Харитонов Енергетика-Технико-економические основы 2007

qDT /(mD + mT) = 2,8·10-12 / 5·1,66·10-27 = 3,4.1014 Дж/кг.

Эта величина всего в 4 раза превышает калорийность урана.

Теоретический предел энергоемкости вещества определяется теорией относительности по формуле E = m·c2, т.е. предельная энергоемкость вещества E/m = c2 = 0,9·1017 Дж/кг всего в 1000 раз больше калорийности урана.

По-видимому, для практического применения нет топлива более калорийного, чем ядерное (и термоядерное).

Коэффициент энергоотдачи. Для сравнения различных источников энергии и энергетических установок в работе [2.26] предлагается сравнивать энергию QПОЛУЧ, получаемую из данной установки, с совокупной энергией QЗАТР, затраченной на это получение. Величина QЗАТР включает и затраты на ликвидацию экологических ущербов от деятельности энергетической установки. Можно ска-

зать, что QЗАТР – это цена источника энергии, но выраженная не в рублях, а в энергетических единицах – джоулях или киловатт-часах

или тоннах нефтяного эквивалента и т.п. Отношение полученной энергии к затраченной можно назвать коэффициентом энергоотдачи источника энергии

χ = QПОЛУЧ /QЗАТР.

Величина коэффициента энергоотдачи должна быть больше 1, и чем больше, тем эффективнее использование данного источника энергии. По оценкам [2.26], коэффициент энергоотдачи угольной и нефтяной энергетики в нашей стране за 10 лет (1980 – 1990 гг.) снизился соответственно с 5,2 до 3,5 и с 8,5 до 5,3 (без учета затрат на экологию). Распад СССР, потеря южных месторождений и удаленность новых снизили коэффициент энергоотдачи нефти до 3,5. Примерно такая же картина с природным газом. По данным [2.11], физическая граница применения нефтяного топлива (χ = 1) наступит в районе 2025 г. с той самой «внезапностью», о которой предупреждал Римский клуб. Для ядерной энергетики на уране расчеты дают низкую величину χ = 1,5 – 2,5, а для взрывной дейтериевой энергетики χ > 50.

О конкурентоспособности АЭС. На конкурентоспособность ядерной энергетики и политику в этой области в ближайшие годы могут повлиять такие факторы, как появление новых ядерных технологий, вопросы удаления отходов и нераспространения ядерного оружия, усовершенствование регулирования в ядерной области, возможный переход на водородную энергетику, а также политика в отношении национальной энергетической безопасности и политика в области защиты окружающей среды.

Основные экономические факторы, влияющие на стартовые показатели конкурентоспособности АЭС после 20-летней стагнации:

•капитальные затраты являются решающим фактором, определяющим экономическую конкурентоспособность ядерной энергетики;

•затраты на разработку новых конструкций реакторов могут увеличить капитальные затраты на 35 %;

•премия за риск, выплачиваемая держателям облигаций и акций при финансировании новых АЭС, является фактором, который оказывает значительное влияние на экономическую конкурентоспособность. Премия за риск в размере 3 % считается достаточной для первых нескольких новых АЭС;

•на старте нового цикла развития ядерной энергетики важна поддержка государства с помощью гарантийных займов, ускоренной амортизации, налоговых льгот на капвложения и производственных налоговых льгот на новые АЭС. В этом случае стоимость электроэнергии на АЭС оценивается в 4 – 5 цент/(кВт·ч), что близко к стоимости электроэнергии новых угольных и газовых ТЭС;

•в результате тиражирования (заимствования опыта строительства) первых новых блоков стоимость электроэнергии АЭС может снизиться до 3 – 4 цент/(кВт·ч). При таких стоимостях производства продолжения финансовой помощи государства не требуется.

В табл. 2.10 приводятся характеристики современных энерготехнологий на уране, угле и газе.

Таблица 2.10

Технико-экономические показатели производства электроэнергии на электростанциях различного типа (норма дисконтирования 8 %)

		АЭС с реакто-		ТЭС
	Показатели	ром EPR	парогазовая	на угле (кипящий
				слой)
	Электрическая мощность,	1590	900	600
	МВт
	Суммарный КПД, %	36,1	59,1	42,4
	Экономически оправдан-	60	25	35
	ный срок эксплуатации, лет
	Капитальные затраты,	1663	569	1276
	евро/кВт
	Суммарные издержки	28,4	35,0	32,0
	производства, евро/(МВт.ч)

Что касается использования органического топлива (и урана в тепловых реакторах) в XXI в., то наиболее общие тенденции состоят в исчерпании дешевых ресурсов к концу века и замещении нефтепродуктов синтетическим топливом (в первую очередь из угля) и водородом. В целом, как показано на рис. 2.19, «эра органического топлива» составляет не такой уж длительный эпизод в человеческой цивилизации [2.5].

Упражнения и задачи к главе 2

2.1.За плотиной ГЭС (ниже по течению) река имеет ширину b = 1 км и глубину h = 10 м. Скорость течения около u = 4 км/ч. Каков массовый расход G воды через плотину?

2.2.Какова электрическая мощность W ГЭС, если напор воды (разность уровней воды до и после плотины) Н = 20 м, а расход воды как в предыдущей задаче? (Не учитывать потери энергии.)

2.3. На угольной электростанции электрической мощностью W = = 1 ГВт потери тепла при сжигании угля и преобразовании тепла в электричество составляют 60 % (КПД = 40 %). При сгорании 1 кг угля

выделяется q = 30 МДж тепловой энергии. Сколько вагонов N угля нужно подвозить ежесуточно на электростанцию, если в один вагон помещается 60 т угля?

2.4.Докажите, что экономия условного топлива на ТЭС всего в 1 г/(кВт·ч) в масштабах России дает экономию условного топлива Q = 0,52 млн т [2.2]. Принять, что на ТЭС за год вырабатывается

520 млрд кВт ч электроэнергии при среднем удельном расходе условного топлива b = 342 г/(кВт·ч).

2.5. Докажите, что повышение КПД ТЭС на 1 % означает уменьшение удельного расхода условного топлива на b =

=3,4 г/(кВт·ч) и экономию условного топлива в масштабах России Q ≈ 2 млн ТУТ [2.2].

2.6.Докажите, что пылеугольная ГРЭС общей мощностью W =

=3,8 ГВт с удельным расходом условного топлива b = 336 г/(кВт·ч) должна принимать (и сжигать) ежечасно по одному железнодорожному составу, состоящему из 31 вагона емкостью по 60 т угля [2.2]. Принять теплоту сгорания используемого угля равной теплоте сгорания условного топлива.

2.7.В районе Крыма среднесуточный поток солнечной энергии составляет около q = 250 Вт/м2. Эта энергия фокусируется с помощью зеркал на паровой котел, где образуется водяной пар, поступающий в

турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию мощностью W = 100 МВт. Какова должна быть площадь S зеркал, если КПД преобразования солнечной энергии в электричество составляет 25 %?

2.8. Выделите правильное определение изотопов.

№ п/п	Ответ
1	Радиоактивные атомы
2	Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся
	числом нейтронов в ядре
3	Разные ядра с одинаковым числом нуклонов

2.9. При делении одного ядра урана-235 выделяется 200 МэВ энергии. При сгорании 1 кг углерода в кислороде выделяется 33 МДж энергии. Во сколько раз уран «калорийнее» углерода? (1 эВ = 1,6.10-19 Дж, 1 а.е.м. = 1,66.10-27 кг).

2.10. Убедитесь, что 120 г дейтерия, необходимого для взрыва одного энергозаряда в дейтериевом термоядерном реакторе, можно получить из 3 м3 воды.

Список литературы к главе 2

2.1.Использование водной энергии. Учебник для вузов / Под ред. Ю.С. Васильева. – М.: Энергоатомиздат, 1995.

2.2.Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях / Под общ. ред. чл.- корр. РАН Е.В. Аметистова. – Ч. 2. Современная электроэнергетика

/Под ред. проф. А.П. Бурмана и В.А. Строева. – М.: Изд-во МЭИ,

2003. – 454 с.

2.3.Строители России. ХХ век. Электроэнергетика. – М.: Изд-во Мастер, 2003. – 1164 с.

2.4.Белая книга ядерной энергетики / Под общ. ред. проф. Е.О. Адамова. – М.: Изд-во ГУП НИКИЭТ, 2001. – 270 с.

2.5.Велихов Е.П., Гагаринский А.Ю., Субботин С.А., Цибульский В.Ф. Россия в мировой энергетике XXI века.– М.: ИздАт,

2006. – 136 с.
2.6. Ядерная энергетика, человек	и	окружающая	среда /
Н.С. Бабаев, В.Ф. Демин, Л.А. Ильин	и	др.; Под ред.	акад.

А.П. Александрова. – 2-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1984. – 312 с.

2.7.Бяков В.М. Природные процессы, инициируемые сильно ионизирующими излучениями. 10-я Международная Московская школа физики. ИТЭФ, 2007. – 11 с.

2.8.Безопасность России. Правовые, социально-экономические

инаучно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (Газовая промышленность России). – М.: МГФ «Знание», ГЭИТИ,

2005. – 688 с.

