N тепл. = 15,8 МВт; N электрическая =1,5 МВт; КПД -10%.
Так в апреле 1954 года впервые в истории человечества был получен в атомной электростанции ток от энергии атома.
Электрическая мощность первой АЭС была невелика - всего 5000 киловатт. Новых турбин такой малой мощности в то время уже не выпускали. Как быть?
Монтажникам повезло: подходящую турбину нашли на одной из московских электростанций, но у ней оказался погнутым вал. Президент Академии наук СССР Анатолий Петрович Александров вспоминает, что нашелся тогда умелец, который выправил вал. Как показал первый же пуск, ремонт удался на славу турбина исправно закрутилась.
Спустя несколько недель мощность электростанции подняли до проектной, и в газете "Правда" 1 июля 1954 года на первой полосе появилось сообщение:
"В настоящее время в Советском Союзе усилиями советских ученых и инженеров успешно завершены работы по проектированию и строительству первой промышленной электростанции на атомной энергии полезной мощностью 5000 киловатт".
Успешное создание и работа этой АЭС стали важным событием по многим причинам. Прежде всего в какой-то мере был сломан психологический барьер предубеждение людей против атомной энергии вообще. Пуск АЭС имел и политическое значение. Советский Союз своим примером показывал, куда должны быть направлены усилия ученых, специалистов: не на создание все более совершенных видов ядерного оружия, а на развитие мирной атомной энергетики. И конечно, в первую очередь пуск ознаменовал новый рывок научно-технического прогресса - первая атомная электростанция открыла путь десяткам других станций, сооруженных в последующие годы в разных странах мира.
Сейчас, по истечении более трех десятков лет, атомная энергетика технически повзрослела, стала надежнее, а общая ее мощность в нашей стране достигла почти 30 миллионов киловатт. Предусматривается убыстрение темпов ее дальнейшего развития. Уже к 1990 году энерговыработка атомных электростанций должна вырасти до 390 миллиардов киловатт-часов. К 2000 году атомные электростанции должны вырабатывать энергии в 5-7 раз больше. Согласно Энергетической программе "ускоренное развитие в европейской части страны ядерной энергетики позволит на рубеже XX и XXI веков в основном остановить рост трансконтинентальных потоков органического топлива с востока на запад".
Удастся ли достичь таких темпов, то есть вводить уже в двенадцатой пятилетке каждые два месяца в строй атомный блок мощностью миллион киловатт? А через десять лет темпы ускорятся - будет вводиться один такой блок ежемесячно. Без прочной развитой машиностроительной и электротехнической базы этого не сделаешь.
И программа предусматривает необходимые меры.
К сожалению, атомные станции строятся еще очень долго. Так, в США возведение некоторых станций продолжалось 12 лет. В Японии же одна из АЭС была создана за рекордно короткий срок - всего за четыре года.
Наши АЭС сооружались по-разному - есть и хорошие, и плохие примеры.
Длительные сроки строительства - это не только замороженные ресурсы, нужные народному хозяйству. Согласно расчетам приросту выработки электроэнергии в один киловатт-час соответствует прирост национального дохода в 40 копеек. Поэтому иногда говорят, что запоздание с вводом блока мощностью 1 миллион киловатт на один год может привести к недополучению 2 миллиардов рублей национального дохода. Конечно, такая оценка не совсем корректна, однако очевидны громадные потери в народном хозяйстве, связанные с недовыработкой электроэнергии. Развитие поточных методов строительства позволяет резко сократить сроки ввода блоков. Так, второй и третий блоки Запорожской АЭС вошли в строй всего за четыре года.
В настоящее время вырабатывают электроэнергию множество реакторов, существенно различных по конструкции. А лет двадцать назад для использования в энергетике предполагалось еще больше типов ядерных реакторов, и должны были пройти долгие годы, прежде чем исследователи, эксплуатационники смогли досконально изучить их и выбрать наилучшие.
У многих людей, судя по разговорам, отношение к атомным энергетическим установкам довольно настороженное. Поэтому имеет смысл рассказать, как работают АЭС, в чем их достоинства и недостатки.
Атомная электростанция в основном состоит из тех же элементов, что и обычная тепловая. Главное отличие - в генераторе энергии. На атомной станции вместо котла установлен ядерный реактор, вырабатывающий тепловую энергию, однако его принцип действия и источник энергии в нем другие.
В обычном котле используется химическая энергия органического топлива, то есть энергия связи атомов углерода и кислорода, выделяющаяся при окислении - горении того же угля.
