Чтение онлайн

Однако на самом деле температуру водяного пара перёд входом в турбину в настоящее время не поднимают выше 550 °C. Конечно, если бы увеличить начальную температуру водяного пара с 550 °C, например, до 700 °C, то теоретический (термический) КПД увеличился бы с 63,5 до 69,2 %. Но этого пока не делают. Причина заключается в том, что при повышении начальной температуры свыше 550 °C необходимо использовать другие, высококачественные, но зато значительно более дорогие металлы, особенно для таких ответственных частей турбины, как, например, рабочие лопатки, которые испытывают большие механические напряжения при высокой температуре. Увеличение КПД ТЭС при переходе к температуре пара выше 550 °C не окупает повышенных расходов на металл.

Еще один важный вопрос. Значительно выгоднее сооружать тепловые станции, которые снабжают потребителей не только электроэнергией, но и теплом. Такие электростанции называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). ТЭЦ отличаются от обычных ТЭС тем, что из турбины пар выходит с температурой не 25–30 °C, как на ТЭС, а значительно более высокой: 100–150 °C (в зависимости от нужд потребителя). Конечно, в этом случае электроэнергии будет выработано меньше, но зато оставшаяся неиспользуемой в турбине тепловая энергия (например, в виде горячей воды) будет передана тепловому потребителю.

Может возникнуть такой вопрос. Почему бы не сооружать для тепловых потребителей специальные водогрейные котлы, в которых подогревать воду именно до той температуры, которая нужна потребителю? Поступать так, конечно, можно. Более того, чаще всего именно так и делается, но это очень невыгодно. При сжигании топлива только для получения тепла, например для отопления, весь «температурный напор» примерно от 1500 °C (обычная температура продуктов сгорания в таких котлах) до 100 °C (температура воды, нужная тепловому потребителю) теряется, хотя он мог бы быть частично использован (от 550 до 100 °C) для выработки электроэнергии.

Действительно, КПД хорошей ТЭС близок всего лишь к 40 %, в то время как коэффициент использования тепла [358] на ТЭЦ достигает 60–70 %. В Советском Союзе построено большое число ТЭЦ, их общая мощность превышает 50 млн. кВт.

Чем выше давление пара, поступающего в сопла турбины тем, при той же температуре выше КПД ТЭС (или ТЭЦ). Именно поэтому за последние десятилетия широкое использование получил пар сверхвысокого давления (порядка 240 атм).

И наконец, во многих, если не во всех, отраслях техники проглядывается общая тенденция: увеличение мощности отдельных агрегатов. Это в полной мере относится и к теплоэнергетике. 300, 500, 800, 1200 тыс. кВт — таков рост мощности турбогенераторов за последние 30 лет, а вместе с ними паровых котлов и другого оборудования. Тенденция эта вполне оправданна. С ростом мощности отдельных агрегатов растет их КПД и, что, пожалуй, самое главное, снижается величина удельных капитальных вложений.

Перейдем теперь к ГЭС. Принцип работы ГЭС (рис. 51) прост и хорошо известен. Самым важным и самым дорогостоящим элементом ГЭС является плотина, которая и создает необходимую разность уровней воды. Подвод воды с верхнего бьефа к лопастям гидравлических турбин, устанавливаемых всегда на нижнем бьефе, происходит либо через каналы, выполненные в теле плотины (см. рис. 51), либо через специальные трубопроводы. Струя воды на входе в турбину, обладающая всегда большой скоростью (за счет уменьшения ее потенциальной энергии), поступает на лопасти турбины. Ротор гидравлической турбины связан с ротором электрического генератора. Они составляют в совокупности ротор гидротурбогенератора, приводимого во вращательное движение под воздействием струи воды, поступающей на лопасти турбины. Так же как и в паровых турбинах, конструкторами принимаются меры к тому, чтобы избежать удара (или по крайней мере его снизить) струи воды о лопасти турбины.

Рис. 51. Схема устройства ГЭС.

