Возникновение новой энергетики

27 июня 1954 г. войдет в историю как день начала новой энергетики. В этот день в СССР вступила в строй первая в мире промышленная электростанция на атомной энергии.

На рисунке 7-21 представлена схема этой электростанции.

Рис. 7-21. Схема атомной электростанции: 1 - урановые трубы; 2 - трубы циркулирующего теплоносителя первого цикла; 3 - графитовый замедлитель; 4 - регулирующий стержень; 5 - счетчик интенсивности излучения; 6 - реле, принимающее сигналы счетчика и направляющее ток к двигателю 7, поднимающему или опускающему регулирующий стержень; 8 - бетонный защитный слой; 9 - котел-теплообменник в котором теплоноситель первого цикла испаряет рабочее тело второго цикла; 10 - паровая турбина; 11 - генератор электрического тока; 12 - конденсатор

Топливные элементы, представлющие собой стержни из радиоактивного урана-235, пропущены в отверстия в графитовой кладке реактора. Во время реакции деления ядер урана-235 возникают быстрые нейтроны, которые замедляются в графите. Часть возникающих нейтронов уходит из реактора наружу, часть поглощается ядрами урана-238 и примесями, имеющимися как в графите, так и в самих топливных элементах, не принимая участия в цепной реакции распада. Только некоторая часть нейтронов, вновь попадая в ядра урана-235, дает продолжение цепной реакции. Реакция находится в состоянии подвижного равновесия. Уменьшение числа нейтронов, вызывающих цепную реакцию, вызывает ее затухание, а увеличение может вызвать лавинообразное нарастание реакции - взрыв. Процесс необходимо очень точно и притом автоматически регулировать.

Для этой цели служат стержни из какого-либо вещества, способного сильно поглощать нейтроны, например из кадмия. По сигналу от измерителя числа нейтронов, возникающих в реакторе, кадмиевый стержень либо поднимается (при ослаблении потока нейтронов), либо опускается (при усилении), поддерживая постоянным заданный режим реакции.

Теплота, выделяющаяся при ядерной реакции, передается воде, находящейся под давлением 100 ат, для того, чтобы последняя не закипала, будучи нагретой до температуры 300°С. При столь высокой температуре вода поступает в теплообменник - парогенератор, где отдает свою теплоту циркулирующей по змеевику воде при более низком давлении, превращая ее в пар, а затем, уже охлажденная, снова подается насосом в реактор. Пар из теплообменника парогенератора поступает в паровую турбину, приводящую в действие электрогенератор, вырабатывающий электрический ток. Отработавший пар поступает из турбины в конденсатор, где конденсируется и вновь подается насосом в теплообменник - парогенератор.

Атомные станции могут иметь и иное устройство. Радиоактивное тело может быть взято в жидком виде в смеси с замедлителем реакции ядерного распада. Промежуточным носителем энергии может быть не вода, а, например, легкоплавкий металл или сжиженный газ. Могут быть и другие варианты.

Однако есть нечто общее для возможных вариантов атомных электростанций. Этим общим является то, что ядерную энергию во всех случаях получают в форме теплоты, т. е. молекулярного движения. А дальнейшее состоит в уже освоенной технике преобразования теплоты в механическую работу на валу турбины с тем, чтобы за счет механической работы получить на зажимах электрогенератора электрическую энергию.

Из этого факта следует прежде всего то, что получившее распространение название "атомный двигатель" является неверным. Ведь двигатель - это машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. Такая машина есть на рисунке 7-21. Это теплосиловая установка с ее котлом и турбиной, отличающаяся от обычных только тем, что в данном случае котел получает теплоту не от сгорания топлива, а от распада ядер радиоактивного урана-235.

Следовательно, атомная силовая установка является комплексной установкой, в теплообменнике - парогенераторе - которой соприкасаются в процессе энергообмена два энергетических цикла: цикл преобразования энергии ядерного распада в теплоту и цикл преобразования теплоты в механическую работу (если не рассматривать третий цикл - преобразования механической работы в электрическую энергию).

Схематически станцию на атомной энергии можно представить так (рис. 7-22).

