только в случае, если они являются органическими веществами. Поэтому для получения энергии наибольший интерес представляют отходы пищевой промышленности. Однако наличие большого количества влаги в них существенно ограничивает возможность получения тепловой энергии путём прямого сжигания отходов. Поэтому наиболее целесообразно использовать их для получения метана. 223

В целом отходы пищевой промышленности не представляют большого интереса для производства энергии, поскольку существует сильная конкуренция со стороны сельского хозяйства из-за возможности использования эти отходы в качестве корма для животных. Продукция леса являлась основным видом топлива до конца XIX в., пока на смену древесине не пришли сначала уголь, а затем нефть и газ. Появление новых видов топлива, истощение лесов и потребность в сырье для производства бумаги и строительных материалов привели к резкому сокращению использования продуктов леса в качестве топлива. С точки зрения дополнительных источников энергии [2] серьёзное внимание уделяется только двум видам отходов, образующимся в процессе производства древесной массы и бумаги: коре и отходящему ему чёрному щёлочному раствору. Этот раствор представляет собой жидкость, которая накапливается в процессе подготовки древесины и содержит большое количество растворённых органических соединений. Например, твёрдые вещества раствора содержат более 40 % углерода. Однако в этих растворах содержится также много различных загрязняющих веществ, что требует дополнительных расходов при эксплуатации регенерационного оборудования. Поэтому в настоящее время только несколько процентов от полного расходования продуктов леса используется в качестве топлива. 8.5. Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на окружающую среду

Уровень загрязнения окружающей среды при сжигании соответствующего вида топлива существенно зависит от содержания в нём азота и серы. В деревьях содержание азота не превосходит 1,5 % и серы 0,1 %; в различных видах сельскохозяйственных культур содержание азота колеблется от 0,4 до 4,5 %, а серы – не более 0,2 %, что значительно меньше, чем в традиционном топливе – угле. Однако неблагоприятные воздействия на объекты природной среды при энергетическом использовании биомассы имеют место. Наблюдаются выбросы твёрдых частиц, канцерогенных и токсич224

ных веществ, а также тепла. Происходят истощение и эрозия почв и накопление большого количества отходов. При переработке отходов сельскохозяйственного производства необходимо соблюдение требований защиты окружающей среды: • устранение эмиссии неприятных запахов при получении и хранении отходов; • предотвращение загрязнения продукции и заражения людей и животных возбудителями болезней; • предотвращение перегрузки почвы, воды и растений вредными веществами. Окультуривание обширных пространств ведёт к существенному снижению поглощающей способности флоры планеты. Например, превращение торфяников Индонезии в плантации для получения пальмового масла снизило такую способность примерно в 400 раз. Производство биотоплива на соевой основе в Бразилии также приведёт к снижению поглощения диоксида углерода более чем в 300 раз. Чрезмерная расчистка земель приводит к значительному увеличению выброса углерода в атмосферу. С точки зрения смягчения глобального потепления конверсия земель для производства биотоплива чаще всего вредна, а в лучшем случае бессмысленна. Вызывает беспокойство использование зерновых культур для производства спирта в качестве заменителя моторного бензина, поскольку из-за сокращения площадей пищевых культур может возрасти численность голодающего населения. В табл. 8.6 приводятся данные по площадям, необходимым для выращивания зерна на продовольственные нужды и производства топлива (спирта). Часто цитируется, что количества зерна, использованного для производства полного бака этанола для большой машины, было бы достаточно, чтобы прокормить одного человека целый год. Таблица 8.6 Сравнительные размеры площадей, необходимых для производства продуктов питания и топлива Показатель Полуголодный рацион питания Обильный рацион питания

Площадь, га 0,08 0,36

Европейский автомобиль (11300 км/год при 160 км/л) Автомобиль США (16000 км/год при 100 км/л) 225

1,32 3,12

Не стоит забывать, что производство биотоплива приводит и к крупным проблемам, одна из которых – серьёзное истощение посевных земель вследствие применения большого количества химикатов и несоблюдения севооборота. В результате уже через 5–6 лет земли для выращивания продукции пищевого цикла станут не пригодными для этих целей. Глобальное сельское хозяйство на сегодняшний день уже даёт пищу более 6 млрд человек, а дополнительная нагрузка будет способствовать разрушению экологической среды. В табл. 8.7 показана степень риска, связанная с осуществлением лишь одного процесса – получения метанола из древесины. Метанол считается достаточно чистым топливом, однако риск, связанный с его производством, велик. В лесном и сельском хозяйствах число несчастных случаев выше, чем при добыче ископаемых видов топлива. Кроме того, работа с большими партиями древесины также характеризуется высокой степенью риска для рабочих, занятых в этих отраслях. Другая проблема, связанная с выращиванием лесов для целей производства топлива, – уплотнение почвы колёсами тяжёлых машин, используемых для вывозки лесной биомассы. Уплотнение повышает сток, способствует эрозии и ухудшает условия роста корней. Кроме того, рассматриваются и социальные последствия: организация энергетических плантаций не может не изменить характера фауны, внешнего вида ландшафта. Таблица 8.7 Степень риска при производстве и использовании различных видов топлива [3] Источник энергии

Потери на произведённой энергии, чел.-дн/100 ГДж производство использование

Уголь Нефть

232 57

6381 6095

Ядерная энергия Природный газ

28 19

4,4 –

4032

1,3

Метанол из древесины

226

Несмотря на то, что некоторые биоэнергетические процессы представляют собой также методы удаления отходов, они неизбежно ведут к появлению других остатков, которые должны быть удалены. Производство биотоплива предполагает обработку большого количества органического вещества, вызывая образование новых твёрдых, жидких и газообразных отходов. Европейская комиссия поставила задачу использовать к 2020 г. альтернативные источники энергии как минимум в 10 %, поддерживая использование биотоплива и других возобновляемых источников энергии в транспортном секторе. Однако жизнь внесла свои коррективы. На волне удорожания нефти биотопливо рассматривалось как постепенно замещающий аналог бензина. Сырьевой ресурс производства биотоплива выглядел безграничным. В расчёт не принималось, что для производства одного литра биотоплива требуется более одного литра бензина, а расход двигателем топлива на основе этанола на 25 % превосходил расход бензина. Но в это время разразился глобальный экономический кризис. Было предложено снижение динамики внедрения биотоплива до 0,5 % в год, а цель – 5 % – должна быть достигнута не ранее 2014 г., что на три года позже намеченного. Более того, дальнейшее внедрение обязано быть сопряжено с выполнением требования к компаниям применять продвинутые технологии, которые поддерживали бы использование топлива второго поколения. Биотопливо второго поколения – это синтетическое топливо, получаемое из биомассы и имитирующее химические характеристики ископаемого топлива, что позволяет лучше интегрировать его в существующие топливные системы. Такое топливо можно производить с большей долей «деревянной» биомассы, например из соломы, а не самой кукурузы. Лучшие виды биотоплива могут выделять в 10 раз больше энергии, чем израсходовано на производство, и при использовании таких видов биотоплива выделяется лишь четверть того количества парниковых газов, которое выделилось бы при использовании их ископаемых эквивалентов. В отличие от лучших образцов биотоплива худшие требуют гораздо больше затрат энергии при производстве и выделяют много парниковых газов. Увеличение выбросов парниковых газов может 227

быть и не напрямую связано с самим топливом, увеличение выброса, например, происходит за счёт газов, выделившихся во время лесных пожаров, организованных для расчистки сельскохозяйственных площадей. Пищевые ресурсы, используемые при производстве биотоплива первого поколения, могут успешно пойти на производство продуктов питания. Необходимо учитывать непрямое влияние биотоплива на производство пищевых продуктов, разнообразие выращиваемых культур, цены на питание и площадь сельскохозяйственных земель. И хотя биотопливо гораздо более выгодно для окружающей среды, его использование имеет свои социальные и экономические последствия. В краткосрочной перспективе основные последствия будут включать более высокую потребность в зерновых культурах – соответственно можно ожидать и роста цен на продовольствие. В большинстве стран биомасса используется в основном в виде дров и отходов растениеводства для отопления домов и общественных зданий, процессов сушки, получения пара и горячей воды. Поэтому важной задачей являются повышение эффективности используемого печного и котельного оборудования и его автоматизация. Энергоносители в сельской местности развивающихся стран используются преимущественно для приготовления пищи и нагрева воды. Сжигание биомассы, характерное для сельских районов, наносит значительный ущерб окружающей среде. В Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн т диоксида углерода. Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность 10 %. Оснащение усовершенствованными печами (термическая эффективность 30–35 %) обеспечивает экономию дров в три раза, тем самым замедляя процесс сведения лесов. В странах Азии и Африки существуют перспективные программы полной замены печей старой конструкции новыми, модернизированными, поскольку там остро стоят вопросы тяжелой интоксикации женщин и детей при приготовлении пищи, экономного расходования дефицитного в засушливых районах древесного топлива, уменьшения дымовых поступлений в атмосферу. Повсеместно установлены такие печи в Китае (180 млн печей, в среднем одна печь на 6–8 человек). Улучшенные печи пригодны как для приготовления пищи, так и обогрева помещений. В Индии 228

