Як працює атомна електростанція?

На базовому рівні ядерна енергетика – це практика розщеплення атомів для кип’ятіння води, обертання турбін і виробництва електроенергії.

Ілюстрація: нейтрон бомбардує атом урану, вивільняючи більше нейтронів і запускаючи ланцюгову реакцію./ Photo: https://chem.libretexts.org/

Під час поділу нейтрон бомбардує атом урану, вивільняючи більше нейтронів і запускаючи ланцюгову реакцію.

Принципи ядерної енергетики

Атоми побудовані як мініатюрні сонячні системи. У центрі атома знаходиться ядро; навколо нього обертаються електрони.

Ядро складається з протонів і нейтронів, дуже щільно упакованих разом. Водень, найлегший елемент, має один протон; найважчий природний елемент, уран, має 92 протони.

Ядро атома утримується разом з великою силою, “найсильнішою силою в природі”. При бомбардуванні нейтронами воно може розділитися на частини – процес, який називається поділом. Оскільки атоми урану дуже великі, атомна сила, яка зв’язує їх разом, відносно слабка, що робить уран придатним для поділу.

На атомних електростанціях нейтрони стикаються з атомами урану, розщеплюючи їх. Це розщеплення вивільняє нейтрони з урану, які, в свою чергу, стикаються з іншими атомами, викликаючи ланцюгову реакцію. Ця ланцюгова реакція контролюється за допомогою “стрижнів управління”, які поглинають нейтрони.

В активній зоні ядерних реакторів поділ атомів урану вивільняє енергію, яка нагріває воду приблизно до 520 градусів за Фаренгейтом. Ця гаряча вода потім використовується для обертання турбін, які з’єднані з генераторами, що виробляють електроенергію.

Видобуток і переробка ядерного палива

Уран є одним з найменш поширених мінералів – його вміст у земній корі становить лише дві частини на мільйон, але завдяки своїй радіоактивності він є багатим джерелом енергії. Один кілограм урану містить стільки ж енергії, скільки три мільйони кілограмів вугілля.

Радіоактивні елементи поступово розпадаються, втрачаючи свою радіоактивність. Час, необхідний для втрати половини радіоактивності, називається “періодом напіврозпаду”. U-238, найпоширеніша форма урану, має період напіврозпаду 4,5 мільярда років.

Уран міститься в багатьох геологічних формаціях, а також у морській воді. Однак для того, щоб його можна було видобувати як паливо, він має бути достатньо концентрованим і становити щонайменше сто частин на мільйон (0,01 відсотка) породи, в якій він знаходиться.

Процес видобутку схожий на видобуток вугілля, з використанням як відкритих, так і підземних шахт. Він спричиняє подібний вплив на довкілля, з додатковою небезпекою, що хвости уранових шахт є радіоактивними. Ґрунтові води можуть бути забруднені не лише важкими металами, присутніми у шахтних відходах, але й слідами радіоактивного урану, які все ще залишаються у відходах. Половина людей, зайнятих в урановидобувній промисловості, працюють над очищенням шахт після використання.

Уран існує у двох формах – U-235 та U-238. У природі уран більш ніж на 99 відсотків складається з U-238; на жаль, саме U-235 використовується на електростанціях. U-238 також може бути перероблений на плутоній, який також розщеплюється.

Після видобутку уранова руда відправляється на переробний завод для концентрації в корисне паливо. Після цього уранова руда перетворюється на U3O8, паливну форму урану, і формується у вигляді невеликих таблеток.

Потім пелети упаковують у стрижні довжиною 3 метра, які називаються паливними стрижнями. Стрижні зв’язуються разом у паливні збірки, готові до використання в активній зоні реактора.

Як працює атомна єлектростанція: ядерні реактори

Існують переважно 2 типи реакторів: реактори з водою під тиском (PWR), а решта – реактори з киплячою водою (BWR). У реакторі з киплячою водою, зображеному вище, вода закипає і перетворюється на пару, яка потім пропускається через турбіну для виробництва електроенергії.

