Атомныеи океанские электростанции
Атомные электростанции
Внутри корпуса давление достигает 160 атмосфер. Теплоносителем,отпирающим тепло в зоне реакции, служит вода, которую прокачивают насосами. Этаже вода служит и замедлителем нейтронов. В парогенераторе она нагревает ипревращает в пар воду второго контура. Пар поступает в турбину и вращает ее. Ипервый и второй контуры — замкнутые.
Раз в полгода выгоревшее ядерное горючее заменяют на свежее, для чегонадо реактор остановить и охладить. В России по этой схеме работаютНоворонежская, Кольская и другие АЭС.
В РБМК замедлителем служит графит, а теплоносителем — вода. Пар днятурбины получается непосредственно в реакторе и туда же возвращается послеиспользования в турбине. Топливо в реакторе можно заменять постепенно, неостанавливая и не расхолаживая его.
Первая в мире Обнинская АЭС относится именно к этому типу. По той жесхеме построены Ленинградская, Чернобыльская, Курская, Смоленская станциибольшой мощности.
Одной из серьезных проблем АЭС является утилизация ядерных отходов. НоФранции, к примеру, этим занимается крупная фирма «Кожема». Топливо, содержащееуран и плутоний, с большой осторожностью, в специальных транспортныхконтейнерах — герметичных и охлаждаемых — направляется на переработку, а отходы— на остекловывание и захоронение.
«Нам показали отдельные этапы переработки топлива, привезенного с АЭС свеличайшей осторожностью, — пишет в журнале «Наука и жизнь» И. Лаговский. —Разгрузочные автоматы, камера разгрузки. Заглянуть в псе можно через окно.Толщина стекла в окне 1 метр 20 сантиметров. У окна манипулятор. Невообразимаячистота вокруг. Белые комбинезоны. Мягкий свет, искусственные пальмы и розы.Теплица с настоящими растениями для отдыха после работы в зоне. Шкафы сконтрольной аппаратурой МАГАТЭ — международного агентства по атомной энергии.Операторский зал — два полукруга с дисплеями, — отсюда управляют разгрузкой,резанием, растворением, остекловыванием. Все операции, все перемещенияконтейнера последовательно отражаются на дисплеях у операторов. Залы работ сматериалами высокой активности находятся довольно далеко, на другой сторонеулицы.
Остеклованные отходы невелики по объему. Их заключают в стальныеконтейнеры и хранят в вентилируемых шахтах, пока не повезут на местоокончательного захоронения...
Сами контейнеры являют собой произведение инженерного искусства, цельюкоторого было соорудить нечто такое, что невозможно разрушить. Железнодорожныеплатформы, груженые контейнерами, пускали под откос, таранили на полном ходувстречными поездами, устраивали другие мыслимые и немыслимые аварии приперевозке — контейнеры выдерживали все».
После чернобыльской катастрофы 1986 года ученые стали сомневатьсябезопасности эксплуатации АЭС и, в особенности, реакторов типа РБМК.
Тип ВВЭР в этом отношении более благополучен: авария на американскойстанции Тримайл-айленд в 1979 году, где частично расплавилась активная зонареактора, радиоактивность не вышла за пределы корпуса. В пользу ВВЭР говоритдолгая безаварийная эксплуатация японских АЭС. И, тем не менее, есть еще однонаправление, которое, по мнению ученых, способно обеспечить человечество тепломи светом на ближайшее тысячелетие. Имеются в виду реакторы на быстрыхнейтронах, или реакторы-размножители.
В них используется уран-238, но не для получения энергии, а горючего.Этот изотоп хорошо поглощает быстрые нейтроны и превращается в другой элемент —плутоний-239. Реакторы на быстрых нейтронах очень компактны: им не нужны низамедлители, ни поглотители — их роль играет уран-238. Называются ониреакторами-размножителями, или бридерами. Воспроизведение ядерного горючегопозволяет в десятки раз полнее использовать уран, поэтому реакторы на быстрыхнейтронах считаются одним из перспективных направлений атомной энергетики.
В реакторах такого типа, кроме тепла, нарабатывается еще и вторичноеядерное топливо, которое можно использовать в дальнейшее. Здесь ни в первом, ниво втором контурах нет высокого давления. Теплоноситель — жидкий натрий. Онциркулирует в первом контуре, нагревается сам и передает тепло натрию второгоконтура, а тот, в свою очередь, нагревает воду в пароводяном контуре, превращаяее в пар. Теплообменники изолированы от реактора.