правительство на федеральном и региональном уровнях выделяет значительные субсидии для реализации программ по установке усовершенствованных печей. К концу 2000 г. в стране работало 33 млн таких печей. Использование улучшенных печей спасло от уничтожения более 13 млн т древесины в год. В работе [4] мусоросжигательные заводы названы «производством по изготовлению отходов». Повсеместно существует заблуждение, что сжигаемый мусор просто исчезает. На самом деле он всего лишь видоизменяется. По большому счету, мусоросжигательные заводы (МСЗ) представляют собой производства по «изготовлению» токсичных отходов из сравнительно безопасных материалов. На МСЗ поступают твердые бытовые отходы (ТБО), содержащие тяжелые металлы, хлорорганические соединения и другие вредные вещества. Те же тяжелые металлы присутствуют в отходящих газах, золе, шлаках и других выбросах производства. Сжигание веществ, содержащих хлор, например поливинилхлорид (ПВХ), приводит к образованию новых хлорсодержащих веществ, таких как высокотоксичных диоксинов, которые также выбрасываются в атмосферу. Сжигание не решает проблему устранения токсичных веществ. Они трансформируются и часто становятся еще более токсичными, чем до сжигания. К загрязняющим веществам в выбросах МСЗ относятся: диоксины, полихлорированные бифенилы (ПХБ), нафталины, хлорбензолы, ароматические углеводороды, летучие органические соединения, тяжелые металлы, в том числе ртуть, кадмий, свинец. Многие из этих веществ токсичны, не разлагаются и способны к накоплению в живых организмах. Эти свойства делают их наиболее опасными для окружающей среды. Некоторые из них вызывают онкологические заболевания и разрушают гормональную систему человека. Другие вещества, такие как диоксид серы (SO2) и диоксид азота (NO2), вместе с мелкими дисперсными частицами вызывают респираторные заболевания. Так, диоксины — это глобальные экотоксиканты, обладающие мощным мутагенным, иммунодепрессантным, канцерогенным, тератогенным и эмбриотоксическим действием. Они слабо расщепляются и накапливаются как в организме человека, так и в биосфере планеты, включая воздух, воду, пищу. Величина летальной дозы для этих веществ достигает 10−6 г на 1 кг живого веса, что существенно меньше аналогичной величи229

ны для некоторых боевых отравляющих веществ, например, для зомана, зарина и табуна (порядка 10−3 г/кг). Повышенное содержание диоксинов было обнаружено в тканях одежды людей, проживающих в непосредственной близости от МСЗ, в Великобритании, Испании, Японии, Германии и некоторых других странах. Широкий спектр заболеваний был обнаружен у людей как работающих на мусоросжигательном производстве, так и живущих неподалеку. Это – рак (у взрослых и детей), заболевания дыхательной и сердечно-сосудистой систем, нарушение иммунитета, рост количества аллергических реакций и врожденных аномалий. Выводы многих исследований, и в первую очередь по онкологическим заболеваниям, касаются в основном старых технологий сжигания отходов. Однако даже самые современные технологии, введенные в действие в последние несколько лет, продолжают ассоциироваться с вредом, наносимым здоровью человека. Поэтому во многих странах, в том числе в Европе, где количество отходов постоянно увеличивается, вводятся всё новые, более жесткие ограничения на их сжигание. Контрольные вопросы и задания

1. Классификация биотоплива и его энергетические характеристики. Биотопливо 1-го и 2-го поколений. 2. Производство биомассы для энергетических целей. 3. Экологические показатели процессов переработки биомассы. 4. Чем отличается пиролиз от процесса обычного сгорания? 5. Определить объём биогазогенератора V и суточный выход биогаза в установке Vсут, утилизирующей навоз от n = 18 коров, а также обеспечиваемую ею тепловую мощность N (Вт). Время цикла сбраживания T = 14 сут при температуре t = 25 °С; подача сухого сбраживаемого материала от одного животного идёт со скоростью υ = 2 кг/сут; выход биогаза из сухой массы m = 0,24 м3/кг. Содержание метана в биогазе составляет 70 %. КПД горелочного устройства η = 0,68. Плотность сухого материала, распределённого в массе биогазогенератора, ρ = 50 кг/м3. Теплота сгорания метана при нормальных условиях Q = 28 МДж/м3.

230

Список литературы 1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. М.: Колос, 1982. 2. Лесная биоэнергетика: Учебное пособие / Под ред. Ю.П. Семёнова. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. 3. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. М.: Агропромиздат, 1987. 4. Incineration and human health. State of Knowledge of the Impacts of Waste Incinerators on Human Health. Michelle Allsopp, Pat Costner and Paul Johnston, Greenpeace Research Laboratories, University of Exeter, UK, 2000.

231

Глава 9. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ 9.1. Методы оценки стоимости электроэнергии

Надежность экономических оценок зависит от полноты и точности учета всех основных технологических факторов, влияющих на расходные и доходные параметры. Причем, как правило, всё факторы являются функциями времени с заметной составляющей случайного (статистического) характера. В последнее время всё большее внимание в экономических исследованиях уделяется анализу всего жизненного цикла изделия (или установки): от зарождения в голове исследователя (конструктора) до снятия изделия с эксплуатации и его утилизации. Модель приведенных затрат. В качестве простейшей (полезной для понимания) экономической модели, позволяющей сравнивать альтернативные проекты в энергетике и экологии, оценивать стоимость электроэнергии различных электростанций, широко распространена модель, оперирующая понятием «ежегодные приведенные затраты» Z, руб./год. Величина приведенных затрат учитывает капитальные затраты на сооружение установки (электростанции) K (руб.) и текущие расходы (эксплуатационные издержки) Y (руб./год). Разделение затрат на капитальные и текущие – это не более чем формулирование удобной для оценок экономической модели. В этой модели конкретная установка (система установок и т.п.) создается «мгновенно» посредством капиталовложений K, т.е. «импульсных затрат», и затем длительное время работает в неизменном режиме, требуя теперь уже длящихся (не импульсных, а текущих) затрат. Капитальные вложения нужны для создания установки, эксплуатационные затраты – для поддержания ее работы. Для приведения разновременных затрат к одному моменту времени (например, текущему или начальному) необходимо задать период τ окупаемости капитальных вложений (с учетом дисконтирования, инфляции и т.п.). Тогда приведенные затраты можно представить суммой K (9.1) Z = + Y. τ 232

В энергетике развитых стран срок окупаемости капиталовложений τ обычно составляет 8–15 лет. Величину 1/τ называют годовым (нормативным) коэффициентом эффективности капиталовложений (соответственно 1/τ = 0,07–0,13 1/год). В некоторых случаях для оценки предельных (минимальных) приведенных затрат величину τ заменяют на срок эксплуатации установки. В работе [1] показано, как с помощью приведенных затрат можно оптимизировать линии электропередач, нефте- и газопроводы. Более подробная информация об использовании метода приведенных затрат содержится в фундаментальных монографиях [2, 3]. Стоимость отпускаемой электроэнергии на электростанциях часто выражают в виде отношения приведенных годовых затрат Z к среднегодовой электрической мощности (нетто) электростанции Pн : C = Z Pн = (Y + K τ) Pн . (9.2) Размерность стоимости электроэнергии выражают в руб./кВт · ч или коп./кВт · ч (кВт · ч = 3,6 · 106 Дж). В английской транскрипции вместо С часто используют обозначение СОЕ (cost of electricity). Среднегодовая электрическая мощность Pн , отпускаемая потребителю, меньше установленной (номинальной) электрической мощности W из-за аварийных остановок или остановок на ремонт, перегрузку топлива, замену изношенного оборудования и т.п. Их отношение Pн W называют коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ). Важность параметра КИУМ заключается в том, что он характеризует эффективность электростанции в целом, включая не только её технологическое совершенство, но и квалифицированность персонала, организацию работы как на станции, так и в отрасли, а также учитывает многие другие факторы (износ оборудования, спрос на электроэнергию для конкретной генерирующей компании и др.). В большинстве стран ведётся упорная борьба за высокий КИУМ электростанций, что особенно важно в свете последних мировых тенденций по увеличению энергоэффективности и энергосбережения. Особую роль эта характеристика играет в ядерной энергетике, отличающейся высокими капитальными затратами и нуждающейся в сокращении срока их окупаемости. По этой причине в СМИ наиболее распространено упоминание этого параметра при освещении показателей работы АЭС. 233

На отечественных АЭС величина КИУМ составляет 0,7–0,8. На лучших зарубежных АЭС этот коэффициент превышает 0,9. Для отечественной ядерной энергетики с установленной мощностью около 23 ГВт решение задачи увеличения КИУМ с 0,7 до 0,8 эквивалентно введению приблизительно двух блоков мощностью по 1 ГВт. Значения КИУМ в отечественных генерирующих компаниях, эксплуатирующих тепловые электростанции, существенно различаются и колеблются в широких пределах от 39 до 75 %. В качестве примера оценим приведенные затраты АЭС установленной электрической мощностью W = 1 ГВт и КИУМ = 0,8. Капитальные затраты на строительство АЭС такого уровня мощности составляют около 3 млрд дол., а траты на эксплуатацию и обслуживание Y = 100 млн дол./год (табл. 9.1). Проектный срок эксплуатации АЭС примем τ = 30 лет. Учитывая, что в году 8760 часов, получаем из (9.1) и (9.2) соответственно Z = 0,2 млрд дол. и С ≈ 23 дол./МВт · ч = 2,3 цент/кВт · ч (или примерно 60 руб./кВт · ч). Таблица 9.1 Технико-экономические параметры некоторых проектов АЭС третьего поколения в пересчете на 1 блок Реакторы с водой под давлением Параметр

Электрическая мощность (нетто), МВт Капитальные затраты, млрд евро/ГВт Срок строительства, мес. Распределение капитальных затрат по годам строительства, % Коммерческий срок эксплуатации, лет

Кипящий реактор

AP1000, США, Япония

OPR-1000, Южная Корея

ВВЭР1200, Россия

SWR-1000, Европа

1100

950

1120

1250

2,9

2,2

2,2

1,6

59

60

70

69

10/15/20/ 35/20

10/15/20/ 35/20

10/15/20/ 25/20/10

10/15/20/ 25/20/10

40

30

40

40

234

Окончание табл. 9.1 Реакторы с водой под давлением Параметр

Затраты на эксплуатацию и обслуживание, млн евро/год Потребность в уране, т: первая загрузка ежегодная Обогащение топлива, %: первая загрузка стационарная перегрузка КИУМ, % Затраты на декомиссию (снятие с эксплуатации), млн евро