Як працює атомна електростанція: Реактори з водою під тиском (PWR) / Photo: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/pressurized-water-reactor

У реакторах з водою під тиском вода в активній зоні знаходиться під тиском і не допускається до кипіння. Тепло передається воді за межами активної зони за допомогою теплообмінника (який також називають парогенератором), в результаті чого вода закипає, утворюючи пару і приводячи в дію турбіну. У реакторах з водою під тиском вода, яка кип’ятиться, відокремлена від процесу поділу, і тому не стає радіоактивною.

Як працює атомна електростанція: Реактори з киплячою водою (BWR) / Photo: https://www.euronuclear.org/glossary/boiling-water-reactor/

Після того, як пара використовується для живлення турбіни, її охолоджують, щоб вона знову сконденсувалася у воду. Деякі станції використовують воду з річок, озер або океану для охолодження пари, тоді як інші використовують високі градирні.

Градирні у формі пісочного годинника – звична пам’ятка багатьох атомних станцій. На кожну одиницю електроенергії, виробленої атомною електростанцією, в навколишнє середовище викидається близько двох одиниць відпрацьованого тепла.

Комерційні атомні електростанції варіюються в розмірах від близько 60 мегават для першого покоління станцій на початку 1960-х років до понад 1000 мегават. Багато станцій містять більше одного реактора.

Деякі конструкції реакторів використовують інші теплоносії, окрім води, для відведення тепла поділу від активної зони. Канадські реактори використовують воду, збагачену дейтерієм (так звану “важку воду”), в той час як інші охолоджуються газом.

На одній станції в Колорадо, яка зараз назавжди зупинена, в якості теплоносія використовувався газ гелій (так званий високотемпературний реактор з газовим охолодженням). Кілька станцій використовують рідкий метал або натрій.

Ядерні відходи

Ми дізналися як працює атомна електростанція, але що робити з ядерними відходами?

До середини 1970-х років відпрацьований уран планували переробляти на нове паливо.

Оскільки побічним продуктом переробки є плутоній, який може бути використаний для створення ядерної зброї, та те, що переробці також було важко економічно конкурувати з новим урановим паливом зупинило ці плани.

В багатьох країнах існують місця захоронення ядерних відходів.

Тим часом, радіоактивні відходи зберігаються на атомних станціях, де вони виробляються. Найпоширеніший варіант – зберігати їх у басейнах витримки відпрацьованого ядерного палива, великих резервуарах зі сталевою обшивкою, які використовують електрику для циркуляції води. Коли ці басейни заповнюються, деякі паливні стрижні перевантажують у великі сталеві та бетонні контейнери, які вважаються безпечнішими.

Крім відпрацьованого палива, самі станції містять радіоактивні відходи, які необхідно утилізувати після їх закриття. АЕС можуть бути розібрані негайно або зберігатися протягом декількох років, щоб дати час радіації зменшитися. Більша частина станції вважається “низькоактивними відходами” і може зберігатися в менш безпечних місцях.

Розвиток ядерної енергетики

Принципи ядерної енергетики були сформульовані фізиками на початку 20-го століття. У 1939 році німецькі вчені відкрили процес поділу ядра, що спричинило змагання з американськими вченими у використанні неймовірної сили поділу для створення бомби.

Завдяки інтенсивним зусиллям Манхеттенського проекту атомна бомба була створена до 1945 року і використана для знищення Хіросіми та Нагасакі наприкінці Другої світової війни.

Після війни “велика атомна сила” розглядалася як потенційне нове джерело енергії.

Наприкінці 1950-х років ядерна енергетика почала розвиватися для комерційного виробництва електроенергії, спочатку в Англії. Морріс, штат Іллінойс, був місцем розташування першого комерційного реактора в США, Дрезденської АЕС, яка почала працювати в 1960 році. Завод у Шипінгпорті, штат Пенсильванія, став до ладу в 1957 році, але не був комерційним.

Падіння популярності ядерної енергетики на прикладі США

Після того, як виробники почали зазнавати збитків, вони припинили пропонувати станції “під ключ”. До 1970-х років було побудовано, будувалося або планувалося близько 200 станцій. Але низка факторів змовилися, щоб покласти край ядерному буму.

