Ядерное топливо.

Единственный природный вид ядерного топлива – тяжелые ядра урана и тория. Энергия в виде теплоты выделяется при делении изотопа (уран 235), который составляет в природном уране 1/140 часть.

При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт*ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн кВт*ч электроэнергии.

Ядерный реактор. Ядерное топливо сжигается в реак­торах атомных электростанций и теплоцентралей. При бомбардировке 235 U тепловыми нейтронами ядро атома захватывает и поглощает нейтроны, а затем распа­дается на два осколка. При каждом акте деления в сред­нем выделяются два-три быстрых нейтрона и энергия 200 МэВ в виде теплоты. Теплота передается теплоносителю: воде, водяному пару, газу или жидкому металлу. Для возникновения и поддержа­ния цепного деления необходима загрузка в активную зону ядерного топлива в количестве, равном критической массе. Она зависит от энергии нейтронов, геометрической формы урана, концентрации изотопа U и наличия отражателей. Замедлитель служит для уменьшения энер­гии быстрых нейтронов до тепловых («0,025 эВ). Система управления и защиты (СУЗ) служит для управления реак­тором путем изменения площади поглощающих регули­рующих стержней для захвата нейтронов. Биологическая защита обеспечивает безопасность персонала и окружаю­щей среды.

Недостатки атомной энергетики (экологические проблемы).

– в процессе работы ядерного реактора образуются жидкие, газообразные, аэрозольные и твердые радиоактивные отходы.

Короткоживущие изотопы (сохраняют опасность несколько лет) хранятся в резервуарах с водой на территории АЭС.

Для долгоживущих изотопов изоляция не разработана. Считается, что нужно залить их отвердевающим веществом, поместить в герметичные контейнеры, захоронить на большой глубине в устойчивых толщах пород.

Изоляция – несколько метров бетона.

Нестабильным может стать все внутри и вокруг реактора.

– Захоронение твердых отходов осуществляют в специальных траншеях, где обеспечивают полный радиоактивный распад без контакта с биосферой. Твердыми отходами считаются детали, загрязненные радиоактивными веществами демонтированного оборудования, отработанные фильтры для очистки воздуха, сорбенты, спецодежда, мусор.

– радиоактивные воды АЭС подвергаются специальной водоочистке (принцип работы – испарение воды, осаждение твердой фазы и ионный обмен), образующиеся концентраты и растворы направляют в специальные хранилища.

– газообразные отходы подвергают очистке на многоступенчатых фильтрах, выдержке в очистных устройствах и для выброса в атмосферу устанавливают высокие трубы (100-150 м).

– перед захоронением отходы подвергают отверждению (битумируют или остекловывают) для связывания радиоактивных веществ.

– возможность аварий.

– экономические проблемы атомной энергетики.

Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.

До середины 80-х годов человечество в ядерной энергетике видело один из выходов из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до середины 80-х годов) мировая доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла практически с нулевых значений до 15-17%, а в ряде стран она стала превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста. До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:

· разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в местах добычи руд;

· изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120м и высотой, равной 40-этажному зданию;

· изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;

· не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРВИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

Первичная энергия (первичный энергоресурс) - это

энергия, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована во вторичную (электрическую, тепловую, механическую) энергию. В балансе первичной энергии на земном шаре можно выделить (рис. 1.1):

• поток солнечной радиации на земную поверхность;

• коротковолновое и длинноволновое (тепловое) излу­чение в окружающее пространство.

Если коротковолновое излучение связано с прямым от­ражением солнечной радиации, то длинноволновое излу­чение является результатом природных процессов и техногенной деятельности человека.

К природным процессам следует отнести:

• прямое преобразование солнечного излучения в теп­лоту;

• испарение осадков и, как следствие, преобразование в энергию движения водных сред (рек, морских волн и т.п.);

• преобразование первичной энергии в атмосферные те­чения (ветровая энергия);

• накопление растительной и животной биомассы с последующим разделением ее на тепловую энергию и по­тенциальную химическую энергию ископаемого топлива;

• поток тепловой энергии от поверхности Земли (вклю­чая тепловое излучение и выброс геотермальных вод).

С техногенной деятельностью человека в первую оче­редь связано преобразование в тепловую энергию хими­ческой энергии органического топлива и ядерной энер­гии. Данные технологии преобразования первичной энер­гии называются традиционными технологиями.

