Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Усього за сто років атомна енергетика пройшла шлях від перших лабораторних експериментів і установок (1890–1940 рр.) до будівництва та експлуатації великих атомних електростанцій (АЕС) різних типів і потужностей (з 1954 р. до теперішнього часу).

На сучасних АЕС використовуються в основному чотири типи реакторів першого – третього поколінь:

• легководні реактори (LWR) двох модифікацій – корпусні з водою під тиском (PWR) і киплячі (BWR), а також різновид LWR – водоохолоджувальні реактори з графітовим сповільнювачем (LGR), які використовуються переважно в Росії і країнах колишнього соцтабору;

• важководні реактори (HWR), в основному типу CANDU (Canadian D2О Uranium);

• газоохолоджувані реактори на природному (MAGNOX) або збагаченому урані (AGR – Advanced Gascooled Reactor);

• реактори на швидких нейтронах типу БН, які використовуються в Росії.

Зараз у світі найбільша частка електроенергії виробляється на АЕС з легководними реакторами, потужність яких перевищує 1300 ГВт (ел.).

Атомна енергетика в процесі розвитку на практиці доводила свої переваги і економічну ефективність. З 1960 по 2008 рік у світі було побудовано більше 540 ядерних реакторів на АЕС (близько 100 реакторів з різних причин були закриті). Експлуатація ядерних реакторів у світі забезпечується роботою 250 заводів ядерного паливного циклу. У процесі реалізації ядерних програм для наукових цілей був побудований 651 дослідницький ядерний реактор, з яких нині працюють 284, у тому числі в Україні – 2.

На початковому етапі (1945–1960 рр.) атомна енергетика розвивалася у постійному протистоянні з програмами військовопромислового комплексу. У ті роки це були перші реактори на АЕС з відносно високим рівнем аварійності за технологічними параметрами, з недостатніми вимогами до ядерної та радіаційної безпеки, у тому числі через недосконалість нормативної бази.

Надалі вдосконалення технології та підвищення безпеки зумовили можливість будівництва потужних АЕС на тлі зменшення природних запасів органічних енергетичних ресурсів (вугілля, нафти і газу) і в другій половині ХХ ст. атомна енергетика стала новою багатообіцяючою енергетичною альтернативою традиційним джерелам енергії. Так, за запасами енергії, що міститься в розвіданих покладах урану, вони більш ніж в 20 разів перевищують розвідані запаси нафти, газу і кам'яного вугілля. Запаси урану, який можна добути за сучасною технологією і при помірних цінах, оцінюють у 108 тонн. У зв'язку з цим уран розглядається як дуже перспективний вид палива, оскільки 1 кг природного урану замінює близько 20 т вугілля.

Період 1970–1980 рр. характеризується інтенсивним будівництвом АЕС з ядерними реакторами першого покоління. Незважаючи на найжорстокішу конкуренцію з енергетичними компаніями, що експлуатують теплові електростанції, середній приріст потужностей ядерних реакторів на АЕС становив приблизно 25% на рік.

У 1980–1990 рр. приріст потужностей нових ядерних реакторів на АЕС знижується до 6% на рік. У цей період з'являються реактори другого покоління. Однак проти розвитку атомної енергетики все активніше протестують представники «зеленого» руху і «антиглобалісти». Їх діяльність особливо різко активізувалася після Чорнобильської катастрофи.

У 1990–2000 рр. в результаті Чорнобильської катастрофи в світі різко скорочується будівництво нових блоків АЕС, а в більшості країн взагалі був оголошений мораторій на їх будівництво. Однак вжиті серйозні зусилля щодо забезпечення безпеки експлуатованих АЕС дозволили на початку XXI ст. значною мірою відновити довіру суспільства до атомної енергетики.

Разом з тим необхідно констатувати, що в практиці експлуатації енергетичних і промислових об'єктів не існує технічних систем зі стовідсотковою надійністю і у кожної з них є своя частка ризику. Аналіз ризику у вигляді можливих негативних наслідків вимагає обліку і сумірності з ним користі, яку приносить той чи інший процес господарської діяльності. Усе пізнається в порівнянні, тому ми можемо оцінити лише порівняльну безпеку будь-якої діяльності по відношенню до інших видів, прийнятих суспільством.

Тому, як будь-який великий енергетичний або промисловий комплекс, АЕС та інші об'єкти інфраструктури ядерно-паливного циклу (ЯПЦ) при їх експлуатації виступають джерелами певного техногенного впливу на природне середовище та системи життєдіяльності людини.

