VI. 3. Гидравлические электростанции ГЭС

Гидравлические электростанции используют энергию водных потоков, которая, как упоминалось выше, определяется количеством протекающей воды- а потоке и высотой ее падения. В 1979 г. мощности на ГЭС. достигли 49,9 млн. кВт, а выработка электроэнергии — 14% от всей выработки в стране.

Для работы ГЭС не требуется топливо и, следовательно, транспорт; вырабатываемая фнергия ГЭС дешевле, чем на ТЭС^Работа ГЭС легче механизируется и автоматизируется. НСрок их службы более продолжителен, чем срок службы ТЭС. Создание ГЭС дает возможность решить ряд других народнохозяйственных задач: обводнения земель, судоходства, рыболовства. Таким образом, создаваемые водохранилища должны использоваться комплексно, что повышает их эффективность.

(^Недостатки ГЭС — сезонные колебания в выработке электроэнергии, примерно в 2 раза больший расход средств, чем для строительства ТЭС такой же мощности, большая продолжительность строительных работ.

В зависимости от конструкционных особенностей различают несколько видов ГЭС — плотинные (русловые и совмещенные) и деривационные. При строительстве плотинных ГЭС обязательно строится плотина, создающая напор воды. У деривационных электростанций вода к турбинам подается или по отводному каналу, или по специальным трубам. Деривационные электростанции создаются в горной местности, на горных реках, где большой уклон русла реки и большой естественный напор воды. Мощность этих электростанций

небольшая. Создаются и смешанные приплотинно-деривационные электростанции..У них напор создается как плотиной, так и деривацией.

ГЭС представляют собой комплекс сооружений, включающий, как правило, плотину, здание электростанции, часто шлюзы, а иногда и рыбоходы. Плотина поднимает уровень воды выше от нее но течению. Уровень воды, находящийся за плотиной, называется верхним бьефом, ниже — нижним бьефом. Разность в уровне бьефов называют напором воды.

При создании плотинных ГЭС образуются водохранилища, размер которых может быть от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч квадратных километров, что во многом зависит от высоты плотины и рельефа местности. Водохранилища выступают в качестве аккумуляторов воды весенних потоков и создают условия для более или менее равномерной работы ГЭС.

Плотины ГЭС могут быть водосливными или глухими. Водосливные плотины имеют отверстия для сброса воды из верхнего бьефа, глухие не имеют.

Плотина крупных электростанций, как правило, имеет ширину основания до 300 м и сужается кверху в виде трапеции до 50 м. Большой размер основания необходим для удержания 'огромного количества воды. По верхней части плотины, как правило, прокладываются шоссейные или железнодорожные пути.

В случае необходимости при ГЭС строятся шлюзы — специальные сооружения для пропуска судов. С их помощью происходит процесс подъема корабля из нижнего бьефа в верхний или его опускание из верхнего бьефа в нижний. В ряде случаев создаются специальные рыбоходы.

Здания ГЭС сооружаются на берегу реки или в теле самой плотины. В здании ГЭС устанавливаются турбины, к валу которых крепятся генераторы. Рабочее колесо турбины находится почти на уровне нижнего бьефа.

Работа ГЭС сводится к следующему. Вода из верхнего бьефа устремляется в специальные отверстия, а через них падает на лопасти турбины и приводит их в движение. Вместе с турбиной приводится в движение и генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Самая крупная ГЭС в мире — Саяно-Шушенская, ее проектная мощность.— 6400 тыс. кВт, а ежегодная выработка — 24 млрд. кВт • ч. ГЭС оборудована десятью гидроагрегатами по 640 тыс. кВт (агрегаты Красноярской ГЭС — 500 тыс. кВт, Братской — 225 тыс. кВт, Волжских — 115 тыс. кВт). Изготавливаются турбины и. меньшей мощности.

Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС, ниже, чем на ТЭС. Дешевизна гидравлической энергии позволяет создавать на ее базе электроемкие производства. Одним из направлений гидротехнического строительства в нашей стране является создание каскада электростанций. Каскад гидроэлектростанций имеет ряд преимуществ перед одиночной ГЭС; более полно используются гпдроре-

сурсы реки, создается глубоководный путь на всем ее протяжении, работают ГЭС каскада более ритмично и наиболее эффективно. В нашей стране созданы каскады электростанций на Волге, Днепре, Раздане, Ангаре и др.

Новым направлением в развитии гидроэнергетики является создание гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Первая в нашей стране Киевская ГАЭС мощностью 225 МВт вошла в строки в начале января 1975 г. Принцип ее работы следующий. Создается водохранилище за счет плотины. В дневное время для снятия пиковых нагрузок ГАЭС работает,, как обычная ГЭС. В ночное время, когда потребление электроэнергии падает, гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, перекачивая воду из нижнего бьефа в верхний, повышая его уровень и напор. Во время пиковых нагрузок накачанная в водохранилище вода сбрасывается, пройдя через турбины ГАЭС.

VI. 4. Атомные электростанции (АЭС)

История атомной энергетики началась в июне 1954 г., когда в г. Обнинске Калужской области вошла в строй первая в мире АЭС мощностью 5 тыс. кВт. К началу 1981 г. в СССР действовало 14 АЭС мощностью 14 500 000 кВт.

Основой АЭС является ядерный реактор, в котором происходит управляемая реакция деления ядерного топлива с образованием большого количества тепла. Важнейшими ядерными топливами являются уран-235 и плутоний-239.

Ураи-235 входит в состав природного урана по числу атомов в количестве 0,714%, что достаточно для работы реактора на природном уране. Около 0,006% в природном уране составляет ураи-234, не играющий практически никакой роли в работе реактора. Остальные 99,28% в природном уране составляет уран-238, ядра атомов которого устойчивее, чем ядра атомов урана-235 и поэтому значительно меньше подвержены делению. В большинстве реакторов используют в качестве топлива уран с повышенным до нескольких процентов по сравнению с природным содержанием урана-235, который называют обогащенным ураном. Деление ядра урана или плутония происходит в результате захвата нейтрона делящимся ядром. При делении ядра вылетают как минимум два нейтрона, которые в свою очередь способны вызвать деление других ядер. Этим обусловлено возникновение самоподдерживающейся цепной реакции. Образующиеся при делении ядра так называемые быстрые нейтроны имеют начальную скорость до 20 000 км/с.

Для того чтобы повысить захват нейтронов ядрами атомов урана-235 или плутония-239, необходимо скорость этих нейтронов уменьшить до так называемых тепловых скоростей. С этой целью в ядерный реактор вперемешку с топливом помещают вещество, способное заместить нейтроны, так называемый замедлитель (графит, воду, тяжелую воду, бериллий). Ядерная реакция деления происходит в активной зоне, которая формируется из замедлителя и тепловыделяющих элементов, сердечник которых состоит из ядерного топлива.

Ядерные реакторы обычно классифицируют по используемому топливу (природный или обогащенный уран), применяемому теплоносителю — веществу, выносящему тепло из активной зоны реактора (тяжелая вода, обычная вода, жидкие металлы, газ, органический теплоноситель), по скорости нейтронов (тепловые, быстрые, промежуточные).

В простейшем виде АЭС можно представить двухконтурным устройством с ядерным реактором (например, корпусного типа) в первом контуре и турбиной водяного пара во втором. Все внутренние конструкции реактора (для рассматриваемого случая) заключены в стальную оболочку — корпус, работающий при давлении теплоносителя в несколько десятков атмосфер. Теплоноситель снимает выделившееся в результате ядерной реакции тепло с тепловыделяющих элементов и нагретый до определенной температуры поступает в парогенератор (теплообменный аппарат), где отдает свое тепло воде второго контура, превращая ее в пар, а сам возвращается в реактор. Образовавшийся пар под давлением поступает в турбину и приводит ее в движение, а турбина вращает генератор, который вырабатывает электрический ток. Отработанный пар (после конденсации в турбине — это вода) с помощью насосов вновь поступает в парогенератор. Процесс этот повторяется непрерывно.

В атомной энергетике перспективным направлением является создание АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, которые работают на уране, высокообогащенном по 235 изотопу, или на илуто-нии-239. Кроме исходного топлива в реактор загружается уран-238, который под действием нейтронов путем ряда радиоактивных распадов превращается в шгутоний-239. В таком реакторе, «сжигая» 1 кг топлива, можно получить более полутора килограммов «свежего» плутония-239, который средствами химии может быть извлечен и использован при изготовлении тепловыделяющих элементов.

Опытная АЭС с реактором на быстрых нейтронах мощностью 12 тыс. кВт была пущена в 1968 г. в г. Димитровграде. Подобная АЭС построена в г. Шевченко (мощностью 350 тыс. кВт) и Свердловской области (мощностью 600 тыс. кВт).

Поскольку на АЭС расход топлива незначителен и оно может быть доставлено в любой район без больших затрат на перевозку, то АЭС размещают в районах, труднодоступных в транспортном отношении и бедных топливно-энергетическими ресурсами.