Низкая эффективность вызывается зависимостью коэффициента полезного действия таких установок от скорости ветра. При изменении его скорости всего на 20 процентов коэффициент полезного действия таких двигателей падает сразу на 70 процентов. Поэтому, хотя человек начал осваивать энергию ветра тысячи лет назад и имеет в этом деле громадный опыт, трудно ожидать, что этим источником будет внесен большой вклад в энергообеспечение человека.
Широко используется солнечная энергия, заключенная в растениях. Ежегодно леса дают около 0,5Q. Это почти в два раза больше всех видов энергии, которые человек потреблял в 1980 году. Сейчас по разным причинам используется незначительная часть годового прироста древесины. Тут играет роль неуниверсальный вид этого топлива, относительно невысокая его калорийность, трудности огранизации равномерной добычи по всем лесным массивам, транспортировки и экономические соображения.
Большая часть растений полезно использует только один процент солнечной энергии, хотя есть такие виды, у которых этот коэффициент приближается к 5 процентам.
Разрабатываются различные планы использования фотосинтеза для энергетики. Так, американский ученый Т. Уилкокс предлагает использовать в качестве топлива морские водоросли. Отдельные их виды, из которых можно получать метан, могут, по его утверждению, давать с гектара несколько тонн массы. Самым серьезным препятствием для выращивания биомассы как источника энергии является необходимость в больших площадях. Так, чтобы покрыть за счет биомассы только нынешнюю потребность США в газе, нужно занять растениями 6 процентов территории страны. Сторонники этого направления в энергетике стремятся с помощью генной инженерии повысить эффективность фотосинтеза.
Примерно по таким же причинам пока не видно экономичных путей преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую с помощью фотоэлементов или, концентрируя излучение, с помощью зеркал. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость. Сейчас уже разрабатываются проекты солнечных электростанций на орбите. Для них уже есть и название: ССЭС - спутниковые солнечные электростанции. В их создании - свои трудности: при мощности 10 миллионов киловатт такая станция будет весить около 70 тысяч тонн. Энергия на Землю будет передаваться в виде микроволнового излучения на наземную антенну площадью 100 квадратных километров.
Можно привести еще очень много проектов использования различных источников энергии. Здесь и использование тепла океана, и геотермальная энергия, и водород, получаемый при закачке воды в магму, и приливы океанов, и океанские течения.
Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения перечисленных источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий окажется в двачетыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в 2000 году отводят значительное место: от 5 до 10 процентов.
По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее дешевым источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более дешевый источник энергии.
ШАГИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Значение ядерной энергетики не исчерпывается только тем, что она практически навсегда снимает угрозу недостатка топлива.
Ядерная энергетика будет иметь и важное социальное значение.
А. П. Александров
В XXI веке, а может быть, и далее, пока не будет открыт какой-либо другой, более совершенный и дешевый ядерный источник энергии, основу энергетики наряду с углем должны составить ядерные реакторы деления, а затем и термоядерные реакторы синтеза. Сейчас это ясно большинству энергетиков и специалистов других отраслей промышленности, ученых, занимающихся проблемами экономики.
В опубликованной в журнале "Проблемы мира и социализма" статье "Научно-технический прогресс и атомная энергетика" президент АН СССР А.Александров пишет: "Широкое и разнообразное применение энергии атома экономическая политика дальнего прицела... Поэтому освоение огромных ресурсов энергии ядерных превращений - важнейший долг ученых перед человечеством... Смягчение остроты топливной проблемы, несомненно, приведет и к снижению ее значения как фактора политической напряженности. Районы и страны, обделенные природой и не имеющие традиционных топливных ресурсов, смогут получать относительно недорогие ядерные энергоресурсы, что будет способствовать их более быстрому техническому прогрессу. Благодаря исключительно высокой энергоемкости ядерного горючего стоимость его транспортировки в любые места земного шара относительно низка.
Чрезвычайно важным следствием широкого применения ядерной энергии явится и существенное уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания".
Сегодня преимущества атомной энергетики и необходимость ее ускоренного развития очевидны, но... всего лишь три десятилетия назад сама возможность и целесоооразность мирного использования энергии атома у многих вызывали страх и большие сомнения.
Первую брешь в этих переживаниях в 1954 году пробила сооруженная под Москвой в городе Обнинске атомная электростанция. Маленькая по мощности (всего 5 тысяч киловатт), она была первой на земном шаре, где использовалась энергия атома.
1 июля 1954 года "Правда" и другие газеты поместили на первых полосах такое сообщение: "В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт.
27 июня 1954 года атомная электростанция была пущена в эксплуатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилежащих районов".
Это известие облетело весь мир. Вот сообщения корреспондентов из-за рубежа.
"Лондон, 1 ИЮЛЯ (ТАСС)- Сообщение о пуске в СССР первой промышленной электростанции на атомной энергии широко отмечается английской печатью, Московский корреспондент "Дейли уоркер" пишет, что это историческое событие "имеет неизмеримо большее значение, чем сброс первой атомной бомбы на Хиросиму".
"Париж, 1 июля (ТАСС). Лондонский корреспондент агентства Франс Пресс передает, что сообщение о пуске в СССР первой в мире промышленной электростанции, работающей на атомной энергии, встречено в лондонских кругах специалистов-атомников с большим интересом. Англия, продолжает корреспондент, строит атомную электростанцию в Колдерхолле. Полагают, что она сможет вступить в строй не ранее чем через 2,5 года".
