Атомная энергия

Для производства атомной энергии используется ядерное горючее в двух его видах: первичное и вторичное. Первичное ядерное горючее - это изотоп урана 235U. Он пригоден для непосредственного использования в современных энергетических реакторах. За счет этого источника в настоящее время удовлетворяется 2 - 3% энергетических потребностей человечества. К вторичным видам ядерного горючего относят другой изотоп урана 233U и плутоний 239Рu, которых нет в природе и которые поэтому приходится получать искусственно.

На долю изотопа 235U в природном уране приходится всего 0,7%, остальное составляет изотоп 238U, для энергетических нужд пока почти не используемый. Таким образом, первичным ядерным горючим является 1/140 часть природного урана.

Для превращения ядерной энергии 235U в теплоту используются сложные специальные агрегаты - ядерные энергетические реакторы. В них ядра 235U подвергаются бомбардировке нейтронами, имеющими относительно небольшие скорости («тепловыми»). В результате происходит распад ядер, выделяется тепловая энергия и образуется 2-3 новых нейтрона. Один грамм урана-235, распадаясь, дает 23,2 МВт▪ч = 8400 МДж теплоты. Это в два миллиона раз больше, чем при сжигании 1 г нефти. В пересчете на природный уран, даже с учетом неизбежных потерь, удельное тепловыделение остается очень большим - несколько сотен МДж/г.

4. ЭНЕРГЕТИКА. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Развитие человеческого общества всегда связано с расширением использования энергетических ресурсов. За предыдущее столетие мировое энергопотребление увеличилось более чем в 5 раз и достигло 12 млрд. тонн условного топлива в год. Прирост мирового энергопотребления за десятилетний период с 1963 по 1972 гг. составил 2,6 млрд. т.у.т., а за последующий десятилетний период – всего 1,7 млрд. т.у.т., что в полтора раза меньше. Особенно резко снизились темпы прироста энергопотребления в промышленно развитых странах. Средний ежегодный прирост потребления в мире составил 1,7% в год, в США – 0,4%, в странах Западной Европы – 0,25%.

Быстрое возрастание потребления энергии происходит как по общему ее количеству, так и в удельном выражении в расчете на одного человека. В XX веке с 1900 по 1980 г. среднее значение удельного энергопотребления увеличилось примерно в 12 раз; к 2000 году произошло его возрастание еще в 1,7 - 1,8 раза. Между удельным потреблением энергии в различных странах и уровнем благосостояния существует прямо пропорциональная зависимость. Неуклонное повышение энергообеспеченности общества является необходимым условием его динамичного развития. Однако наблюдается большое различие в удельном потреблении энергии в разных районах Земного шара, достигающее 40 раз.

Современное человечество использует энергию в разнообразных формах: тепловой, механической (кинетической и потенциальной), электрической, энергии электромагнитных полей (включая свет).

Многие страны уже миновали период расточительного использования энергетических ресурсов и встали на путь энергосбережения и одновременно с этим повышения качества использования энергии (табл.4.1).

Таблица 4.1

Мировое потребление энергетических ресурсов в 1950-2020 г. [2]

Показатель
Потребление энергоресурсов, млрд. т.у.т.	2,85	4,35	6,44	10,1	12,2	13,0	15,5	19,0 прогноз
Прирост потребления, %	-	52,6		56,8	20,8	6,6	19,2	22,6

Переломным в изменении темпов прироста потребления стал 1980 г., когда произошло резкое изменение мировых цен на нефть и промышленно развитые страны приступили к реализации энергосберегающих программ.

Экспертная оценка мирового потребления коммерческих энергоресурсов за период 1860-1990гг. представлена в табл.4.2.

Таблица 4.2

Мировое потребление энергоресурсов

Годы	Уголь, млн.т	Нефть,млн.т	Газ, млн.м3	Электроэнергия, млн. кВт×ч	Прочие, млн.т
		-	-	-
			7,3

Электроэнергия как первичный энергоресурс (табл.4.2) производится на гидравлических, атомных и геотермальных электростанциях. Структуру мирового баланса энергоресурсов наглядно можно представить, если годовое потребление выразить в процентах от суммарного потребления топлива. Тогда становятся заметны долгосрочные тенденции (рис.4.1).