Глава 1. Топливно-энергетические ресурсы

1.2. Местные топливно-энергетические ресурсы

Твт ' 52000 Твт 2000 Твт 40000 Твт 370 Твт 40 Твт	Солнечная радиация г A t Коротковолновое излучение Прямое отражение Длинноволновое	k излучение 40 Твт А ргия Земли
Прямое преобразование в теплоту
Испарение осадков
Запасы воды и льда | — ^
Ветер, атмосферны
е течения и т. п.
Накопление Фотосинтез ^ растительной Разложение ^
г биомассы
т	Ё1епловая эне 1'
Земная кора
,. Ядерная, тепловая и гравитационная энергия

Рис. 1.1. Диаграмма круговорота первичной энергии на земном шаре

В меньшей степени техногенная деятельность человека связана с прямым использованием солнечной энергии и использованием продуктов ее конверсии. Соответственно данные технологии преобразования первичной энергии называются нетрадиционными технологиями.

Вместе с тем основной ресурс традиционных техноло­гий преобразования первичной энергии — органическое (твердое, жидкое и газообразное) ископаемое топливо -ограниченный (истощаемый) энергоресурс и возможности его использования не бесконечны во времени. В связи с

этим более оправданным является разделение первичного энергоресурса на возобновляемый и невозобновляемый.

Оправданность приложения базовых понятий возоб­новляемый или невозобновляемый энергоресурс к различ­ным видам носителей первичной энергии во многом связана и с технологической деятельностью человека. Ил­люстрацией этого может, в частности, служить использо­вание в энергетических целях древесной биомассы.

1.2. МЕСТНЫЕ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

Общие сведения. Весь комплекс первичных энергоре­сурсов, ограниченных определенной территорией, объ­единяется понятием местные топливно-энергетические ресурсы.

Безусловно, состав и потенциал местных топливно-энергетических ресурсов различных стран индивидуален и определяется их геологическими и метеорологическими условиями. Соответственно различны схемы и уровень проблем их энергообеспечения.

Вместе с тем существуют общие подходы к реализации концепции энергетической безопасности в странах с высо­ким и низким уровнем обеспеченности высококалорий­ными видами ископаемого топлива. К последним странам, в частности, относится Республика Беларусь.

Рассмотрим структуру и проблемы формирования топ­ливно-энергетического комплекса в условиях дефицита энергоносителей на примере Республики Беларусь.

Топливно-энергетический комплекс Республики Бела­русь включает (рис. 1.2): добычу торфа и производство торфобрикетов, нефтедобычу и нефтепереработку. Также республика располагает запасами_бу2Ь1х_^глей,_сланцев, нетрадиционными и возобновляемыми истр,чдакам|и энергии.;

Развитие топливной промышленности республики 6k-

зируется на местных видах тр^ива, включая торф, „

ТТРГnTTv TmrrvrwwiT гя я тт япотая. и-* I ^-«-т i

нефть, попутный газ и дрова.

...:

Т^Ттт/^т» ^-•^ФР

т;; „.„ Л'л^К»

.,

Глава 1. Топливно-энергетические ресурсы

и Общий потенциал

п Технически возможный потенциал

б

• Общий потенциал

а Технически возможный потенциал

Рис. 1.2. Потенциал невозобновляемых (а) и возобновляемых (б) местных источников энергии в Республике Беларусь

Нефть и попутный газ. Месторождения нефти сосре­доточены в Припятской впадине, площадь нефтегазонос­ной области составляет около 30 тыс. км2.

Начальные извлекаемые ресурсы нефти оценены в 362,1 млн т.

В промышленные категории переведено 45 % указан­ных ресурсов.

С начала разработки добыто 100 млн т нефти и 10,1 млрд м попутного газа, остаточные запасы нефти промышленных категорий составят 66,0 млн т, попутного газа - 9,6 млрд м3.

1.2. Местные топливно-энергетические ресурсы

Неразведанные ресурсы нефти оцениваются на уровне 170 млн т.

Основная часть нефти (96 %) добывается из активных остаточных запасов, которые составляют 30,2 млн т (45 %). Объемы добычи нефти (и соответственно попутно­го газа) в будущем будут постоянно снижаться. Это связа­но с тем, что разведанные месторождения находятся в заключительной стадии разработки, а вновь осваиваемые характеризуются малыми размерами и небольшими запа­сами. Кроме того, они относятся к трудноизвлекаемым, и, соответственно, для добычи этой нефти требуются новей­шие технологии и оборудование.