Одна из таких перспективных станций — ей дали название Монзю — былапостроена в районе Шираки на побережье Японского моря в курортной зоне в четырестахкилометрах к западу от столицы.
«Для Японии, — говорит руководитель отдела ядерной корпорации Кансаи К.Такеноучи, — использование реакторов-размножителей означает возможностьуменьшить зависимость от привозного природного урана за счет многократногоиспользования плутония. Поэтому понятно наше стремление к разработке исовершенствованию «быстрых реакторов», достижению технического уровня,способного выдержать конкуренцию с современными АЭС в отношении экономичности ибезопасности.
Развитие реакторов-размножителей должно стать основной программойвыработки электроэнергии в ближайшем будущем».
Строительство реактора Монзю — уже вторая стадия освоения реакторов набыстрых нейтронах в Японии. Первой было проектирование и постройкаэкспериментального реактора Джойо (что по-японски означает «вечный свет»)мощностью 50—100 МВт, который начал работать в 1978 году. На нем исследовалисьповедение топлива, новые конструкционные материалы, узлы.
Проект Монзю стартовал в 1968 году. В октябре 1985 года начали сооружатьстанцию — рыть котлован. В процессе освоения площадки 2 миллиона 300 тысячкубометров скального грунта было сброшено в море.
Тепловая мощность реактора —714 МВт. Топливом служит смесь окиси плутонияи урана. В активной зоне 19 регулирующих стержней, 198 топливных блоков, вкаждом из которых по 169 топливных стержней (тепловыделяющих элементов —ТВЭЛов) диаметром 6,5 миллиметров. Они окружены радиальнымитопливовоспроизводящими блоками (172 штуки) и блоками нейтронных экранов (316штук).
Весь реактор собран, как матрешка, только разобрать его уже невозможно.Огромный корпус реактора, из нержавеющей стали (диаметр — 7,1 метра, высота —17,8 метра), помещен в защитный кожух на случай, если при апарии разольетсянатрий. «Стальные конструкции камеры реактора, — сообщает в журнале «Наука ижизнь» А. Лаговский, — обечайки и стеновые блоки — в качестве защиты заполненыбетоном. Первичные натриевые системы охлаждения вместе с корпусом реактораокружены противоаварийной оболочкой с ребрами жесткости — ее внутренний диаметр49,5 метра, а высота — 79,4 метра. Эллипсоидное дно этой громады покоится насплошной бетонной подушке высотой 13,5 метра. Оболочка окружена полутораметровымкольцевым зазором, а далее следует толстый слой (1— 1,8 метра) армированногобетона. Купол оболочки также защищен слоем армированного бетона толщиной 0,5метра.
Вслед за противоаварийной оболочкой устроен еще один защитный корпус —вспомогательный — размером 100 на 115 метров, удовлетворяющий требованиямпротивосейсмического строительства. Чем не саркофаг?
Во вспомогательном корпусе реактора размещены вторичные системынатриевого охлаждения, пароводяные системы, топливные загрузочно-разгрузочныеустройства, резервуар для хранения отработанного топлива. В отдельныхпомещениях расположены турбогенератор и резервные дизель-генераторы.
Прочность противоаварийной оболочки рассчитана как на избыточное давлениев 0,5 атмосферы, так и на вакуум в 0,05 атмосферы. Вакуум может образоватьсяпри выгорании кислорода в кольцевом зазоре, если разо-пьется жидкий натрий. Всебетонные поверхности, которые могут войти в контакт с разлившимся натрием,сплошь облицованы стальными листами, достаточно толстыми для того, чтобывыдержать тепловые напряжения. Гак защищаются на тот случай, которого вообщеможет и не произойти, поскольку должна быть гарантия и на трубопроводы, и навсе другие части атомной установки».
Термоядерная установка
Ученые нашей страны и большинства развитых стран мира уже много летзанимаются проблемой использования термоядерных реакций для целей энергетики.Созданы уникальные термоядерные установки — сложнейшие технические устройства,предназначенные для изучения возможности получения колоссальной энергии,которая выделяется пока лишь при взрыве водородной бомбы. Ученые хотятнаучиться контролировать ход термоядерной реакции — реакции соединения тяжелыхядер водорода (дейтерия и трития) с образованием ядер гелия при высокихтемпературах, — чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию в мирныхцелях, на благо людям.