Гидроэнергия, как и многое другое на Земле, имеет солнечное происхождение: вода совершает свой круговорот за счет энергии Солнца. Поэтому гидроэнергия относится к числу восполняемых источников энергии, к которым нельзя отнести органическое и ядерное топливо. Гидростанции особенно эффективны тогда, когда они сооружаются в целях решения не только энергетических, но также сельскохозяйственных, рыбохозяйственных и транспортных задач. В Советском Союзе, располагающем большими гидроресурсами, развернуто широкое гидростроительство, построены крупнейшие в мире ГЭС: Братская на р. Ангаре (мощность около 4,5 млн. кВт), Красноярская на р. Енисее (мощность 6 млн. кВт), заканчивается строительство еще более мощной ГЭС на р. Енисее — Саяно-Шушенской.

Теперь уже строительство новых, все более мощных атомных электростанций (АЭС) ни у кого не вызывает удивления, рассматривается как обычное дело, а между тем освобождение и использование ядерной энергии является одним из наиболее крупных событий XX в. К сожалению, это великое открытие было использовано не только в мирных, но и в военных целях. Мир узнал о нем из сообщений о взрывах американских атомных бомб над японскими городами Хиросима и Нагасаки 6 и 9 августа 1945 г.

Мы скажем здесь очень кратко о физических основах атомной энергетики и об устройстве АЭС. Еще в конце 30-х годов XX в. было установлено, что ядро атома изотопа урана с атомным весом 235, 235U, под воздействием нейтрона делится на осколки и что этот процесс сопровождается большим энерговыделением. Естественно, это открытие не осталось без внимания.

Мы не имеем возможности описывать в хронологическом порядке, как дальше развивались события, а сразу же перейдем к рассмотрению физических процессов, происходящих в атомном реакторе. Деление ядра 235U происходит, как уже сказано, под действием нейтрона (в результате попадания нейтрона в ядро). Чрезвычайно важно, что при делении ядра число испускаемых нейтронов больше единицы. Для ядра 235U, если в него попадает так называемый замедленный, или тепловой, нейтрон, это число в среднем составляет 2,46. Это значит, что может быть осуществлена цепная, развивающаяся реакция. Это значит также, что должны быть приняты меры против бесполезной утечки нейтронов.

Природный очищенный от примесей уран состоит почти исключительно из двух изотопов: 235U и 238U, причем 235U в природном уране содержится только 0,7 %, а 238U — 99,3 %. Особую ценность, по крайней мере теперь, представляет 235U, так как он является единственным известным само расщепляющимся ядерным топливом, встречающимся в природе. При делении 1 кг 235U выделяется огромная энергия (тепло), равная энергии (теплу), которая образовалась бы при сжигании 2,7·106 кг условного топлива, т. е. топлива, имеющего теплотворную способность 7000 ккал/кг. Другими словами, 1 г 235U энергетически эквивалентен 2,7 т условного топлива (2,7 т у. г.).

Существуют два типа принципиально отличных друг от друга ядерных реакторов: работающие на тепловых нейтронах и работающие на быстрых нейтронах. В реакторах на тепловых нейтронах образовавшиеся в процессе ядерной реакции, обладающие высокой энергией и поэтому называемые быстрыми нейтроны искусственно замедляются, их энергия делается приблизительно в 100 раз меньше. Они могут, как уже говорилось, вызывать распад ядер атомов 235U, но только в малой мере воздействовать на ядра атомов 238U, преобразуя их в количестве всего лишь около 1 % в плутоний, 239Pu. Последний в природе практически не встречается и, следовательно, является искусственным, созданным человеком элементом, близким по своим свойствам к 235U.

Следовательно, в реакторе на тепловых нейтронах используется весь 235U и около 1 % 238U, т. е, около 2 % природного урана.

Для того чтобы быстрые нейтроны превратить в тепловые, используются так называемые замедлители нейтронов, которыми могут служить графит, обычная или тяжелая вода. Замедление нейтронов происходит в результате их столкновений с ядрами замедлителя. При этом нейтроны не только замедляются (что и требуется), но частично поглощаются (что уже плохо).