У технологічних схемах АЕС тепло, що подається на турбіни, утворюється в результаті ядерного поділу. З цим технологічним процесом пов'язана низка істотних переваг АЕС у порівнянні з тепловими станціями;

• для виробництва однакової кількості енергії потрібно в кілька тисяч разів менше ядерного палива, ніж вугілля для ТЕС;

• значно спрощується доставка палива;

• період роботи АЕС при разовому завантаженні ядерного палива набагато більш тривалий (від року і більше), ніж для ТЕС;

• при нормальній експлуатації АЕС набагато безпечніше ТЕС за викидами хімічних та радіоактивних забруднювачів;

• відсутній викид «парникових» газів у навколишнє середовище.

На сучасному етапі розвитку суспільства вже практично всім стало очевидно, що «екологічно чистих» або «абсолютно безпечних» енергетичних технологій бути не може. Використання кожної з них для вироблення електроенергії неминуче супроводжується тим чи іншим видом негативних дій. Так, при будівництві та експлуатації АЕС і ТЕС, які виробляють базисну електроенергію, більшою чи меншою мірою існують негативні впливи на навколишнє середовище, такі як:

• хімічне, теплове і радіоактивне забруднення навколишнього природного середовища (атмосферного повітря, водних і земельних ресурсів, об'єктів біосфери);

• шумовий та електромагнітний вплив на обслуговуючий персонал;

• вилучення земельних ресурсів під енергетичне будівництво;

• використання водних ресурсів для виробничих потреб;

• активізація екзогенних геодинамічних процесів у системі «об'єкт енергетики – геологічне середовище».

Загальні особливості впливу АЕС (об'єктів ЯПЦ) на природне середовище наочно можна уявити концептуальною логіко-інформаційною моделлю взаємодій у системі «АЕС – природне середовище» (мал. 3.1).

Мал. 3. 1. Концептуальна схема функціонування динамічної системи «АЕС – навколишнє природне середовище» (стрілки вказують напрямки зв'язків між підсистемами)

Наведена на мал. 3.1 система відображає спрямованість природних і техногенних процесів впливів у системі «АЕС – навколишнє природне середовище», від яких залежить загальна безпека експлуатації об'єкта, геодинамічна стійкість його технологічних споруд та екологічний стан навколишнього середовища в зоні впливу об'єкта.

У 60–70-х роках минулого століття енергоблоки АЕС мали незначну потужність і кількість їх на одному майданчику складала не більше трьох. Питомі капіталовкладення КАЕС на реалізацію проектів АЕС з реакторами ВWR і PWR (ВВЕР) першого покоління в різних країнах світу зазвичай не перевищували 600 доларів США на 1 кВт установленої потужності.

Збільшення потужності АЕС до 4–6 блоків призводить до вилучення під ці об'єкти значних територій. Експлуатація таких АЕС потребує великої кількості водних ресурсів. У зонах впливу потужних АЕС виникає потенційне техногенне навантаження (теплове, хімічне та радіаційне) на навколишнє середовище, можлива активізація деяких небезпечних геодинамічних процесів, які можуть знижувати рівень загальної та радіаційної безпеки і призводити до різних небезпечних ситуацій. Схематично види взаємодій, які можуть виникати в системі «АЕС – навколишнє середовище», представлені на мал 3.2.

Мал. 3.2. Принципова схема впливів у системі «АЕС – навколишнє середовище»

Слід зазначити, що в значній мірі ці взаємодії характерні й для теплової енергетики, що використовує органічне паливо.

На схемі наочно представлені основні групи небезпечних геологічних і інженерно-геологічних процесів (явищ). Прояв цих процесів безпосередньо в зонах розташування АЕС потрібно розглядати як фактор ризику, що обумовлює можливі зміни в геологічному середовищі, гідросфері, атмосфері та біосфері. Стрілки вказують, з одного боку, на можливість негативних впливів об'єктів інфраструктури АЕС на розвиток (активізацію) того чи іншого геодинамічного процесу (явища), з іншого боку, визначають характер небезпечних можливих впливів природних процесів на інженерну стійкість споруд АЕС (пунктирні стрілки – незначний вплив, суцільні – можливі значні негативні впливи).

Знак «+» вказує, що процес може проявлятися в межах майданчика розміщення АЕС. Однак такий процес повинен бути підконтрольним протягом всього періоду експлуатації АЕС, а для випадків його можливої активізації повинні розроблятися захисні заходи. Знак «-» вказує, що прояв процесу в межах майданчика АЕС неприпустимий, тому що він є чинником підвищеного ризику для функціонування споруд АЕС (реакторне відділення, гребля водоймиохолоджувача, сховище радіоактивних відходів та ін). Відповідними стрілками на схемі також зазначено вплив основних зовнішніх факторів небезпеки – падіння літака, катастрофічних атмосферних явищ тощо.

