Промышленная энергетика в системе энергетического хозяйства

Промышленность является основным потребителем энергети­ческих ресурсов, потребляя около 60 % всего добываемого в стра­не топлива, более 51 % вырабатываемого тепла и 53 % вырабаты­ваемой электроэнергии.

Энергетическое хозяйство промышленности включает:

собственно энергетические установки (ТЭЦ, котельные, ком­прессорные и кислородные станции, утилизационные и холодиль­ные установки, систему водоснабжения и др.);

энергетические части многочисленных технологических уста­новок;

энергетические части комбинированных энерготехнологических установок, производящих технологическую и энергетическую про­дукцию.

Экономическая эффективность технического решения в про­мышленной энергетике должна определяться с учетом измене­ний во всех взаимосвязанных звеньях энергетического хозяйства.

Так, применение природного газа в доменных печах уменьшает потребность в коксе и, следовательно, в добыче коксующихся углей. В то же время увеличивается потребность в кислороде, для получения которого необходима электроэнергия и, следователь­но, дополнительная добыча энергетических углей. Применение электропечи вместо печи, использующей природный газ, при­водит: к увеличению передачи мощности по электрической сети, что вызывает необходимость усиления существующих сетей, строительства новых генерирующих мощностей; изменениям в области транспорта энергетических ресурсов и в топливном ба­лансе. Исследование взаимосвязей между энергетикой и техно­логией производственных процессов позволяет выявить возмож­ность совершенствования производственных процессов промыш­ленности.

Промышленная теплоэнергетика занимает ведущее место в про­мышленности по потреблению энергетических ресурсов (более 65 % общего расхода энергетических ресурсов).

Комплексный подход к нахождению оптимального сочетания электрификации, теплофикации и газификации, раскрытию взаи­мосвязей между энергетикой и технологией производственных про­цессов является характерной особенностью отечественной энер­гетической научной школы, созданной академиком Г.М.Кржи­жановским.

ядер

При исследовании распада атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Это объясняется тем, что при объединении протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 г эквивалентна такому количеству тепловой энергии, какое получилось бы при сжигании 300 вагонов каменного угля. Не удивительно поэтому, что исследователи приложили все силы, стремясь найти ключ, который позволил бы «открыть» атомное ядро и высвободить скрытую в нем огромную энергию.

Вначале эта задача казалась неразрешимой. В качестве инструмента ученые не случайно выбрали нейтрон. Эта частица электрически нейтральна, и на нее не действуют электрические силы отталкивания. Поэтому нейтрон легко может проникнуть в атомное ядро. Нейтронами бомбардировали ядра атомов отдельных элементов. Когда же очередь дошла до урана, обнаружилось, что этот тяжелый элемент ведет себя иначе, чем другие. Кстати, следует напомнить, что встречающийся в природе уран содержит три изотопа: уран-238 (²³⁸U), уран-235 (²³⁵U) и уран-234 (²³⁴U), причем цифра означает массовое число.

Атомное ядро урана-235 оказалось значительно менее устойчивым, чем ядра других элементов и изотопов. Под действием одного нейтрона наступает деление (расщепление) урана, его ядро распадается па два приблизительно одинаковых осколка, например на ядра криптона и бария. Эти осколки с огромными скоростями разлетаются в разных направлениях.

Но главное в этом процессе, что при распаде одного ядра урана возникают два-три новых свободных нейтрона. Причина заключается в том, что тяжелое ядро урана содержит больше нейтронов, чем их требуется для образования двух меньших атомных ядер. «Строительного материала» слишком много, и атомное ядро должно от него избавиться.

Каждый из новых нейтронов может сделать то же, что сделал первый, когда расщепил одно ядро. В самом деле, выгодная калькуляция: вместо одного нейтрона получаем два-три с такой же способностью расщепить следующие два-три ядра урана-235. И так продолжается дальше: происходит цепная реакция, и, если ею не управлять, она приобретает лавинный характер и заканчивается мощнейшим взрывом - взрывом атомной бомбы. Научившись регулировать этот процесс, люди получили возможность практически непрерывно получать энергию из атомных ядер урана. Управление этим процессом осуществляют в ядерных реакторах.

Ядерный реактор - устройство, в котором протекает управляемая цепная реакция. При этом распад атомных ядер служит регулируемым источником и тепла, и нейтронов.

Первый проект ядерного реактора разработал в 1939 г. французский ученый Фредерик Жолио-Кюри. Но вскоре Францию оккупировали фашисты, и проект не был реализован.

Цепная реакция деления урана впервые была осуществлена в 1942 г. в США, в реакторе, который группа исследователей во главе с итальянским ученым Энрико Ферми построила в помещении стадиона Чикагского университета. Этот реактор имел размеры 6х6х6,7 м и мощность 20 кВт; он работал без внешнего охлаждения.

Первый ядерный реактор в Европе был построен под руководством акад. И. В. Курчатова и запущен в 1946 г.

Невиданными темпами развивается сегодня атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт! Некоторые ученые высказывают мнение, что к 21 веку около половины всей электроэнергии в мире будет вырабатываться на атомных электростанциях.

В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто - в нем, так же как и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.

Атомные реакторы на тепловых нейтронах различаются между собой главным образом по двум признакам: какие вещества используются в качестве замедлителя нейтронов и какие в качестве теплоносителя, с помощью которого производится отвод тепла из активной зоны реактора. Наибольшее распространение в настоящее время имеют водо-водяные реакторы, в которых обычная вода служит и замедлителем нейтронов, и теплоносителем, уран-графитовые реакторы (замедлитель - графит, теплоноситель - обычная вода), газографитовые реакторы (замедлитель - графит, теплоноситель - газ, часто углекислота), тяжеловодные реакторы (замедлитель - тяжелая вода, теплоноситель - либо тяжелая, либо обычная вода).

Ни рис. 7 представлена принципиальная схема водо-водяного реактора. Активная зона реактора представляет собой толстостенный сосуд, в котором находятся вода и погруженные в нее сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Тепло, выделяемое ТВЭЛами забирается водой, температура которой значительно повышается.

Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожской, Балаковской и других атомных электростанциях. Вскоре реакторы такой конструкции, видимо, догонят по мощности и рекордсмена - полуторамиллионик с Игналинской АЭС.

Но все-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными, - реакторами на быстрых нейтронах. Их называют еще реакторами-размножителями. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе - уране-235, которого в природном уране всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудь продолжительное время или же человечество вновь столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов?

Более тридцати лет назад эта проблема была поставлена перед коллективом лаборатории Физико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лаборатории Александром Ильичом Лейпунским была предложена конструкция реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка. Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы природных урана и тория, а они огромны - только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.

Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она безусловно будет развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а ученые и инженеры сумеют найти необходимые решения.

Ветроэнергетика

В последнее время многие страны расширяют использование ветроэнергетических установок (ВЭУ). Больше всего их используют в странах Западной Европы (Дания, ФРГ, Великобритания, Нидерланды), в США, в Индии, Китае. Дания получает 25 % энергии из ветра^[2]

• Автономные ветрогенераторы
• Ветрогенераторы, работающие параллельно с сетью

Биотопливо

• Жидкое: Биодизель, биоэтанол.
• Твёрдое: древесные отходы и биомасса (щепа, гранулы (топливные пеллеты) из древесины, лузги, соломы и т. п., топливные брикеты)
• Газообразное: биогаз, синтез-газ.

Гелиоэнергетика

Солнечные электростанции(СЭС) работают более чем в 80 странах.

• Солнечный коллектор, в том числе Солнечный водонагреватель, используется как для нагрева воды для отопления, так и для производства электроэнергии.
• Фотоэлектрические элементы
• Наноантенны