Успешное создание и работа первой АЭС в мире было важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер - предубеждение людей вообще против атомной энергии. Было показано, что она может успешно служить делу мира и способствовать росту благосостояния человечества. Это событие имело и политическое значение: Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов - не на создание еще более совершенных видов атомного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь создание АЭС имело научно-техническое значение. По пути, проложенному ею, пошли десятки других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.
Решения приняты
В 1955 году в Женеве, впервые после второй мировой войны, собрались ученые разных стран на первую международную конференцию по атомной энергетике.
Советские специалисты сделали вызвавшее общий интерес сообщение об итогах годичной работы АЭС в Обнинске, о технических характеристиках и конструкциях атомного реактора и другого оборудования станции.
Это был первый опыт, позволивший сделать правильный вывод о надежности работы ядерного реактора подобного типа и его безопасности для обслуживающего персонала и населения, проживающего в районе ее р-асположения.
В настоящее время есть множество действующих реакторов, которые существенно различны. Если же учесть еще те, что задуманы и даже спроектированы, но не построены, то число модификаций составит несколько десятков.
Так, реактор первой АЭС, как мы уже говорили, уранграфитовый канального типа. То есть в качестве вещества, замедляющего нейтроны, в нем применен графит, а топливом является уран. Слова "канального типа" означают, что урановые тепловыделяющие элементы (стерженьки из урана) находятся в трубах, проходящих через графитовые блоки. В этих трубах и протекает вода, которая, отбирая энергию от урановых твэлов, кипит и испаряется.
Такая схема реактора, конечно, не единственно возможная. На упоминавшейся международной конференции по мирному использованию атомной энергии нашими и зарубежными специалистами были представлены проекты и других реакторов. Чем они отличались друг от друга и для чего понадобилось такое разнообразие, мы сейчас и увидим.
Первое, что вносит многообразие, - это замедлитель нейтронов. Кроме графита, можно использовать обычную и тяжелую воду. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.
Обычная вода, в молекуле которой два атома самого легкого элемента водорода, отлично замедляющего нейтроны, наиболее дешевый и очень эффективный замедлитель. Но есть у нее и недостатки: водород и кислород бесполезно поглощают нейтроны и тем ухудшают цепную реакцию. Чтобы она не затухала, приходится добавлять горючее - уран.
Почти совсем не поглощает нейтроны тяжелая вода - дорогой и дефицитный продукт. В ее молекуле не водород, а два атома дейтерия, о которых речь шла впереди.
Чтобы вода, используемая в качестве замедлителя, не кипела при довольно высокой температуре в 300 градусов, в системе нужно создавать давление в 100 атмосфер. Это, конечно, приводит к существенному усложнению реактора.
В качестве замедлителя пригодны и органические вещества, например газойль - даутерм, в состав которого входят углерод, водород и кислород. Даутерм относительно неплохо замедляет нейтроны, не очень сильно их поглощает и самое главное - не требует создания в реакторе больших давлений. Как будто бы всем он хорош.
Почти не вызывает коррозии, недорого стоит. Но, как и у каждого замедлителя, у него есть свои недостатки.
Во-первых, это соединение очень нестойкое. Нейтроны, обладающие большой энергией, разбивают молекулу даутерма, образуя при этом ненужные газообразные продукты. Во-вторых, под действием высокой температуры и облучения из этих частиц начинают образовываться тяжелые полимеры, которые как нагар осаждаются на поверхности тепловыделяющих элементов и, перекрывая проходное сечение для теплоносителя, затрудняют отвод тепла. Кстати, о теплоносителе.
Для отвода тепла от реактора можно использовать различные вещества, которые также влияют на конструкцию реакторов. Здесь обычная и тяжелая вода в кипящем и некипящем состоянии и те же самые, используемые в качестве замедлителя, органические вещества.
Применяются также и газообразные теплоносители: углекислый газ, азот, гелий. В реакторах-размножителях ча быстрых нейтронах удобным теплоносителем оказался натрий. Различным типам теплоносителей, как и многим замедлителям, свойственны определенные преимущества и недостатки.
Мы коснулись только двух составляющих реактора:
замедлителя и теплоносителя, определяющих тип реактора. А ведь нужно самым оптимальным образом выбрать еще и тепловыделяющий элемент! В каком виде удобнее использовать в нем ядерное горючее - уран?
В виде металла или его двуокиси? А может быть, лучше применить карбид урана или какой-либо его сплав?
Имеют значение форма и размеры тепловыделяющих элементов (оболочки), в которых заключается ядерное горючее. Надежнее всего были бы твэлы из стали, но она сильно поглощает нейтроны. Пришлось уран заключать в циркониевые либо алюминиевые оболочки, слабо поглощающие нейтроны.
Как видите, если составить сочетания из предлагавшихся типов замедлителя, теплоносителя, топлива, форм и размеров твэлов и конструктивных способов их оформления и других элементов оборудования реактора, то можно было бы получить несколько сот вариантов.