В литре водопроводной воды содержится совсем немного дейтерия. Но еслиэтот дейтерий собрать и использовать как топливо в термоядерной установке, томожно получить энергии столько, сколько от сжигания почти 300 килограммовнефти. А для обеспечения энергией, которую сейчас получают при сжиганииобычного топлива, добываемого за год, потребовалось бы извлечь дейтерий изводы, содержащейся в кубе со стороной всего 160 метров. Одна река Волгаежегодно несет в Каспийское море 60 000 кубов воды.
Для осуществления термоядерной реакции необходимо соблюдение несколькихусловий. Так, температура в зоне, где происходит соединение тяжелых ядерводорода, должна составлять примерно 100 миллионов градусов. При такой огромнойтемпературе речь идет уже не о газе, а о плазме. Плазма — это такое состояниевещества, когда при высоких температурах газа нейтральные атомы теряютпринадлежащие им электроны и превращаются в положительные ионы. По-другому,плазма — смесь свободно движущихся положительных ионов и электронов. Второеусловие состоит в необходимости поддерживать в зоне реакции плотность плазмы нениже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре. И, наконец, главное исамое трудное, — надо удержать ход термоядерной реакции хотя бы не меньше однойсекунды.
Рабочая камера термоядерной установки — тороидальная, похожа на огромныйпустотелый бублик. Она заполнена смесью дейтерия и трития.
Внутри самой камеры создается плазменный виток — проводник, по которомупропускают электрический ток силой около 20 миллионов ампер.
Электрический ток выполняет три важные функции. Во-первых, он создаетплазму. Во-вторых, разогревает ее до ста миллионов градусов. И, наконец, токсоздает вокруг себя магнитное поле, то есть окружает плазму магнитными силовымилиниями. В принципе силовые линии вокруг плазмы должны были бы удержать ее вподвешенном состоянии и не дать плазме возможность соприкоснуться со стенкамикамеры. Однако удержать плазму в подвешенном состоянии не так просто.Электрические силы деформируют плазменный проводник, не обладающий прочностьюметаллического проводника. Он изгибается, ударяется о стенку камеры и отдает ейтепловую энергию. Для предотвращения этого поверх тороидальной камеры надеваютеще катушки, создающие в камере продольное магнитное иоле, оттесняющееплазменный проводник от стенок. Только и этого окачивается мало, посколькуплазменный проводник с током стремится растянуться, увеличить свой диаметр.Удержать плазменный проводник от расширения призвано также магнитное поле,которое создается автоматически, без посторонних внешних сил. Плазменныйпроводник помещают вместе с тороидальной камерой еще в одну камеру большегоразмера, сделанную из немагнитного материала, обычно меди. Как толькоплазменный проводник делает попытку отклониться от положения равновесия, вмедной оболочке по закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток,обратный по направлению току в плазме. В результате появляетсяпротиводействующая сила, отталкивающая плазму от стенок камеры.
Удерживать плазму от соприкосновения со стенками камеры магнитным нолемпредложил в 1949 году АД. Сахаров, а немного позже американец Дж. Спитцер.
В физике принято давать названия каждому новому типу экспериментальныхустановок. Сооружение с такой системой обмоток именуется токамаком: сокращениеот «тороидальная камера и магнитная катушка».
В 1970-е годы в СССР была построена термоядерная установка «Токамак-10».Ее разработали в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. На этойустановке получили температуру плазменного проводника 10 миллионов градусов,плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре ивремя удержания плазмы близко к 0,5 секунды. Крупнейшая на сегодня в нашейстране установка «Токамак-15» также построена в московском научном центре«Курчатовский институт».
Все созданные термоядерные установки пока лишь потребляют энергию наразогрев плазмы и создание магнитных полей. Термоядерная установка будущегодолжна, наоборот, выделять столько энергии, чтобы небольшую се часть можно былоиспользовать для поддержания термоядерной реакции, го есть подогрева плазмы,создания магнитных полей и питания многих вспомогательныхустройств и приборов, а основную часть — отдавать для потребления вэлектрическую сеть.
В 1997 году в Великобритании на токамаке 1ЕТ достигли совпадениявложенной и полученной энергии. Хотя и этого, конечно, недостаточно длясамоподдержания процесса: до 80 процентов полученной энергии теряется.
Для того чтобы реактор работал, необходимо производить энергии в пять разбольше, чем тратится на нагревание плазмы и создание магнитных полей.
В 1986 году страны Европейского союза вместе с СССР, США и Японией решилисовместными усилиями разработать и построить к 2010 году достаточно большойтокамак, способный производить энергию не только для поддержания термоядерногосинтеза в плазме, но и для получения полезной электрической мощности. Этотреактор назвали 1ТЕК, аббревиатура от — «международный термоядерныйэкспериментальный реактор». К 1998 году удалось завершить проектные расчеты, ноиз-за отказа американцев в конструкцию реактора пришлось вносить изменения,чтобы уменьшить его стоимость.