2.9.Симонов К.В. Энергетическая сверхдержава. – М.: Алго-

ритм, 2006. – 272 с.

2.10.Безопасность России. Правовые, социально-экономические

и научно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (Нефтяной комплекс России). – М.: МГФ «Знание», 2000. – 432 с.

2.11. Взрывная	дейтериевая	энергетика	/ Г.А. Иванов,
Н.П. Волошин,	А.С. Ганеев,	Ф.П. Крупин,	С.Ю. Кузьминых,

Б.В. Литвинов, А.И. Свалухин, Л.И. Шибаршов. – Снежинск: Издво РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004. – 288 с.

2.12. Основы современной энергетики: курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В 2-х ч. / Под общ. ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова. – Ч. 1. А.Д. Трухний., А.А. Макаров, В.В. Клименко. Современная теплоэнергетика. – М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 368 с.

2.13.Тукенов А.А. Рынок электроэнергии: от монополии к конкуренции. – М.: Энергоатомиздат, 2005. – 416 с.

2.14.Кокорев Л.С., Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные энергетические установки. – М.: Атомиз-

дат, 1980. – С. 216.

2.15.Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы: Учеб. для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 2002. – 464 с.

2.16. Справочник по ядерной энерготехнологии / Ф. Ран, А. Адамантиадес, Дж. Кентон, Ч. Браун.; Пер. с англ.; Под ред. В.А. Легасова. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 752 с.

2.17.Камерон И. Ядерные реакторы: Пер. с англ. – М.: Энерго-

атомиздат, 1987. – 320 с.

2.18.Экономика ядерной энергетики (конспект лекций): Учеб. пособие / Под ред. проф. В.В. Харитонова. – М.: МИФИ, 2004. – 280 с. (Серия «Учебная книга Экономико-аналитического института МИФИ») (лекция 3).

2.19.Шевелев Я.В., Клименко А.В. Эффективная экономика ядерного топливно-энергетического комплекса. – М.: РГГУ, 1996. –

736с.

2.20.Сайт WNA: www.world-nuclear.org

2.21.Имшенник В.С., Надежин Д.К. Сверхновая 1987А в Боль-

шом Магеллановом Облаке: наблюдения и теория // УФН. –

Т. 156. – Вып. 4, декабрь, 1988. – С. 561 – 651.

2.22. Козловский Е.А. Минерально-сырьевые проблемы России накануне XXI века. – М.: Русский биографический ин-т при участии изд-ва МГУ, 1999. – 401 с.

2.23.Синев Н.М., Батуров Б.Б. Экономика атомной энергетики: Основы технологии и экономики ядерного топлива. Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 392 с.

2.24.Energy from Inertial Fusion. IAEA, Vienna, 1995. – 457 p.

2.25.Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики / Под ред. Б.Ю. Шаркова. – М.: Физматлит, 2005. – 262 с.

2.26.Алексеев В.В. Экология и экономика энергетики глазами эколога. – М.: Знание, 1990.

Глава 3

МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

3.1. Схемы преобразования энергии

Многие задачи, возникающие при анализе энергетических объектов и связанных с ними вопросов охраны окружающей среды, можно свести к рассмотрению последовательности процессов передачи энергии от одной системы к другой. На рис. 3.1 стрелками 1 указаны основные стадии преобразования энергии органического и ядерного топлива в электрическую энергию. Электроэнергия наиболее удобна для транспортировки, использования и контроля расходования. Она легко превращается в свет, тепло, радиоволны, кинетическую энергию и в другие виды. Сначала внутренняя энергия топлива (химического или ядерного) превращается в тепло, т.е. в энергию хаотического движения структурных частиц топлива. Затем тепло передается рабочему телу (пару или газу), которое за счет приобретенной кинетической энергии (при расширении) совершает работу, приводя в движение турбину и связанный с ней ротор электромеханического генератора (от латинского roto – вра-

щаюсь). В электрогенераторе механическая энергия превращается в электрическую. Данная схема реализуется в широко распространенных в энергетике (на тепловых и ядерных электростанциях)

паротурбинных и газотурбинных циклах.

Стрелками 2 и 3 отмечены способы прямого преобразования энергии, в которых исключается механическая ступень (турбоэлектрогенератор), что дает ряд преимуществ: уменьшение габаритов и упрощение конструкции энергоустановки, повышение надежности, бесшумность работы и др. [3.1]. Методы прямого преобразования энергии в электрическую иногда называют безмашинными мето- дами. По схеме 2 работают электрохимические генераторы (электробатарейки, электроаккумуляторы, топливные батареи), ядерные батареи и лазеры с ядерной накачкой, а по схеме 3 – термоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические генераторы, полупроводниковые солнечные батареи и др.