Для мінімізації негативного впливу наведених на мал 3.2 процесів на навколишнє середовище та зменшення його до допустимих параметрів, забезпечення безпеки АЕС потрібні додаткові витрати на відповідні захисні заходи. Також необхідний постійний контроль над цими процесами у вигляді комплексного радіоекологічного моніторингу.

Необхідність постійного вдосконалення систем ядерного, радіаційного та екологічного контролю і систем загальної безпеки, а також зростання вартості устаткування і матеріалів призвели до того, що з часом стали збільшуватися питомі капвкладення КАЕС в будівництво АЕС, які в даний час складають 3000–4000 дол./кВт. Значна частина додаткових коштів використовується на впровадження більш досконалих систем безпеки АЕС, у тому числі на захист навколишнього середовища для штатних та аварійних умов експлуатації цих об'єктів.

Теплове забруднення є одним із серйозних негативних факторів впливу на навколишнє середовище при функціонуванні АЕС. При к.п.д. сучасних АЕС 33–35% близько 65% теплової енергії потрапляє в навколишнє середовище. У технологічних схемах АЕС потужними відкритими джерелами тепла є градирні, водойми-охолоджувачі (мал. 3.3), бризкальні басейни. Їх експлуатація, як правило, призводить до змін мікрокліматичних характеристик, викликає теплове забруднення водойм, впливає на процеси життєдіяльності флори і фауни прилеглих до АЕС екосистем.

Мал. 3.3. Загальний вигляд охолоджувальних систем: градирні та водойма-охолоджувач

Мал. 3.4. Загальний вигляд проммайданчика Запорізької АЕС (Україна)

Зміна окремих характеристик мікроклімату, які локалізуються переважно в межах санітарної захисної зони ЗАЕС, пов'язана з надходженням в прикордонний шар атмосфери значної кількості тепла і вологи, що обумовлено функціонуванням комплексної системи охолодження, до складу якої входять водойма-охолоджувач, бризкальні басейни, баштові градирні-охолоджувачі.

Тепловий вплив водойми-охолоджувача на атмосферу за даними моніторингу фіксується протягом всього року, досягаючи висот 250–300 м і більше, простежуючись на відстані до 10 км. У теплий період року вплив водойм на зміну температур повітря незначний: у малохмарну погоду на відстанях до 100–200 м відмічається підвищення температури на 1,6°С, у похмуру – на 1,1°С. У холодний період року при досить високій вологості повітря над водоймою утворюються тумани – парування, що розповсюджуються на узбережжі, – в окремі дні на відстань 2,0–2,5 км від берегової лінії. При цьому зона погіршеної видимості (менше 1 км) може проявлятися на відстані до 5 км. У зоні туманів спостерігається підвищена вологість повітря, припиняється інсоляція, виникають явища ожеледиці та паморозі, підвищується інтенсивність корозійних процесів металевих і бетонних конструкцій.

Вплив бризкальних пристроїв на температуру повітря максимальний в холодний період: в найближчій стометровій зоні температура повітря підвищується в середньому на 2,0–3,0°С; на відстанях 1–2 км – на 2,5–1,0°С. При цьому відносна вологість повітря підвищується відповідно на 8–10 і 4–5%.

Охолодження води за допомогою 2-баштових випарних градирень призводить до втрати води влітку на 15%, взимку на 1,3%. Наслідками викиду тепла і вологи градирнями-охолоджувачами є:

• формування пароконденсатних факелів, що розповсюджуються в холодний період року на відстань до 2–3 км і більше при стійко-стратифікаційній атмосфері, а також до 0,5–0,7 км в літній період;

• «затемнення» підстилаючої поверхні та зниження у зв'язку з цим на 30–50% надходження прямої сонячної радіації в ближній до факелів зоні;

• зниження дальності метеорологічної видимості в екстремальних умовах до 2–4 км, а при «застійних» явищах в холодний період року – менше 0,5 км.

Системи охолодження ЗАЕС також впливають на гідрохімічний і екологічний режим прилеглих до майданчика водойм. Так, вода з бризкальних пристроїв, градирень та водойми-охолоджувача постійно випаровується, а солі залишаються у водоймі-охолоджувачі. Це призводить до збільшення жорсткості води, яка використовується для охолодження, що негативно впливає на роботу обладнання і вимагає прийняття спеціальних технологічних заходів. Тому для збереження сольового балансу частина води з водойми-охолоджувача постійно скидається і заміщується свіжою дніпровською водою. Процес заміщення води у водоймі-охолоджувачі називається «продувкою». Витрата продувки змінюється в залежності від пори року від 6 до 20 м3/с.