Правда, среди них попались бы и такие, которые учеными не рассматривались, а сразу отбрасывались прочь как неразумные. Нецелесообразность применения других вариантов вытекала из расчетов или пробных конструкторских проработок. И все же после такого предварительного отбора оставалось несколько десятков возможных для создания типов реакторов, с которыми нужно было разбираться более серьезно и подробно. Что же делать в такой ситуации? Создавать одновременно все мыслимые типы опытно-промышленных реакторов, эксплуатировать их по 10-15 лет и потом решать, какие из них использовать для промышленной атомной энергетики? Конечно, нет. При такой стратегии ее масштабное развитие могло бы задержаться на многие десятилетия. Да, одновременное развитие многих направлений потребовало бы и огромных материальных затрат, так как на исследования, опытно-конструкторские работы и проектирование пришлось бы перевести большое количество институтов, конструкторских и проектных организаций! Ясно, что разумнее ограничиться несколькими типами установок и развивать атомную энергетику поэтапно, переходя по мере накопления опыта от более простых установок к более сложным Наиболее подходящей областью начального использования атомной энергии стала электроэнергетика.
В электроэнергетических установках даже при не очень больших температурах (около 300 градусов Цельсия)
коэффициент преобразования атомной энергии в электричество относительно высок - 30-33 процента. Важно и другое: в электроэнергетике имеются хорошие возможности для работы реакторов в базисной нагрузке, то есть практически при постоянной максимально допустимой мощности. Почему это важно? По двум причинам.
Работа в переменных режимах: с изменением мощности, температур, расходов теплоносителя - предъявляет к установкам более строгие требования; надо создавать более надежные их конструкции, а это связано с большой затратой времени и большим объемом научно-исследовательских работ. Кстати, в настоящее время исследования возможности использования АЭС в переменных или маневренных режимах уже ведутся.
Вторая причина целесообразности на первых порах работы АЭС в базисном режиме объясняется их большей по сравнению с установками на органическом топливе капиталоемкостью. Если в теплоэлектростанциях (ТЭС) стоимость вырабатываемой энергии на 70 процентов определяется стоимостью топлива и только на 30 процентов затратами на сооружение самой ТЭС, то в АЭС картина обратная: топливная составляющая стоимости электроэнергии всего 25-30 процентов. Это означает, что для АЭС чрезвычайно невыгодны простои и работа на пониженной мощности. Неработающая АЭС - это омертвленный капитал. В таких режимах работы стоимость электроэнергии на АЭС может превысить стоимость электроэнергии на ТЭС.
Вернемся к описанию типов реакторов.
Помимо электроэнергетики, которая облегчила решение ряда технических задач и уменьшила количество вариантов реакторов, существуют и другие причины, почему в различных странах начали разрабатывать атомные электростанции разного типа. В Канаде преимущественное развитие получили реакторы на тяжелой воде; в Англии - газоохлаждаемые; в США и ФРГ водоводяные (в качестве замедлителя и теплоносителя в них используется вода) и реакторы с кипящей водой; в СССР - водоводяные и реакторы канального типа, подобные реактору на Обнинской АЭС, а также было опробовано несколько реакторов другого типа - с органическим замедлителем и теплоносителем, с тяжеловодным замедлителем и газовым охлаждением, - не получивших пока широкого распространения.
Так, стихийно возникшие международные кооперации и разделение труда по исследованию, разработке и накоплению опыта эксплуатации АЭС различного типа позволили в достаточно короткие сроки выявить наиболее перспективные виды атомных реакторов. Дальнейшее развитие получили сейчас четыре типа реакторовводоводяной, реактор с кипящей водой, тяжеловодный и реактор канального типа с графитовым замедлителем.
В СССР в апреле 1964 года была создана Белоярская промышленная АЭС электрической мощностью 100 тысяч киловатт с водо-графитовым канальным реактором.
В отверстия графитовых блоков вставлены металлические трубы с тепловыделяющими элементами. Вода, циркулирующая в них, нагревается, превращается в пар, и он, перегретый, подается в турбины. В 1967 году заработала вторая очередь этой электростанции мощностью 200 тысяч киловатт. А еще через семь лег к западу or Ленинграда, рядом с живописным современным городом Сосновый Бор, завершилось сооружение также канальной крупнейшей в СССР и Европе одноконтурной АЭС мощностью в два миллиона киловатт. Состоит она из двух блоков по миллиону киловатт, и в каждом блоке свой реактор. Насыщенный семидесятиатмосферный пар из каждого реактора подается к двум турбогенераторам по 500 тысяч киловатт.
В реакторах по 1693 канала с тепловыделяющими топливными элементами. Размещение ядерного топлива в отдельных каналах - одно из главных преимуществ реакторов данного типа: оно позволяет производить перегрузку топлива, не останавливая работающий реактор, с помощью специальной перегрузочной машины.
Ленинградская АЭС является головной станцией в целой серии, которая будет строиться в нашей стране.
Реакторы такого типа уже работают на Курской АЭС, а также строятся Чернобыльская, Игналинская, Калининская, Смоленская, Западно-Украинская и другие станции в европейской части СССР.
Невдалеке от Воронежа, в живописной излучине Дона, построена Ново-Воронежская АЭС. Первый ее блок электрической мощностью 210 тысяч киловатт был пущен в сентябре 1964 года. В 1980 году с пуском пятого блока полная мощность этой станции составит около двух с половиной миллионов киловатт. Реактор последнего блока этой АЭС, как и все ее предыдущие, корпусного типа, однако мощность его побольше, чем у предыдущих, и составляет миллион электрических киловатт. Эта мощность близка к предельно возможной для реакторов такого типа, ибо корпуса большего размера невозможно перевозить по железной дороге. В ново-воронежских реакторах в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя используется под давлением некипящая вода. Значит, это установки двухконтурного типа.