В ядерном же котле-реакторе выделяется энергия связи нейтронов и протонов, освобождающаяся при делении ядра урана на части под воздействием нейтронов.
При делении ядер выделяется гораздо больше энергии, чем при соединении атомов: 20 миллионов килокалорий на один грамм разделившегося топлива. Сгорание же одного грамма угля высвобождает только 7 килокалорий - в три миллиона раз меньше. Чтобы получить миллион киловатт электрической мощности, в топку угольной электростанции нужно ежегодно загружать около трех миллионов тонн угля, а для АЭС будет достаточно и тридцати тонн. Правда, если химическая реакция горения начинается и при очень малых количествах топлива, то ядерная цепная реакция не начнется, если в реактор не загрузить достаточной массы расщепляющегося материала. Для типового реактора АЭС эта начальная критическая загрузка составляет около ста тонн урана.
Итак, АЭС расходует гораздо меньше топлива, чем ТЭС. Ее можно разместить в любой точке страны, потому что доставка ядерного горючего не представляет транспортных сложностей. Особый характер протекания ядерной цепной реакции требует и другого принципа управления ядерным реактором.
Сравнительно просто управлять двигателем автомобиля или форсунками, питающими топки котлов. Шофер увеличивает или уменьшает мощность двигателя с помощью педали газа. Чтобы автомобиль ехал быстрее, шофер нажимает на нее. Но увеличение мощности двигателя не будет беспредельным - в конце концов она достигнет максимума. Если шофер вернет педаль газа в прежнее положение, то к прежней величине вернутся и мощность двигателя, и скорость автомобиля.
В ядерном реакторе все происходит совсем не так.
Если вывести из реактора стержень управления (аналог педали газа), то цепная ядерная реакция ускорится и мощность начнет расти практически беспредельно. Чтобы остановить рост мощности, нужно вернуть стержень управления в прежнее положение. Но при этом мощность реактора не вернется к прежней, а останется новой. Хотя принципиальная возможность беспредельного роста мощности существует. Практически в имеющихся типах реакторов безудержное деление ядер блокируется. Существуют механизмы так называемой "обратной связи", благодаря которым при возрастании мощности ухудшаются условия протекания ядерной цепной реакции и мощность падает. "Реактор останавливается", - говорят физики.
Требования к системам управления и аварийной защиты ядерных реакторов значительно выше, чем к соответствующим системам котлов на органическом топливе.
Остановимся еще на двух особенностях ядерных реакторов, от которых зависит развитие атомной энергетики.
Атомный реактор невозможно "выключить" совсем и прекратить выделение в нем энергии. Если прервать цепную реакцию, то мощность ядерного котла падает до 6 процентов от той мощности, на которой он работал до остановки. Через час она будет составлять всего 2 процента, а позже еще меньше. Источник выделяющейся энергии - не деление ядер, а радиоактивное излучение осколков деления.
Это очень неприятная особенность. Чтобы после остановки не произошел перегрев конструкций реактора и их разрушение, нужно обеспечить "абсолютно" надежный отвод этого остановочного тепловыделения. Такие надежные системы теплоотвода обходятся достаточно дорого.
Соответственно капиталовложения на сооружение АЭС в полтора-два раза выше, чем на строительство тепловой электростанции эквивалентной мощности.
Создают ряд проблем и радиоактивные излучения, испускаемые ядерным топливом во время работы реактора и после его остановки.
Какие же атомные котлы популярны ныне среди энергетиков?
В мире получили распространение примерно десять типов ядерных реакторов. Отличаются они видом теплоносителя - рабочего вещества, выбранного для отвода тепла из реактора. Это может быть вода, газ, органическая жидкость, расплав соли, жидкий металл. Тип реактора определяется и веществом-катализатором цепной реакции. Задача этого вещества - уменьшить энергию нейтронов, вылетающих при делении ядер. Такими веществами - замедлителями нейтронов обычно служат легкие элементы - водород воды, углерод, бериллий, тяжелая вода.
Комбинации различных теплоносителей и замедлителей создают многообразие реакторов. В нашей стране наибольшее развитие до конца века получат реакторы типа ВВЭР - водо-водяные энергетические реакторы.
Что они собой представляют?
Прежде всего в глаза бросается двадцатиметровый металлический цилиндр с диаметром около четырех метров. В нем под давлением 170 атмосфер циркулирует вода, отводящая тепло от активной зоны реактора. Затем это тепло через теплообменник передается воде второго контура, которая превращается в пар и направляется в турбину.