Рис. 7-22. Схема энергоциклов атомной станции: I - первый тепловой цикл; II - второй тепловой цикл; III - получение механической энергии; IV - получение электрической энергии. 1 - ядерный реактор; 2 - котел-теплообменник; 3 - тепловой двигатель; 4 - электрогенератор

В генератор теплоты - ядерный реактор 1 подается ядерное "горючее" в форме загрузки реактора радиоактивным ураном-235. В теплообменнике - парогенераторе 2 - происходит только передача теплоты, не являющаяся принципиальным актом атомной установки, так как в принципе пар можно получать непосредственно в реакторе и направлять в турбину (слить цикл теплового потока I с циклом II на рис. 7-22). Передача теплоты от первого второму циклу необходима из соображений безопасности - для отделения теплоносителя цикла I, содержащего продукты распада, от теплоносителя цикла II. Генератор механической энергии - двигатель - в форме паровой турбины 3 передает механическую энергию на вал III генератору электрической энергии 4, которую затем направляют потребителю IV.

Вслед за первой советской атомной электростанцией, позволившей в условиях производственного эксперимента решить ряд сложнейших проблем новой ядерной энергетики, началось строительство атомных станций более высокого класса. В 1958 г. начала работать первая очередь мощной Ново-Воронежской атомной электростанции, которая будет доведена до 600 000 квт.

Белоярская атомная электростанция имени академика И. В. Курчатова в Свердловской области проектной мощностью 300 000 квт с более высокими параметрами пара представляет дальнейший шаг в работе по освоению атомной энергии.

На Белоярской станции параметры пара приближаются к параметрам тепловых станций: давление пара при поступлении в турбины 90 ат, а температура 450- 530°С.

Строительство АЭС началось и за рубежом.

С помощью Советского Союза в Чехословакии и Германской Демократической Республике построены атомные станции.

Обладая катастрофически истощающимися запасами каменного угля, Англия предпочитает использовать его для нужд металлургии и химической промышленности, предполагая ввести в строй АЭС на общую мощность около 1,5-2 млн. квт.

США, имеющие достаточное количество топливных ресурсов, тем не менее ведут широкую работу по строительству АЭС.

Две атомные станции средней мощности пущены во Франции, одна - в Канаде.

И это - только начало. Причем начало, резко отличное от начала первых тепловых электростанций, мощность которых исчислялась десятками киловатт. Новая энергетика сразу начинает с сотен тысяч киловатт на одной станции.

Когда-то Маркс оценивал универсальность теплового двигателя по одному из существенных его признаков: независимости его местонахождения от тех или иных локальных условий. Эта независимость вытекала из транспортабельности горючего. Действительно, по масштабам энергетики того времени нетрудно было на простых подводах обеспечивать горючим заводскую силовую установку мощностью в 20-30 л.с. Для питания горючим современной станции мощностью в 100 тыс. квт нужно доставлять в сутки 1200 т угля или 3000 т торфа. А сейчас мощность одного блока котел - турбина - генератор выросла до 300 тыс. квт и вскоре вырастет до 600 тыс. квт.

Подвозка горючего к станциям такой мощности - сложное и дорогостоящее дело. Не менее сложна и дорого стоит передача энергии электрического тока при постройке станции в районе топливного бассейна.

Задача совершенно снимается с повестки дня при переходе к атомным станциям, потребляющим на 100 тыс. квт около 0,4 кг ядерного горючего. Это значит, что годовой запас ядерного горючего можно сделать, совершив один рейс на автомашине или самолете!

Высокоемкое ядерное горючее особенно перспективно для развития транспортных установок. Один килограмм лучшего угля при лучшем его использовании может дать не более 8 квт*ч работы, тогда как один килограмм урана-235 при достигнутом к.п.д. атомных установок 35% и содержании в нем энергии в 20 млн. квт*ч может дать 20 000 000*0,35 = 7 000 000 квт*ч, или почти в миллион раз больше, чем каменный уголь. Эта разница в весе обычного и ядерного горючего позволяет атомным транспортным объектам проходить колоссальные расстояния без пополнения горючим.

Так, например, атомный паровоз может, использовав всего два килограмма урана, проехать безостановочно вокруг земного шара.

Атомный самолет на одном килограмме урана может пролететь со скоростью 1300 ^км/_ч путь в 100 000 км, т. е. облететь вокруг Земли два с половиной раза без посадки.

Атомное судно освобождается от необходимости везти с собой десятки тысяч тонн топлива. Заменив его атомным горючим, оно в состоянии будет годами плавать без захода в порты. Теперь длительность плавания будет ограничиваться запасом пищи для команды, а не запасом энергии.

Эта возможность уже реализуется на практике. В 1959 г. спущен на воду первый в мире атомный ледокол "Ленин". Это - громадное судно, водоизмещением в 16 000 Т, с мощной установкой в 44 000 л. с, с обогревом корпуса, с гидромонитором в 100 ат.

