Взаимодействие ТЭС с окружающей средой.

В Украине действуют следующие ТЄС: Углегорская (Донецкая обл.), Запорожская (Запорожская обл.), Криворожская (Днепропетровская обл.), Буршнынская (Тернопольская обл.), Змиевская (Харьковская обл.).

Для сооружения крупной ТЭС необходима площадь 2-3 км. С учетом золо- и шлакоотвалов и водохранилищ-охладителей эта величина возрастает до 3-4 кв.км. На этой территории экологическое равновесие нарушается. Крупные градирни в системе охлаждения существенно увлажняют микроклимат в районе станции, способствуют образованию низкой облачности, туманов, моросящих дождей, в зимнее время - инея и гололеда, распространяются бактерии, микроорганизмы (легионелла).

Энергетическое производство невозможно без потерь тепла. Эти потери сопровождают весь технологический цикл работы TSC и определяются КПД ТЭС, который выражается отношением полученной энергии к подведенной, равной произведению массы топлива на низшую теплоту его сгорания

TSC характеризуется КПД = 40%, хотя на практике эти значения равны 33-37%. Зная КПД ТЭС можно определить ее тепловую мощность

Wт = Wэл/0,01η

Тогда тепловые выбросы в окружающую среду

Wв = Wт – Wэл = Wэл/0,01η – Wэл = Wэл(3-1) = 2Wэл

Эти выбросы поступают в окружающую среду, в основном, на территории станции.

К основным взаимодействиям с окружающей средой относится потребление топлива, воды, кислорода воздуха, изменение ландшафта, а также поступлением многообразных отходов во все геосферы.

Основные показатели выбросов ТЭС мощностью 1000 МВт, работающих на различных топливах в течение года: (в тыс.т/год)

Ископаемое топливо извлекается из недр и после обогащения и переработки подается в топку парогенератора (ПГ). Для обеспечения сжигания топлива из атмосферы в топку подается воздух. Образующиеся продукты сгорания передают часть тепла рабочему телу энергетической установки, часть рассеивается в окружающей среде, а часть уносится с продуктами сгорания в дымовую трубу, а затем - в атмосферу. В зависимости от состава исходного топлива продукты сгорания содержат NOx, COx, SОx, CmHn, пары H2O и другие вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. Удаляемые из топки зола и шлак образую золошлакоотвалы на поверхности литосферы. В паропроводах от парогенератора к турбине (Т), да и в других частях оборудования происходит передача тепла ОС. В конденсаторе (К) рабочее тело отдает оставшееся тепло охлаждающей воде Преобразование механической работы в электроэнергию в электрогенераторе (Г) тоже сопровождается механическими и электрическими потерями, которые, в конечном счете, преобразуются в тепло, передаваемое атмосфере. Работа вращающихся механизмов, трансформаторов, связана с распространением в окружающей среде акустических воздействий, а работа подстанций, ЛЭП, связана с возбуждением электромагнитных полей и тепловыделениями в окружающую среду.

Эксплуатация современных ТЭС связана с образованием жидких отходов. К ним относятся:

- охлаждающие воды (от конденсаторов, насосов). Они несут тепловое загрязнение (минимальное отклонение темп. = 8˚ на входе и выходе из конденсатора), в количестве М(Н2О) = К·W = (IOO-I50)·W т/час, что составляет 70-90м3/сек. (W – мощность станции);

- СВ из системы гидрозолоудаления. рН таких вод 11-12, в них растворены соединения Р, Аs, У, канцерогенные вещества. Поэтому такие воды не сбрасывают, а после очистки используют повторно.

- отработанные растворы после химической очистки оборудования. Они очень разнообразны из-за большого количества применяемых промывочных растворов. Могут содержа минеральные кислоты; НС1, Н2S04, HF; органические - лимонная, щавелевая, муравьиная, уксусная; их смеси; комплексоны; ингибиторы корразии.

Воды охлаждения - особая группа, т.к. из конденсаторов турбин отводится от 50 до 75% всего тепла, получаемого при сжигании органического топлива. Поэтому с охлаждением конденсаторов связывают проблемы "теплового загрязнения" водоемов сбросными водами ТЭС. О количестве тепла, отводимого с охлаждающей водой, можно судить по тому, что их единичная мощность достигла 4000-6000 МВт. Средний расход охлаждающей воды и количество отводимого тепла, приходящиеся 1000 МВт установленной мощности составляют Зом3/сек и 1,25 МВт.