Развитие методов прямого преобразования энергии стимулировалось потребностями в энергетических установках со специфическими свойствами, например, для энергоснабжения космических аппаратов, наземных автономных метеорологических и навигационных станций, расположенных в удаленных и труднодоступных районах, для использования водорода в энергетических целях и др.

Одним из важнейших технико-экономических критериев для сравнения эффективности различных методов преобразования энергии служит коэффициент полезного действия (КПД), обо-

значаемый греческой буквой η («эта»), равный количеству совершенной полезной работы W, отнесенной к полному количеству затраченной энергии Q:

η = W/Q.

(3.1)

Величина КПД показывает, какая часть затраченной в энергетической установке энергии превратилась в полезную работу. Если энергия W, отпускаемая потребителю, задана, то чем выше КПД установки η, тем меньше расходуется топлива (меньше Q) и меньше тепловое загрязнение окружающей среды.

3.2. Законы преобразования тепла в работу

Впредыдущем разделе отмечено, что для экономии топлива и снижения экологических проблем целесообразно повышать КПД энергоустановок. В процессе решения этой важной экономической задачи – повышения КПД – родилась в XIX в. наука термодина- мика [3.2] – [3.5]. Предметом изучения термодинамики являются закономерности превращения (преобразования) различных видов энергии. Одним из центральных понятий термодинамики является внутренняя энергия тел U, которая определяется как энергия всех форм движения составляющих тело частиц относительно его центра инерции. Взаимодействие тела с окружающей средой сопровождается изменением энергии как самого тела, так и окружающей среды. Различают три способа энергообмена взаимодействующих тел (термодинамических систем): 1) совершение работы за счет силового взаимодействия между телом (термодинамической системой) и средой, 2) теплообмен, выравнивающий температуры тела и среды (т.е. выравнивающий средние энергии движения частиц, составляющих тело и среду), и 3) массоперенос или обмен веществом. Два последних способа энергообмена подробно рассматрива-

ются в курсах теории тепло- и массообмена [3.6] – [3.8].

Воснову термодинамики положены два основных закона (или начала), установленных опытным, весьма драматичным и поучительным путем. Первый закон термодинамики представляет собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии. Второй закон термодинамики характеризует качест-

венную сторону процессов преобразования энергии, указывая возможность (или направление) протекания процесса. Рассмотрим последовательно эти законы.

Понятие работы расширения. Вначале определим работу при сжатии газа или пара (рабочего тела цикла). Пусть газ заключен в цилиндр, имеющий на одном конце подвижный поршень, площадь которого F (рис. 3.2). Если p – давление газа на стенки цилиндра, то pF – сила, действующая на поршень. В случае перемещения поршня на бесконечно малое расстояние dH совершается бесконечно малая работа (равная произведению силы на перемещение, параллельное силе) dA = pF dH. Но FdH равно увеличению объема

dV газа. Следовательно, работа расширения (или сжатия газа, в зависимости от знака dV) в общем случае равна

dA = p dV.

(3.2)

В конечном процессе расширения (рис. 3.3, 3.4), в котором объем изменяется от V1 до V2, рабочее тело производит работу против сил внешнего давления, и работа расширения определяется интегрированием

V2
A12 = ∫ pdV .	(3.3)
V1

Как видно, работа не совершается (dA = 0), если вещество несжимаемо или не изменяется его объем (dV = 0). Процесс при постоянном объеме (V = const) называется изохорическим. В изохорическом процессе работы расширения (сжатия) не производится.

Применительно к энергетике особенно важны такие процессы, в которых начальное и конечное состояния одинаковы. Они называ-

ются циклическими процессами или циклами. В координатах давле-

ние-объем газа (p, V) такой цикл можно изобразить замкнутой кривой ABCD как на рис. 3.4. Работа в замкнутом цикле численно равна площади, ограниченной кривой цикла p(V):

A = ∫ pdV = ∫ pdV + ∫ pdV =		∫ pdV −	∫ pdV = A1 − A2 .
ABC	CDA	ABC	ADC

Здесь обозначено: А1 – работа на участке АВС, А2 – работа на участке ADC. Принято работу А в цикле считать положительной, если цикл совершался по часовой стрелке, и отрицательной – если цикл совершался против часовой стрелки.

Важно подчеркнуть, что для совершения работы расширения рабочее тело цикла должно быть сжимаемым. То есть зависимость p(V) должна существенно отличаться от вертикальной прямой. Таким свойством обладают газы и паро-жидкостные смеси, поэтому они используются в качестве рабочих тел энергетических циклов.

Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики представляет собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии. Он гласит: подведенное к телу тепло dQ