По-перше, перевитрати виявили справжню вартість атомних станцій. Як тільки комунальні підприємства почали будувати станції за власними проектами, відсутність досвіду роботи з технологією, використання унікальних проектів для кожної станції та підхід “будувати, очікуючи на проект” призвели до величезних перевитрат коштів.

Оскільки будівництво тривало роками, комунальні підприємства опинилися з величезними сумами грошей, інвестованими в станцію ще до того, як вона розпочинала роботу.

По-друге, ціни на енергоносії швидко зростали в 1970-х роках через нафтове ембарго ОПЕК, трудові проблеми у вугільній промисловості та дефіцит природного газу. Ці високі ціни призвели до підвищення енергоефективності та зниження попиту на енергію.

Після багатьох років щорічного зростання попиту на електроенергію на 7%, наприкінці 1970-х років річний приріст впав до 2%. Оскільки атомні електростанції були великими, часто понад 1000 МВт кожна, сповільнення зростання попиту означало їх недовикористання, що ще більше посилювало боргове навантаження на комунальні підприємства.

По-третє, підвищення цін на енергоносії спричинило зростання інфляції. Висока інфляція означає високі кредитні ставки. Комунальні підприємства, що загрузли в боргах перед атомними станціями, побачили, що відсоткові ставки зросли, і були змушені підвищити ціни на електроенергію.

Державні комісії з питань комунальних послуг, які в епоху зниження тарифів приділяли мало уваги фінансам комунальних підприємств, несподівано зацікавилися рішеннями комунальних підприємств щодо інвестицій в електростанції.

По-четверте, комісії з комунальних послуг були менш схильні перекладати всі інвестиційні витрати на платників комунальних послуг. У Нью-Йорку комісія постановила, що чверть витрат на атомну електростанцію Шорхем не була понесена “обачно”, і змусила акціонерів комунальних підприємств зазнати збитків у розмірі 1,35 мільярда доларів. Інвестори швидко стали з обережністю ставитися до ризикованих і великих інвестицій в атомну енергетику.

По-п’яте, громадська опозиція атомним станціям набрала обертів у 1970-х роках. АЕС були в центрі інтенсивних антиядерних протестів. Втручаючись у рішення щодо вибору місця розташування та ліцензування, антиядерні групи, державні та місцеві органи влади змогли заблокувати або відтермінувати будівництво станцій.

У 1979 році розплавлення активної зони реактора на атомній електростанції Три-Майл-Айленд стало лише останньою з низки проблем для галузі. Ретельніший контроль з боку Комісії з ядерного регулювання змусив будівельників АЕС змінювати проекти посеред будівництва.

Хоча прихильники ядерної енергетики звинувачують державне регулювання в негараздах галузі, федеральний уряд був її найсильнішим союзником. Лише після Три-Майл-Айленду “сторожовий пес” був готовий виконати свій обов’язок.

У 1980-х роках ядерна промисловість опинилася в серйозній скруті. Після 1978 року не було замовлено жодної нової станції, а всі замовлення, зроблені з 1973 року, згодом були скасовані. Журнал “Форбс” повідомляв у 1985 році, що вибірка з 35 станцій, які тоді будувалися, коштуватиме в шість-вісім разів дорожче від початкового кошторису, а будівництво займе вдвічі більше часу, ніж планувалося, – від шести років до дванадцяти.

Вони назвали атомну енергетику “найбільшою управлінською катастрофою в історії бізнесу”. Зрештою, між 1972 і 1990 роками було скасовано 120 станцій – більше, ніж було побудовано.

Структура електрогенерації в Україні та її зв’язок із тарифами на електроенергію

Як структура електроегенерації впливає на ціну на електроенергію та тарифи на електроенергію для підприємств та юридичних осіб 2021. Детальніше в статті від ТЕК. Підпишіться на нас у соціальних мережах

Структура електрогенерації в Україні та її зв’язок із тарифами на електроенергію

Розглянемо структуру генерації електричної енергії в Україні.

