Сверхпроводящие системы передачи электроэнергии.




Атомная энергетика.

Основным направлением атомной энергетики является производство электроэнергии на АЭС, но они отпускают потребителю и теплоту. В настоящее время в России находится в эксплуатации 31 энергоблок на 9 АЭС (Смоленская, Тверская, Курская, Нововоронежская, С.Петербургская, Балаховская, Костромская, Польская, Дмитров-градская, Ростовская и существуют небольшие: Белгородская, Белименская). Ежегодно эти АЭС вырабатывают более 110 млрд. кВт/ч электроэнергии. 13% России и 27% Европейской части в использовании установок 55-56% - соответствуют общей потребности электроэнергии в стране. Тарифы на электроэнергию, вырабатываемые на АЭС, ниже, чем тарифы с ТЭС. Первая АЭС построена в 1954 г., ее мощность 5000 кВт/ч. Мощность современной АЭС до 1000 кВт/ч.

Современная атомная энергетика основана на реакциях, которые протекают в атомных ядрах. Ядерной энергией называют энергию сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или ядром, приводящей к образованию ядер(ядра). Существуют: гравитационное взаимодействие, электро-магнитное взаимодействие, слабые взаимодействия, сильные взаимодействия.

Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их в 10^13см благодаря действию ядерных сил. Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называют энергией реакции. Она определяется разностью масс исходных и конечных ядер (выраженных в энергетических единицах).

В 1913 г. Резерфорд создает планетарную модель атома, которая используется классической физикой и в настоящее время. В 1919 г. Резерфорд осуществляет первую искусственную реакцию превращения ядер – реакция бомбардировки -частицами ядер атома азота. В результате реакции бомбардировки образовался изотоп кислорода и протон. В 1932 г. происходит еще одно открытие. Чедвик открыл нейтрон, основой открытия являются реакции, вызванные нейтронами. Это связано с тем, что нейтрон в отличии от заряженной частицы не испытывает кулоновского отталкивания, и поэтому может протекать в ядрах, обладая даже малой энергией. В 1934 г. Ферми экспериментально показал, что нейтроны можно использовать для получения искусственной радиоактивности у самых разных радиоактивных элементов.

Дальнейшие эксперименты показали, что атомные ядра заключают все огромную потенциальную энергию, высвобождение которой дало бы в руки людей новый источник энергии. В 1939 г. Ган и Штрасммон открыли реакцию деления ядер урана, которая сопровождается выделением огромной энергии. Наиболее важным в практическом отношении являются реакции деления ядер U, актоуран U, U, плутоний Pu. Следует отметить, что ядра 235-го урана, 233-го урана и ядра плутония могут делиться как под действием быстрых, так и медленных нейтронов, а 238-го урана – только под действием быстрых. При реакции деления выделяется очень большая энергия в виде кинетической энергии ядер – осколков, кинетической энергии электронов, гамма-квантов, нейтронов и нейтринов. Кроме того, в процессе реакции рождаются новые нейтроны, которые, попадая внутрь ядер урана, вызывают его деление и реакция становится цепной (саморазвивающейся). Если цепная реакция не регулируется и не ограничивается в своем развитии, то происходит «атомный взрыв» и такие взрывы реализуются в атомных бомбах. Сегодня атомное оружие самое мощное и находится на вооружении у 5 сверхдержав (Россия, США, Великобритания, Франция, Китай. Индия, Пакистан, Израиль, Япония - в той или иной мере обладают возможностью его создания.

Для мирного использования ядерной энергии реакция должна быть управляемой (регулируемой), тогда есть возможность использовать ее в промышленных целях. Для этого реакция должна протекать с постоянной интенсивностью. Это возможно, если размножение нейтронов равно 1. Также управляемые реакции осуществляются в устройствах «атомных реакторах».

Особенностью атомного реактора является то, что 94% энергии деления мгновенно превращается в теплоту. Первый атомных реактор был запущен в 1942 г. в Чикаго; в СССР в 1946 г. под руководством Печатова. Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя, которые размещены в защитном корпусе. Активная зона содержит ядерное топливо и замедлитель реакции (рис.3).

Рис.3. Схема ядерного реактора. 1-активная зона; 2- отражатель; 3 – бетонная защита; 4 – управляющие стержни; 5 - канал для вывода пучка нейтронов; 6 – тепловая колонна.

 

Основной частью реактора, работающего на медленных нейтронах, является активная зона (1), в которой находится делящийся материал. Это «твелы» (тепловыделяющие элементы), которые изготавливаются из обогащенного урана. Образующиеся при работе атомного реактора нейтроны частично идут на преодоление реакции, а частично – в окружающую среду, и поэтому активную зону снабжают слоем материала, который способен хорошо рассеивать нейтроны (2) – отражатель. Этот слой частично возвращает часть нейтронов в активную зону и способствует продолжению реакции. Далее за отражателем находится биологическая защита (бетонная (3)), но вместо бетона может быть баня с водой. На рисунке 3 – управляющие стержни (4), которые служат для управления реакцией. Они изготавливаются из материалов, содержащих кадмий, бор. Введение таких стержней в активную замедляет реакцию или совсем прекращает ее.

При работе реактора в активной зоне выделяется огромное количество энергии. Чтобы реактор не перегревался и не разрушался, тепло постоянно отводится с помощью непрерывной прокачки воды или газа через активную зону. Для этого существует тепловая колона (6). Это тепло частично уходит в атмосферу или реку, или преобразуется в пар, который потом поступает на турбины электростанций. (Прямоугольник: d – 5-6м, h=6м. Квадрат: d – 5,5м, h=6м)

В зависимости от энергии нейтрона реакторы делят на работающих на быстрых и медленных. В России только одна электростанция работает на быстрых нейтронах – Белгородская. Реакции делят на несколько групп:

- по типу теплоносителя:

1) водяные;

2) тяжеловодяные;

3) жидкометаллические.

- по типу замедлителя веществ:

1) водяные;

2) тяжеловодные;

3) графитовые и т.д.

В зависимости от назначения ядерные: энергетические – для производства энергии; конвертеры и размножители – для производства вторичного ядерного топлива из природного урана; исследовательские реакторы – исследование процессов взаимодействия нейтронов с веществом. Реакторы бывают также транспортные и промышленные.

 

Атомная электростанция.

На АЭС потребителям можно отпускать не только электрическую энергию, но и теплоту. Для АЭС наибольшее значение имеет классификация по числу контуров. В системе любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело. Рабочим телом, т.е. средой, совершающей работу по преобразованию тепловой энергии в механическую, является водяной пар. Он должен быть очень чистым, что возможно тогда, когда конденсация всего пара превращается в конденсат и возвращается в цикл. Поэтому контур рабочего тела АЭС всегда замкнут и добавочная вода поступает в него в очень небольших количествах, чтобы восполнить утечки конденсата.

Вторая важная часть – теплоноситель. Его назначение – отводить тепло, которое выделяется в реакторе. Для того, чтобы на тепловыделяющих элементах не образовывались отложения, и т.к. теплоноситель радиоактивен, также необходима высокая частота теплоносителя, следовательно, для него также делается замкнутый контур. Если 2 контура (рабочее тело и теплоноситель) не разделены, то АЭС - одноконтурная (Курская). Если контуры рабочего тела и теплоносителя разделены, то – двухконтурная.

Рис.4. Принципиальная схема двухконтурной АЭС с ядерным реактором (водяное охлаждение): 1.- ядерный реактор; 2 – насосы; 3 - парогенератор; 4 – турбина; 5 – генератор.

 

 

Применение двух контурной схемы исключает возможность попадания радиоактивного пара в турбину. Поэтому на двух контурных станциях практически не нужна биологическая защита. Существуют и трехконтурные станции – в основном работающие на быстрых нейтронах и делается дополнительный контур, чтобы даже в случае аварии можно было избежать контакта радиоактивных веществ с водой или паром.

Для производства электроэнергии используются реакторы на медленных нейтронах, водоводяные или графитоводяные реакторы. Производственный цикл на АЭС предоставлен следующим образом:

1) запуск реактора как источника тепла;

2) отвод тепла и помощь первого водяного контура;

3) преобразование воды в пар при помощи второго водяного контура;

4) подача пара в турбину, запуск турбины, включение генератора, получение электроэнергии и подача ее к потребителю.

За выполнением правил радиационной безопасности следит специальная служба радиометрического контроля. Самым опасным с точки зрения радиации является первый контур. Именно там находятся зараженные вещества (вода или другой замедлитель). При аварии в системе охлаждения (н-р: разгерметизация) предусмотрена быстрое в течение нескольких долей секунды прекращение ядерной реакции. Аварийная защита вводит в зону управляющие стержни (4). Эти стержни изготавливают из бора и в нормальном состоянии на сильно-сжатых пружинах удерживаются магнитом. При отключении тока пружины освобождаются и стержни с большей скоростью входят в активную зону и реакция прекращается. 2й тип аварий – несанкционированный разгон реактора (Чернобыль) – произошел взрыв с разрушением (стронций, йод). Для предотвращения предусмотрена специальная система блокировок и защиты.

Производство атомной энергии является опасным с точки зрения радиоактивных загрязнений. Но следует иметь в виду, что атомная промышленность включает в себя предприятие по добыче и переработке уранового сырья,, заводы по изготовлению твелов, заводы по регенерации отработанного топлива, а также предприятия по переработке и хранению радиационных отходов. И на всех них возможно радиационное воздействие на окружающую среду.

 

Сверхпроводящие системы передачи электроэнергии.

Одно из наиболее интересных направлений в области передачи электроэнергии - это применение эффекта сверхпроводимости. Способность металлов обладать почти нулевым сопротивлением при температурах, приближающихся к нулю, получила название сверхпроводимости. Создание криогенных ЛЭП, работающих в условиях низких температур, представляет сложную научную и инженерную проблему. По пути к потребителю в линиях электропередач теряется до 15—25 % энергии.

Нынешние высоковольтные ЛЭП напряжением 500 кВт позволяют транспортировать мощности около 1 млн кВт. Однако существующий уровень электрификации требует передачи мощностей, превышающих указанный в 5-7 раз, но если для этого дополнительно увеличить напряжение, то воздух перестанет быть надежным изолятором и надо будет изготовлять опоры ЛЭП отдельно для каждой фазы. Если сейчас коридор отчуждаемых земель в зоне ЛЭП составляет 300 м, то при напряжении 1,5 млн В потребуется зона отчуждения шириной около 2-3 км. Легко можно определить площади, которые должны быть изъяты из нормального природопользования. Вот почему проблема создания сверхпроводящих линий электропередач непосредственно связана с решением вопросов оптимального использования природных ресурсов. А переход от воздушных к кабельным сверхпроводящим системам позволит не только сэкономить полезные площади, но и ликвидировать физиологическую опасность электромагнитного воздействия на организм находящихся в этой зоне людей.

Вопросы энергосбережения могли бы в значительной мере решаться при широком применении сверхпроводников в процессах производства, преобразования, транспортировки, аккумулирования и подведения энергии. В электроэнергетике сверхпроводники могут найти применение в электрических двигателях и генераторах, трансформаторах и преобразователях, линиях электропередач, реакторах и т.д.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: