Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Двадцяте століття пройшло під знаком освоєння енергії нового виду, зосередженої в ядрах атомів, й стало століттям ядерної фізики. Ця енергія багатократно перевищує енергію палива, яка використовувалась людством протягом всієї його історії.

Вже в середині 1939 року вчені світу мали у своєму розпорядженні важливі теоретичні та експериментальні відкриття у галузі ядерної фізики, що дозволило висунути широку програму досліджень у цьому напрямку. Виявилось, що атом урану можна розщепити на дві частини. При цьому вивільнюється величезна кількість енергії. Крім того, у процесі розщеплення виділяються нейтрони, які у свою чергу можуть розщепити інші атоми урану та викликати ланцюгову реакцію. Ядерна реакція поділу урану досить ефективна і далеко переважає найбурхливіші хімічні реакції. Порівняємо атом урану і молекулу вибухової речовини – тринітротолуолу (тротилу). При розпаді молекули тротилу виділяється 10 еВ енергії, а при розпаді ядра урану – 200 млн. еВ, тобто у 20 млн. разів більше.

Дані відкриття справили у науковому світі сенсацію: в історії людства не було наукової події, важливішої за своїми наслідками, ніж проникнення у світ атому та оволодіння його енергією. Вчені розуміли, що головне її призначення – виробництво електроенергії і застосування в інших мирних напрямках. Із введенням в експлуатацію у 1954 році в СРСР першої у світі промислової атомної електростанції потужністю 5 МВт у м. Обнінськ розпочалась ера атомної енергетики. Джерелом виробництва електроенергії стало розщеплення ядер урану.

Мал. 1.1. Зростання потужностей АЕС у світі

Досвід експлуатації перших АЕС показав реальність і надійність ядерно-енергетичної технології для промислового виробництва електроенергії. Розвинуті індустріальні країни приступили до проектування та будівництва АЕС з реакторами різних типів. Уже до 1964 року сумарна потужність атомних електростанцій у світі зросла до 5 млн. кВт.

З цього часу розпочався стрімкий розвиток атомної енергетики, яка, роблячи все більш значний вклад у загальне виробництво електроенергії у світі, стала новою багатообіцяючою енергетичною альтернативою. Розпочався бум замовлень на будівництво АЕС у США, пізніше у Західній Європі, Японії, СРСР. Темпи росту атомної енергетики досягли близько 30% за рік. Вже до 1986 року в світі працювали на АЕС 365 енергоблоків сумарною встановленою потужністю 253 млн. кВт. Практично за 20 років потужність АЕС збільшилась у 50 разів. Будівництво АЕС здійснювалось у 30 країнах світу (мал.1.1).

На той час широку популярність одержали дослідження Римського клубу – авторитетного співтовариства вчених зі світовими іменами. Висновки авторів досліджень зводились до неминучого достатньо близького вичерпання природних запасів органічних енергетичних ресурсів, у тому числі нафти, ключових для світової економіки, їх різкого подорожчання у найближчій перспективі. З урахуванням цього атомна енергетика з’явилась якраз вчасно. Потенційні запаси ядерного палива (U238, U235, Th232) на далеку перспективу вирішували життєво важливу проблему паливозабезпечення за різними сценаріями розвитку атомної енергетики.

Умови розвитку атомної енергетики були досить сприятливими, окрім того, економічні показники АЕС також вселяли оптимізм, АЕС вже були у змозі успішно конкурувати з ТЕС.

Атомна енергетика дозволяла зменшити споживання органічного палива й різко скоротити викиди забруднюючих речовин у навколишнє середовище від ТЕС.

Розвиток атомної енергетики базувався на сформованому енергетичному секторі військово-промислового комплексу – досить добре освоєних промислових реакторах та реакторах на підводних човнах з використанням вже створеного з цією метою ядерного паливного циклу (ЯПЦ), набутих знаннях і значному досвіді. Атомна енергетика, яка мала величезну державну підтримку, успішно вписалась в існуючу енергетичну систему з врахуванням властивих даній системі правил та вимог.