Пятилетняя эксплуатация этого замечательного судна в тяжелых условиях арктической навигации показала замечательные качества атомной энергии и буквально изменила условия проводки судов у полярных границ нашей страны.

Несмотря на громадные возможности, открывающиеся вместе с использованием атомной энергии в настоящее время,- это только начало, указывающее на новые, еще большие возможности.

Рис. 7-23. Комбинированные универсальные установки XVIII и XX веков

Что атомная энергетика находится в периоде своего становления, видно на рисунке 7-23. Здесь сопоставлены схемы конструктивных форм перехода от старой энергетики к новой в середине XVIII и в середине XX веков.

В левой части рисунка 7-23 дана схема комбинированной установки XVIII в., в которой новая энергетика представлена паровым насосом 1, а старая - водяным колесом 2 (см. также рис. 2-28). Комбинация совмещала независимость от местных условий установки 1 в силу высокой энергоемкости топлива с универсальностью установки 2, способной равномерно вращать вал любой машины-орудия. Комбинацию установок применяли потому, что не умели получать вращение вала непосредственно от тепловой установки, чему научились позднее. В комбинации роль тепловой установки заключалась в том, что она преобразовывала теплоту в вид энергии, используемой в водяном колесе,- потенциальную энергию разности уровней воды Н₁-Н₂. Таким образом, "новая" энергия применялась для того, чтобы в любом месте создать источник "старой" энергии, используемой знакомыми, освоенными путями.

В правой части рисунка дана схема комбинированной установки XX в. (см. рис. 7-21), в которой "новая" энергетика представлена атомным реактором 1, а "старая" - паросиловой установкой 2. Комбинация совмещает еще большую, чем раньше, независимость от местных условий установки 1 в силу исключительно высокой энергоемкости ядерного горючего с универсальностью установки 2, способной равномерно вращать вал электрогенератора, а через него колесо локомотива, винт судна, вал любой машины-орудия. Комбинацию установок применяют потому, что еще не решена задача получать вращение вала непосредственно от ядерного реактора. В комбинации роль атомной установки заключается в том, что она преобразует энергию ядер атомов урана-235 в вид энергии, используемой в теплосиловой установке,- в разность температур Т₁'-Т₂'. Таким образом, "новая" энергия применяется для того, чтобы в любом месте создать источник "старой" энергии, используемой знакомыми, освоенными путями.

Сущность приведенной аналогии состоит в том, что как в XVIII в., так и в XX в. произошел скачок к новой первичной энергии, резко отличной от старой по энергоемкости. Действительно, водяные колеса XVIII в. работали с напором в 5-10 м, т. е. 1 кГ воды как энергоносителя содержал 5-10 кГ*м работы. Переход к горючему сего средней энергоемкостью в 3 млн. ^кГ*м/_кг означал (при учете к. п. д. установок) скачок в среднем в 10 000 раз. Переход к атомному горючему от топлива с энергоемкостью 3 млн. ^кГ*м/_кг к 8 млн. ^кГ*м/_кг означает при примерно равном к.п.д. установок скачок порядка 2,5 млн. раз.

Несомненно только одно, что, если в XVIII в. обращение к теплоте послужило одной из основ перехода к новой, машинной технике, в процессе промышленного переворота,- переход к ядерной энергии является несомненной основой нового, еще более грандиозного перехода техники на качественно новый уровень, основой нового промышленного переворота.

Изыскания новых методов использования энергии атомных ядер представляют только одну линию современных исканий. Вторая линия исканий направлена на освоение энергии реакции синтеза ядер легких элементов - энергии, получившей наименование термоядерной.

Значение этой проблемы состоит не столько в высокой энергоемкости термоядерного "горючего", сколько в том, что в данном случае в качестве исходных материалов можно использовать не природные запасы урана и тория, а тяжелый водород, который можно получать из обычной воды, а это для человечества означает наличие практически неограниченного источника энергии.

Осуществление управляемой термоядерной реакции, происходящей в природных условиях на Солнце, означает коренное изменение в области энергетики, выходящее за рамки всех предшествующих изменений в ее историческом развитии. Какой бы вид энергии человек ни использовал в своей борьбе с природой, он пользовался в конечном счете одной только энергией, которую природа давала ему в ограниченных дозах. Это - энергия солнечного излучения: теплота сгорания угля и нефти, биологическая энергия животных и человека, движение воды и ветра - все это видоизмененная, преобразованная энергия солнечной радиации. Солнце - вот неисчерпаемый источник жизни на Земле.

Современная наука установила, что ежеминутно Солнце излучает в пространство массу фотонов в 500 миллионов тонн. Установлено также, что из этой массы Земля ежеминутно получает ... 250 кг. Это значит, что Земля получает от "щедрого" Солнца только одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии.