Рис. 4.1. Мировой баланс энергоресурсов

Баланс показывает коренные, глубокие сдвиги, произошедшие в энергетике ХХ века. В течение длительного времени происходил рост использования нефтепродуктов, вызванный интенсивной «моторизацией» человеческого общества в автомобильном, морском, воздушном транспорте и других видах нестационарной энергетики, однако тенденции последнего десятилетия свидетельствуют об интенсивном использовании газа и угля за счет снижения доли нефти.

Вместе с изменением структуры энергетического баланса в мире наблюдается увеличение неравномерности производства и потребления энергоресурсов различными регионами. Такие страны, как США, Япония, страны Западной Европы, занимая менее 10% территории, при населении менее 20% производят более 50% мирового промышленного продукта, почти 65% электроэнергии и потребляют более 55% природных энергетических ресурсов.

Как было отмечено ранее, основным источником энергии для человечества является органическое топливо, и в ближайшем будущем эта ситуация вряд ли изменится. Достигнутое значение потребления топлива в 14 - 15 млрд. т.у.т. не может быть обеспечено за счет других нетрадиционных источников энергии. Запас всех гидроресурсов мира составляет 7,2 млрд. т.у.т., а их использование связано с огромными капитальными затратами на сооружение ГЭС. Использование солнечной энергии ограничивается низким КПД преобразования, высокой стоимостью преобразователей и резкой суточной неравномерностью солнечного излучения, требующей создания мощных накопителей электроэнергии. Например, созданная в Крыму гелиоэлектростанция, занимающая площадь 40 га, имеет электрическую мощность всего 5 МВт. Использование энергии ветра на планете эквивалентно всего лишь 2,8 млрд. т.у.т., а использование геотермальной энергии - 1 млрд. т.у.т.

В настоящее время Россия обеспечена собственными энергетическими ресурсами:

- 37% разведанных мировых запасов природного газа, 13% нефти, 19% угля, 14% урана сосредоточено на ее территории;

- по технически реализуемому потенциалу гидроэнергетических ресурсов (около 1700 млрд. кВт×ч) уступает только Китаю;

- мощные трубопроводные системы – единая газоснабжающая и единая нефтеснабжающая системы в основной своей части охватывают территорию России;

- значительная часть российского потенциала природных энергетических запасов находится в Сибири: более 80% природного газа и около 75% нефти [3] (табл.4.3).

Реальная обеспеченность Российской Федерации энергоресурсами составляет по нефти – 15-20 лет, по газу – 55-60 лет, по углю – 300-500 лет.

Основным производителем электроэнергии в России является РАО «ЕЭС России», которое в последнее десятилетие формировало свою топливную политику, предусматривая повышение доли использования природного газа во внутреннем потреблении.

Однако в последнее время ситуация в газовой промышленности резко изменилась, проявились негативные тенденции, связанные с падением добычи газа на действующих месторождениях Западной Сибири, отставанием освоения новых газовых площадей на Ямале, в Тюменской области и на шельфе Баренцева моря.

В среднесрочной и долгосрочной перспективе ОАО «Газпром» не сможет обеспечить поставки газа электростанциям даже на современном уровне. Это связано с истощением трех уникальных действующих месторождений (Медвежье, Уренгойское и Ямбургское), которые совсем недавно обеспечивали максимальную суммарную добычу газа в объеме 535 млрд. м³ в год. В настоящее время эти месторождения вступили в период падающей добычи. В 1999 г. из них добыто 419,3 млрд. м³ газа, в 2005 г. добыча на них снизилась до 273 млрд. м³, а к 2020 г. - до 83 млрд. м³. С аналогичными геологопромысловыми характеристиками осталось только одно месторождение - Заполярное, но годовая добыча из этого месторождения не превысит 100млрд. м³ и срок поддержания такого уровня составит 8-10 лет (прогноз 2005г.).