Об’єднана енергетична система України (ОЕС) – це сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, що працюють в загальному режимі виробництва, передачі і розподілу електричної і теплової енергії. В ОЕС України паралельно працюють атомні (АЕС), теплові (ТЕС) та гідроелектростанції (ГЕС), теплоелектроцентралі (ТЕЦ), а також електростанції, які працюють на альтернативних (відновлювальних) джерелах електроенергії (ВДЕ) (сонячні, вітрові, біо та інші). Всі вони об’єднані магістральними електричними мережами.

Щодо частки кожної складової в загальній структурі генерації електроенергії в Україні, то:

• Атомні електростанції (АЕС) складають 51%, вони працюють рівномірним графіком і створюють енергетичну базу протягом всієї доби. АЕС дуже повільно нарощують або зменшують потужність, тому різкі маневри просто небезпечні. Внаслідок цього атомні електростанції не можуть збільшувати виробництво під час вечірніх піків і зменшувати його вночі, коли настає “нічний провал” у споживанні електроенергії.
• Теплоелектростанції (ТЕС) – 27%, найчастіше це маневрові потужності з швидким реагуванням на зміни споживання, найчастіше такі станції працюють на спалюванні вугілля, газу або мазуту.
• Теплоелектроцентралі (ТЕЦ) – 9%, станції такого типу виробляють не тільки електричну енергію, а й теплову. Найчастіше вона використовується у містах для гарячого водопостачання та опалення.
• Гідроелектростанції та Гідроакумулючі електростанції (ГЕС/ГАЕС) – 5%, станції такого типу найчастіше використовуються для покривання пікового споживання в енергосистемі країни. Зазвичай ГАЕС закачують воду вночі, коли споживання мінімальне та є надлишок електроенергії, а скидають в години пікового попиту — в ранкові та вечірні години. Вони також є резервом, який може швидко компенсувати раптовий дефіцит потужності в енергосистемі.
• Сонячні електростанції (СЕС) – 5%, екологічно чиста генерація електроенергії, що здійснюється завдяки сонячному світу.
• Вітрові електростанції (ВЕС) – 2%, також екологічно чиста генерація, яка використовує енергію вітру для генерації електроенергії.
• Біостанції – 1%, для генерації електричної енергії дані станції використовують біологічні відходи з виробництв та біогаз. Особливістю “зеленої” генерації є повна залежність від погодних умов та сезонність її генерування.

Щодо кількісного представлення виробників електроенергії в Україні: 4 атомні електростанції; 15 теплоелектростанцій, 2 з яких залишились на непідконтрольній території; 43 ТЕЦ, 10 з яких знаходяться на непідконтрольній території; основу гідроенергетики України становить каскад з 6 великих ГЕС на Дніпрі, а також Ташлицька ГАЕС на річці Південний Буг. Всього функціонує 8 ГЕС та 3 ГАЕС.

Найбільша українська СЕС встановлена в Нікопольському районі Дніпровської області і вона є другою за потужністю СЕС в Європі, а найбільша українська ВЕС знаходиться в Запорізькій області.

На сьогодні в Україні найдешевша електроенергія – атомна та гідро, найдорожча – «зелена» – з сонця, вітру. В кінці 2008 року в нашій країні для стимулювання розвитку відновлювальної енергетики з боку держави був прийнятий “зелений тариф”. Згідно з ним електроенергія, отримана з альтернативних джерел, купується державою за тарифами, на порядок вищими за ринкову вартість. Така програма розрахована до 2030 року з поетапним зниженням вартості 1 кВт, а по її закінченню вартість зеленої електроенергії стане стандартною. Очікується, що у 2030 році частка виробництва електроенергії з відновлюваних джерел (включаючи великі гідроелектростанції) становитиме близько 25-30%.

Співвідношення джерел генерації та збалансованість енергосистеми надзвичайно важливі для енергетичної безпеки держави й мають гарантувати стабільне електропостачання країни за різних природних, техногенних, управлінських, соціально-економічних умов та зовнішньополітичних факторів.

Як же пов’язані між собою структура електрогенерації та тарифи на електроенергію для підприємств та побутових споживачів?