Активная зона - сердце реактора. Здесь происходит цепная реакция деления. В зоне - несколько десятков тысяч герметичных трубочек из циркония, омываемых водой. В трубочках сантиметрового диаметра находится ядерное топливо - двуокись урана. Тепло, выделяющееся в уране, через стенки трубок передается протекающей вдоль них воде.
Реакторы ВВЭР вырабатывают миллион киловатт электрической мощности. Они установлены на Воронежской, Запорожской, Балаковской и многих других АЭС.
В СССР разработаны и сооружены еще более мощные реакторы. Устроены они несколько по-другому. Трубочки с топливом, в реакторной технике они называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами), размещены в отдельных каналах - циркониевых трубах. Каналы проложены в графитовых блоках. Из этих блоков можно собрать реактор очень большой мощности и размеров.
Ведь для него не нужно массивного металлического корпуса, несущего давления. Такой реактор типа РБМК (реактор большой мощности, канальный) установлен на Игналинской АЭС в Литве. Его мощность 1,5 миллиона киловатт.
В конце концов атомные станции будут работать не только в режиме постоянной, но и переменной нагрузки, отдавая разную мощность в течение суток и недели. Ночью останавливается работа части заводов и фабрик, засыпают города, и потребность в электроэнергии падает.
Нужно уменьшить мощность электростанций, а некоторые, использующие такое органическое топливо, как мазут или газ, даже остановить. Энергетические нужды пусть обеспечивают атомные станции, которые должны в ночное или воскресное время продолжать работать с максимально возможной нагрузкой. Сейчас общая мощность АЭС составляет от полной мощности всех электростанций всего около 10 процентов. Вроде бы пока нет потребности снижать нагрузку АЭС по ночам. Однако па деле все происходит не совсем так, как хотелось бы. Уже сейчас диспетчеры центральной и региональных электроэнергетических систем вынуждены давать команду на снижение мощности ядерных реакторов в ночные часы, а также по субботам и воскресеньям. В чем же дело?
К сожалению, не в "пустяке". Часть электростанций, сжигающих органическое топливо, нельзя останавливать.
Нецелесообразно даже менять их мощность. Они практически исчерпали свой ресурс, и их изношенное оборудование лучше эксплуатировать в режиме спокойной, постоянной работы. В противном случае оно может выйти из строя. В Энергетической программе предусмотрена реконструкция старых станций, мощность которых на сегодняшний день составляет несколько десятков миллионов киловатт.
Важную роль в электроэнергетике продолжают играть теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). В них наряду с выработкой электроэнергии получают почти "даром" и тепло отработанного пара, вращавшего ротор турбины. Многие ТЭЦ расположены вблизи городов и потому используют, как правило, не дешевый уголь, а дорогостоящие газ или мазут. Казалось бы, выгодно уменьшить ночью мощность этих станций, экономить углеводородное топливо, а нужный минимум энергии пусть обеспечивается АЭС!
Увы, при снижении электрической мощности ТЭЦ одновременно снизится и количество отбираемого пара, теплом которого отапливаются дома, фабрики, заводы.
Правда, положение тут не безвыходное. Уменьшая мощность, пар для отопления можно отбирать не от турбин, а прямо от паровых котлов. Для этого на ТЭЦ нужно установить бойлеры - теплообменники, в которых тепло пара передается воде, поступающей в системы отопления.
Как будто бы все ясно и понятно. Нужно в срочном порядке реконструировать ТЭЦ. Дооборудование - дело несложное, а благодаря снижению мощности ТЭЦ удается сэкономить миллионы тонн органического топлива. Но посмотрим на реконструкцию с точки зрения эксплуатационников. Из-за бойлеров ухудшится такой важный нормативный показатель, как удельный расход топлива на выработку единицы энергии. По нему оценивается работа энергетиков. Чем ниже удельный расход, тем выше премия. Значит, мощность им снижать невыгодно? Как же быть? Энергетической программой предусматривается устранение подобных организационных неувязок.
Уже сейчас, а тем более в будущем атомной энергетике надо научиться работать в маневренных режимах.
Придется поэкспериментировать, создать и отработать некоторое новое оборудование. В первую очередь предстоит усовершенствовать тепловыделяющие элементы, в которых заключено ядерное топливо.
У атомной энергетики еще младенческий возраст: