VI. 3. Гидравлические электростанции ГЭС

Гидравлические электростанции используют энергию водных по­токов, которая, как упоминалось выше, определяется количеством протекающей воды- апотоке 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

If

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.