Централізоване управління енергосистемою забезпечує Національна енергетична компанія «Укренерго». Режим роботи ОЕС визначається у відповідності з балансом виробництва і споживання електричної енергії, ремонтів електромереж і генеруючого обладнання. Обсяг електроенергії, яка потрапляє в енергосистему, має відповідати обсягу її споживання. Неможливо накопичити електроенергію, а потім продати споживачам. Має бути забезпечена безперервність одночасного процесу виробництва і споживання.
Отже, від чого залежить ціна на електроенергію:

1) Від інструментів балансування енергосистеми.
Протягом доби навантаження на енергосистему країни розподіляється нерівномірно. Вранці і ввечері – високе, а вночі – різко падає. Максимальне енергоспоживання припадає на ранкові години (7 – 10), коли починає працювати більшість підприємств, а також вечірні години (19-23), коли люди масово повертаються додому.
У той же час, українські електростанції виробляють електрику цілодобово, а такий режим споживання (піковий і знижений) створює для виробників електроенергії великі складнощі. Наприклад, ТЕС змушені щодня «запускати-зупиняти» близько 10 енергоблоків. Крім того, споживання вугілля, нафти і газу для виробництва електроенергії менше при рівномірному користуванні, а значить, допомагає економити цінні ресурси.
Одним і з способів управління попитом на споживання електричної потужності є перехід на тарифи, диференційовані за періодами часу, зокрема, на нічний тариф. Їх завдання – зменшувати навантаження на мережі в момент пікового використання. А економія для споживачів зумовлена дешевою «нічною» електроенергією.

2) Ціна електроенергії залежить від поточного стану структури електрогенерації. Якщо, наприклад, збільшується частка виробництва на теплових електростанціях, а частка дешевої атомної генерації зменшується, то ціна електроенергії може збільшуватись.

3) Ціна на електроенергію чутлива до сезонних коливань попиту та сезонних змін в структурі електробалансу країни.
Влітку усім виробникам електроенергії стає тісно на ринку, який обмежений рамками обсягу її споживання. Крім того, сонячні електростанції, яких в Україні побудовано багато, видають електроенергію тільки вдень. У той же час вітрових станцій або станцій на біогазі, які можуть генерувати електроенергію цілодобово явно недостатньо. Через такий дисбаланс виробництво «зеленої» електроенергії на добовому графіку виглядає так: рано вранці – виробництво мінімальне, вдень – максимальне, ввечері – знову мінімальне. Незбалансований розвиток «зелених» електростанцій в світі описують терміном «каліфорнійська качечка», що з’явився у 2012 році в Каліфорнії завдяки формі графіку для керованої генерації для покриття різниці між споживанням в енергосистемі та виробництвом некерованої генерації з ВДЕ. Обмежувати вироблення електроенергії на сонячних електростанціях в Україні немає сенсу, оскільки закон “Про ринок електроенергії” гарантує сонячним електростанціям, що вся їх електроенергія буде викуплена. Тому часто влітку для реагування на непрогнозовану генерацію СЕС/ВЕС застосовують примусове обмеження виробництва на АЕС, які дають дешеву електроенергію та задіюють ТЕС, які виробляють більш дорогу, ніж АЕС, електроенергію, але технічно дозволяють оперативно регулювати енергосистему.
Також, наприклад, коли дощова погода і в річках, на яких розташовані гідроелектростанції, дуже багато води, то компанія «Укргідроенерго» змушена скидати її, виробляючи електроенергію не тільки в період пікового споживання, коли потрібно балансувати енергосистему, а й в інший час доби. Це теж впливає на ціну електроенергії.

4) Українська енергосистема не працює ізольовано – більша її частина з’єднана міждержавними лініями електропередачі з енергосистемами країн-сусідів. Тому на ціну електроенергії на ринку також впливає експорт/імпорт електричної енергії, аварійна допомога (за необхідності) та технологічні перетоки з енергосистемами сусідніх держав, які неминуче виникають, щоб енергосистема України працювала безпечно і стабільно.

Отже, ціна на електроенергію в Україні суттєво залежіть від способів рішення технічних задач із балансування енергосистеми країни. А останній, на жаль, притаманні негнучкість та нестача високоманеврових і енергоакумулюючих потужностей.