Можно позволить частицам двигаться естественным образом, а камере придатьформу, повторяющую их траекторию. Камера тогда имеет довольно причудливый вид.Она повторяет форму плазменного шнура, возникающего в магнитном поле внешнихкатушек сложной конфигурации. Магнитное поле создают внешние катушки гораздоболее сложной конфигурации, чем в токамаке. Устройства подобного рода называютстеллараторами. В нашей стране построен торсатрон «Ураган-ЗМ». Этот экспериментальныйстелларатор рассчитан на удержание плазмы, нагретой до десяти миллионовградусов.
В настоящее время у токамаков появились и другие серьезные конкуренты,использующие инерциальный термоядерный синтез. В этом случае несколькомиллиграммов дейтерий-тритиевой смеси заключают в капсулу диаметром 1—2миллиметра. На капсуле фокусируют импульсное излучение нескольких десятковмощных лазеров. В результате капсула мгновенно испаряется. В излучение надовложить 2 МДж энергии за 5—10 наносекунд. Тогда световое давление сожмет смесьдо такой степени, что может пойти реакция термоядерного синтеза. Выделившаясяэнергия при взрыве, по мощности эквивалентного взрыву ста килограммов тротила,будет преобразовываться в более удобную для использования форму — например вэлектрическую. Экспериментальная установка такого типа (№Е) строится в США идолжна начать работать в 2010 году.
Однако строительство стеллараторов и установок инерциального синтезатакже наталкивается на серьезные технические трудности. Вероятно, практическоеиспользование термоядерной энергии вопрос не ближайшего будущего.
Первая океанская электростанция
В США разрабатывается проект строительства электростанции на Гольфстриме.Первая в мире океанская электростанция мощностью 136 мегабит будет сооружена воФлоридском проливе, где Гольфстрим перемещается 25 миллионов кубометров воды всекунду (это в двадцать раз превышает суммарный расход воды всех рек земногошара).
Реализация проекта стала возможной только после создания новогогидравлического двигателя — реактивной геликоидной (спиралевидной)гидротурбины, или турбины Горлова, как ее называют по имени изобретателяпрофессора Северо-Восточного университета в Бостоне.
Автор проекта первой океанской электростанции Александр Горлов — выпускникМосковского института инженеров железнодорожного транспорта, по окончаниикоторого строил мосты, участвовал в разработке и внедрении новой технологиистроительства тоннелей, а после защиты кандидатской диссертации работал главнымспециалистом в крупном НИИ. Крутой поворот в его судьбе связан со знакомством сАлександром Солженицыным. Близость к опальному в то время писателю привела кдраматическим последствиям: начались преследования со стороны КГБ, молодогоученого уволили из института, он не мог устроиться на работу по специальности,о защите подготовленной им докторской диссертации не могло быть и речи. В 1975году Горлов был вынужден уехать за границу.
Оказавшись в эмиграции, он добился значительных успехов в научной,педагогической и изобретательской деятельности: Александр Горлов — доктортехнических наук, профессор крупнейшего в США частного университета, директорлаборатории энергии воды и ветра, обладатель 15 патентов на изобретения, в томчисле на геликоидную гидротурбину, применение которой открывает новую страницуи развитии гидроэнергетики.
«Русский ученый, изгнанный из родной страны, может дать решениеглобальных проблем энергетики», — пишет газета «Файнэншл тайме».
Оригинальнаятурбина, созданная Горловым, называется геликоидной (от греческого «геликс» —«спираль» и «эй-дос» — «вид»). Эта турбина не нуждается в сильном напоре,создаваемом с помощью плотины, и может эффективно работать при сравнительнонебольших скоростях течения. Она имеет три спиральные лопасти и под действиемпотока воды вращается в два-три раза быстрее скорости течении испытания опытныхобразцов, коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше всехнизконапорных турбин, предназначенных для работы в свободном водяном потоке. Вотличие от многотонных металлических гидротурбин, применяемых на речныхгидроэлектростанциях, размеры изготовленной из пластика турбины Горлованевелики (диаметр 50 сантиметров, длина 84 сантиметра), масса ее всего 35килограммов. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду иисключает налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезногодействия турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин.