Сейчас наращивание мощностей и выработка электроэнергии на основе использования энергии топлива и водных потоков идет чрезвычайно высокими темпами.

Рис. 7-24. Перспективная оценка производства электроэнергии в СССР (млрд. квт*ч). Масштаб по оси ординат вправо от пунктирной линии меньше масштаба по оси ординат влево от пунктирной линии в 50 раз

На рисунке 7-24 показана перспективная оценка производства электроэнергии в СССР в млрд. квт*ч, из которой видно, что в 1970-1975 гг. предполагается вырабатывать электроэнергии 1500 млрд. квт*ч, т. е. в 8,8 раза больше, чем в 1955 г., а к 2000 г. вырабатывать 10 000-15 000 млрд. квт*ч, т. е. в 10 раз больше, чем в 1970-1975 гг.

Рис. 7-25. Перспектива выработки электроэнергии в США

На рисунке 7-25 показаны перспективы развития энергетики в США. Здесь нет той точности, как в предыдущем примере, так как темпы развития капиталистической энергетики сильно колеблются в зависимости от множества факторов. Поэтому авторы прогноза, представленного на фигуре 7-25, наметили целую серию возможных вариантов, в очень сильной степени отличающихся один от другого (от 3 до 8%).

Сопоставление приведенных прогнозов представлено на рисунке 7-26. Здесь линия 1 соответствует росту выработки электроэнергии в СССР (линия представлена в виде прямой так же, как и в случае учета возможностей роста американской энергетики на рисунке 7-25, поскольку в обоих случаях принята полулогарифмическая шкала, в которой графики изменений, происходящих по закону геометрической прогрессии, представляются прямыми). Линия 2 - продолжение линии 1 при сохранении того же темпа прироста (в 1,88 раза за пять лет). Линия 3 - крайние варианты американских прогнозов. Из диаграммы следует, что 1970-1975 гг. являются возможным периодом выхода энергетики СССР на первое место в мире.

Рис. 7-26. Сопоставление перспектив выработки электроэнергии в СССР и США

Наращивание установленных мощностей и выработки электроэнергии, в котором роль атомных станций пока еще совершенно незначительна, идет за счет паротурбинных электростанций, которые за последнее время достигли высокого совершенства и громадных мощностей.

Если для 20-х годов XX в. были характерны электрические тепловые станции мощностью в 50 - 100 тыс. квт с турбинами мощностью в 25 - 50 тыс. ат, с котлами, дающими 50-60 т пара в час давлением 25 - 30 ат, и температурой 375 - 400°С, то в настоящее время все эти показатели значительно изменились.

Мощности тепловых станций выросли в настоящее время до 500 тыс. - 1 млн. квт с соответственным увеличением мощности оборудования. Турбины мощностью 150 тыс. квт распространяются все шире, причем работают с давлением 130-170 ат и температурой пара 500-600°С.

В СССР уже построена паровая турбина мощностью 300 000 квт, проектируется турбогенератор на 600 000 квт, разрабатываются данные к проекту турбогенератора фантастической мощности - в 1 млн. квт! Соответственно растет паропроизводительность парогенераторов. Освоены агрегаты, дающие 600-800 т пара в час, намечается выпуск парогенераторов на 1200 т.

Осваивается так называемая "блочная" система, при которой паровой котел и турбина с электрогенератором представляют собой единый "блок" с полным соответствием производительности котла и потребления пара турбиной. Изложенное положение современной энергетики показывает, что она находится на переломе. Подобно тому как в XVIII в. возникла и в течение почти столетия осуществлялась своеобразная "эстафета" перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике, так в середине XX в. возникла и осуществляется быстрыми темпами передача "эстафеты" от старых форм первичной энергетики - тепловой и гидравлической - к новой форме - ядерной энергетике.

Этот переход носит особый характер. Все предыдущие переходы - от биоэнергетики к гидроэнергетике, от гидроэнергетики к теплоэнергетике, а также использование вторичной электрической энергии - не выходили за рамки использования одного и того же общего всем первичного источника энергии в виде солнечной радиации. Переход энергетики середины XX в. на новую ступень выходит за рамки использования солнечной радиации, развиваясь в направлении осуществления солнечного процесса на Земле под контролем и управлением человека.

В одной из основных отраслей техники - в энергетике совершенно ясны и очевидны громадные качественные перемены, являющиеся основой одного из направлений совершающейся в наше время грандиозной промышленной революции.