Кипящий реактор

AP1000, США, Япония

OPR-1000, Южная Корея

ВВЭР1200, Россия

SWR-1000, Европа

71

68

67

82

93,6 26,8

75,8 22,5

83 19,7

137 24,7

4,8

4,58

4,79

3,54

3,4 88

2,77 83

2,8 87

2,47 85

396

342

403

588

Рекомендации UNIDO по оценке эффективности инвестиционных проектов. UNIDO – United Nations Industrial Development Organization (Организация Объединённых Наций по промышленному развитию, ЮНИДО) – подразделение Организации Объединённых Наций, направленное на борьбу с нищетой путем повышения производительности. Основана в 1966 г. Согласно методологии UNIDO для сравнения различных проектов, предназначенных для получения дохода (продукта), чаще всего используются три критерия [4]: 1) чистый дисконтированный доход (ЧДД, или в оригинале Net Present Value – NPV), 2) внутренняя норма доходности (ВНД, или Internal Rate of Return – IRR) и 3) дисконтированный период окупаемости (Discounted Payback Period – DPB). Чистый дисконтированный доход (накопленный дисконтированный эффект, прибыль) – приведенная стоимость будущих денежных потоков инвестиционного проекта (нарастающим итогом) за вычетом инвестиций, рассчитанная путем суммирования ежегодных доходов и расходов с учетом дисконтирования: 235

NPV =

TL

R −C

∑ (1 +t d )t −tTB ,

(9.3)

t =TВ

где Rt – поток предполагаемых доходов в году t, руб.; Ct – поток издержек инвестирования (предполагаемых затрат) за год t, руб.; d – ставка дисконтирования (дисконтирование – определение текущей стоимости будущих денег); обычно в расчетах применяют d = 0 – 0,1 (т.е. 0 – 10 %); TB – дата дисконтирования (дата проведения расчетов); обычно, это начало проекта, TB = 1 г.; TL – окончание экономического срока службы (горизонт планирования), год. Величина NPV отражает превышение интегральных результатов над интегральными затратами, приведенными к начальному моменту времени. В частном случае, когда ежегодные доходы и расходы одинаковы (как в первый год) и равны соответственно R1 и C1, выражение (9.3) упрощается: NPV = ( R1 − C1 ) Sn , (9.4) где через Sn обозначена сумма убывающей геометрической прогрессии, равная TL 1 − qn 1 , (9.5) Sn = ∑ = − t T B 1− q t =TB (1 + d ) в которой знаменатель прогрессии q связан с коэффициентом дисконтирования выражением q = 1/(1+d), а число рассматриваемых временных периодов равно числу лет n = TL – TB. Если число рассматриваемых периодов (лет) велико настолько, что q n IRR эффект проекта отрицателен (NPV < 0), при меньших ставках дисконтирования – положителен. То есть инвестиционные проекты, у которых IRR > d, имеют положительный чистый дисконтированный доход. При расчете показателя IRR предполагается полная капитализация всех получаемых доходов. Это означает, что все генерируемые денежные средства (например, при работе АЭС) направляются на покрытие текущих платежей 237

либо реинвестируются с доходностью, равной IRR. Считается, что чем больше положительная разница IRR – d, тем устойчивее данный проект. Дисконтированный период окупаемости (Discounted PayBack, DPB) – время, требуемое для покрытия инвестиций за счет чистого денежного потока, генерируемого инвестициями. Этот критерий определяется последовательным расчетом NPV для каждого периода проекта. Точка, в которой NPV станет положительным, будет являться точкой окупаемости. Период окупаемости капиталовложений Tок определяется уравнением Tок

R −C

∑ (1 +t d )t −tTB

= 0,

(9.7)

t =TB

где TB – дата, с которой следуют затраты. В соответствии с этим критерием наилучшими являются инвестиции, которые имеют короткий период возврата. Рассмотренные критерии UNIDO являются критериями коммерческой эффективности, т.е. отражают интерес инвестора, направленный на достижение максимальной прибыли в наиболее короткие сроки. Методика МАГАТЭ оценки приведенной стоимости электроэнергии. Данный метод рекомендован МАГАТЭ для выбора поставщика при анализе различных предложений по строительству электростанций и изложен в Техническом докладе МАГАТЭ [5]. Приведенная стоимость электроэнергии (Levelized Discounted Electricity Generation Costs – LDEGC) Сlev – это тариф (руб./кВт · ч), который следует взыскивать за каждую единицу электроэнергии, чтобы полностью возместить расходы, возникающие на всем жизненном цикле электростанции с учетом временной стоимости денег. По существу, эта методика конкретизирует методологию UNIDO применительно к электроэнергетической установке, но ориентируется на интересы потребителя электроэнергии. Приведенная стоимость электроэнергии Сlev рассчитывается из следующих условий: сумма дисконтированных доходов от продажи электроэнергии равна сумме дисконтированных расходов на строительство и эксплуатацию электростанции. То есть 238

TЕ

TЕ Clev ⋅ Et C = ∑ (1 + d )t −TB ∑ (1 + d )t t −TB , t =T0 t =TB

(9.8)

где Сt – затраты в текущем году t, руб.; Et – электроэнергия, произведенная за год t, кВт ⋅ ч; d – ставка дисконтирования; ТB – дата, на которую проводится дисконтирование; Т0 – дата начала коммерческой выработки электроэнергии; ТЕ – дата окончания вывода из эксплуатации. Важно отметить, что суммирование в левой и правой частях уравнения (9.8) ведется от разных моментов времени: слева – от начала эксплуатации установки (начала продажи электроэнергии) Т0, а справа – с даты принятия решения о начале работ по строительству ТB, на которую обычно проводится дисконтирование. Электроэнергию Et, произведенную за год t, выражают через установленную электрическую мощность реактора W и коэффициент использования установленной мощности КИУМt в данном году: Et = 8760 ⋅ W ⋅ КИУМt. Здесь 8760 – полное число часов в году. Как правило, величину Сlev принимают постоянной (не зависящей от времени эксплуатации). В этом случае из (9.8) следует явное выражение для приведенной стоимости электроэнергии ⎞ ⎛ TE ⎞ ⎛ TE Ct Et Сlev = ⎜ ∑ (9.9) ⎟. ⎟/⎜ ∑ − − t T t T ⎜ B ⎟ ⎜ B ⎟ ⎝ t =TB (1 + d ) ⎠ ⎝ t −T0 (1 + d ) ⎠ Отсюда следует, что приведенную стоимость электроэнергии удобно определять в виде трех слагаемых, соответствующих трем основным компонентам затрат Ct: • общие инвестиции и связанные с ними расходы (Investment или capital and installation) – С(Invest); • затраты на топливный цикл (Fuel) – С(Fuel); • эксплуатационные затраты и затраты на техническое обслуживание (operation and maintenance, O & M) – С(O & M). В общем виде приведенную стоимость электроэнергии Сlev можно выразить суммой трех слагаемых: Clev =

C ( Invest ) + C ( Fuel ) + C (O & M ) , E ( Energy ) 239

(9.10)

где E ( Energy ) =

TE

E

∑ (1 + d )t t −TB

– электроэнергия, вырабатываемая

t =T0

за весь период эксплуатации (все величины с учетом дисконта). Отметим, что в эксплуатационные затраты (O & M) АЭС принято включать ряд затрат, которые не учитываются в других видах производства электроэнергии: • затраты по выводу АЭС из эксплуатации; • затраты по хранению и обращению с отработавшим ядерным топливом. Отметим также, что около трети стоимости современных АЭС составляет сооружение различных систем безопасности. Доля затрат на топливную составляющую для АЭС не превышает 20 % (рис. 9.2 и 9.3). АЭС, а также энерготехнологии на возобновляемых источниках энергии (гидроэнергия, ветер и Солнце) характеризуются наибольшей долей капитальных затрат, поскольку ядерное топливо обладает исключительно высокой калорийностью, а возобновляемые источники вообще лишены топливной составляющей. Средняя стоимость эксплуатации и обслуживания (O & M) ветроустановок довольно низка и составляет приблизительно 0,02 евроцента за 1 кВт ⋅ ч. Как следует из табл. 9.2, стоимость электроэнергии, рассчитанная по формуле (9.9) для АЭС, ТЭС на угле и газе, ветроустановок и солнечных электростанций (СЭС, фотоэлектрическая), зависит от региона расположения электростанции. Во всех случаях АЭС производит наиболее дешевую электроэнергию. Различие в ценах на электроэнергию связано с различием цен на первичные источники энергии (нефть, уголь, газ) и трудовые ресурсы, а также с различием климатических условий в разных странах. В то же время благодаря прогрессу в производстве солнечных батарей цены на электроэнергию, производимую солнечными электростанциями, быстро сокращаются (рис. 9.4), и, как ожидается, они сравняются с ценами ТЭС и АЭС после 2020 г. Описанный выше критерий МАГАТЭ, определяемый как тариф безубыточности, в отличие от критериев UNIDO, оценивает общественную эффективность проекта, так как ориентирован на потребителя, заинтересованного в снижении тарифа на электроэнергию. То есть предпочтителен тот проект, для которого значение Сlev ми240

нимально. Сравнивая выражения (9.11) и (9.2), можно обнаружить, что С(Invest) – это аналог капитальных затрат K, а сумма С(Fuel)+С(O & M) – эквивалентна текущим расходам (эксплуатационным издержкам) Yτ за дисконтированный период эксплуатации τ. Таблица 9.2 Приведенная стоимость электроэнергии (цент/кВт ⋅ ч) для различных энерготехнологий и стран при дисконте 5 % (данные WNA, 2010 г.) АЭС

ТЭС, уголь

ТЭС, газ

Ветер

СЭС, фотоэл.

Франция

5,6

–

–

9,0

29,0

Германия

5,0

7,4

8,5

10,6

35,0

Япония

5,0

8,8

10,5

–

45,0

Южная Корея

3,1

6,7

9,1

–

–

США

4,9

7,3

7,7

4,8

–

Китай

3,3

5,5

4,9

7,0

–

Россия

4,3

7,5

7,1

6,3

46*

Страна

* В Белгородской области в 2010 г. введена в эксплуатацию первая солнечная электрическая станция в РФ. Энергия, вырабатываемая ею, будет поставляться в общие сети по специальному тарифу – 14 руб. за 1 кВт ⋅ ч.