Конструкция станции представляет собой металлическую платформу,собираемую из готовых секций с установленным в них энергетическимоборудованием. Оборудование одной секции состоит из 16 турбин, жесткосоединенных торцами и образующих вертикальную конструкцию длиной тринадцатьметров. Электрогенератор в водонепроницаемой оболочке установлен на её верхнемконце. При вращении турбин генератор вырабатывает ток мощностью 38 кВт. Дляпервой очереди строительства электростанции мощностью 30 мегаватт потребуетсяоколо 800 таких блоков.
Платформа будет установлена на якорях и погружена на глубину,гарантирующую свободный проход судов с самой большой осадкой. Определенныесложности представляет рыболовецким флот. Ведь во время промысла рыболовныесети могут пострадать и одновременно причинить электростанции серьезный ущерб.Для исключения подобной ситуации станцию предполагается обозначить наповерхности океана буями со световой и радиоэлектронной сигнализацией.
На самой станции не будет операторов: автоматическое управление обеспечитсистема компьютеров. Периодический наружный осмотр станции, а также необходимыеремонтные работы смогут осуществлять водолазы.
Монтаж океанской электростанции осуществит недавно созданная фирма«Гольфстрим энерджи», а производство гидротурбин будет организовано напредприятии компании «Элайд сигнал». Их стоимость значительно ниже других видовсовременного энергетического оборудования аналогичного назначения.
Что же касается общей стоимости проекта океанской электростанции, то онасоставляет около трехсот миллионов долларов. Финансирование будет осуществлятьгосударство с привлечением частных инвесторов. Планируется, что расходы должныокупиться в течение пяти лет.
Важное место при разработке проекта океанской электростанции занимаетвопрос об использовании вырабатываемой электроэнергии. Первоначальнопредполагалось передавать ее по кабелю на материк или остров Марафон,находящийся на расстоянии пяти километров от места расположения станции, однакосовет директоров фирмы «Гольфстрим энерджи», в состав которого входит профессорГорлов, пришел к выводу, что оптимальным вариантом является использованиеэлектроэнергии на месте для производства водорода путем электролиза океанскойводы. Жидкий водород — экологически чистое топливо, способное в будущемзаменить бен-1м и другие нефтепродукты, при сгорании которых внешняя средазагрязняется вредными веществами.
Согласно проекту, электроэнергия будет по кабелю передаваться на стоящеерядом с океанской электростанцией заякоренное судно, оснащенное оборудованиемдля производства сжижения и временного храпения водорода до отгрузки егопотребителям.
Однако водород в энергетических целях может использоваться не только вкачестве топлива для сжигания в двигателях автомобилей и самолетов, НО и в такназываемых топливных элементах — важнейшей составной частью электрохимическихгенераторов, осуществляющих прямое преобразование химической энергии вэлектрическую. В этом случае водород служит химическим реагентом,взаимодействующим в присутствии катализатора с окислителем, в частности скислородом. В настоящее время электрохимические генераторы используются вкачестве автономных источников энергии в системах электропитания космическихаппаратов.
По мнению экспертов, дальнейшее совершенствование топливных элементовпозволит создать на базе электрохимических генераторов мощные энергетическиеустановки, которые составят серьезную конкуренцию ГЭС, силовым и атомнымэлектростанциям, поскольку экологически они более безопасны. Широкое применениетаких установок вызовет огромный рост потребления водорода, спрос на которыйнаилучшим образом может быть удовлетворен путем использования плавучих фабрик водорода,получающих электроэнергию от океанских электростанций. Не исключено, чтоводород может стать символом энергетики XXI века.
Проект строительства электростанции на Гольфстриме вызвал большой интересв ряде стран. По мнению южнокорейских специалистов, турбины Горлова могут датьбольшой эффект при их использовании на приливных электростанциях у побережьяКорейского полуострова.
Японские ученые считают весьма перспективным план сооружения океаническойэлектростанции на Куросио, мощность которого, например, у южной оконечностиострова Хонсю достигает 38 миллионов кубометров воды и секунду.
Они считают, что в перспективе широкое использование океанскихэлекростанций позволит Японии обеспечить электроэнергией так называемые морскиегорода в Тихом океане. Подобный долгосрочный проект японских ученыхпредусматривает постепенное переселение значительной части жителей наискусственные острова. Это даст возможность улучшить экологическую обстановку,а также справиться с проблемой перенаселения. Высвобождающуюся площадьпредполагается использовать под сельскохозяйственные угодья и национальныепарки. Пока программа находится на стадии разработки, ведутся консультации сЛабораторией Горлова. Свою заинтересованностьв проекте уже высказало правительство Тайваня.