При здійсненні планових режимів продувки водойми-охолоджувача ЗАЕС розповсюдження ореолів «теплової плями» в акваторії Каховського водосховища з перевищенням температур на 3°С фіксувалося на відстані до 300–500 м від водовипуску, що відповідає вимогам Правил охорони поверхневих вод від забруднення стічними водами, згідно з якими температура води у водоймах не повинна підвищуватися в порівнянні з природною температурою більш ніж на 5°С, із загальним підвищенням не більше ніж до 28°С влітку і 8°С взимку.

Продувка водойми-охолоджувача ЗАЕС згідно з технологічним регламентом здійснюється 9 місяців протягом року, окрім періоду нересту риби у Каховському водосховищі з квітня по червень, коли перегріті води, які поступають зі скидного каналу ЗАЕС, повністю локалізуються у водойміохолоджувачі.

Процес продувки і якісний склад води, яка скидається з водойми-охолоджувача ЗАЕС, і надходить до Каховського водосховища, постійно контролюється комплексним екологічним моніторингом, а також організаціями системи Мінприроди, МОЗ та Комітету з водного господарства.

Атомна енергетика в порівнянні з тепловою має значно менший хімічний вплив на навколишнє середовище, а також вимагає меншої кількості ряду природних ресурсів. Особливості функціонування АЕС в аспекті ресурсів споживання і результатів виробничої діяльності представлені на мал. 3.5.

 

Бризкальні пристрої Хмельницької АЕС

 Мал. 3.5. Схема функціонування системи «АЕС – навколишнє середовище» за ресурсами споживання і результатами виробничої діяльності (виходи із системи зі зворотним зв'язком до ресурсної складової): ВЯП – відпрацьоване ядерне паливо; РАВ – радіоактивні відходи

Так, АЕС потужністю 1 млн. кВт з реактором типу ВВЕР за рік спалює приблизно 1 т урану, при цьому утворюється приблизно така ж кількість відходів. На ТЕС такої ж потужності, що працює на вугіллі, відходи в 4–5 разів перевищують масу використаного палива, включаючи велику кількість багатьох інших шкідливих для організму людини речовин, у тому числі радіоактивних.

Викиди СО2 та інших шкідливих речовин в районах великих ТЕС входять до структури дощових хмар, які переносяться на значні відстані й формують кислотні опади (кислотні дощі) з рН ≤ 4,5 – 6,5.

На сучасному етапі в усьому світі атомна енергетика дозволяє зменшити викиди вуглекислого газу на 3,4 млрд. тонн на рік. Лідером у цьому відношенні є країни Європи, де діючі АЕС дозволяють запобігти викиду 1,23 млрд. тонн вуглекислого газу щорічно. Далі йдуть: США – 900 млн. тонн; Японія – 440 млн. тонн; Росія – 210 млн. тонн; Південна Корея і Україна – 160 млн. тонн вуглекислого газу. При цьому важливо відзначити, що ринкова вартість квоти на викид 1 млн. тонн вуглекислого газу на сьогодні становить від 20 до 45 млн. євро. При цьому питома вартість скорочення викиду 1 млн. тонн вуглекислого газу в розвинених країнах оцінюється на рівні 100–150 млн. євро.

В умовах нормальної експлуатації АЕС практично не споживають кисню і мають мізерну кількість викидів.

За наявними оцінками, при роботі ТЕС на вугіллі за один і той же період часу з газоаерозольних викидів в атмосферне повітря потрапляє в 50–100 разів більше активності природних радіонуклідів, ніж при роботі АЕС тієї ж потужності в штатному режимі експлуатації.

Для більшості АЕС основними водними об'єктами, які акумулюють скидні води виробничого циклу, є станційні водоймиохолоджувачі. Хімічний склад цих вод залежить переважно від режимів продувки і кількості хімічних речовин, які надходять до них за рахунок підживлення. Що стосується охолоджуючої води АЕС при продувці, то в силу технологічної специфіки роботи вони скільки-небудь помітного внеску в хімічне забруднення природного середовища не роблять.