Конкурентоспособность энерготехнологий в условиях экономической динамики. Рассмотренные выше методики можно назвать статическими, поскольку они позволяют оценить (сравнить) различные проекты в данный момент времени без учета необходимых темпов развития энергетики и естественного выбытия мощностей. Так, если задан темп роста производства электроэнергии в стране (с учетом роста потребности в ней), то приоритетными могут стать энерготехнологии, требующие в условиях ограниченных ресурсов минимума капитальных затрат и сроков окупаемости [6]. Еще один важный экономический эффект, не учитываемый вышеприведенными методами, связан с «эффектом замещения топлива». Сравниваемые проекты энергетических технологий (угольной, 241

газовой, ядерной, солнечной или др.) часто бывают альтернативными. То есть выбор одного из них исключает реализацию другого и, тем самым, обеспечивает экономию другого энергоресурса, который может быть направлен на другие народно-хозяйственные цели с большим экономическим эффектом. Пусть, например, из двух проектов электрогенерации – АЭС и ТЭС на газе – выбран проект АЭС. В этом случае ядерное топливо замещает газ, и у собственника (государства) высвобождается масса газа, который может быть продан по другой цене, например на экспорт. В этих условиях прибыль собственника складывается из дохода проекта АЭС и дохода от продажи газа, обладающего ценностью невозобновляемого минерального сырья [3]. В контексте принятия решений о выборе энерготехнологий важную роль играет фактор неопределенности исходной информации и переменных экономической задачи, что неизбежно приводит как к экономическим рискам, так и рискам принятия ошибочных решений при выборе альтернативных проектов и программ. Вышеприведенные методики не обладают способами оценки рисков. В работе [3] изложена новая методика оценки экономической эффективности энерготехнологий (при неточности технико-экономических прогнозов и неопределенности исходных данных) и сопутствующих прогнозированию развития энергетики экономических рисков (на основе интервально-вероятностного подхода) при разных схемах финансовых вложений и затрат. Перспективы энергетики на возобновляемых источниках. В России имеются значительные ресурсы разнообразных возобновляемых источников энергии (ВИЭ): ветра, геотермальной, гидроэнергии, биомассы и солнечной. Практически во всех регионах имеется один или два типа возобновляемых источников энергии, коммерческая эксплуатация которых может быть оправдана, при этом некоторые регионы богаты всеми типами возобновляемых источников. Однако большинство возобновляемых источников обладает малой плотностью потоков энергии (рассеянностью или низким удельным потенциалом) и нерегулярностью поступления, зависящей от климатических условий, суточных и сезонных циклов. Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения за счёт ВИЭ, особенно перспективны гибридные системы, использующие одновременно два или несколько видов ВИЭ, взаимно дополняю242

щих друг друга, в сочетании с аккумулятором и резервным двигателем внутреннего сгорания в качестве привода электрогенератора. То есть для эффективного использования возобновляемых источников энергии необходимо решить ряд инженерных задач по созданию экономичных и надёжных устройств и систем, концентрирующих и преобразующих эти виды источников энергии в приемлемую для потребителя тепловую, механическую и электрическую энергию. В табл. 9.3 дана оценка ресурсов возобновляемой энергии в России. Валовой (извлекаемый) потенциал является энергетическим эквивалентом полного количества доступной для извлечения возобновляемой энергии, а технический – часть совокупного потенциала, которая может быть эффективно использована, принимая во внимание социальные и экологические факторы. И наконец, экономический потенциал является частью технического потенциала, использование которого экономически оправдано при существующем уровне цен на сырье, электричество, оборудование и материалы, транспорт и рабочую силу. Таблица 9.3 Оценка потенциала (ресурсов) возобновляемых источников энергии в России Ресурсы

Потенциал, млн т у.т./год валовой

технический

экономический

Малая гидроэнергетика

360

125

65

Геотермальная энергия

–

–

115

Энергия биомассы

10 000

53

35

Энергия ветра

26 000

2000

10

6

2300

12,5

525

105

31,5

2,3·106

4583

270

Солнечная энергия Низкопотенциальное тепло Всего

2,3·10

Как следует из табл. 9.3, количество возобновляемой энергии, использование которой имеет экономический смысл в России, со243

ставляет 270 млн т у.т./год. В эту величину входят 115 млн т ут./год геотермальной энергии, 65 млн т у.т./год малых гидроустановок, 35 млн т у.т./год биомассы, 12 млн. т у.т./год солнечной энергии, 10 млн т у.т./год энергии ветра и 36 млн т у.т./год низкопотенциального тепла. То есть объём возобновляемой энергии, использование которой экономически оправдано, составляет примерно 30 % фактической общей поставки первичных энергоресурсов. В европейских странах приняты решения о доведении к 2020 г. доли электроэнергии, производимой за счет возобновляемых источников энергии, до 20–25 %. Зоны экономически эффективного применения возобновляемых источников энергии будут увеличиваться по мере ужесточения требований к экологии ТЭС, удорожания строительства магистральных электросетей и подстанций, повышения тарифов на электроэнергию и воду. Одним из методов энергосбережения и учёта электроэнергии является нетто-измерение (net metering) расхода электроэнергии в случае комбинированного использования потребителем электроэнергии от сети и от собственной энергоустановки на возобновляемых источниках. Многие страны применяют этот дешёвый и простой механизм для поощрения потребителя, вкладывающего собственные средства в технологии возобновляемой энергии. В этом случае физическое или юридическое лицо (например, семья, живущая в частном доме, фермерское хозяйство, дачный кооператив и т.п.) приобретает собственную генерирующую установку на основе ВИЭ. Когда эта установка генерирует меньше электроэнергии, чем необходимо потребителю, он может потреблять электроэнергию из сети; и в таком случае счётчик электроэнергии работает в нормальном режиме. Когда же установка производит больше электроэнергии, чем необходимо (например, ночью), то электричество поставляется в сеть и счётчик работает в обратном направлении. В этом случае, потребители получают за избыток выработанной ими энергии полную розничную цену. Эта мера позволяет потребителю компенсировать основной недостаток ветровых и солнечных установок: время наибольшей генерации электроэнергии не всегда совпадает со временем наибольшего использования электричества потребителем. Хотя Россия в целом является экспортёром энергии, бóльшая часть российских регионов производит меньше энергоресурсов, 244

чем им необходимо. В связи с этим возникает необходимость импорта энергоресурсов из богатых энергией регионов, например из Западной Сибири. В некоторых российских регионах с дефицитом ископаемых видов топлива, в связи с плохими погодными и транспортными условиями, наблюдаются частые перебои в поставках топлива. При существующих больших расстояниях между регионами затраты на транспортировку значительно увеличивают общую цену топлива. Такие отдалённые территории, как Камчатка, Республика Тыва и Республика Алтай, тратят более половины своего бюджета на топливо. В отдалённые районы Крайнего Севера и Дальнего Востока топливо доставляется по железным или автомобильным дорогам, а иногда и вертолётом. Такие поставки ненадёжны и дороги. В настоящее время затраты на транспортировку топлива (при возможности её поддержания) не оплачиваются пользователями этих систем. По этим причинам жизнеспособную альтернативу традиционным источникам энергии в удаленных регионах могли бы составить возобновляемые источники энергии. При этом переход на местные источники энергии повысил бы надёжность электроснабжения посредством снижения зависимости от отдалённых поставщиков и перегруженной транспортной системы. 9.2. Экологическая политика и оценки затрат на обеспечение экологической безопасности

Угрозы экологической безопасности, касающиеся населения Земли в целом, стали активно обсуждаться в научных кругах после работ Римского клуба в 1970-х гг.. Экономико-математические модели Форрестора и Медоуза показали, что стихийное развитие экономики приводит к истощению запасов полезных ископаемых, резкому спаду промышленности и сельского хозяйства, превращению огромных территорий в свалки, катастрофическому уменьшению численности населения. В 1992 г. Организация Объединенных Наций (ООН) организовала конференцию в Рио-де-Жанейро, в которой участвовали высшие руководители 150 стран мира. Конференция провозгласила необходимость перехода к «устойчивому развитию» (sustainable development), лозунг которого: «Удовлетворение потребностей на245

стоящего времени не подрывает способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности» (рис. 9.5). Под влиянием идеи «устойчивого развития» происходит переосмысление основных угроз, способных нанести непоправимый ущерб экологической безопасности. Формируется система всеобъемлющей безопасности, призванная нейтрализовать появляющиеся в условиях глобализации новые вызовы и угрозы, среди которых всё возрастающую роль играют экологические факторы, способные в современных условиях влиять на существование всего человечества. Практика выработала такие принципы экономического механизма управления природопользованием и экологической безопасностью, как платность, комплексность и научная обоснованность, экономическая ответственность. Принцип платности пользования природными ресурсами означает, что ни один природный ресурс – недра, земля, леса, реки – не может предоставляться кому бы то ни было в пользование бесплатно. В основе принципа платности лежит экономическая (стоимостная) оценка природных ресурсов. Природные земельные фонды участвуют в процессе производства наряду с другими средствами производства – материально-техническими и трудовыми. Денежная оценка земли позволяет сопоставить ее роль в производстве с ролью других видов ресурсов. Как следствие, удается препятствовать необоснованному отводу ценных земель для несельскохозяйственных целей, а также более точно определять ущерб, причиняемый земельным угодьям при их нерациональном использовании. Установление платности пользования природными ресурсами направлено на повышение эффективности использовании ограниченных природных ресурсов, формирования дополнительных финансовых источников для их воспроизводства. Принцип комплексности и научной обоснованности означает, в частности, стремление к многоцелевому использованию ресурсов, развитию мало- и безотходных производств, глубокой переработке сырья. Необходимо основанное на научных исследованиях сочетание экологических и экономических интересов общества, обеспечивающих реальные гарантии прав человека на здоровую и благоприятную для жизни окружающую среду, на обоснование экономической оценки природных ресурсов и ценообразования, а также расчетов экономического ущерба, причиняемого среде. 246