Проблема енергетичної безпеки, що загострилась у 70-ті роки ХХ ст. у зв’язку з енергетичною кризою, викликаною різким підвищенням цін на нафту, залежністю її постачання від політичних обставин, змусила багато країн переглянути свої енергетичні програми. Розвиток атомної енергетики, зменшуючи споживання органічного палива, знижує енергетичну залежність країн, які не мають або мають обмежені власні паливноенергетичні ресурси, від їх ввезення й зміцнюють енергетичну безпеку цих країн.

У процесі швидкого розвитку атомної енергетики із двох основних типів енергетичних ядерних реакторів – на теплових та швидких нейтронах – найбільше розповсюдження в світі одержали реактори на теплових нейтронах.

Розроблені різними країнами типи й конструкції реакторів із різними сповільнювачами та теплоносіями стали основою національної атомної енергетики. Так, у США основними стали водо-водяні реактори під тиском й киплячі реактори, у Канаді – тяжководні реактори на природному урані, у колишньому СРСР – водо-водяні реактори під тиском (ВВЕР) й уран-графітові киплячі реактори (РБМК), росла одинична потужність реакторів. Так, реактор РБМК-1000 електричною потужністю 1000 МВт був встановлений на Ленінградській АЕС у 1973 році. Потужність великих АЕС, наприклад Запорізької АЕС (Україна), досягла 6000 МВт.

Враховуючи, що блоки АЕС працюють практично з постійною потужністю, покриваючи базову частину добового графіку навантажень об’єднаних енергосистем, паралельно з АЕС у світі будувались високоманеврені ГАЕС для покриття змінної частини графіку та закриття нічного провалу в графіку навантажень.

Високі темпи розвитку атомної енергетики не відповідали рівню її безпеки. На основі досвіду експлуатації об’єктів атомної енергетики, зростаючого науково-технічного розуміння процесів та можливих наслідків виникла необхідність перегляду технічних вимог, що викликало збільшення капіталовкладень й експлуатаційних витрат.

Запорізька АЕС потужністю 6000 МВт – найбільша атомна електростанція Європи

АЕС «Три Майл Айленд» (США)

Серйозного удару розвитку атомної енергетики було завдано важкою аварією на АЕС «Три Майл Айленд» в США у 1979 році, а також на інших об’єктах, що призвело до радикального перегляду вимог безпеки, посилення діючих нормативів й перегляду програм розвитку АЕС у всьому світі, спричинило величезну моральну й матеріальну шкоду атомній енергетиці. У США, які були лідером в атомній енергетиці, з 1979 р. припинились замовлення на будівництво АЕС, скоротилось також їх будівництво в інших країнах.

Важка аварія на Чорнобильській АЕС в Україні у 1986 р., яка класифікується за міжнародною шкалою ядерних інцидентів як аварія найвищого сьомого рівня й яка викликала екологічну катастрофу на величезній території, загибель людей, переселення сотень тисяч людей, підірвала довіру світової спільноти до атомної енергетики.

«Трагедія у Чорнобилі – це попередження. І не тільки в ядерній енергетиці», – говорив академік В. О. Легасов, член урядової комісії, перший заступник академіка О.П. Александрова, який очолював Інститут атомної енергії імені І.В. Курчатова.

У багатьох країнах були призупинені програми розвитку атомної енергетики, а в деяких країнах взагалі відмовились від накреслених раніше планів щодо її розвитку.

Не дивлячись на це, до 2000 р. на частку АЕС, які працювали у 37 країнах світу, припадало 16% світового виробництва електроенергії.

Здійснені безпрецедентні зусилля щодо забезпечення безпеки АЕС, що експлуатувалися, дозволили на початку ХХІ ст. відновити довіру суспільства до атомної енергетики. Настає час «ренесансу» у її розвитку.

Окрім високої економічної ефективності й конкурентоздатності, забезпеченості паливними ресурсами, надійності, безпечності, одним із важливих факторів є те, що атомна енергетика належить до екологічно найчистіших джерел електроенергії, хоч і залишається проблема утилізації відпрацьованого палива.

Стала явною необхідність відтворення (бридінга) ядерного палива, тобто будівництва також реакторів на швидких нейтронах (бридерів), впровадження переробки одержаного палива. Розвиток даного напрямку мав серйозні економічні стимули й перспективи, йшов у багатьох країнах.

Аварія на енергоблоці № 4 Чорнобильської АЕС

У СРСР перші експериментальні роботи щодо промислового використання реакторів на швидких нейтронах були розпочаті у 1949 р., а із середини 1950-х років розпочалось введення в експлуатацію серії дослідно-експериментальних реакторів БР-1, БР-5, БОР-60 (1969 р.), у 1973 р. була введена в дію двоцільова АЕС із реактором потужністю 350 МВт для виробництва електроенергії й опріснення морської води, у 1980 р. запущений у дію промисловий реактор БН-600 потужністю 600 МВт.

Велика програма даного напрямку реалізовувалась у США. У 1966–1972 рр. був збудований експериментальний реактор «Еnriko Fermi 1», а в 1980 р. введений в експлуатацію найбільший у світі дослідницький реактор FFTF потужністю 400 МВт. У Німеччині перший реактор почав працювати у 1974 році, а збудований реактор більшої потужності SNR-2 так і не був введений в експлуатацію. У Франції в 1973 році був запущений реактор «Phenix» потужністю 250 МВт, а у 1986 р. – «Superphenix» потужністю 1242 МВт. Японія у 1977 р. ввела в експлуатацію дослідний реактор «Joyo», а у 1994 р. – реактор «Monju» потужністю 280 МВт.

В умовах екологічної кризи, з якою світове товариство увійшло у ХХІ століття, атомна енергетика може зробити значний вклад у забезпечення надійного електропостачання, зниження викидів у навколишнє середовище парникових газів й забруднюючих речовин.

Атомна енергетика найкращим чином відповідає прийнятим у світі принципам стійкого розвитку, однією із найважливіших вимог якого є наявність достатніх паливно-енергетичних ресурсів при стабільному їх споживанні у довгостроковій перспективі.

Відповідно до прогнозів, заснованих на розрахунках та моделюванні розвитку суспільства й світової економіки у ХХІ ст., домінуюча роль електроенергетики збережеться. До 2030 р. за прогнозом Міжнародного енергетичного агентства (МЕА) виробництво електроенергії у світі зросте більш ніж у 2 рази й перевищить 30 трлн. кВт·год, а згідно з прогнозами Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ) в умовах «ренесансу» атомної енергетики її частка збільшиться до 25% світового виробництва електроенергії, причому вже протягом найближчих 15 років у світі буде збудовано більше 100 нових реакторів, а потужність АЕС зросте з 370 млн. кВт у 2006 р. до 679 млн. кВт у 2030 р.

У даний час активно розвивають атомну енергетику країни з її високою часткою у загальному об’ємі електроенергії, що виробляється, включаючи США, Японію, Південну Корею, Фінляндію. Франція, переорієнтувавши електроенергетику країни на атомну й продовжуючи її розвивати, успішно вирішила енергетичну проблему на багато десятиліть. Частка АЕС у виробництві електроенергії у цій країні досягає 80%. Країни, що розвиваються, з незначною ще часткою ядерної генерації електроенергії високими темпами будують АЕС. Так, Індія оголосила про намір у довготерміновій перспективі збудувати АЕС потужністю 40 млн. кВт, а Китай – більше 100 млн. кВт.

Із 29 блоків АЕС, що будувались у 2006 році, 15 знаходились в Азії. Планують вперше ввести в дію АЕС Туреччина, Єгипет, Йорданія, Чилі, Таїланд, В’єтнам, Азербайджан, Польща, Грузія, Білорусь та інші країни.