В первом контуре, его называют реакторным, циркулирует некипящая вода под давлением 160 атмосфер. Пар получают в парогенераторах уже второго контура. Таким образом, вода, прошедшая через активную зону, не попадает в турбогенераторы станции, а циркулирует в замкнутом контуре, в реакторном блоке.
Сейчас реакторы типа ново-воронежских работают на Кольской и Армянской АЭС. Несколько реакторов такого типа было построено при помощи-СССР в социалистических странах.
Быстрыми темпами создается атомная энергетика и в технически развитых буржуазных странах. Суммарная мощность действующих АЭС в 1980 году приблизится к 140-150 миллионам киловатт. Дальнейшее развитие атомной электроэнергетики вплоть до конца нашего века оценивается различными институтами, правительственными организациями и энергетическими объединениями весьма по-разному. Более того, за последние годы эти прогнозы претерпели существенные изменения. Так, например, если еще 5-6 лет назад прогнозная мощность АЭС в США на 2000 год составляла около 1000 миллионов киловатт, то сейчас все чаще говорят о 300- 400 миллионах киловатт. Такое же нестабильное положение с развитием атомной энергетики в ФРГ и Австрии.
В то же время достаточно целеустремленно развивается атомная энергетика во Франции, в Японии.
Причины подобных ситуаций весьма различны: тут и общественное мнение, иногда спровоцированное конкурирующими энергетическими фирмами, и различные результаты, достигнутые в борьбе за обеспеченность тем или иным видом топлива (ядерным, органическим), и возможности машиностроительной промышленности.
Большую роль играет и общее удорожание энергии: падают темпы роста энергетики, нужно выбирать, какую область ее в первую очередь надо развивать. Электроэнергетику? Да, электричество наиболее качественный вид энергии, но оно и один из самых дорогих. А может быть, выгоднее получать энергию в виде тепла?
В разных странах поэтому пути и темпы развития атомной энергетики различны.
Мир без бензина
Атомные электростанции - это только первый этап развития атомной энергетики. Чтобы атомная энергия сыграла решающую роль в энергетике страны, недостаточно одних только АЭС. Всего 20 процентов добываемого у нас топлива тратится на производство электроэнергии. Значит, если атомные электростанции заменят половину всех электростанций страны, то за их счет можно будет сэкономить только около десятой части всего топлива, добываемого в СССР. Может быть, эта величина будет несколько большей, но ненамного. Действительно, доля электроэнергетики в общем энергетическом балансе страны постепенно растет, и, наверное, к концу века на выработку электроэнергии пойдет около 30 процентов всего топлива; следовательно, и потенциальная доля атомной энергетики несколько увеличится.
Но также ясно, что еще долго будут работать и строиться электростанции на угле Сибири, как и гидроэлектростанции на реках в различных районах страны.
Невыгодно пока строить АЭС для полупиковых и тем более пиковых нагрузок. Значит, нужно научиться преобразовывать атомную энергию не только в электричество, но и в другие виды энергии. В какие же именно?
Давайте вспомним, на какие нужды расходуется добываемое в стране топливо. Мы уже говорили, что только пятая часть его уходит на производство электроэнергии. Столько же потребляет автомобильный, авиационный, морской и речной транспорт. Примерно столько же расходуется на различные высокотемпературные технологические процессы в металлургии, химии, нефтехимии, производстве строительных материалов. Самая большая доля топлива - около 30-35 процентов - приходится на производство горячей воды и пара. Наконец, около пяти-шести процентов топлива используется в виде химического сырья.
Итак, баланс ясен. Каков же следующий плацдарм в энергетике, который должна занять атомная энергия?
При его выборе должно быть учтено, что наиболее эффективно атомная энергия может быть использована там, где заменит собой дорогостоящие, становящиеся все более дефицитными нефть и газ. Следующий шаг - вероятно, использование энергии атома в теплоснабжении. Атомная энергетика уже подготовлена к тому, чтобы обеспечивать теплом жилища и коммунальные предприятия. Казалось бы, к чему тут ей готовиться? Она производит уже сейчас горячую воду и пар гораздо более высоких параметров, чем это необходимо для теплофикации! Все это так. Однако горячую воду, а тем более пар невозможно передавать на большое расстояние, так как будут велики потери тепла и дорого будут стоить теплотрассы. Значит, атомный источник тепла должен находиться вблизи от потребителей, жилых массивов и коммунальных предприятий. Правда, требования к безопасности такой станции существенно возрастают.
Но директор отделения ядерных реакторов Института атомной энергии, автор монографии, посвященной безопасности АЭС, В. Сидоренко говорит, что уже разработан проект подобной атомной станции теплоснабжения (ACT), которая удовлетворит самым придирчивым требованиям. Она не причинит вреда окружающему населению даже в случае такой практически невозможной аварии, как разрыв корпуса реактора. Вторичная оболочка, охватывающая корпус, предотвратит выброс вредных веществ. Сейчас первые ACT сооружаются в Горьком и Воронеже. В дальнейшем возможно сооружение и АТЭЦ, то есть атомных энергетических установок, одновременно вырабатывающих и электроэнергию, и бытовое и коммунальное тепло.