Таблица 4.3

Производство энергоресурсов в Российской Федерации

Энергоресурсы
Всего, млн. т.у.т в том числе:
Природный газ, млн. т.у.т	0,2
Нефть и нефтепродукты, млн. т.у.т	9,2
Уголь, млн. т.у.т
Прочие виды топлива, млн. т.у.т					19,2
Электроэнергия, млрд. кВт×ч, в том числе:	31,6
Гидроэнергия	2,5	24,7	65,9				-	-
Атомная энергия	-	-	1,6	64,3			-	-

На поддержание достигнутого уровня добычи и транспорта газа постоянно требуются огромные капитальные вложения. Реальные источники нефти и газа перемещаются в труднодоступные районы, в зоны северных морей. Это вызывает многократный рост затрат, необходимость применения новых дорогостоящих технологий. Удельные затраты на добычу и транспортировку газа из новых месторождений, в том числе месторождений газа полуострова Ямал, сопоставимы с затратами на развитие угледобычи, а в ряде случаев превышают их. Кроме того, нет отечественного опыта проектирования, строительства и эксплуатации месторождений в условиях морского шельфа Баренцева моря и полуострова Ямал на больших глубинах, в ледовых условиях, отсутствует необходимое оборудование и плавучие средства для освоения таких месторождений.

В этих условиях необходима кардинальная перестройка топливного баланса электроэнергетики. В связи с возможным сокращением ресурсов природного газа для электростанций рассматриваются следующие направления перестройки топливного баланса:

- дополнительная загрузка тепловых электростанций, работающих на угле;

- модернизация электростанций, изначально запроектированных для работы на угле (и ранее сжигавших это топливо, а в настоящее время использующих в основном газ) в целях возврата этих электростанций в проектный топливный режим;

- использование новых энергоэффективных технологий сжигания газа (ГТУ и ПГУ);

- использование новых энергоэффективных технологий сжигания твердого топлива (ПГУ с газификацией угля и ЦКС);

- дополнительное развитие ТЭС на угле;

- возможности использования попутного газа;

- возможности дополнительного использования ГЭС;

- возможности дополнительного использования АЭС;

- возможности использования нетрадиционныхисточников энергии.

Уголь остается основным видом топлива не только для регионов традиционного использования – Сибири, Урала и Дальнего Востока, зона его значительного потребления на ТЭС распространяется и на европейскую часть страны. Ожидается, что основная часть вновь вводимых мощностей на пылеугольных ТЭС будет работать на кузнецком и канско-ачинском углях. Использование других видов твердого топлива носит местный характер.

Мировая практика показывает, что выработка электроэнергии с использованием углей может быть вполне конкурентоспособной с электроэнергией, выработанной на газовом оборудовании. Однако это потребует осуществления технического переоснащения и реконструкции угольной промышленности в целях не только увеличения объема добычи углей, но и их переработки, обогащения, чтобы снизить издержки производства энергии, в том числе и расходы по доставке твердого топлива.

Заслугой энергетиков является создание единой энергетической системы (ЕЭС) России, являющейся крупнейшей в мире. Ее основу составляют крупные ГРЭС (государственные районные электрические станции), атомные электростанции (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС) и связывающие их линии электропередач (ЛЭП), объединенные в «кольцо». Это делает систему устойчивой. Правительство России в ходе реорганизации экономики страны расчленило единую энергосистему России, создав на ее базе около тысячи отдельных генерирующих компаний и других энергообъектов. Управлять ими из единого центра оказалось невозможно, что привело к ряду проблем, с которыми не сталкивалась отечественная энергетика. Так, летом 2005 г. (к счастью, не зимой) из-за выхода из строя небольшого трансформатора произошла системная авария в Мосэнерго, в результате которой в течение нескольких дней без электроснабжения осталась часть Москвы, Московской и прилегающих к ней областей.

В разных странах – США, Англии, Италии – ежегодно происходят системные аварии, в результате которых целые города и штаты остаются без электроэнергии. Такие аварии особенно характерны для США. Летом 2002 г. надолго осталась без энергии Калифорния. В следующем году (в США жаркий климат, поэтому аварии случаются летом, когда все кондиционеры включаются на полную мощность) без электроэнергии в течение двух суток пришлось обходиться огромному региону на северо-востоке США с населением около 50 млн человек, а канадскому штату Онтарио - больше недели. Главной причиной является неспособность ЛЭП «перебросить» нужное количество электроэнергии из одного региона в другой.

В США каждый штат (или группа штатов) имеет свою энергетическую компанию. Все компании - частные. Электрические связи между ними недостаточно развиты, т.к. компании одного штата нет смысла выручать конкурента из другого штата. После серии ежегодных системных аварий, которые от года к году становятся крупнее, правительство США прорабатывает меры для создания более мощных ЛЭП, связывающих различные регионы страны.

5. ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