Подальший розвиток атомної енергетики планує Росія, яка передбачає до 2030 р. збудувати АЕС потужністю 40 млн. кВт. В Україні відповідно з Енергетичною стратегією України на період до 2030 р. передбачається збільшувати виробіток АЕС до 219 млрд. кВт·год, зберігши його на рівні 50% загального виробництва, й підвищити потужність АЕС практично у 2 рази, довівши її до 29,5 млн. кВт, при коефіцієнті використання установленої потужності (КВП) 85%, у тому числі за рахунок введення у дію нових блоків потужністю 1–1,5 млн. кВт та продовження терміну експлуатації діючих блоків АЕС (у 2006 р. в Україні потужність АЕС склала 13,8 млн. кВт з виробленням 90,2 млрд. кВт·год електроенергії, або біля 48,7% загального виробництва).

Роботи, що проводяться у багатьох країнах щодо подальшого вдосконалення реакторів на теплових та швидких нейтронах, дозволять забезпечити подальше підвищення їх надійності, економічної ефективності й екологічної безпеки. При цьому важливого значення набуває міжнародне співробітництво. Так, при реалізації міжнародного проекту ГТ-МСР (газотурбінний модульний геліоохолоджуваний реактор), який характеризується високим рівнем безпеки й конкурентоздатності, мінімізацією радіоактивних відходів, к.п.д. може підвищитись до 50%.

Широке застосування у майбутньому двокомпонентної структури атомної енергетики, яка включає АЕС з реакторами на теплових нейтронах й з реакторами на швидких нейтронах, що відтворюють ядерне паливо, підвищить ефективність використання природного урану й знизить рівень накопичення радіоактивних відходів.

Слід відмітити важливу роль у розвитку атомної енергетики ядерно-паливного циклу (ЯПЦ), який фактично є її системоутворюючим фактором. Це викликано наступними обставинами:

• ЯПЦ має забезпечуватись всіма необхідними структурними, технологічними й конструктивними рішеннями для безпечної й ефективної роботи;

• ЯПЦ є умовою соціальної доцільності й економічної ефективності атомної енергетики та її широкого використання;

• розвиток ЯПЦ приведе до необхідності об’єднання завдань забезпечення необхідного рівня безпеки АЕС, які виробляють електроенергію, й мінімізації рисків, пов’язаних з виробництвом ядерного палива, включаючи добування урану, транспортування, переробку відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) та захоронення радіоактивних відходів (єдина система вимог з безпеки);

• різке збільшення добування й використання урану (початковий етап ЯПЦ) веде до зростання загрози попадання природних довгоживучих радіонуклідів у середовище проживання, що вимагає підвищення ефективності використання палива, зменшення кількості відходів й замикання паливного циклу.

Економічна ефективність роботи АЕС напряму залежить від паливного циклу, включаючи скорочення часу на перевантаження палива, підвищення експлуатаційних характеристик тепловиділяючих збірок (ТВЗ). Тому важливе значення має розвиток й вдосконалення ЯПЦ з високим коефіцієнтом використання ядерного палива, створенням маловідходного замкнутого паливного циклу.

Енергетичною стратегією України передбачається розвиток національного паливного циклу. Так, добування урану має збільшитись з 0,8 до 6,4 тис. т у 2030 році, одержить подальший розвиток вітчизняне виробництво цирконію, цирконієвих сплавів й комплектуючих для тепловиділяючих збірок, а в перспективі створення замкнутого паливного циклу, а також участь у міжнародній кооперації з виробництва ядерного палива. Передбачається корпоративна участь України у створенні потужностей з виробництва тепловиділяючих збірок для реакторів ВВЕР й у створенні Міжнародного центру щодо збагачення урану в Росії, входження України у запропонований США Міжнародний банк ядерного палива.

Забезпеченість паливом атомної енергетики має найважливіше значення для перспективи її розвитку. Сучасні потреби у природному урані у світі складають порядку 60 тис. т при загальних запасах біля 16 млн. т.