Применение ядерных реакторов для теплофикации позволит решить одну из основных задач сегодняшней и тем более будущей энергетики - экономия и постепенная замена нефти и газа другими источниками энергии.
Широко используется солнечная энергия, заключенная в растениях. Ежегодно леса дают около 0,5Q. Это почти в два раза больше всех видов энергии, которые человек потреблял в 1980 году. Сейчас по разным причинам используется незначительная часть годового прироста древесины. Тут играет роль неуниверсальный вид этого топлива, относительно невысокая его калорийность, трудности огранизации равномерной добычи по всем лесным массивам, транспортировки и экономические соображения.
Большая часть растений полезно использует только один процент солнечной энергии, хотя есть такие виды, у которых этот коэффициент приближается к 5 процентам.
Разрабатываются различные планы использования фотосинтеза для энергетики. Так, американский ученый Т. Уилкокс предлагает использовать в качестве топлива морские водоросли. Отдельные их виды, из которых можно получать метан, могут, по его утверждению, давать с гектара несколько тонн массы. Самым серьезным препятствием для выращивания биомассы как источника энергии является необходимость в больших площадях. Так, чтобы покрыть за счет биомассы только нынешнюю потребность США в газе, нужно занять растениями 6 процентов территории страны. Сторонники этого направления в энергетике стремятся с помощью генной инженерии повысить эффективность фотосинтеза.
Примерно по таким же причинам пока не видно экономичных путей преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую с помощью фотоэлементов или, концентрируя излучение, с помощью зеркал. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость. Сейчас уже разрабатываются проекты солнечных электростанций на орбите. Для них уже есть и название: ССЭС - спутниковые солнечные электростанции. В их создании - свои трудности: при мощности 10 миллионов киловатт такая станция будет весить около 70 тысяч тонн. Энергия на Землю будет передаваться в виде микроволнового излучения на наземную антенну площадью 100 квадратных километров.
Можно привести еще очень много проектов использования различных источников энергии. Здесь и использование тепла океана, и геотермальная энергия, и водород, получаемый при закачке воды в магму, и приливы океанов, и океанские течения.
Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения перечисленных источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий окажется в двачетыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в 2000 году отводят значительное место: от 5 до 10 процентов.
По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее дешевым источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более дешевый источник энергии.
ШАГИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Значение ядерной энергетики не исчерпывается только тем, что она практически навсегда снимает угрозу недостатка топлива.
Ядерная энергетика будет иметь и важное социальное значение.
А. П. Александров
В XXI веке, а может быть, и далее, пока не будет открыт какой-либо другой, более совершенный и дешевый ядерный источник энергии, основу энергетики наряду с углем должны составить ядерные реакторы деления, а затем и термоядерные реакторы синтеза. Сейчас это ясно большинству энергетиков и специалистов других отраслей промышленности, ученых, занимающихся проблемами экономики.
В опубликованной в журнале "Проблемы мира и социализма" статье "Научно-технический прогресс и атомная энергетика" президент АН СССР А.Александров пишет: "Широкое и разнообразное применение энергии атома экономическая политика дальнего прицела... Поэтому освоение огромных ресурсов энергии ядерных превращений - важнейший долг ученых перед человечеством... Смягчение остроты топливной проблемы, несомненно, приведет и к снижению ее значения как фактора политической напряженности. Районы и страны, обделенные природой и не имеющие традиционных топливных ресурсов, смогут получать относительно недорогие ядерные энергоресурсы, что будет способствовать их более быстрому техническому прогрессу. Благодаря исключительно высокой энергоемкости ядерного горючего стоимость его транспортировки в любые места земного шара относительно низка.
Чрезвычайно важным следствием широкого применения ядерной энергии явится и существенное уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания".
Сегодня преимущества атомной энергетики и необходимость ее ускоренного развития очевидны, но... всего лишь три десятилетия назад сама возможность и целесоооразность мирного использования энергии атома у многих вызывали страх и большие сомнения.
Первую брешь в этих переживаниях в 1954 году пробила сооруженная под Москвой в городе Обнинске атомная электростанция. Маленькая по мощности (всего 5 тысяч киловатт), она была первой на земном шаре, где использовалась энергия атома.
1 июля 1954 года "Правда" и другие газеты поместили на первых полосах такое сообщение: "В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт.
27 июня 1954 года атомная электростанция была пущена в эксплуатацию и дала электрический ток для промышленности и сельского хозяйства прилежащих районов".
Это известие облетело весь мир. Вот сообщения корреспондентов из-за рубежа.
"Лондон, 1 ИЮЛЯ (ТАСС)- Сообщение о пуске в СССР первой промышленной электростанции на атомной энергии широко отмечается английской печатью, Московский корреспондент "Дейли уоркер" пишет, что это историческое событие "имеет неизмеримо большее значение, чем сброс первой атомной бомбы на Хиросиму".
"Париж, 1 июля (ТАСС). Лондонский корреспондент агентства Франс Пресс передает, что сообщение о пуске в СССР первой в мире промышленной электростанции, работающей на атомной энергии, встречено в лондонских кругах специалистов-атомников с большим интересом. Англия, продолжает корреспондент, строит атомную электростанцию в Колдерхолле. Полагают, что она сможет вступить в строй не ранее чем через 2,5 года".
Успешное создание и работа первой АЭС в мире было важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер - предубеждение людей вообще против атомной энергии. Было показано, что она может успешно служить делу мира и способствовать росту благосостояния человечества. Это событие имело и политическое значение: Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов - не на создание еще более совершенных видов атомного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь создание АЭС имело научно-техническое значение. По пути, проложенному ею, пошли десятки других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.
Решения приняты
В 1955 году в Женеве, впервые после второй мировой войны, собрались ученые разных стран на первую международную конференцию по атомной энергетике.
Советские специалисты сделали вызвавшее общий интерес сообщение об итогах годичной работы АЭС в Обнинске, о технических характеристиках и конструкциях атомного реактора и другого оборудования станции.
Это был первый опыт, позволивший сделать правильный вывод о надежности работы ядерного реактора подобного типа и его безопасности для обслуживающего персонала и населения, проживающего в районе ее р-асположения.
В настоящее время есть множество действующих реакторов, которые существенно различны. Если же учесть еще те, что задуманы и даже спроектированы, но не построены, то число модификаций составит несколько десятков.
Так, реактор первой АЭС, как мы уже говорили, уранграфитовый канального типа. То есть в качестве вещества, замедляющего нейтроны, в нем применен графит, а топливом является уран. Слова "канального типа" означают, что урановые тепловыделяющие элементы (стерженьки из урана) находятся в трубах, проходящих через графитовые блоки. В этих трубах и протекает вода, которая, отбирая энергию от урановых твэлов, кипит и испаряется.
Такая схема реактора, конечно, не единственно возможная. На упоминавшейся международной конференции по мирному использованию атомной энергии нашими и зарубежными специалистами были представлены проекты и других реакторов. Чем они отличались друг от друга и для чего понадобилось такое разнообразие, мы сейчас и увидим.
Первое, что вносит многообразие, - это замедлитель нейтронов. Кроме графита, можно использовать обычную и тяжелую воду. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.
Обычная вода, в молекуле которой два атома самого легкого элемента водорода, отлично замедляющего нейтроны, наиболее дешевый и очень эффективный замедлитель. Но есть у нее и недостатки: водород и кислород бесполезно поглощают нейтроны и тем ухудшают цепную реакцию. Чтобы она не затухала, приходится добавлять горючее - уран.
Почти совсем не поглощает нейтроны тяжелая вода - дорогой и дефицитный продукт. В ее молекуле не водород, а два атома дейтерия, о которых речь шла впереди.
Чтобы вода, используемая в качестве замедлителя, не кипела при довольно высокой температуре в 300 градусов, в системе нужно создавать давление в 100 атмосфер. Это, конечно, приводит к существенному усложнению реактора.
В качестве замедлителя пригодны и органические вещества, например газойль - даутерм, в состав которого входят углерод, водород и кислород. Даутерм относительно неплохо замедляет нейтроны, не очень сильно их поглощает и самое главное - не требует создания в реакторе больших давлений. Как будто бы всем он хорош.
Почти не вызывает коррозии, недорого стоит. Но, как и у каждого замедлителя, у него есть свои недостатки.
Во-первых, это соединение очень нестойкое. Нейтроны, обладающие большой энергией, разбивают молекулу даутерма, образуя при этом ненужные газообразные продукты. Во-вторых, под действием высокой температуры и облучения из этих частиц начинают образовываться тяжелые полимеры, которые как нагар осаждаются на поверхности тепловыделяющих элементов и, перекрывая проходное сечение для теплоносителя, затрудняют отвод тепла. Кстати, о теплоносителе.
Для отвода тепла от реактора можно использовать различные вещества, которые также влияют на конструкцию реакторов. Здесь обычная и тяжелая вода в кипящем и некипящем состоянии и те же самые, используемые в качестве замедлителя, органические вещества.
Применяются также и газообразные теплоносители: углекислый газ, азот, гелий. В реакторах-размножителях ча быстрых нейтронах удобным теплоносителем оказался натрий. Различным типам теплоносителей, как и многим замедлителям, свойственны определенные преимущества и недостатки.
Мы коснулись только двух составляющих реактора:
замедлителя и теплоносителя, определяющих тип реактора. А ведь нужно самым оптимальным образом выбрать еще и тепловыделяющий элемент! В каком виде удобнее использовать в нем ядерное горючее - уран?
В виде металла или его двуокиси? А может быть, лучше применить карбид урана или какой-либо его сплав?
Имеют значение форма и размеры тепловыделяющих элементов (оболочки), в которых заключается ядерное горючее. Надежнее всего были бы твэлы из стали, но она сильно поглощает нейтроны. Пришлось уран заключать в циркониевые либо алюминиевые оболочки, слабо поглощающие нейтроны.
Как видите, если составить сочетания из предлагавшихся типов замедлителя, теплоносителя, топлива, форм и размеров твэлов и конструктивных способов их оформления и других элементов оборудования реактора, то можно было бы получить несколько сот вариантов.
