Энергия
Энергия
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
1.1 ЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ
1.2 ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ
1.3 ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ
1.4 ИЗМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВЕ
1.5 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВО БУДУЩЕГО
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ И ЗАВТРА
2.1 СПРОС НА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ
2.2 СНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ
2.3 ТОПЛИВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СЕГОДНЯ
2.4 РЕСУРСЫ ДЛЯ БУДУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
2.5 ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
2.6 СРАВНЕНИЕ УГЛЯ И УРАНА
2.7 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Единственное использование неоружейного урана осуществляется лишь в
мощных ядерных реакторах. Во всем мире сегодня эксплуатируются более 1000
ядерных реакторов:
. Приблизительно 280 малых реакторов используются для научных
исследований и производства изотопов для медицины и промышленности.*
. Более 400 реакторов приводят в движение морские суда, главным образом,
атомные подводные лодки.
. Более 430 мощных реакторов используются для производства
электроэнергии.
|*Австралия имеет только один исследовательский действующий реактор, |
|который будет заменен в 2005 году. Канада имеет несколько малых |
|исследовательских реакторов в университетах и два малых реактора, |
|предназначенных для производства изотопов, которые находятся в стадии |
|строительства. |
Фактически весь уран, производимый сегодня, идет на производство
электроэнергии (хотя незначительное его количество используется для
создания радиоизотопов). Его использование в этих целях уже конкурирует с
углем и с природным газом.
Более чем за 40 последних лет ядерная энергия стала одним из главным
источников электроэнергии в мире. Сейчас вклад ядерной энергетики в мировое
производство электроэнергии составляет 16 процентов, что эквивалентно
полному производству электроэнергии "тринадцатью Автралиями" или "пятью
Канадами". Ядерная энергия может внести вклад и намного больший, особенно
если по экологическим соображениям она будет признана экономически более
выгодной и этически желательной. А Австралийский и Канадский уран будет
необходим для того, чтобы снабжать топливом часть этого мирового
производства электроэнергии.
Дебаты вокруг урана, ядерной энергетики и иных способов производства
электроэнергии говорят нам о том, что ни один из них не обходится без
некоторого риска или побочных эффектов
После первого издания этой книги в 1978 многие из оптимистических
прогнозов относительно альтернативных источников энергии оказались
совершенно нереалистичными (также как и некоторые прогнозы относительно
ядерной энергии). Однако, важно понять, что возвращение к действительности
не должно привести к их полному пренебрежению. Альтернативные источники
энергии должны и дальше исследоваться и применяться там, где они
соответствуют своему назначению. В особенности большой эффект может быть
достигнут при правильном согласовании расположения, масштаба и
термодинамических характеристик источников энергии со специфическими
энергетическими потребностям. Такие действия должны иметь более высокий
приоритет по сравнению с прямым увеличением производства "высокосортной"
электроэнергии в условиях, где требуется только "низкосортная" теплота..
Всякий раз, когда вопрос об использовании ядерной энергии возникает
вновь, появляются такие, кто желал бы поместить джина обратно в бутылку и
вернуться к эпохе "до ядерной невинности". Такие настроения становятся
преобладающими и в Австралии, потому что эта страна никогда не использовала
ядерную энергию. Австралия, вероятно, единственная развитая страна, в
которой, жители не получают никакой доли "ядерного электричества". Заметим,
что Франция вырабатывает 75 процентов всей электроэнергии только за счет
своей ядерной энергетики. Это самый крупный в мире экспортер
электроэнергии, получающий почти пять миллиардов долларов в год от такого
экспорта. По соседству - Италия, одна из индустриальных стран без каких-
либо работающих атомных электростанций. Это самый крупный в мире импортер
электроэнергии, большая часть которой поступает из Франции.
Весь Австралийский и Канадский уран продается исключительно на мирное
использование, преимущественно для производства электроэнергии. Ничего не
идет на изготовление оружия - это гарантированно международными мерами
безопасности.
И я надеюсь, что наши следующие поколения будут смотреть на ядерное
оружие скорее как на начальную "болезнь роста" ядерного века, чем как на
главную его характеристику (что было характерно для бронзового и железного
веков).
При написании этой книги были предприняты значительные усилия, чтобы
учесть все многообразие современной информации о производстве
электроэнергии с помощью ядерных установок. Приводимые в книге данные и
цифры являются общепризнанными, и обобщения не нарушают строгости нашего
исследования. Читатель не увидит на страницах многих из часто повторяемых
утверждений сторонников или противников ядерной энергетики. В книге мы не
будем обсуждать и социальные проблемы. Начиная с первого издания, намерение
авторов состояло в том, чтобы отойти от споров, от предвзятого подбора
аргументов, а представить только факты относительно энергетических
потребностей человечества и как они могут удовлетворяться, в том числе и
ядерной энергией. Текст был полностью проверен экспертами, которые несут
ответственность перед обществом за свой профессионализм. Четвертое издание
книги для школ и населения было подготовлено в рамках совместной
Австралийской и Канадской инициативы и это сотрудничество продолжается до
сих пор.
[pic]
Рисунок 1. Расход органического топлива
Мы не можем неограниченно использовать органическое топливо с таким темпом,
как мы делаем это сегодня.
Каждый способ производства и преобразования энергии оказывает влияние
на окружающую среду и несет определенные риски. Ядерная энергетика не
исключение, но ее влияние часто неправильно истолковывается, а риски
излишне завышаются. Ядерная энергия остается безопасным, доступным и
экономичным источником электроэнергии.
Настоящее 6-ое издание этой книги выходит в то время, когда нарастает
беспокойство за непрерывное загрязнение среды, усиливается недоверие к
науке и технике, "демонизируется" ядерная энергетика. Это беспокойство
обусловлено с одной стороны появляющимися доказательствами увеличения
глобальных температур, вызванных сжиганием органического топлива, а с
другой стороны - Чернобыльской катастрофой 1986 года. Во введении к первому
изданию этой книги в 1970-ых выражалось мнение, что, если большие усилия
направлять в обеспечение безопасности и эффективности коммерческой ядерной
энергетики, и, соответственно, меньшие в идеологические сражения с теми,
кто желал бы видеть мир без нее, мировое сообщество значительно выиграло бы
материально. После трагического опыта Чернобыля и последовавших
существенных изменений в оценке безопасности ядерных объектов, появившихся
сегодня возможностях рециркуляции оружейного урана для производства
электроэнергии, кажется, что сегодня мы наиболее близки к такому состоянию
дел.
Глава 1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
1.1 ЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ
1.2 ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ
1.3 ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ
1.4 ИЗМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВЕ
1.5 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВО БУДУЩЕГО
1.1 Энергия сегодня
Вся потребляемая энергия приходит к нам, в конечном счете, или от
солнца или из недр земли. Солнце согревает нашу планету, снабжает требуемым
светом и теплом растения для роста. В далеком прошлом солнце таким же
образом снабжало нашу планету энергией. Эта энергия преобразовывалась в
растения, поддерживала жизнь животных. Благодаря этому мы получаем сегодня
уголь, нефть и природный газа - так называемые органические топливные
ресурсы, от которых существенно зависит наша цивилизация.
Единственный альтернативный источник энергии не органического
происхождения, находящийся в земле, - это атомы некоторых элементов,
которые сформировались задолго до появления солнечной системы. Они
находятся сегодня в земной коре *.
|* Уран, содержащийся в земной коре, сформировался приблизительно 6.5 |
|миллиардов лет назад, и его концентрация в среднем составляет 0.14 %. |
|Теплота от радиоактивного распада этого урана сегодня управляет |
|процессами конвекции в земной коре. |
Количество энергии на единицу массы атома зависит от размера атома:
минимальное количество энергии на единицу массы содержится в атомах средних
размеров (таких как углерод и кислород), в то время как большее количество
содержится в малых атомах (таких как водород) или больших (таких как уран).
Энергия поэтому может быть получена либо путем соединения малых атомов в
атомы средних размеров (синтез), либо путем деления больших атомов на атомы
средних размеров (расщепление). Освоение человечеством энергии синтеза и
энергии расщепления является одним из наиболее важных достижений последнего
столетия.
Начиная с 1970-ых годов, было много написано о надвигающемся "мировом
энергетическом кризисе", который обычно связывают с кризисом
нефтедобывающей промышленности. Рисунок 1 во Введении очень наглядно
иллюстрирует важное значение сохранения ископаемых топливных ресурсов для
будущих поколений.
Хотя с 1970-ых годов и проводится политика сохранения природных
запасов сырой нефти, тем не менее, лет через 50 все ресурсы органического
топлива кроме угля будут исчерпаны. Уголь к тому времени займет ту же роль,
какую нефть занимает сегодня, особенно в качестве ценного химического
сырья.
Большое значение сохранения органических источников энергии очевидно
даже в областях, где пока их использование достаточно дешево. Постепенное
выравнивание энергетических потребностей в развитых странах за последнее
десятилетие является результатом увеличения производства энергии. Однако,
непрерывный рост энергетических запросов в развивающихся странах постоянно
увеличивает расход природных ресурсов планеты, несмотря на стремление к их
сохранению.
Многие люди в развивающихся странах стремятся к уровню жизни,
характерному для развитых стран. Осуществление этих надежд зависит от
доступности энергетических ресурсов. Рост населения земли от сегодняшнего
уровня в 6 миллиардов к прогнозируемому в 7.5 миллиардов в 2020 году
значительно увеличит потребности в энергии.
1.2 Потребности в энергии
Энергетические потребности индустриальных стран определяются тремя
основными факторами:
. Коммунальное хозяйство и торговля
. Промышленность и сельское хозяйство
. Транспорт
Во многих странах каждая из этих позиций составляет примерно одну
треть всех энергетических потребностей, хотя размер коммунального
потребления существенно зависит от климатических особенностей страны. В
Австралии, например, внутренние потребности относительно малы, а в Канаде
несколько больше из-за более холодного климата.
Более определенно можно говорить о специфических потребностях, если
учитывать следующие факторы:
. Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных
процессов вода с температурой до 110 °C.
. Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных
процессов вода с более высокой температурой (более чем 110 °C).
. Каковы потребности в освещении.
. Каково энергопотребление в производстве.
. Насколько развит общественный и частный транспорт.
Некоторые из них удовлетворяются поставками электрической энергии,
потребность в которой во всем мире постоянно растет (см. ниже раздел 2.1).
Таблица 1.
Производство электроэнергии
Тераватт часы (TВтч, или миллиард кВтч)
| |1987|1997|Темпы роста |
| | | |за последние |
| | | |десять лет |
|Все страны, входящие в "Организацию |6232|8839|42 % |
|экономического сотрудничества и развития" | | | |
|Все страны, не входящие в "Организацию |4368|5110|17 % |
|экономического сотрудничества и развития" | | | |
|Во всем мире |1060|1394|32 % |
| |0 |9 | |
|Страны, не входящие в "Организацию | | | |
|экономического сотрудничества и развития" | | | |
|Страны бывшего СССР |1660|1234|-17 % |
|Африка |280 |399 |42 % |
|Латинская Америка |542 |688 |27 % |
|Азия (исключая Китай) |613 |1053|72 % |
|Китай |497 |1163|134 % |
|Ближний Восток |197 |366 |86 % |
1.3 Производство энергии
Многообразие существующих сегодня источников энергии можно разбить на
три основные категории:
. Возобновляемые источники энергии: древесина и некоторые зерновые
культуры, пригодные для производства, например, этилового спирта или
метанола.
. Невозобновляемые источники энергии: уголь, газ и нефть (органические
топливные ресурсы), уран и торий (энергия расщепления), тритий и
дейтерия (энергия синтеза) *.
. Возобновляемые естественные источники энергии: солнечная теплота и
свет, энергия ветра, энергия океанских волн, энергия течения рек,
геотермальное тепло, океанские температурные градиенты.
|* Если дейтерий (тяжелый водород) будет когда-либо использован для |
|реализации устойчивой реакции синтеза, то большие количества этого |
|элемента, находящегося в морской воде, делают его практически |
|безграничным энергетическим ресурсом. Поэтому его можно классифицировать|
|как возобновляемый источник энергии (см. также 2.4). |
Эти основные энергоисточники позволяют получать следующие
энергоносители:
. Электроэнергия, которая может быть получена от многих основных
источников.
. Водород, который получают, главным образом, электролизом воды.
. Этиловые спирты, получаемые из древесины и других растительных
материалов.
. Бензин и газ, которые получают из нефти и угля.
На сегодняшний день важнейшее значение для человечества имеет
электроэнергия, хотя и водород имеет перспективы играть существенную роль в
будущем.
Многие энергетические потребности могут быть удовлетворены более чем
одним видом энергоносителя. Например, теплота может производиться либо с
помощью любого органического топлива, либо с помощью электроэнергии, либо с
помощью энергии солнца. Энергоноситель для транспорта (бензин, керосин и
проч.) может быть получен из нефти или газа. В будущем, возможно, водород
здесь займет главную роль.
Экономическая целесообразность подразумевает, что источники энергии
типа нефти и ее производных должны не использоваться там, где они могут
быть замещены более подходящим топливом.
Основные энергетические ресурсы Австралии и Канады показаны в Таблицах
2A и 2B. Австралия имеет большие природные запасы угля и урана, и намного
меньшие нефти и газа. Это находит свое отражение в торговле энергетическими
ресурсами. Обе страны импортируют нефть и экспортируют уголь и уран. Канада
имеет большие природные запасы урана, который составляет важную часть ее
экспорта, наряду с углем и газом.
Таблица 2A.
Энергетическое состояние Австралии*
(Петаджоули - 1015 Джоулей)
| |Экономические |Полный расход|Торговля |
| |ресурсы (ПДж) |1997-78 |1997-78 |
|Каменный уголь |1 323 000 |1 374 |4 617 |
| | | |(экспорт) |
|Бурый уголь |398 000 |630 |2 (экспорт в |
| | | |брикетах) |
|Нефть |15 650 |1 657 |421 (импорт) |
|Сжиженный нефтяной газ |4 611 |7 |148 (экспорт)|
|Природный газ |53 040 |860 |412 (экспорт)|
|Уран (для легко-водных |444 000 |- |3 015 |
|реакторов) | | |(экспорт) |
|Гидроэлектроэнергия | |56 | |
|Древесина и прочее | |226 | |
| |Всего |4 810 |8 615 |
| | | |(экспорт) |
|* Таблица не включает большое количество солнечной энергии, используемой|
|внутри страны. Например, Австралийская солевая промышленность использует|
|приблизительно 1000 ПДж в год на производство соли естественным |
|испарением воды, что составляет, примерно, 2/3 всей энергии, |
|вырабатываемой в стране с помощью нефти. |
Таблица 2B.
Энергетическое состояние Канады*
(Петаджоули - 1015 Джоулей)
| |Экономические |Полный расход|Торговля |
| |ресурсы (ПДж) |1998 |1998 |
|Уголь: антрацит и |120 000 | |517 |
|битуминозный | | |(экспорт) |
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|