У ХХІ ст. різко збільшується роль атомної енергетики у забезпеченні зростаючого виробництва електроенергії у світі з використанням більш сучасних технологій. Атомна енергетика поки що не має серйозного конкурента на далеку перспективу. Щоб реалізувати її розвиток у широких масштабах, вона, як вже вказувалось, має володіти наступними властивостями: високою ефективністю, забезпеченістю ресурсами, енергонадмірністю, безпекою, приємливістю щодо екологічного впливу. Перші три вимоги можуть бути виконані при використанні двокомпонентної структури атомної енергетики, що складається із теплових та швидких реакторів. При такій структурі можна значно збільшити ефективність використання природного урану, знизити його добування й обмежити рівень попадання радону в біосферу. Шляхи досягнення необхідного рівня безпеки й зниження капітальних витрат для реакторів обох типів вже відомі, потрібен час і кошти на їх реалізацію. На момент усвідомлення суспільством необхідності подальшого розвитку атомної енергетики технологія двокомпонентної структури буде фактично підготовлена, хоч багато ще потрібно зробити у плані оптимізації ЯЕУ та структури галузі, включаючи й підприємства паливного циклу.

Рівень екологічного впливу в основному визначається кількістю радіонуклідів у паливному циклі (уран, плутоній) та у сховищах (Np, Am, Cm, продукти поділу).

Ризик від впливу короткоживучих ізотопів, наприклад 131І, 90Sr, 137Cs, може бути знижений до допустимого рівня за рахунок підвищення безпеки АЕС, сховищ, підприємств паливного циклу. Прийнятність такого ризику можна довести на практиці. Але важко довести й неможливо продемонструвати надійність захоронення довгоживучих актиноїдів та продуктів поділу протягом мільйонів років.

Безсумнівно, не можна відмовлятись від пошуку шляхів надійного захоронення радіоактивних відходів, але необхідно розробляти можливість використання актиноїдів для одержання енергії, тобто замикання паливного циклу не тільки по урану й плутонію, але й по актиноїдах (Np, Am, Cm та ін.). Трансмутація шкідливих довгоживучих продуктів поділу у системі реакторів на теплових нейтронах ускладнить структуру атомної енергетики за рахунок додаткових технологічних процесів щодо виготовлення й переробки ядерного палива або збільшить число типів ядерноенергетичних установок. Введення Np, Am, Cm, інших актиноїдів й продуктів поділу у паливо реакторів ускладнить їх конструкцію, вимагатиме розробки нових видів ядерного палива, негативно вплине на безпеку.

У зв’язку з цим розглядається можливість створення трикомпонентної структури атомної енергетики, що складається із теплових та швидких реакторів й реакторів для спалювання Np, Am, Cm та інших актиноїдів й трансмутації деяких продуктів поділу.

Найважливішими проблемами є переробка й виділення радіоактивних відходів, які можуть бути перетворені в ядерне паливо.

У першій половині ХХІ ст. людству належить здійснити науковий й технічний прорив на шляху освоєння нових видів енергії, у тому числі електроядерної з використанням прискорювачів заряджених частинок, а в перспективі термоядерної, що вимагатиме об’єднання зусиль, міжнародної кооперації..

Будівництво Тяньваньської АЕС (Китай) 

Тяньваньська АЕС – найбільша за одиничною потужністю енергоблоків АЕС, що споруджуються у даний час у Китаї. Її генплан передбачає можливість будівництва чотирьох енергоблоків потужністю 1000 МВт кожний. Станція знаходиться між Пекіном й Шанхаєм на березі Жовтого моря. Будівельні роботи на площадці розпочались у 1998 році. Перший енергоблок АЕС з водо-водяним енергетичним реактором ВВЕР-1000/428 та турбіною К-1000-60/3000, запущений у травні 2006 року, був зданий в експлуатацію 2 червня 2007 року, а другий такий же блок – 12 вересня 2007 року. У даний час обидва енергоблоки атомної станції працюють стабільно на 100% потужності й забезпечують електроенергією китайську провінцію Цзянсу. Планується будівництво третього й четвертого енергоблоків АЕС «Тяньвань».