Правда, среди них попались бы и такие, которые учеными не рассматривались, а сразу отбрасывались прочь как неразумные. Нецелесообразность применения других вариантов вытекала из расчетов или пробных конструкторских проработок. И все же после такого предварительного отбора оставалось несколько десятков возможных для создания типов реакторов, с которыми нужно было разбираться более серьезно и подробно. Что же делать в такой ситуации? Создавать одновременно все мыслимые типы опытно-промышленных реакторов, эксплуатировать их по 10-15 лет и потом решать, какие из них использовать для промышленной атомной энергетики? Конечно, нет. При такой стратегии ее масштабное развитие могло бы задержаться на многие десятилетия. Да, одновременное развитие многих направлений потребовало бы и огромных материальных затрат, так как на исследования, опытно-конструкторские работы и проектирование пришлось бы перевести большое количество институтов, конструкторских и проектных организаций! Ясно, что разумнее ограничиться несколькими типами установок и развивать атомную энергетику поэтапно, переходя по мере накопления опыта от более простых установок к более сложным Наиболее подходящей областью начального использования атомной энергии стала электроэнергетика.
В электроэнергетических установках даже при не очень больших температурах (около 300 градусов Цельсия)
коэффициент преобразования атомной энергии в электричество относительно высок - 30-33 процента. Важно и другое: в электроэнергетике имеются хорошие возможности для работы реакторов в базисной нагрузке, то есть практически при постоянной максимально допустимой мощности. Почему это важно? По двум причинам.
Работа в переменных режимах: с изменением мощности, температур, расходов теплоносителя - предъявляет к установкам более строгие требования; надо создавать более надежные их конструкции, а это связано с большой затратой времени и большим объемом научно-исследовательских работ. Кстати, в настоящее время исследования возможности использования АЭС в переменных или маневренных режимах уже ведутся.
Вторая причина целесообразности на первых порах работы АЭС в базисном режиме объясняется их большей по сравнению с установками на органическом топливе капиталоемкостью. Если в теплоэлектростанциях (ТЭС) стоимость вырабатываемой энергии на 70 процентов определяется стоимостью топлива и только на 30 процентов затратами на сооружение самой ТЭС, то в АЭС картина обратная: топливная составляющая стоимости электроэнергии всего 25-30 процентов. Это означает, что для АЭС чрезвычайно невыгодны простои и работа на пониженной мощности. Неработающая АЭС - это омертвленный капитал. В таких режимах работы стоимость электроэнергии на АЭС может превысить стоимость электроэнергии на ТЭС.
Вернемся к описанию типов реакторов.
Помимо электроэнергетики, которая облегчила решение ряда технических задач и уменьшила количество вариантов реакторов, существуют и другие причины, почему в различных странах начали разрабатывать атомные электростанции разного типа. В Канаде преимущественное развитие получили реакторы на тяжелой воде; в Англии - газоохлаждаемые; в США и ФРГ водоводяные (в качестве замедлителя и теплоносителя в них используется вода) и реакторы с кипящей водой; в СССР - водоводяные и реакторы канального типа, подобные реактору на Обнинской АЭС, а также было опробовано несколько реакторов другого типа - с органическим замедлителем и теплоносителем, с тяжеловодным замедлителем и газовым охлаждением, - не получивших пока широкого распространения.
Так, стихийно возникшие международные кооперации и разделение труда по исследованию, разработке и накоплению опыта эксплуатации АЭС различного типа позволили в достаточно короткие сроки выявить наиболее перспективные виды атомных реакторов. Дальнейшее развитие получили сейчас четыре типа реакторовводоводяной, реактор с кипящей водой, тяжеловодный и реактор канального типа с графитовым замедлителем.
В СССР в апреле 1964 года была создана Белоярская промышленная АЭС электрической мощностью 100 тысяч киловатт с водо-графитовым канальным реактором.
В отверстия графитовых блоков вставлены металлические трубы с тепловыделяющими элементами. Вода, циркулирующая в них, нагревается, превращается в пар, и он, перегретый, подается в турбины. В 1967 году заработала вторая очередь этой электростанции мощностью 200 тысяч киловатт. А еще через семь лег к западу or Ленинграда, рядом с живописным современным городом Сосновый Бор, завершилось сооружение также канальной крупнейшей в СССР и Европе одноконтурной АЭС мощностью в два миллиона киловатт. Состоит она из двух блоков по миллиону киловатт, и в каждом блоке свой реактор. Насыщенный семидесятиатмосферный пар из каждого реактора подается к двум турбогенераторам по 500 тысяч киловатт.
В реакторах по 1693 канала с тепловыделяющими топливными элементами. Размещение ядерного топлива в отдельных каналах - одно из главных преимуществ реакторов данного типа: оно позволяет производить перегрузку топлива, не останавливая работающий реактор, с помощью специальной перегрузочной машины.
Ленинградская АЭС является головной станцией в целой серии, которая будет строиться в нашей стране.
Реакторы такого типа уже работают на Курской АЭС, а также строятся Чернобыльская, Игналинская, Калининская, Смоленская, Западно-Украинская и другие станции в европейской части СССР.
Невдалеке от Воронежа, в живописной излучине Дона, построена Ново-Воронежская АЭС. Первый ее блок электрической мощностью 210 тысяч киловатт был пущен в сентябре 1964 года. В 1980 году с пуском пятого блока полная мощность этой станции составит около двух с половиной миллионов киловатт. Реактор последнего блока этой АЭС, как и все ее предыдущие, корпусного типа, однако мощность его побольше, чем у предыдущих, и составляет миллион электрических киловатт. Эта мощность близка к предельно возможной для реакторов такого типа, ибо корпуса большего размера невозможно перевозить по железной дороге. В ново-воронежских реакторах в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя используется под давлением некипящая вода. Значит, это установки двухконтурного типа.
