Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

Плотины и водохранилища не только выводят из оборота затоп-

ляемые земли, но и влияют на качество воды, которая накапливается

и постепенно спускается. Важнейший показатель, влияющий на ка-

чество воды— ее самоочищение, представляющее совокупность

внутриводоемных гидрофизических, гидрохимических и биохими-

ческих процессов, направленных на восстановление свойств воды,

удовлетворяющих требованиям различных водопользователей и ус-

ловиям, в которых могут существовать гидробионты (растения и

животные). Способность водоема к самоочищению определяется

седиментацией (процессами осаждения взвешенных веществ), раз-

бавлением и разложением сложных органических веществ.

В результате седиментационных процессов, развитию которых

способствует замедление скоростей течения, происходит отстой воды

и улучшаются такие качества, как прозрачность, цветность, минера-

лизация, бактериальная загрязненность и др.

В то же время замедление скорости течения ухудшает условия

перемешивания водных масс и обогащение кислородом из атмосфе-

ры,

приводит к образованию застойных зон, ухудшает удаление

сточных вод с места их выпуска. Поэтому процесс разбавления в

водохранилищах замедляется.

В зависимости от сезона вода, поступающая из водохранилища,

может содержать очень мало растворенного кислорода, и тогда она

окажется неблагоприятной средой для рыб и других обычных вод-

ных организмов. Недостаток кислорода обусловлен сочетанием двух

процессов. Во-первых, неполным перемешиванием воды в водохра-

нилище в течение лета и ранней осени. Во-вторых, бактериальным

разложением отмерших водорослей в донных слоях, что требует

большого количества кислорода.

Когда течение реки замедляется, как это обычно бывает при по-

падании вод в водохранилище, взвешенный осадок начинает опус-

каться на дно. Ниже водохранилища чистая вода, попавшая в реку,

гораздо быстрее размывает берега, как бы восстанавливая тот объем

осадков, который был утрачен в водохранилище. Усиление эрозии

берегов ниже водохранилища — обычное явление. Дно водохрани-

лища покрывается осадками, принесенными из регионов, располо-

женных выше по течению. Этот слой осадков периодически высту-

пает на поверхность или затопляется вновь, когда уровень воды

поднимается или падает в результате притока или сброса воды. По-

степенно осадки накапливаются. Для очистки водохранилища необ-

ходимо принимать специальные меры.

Атмосфера

— изменение микроклимата.

Гидроэлектростанции оказывают на атмосферу лишь косвенное

и локальное влияние. Зона изменения местного климата соизмерима

с площадью самого водохранилища, образованного при строитель-

стве ГЭС. Температура на побережье изменяется на 1—8 °С, абсо-

лютная влажность (упругость водяного пара)— на

0,14—0,5

кПа,

относительная влажность — на

4—12

%. В сельскохозяйственных

районах, расположенных на побережьях водохранилищ, максималь-

ное воздействие наблюдается в полосе шириной до 1 км от уреза

воды: здесь можно выделить в начале лета— охлаждающий, а осе-

нью — отепляющий периоды, в течение которых влажность воздуха

увеличивается.

Энергия приливов

Приливы — это результат гравитационного притяжения боль-

ших масс воды океанов Луной и, в меньшей степени, Солнцем. При

вращении Земли часть воды океана поднимается и некоторое время

удерживается в этом положении гравитационным притяжением. Ко-

гда «горб» подъема воды под действием Луны достигает суши, как

это должно происходить вследствие вращения Земли, наступает при-

лив.

Дальнейшее вращение Земли ослабляет воздействие Луны на эту

часть океана, и прилив спадает. Приливы и отливы имеют суточные и

полусуточные периоды, хотя их точное время изменяется в зависимо-

сти от сезона и положения Луны (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Образование приливов

Средняя высота прилива составляет всего лишь 0,5 м, за исклю-

чением тех случаев, когда водные массы перемещаются в относи-

тельно узких местах. В таких случаях возникает волна, высота кото-

рой может в 10—20 раз превышать нормальную высоту приливного

подъема. Во время приливов и отливов перемещение водных масс

образует приливные течения, скорость которых в прибрежных проли-

вах и между островами может достигать 5 м/с. Приливы в заливе

Фанди (США), наибольшие в мире, достигают высоты 16 м. Между

Англией и европейским побережьем (Франция, Бельгия, Голландия)

тоже возникают значительные приливы. Наиболее высокие приливы

случаются тогда, когда Луна и Солнце находятся почти на одной ли-

нии, так что их суммарное гравитационное воздействие увеличивает

объем перемещаемой океанской воды.

Если отделить поднявшуюся на максимальную высоту во время

прилива воду от моря дамбой или плотиной, и затем спускать ее через

турбины во время отлива — можно вырабатывать электроэнергию.

Упражнение

При площади водного бассейна 5=

км

, высоте прилива 2 м, полусу-

точном периоде колебания /=

мин определите среднюю мощность

электростанции.

Возможность использовать энергию приливов была реализована

во Франции и в России (на Белом море). В 1968 г. компания

«Electricite de France» закончила сооружение приливной электростан-

ции на реке Ране, впадающей в Атлантический океан. Ране подверга-

ется воздействию высоких приливов— до 13,5 м, это относительно

узкая река, и, когда прилив движется вверх и вниз в ее берегах, вода

перемещается с большой скоростью. На реке была построена плотина

длиной 0,8 км для задержки вод высокого прилива (рис. 5.3). Когда

приливные воды отступают, задержанная плотиной вода выпускается

в океан через грушевидные турбины под плотиной, и вырабатывается

электроэнергия. На станции «Ла-Ранс» энергия вырабатывается как

при отливе, так и при приливе.

Во время прилива

вода оказывается перед

закрытыми затворами, и

уровень со стороны моря

превышает уровень на

стороне плотины, обра-

щенной к суше. После

достижения определен-

ного перепада уровней

отрывается ряд донных

затворов, и вода дви-

жется вверх по реке,

проходя через турбины,

при этом вырабатыва-

ется электричество. За-

творы закрывают тогда,

когда прилив достигает

наивысшего уровня, а

затем, по мере отлива,

воде,

запертой за плоти-

ной, позволяют стекать к

морю через турбины.

Таким образом, энергия

Рис. 5.3. Схема работы приливной

электростанции

вырабатывается при движении воды в обе стороны. Электростанция

«Ла-Ранс» располагает 24 отдельными грушевидными турбоагрега-

тами суммарной мощностью 320 МВт, способными перехватывать

около 25 % потенциальной энергии прилива. Турбины и плотина

расположены примерно в 4,8 км выше устья и таким образом защи-

щены от разрушительного действия открытого моря. В последней

фазе прилива разница в уровнях воды в резервуаре за плотиной и в

океане может составлять всего 2 м. В это время электроэнергия из

какого-либо другого источника может быть использована для пере-

качивания океанской воды (с помощью турбин) в приливной бас-

сейн. Вода накачивается на небольшую высоту, поэтому не требует-

ся много энергии. Когда приливная волна отступает, эта дополни-

тельная вода падает с высоты 6—10 м, вырабатывая гораздо больше

электроэнергии, чем ее было затрачено. Та же идея реализуется при

отливе, но только в этом случае вода откачивается из приливного

бассейна в океан. При этом уровень воды в бассейне падает ниже

уровня воды в океане, и поступающая приливная вода проходит

большую дистанцию.

Из-за огромной стоимости подобных сооружений правительства

не расположены вкладывать средства в проекты с использованием

приливной энергии. Проект «Ла-Ранс» стоил в 2,5 раза больше реч-

ной ГЭС с такой же средней выработкой энергии, прежде всего из-за

дополнительной установки защитных перемычек перед станцией и

за ней. Но как только первоначальные инвестиции сделаны, выра-

ботка энергии уже не требует никакого топлива. Необходимо только

техническое обслуживание системы, и поэтому стоимость энергии

остается низкой.

Места, где можно использовать приливы для выработки элек-

троэнергии, имеются во всем мире. Некоторые из наиболее перспек-

тивных перечислены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Приливные ресурсы в некоторых регионах

Регион

Средняя разница между

уровнями прилива

и отлива, м

Средняя возможная

выработка электроэнер-

гии,

МВт

Северн, Англия

9,8

1680

Мон-Сен-Мишель,

Франция

8,4

9700

Белое море, Россия

5,7

14400

Мезень, Россия

6,6

1370

Пассамакводи, США

5,5

1800

Кобскук, США

5,5

722

Анаполис, Канада 6,4 765

Камберлен, Канада

10,1 1680

Петиткодиак, Канада

10,7

794

Помимо высокой стоимости сооружения электростанции, в ис-

пользовании приливной энергии есть и другие отрицательные сто-

роны. Если приливная электростанция находится далеко от бли-

жайшего крупного центра использования энергии, потребуются

длинные и дорогие линии электропередачи.

Кроме того, выработка приливной энергии непостоянна — под-

нимается и падает дважды в сутки в соответствии с двумя прилив-

ными циклами. Это означает, что выработка энергии другими элек-

тростанциями данной системы должна снижаться, когда темп при-

ливной выработки достигает максимума, и возрастать, когда он па-

дает. Фактически энергия от приливной электростанции достаточно

регулярно замещает энергию, вырабатываемую с помощью других

средств.

Экология эксплуатации приливных станции

Можно отметить следующие основные факторы воздействия

приливных электростанций на окружающую среду:

Периодическое затопление прибрежных территорий, изме-

нение землепользования в районе ПЭС, флоры и фауны акватории.

Эрозия побережья, смена движения прибрежных наносов.

Изменение сложившихся судоходных путей вдоль берегов.

Возможное воздействие приливных электростанций на ок-

ружающую среду связано, в частности, с увеличением амплитуды

приливов на океанской стороне плотины. Это может привести к за-

топлению суши и сооружений при высоких приливах или во время

штормов и к проникновению соленой воды в устья рек и подземные

водоносные слои.

Водные организмы в приливной зоне могут пострадать в ре-

зультате изменения уровня воды и усилившихся течений. Кроме то-

го,

для них небезопасно прохождение через турбины.

6. Атомная энергия

Высвобождение ядерной энергии происходит совсем не так, как

при сжигании топлива или в других химических реакциях. Атомы в

этих процессах остаются неизменными и лишь перегруппировыва-

ются, образуя различные соединения; в ядерных же реакциях меня-

ются сами атомы. Входящие в состав ядер нуклоны (протоны и ней-

троны) находятся в связанном состоянии, что изменяет их массу

(энергию) на некоторую величину, называемую дефектом масс. По-

этому слияние легких ядер в новое более тяжелое или получение

двух более легких ядер из одного тяжелого всегда сопровождаются

изменением внутриядерной энергии. Существует два способа полу-

чения энергии в ядерных процессах: цепные реакции деления и

ядерный синтез.

Энергия, выделяющаяся при реакции, может быть вычислена из

соотношения Эйнштейна

АЕ = Атс

, (6.1)

где Am — разница масс исходных веществ и продуктов реакции (де-

фект масс), с — скорость света.

Синтез легких ядер

При ядерном синтезе два легких ядра соединяются в одно тяже-

лое ядро другого элемента. При этом суммарная масса продуктов

меньше, чем исходных. Синтезу ядер препятствуют быстро увели-

чивающиеся при их сближении силы кулоновского отталкивания,

поэтому исходным ядрам требуется сообщить значительную на-

чальную энергию. В этих реакциях выделяется больше энергии на

единицу массы реагентов, чем в реакциях деления. Рассмотрим те

реакции синтеза легких ядер, реализация которых наиболее доступ-

на в обозримом будущем.

Водород имеет три изотопа, которые получили собственные

имена: это протий (*Н), дейтерий (

D — протон и нейтрон) и тритий

(

Т — протон и два нейтрона). Первые два изотопа стабильны и со-

держатся в природной воде, тритий получают искусственно в ядер-

ных реакциях. При энергиях свыше 1 кэВ (температура 11,6

К)

идет реакция

D + T = He +

+ (17,59 МэВ или 2,8 • 10

Дж).

Синтез при более высоких энергиях — свыше 10 кэВ (темпе-

ратура 116* 10

К)— может быть осуществлен с использованием

действия в следующей цепочке реакций:

D + D = Т + Н; D + T =

+n;

D + D =

+ w; D +

Не

+ Н.

Синтез легких ядер (тритий плюс дейтерий) был впервые осу-

ществлен в ядерной бомбе. Энергия, полученная от взрывного деле-

ния тяжелых ядер, создавала условия для реакции синтеза. Получить

управляемый термоядерный синтез для целей энергетики оказалось

значительно труднее, чем управляемую реакцию деления. Управ-

ляемая реакция синтеза может быть осуществлена, когда использу-

ется магнитное или инерциальное удержание плазмы. Именно по

магнитному удержанию плазмы проведено больше всего исследова-

ний.

Для облучения мишени из дейтерий-тритиевой смеси можно

также использовать лучи лазера или потоки ионов, для чего необхо-

димо иметь лазерную установку большой единичной мощности в

луче или ускоритель большой единичной мощности в потоке ионов

высокой энергии. И лазерная, и ускорительная установки должны

стабильно работать сотни часов. В настоящее время таких лазерных

установок и ускорителей пока нет.

Реакции деления

Реакция деления ядра атома проходит при бомбардировке ней-

тронами ядер урана, тория, плутония и некоторых других тяжелых

элементов. В процессе реакции ядро распадается на два сравнитель-

но крупных осколка. Реакция сопровождается выделением большого

количества тепловой энергии, нейтронов и гамма-квантов. Продукты

деления (осколки) обычно в свою очередь радиоактивны и, поэтапно

распадаясь, превращаются в стабильные атомы.

В отличие от ядер урана-238, ядра урана-235 легко распадаются

при взаимодействии с так называемыми тепловыми нейтронами, то

есть с медленными нейтронами, скорость которых составляет около

2,2 км/с. Распадаясь, ядро урана-235 помимо энергии высвобождает

2 или 3 нейтрона. Если один из них столкнется с другим атомом

урана-235,

тот также может расщепиться, высвободив дополнитель-

ные энергию и нейтроны, которые продолжают процесс. Это так на-

зываемый принцип домино, или цепная реакция. В природном уране

цепной реакции не происходит, поскольку атомы урана-235 состав-

ляют менее 1 %. Кроме того, образующиеся при распаде нейтроны

слишком медленны для распада ядер урана-238, которые просто за-

хватывают их. Для осуществления цепной реакции необходима не-

которая минимальная масса, называемая критической; для урана-235

она составляет около 23 кг (сфера диаметром 13 см). Для плутония-

239 критическая масса — 5,6 кг. В ядерных боеголовках небольшие

количества практически чистого урана-235 или другого аналогично-

го материала отделены друг от друга. Если их соединить, произой-

дет взрыв в результате мгновенной цепной реакции.

Чтобы получить ядерное топливо, добытую урановую руду

очищают и обогащают. Самая известная из урановых руд — урано-

вая смолка, на 95 % состоящая из оксида урана. Чистый природный

уран непригоден для использования на атомных электростанциях,

поскольку содержит только 0,7 % урана-235, а остальное составляет

уран-238.

Обогащение означает разделение смеси изотопов урана с

получением материала, в котором концентрация урана-235 повыше-

на до 3 %. Поскольку изотопы химически идентичны, оно основано

на некоторой разнице их массы. Первый промышленный процесс

обогащения связан с газовой диффузией. Сначала уран с помощью

фтора превращают в газообразный гексафторид урана UF

; для раз-

деления этого газа есть несколько способов: 1) газ пропускают с вы-