Принцип экономической ответственности находит свое выражение в обязанности природопользователей увязывать экологичность производства на каждом конкретном предприятии с его экономической эффективностью, прибыльностью, а также возмещать ущерб, причиняемый природной среде, здоровью людей и имуществу физических и юридических лиц в результате совершения экологических правонарушений. Механизм управления экологической безопасностью и охраной природной среды включает ряд элементов (инструментов управления), основными из которых являются: • платежи (рента) за использование природных ресурсов, загрязнение окружающей природной среды, размещение экологически вредных веществ; • система правового и организационного обеспечения экономического стимулирования и экономической ответственности; • система экологических фондов и экологического страхования. Научно обоснованное использование природных ресурсов, как и всяких иных ресурсов, очевидно, должно быть основано на их учете. Общепринято, что учет определяется как сбор, систематизация, хранение и обновление сведений о количестве и качестве ресурсов. В настоящее время в России учет природных ресурсов осуществляется путем составления кадастров по видам ресурсов. Кадастр – это свод количественных, организационных, качественных экономических и экологических показателей природного ресурса. Кадастр представляет собой специализированную базу данных. С точки зрения эконометрики часть данных о каждом ресурсе имеет количественную природу (например, площадь, измеренная в гектарах), часть – качественную (например, перечень пород деревьев в лесу). В кадастре приводятся и организационные сведения (например, какой организации или частному лицу принадлежит лесной массив). Данные кадастров лежат в основе планирования использования ресурсов, их экономической оценки, ценообразования, определения ущерба, наносимого среде, системы мер по воспроизводству ресурсов и т.д. Составляются земельный, водный, лесной кадастры, кадастр месторождений полезных ископаемых. Кадастрами служат реестры охотничьих животных, рыбных запасов, природнозаповедных территорий, а также и загрязнителей окружающей 247

природной среды. Кадастром служит и «Красная книга», дающая информацию о редких и исчезающих видах животных и растений. Действенными регуляторами природопользования служат так называемые лимиты. Лимитирование – система эколого-экономических ограничений по территориям, срокам и объемам предельных показателей использования (изъятия) природных ресурсов, выбросов и сбросов в окружающую природную среду загрязняющих веществ и размещения отходов. Лимиты устанавливаются на размеры отвода земельных участков для строительства автомобильных и железных дорог, аэропортов, трубопроводов, мелиоративных каналов и др. Применяются лимиты потребления воды для орошаемого земледелия, для промышленных и сельскохозяйственных объектов. Лимитами для использования лесных ресурсов являются показатели расчетной лесосеки по территориям, т.е. предельная ежегодная норма вырубки. Существуют квоты (другое название лимитов) для вылова рыбы и охоты. Лимитами для выбросов и сбросов загрязняющих веществ являются нормативы качества природной среды. Эти нормативы носят следующие названия: • ПДВ – предельно допустимые выбросы в атмосферу; • ПДС – предельно допустимые сбросы в водные источники; • ПДК – предельно допустимые концентрации; • ПДУ – предельно допустимые уровни воздействия шума, вибрации, электромагнитных полей; • ПДН – предельно допустимые нагрузки на природную среду (количество посетителей на экскурсию в заповеднике, нагрузка скота на единицу пастбищных угодий и т.д.). Нормативы утверждаются федеральным органом, отвечающим за охрану окружающей среды. Виды хозяйственной деятельности, лимиты и экологические требования при использовании природных ресурсов фиксируются в лицензиях (т.е. разрешениях) на природопользование, выдаваемых органами управления. Существует около 30 видов природопользования, на которые выдаются лицензии. Эксплуатация природных ресурсов без соответствующей лицензии влечет за собой ответственность вплоть до уголовной. Государственная природно-ресурсная и экологическая политика России XXI в. сформулирована в 2000 г. в Федеральной целевой 248

программе «Энергоэффективная экономика» и ее подпрограмме «Энергоэффективность топливно-энергетического комплекса». Основные цели Программы: 1. Улучшение социальных условий жизни населения, проживающего в удалённых и труднодоступных районах с автономным энергоснабжением, при сокращении издержек на доставку топлива в эти районы и увеличении надежности энергоснабжения. 2. Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения во время аварийных отключений, особенно в сельской местности. 3. Улучшение экологических условий жизни населения, проживающего в городах и населённых пунктах со сложной экологической обстановкой, особенно в местах массового отдыха населения, за счёт снижения вредных выбросов от традиционных энергоустановок путём частичной их замены установками нетрадиционной энергетики. Планируемый прирост объёма вырабатываемой электрической и тепловой энергии за счёт возобновляемых источников в России приведён в табл. 9.4. Снижение вредных выбросов от объектов энергетики, использующих органическое топливо, за 10 лет составит составит более 140 тыс. т, и сокращение эмиссии СО2 – более 8 млн т. Таблица 9.4 Основные показатели роста производства энергии возобновляемых источников в России Годы

Электрическая энергия, ГВт·ч

Тепловая энер- Замещение органическогия, млн Гкал го топлива, тыс. т у.т.

2002–2005

958

2,6

659

2002–2010

9914

21

6302

Малая (местного значения) гидроэнергетика занимает ведущее место по объёмам освоения среди возобновляемых источников энергии. Программой запланировано освоение суммарной установленной мощности ветроэнергетических установок в объёме 230 МВт, а реализация солнечных фотоэлектрических установок определена в объёме 2,4 МВт. Установленная мощность гелионаг249

ревательных систем определена в объёме 70 Гкал/ч. Выработка электрической энергии на основе биомассы определена в объёме установленной мощности в 152 МВт, а производство тепловой энергии более 3 млн Гкал/год. Планируемая установленная мощность геотермальных станций по выработке электроэнергии составит 68 МВт, а по выработке тепловой энергии 16 тыс. Гкал/год. Сооружение энергетических установок на основе использования низкопотенциальной энергии (преимущественно тепловых насосов) предусматривает освоение 544 Гкал/ч установленной мощности и замещением 221 тыс. т у.т. Положительным фактором является начавшееся в России создание законодательной базы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Законом «Об энергосбережении» (1996 г.) установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на НВИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Принят также Закон «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии», устанавливающий минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Оценка стоимости наносимого ущерба окружающей среде и здоровью населения в результате деятельности энергетических установок требует высокой квалификации исполнителей и учета общественного мнения, подверженного достаточно противоречивым и неадекватным реакциям. Например, затраты, произведенные в ряде стран в связи с аварией на Чернобыльской АЭС в 1986 г., значительно превышают реально необходимые затраты в связи с необоснованными оценками ущерба и страхом населения перед радиационным загрязнением окружающей среды. Опыт ликвидации последствий этой аварии показал также, что аварии и инциденты на АЭС и предприятиях ЯТЦ способны вызвать колебания цен в разных странах на различные товары и услуги. Тем не менее существующие методы оценки экологического ущерба позволяют достаточно уверенно прогнозировать последствия развития энергетики. Как следует из табл. 9.5, наиболее опасными последствиями для здоровья людей характеризуются ТЭС, работающие на угле. 250

Таблица 9.5 Потерянные годы жизни населения Европы (чел · лет/ТВт · ч) при производстве электроэнергии, выработанной на основе различных источников энергии Источник Уголь Уголь Природ- Солнечная Ядерная Ветровая энергии бурый каменный ный газ энергетика энергетика энергетика Потерянные годы 3 7 14 44 136 164 жизни

Различные энерготехнологии традиционно не включают в тариф на производимую электроэнергию затраты на экологические мероприятия (рекультивацию карьеров, нефтяных и газовых скважин, восстановление природных ландшафтов в местах добычи ископаемых, утилизацию отходов производства и т.п) и тем самым перекладывают эти затраты на другие предприятия или на общество в целом (табл. 9.6). Прежде всего это касается энергетики на углеводородном топливе. Обращают на себя внимание очень низкие внешние затраты ядерной энергетики. Это связано с тем, что ядерная энергетика – единственная энерготехнология, которая в тарифе на производимую электроэнергию учитывает затраты на обращение с отработанным топливом и другие задачи экологической безопасности. Таблица 9.6 Внешние затраты на сохранение окружающей среды при производстве электроэнергии в странах ЕС, евро/МВт [7] Источник/технология Уголь

Затраты 20–150

Нефть Газ Ядерная энергия

30–110 10–40 2–7

Биомасса ГЭС

30 10

Солнечная энергия Ветер

6 3 251

Важным социально-экономическим эффектом развития энерготехнологий, наряду с их энергоэффективностью и экологичностью, является создание новых рабочих мест. В частности, технологии, связанные с использованием биомассы, создают предпосылки повышения занятости в сельскохозяйственном секторе и лесной промышленности (табл. 9.7). Как следует из таблицы, за исключением солнечных батарей, энерготехнологии на возобновляемых источниках более трудоёмки на стадии строительства, нежели эксплуатации и обслуживания. Таблица 9.7 Уровень занятости населения в различных энерготехнологиях (число рабочих мест/МВт) Технология Ветровая энергия Геотермальная энергия Солнечные элементы Солнечное тепло Биогаз Природный газ

Строительство 2,6 4,0 7,1 5,7 3,7 1,0

Эксплуатация 0,2 1,7 0,1 0,2 2,3 0,1

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите некоторые социально-экономические и экологические проблемы использования возобновляемых источников энергии. 2. В чём проявляется взаимосвязь проблем экологии и экономики? 3. Что является экологическим, социальным, экономическим результатом природоохранных мероприятий? 4. Что такое механизм управления экологической безопасностью и охраной окружающей среды? 5. Каковы принципы управления экологической безопасностью? 6. Каковы особенности рыночного механизма природоохранной деятельности? 7. Почему необходимо экологическое страхование? 252

Список литературы 1. Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. – 328 с. 2. Шевелев Я.В., Клименко А.В. Эффективная экономика ядерного топливно-энергетического комплекса. М.: РГГУ, 1996. – 736 с. 3. Рачков В.И., Тюрин А.В., Усанов В.И., Вощинин А.П. Эффективность ядерной энерготехнологии: системные критерии и направления развития. М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2008. – 228 с. 4. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (вторая редакция) / М-во экон. РФ, М-во фин. РФ, ГК по стр-ву, архит. и жил. политике: рук.авт.кол.: Коссов В.В., Лифшиц В.Н., Шахназаров А.Г. М.: ОАО «НПО «Изд-во «Экономика», 2000. – 421 с. 5. Economic Evaluation of Bids for Nuclear Power Plants. Technical Reports, Series No 396, IAEA, Vienna, 2000. (Серия технических отчетов № 396. Экономическая оценка тендерных предложений в отношении атомных электростанций. МАГАТЭ, Вена, 2000). 6. Экономика ядерной энергетики (конспект лекций): Учебное пособие / Под ред. проф. В.В. Харитонова. М.: МИФИ, 2004. – 280 с. 7. Volker Quaschning. Understanding renewable energy systems. Carl Hanser Verlag GmbH & Co KG, 2005. 8. Возобновляемая энергия в России: от возможности к реальности. ОЭСР/МЭА, 2004. 9. Поленов Б.В. Защита жизни и здоровья человека в XXI веке. Восемь основных источников опасности для человечества. М.: ООО «Группа ИДТ», 2008.

253

Приложение 1

Основные и некоторые производные единицы СИ Единица Величина

наименование

Основные единицы Длина метр Масса килограмм Время секунда Сила электрического тока ампер Температура кельвин Количество вещества моль Сила света кандела Дополнительные единицы СИ Плоский угол радиан Телесный угол стерадиан Производные единицы Площадь квадратный метр Объем кубический метр Плотность килограмм на куб. метр Энергия, работа, теплота джоуль Электрический заряд кулон Удельное количество теплоты джоуль на килограмм Энтропия джоуль на кельвин Поток энергии, мощность ватт Интенсивность излучения ватт на кв. метр Активность радионуклида беккерель Удельная активность беккерель на килограмм Объемная активность беккерель на куб. метр Поглощенная доза грей Эквивалентная доза зиверт Коллективная доза человеко-зиверт 254

обозначение м кг с А К моль кд рад ср м2 м3 кг/м3 Дж Кл Дж/кг Дж/К Вт Вт/м2 Бк Бк/кг Бк/м3 Гр Зв чел.-Зв

Приложение 2

Внесистемные единицы и соотношения с единицами СИ Внесистемная единица

Соотношения с единицами СИ

Наименование

Обозначение

Ангстрем

Å

1 Å = 10–10 м

атмосфера

атм

1 атм = 1,01·105 П

тонна

т

1 т = 103 кг

литр баррель (нефтяной)

л бар

1 л = 1 дм3 158,988 дм3

гектар

га

1 га = 104 м2

год

год

1 год = 3,1536·107 с

лошадиная сила

л. с.

1 л.с. = 735 Вт

электрон-вольт

эВ

1 эВ= 1,602·10–19 Дж

эрг британская тепловая единица тонна нефтяного эквивалента квадриллион тонна условного топлива

эрг БТЕ ТНЭ Q т у.т.

1 эрг = 1,0·10–7 Дж 1 БТЕ = 1055 Дж 1 ТНЭ = 41 ГДж 1 Q = 1018 БТЕ 1 т у.т. = 2,93·1010 Дж

калория

кал

1 кал = 4,1868 Дж

кюри

Ки

1 Ки = 3,7·1010 Бк

рентген

Р

1 Р = 2,58·10–4 Кл/кг

рад

рад

1 рад = 0,01 Гр

бэр

бэр

1 бэр = 0,01 Зв

барн

б

1 б = 10–28 м2

градус Цельсия

°С

°С = К-273

255

Приложение 3

Десятичные кратные и дольные единицы Множитель 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024

Приставка дека гекто кило мега гига тера пета экса зетта йотта

Обозначение да г к М Г Т П Э З И

Множитель 10–1 10–2 10–3 10–6 10–9 10–12 10–15 10–18 10–21 10–24

Приставка деци санти милли микро нано пико фемто атто зепто йокто

Обозначение д с м мк н п ф а з и

Приложение 4

Физические постоянные Скорость света в вакууме, м/с ....................................................... 2,998·108 Постоянная Планка, Дж·с .............................................................. 6,626·10–34 Заряд электрона, Кл ........................................................................ 1,602·10–19 Масса покоя электрона, кг ............................................................. 9,11·10–31 Число Авогадро, моль–1 ................................................................. 6,023·1023 Объем моля идеального газа, м3/моль .......................................... 2,24·10–2 Постоянная Стефана – Больцмана, Вт/(м2·К4) ............................. 5,67·10–8 Постоянная Вина, м·К .................................................................... 2,90·10–3 Плотность воды, кг/м3 .................................................................... 1000 Плотность льда, кг/м3 ..................................................................... 910 Плотность воздуха, кг/м3 ............................................................... 1,29· Теплоемкость воды, кДж/(кг·К) .................................................... 4,18 Теплоемкость льда, кДж/(кг·К) ..................................................... 2,10 Удельная теплота испарения воды, кДж/кг.................................. 2260 Коэффициент объемного расширения воды, К–1 ......................... 1,5·10–4 Радиус земного шара, м ................................................................. 6,4·106 Площадь земного шара, м2 ............................................................ 5,1·1014 Масса воды Мирового океана, кг .................................................. 1,38·1021 Масса атмосферы Земли, кг ........................................................... 5,1·1018 Солнечная постоянная, Вт/м2 ........................................................ 1367 Радиус Солнца, м ............................................................................ 7,0·108 Масса Солнца, кг ............................................................................ 2,0·1030 256

Приложение 5

ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕРМИНЫ Абсорбция – поглощение вещества или энергии всей массой поглощающего тела. Авария ядерная – связана с выходом в окружающую среду радиоактивных материалов и ионизирующих излучений, приводящих к значительному облучению персонала, населения и окружающей среды. Адсорбция – поглощение вещества из газообразной среды или раствора поверхностью другого вещества. Десорбция – противоположный процесс. Активная зона реактора – центральная часть реактора, в которой находится ядерное топливо, протекает цепная ядерная реакция и выделяется энергия. Активность – число спонтанных ядерных превращений, происходящих в радионуклиде за единицу времени. Алармизм – наука, которая акцентирует внимание на катастрофических последствиях воздействия человека на природу. Альбедо Земли – отношение солнечной радиации, отражаемой Землей с ее атмосферой в мировое пространство, к солнечной радиации, поступающей на границу атмосферы. Средняя величина – 33 %. Аридизация – процесс уменьшения степени увлажнения территорий, который вызывает сокращение биологической продуктивности экосистем за счёт уменьшения разницы между осадками и испарением. Атмосфера – газообразная оболочка планеты, на Земле состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Условно она делится на следующие слои. Нижний слой (тропосфера) простирается до высоты 8–10 км в полярных областях, 10–12 км – в умеренных широтах, 16–18 км – на экваторе. Здесь сосредоточено более 80 % массы атмосферного воздуха и почти весь водяной пар. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,7 °С/100 м. Выше – стратосфера с верхней границей на высоте 50–55 км, на высотах 20–25 км – максимальная концентрация озона. Температура с ростом высоты возрастает до 0 °C. Следующий слой – мезосфера, верхняя граница которого находится на высоте 80–85 км. Температура с высотой понижается на 0,3 °С на каждые 100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. 257

Затем до высоты 800 км – термосфера. Она состоит из ионосферы и магнитосферы. Температура растет до высот 200–300 км, где достигает значений 1500 К, после чего остается постоянной. В ионосфере солнечная радиация и космическое излучение вызывают ионизацию воздуха («полярные сияния»). Выше расположена магнитосфера, которая представляет собой наружный край магнитного поля Земли. И наконец, внешний слой атмосферы – экзосфера. Температура достигает значения 3000 К. На больших высотах Земли (2–3 тыс. км) экзосферу образуют почти исключительно атомы водорода, ниже заметную долю составляют атомы гелия. Апвеллинг – подъём океанических холодных глубинных вод, богатых биогенными химическими элементами. Зоны апвеллинга одни из самых богатых регионов морского рыбного промысла. Аэрация – естественное или искусственное поступление воздуха в какую-нибудь среду. Биогаз – смесь газов (метан, углекислый газ, примеси других газов), образующаяся в процессе разложения отходов (навоза, соломы и т.п.) или органических бытовых отходов анаэробными организмами при участии бактерий метанового брожения. Биогеохимические круговороты – переход питательных веществ от неживой природы (из запасов атмосферы, гидросферы и земной коры) к живым организмам и обратно в неживую среду с использованием солнечной энергии. Биомасса – любые вещества животного или растительного происхождения в составе как неживых, так и живых организмов. Биологическая продуктивность (БП) – способность сообщества на основе использования вещества и энергии к воспроизводству органического вещества; выражается в массовых или энергетических единицах на единицу площади. БП первичная – прирост биомассы автотрофных организмов за единицу времени. БП вторичная – прирост биомассы гетеротрофов за единицу времени. Биосфера – самая крупная экосистема Земли, состав и энергетика которой определены работой живого вещества. Биота – совокупность видов живых организмов, объединённых общей областью распространения. Биотопливо – любая биомасса, способная, сгорая, давать энергию, а также органические отходы, способные при брожении давать тепло. Бридер – реактор-размножитель. ВВЭР-1000(440) – водо-водяной энергетический реактор мощностью 1000(440) МВт (эл.) – легководный реактор, в котором вода находится под давлением, достаточным для предотвращения ее закипания и в то же вре258

мя обеспечивающим высокую температуру теплоносителя (воды). В западных странах этот тип реакторов обозначают PWR. Возобновляемые ресурсы – ресурсы, темпы потребления которых не должны превышать темпов регенерации (почвы, вода, лес и др.). Гелиоэнергетика – энергетика, основанная на использовании солнечной энергии. Дампинг – сброс, захоронение отходов в океане и его морях. Дезактивация – удаление или снижение радиоактивного загрязнения с какой-либо поверхности или из какой-либо среды. Делимый нуклид – нуклид, который делится под действием нейтронов, если их энергия превышает определенный порог. Делящийся нуклид – нуклид, способный претерпеть ядерное деление в результате взаимодействия с медленными (тепловыми) нейтронами. Существуют три наиболее важных делящихся нуклида, представляющих интерес ядерной энергетике: природный уран-235 и два искусственных (уран-233 и плутоний-239). Доза излучения – средняя энергия, поглощенная единицей массы облученного вещества. Мощность дозы – значение дозы в единицу времени. Допустимая антропогенная нагрузка (ДАН) – отклонение от нормального состояния экосистемы не превышает естественных изменений. Загрязнение окружающей среды − поступление в окружающую среду вещества или энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Закон неограниченности прогресса – развитие от простого к сложному неограниченно. Закон «Об использовании атомной энергии» (принят в 1995 г. в действующей редакции 2009 г.). Определяет правовую основу и принципы регулирования отношений, возникающих при использовании атомной энергии. Направлен на защиту здоровья и жизни людей, охрану окружающей среды, защиту собственности при использовании атомной энергии, призван способствовать развитию атомной науки и техники, содействовать укреплению международного режима безопасного использования атомной энергии. Закон «О радиационной безопасности населения» (принят в 1996 г. в редакции 2008 г.). Определяет правовые основы обеспечения радиационной безопасности населения в целях охраны его здоровья. Закон снижения энергетической эффективности природопользования – со временем при получении из природных систем полезной продукции на ее единицу в среднем затрачивается все больше энергии. Замедлитель – материал, используемый в активной зоне ядерного реактора для уменьшения энергии (скорости) нейтронов, образующихся в результате деления атомных ядер. 259

Кальдарий (от лат. calda – тёплая вода) – горячее пространство с нагретой водой или с бассейном, наполненным тёплой водой. Канцероген – вещество или физический агент, способствующие возникновению злокачественных новообразований. Качество окружающей среды − состояние окружающей среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и их совокупностью. Киотский протокол – международное соглашение о сокращении выбросов парниковых газов в атмосферу для сдерживания глобального потепления, подписанное в 1997 г. в Киото (Япония). Коллективная доза – сумма средних эффективных доз в облученных группах лиц, умноженных на число лиц в каждой группе. Единица измерения является человеко-зиверт (чел.-Зв). Коммитментная доза – ожидаемая к 70-му году жизни эффективная и поглощённая в отдельных органах и тканях доза. Кондиционирование радиоактивных отходов – перевод отходов в форму, пригодную для транспортировки, хранения и захоронения. Остекловывание – отверждение жидких РАО путем смешивания их со стеклообразующимися материалами. Легководный реактор – ядерный реактор, в котором используется обычная («легкая») вода в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя. BWR – обозначение для зарубежных водо-водяных кипящих корпусных реакторов, в которых и теплоносителем, и замедлителем является обычная вода, кипящая в активной зоне. PWR – обозначение для зарубежных водо-водяных корпусных реакторов, в которых и теплоносителем, и замедлителем является обычная вода, находящаяся под давлением. Летальная доза (LD) – минимальное количество ядовитого вещества, 30 попадание которого в организм приводит к его смерти. LD50 – летальная доза облучения, при которой гибнет 50 % популяции в течение первых 30 дней. Литосфера – верхняя оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию. Мощность литосферы до 200 км, в том числе земной коры – 75 км на континентах и 10 км подо дном океана. МОКС-топливо – плутоний, выделяемый при переработке ОЯТ, а также утилизации оружейного плутония, является основой смешанного оксидного уран-плутониевого топлива для последующего использования в ядерных реакторах атомных электростанций. Невозобновляемые ресурсы – ресурсы, темпы потребления которых не должны превышать темпов их замены на возобновляемые ресурсы (ископаемое топливо, минеральные руды, грунтовые воды). 260

Ноосфера – сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная со становлением в ней цивилизованного человечества. Обращение с отходами – согласно Федеральному закону об отходах производства и потребления (1998 г.) – деятельность, в процессе которой образуются отходы, а также деятельность по сбору, использованию, обезвреживанию, транспортированию, размещению (хранение и захоронение) отходов. Отработанное ядерное топливо (ОЯТ) – ядерное топливо, извлеченное из реактора после облучения и не подлежащее дальнейшему использованию в этом реакторе. Отходы – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также продукция, утратившая свою потребительскую свойство. Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) − вид деятельности по выявлению, анализу и учёту прямых, косвенных и иных последствий воздействия на окружающую среду планируемой хозяйственной и иной деятельности в целях принятия решения о возможности или невозможности её осуществления. Парниковый газы – газы, поглощающие в атмосфере излучаемое Землей тепловое излучение. Антропогенный рост концентрации углекислого и некоторых других газов приводит к повышению температуры и изменению климата. Пиролиз – термического разложения органических соединений без доступа воздуха. Поллютант – загрязняющее вещество. Правило 1 % – изменение энергетики природной системы в пределах 1 % выводит природную систему из равновесного состояния. Все крупномасштабные явления на поверхности Земли, как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1 % энергии солнечного излучения, падающую на поверхность планеты. Предельно допустимая концентрация (ПДК) – максимальное количество вредного вещества в единице объема или массы, которое при длительном воздействии не вызывает каких-либо болезненных изменений в организме человека и неблагоприятных наследственных изменений у потомства, обнаруживаемых современными методами. Принцип ALARA – поддержание на возможно низком и достижимом уровне как индивидуальных, так и коллективных доз облучения, с учетом социальных и экономических факторов. Принцип неполноты информации – информация при проведении каких-либо действий по преобразованию природы всегда недостаточна для априорных суждений о всевозможных результатах осуществляемого мероприятия. 261

Принцип удаленности события – явление, удаленное во времени и пространстве, кажется менее существенным. Например, неверно, что в будущем на основе научно-технического прогресса экологические проблемы решатся легче. Продукты активации – группа радиоактивных веществ, образующихся на АЭС преимущественно в теплоносителе в результате нейтронных реакций на ядрах самого теплоносителя и на ядрах продуктов коррозии материалов технологического оборудования. Продукты ядерного деления, образующиеся при делении ядер в ядерном реакторе. В природную среду попадают с радиоактивными отходами переработанного топлива ядерных реакторов. Радиация (излучение) – испускание и распространение энергии в виде волн и частиц. Излучение ультрафиолетовое с длиной волны от 10 до 400 нм, спектр видимого света с длиной волны от 400 (фиолетовый свет) до 740 (красный свет) нм, инфракрасное (тепловое) излучений с длиной волны от 770 нм до 1–2 мм. Радиоактивные отходы (РАО) – жидкие, твердые и газообразные продукты, образующиеся на всех стадиях ядерного топливного цикла (ЯТЦ) и не представляющие ценности для дальнейшего использования. РБМК – реактор большой мощности канальный. Реактор на быстрых нейтронах (РБН) – ядерный реактор, в котором цепная реакция деления осуществляется на быстрых нейтронах (энергия выше 0,1 МэВ) и отсутствует замедлитель. Римский клуб – международная неправительственная организация, деятельность которой направлена на стимулирование изучения глобальных проблем. Седиментация – оседание под действием гравитационных сил в газе или жидкости различных примесей. Синергизм – свойство сложных систем, когда результат взаимодействия не является простой суммой отдельных воздействий, а порождает качественно новые результаты, ведущие к усилению эффекта. Смог фотохимический – вторичное (кумулятивное) загрязнение воздуха, возникающее в результате разложения загрязняющих веществ солнечными лучами. Твэл – тепловыделяющий элемент ядерной сборки, состоящий из ядерного топлива и оболочки и обеспечивающий надежный отток тепла от топлива к теплоносителю. Тепловыделяющие сборки (ТВС) – размещение твэлов в специальные конструкции (кассеты). Теплоноситель – жидкость или газ, выносящие тепло из активной зоны атомного реактора. 262

Трансмутация – превращение одного нуклида в другой в результате ядерных реакций. Трансурановые элементы – химические элементы с атомным номером, бóльшим, чем у урана-92. Условное топливо – служит для сопоставления тепловой ценности различных видов органического топлива. Единицей измерения являются тонны условного топлива (т у.т.): теплота сгорания 1 кг твердого топлива или 1 м3 газообразного, равная 7000 ккал. Эвтрофикация – повышение уровня первичной продукции природных вод благодаря увеличению в них концентрации биогенных элементов. Эквивалентная доза – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения. Единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв). Экологическая катастрофа – полное нарушение экологичес-кого равновесия в природных живых системах, возникающее, как правило, в результате воздействия человеческой деятельности, а также космических причин (эволюционные катастрофы). Экологическая система (экосистема) – любое единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы. Экологическая экспертиза – установление соответствия документов, обосновывающих намечаемую хозяйственную и иную деятельность, экологическим требованиям, установленным техническими регламентами и законодательством в области охраны окружающей среды, в целях предотвращения негативного воздействия такой деятельности на окружающую среду. Экологический мониторинг − комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Экологическое обоснование проекта – доказательство вероятного отсутствия неблагоприятных экологических последствий осуществления предлагаемого проекта и, наоборот, улучшения в ходе его осуществления условий для жизни людей и функционирования хозяйства. Экологический риск – вероятность неблагоприятных для экологических ресурсов последствий любых антропогенных изменений природных объектов и факторов. Экосфера – сфера современной активной жизни. Экспозиционная доза – количественная характеристика рентгеновского излучения или гамма-излучения, основанная на их ионизирующем дейст263

вии и выраженная суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице объёма воздуха. Единица измерения – кулон на килограмм (Кл/кг), внесистемная – рентген (Р). Эрозия – процессы отрыва, переноса и отложения почвы поверхностным стоком временных водных потоков и ветром. Эстуарий – затопляемое устье реки, расширяющееся в сторону моря. Эффективная доза – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты. Единица измерения – зиверт (Зв). Ядерный топливный цикл (ЯТЦ) – совокупность предприятий, процессов и этапов по обращению с ядерным топливом на всем его жизненном цикле: от добычи до утилизации или захоронения.