В первом контуре, его называют реакторным, циркулирует некипящая вода под давлением 160 атмосфер. Пар получают в парогенераторах уже второго контура. Таким образом, вода, прошедшая через активную зону, не попадает в турбогенераторы станции, а циркулирует в замкнутом контуре, в реакторном блоке.
Сейчас реакторы типа ново-воронежских работают на Кольской и Армянской АЭС. Несколько реакторов такого типа было построено при помощи-СССР в социалистических странах.
Быстрыми темпами создается атомная энергетика и в технически развитых буржуазных странах. Суммарная мощность действующих АЭС в 1980 году приблизится к 140-150 миллионам киловатт. Дальнейшее развитие атомной электроэнергетики вплоть до конца нашего века оценивается различными институтами, правительственными организациями и энергетическими объединениями весьма по-разному. Более того, за последние годы эти прогнозы претерпели существенные изменения. Так, например, если еще 5-6 лет назад прогнозная мощность АЭС в США на 2000 год составляла около 1000 миллионов киловатт, то сейчас все чаще говорят о 300- 400 миллионах киловатт. Такое же нестабильное положение с развитием атомной энергетики в ФРГ и Австрии.
В то же время достаточно целеустремленно развивается атомная энергетика во Франции, в Японии.
Причины подобных ситуаций весьма различны: тут и общественное мнение, иногда спровоцированное конкурирующими энергетическими фирмами, и различные результаты, достигнутые в борьбе за обеспеченность тем или иным видом топлива (ядерным, органическим), и возможности машиностроительной промышленности.
Большую роль играет и общее удорожание энергии: падают темпы роста энергетики, нужно выбирать, какую область ее в первую очередь надо развивать. Электроэнергетику? Да, электричество наиболее качественный вид энергии, но оно и один из самых дорогих. А может быть, выгоднее получать энергию в виде тепла?
В разных странах поэтому пути и темпы развития атомной энергетики различны.
Мир без бензина
Атомные электростанции - это только первый этап развития атомной энергетики. Чтобы атомная энергия сыграла решающую роль в энергетике страны, недостаточно одних только АЭС. Всего 20 процентов добываемого у нас топлива тратится на производство электроэнергии. Значит, если атомные электростанции заменят половину всех электростанций страны, то за их счет можно будет сэкономить только около десятой части всего топлива, добываемого в СССР. Может быть, эта величина будет несколько большей, но ненамного. Действительно, доля электроэнергетики в общем энергетическом балансе страны постепенно растет, и, наверное, к концу века на выработку электроэнергии пойдет около 30 процентов всего топлива; следовательно, и потенциальная доля атомной энергетики несколько увеличится.
Но также ясно, что еще долго будут работать и строиться электростанции на угле Сибири, как и гидроэлектростанции на реках в различных районах страны.
Невыгодно пока строить АЭС для полупиковых и тем более пиковых нагрузок. Значит, нужно научиться преобразовывать атомную энергию не только в электричество, но и в другие виды энергии. В какие же именно?
Давайте вспомним, на какие нужды расходуется добываемое в стране топливо. Мы уже говорили, что только пятая часть его уходит на производство электроэнергии. Столько же потребляет автомобильный, авиационный, морской и речной транспорт. Примерно столько же расходуется на различные высокотемпературные технологические процессы в металлургии, химии, нефтехимии, производстве строительных материалов. Самая большая доля топлива - около 30-35 процентов - приходится на производство горячей воды и пара. Наконец, около пяти-шести процентов топлива используется в виде химического сырья.
Итак, баланс ясен. Каков же следующий плацдарм в энергетике, который должна занять атомная энергия?
При его выборе должно быть учтено, что наиболее эффективно атомная энергия может быть использована там, где заменит собой дорогостоящие, становящиеся все более дефицитными нефть и газ. Следующий шаг - вероятно, использование энергии атома в теплоснабжении. Атомная энергетика уже подготовлена к тому, чтобы обеспечивать теплом жилища и коммунальные предприятия. Казалось бы, к чему тут ей готовиться? Она производит уже сейчас горячую воду и пар гораздо более высоких параметров, чем это необходимо для теплофикации! Все это так. Однако горячую воду, а тем более пар невозможно передавать на большое расстояние, так как будут велики потери тепла и дорого будут стоить теплотрассы. Значит, атомный источник тепла должен находиться вблизи от потребителей, жилых массивов и коммунальных предприятий. Правда, требования к безопасности такой станции существенно возрастают.
Но директор отделения ядерных реакторов Института атомной энергии, автор монографии, посвященной безопасности АЭС, В. Сидоренко говорит, что уже разработан проект подобной атомной станции теплоснабжения (ACT), которая удовлетворит самым придирчивым требованиям. Она не причинит вреда окружающему населению даже в случае такой практически невозможной аварии, как разрыв корпуса реактора. Вторичная оболочка, охватывающая корпус, предотвратит выброс вредных веществ. Сейчас первые ACT сооружаются в Горьком и Воронеже. В дальнейшем возможно сооружение и АТЭЦ, то есть атомных энергетических установок, одновременно вырабатывающих и электроэнергию, и бытовое и коммунальное тепло.
Применение ядерных реакторов для теплофикации позволит решить одну из основных задач сегодняшней и тем более будущей энергетики - экономия и постепенная замена нефти и газа другими источниками энергии.