Торф. В республике разведано более 9000 торфяных месторождений общей площадью в границах промышлен­ной глубины их залегания 2,54 млн га и первоначальны­ми запасами торфа 5,65 млрд т. К настоящему времени оставшиеся геологические запасы оцениваются в 4,3 млрд т, что составляет 75 % первоначальных. Основ­ные запасы торфа залегают в месторождениях, используе­мых сельским хозяйством или отнесенных к природоохранным объектам. Ресурсы торфа, включенные в разрабатываемый фонд, оцениваются в 260 млн т, что составляет 6 % оставшихся запасов.

Приведенные данные свидетельствуют, что республика располагает значительными запасами торфа. Однако без пересмотра направлений применения имеющихся ресур­сов использование торфа для энергетических целей не­реально.

Основным потребителем торфяных брикетов является население. Учитывая имеющиеся ресурсы торфа и то, что брикеты — достаточно дешевый вид топлива, можно гово­рить о целесообразности поддержания их производства на достигнутом уровне.

Горючие сланцы. Прогнозные запасы горючих слан­цев оцениваются в 11 млрд т, промышленные - 3 млрд т. По своим качественным показателям белорусские горю­чие сланцы не являются эффективным топливом из-за вы­сокой их зольности и низкой теплоты сгорания. Они

Глава 1. Топливно-энергетические ресурсы

требуют предварительной термической переработки с вы­ходом жидкого и газообразного топлива. Стоимость полу­чаемых продуктов выше мировых цен на нефть.

Бурые угли. В неогеновых отложениях Беларуси извест­но три месторождения бурых углей (Житковичское, Бри-невское и Тонежское) с общими запасами 151,6 млн т. Бурые угли - низкокалорийные, поэтому пригодны в основ­ном для использования как коммунально-бытовое топливо после брикетирования совместно с торфом. Разработка угольных месторождений в ближайшей перспективе не ре­комендована Республиканской экологической комиссией, поскольку при современном уровне развития технологий их энергетического использования возможный экологический ущерб значительно превысит возможные выгоды замеще­ния экспортируемых энергоресурсов.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. С учетом природных, географических и метеоро­логических условий Республики Беларусь в качестве не­традиционных и возобновляемых местных источников энергии можно рассматривать:

• малые гидроэнергетические и ветроэнергетические установки;

• биоэнергетические установки, или установки по про­изводству биогаза;

• гелиоустановки;

• установки для сжигания отходов растениеводства и др.

Хотя эти источники могут в совокупности обеспечи­вать не более 5 % всей расчетной экономии расхода топли­ва, их применение очень важно по нескольким причинам:

• во-первых, работы по их использованию будут спо­собствовать развитию собственных технологий и оборудо­вания, которые впоследствии могут стать предметом экспорта;

• во-вторых, эти источники, как правило, являются экологически чистыми;

• в-третьих, их применение само по себе обеспечивает воспитание у людей психологии энергосбережения и энер-

1.3. Органическое топливо

гоэффектгшвности, что будет способствовать переходу от расточительной к рациональной экономике.

1.3. ОРГАНИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО

Состав топлива. Твердое и жидкое органическое (ис­копаемое) топливо в общем случае состоит из углерода, во­дорода, серы, кислорода, азота, минеральных примесей А и влаги W. Состав топлива в рабочем состоянии, в том ви­де, в котором оно сжигается, выражается следующим об­разом:

CP+HP+SP+OP+NP+AP+WP=100%.

Если из рассмотрения исключить влагу, такое топливо перейдет в сухое состояние. Состав топлива как горючего материала, не содержащего минеральные примеси и вла­гу, определяется в сухом беззольном (горючем) состоя­нии. Горючими компонентами топлива являются углерод, водород и сера. Чем выше содержание углерода в топливе, тем больше выделяется теплоты при его сгорании. С воз­растом топлива содержание углерода в нем увеличивает­ся. Кислород, как и остальные элементы, содержится в виде сложных органических соединений. Чем больше в них кислорода, тем большая доля углерода и водорода топлива химически связана с ним. С увеличением возрас­та топлива доля кислорода уменьшается от 45 % у древе­сины до 2 % у антрацита в горючем состоянии.

Твердое топливо характеризуется также выходом лету­чих веществ при его нагреве без доступа воздуха. Летучие вещества выходят в виде газов, смоляных и водяных па­ров. С увеличением выхода летучих веществ проще за­жечь топливо и поддерживать его устойчивое горение. У древесины выход летучих веществ составляет 85—90 %, а у антрацитов - 3-4 %.

Жидкие топлива получают путем переработки нефти. Нефть, жидкое горючее полезное ископаемое, представля­ет собой в основном сложную смесь углеводородов.

Тема 4: Альтернативные источники энергии,

Дата добавления: 2015-11-26