264

Рисунки к главе 1

Рис. 1.1. Диаграмма баланса вещества в исследуемой области

Рис. 1.2. Однокамерная модель для расчета загрязнения воздуха в помещении

Рис.1.3. Остаточная биологическая потребность кислорода БПК как функция времени 265

Рис.1.4. Загрязнение почв тяжёлыми металлами в некоторых городах России

Рисунки к главе 2

Рис. 2.1. «Изогнутая энергетическая лестница», показывающая влияние политики энергосбережения на взаимосвязь ВВП (тыс. дол./чел. ⋅ год) и энергопотребления (энерговооруженности, ГДж/чел. ⋅ год ≈ 0,032 кВт/чел.) [1]. Точками обозначены ежегодные значения за последние 30 лет 266

Рис. 2.2. Продолжительность жизни населения как нелинейная функция от качества питания в разных странах мира в 1988 г. [1]. Сплошная линия – осреднение. Качество питания выражено в калориях на человека в сутки в пересчете на растительную пищу

Млн т у.т/год

Рис. 2.3. Динамика добычи топлива в России

267

Рис. 2.4. Схема к определению расхода энергии за период времени Т: сплошная линия – экспоненциальный рост без ограничений; пунктирная – рост с ограничением величины W(t) < W*; штрихпунктирная – изменение с исчерпанием ресурса энергии

Рис. 2.5. Зависимость доступности энергетических ресурсов от стоимости их извлечения [3]

268

Рис. 2.6. Структура мирового производства электроэнергии в 2005 г. (всего произведено 1,7·1013 кВт · ч = 60 ЭДж)

Рис. 2.7. Модель динамики мира по расчетам Римского клуба. Значения графиков для периода с 1900 по 2000 г. отражают историческую статистику, после 2000-го – прогноз. Выпуск промышленной продукции и численность населения растут экспоненциально до тех пор, пока быстро убывающая ресурсная база не вызывает быстрое замедление промышленного роста. Из-за наличия в системе естественных запаздываний как население, так и загрязнение окружающей среды продолжают расти в течение еще некоторого времени после пика промышленного развития. В конце концов, рост населения останавливается из-за увеличения темпа смертности вследствие снижения производства продуктов питания и медицинских услуг 269

Рис. 3.1. Число энергетических ядерных реакторов в странах мира на начало 2007 г.

Рисунки к главе 3

270

Рис. 3.2. Число и возраст энергетических ядерных реакторов и доля «ядерного электричества» в странах мира на начало 2009 г. Ширина синих линий пропорциональна числу реакторов в стране

Рис. 3.3. Схема АЭС с реактором типа БН-600 271

Рис. 3.4. Реактор ВВЭР-1000: 1 – привод СУЗ, 2 – крышка реактора; 3 – корпус реактора; 4 – блок защитных труб; 5 – шахта; 6 – выгородка активной зоны; 7 – топливные сборки (ТВС), регулирующие стержни 272

Рис. 3.5. Парогенераторы горизонтального типа для реакторов ВВЭР-1000 в сборочном цехе

Рис. 3.6. Схема размещения первого контура реактора ВВЭР-1000 в защитной оболочке (контейнменте)

273

Рис. 3.7. Тепловая схема двухконтурной АЭС с реактором ВВЭР-1000 для одной из четырех петель: ЯР – ядерный реактор; ПГ – парогенератор; ГЦН – главный циркуляционный насос; ЦВД – цилиндр высокого давления турбины; ЦНД – цилиндр низкого давления турбины; П – пароперегреватель; ПНД – подогреватель (регенератор) низкого давления; ПВД – подогреватель (регенератор) высокого давления; ПН – питательный насос; Д – деаэратор

Рис. 3.8. Характерные времена выдержки ОЯТ после извлечения из реактора (проектный срок работы реактора 30 лет) 274

Рис. 3.9. Завод по разделению изотопов урана центрифужным методом

Рис. 3.10. Топливные таблетки – диоксид урана (UO2) Рисунки к главе 4

Рис. 4.1. Барьеры безопасности на АЭС 275

Рис. 4.2. Доза внешнего облучения от облака выброса и радиоактивных выпадений (данные конца 1970-х гг.)

Рис. 4.3. Барьеры безопасности для реакторов PWR 276

Рисунки к главе 5

Рис. 5.1. Схема гидроэлектростанции: 1 – верхний и 2 – нижний уровни (русло) реки; 3 – здание плотины (разрез вдоль течения реки); 4 – водовод; 5 – гидротурбина; 6 – электрогенератор; 7 – трансформатор; 8 – линия электропередачи (ЛЭП)

Рис. 5.2. Водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС 277

Рис. 5.3. Судно с трубой, на котором проводил эксперименты Ж. Клод: 1 – якорный блок; 2 – трубопровод холодной воды; 3 – поддерживающий трубу буй: 4 – электростанция; 5 – выход отработанной воды; 6 – забор тёплой воды; 7 – оборудование для изготовления льда

Рис. 5.4. Образование сизигийных приливов (а), когда высоты лунного и солнечного приливов складываются, и самых слабых – квадратурных приливов (б) [2] 278

Рис. 5.5. Схема приливной электростанции (H – амплитуда между наиболее низким и высоким уровнями воды)

Рис. 5.6. Волновой цикл и выработка электричества в зависимости от времени суток [1]: прерывистая линия – движение волны (прилив – отлив – прилив); сплошная – ход наполнения бассейна (1–2 – наполнение; 2–3 – подкачка; 3–4 – удержание; 4–5 – генерация энергии; 5–6 – удержание)

279

Рис. 5.7. Первая в мире приливная электростанция на р. Ла-Ранс

Рис. 5.8. Вид местности Лардерелло, пронизанной трубопроводом для транспортировки продукции геотермальной установки 280

Рис. 5.9. Схема использования энергии солевых куполов: 1 – солевой купол; 2, 3 – насосные станции; 4 – осмотический преобразователь; 5 – турбина с электрогенератором

Рис. 5.10. Создание искусственного течения вокруг Северной Америки 281

Рисунки к главе 6

а б Рис. 6.1. Графики спектра излучения чёрного тела (а) и Солнца (б)

Рис. 6.2. Схема к расчету плотности потока солнечной энергии в окрестности Земли

282

Рис.6.3. Принципиальные схемы концентрации солнечного излучения в солнечных тепловых электростанциях 283

Рис. 6.4. Схема солнечной тепловой электростанции башенного типа: 1 – Солнце; 2 – зеркальные гелиостаты (концентраторы излучения); 3 – опорная башня; 4 – коллектор (приемник) излучения, в котором нагревается теплоноситель или рабочее тело для паровой турбины

Рис.6.5. Солнечные башни PS10 и PS20

284

Рис. 6.6. Схема фотоэлектрического преобразователя (элемента солнечной батареи): верхний слой – полупроводник n-типа (толщина около 1 мкм), следующий слой – полупроводник p-типа (толщина около 0,5 мм); R – внешняя нагрузка; 1 – верхний электрод (полосковый или сетчатый); 2 – нижний электрод (сплошной, несущий)

Рис. 6.7. Устройство современного солнечного водонагревателя с одноконтурной системой термосифонного типа: А) 1 – водоприёмник; 2 – прозрачная крышка; 3 – коллектор с покрытой тёмной краской трубками; 4 – бак с горячей водой; 5 – выпуск горячей воды; 6 – теплоизоляция; 7 – наклонный к солнечным лучам корпус; Б) 1 – кран для заполнения и слива бака; 2 – вход коллектора; 3 – теплоноситель бака; 4 – медный спиральный теплообменник; 5 – атмосферный канал; 6 – выход коллектора; 7 – выход горячей воды; 8 – теплоноситель кальдария; 9 – вход холодной воды

285

Рисунки к главе 7

υ υ

A

Рис. 7.1. Определение мощности ветрогенератора

υ1

υ

Рис. 7.2. Схема замедления ветра ветрогенератором

286

υ2

Рис. 7.3. Схема ветровой установки TW600 с асинхронным генератором: 1 – втулка ротора; 2 – лопасть ротора; 3 – корпус двигателя; 4 – измеритель ветра; 5 – генератор; 6 – коробка передач; 7 – рабочий тормоз; 8 – вторичный тормоз; 9 – гидродинамическое сцепление; 10 – азимутальный привод; 11 – азимутальная опора; 12 – азимутальный тормоз; 13 – башня

Рис. 7.4. Типичный для прибрежных вод пейзаж с ветровыми электростанциями 287

Рис. 7.5. Ветрогенераторы на ветровой станции в Палм-Спрингс, штат Калифорния Рисунки к главе 8

Рис. 8.1. Полная энергия и её стоимость для возобновляемых источников 288

Рис. 8.2. Образование биогаза (метана CH4) в результате анаэробного разложения в биогенераторе органических удобрений

Рис. 8.3. Рост мирового производства энергии для различных источников топлива: 1 – нефть; 2 – уголь; 3 – газ; 4 – гидростанции; 5 – АЭС; 6 – биомасса, ветровая, геотермальная и солнечная энергия

289

Рис. 8.4. Выход газа в расчёте на 1 кг массы сухого органического вещества сельскохозяйственных материалов при температуре брожения 30 °С: 1 – трава; 2 – солома; 3 – экскременты крупного рогатого скота Рисунки к главе 9

ТCTP

ТOK

ТL

Рис. 9.1. Схема жизненного цикла энергоустановок в координатах «доходность (нарастающим итогом) – время». Здесь ТСТР – срок строительства установки; ТОК – период окупаемости; ТL – срок эксплуатации; К – капитальные затраты 290

Топливная составляющая Структура приведенной стоимости электроэнергии

Добыча урана

25% 3%

9%

Капитальная составляющая

Обогащение 37%

Кредит

Дивиденды

26%

22,4%

31% Проценты

Конверсия

Фабрикация Переработка

41%

56,2%

Эксплуатационная составляющая

28%

21,4% O&M

83% 17%

Вывод из эксплуатации

Рис. 9.2. Структура приведенной стоимости электроэнергии, вырабатываемой на АЭС с реактором типа ABWR

Рис. 9.3. Составляющие удельной стоимости электроэнергии (евро/МВт·ч) разных энерготехнологий (данные WNA)

291

Рис. 9.4. Цены на электроэнергию (евро/кВт·ч) за счет традиционных источников (Utility) и стоимость «солнечной» электроэнергии (Photovoltaics) для северных стран Европы (900 ч работы СЭС в год) и южных (1800 ч/год). Источник: EPIA

Рис. 9.5. Концепция устойчивого (sustainable) развития появилась в результате объединения трех основных точек зрения: экономической, социальной и экологической. Bearable – сносный, терпимый; Equitable – справедливый; Viable – жизнеспособный 292