Нарушение естественного равновесия экосистем водоемов и водотоков при сбросе в них нагретой воды связывают как с самим фактом повышения температуры воды, так и с возможным уменьшением из-за этого концентрации растворенного кислорода. Для некоторых промысловых рыб пороговая (летальная) температура 37°, а для большинства водных организмов - от 25 до 35°. Общее использование воды ТЭС, использующий органическое топливо на 1 ГВт при минимальной разнице температур на входе и выходе из конденсатора в 8° составляет 32-43 м3/сек.

Одним из факторов воздействия угольных ТЭС на окружающую среду являются выбросы систем складирования, транспортировки, пылеприготовления и золоудаления. При транспортировке и складировании возможно не только пылевое загрязнение, но и выделение продуктов окисления топлива.

Все вышесказанное относится к установившимся режимам работы. Для определения суммарного воздействия станции на окружающую среду необходимо учитывать неравномерность энергопотребления, пусковые и переменные режимы работы при которых воздействие ТЭС на окружающую среду значительно возрастает. Например, для блока мощностью 300 МВт расход, топлива на один пуск из холодного состояния составляет около 200 тут. Эффективность использования тепла и количество выбросов значительно отличается от работы при установившихся режимах.

Т.к. в составе минеральной части большинства твердых топлив содержатся соединения К, изотоп которого ⁴⁰К радиоактивен, а также смесь изотопов урана и тория, можно придти к выводу, что летучая зола является источником загрязнения атмосферы радиоактивными элементами. Радиоактивность, обусловленная выбросом ⁴⁰К = 0,72Ки/год, а ²³⁸U = 2,4Ки/год, при этом считали, что в атмосферу попадает 1% золы топлива, а 99% идут в отвал, т.е. остальная часть радиоактивных элементов загрязняет литосферу в отвале. При этом нужно учитывать пыление эолоотвалов.

Радиоактивные выбросы ТЭС меньше установленных норм для активных веществ.

Ядерная энергетика

Сейчас большие надежды возлагают на ядерную энергетику. Она использует энергию, выделяющуюся в результате превращения атомных ядер.

Энергетически выгодны реакции синтеза легких ядер и деления тяжелых. В реакции синтеза ядер гелия из дейтерия

²Н + ²Н = ⁴Не

выделяется 17,6 Мэв на каждый акт синтеза, что дает энергию в 23,6 МВт/г сгоревшего дейтерия. Содержание дейтерия в природном водороде 0,015% и 4·10¹³т в гидросфере Земли. Запасы безграничны, но нет управляемого синтеза, есть взрывное протекание реакции в термоядерной (водородной) бомбе с инициированием реакции ядерным взрывом (Т ~ 10⁸ К). Исследования по управляемому термоядерному синтезу велись в установках "Токомак".

К делящимся тяжелым ядрам относятся природные изотопы ²³⁵U, ²³²Th и искусственные ²³³U, ²³⁹Рu и ²⁴¹Рu.

Единственный природный изотоп ²³⁵U делится под воздействием нейтронов любой энергии, называется первичным ядерным горючим, остальные изотопы - вторичное ядерное горючее.

Деление ядер урана сопровождается выделением около 200 Мэв в результате 1 реакции или 20 МВт/г горючего.

Первая АЭС построена и запущена в СССР в г.Обнинске мощностью 5МВт в 1954 году. Это АЭС на тепловых (медленных) нейтронах. Ее действие основано на реакции

²³⁵U + ¹n = ⁹⁰Sr + ¹⁴⁴Xe + 2¹n

или

²³⁵U + ¹n = ¹⁴⁰Ba + ⁹³Kr + 3¹n

В процессе деления образуются вторичные нейтроны, которые вступают в новые реакции, поддерживая протекание цепной реакции деления ядер. Образовавшиеся осколки неустойчивы и делятся сами до образования устойчивого ядра. Такие реакторы используют примерно 1,5% энергии топлива. При взаимодействии ядерного горючего с быстрыми нейтронами используется до 50% энергии топлива, при этом одновременно создается искусственное ядерное топливо. Первая АЭС на быстрых нейтронах построена в 1973 году в г.Шевченко на Мангышлаке. В таком реакторе топливо используется медленнее, чем производится новое топливо (²³⁹Pu или ²³³U) (такой реактор называется реактор-размножитель или бридер):

Для работы электростанции мощностью 1000МВт в течение 1 суток нужно 750 Т угля, 400 т нефти или 250 г ²³⁵U.