Звідси стає очевидним, що за низкою показників негативного впливу на навколишнє середовище атомна енергетика при нормальному (штатному) режимі експлуатації АЕС набагато більш сприятлива, ніж традиційна теплова енергетика. При цьому радіаційний вплив АЕС зіставляється з природним радіаційним фоном. Однак у випадках виникнення аварійних ситуацій АЕС мають досить високий ступінь ризику, обумовленого в першу чергу радіаційною небезпекою. Потенційний ризик є характерною особливістю кожних складових ядерного паливного циклу (виробництво та збагачення ядерного палива, зберігання та захоронення радіоактивних відходів поза АЕС, поводження з відпрацьованим ядерним паливом поза АЕС).

Основними причинами технологічного ризику атомної енергетики є:

• аварійні ситуації при зберіганні високоактивних ядерних відходів;

• потенційно можливі технологічні аварії ядерних реакторів і систем забезпечення їх роботи, включаючи пов'язані з людським фактором;

• потенційно можливі аварії на заводах з переробки опроміненого палива;

• ядерний тероризм тощо.

Необхідно відзначити, що в атомній енергетиці в проектах і при експлуатації реалізується комплекс технічних і організаційних заходів, що забезпечують запобігання аварій та їх розвитку в разі виникнення, подолання або мінімізацію їх наслідків.

Як допустиме значення індивідуального ризику від тієї чи іншої діяльності для населення, згідно з рядом міжнародних та національних вимог, прийнято значення ризику загибелі людей 1·10-6 на рік. Такий ризик зазвичай не викликає заперечень у суспільства і відповідає ризику загибелі від стихійних лих. У нормативних документах, що регламентують безпеку, значення ризику для населення, який оцінюється як «зневажливо малий», приймається 5·10-7 на рік, що нижче рекомендованого значення ризику. При оцінці зазначеного ризику враховуються фактори, пов'язані з надійністю дій людей. З огляду на технічні заходи, що запобігають помилковим діям персоналу та їх наслідкам, при проектуванні та експлуатації АЕС особлива увага приділяється культурі безпеки, системі підготовки і тренування персоналу на тренажерах.

Приймаючи до уваги потенційну небезпеку тероризму, об'єкти атомної енергетики оснащуються комплексом спеціальних заходів фізичного захисту і спеціальних заходів, що реалізуються відповідними державними структурами.

Проблеми розвитку атомної енергетики сьогодні хвилюють суспільство. Стосовно атомних електростанцій, які є потенційним джерелом радіоактивного опромінення, ведуться найбільш інтенсивні суперечки. Сьогодні з терміном «радіоактивність» пов'язано безліч інсинуацій. У багатьох людей поняття «радіоактивність» помилково зв'язується переважно з експлуатацією АЕС і окремими виробничими процесами підприємств ЯПЦ.

Разом з тим радіоактивність – це абсолютно звичайне явище для природи і людини. Вона існувала на всіх етапах розвитку біосфери, будучи обов'язковою компонентою природного середовища проживання людини за умови, що рівні радіації зберігаються в природних межах варіювання. У тканинах людського тіла завжди присутня певна кількість радіоактивних речовин. Найбільш поширеними джерелами природної радіації є калій (40К) і рубідій (87Rb), причому не існує способу їх позбутися.

З усіх природних радіонуклідів найбільшу небезпеку для здоров'я людини мають продукти розпаду природного урану і торію – ізотопи радію і радіоактивний газ радон.

Негативне сприйняття атомної енергетики різко загострилося після низки великих аварій на АЕС, особливо після Чорнобильської катастрофи в 1986 р. У багатьох країнах світу переглядалися і повсюдно скорочувалися ядерні дослідницькі програми, почали закриватися ще надійно працюючі ядерні реактори, а в ряді випадків було припинено і заморожено будівництво нових блоків АЕС. Так, в Україні з 1991 по 2000 р. також було оголошено мораторій на будівництво нових блоків АЕС, було заморожено будівництво блоків Рівненської АЕС №4 і Хмельницької АЕС №2.

Однак на початку ХХІ століття довіру суспільства до атомної енергетики було відновлено і під впливом ряду об'єктивних економічних і енергетичних чинників вона виходить на новий виток свого розвитку, вступивши в період, що одержав умовну назву «періоду ядерного ренесансу». У даний час на частку АЕС припадає 16% світового виробництва електроенергії. За даними МАГАТЕ, 70 країн мають намір розширити використання атомної енергії.

Нижче в більш поглибленій формі висвітлюються найбільш важливі проблеми впливу атомної енергетики на навколишнє середовище, пов'язані безпосередньо з проблемами радіоактивності, а також для кращого осмислення матеріалу наводяться базові поняття ядерної фізики та дозиметрії.

Блок №4 Рівненської АЕС