Использование атомной энергетики для решения проблем

Муниципальное Образовательное Учреждение «Средняя Общеобразовательная школа №58 с
углубленным изучением отдельных предметов»
Использование атомной энергетики для решения проблем
дефицита
пресной воды.
автор: Савеня Виолетта
ученица 10 «Б» класса
руководитель: Савеня Ольга Александровна
учитель биологии
Новоуральский городской округ 2011 г.
1
Содержание
Введение………………………………………………………………………3-4
1.1. Водный кризис и водный стресс…………………………………………5
1.2.Опреснение путем дисстиляции (перегонки)……………………………5
1.3.Опреснение воды методом обратного осмоса…………………………...5
2.1.Использование ядерной энергии для опреснительных установок…….5-6
2.2. Плавучие энергетические блоки…………………………………………6-7
2.3. Варианты плавучего энергоблока и опреснительных установок……..8-9
Заключение……………………………………………………………………..10
Список литературы……………………………………………………………..11
Ресурсы Интернет……………………………………………………………….12
Приложения……………………………………………………………………...13-30
2
Введение
Согласно данным ЮНЕСКО к 2050 году 7 миллиардов человек в 60 странах (по
пессимистическим прогнозам) или 2 миллиарда человек в 48 странах (по оптимистическим
прогнозам) столкнутся с проблемой нехватки воды. Пресная вода стремительно
превращается в дефицитный природный ресурс. За XX столетие ее потребление увеличилось
в 7 раз, тогда как население планеты выросло всего втрое. Не случайно 2003 год был
объявлен ООН Международным годом пресной воды. Недостаток пресной воды становится
ограничением на пути развития многих стран Азии и Северной Африки и периодически
приводит к вооруженным конфликтам за право обладания ресурсами. В свое время генсек
ООН Бутрос Бутрос-Гали предположил, что следующая война на Ближнем Востоке будет
уже из-за воды: по данным ООН, в этом регионе около 50 млн. человек не имеют
возможность потреблять качественно очищенную воду, еще 100 млн. чел – вообще не имеют
доступа к пресной воде. Нехватка пресной воды все больше ощущается даже в таких
странах, как Соединенные Штаты, где с ежегодным уровнем осадков дело обстоит совсем
неплохо. Во многих областях Соединенных Штатов потребность в пресной воде для
бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает ее имеющиеся запасы. В
таких странах, как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной
воды совершенно не соответствуют потребностям в ней, которые; возрастают в связи с
модернизацией хозяйства и приростом населения. В конце концов, все человечество
окажется перед необходимостью рассматривать океаны как источник воды. Растущий
дефицит пресной воды во многих регионах мера, отсутствие или недостаток ее в засушливых
и пустынных районах, богатых природными ресурсами и перспективных для освоения,
поставили перед мировым сообществом задачу искусственного производства пресной воды
из морской. Запасы морской воды в обозримом будущем практически не ограничены. Иначе
говоря, выход из ситуации заключается в опреснении и дальнейшем использовании морских
и грунтовых вод. На береговых территориях опреснение морской воды предлагает реальную
альтернативу решения проблемы водного дефицита. Опреснение морской воды уже стало
реальным и надежным промышленным процессом. В связи с этим к настоящему времени в
мире получили широкое распространение опреснительные установки различных типов, и все
они для своей работы требуют энергию в виде тепловой, механической или электрической.
Все эти виды энергии сегодня получают сжиганием органического топлива, т.е.
невозобновимых природных ресурсов - неэкономичны, неэкологичны. А в соответствии с
прогнозами мирового рынка, потребности в опреснении морской воды неуклонно
возрастают. Сегодня ядерное оружие представляет собой огромную опасность; в то же время
в этой сфере открывается исторический шанс. Для того, чтобы всей планетой перейти на
следующую ступень - ступень твердого всеобщего согласованного отказа от ядерного
оружия и предотвращения его попадания в опасные руки, а в перспективе и вовсе
исключения исходящей от него угрозы миру – использовать его только в мирных целях. И
один из вариантов мирного использование его для опреснения морской воды.
Поэтому, целевыми установками работы является: выявление
развития опреснения морской воды на атомных установках.
перспектив
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Изучить различные технологии опреснения морской воды и выявить проблемы их
использования.
3
2. Охарактеризовать способы опреснения морской воды на атомных установках.
3. Познакомиться с опытом опреснения морской воды в различных странах мира.
1.1.
Водный кризис и водный стресс.
В связи с крайней неравномерностью распределения водных ресурсов в мире и столь же
неравномерным развитием экономики значительная часть стран мира испытывает недостаток
воды. В современной науке о воде широко используются термины "водный стресс" и "водный
кризис". В соответствии с Всемирной программой оценки воды, водный стресс определяется
как ситуация нехватки воды удовлетворительного качества и количества для обеспечения
нужд людей и окружающей среды, а водный кризис - как текущий распространенный и
хронический недостаток безопасного и достаточного количества питьевой воды. Примерно
треть населения мира испытывает водный стресс. В качестве критерия стрессированности
региона принята удельная (на душу населения) водообеспеченность менее 1700куб.м в год.
Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питья и для большинства
других целей. Морская вода губительна для человека, пить её нельзя даже в крайних случаях.
Морская вода не утоляет жажду, а лишь ускоряет обезвоживание организма и тем самым
приближает его гибель. Снижение содержания солей в морской воде или солоноватых водах
до уровня, при котором вода становится пригодной к использованию, называется опреснением
воды
Сегодня наиболее распространены две технологии опреснения: многоступенчатый
процесс дистилляции, или паровой компрессии, и обратный осмос, который осуществляется
при помощи электрических насосов. Опреснение воды энергозатратно. Процесс обычно
сопровождается сжиганием полезных ископаемых. Это не выгодно не только экономически,
но и вредит экологии планеты из-за выброса больших объемов парниковых газов в атмосферу.
Большая часть таких заводов расположена на Ближнем Востоке; крупнейшие из них
производит более 400 тыс. куб.м. пресной воды в день.
1.2. ОПРЕСНЕНИЕ ПУТЕМ ДИСТИЛЛЯЦИИ (ПЕРЕГОНКИ)
Воду можно отделить от растворенных в ней солей дистилляцией (перегонкой). Этот процесс
основан на том принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются
нелетучими веществами. Принцип дистилляции довольно прост, но с его промышленным
использованием связано много проблем Одна из наиболее успешных попыток обойти ряд
таких трудностей привела к разработке процесса многостадийной флеш-дистилляции,
который схематически изображен и подробно рассказана на рис. 1. (приложения). На рис.
2 (приложения) показана большая промышленная установка по опреснению морской воды
методом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка способна вырабатывать
ежедневно около 9 миллионов литров пресной воды. Основная часть затрат при
осуществлении любого варианта процесса дистилляции связана с большими потребностями
в тепловой энергии. Для типичной установки многостадийной флеш-дистилляции стоимость
пара составляет приблизительно 40% от стоимости получаемой пресной воды. В связи с этим
предложено множество других способов опреснения воды, которые не связаны с
необходимостью ее испарения. В одном из способов пресную воду удаляют из морской воды
путем ее замораживания. При образовании льда из морской воды растворенные в ней соли не
попадают в него. Однако, процесс замораживания тоже требует затрат энергии. Таким
4
образом, мы пришли к выводу, что опреснение путем дистилляции (перегонки)
энергозатратно, т.е. неэффективно.
1.3. ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА
При опреснении воды методом обратного осмоса пресную воду отделяют от
растворенных в ней солей при помощи мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой
для солей. Если прикладываемое к рассолу давление превысит осмотическое, то вода будет
проходить через мембрану в обратном направлении, другими словами, пресная вода будет
выдавливаться из рассола через мембрану. Этот процесс, называемый обратным осмосом,
схематически показан на рис. 3. (приложения). При выявлении различных технологий
опреснения морской воды мы выявили некоторые проблемы:
- все они используют тепловую энергию, т.е. невозобновляемые природные ресурсы;
- все они энергозатратны;
- все они неэкологичны.
2.1.Ядерное опреснение.
В регионах, примыкающих к морям и океанам, возможно получение пресной воды из
морской с помощью опреснительных установок. Однако процесс опреснения морской воды
требует больших затрат тепловой или электрической энергии и поэтому весьма дорог и
неэкологичен. Ядерное опреснение на этом рынке может оказаться вполне
конкурентоспособным. Опыт применения атомной энергии для опреснения у нас уже есть на берегу Каспийского моря 30 лет работал завод по опреснению морской воды, энергию
для которого давала реакторная установка на быстрых нейронах БН-350 работавшая с 1972
года. Она производила до 135 МВт электричества и 80 тыс. куб. м питьевой воды в день на
протяжении 27 лет. Около 60% его мощности использовалось для генерирования тепла и
опреснения. Изначально проектная мощность завода составляла 1000 МВт, однако реальная
мощность никогда не превышала 750 МВт, что и обеспечило ему надежность и
долговечность по сравнению с другими заводами. Этот энергоопреснительный комплекс
(рис.4. приложения) снабжал город Шевченко (ныне Актау, Казахстан) электроэнергией и
питьевой водой, превратив его в цветущий город-сад среди безжизненной каменистой
пустыни. Ясно, что один из наиболее эффективных вариантов энергообеспечения
опреснения воды в использовании энергии атомного реактора. Целесообразность и
техническая осуществимость опреснения при помощи атомных установок была доказана в
течение многих лет практикуется на заводах в Индии и Японии. В Японии построено около
10 предприятий по опреснению воды, объединенных с водными энергетическими
реакторами и опресняющих 1 000-3 000 куб. м каждый день. Водаодновременноиспользуется
в охлаждающей системе реакторов. Индия включилась в исследования по опреснению
воды в начале 1970-х, а в 2002 году на юго-востоке страны была построена атомная
электростанция Madras с двумя атомными реакторами мощностью по 170 МВт. На
электростанции используются технологии обратного осмоса, и многоступенчатой очистки.
Первый процесс позволяет опреснить 1 800 куб.м воды в день, а технология
многоступенчатой очистки – до 4500 м3 в день. Более обширным опытом в сфере
опреснения обладают Россия, Восточная Европа и Канада. Атомные реакторы для
5
опреснения воды также используются в Корее, Испании, Великобритании, Китае, России,
Пакистане, Тунисе, Марокко, Египте, Алжире, Иране и Аргентине. Для опреснения
используются атомные реакторы малого и среднего размера. С их помощью в день может
опресняться 80-100 тыс. куб.м и 200-500 тыс. куб.м в день соответственно. По сравнению с
дистилляцией, этот способ обладает более выгодной ценой и имеет большой потенциал для
развития. Возможность распространения технологии ядерного опреснения зависит от
экономических факторов региона. Это направление считается одним из наиболее важных для
Международного агентства по атомной энергии (IAEA), которое проводит постоянный
мониторинг проблемы дефицита пресной воды в 20 странах по всему миру. Из всех видов
энергии, мы считаем наиболее выгодным применение энергии атомных ректоров.
Во-первых: Ядерное топливо является экологически наиболее чистой формой энергии
и, по мнению экспертов МАГАТЭ, использование ядерной энергии для крупных
опреснительных установок наиболее целесообразно и имеет ряд экономических
преимуществ.
Во – вторых: По этой причине МАГАТЭ в настоящее время уделяет серьезное
внимание развитию опреснительной техники и применению ядерной энергии для
удешевления производства пресной воды из морской. Целесообразность использования
ядерной энергии для опреснения признают и ведущие нефтедобывающие страны из
Арабского мира, где "стоимость галлона бензина дешевле галлона пресной воды".
На наш взгляд, перспективными в этой отрасли являются объекты малой атомной
энергетики.
В последние годы предлагаются проекты плавающих опреснительных установок. Это
либо буксируемые баржи, либо самоходное судно. Появляются предложения по созданию
атомных плавающих водоопреснительных станций - АПВС-40 разработки бывшего СССР и
двухцелевых опреснительных плавающих платформ с модульными высокотемпературными
реакторами совместной разработки ФРГ-США.
Что касается наших плавучих энергоблоков, то они вполне могут быть использованы в
качестве источников энергии для водоопреснительных станций. Такие проработки нами уже
делались, и они показали возможность создания атомных опреснительных станций, вполне
конкурентоспособных по стоимости и качеству получаемой пресной воды.
Мы считаем, что плавучий атомный энергоопреснительный комплекс является
мобильным и может обеспечивать несколько населенных пунктов на побережье, курсируя
по графику от одного пункта к другому, обеспечивая население необходимой водой. У
такого типа комплексов много преимуществ.
2.2. Плавучие энергетические блоки
Плавучие энергетические блоки на базе судовых реакторных установок
При производительности до 100 000 м3/сутки опресненной воды обеспечивается
возможность покрытия спроса по мощности единичного ПАЭОК в секторе > 70 % рынка.
Подобная производительность обеспечивается при тепловой мощности ядерного реактора от
40 до 200 МВт.
6
В целях проведения мониторинга Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и Детский
фонд ООН (ЮНИСЕФ) в Докладе об оценке водоснабжения и канализации в мире за 2000 г.
/ устанавливают норматив, определяющий приемлемый доступ к воде, — на уровне, как
минимум 20 литров воды на человека в день из улучшенного источника, расположенного в
пределах 1 километра от жилища пользователя.
Таким образом, по этим данным производительность в 100 000 м3/сутки может обеспечить
пресной водой 5 000 000 человек.
Преимущество плавучего исполнения
Создание ПАЭОК основывается на следующих основных положениях:
– топливоснабжение районов с децентрализованным энергоснабжением и дефицитом
пресной воды (неважно, идет речь о районах Крайнего Севера РФ или о пустынных районах
Африки) является одной из самых сложных проблем. Топливные ресурсы на территории
такого региона, как правило, отсутствуют и необходим их завоз из отдаленных районов, что
иногда является неразрешимой и экономически невыгодной задачей. Использование атомной
энергии в такой ситуации является, по сути, единственным выходом;
– строительство наземных объектов с источниками атомной энергии также является
сложной задачей, так как доставка в малодоступную область большого количества
строительных материалов и организация строительства с достаточно высоким качеством,
свойственным для атомной энергетики, нереальна. Например, доставка атомного топлива для
Билибинской АТЭЦ в виде тепловыделяющих сборок, загруженных в специальные
транспортные контейнеры, производится перевозкой специальными авиарейсами в аэропорт
Кепервеем, откуда автотранспортом доставляется на АТЭЦ. В данном случае выходом
является использование атомной энергии на плавучем сооружении;
– плавучий атомный энергоопреснительный комплекс в основной своей части
является плавучим сооружением, которое изготавливается на судостроительном
предприятии в промышленно развитой зоне и транспортируется на место базирования в
полностью готовом виде;
– использование плавучего атомного энергоопреснительного комплекса дает
возможность привлечь к его созданию в рамках конверсии развитую инфраструктуру
атомного судостроения России, а к эксплуатации - специализированные предприятия
судоремонта и суда атомно-технологического обслуживания.
Основными преимуществами ПАЭОК на базе плавучего энергетического блока по
сравнению с наземным вариантом строительства станции такой же мощности являются:
– сокращение сроков инвестиционного цикла и стоимости строительства по
сравнению с наземным вариантом сооружения станции такой же мощности за счет
минимальных объёмов строительно-монтажных работ;
– высокое
качество
изготовления
плавучего
энергоблока
в
условиях
судостроительного завода и сдача его "под ключ";
– возможность размещения станции в непосредственной близости от потребителя
энергии;
– вахтовый метод эксплуатации;
– простота снятия с эксплуатации – после вывода из эксплуатации плавучий
энергоблок буксируется на специализированное предприятие для утилизации.
7
2.3
Варианты плавучего энергоблока и опреснительных установок
В настоящей работе рассматривались варианты ПАЭОК двухцелевого назначения одновременное получение электроэнергии и пресной воды (дистиллята).
Схемы сопряжения ПЭБ и опреснительных установок в максимальной степени
удовлетворяют следующим требованиям:
– исключение попадания радионуклидов из РУ в опресненную воду;
– хорошая управляемость комплекса;
– минимальная стоимость энергоопреснительного комплекса.
Представлены следующие схемы сопряжения ПЭБ с опреснительными установками:
– с дистилляционными опреснительными установками посредством промежуточного
контура;
– с обратноосмотическими опреснительными установками – посредством
электрической связи без подогрева опресняемой морской воды в конденсаторе ПТУ.
Энергоопреснительные комплексы, работающие при отборе от конденсационных
турбин 50 Гкал/час.
Энергоопреснительный комплекс включает в себя РУ, конденсационную турбину,
конденсатор, подогреватель промконтура и дистилляционную опреснительную установку
(Рис.5. Приложение).
Достоинствами варианта являются:
– использование унифицированного ПЭБ ПАТЭС "Певек" с высоко эффективной
турбиной, работающей как в конденсационном, так и теплофикационном режимах (с
отбором до 50 Гкал/ч), для энергоопреснительного комплекса;
– возможность получения опресненной воды высокого качества (с остаточным
солесодержанием около 25 ррm (мг/л);
– возможность размещения энергоопреснительного комплекса на одной барже.
Вместе с тем, данную схему сопряжения невозможно использовать в одноцелевой
опреснительной станции с дистилляционными установками из-за ограниченного отбора пара
от турбины. Атомный плавучий энергоопреснительный комплекс с использованием
обратноосмотических опреснителей выглядит привлекательным и гибким решением,
позволяющим достичь оптимального соотношения по выработке, как пресной воды, так и
электроэнергии с целью удовлетворения конкретных потребностей пользователя.
Соотношение может меняться от максимального получения пресной воды до максимальной
величины производства электроэнергии. В состав ядерного энергоопреснительного
комплекса двухцелевого назначения входят два плавучих сооружения: плавучая атомная
электростанция и судно для производства пресной воды из морской методом обратного
осмоса Рис 6. (Приложение).
Вырабатываемая ПАЭС электроэнергия частично передается на судно, производящее
пресную воду, а ее избыток направляется для снабжения береговых потребителей. Данная
схема сопряжения РУ и RO установок способна производить до 120 тыс. т/сутки
опресненной воды и до 41,57 МВт электроэнергии одновременно, либо до 65,29 МВт
электроэнергии при неработающей опреснительной установке. Данная схема сопряжения
РУ и RO установок способна производить до 120 тыс. т/сутки опресненной воды и до 41,57
МВт электроэнергии одновременно, либо до 65,29 МВт электроэнергии при неработающей
опреснительной установке. Достоинством варианта является исключение радиоактивного
загрязнения опресненной воды.
8
Плавучие атомные энергоопреснительные комплексы
ПАЭОК на базе двухреакторного ПЭБ и дистилляционной опреснительной
установкой. Возможный генеральный план этого варианта ПАЭОК представлен на рисунке 7
(Приложение). Отличительной особенностью является использование тепла отборов
турбины не на теплофикацию, а на дистилляционную опреснительную установку, которая
расположена непосредственно на двух ПОБ. ПАЭОК на базе однореакторного ПЭБ и
дистилляционной опреснительной установкойтВозможный генеральный план этого варианта
ПАЭОК представлен на рис. 8 (Приложение). ПАЭОК на базе двухреакторного ПЭБ и
обратноосмотической опреснительной установкой без подогрева опресняемой морской воды.
Возможный генеральный план данного варианта ПАЭОК представлен на рис. 9
(Приложение). Варианты установок обратного осмоса без подогрева опресняемой
морской воды имеет следующие основные преимущества:
– обеспечивается практически полная безопасность опресненной воды, т.к. между
установками существует лишь электрическая связь;
– соединение ПЭБ с опреснительной установкой только по электричеству упрощает
прохождение переходных режимов работы РУ при отключении опреснительной установки;
– минимальная, по сравнению с другими технологиями, стоимость опресненной
воды;
– возможность
получения
оптимального
соотношения
пресной
воды
и
электроэнергии с целью максимального удовлетворения требований Заказчика.
Подогрев опресняемой морской воды теплоносителем второго контура позволяет повысить
эффективность их работы, но предусматривает гидравлическую связь контуров,
повышающую вероятность радиоактивного загрязнения опресняемой воды
Хочется отметить, ПАЭОК на базе плавучего энергетического блока по сравнению с
наземным вариантом строительства станции такой же мощности очевидны:
– сокращение сроков стоимости строительства по сравнению с наземным вариантом
сооружения ПАЭОК такой же мощности за счет минимальных объёмов строительномонтажных работ;
– высокое
качество
изготовления
плавучего
энергоблока
в
условиях
судостроительного завода и сдача его "под ключ";
– возможность размещения станции в непосредственной близости от потребителя
энергии и пресной воды;
– вахтовый метод эксплуатации.
Опыт использования опреснительных установок в России и регионах мира рассказан
в приложении 11.
9
Заключение
Проблемы, связанные с потреблением воды и ее дефицитом, настолько обострились в
последние десятилетия, что стали рассматриваться как одно из самых значимых
свидетельств общего кризиса цивилизации. Они являются фактором, сдерживающим
развитие многих стран, источником межгосударственных конфликтов и нестабильности.
Дефицит воды снижает качество жизни, наряду с бедностью, становится причиной
антисанитарии и роста заболеваемости населения. Деградация многих водных объектов - это,
может быть, самый яркий индикатор общего экологического неблагополучия на планете.
Многие развивающиеся страны, страдающие от дефицита воды, не имеют актуальных
ресурсов для решения этих проблем, а мировой рынок не способствует актуализации их
потенциальных ресурсов и не создает условий для преодоления водного дефицита. Поэтому
необходимы меры, которые обеспечили решение этих проблем. Рассмотрев перспективы
развития опреснения морской воды на атомных реакторах, мы пришли к выводу: Проблема
нехватки пресной воды в странах и регионах мира такова, что развитие данной сферы
деятельности необходимо. Тем более, успешный практический опыт решения задачи
снабжения пресной водой продемонстрирован на примере почти 25-летней эксплуатации в г.
Актау (бывш. Шевченко) Казахстан, где с 1973 года эксплуатировался ядерный реактор на
быстрых нейтронах БН-350 и дистилляционный опреснительный комплекс мощностью
120 000 м3/сутки. Малая атомная энергетика может активно участвовать в процессе
устранения глобального и регионального дефицита пресной воды. При производительности
до 100 000 м3/сутки опресненной воды обеспечивается возможность покрытия спроса по
мощности единичного ПАЭОК в секторе > 70 % рынка. Подобная производительность
обеспечивается при тепловой мощности ядерного реактора от 40 до 200 МВт, то есть
реактора (атомной станции) малой мощности.
Таким образом, в данной сфере деятельности есть, на наш взгляд, большие
перспективы развития, которые необходимо внедрять и развивать.
10
Список литературы
1. З. Ауст. Атомная энергия. Москва, 2001 г.
2."Water for People, Water for Life - UN World Water Development Report (WWDR)",
The United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization (UNESCO), Paris,
France, 2002 ("Вода для людей, вода для жизни". Доклад ООН о состоянии водных
ресурсов мира).
3.Design concepts of nuclear desalination plants. IAEA-TecDoc-B26. 2002 (Концепция
ядерного опреснения).
4.Международный научный Семинар ЯО СССР "Атомная Энергетика на море.
Безопасность и экология", Сборник докладов под редакцией Р.К. Ясновского.
Москва, 1991 г.
5. А. Смит, К Хендерсон. Энергия. Силы. Движение. Москва, 2003 г.
6 Н.П. Шаманов, Н.Н. Пейч, А.Н. Дядик. Судовые ядерные паропроизводящие
установки, "Судостроение", Ленинград, 1990 г.
7В. Широкова. Вода. Москва, 2001г.
8..О.Б. Шуляковский. От атомных ледоколов до атомных плавучих электростанций.
"Морской флот", 1999 г.
9.С Уэллс. Жизнь океана. Москва, 1998 г.
10. Т.Д. Щепетина, С.А. Субботин, В.А. Стукалов. Малая ядерная
11
Ресурсы Интернет.
1.www.pircenter.org
2.www.ransac.org
3.www.ceip.org
4.www.minatom.ru
5. www.oceanix.ru
6. www.tehn.oglib.
7. www.ntann.ru
8. www.glavteplotorg.ru
9. www.tssonline.ru
10. www.rbcdaily.ru
11.www.fizi.oglib.ru
12. www.atomsib.ru
13. www.vminsk
14. www.knowhowrus.ru
15.www.finmarket.ru
12
Приложение
13
Рис. 1. Схема процесса многостадийной флеш-дистилляции для опреснения воды.
В камеру А поступает подогретая морская вода, которая называется рассолом. Рассол
прокачивают под давлением через витки теплообменника в камеру В, затем в камеру С и,
наконец, в камеру D, причем в каждой камере его температура становится все выше.
Теплота поступает к рассолу от водяного пара, конденсирующегося на витках
теплообменника каждой камеры. Сконденсировавшийся пар, являющийся пресной водой,
собирают и откачивают из установки. В камере Е разогретый рассол нагревают еще
сильнее паром, который пропускают через витки теплообменника; пар, используемый в
этой камере, приносит с собой большую часть полной энергии, вводимой в систему. Из
камеры Е горячий рассол поступает в камеру D, где поддерживается пониженное
давление. Поскольку давление в этой камере понижено, часть рассола испаряется и после
конденсации превращается в пресную воду. Для испарения воды требуется энергия. Когда
вода испаряется с поверхности нашего тела, происходит охлаждение этой поверхности.
Точно так же остающийся после испарения некоторой части воды рассол тоже
14
охлаждается. Затем он поступает в камеру С, где давление еще ниже, чем в камере D.
Здесь происходит испарение еще некоторого количества воды, а оставшийся рассол еще
больше охлаждается. На каждой последующей стадии рассол становится все более
концентрированным и все более охлаждается. На последней стадии часть рассола,
который содержит теперь приблизительно 7% солей по весу, смешивается с вновь
поступающей морской водой. Другая часть рассола сбрасывается в море, чтобы
предотвратить слишком большое повышение концентрации солей.
Рис. 2. Установка для опреснения воды методом многостадийной флешдистилляции. Такая установка может ежедневно вырабатывать приблизительно 9
миллионов литров пресной воды (компания «Аква-Кем» в г. Милуоки, США). Рисунок из
книги Т. Брауна “Химия в центре наук”, М, Мир, 1983.
15
Рис. 3. Схема процесса опреснения воды методом обратного осмоса.
(Давление, создаваемое насосом высокого давления, превышает осмотическое
давление соленой воды относительно пресной. Благодаря этому пресная вода
просачивается через полупроницаемую мембрану. Скорость проникновения воды через
мембрану довольно невелика. Например, при опреснении соленой воды из скважины,
содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 50 атм в течение суток удается
получить приблизительно 700 л пресной воды с каждого квадратного метра мембраны.
На Мальте 2/3 питьевой воды получают путем обратного осмоса. С 2005 года в Сингапуре
введен в эксплуатацию завод, опресняющий 136,000 куб.м воды в день по цене 49 центов
за кубометр. Для обратного осмоса необходимо в среднем 6 кВт-ч электроэнергии в
расчете на кубометр воды; потребление энергии зависит от степени ее солености.
Дистилляция и паровой компрессия воды требуют от 25 до 200 кВт-ч в расчете на
кубометр воды. Температура процесса при этом варьируется от 70 до 130°C)
16
Рис .4. Установка для опреснения воды на атомной электростанции г. Актау.
(В числе её главных достопримечательностей не только всемирноизвестная мощная
атомная электростанция, крупный опреснитель морской воды, но и тщательно
продуманная система водоснабжения. От системы в город проложены три водопроводной
линии. По одной идет высококачественная пресная питьевая вода, по второй – чуть
солоноватая, её можно мыться и поливать растения, по третьей – обычная морская вода,
используемая для технических нужд, в том числе для канализации).
17
Рис.5. - Принципиальная гидравлическая схема энергоопреснительного
комплекса с конденсационной турбиной и отбором пара на ДОУ.( РУ с ДОУ
установкой связаны не только электрической, но и тепловой связью. Получаемая
электроэнергия обеспечивает работу ДОУ установки. Тепловая связь осуществляется
путем использования тепла отборов конденсационных турбин на цели опреснения)
1 – реактор
2 – циркуляционный насос 1 контура
3 – парогенератор
4 – турбогенератор
5 – конденсатор
6 – парогенератор опреснительной установки
7 – дистилляционная опреснительная установка
8 – вход морской воды в ДОУ
9 – выход опресненной воды1 – реактор
18
2 – циркуляционный насос 1 контура
3 – парогенератор
4 – турбогенератор
5 – конденсатор
6 – парогенератор опреснительной установки
7 – дистилляционная опреснительная установка
8 – вход морской воды в ДОУ
9 – выход опресненной воды10 – рассол
11 – циркуляционный насос
12 – циркуляционный насос промконтура
13 – подогреватель промконтура
14 – конденсатный насос
15 – деаэратор
16 – циркуляционный насос
17 – циркуляционный насос
19
Рисунок 0. - Принципиальная гидравлическая схема энергоопреснительного
комплекса с конденсационной турбиной, системой обратного осмоса без подогрева
морской воды (5400 м3/ч).
1 – реактор
2 – циркуляционный насос 1 контура
3 – парогенератор
4 – турбогенератор
5 – конденсатор
6 – фильтр предварительной очистки
7 – насос среднего давления
8 – насос рециркуляции
9 – мембраны ультрафильтрации
10 – система регенерации энергии1 – реактор
2 – циркуляционный насос 1 контура
3 – парогенератор
4 – турбогенератор
5 – конденсатор
6 – фильтр предварительной очистки
7 – насос среднего давления
20
8 – насос рециркуляции
9 – мембраны ультрафильтрации
10 – система регенерации энергии
11 – насос высокого давления
12 – мембраны обратного осмоса
13 – отвод рассола
14 – емкость питьевой воды
15 – насос отвода питьевой воды
16 – ввод химических добавок
17 – емкость ультрафильтрации
18 – насос подачи морской воды
19 – конденсатный насос
20 – циркуляционный насос11 – насос высокого давления
12 – мембраны обратного осмоса
13 – отвод рассола
14 – емкость питьевой воды
15 – насос отвода питьевой воды
16 – ввод химических добавок
17 – емкость ультрафильтрации
18 – насос подачи морской воды
19 – конденсатный насос
20 – циркуляционный насос
21
ПЭОК - 80
Приложение
5
1
ДП
ДП
9
7
2
ДП
ДП
8
ДП
ДП
6
3
11
10
4
Рис. 4 - Схема генерального плана, где:
1 - ПАЭС пр. 20870;
2 - ПОК-40;
3 - причальная стенка;
4 - отчуждаемая терриртория суши (ок. 30 000 кв. м.);
5 - защитная дамба;
6 - защитное ограждение ПЭОК;
7 - защищенная акватория с глубиной 12 ... 15 м.;
8 - подача электроэнергии
9 - подача пара
10 - подача пресной воды
11- слив рассола
Рисунок 0 - Генеральный план ПАЭОК (двухреакторный ПЭБ и ПОБ с ОУ типа RO)
1 –ПЭБ; 2 – ПОБ с ОУ типа ДОУ; 3 – причальная стенка; 4 – отчуждаемая территория
суши; 5 – защитная дамба; 6 – защитное ограждение ПАЭОК; 7 - защищенная акватория; 8
– подача электроэнергии; 9 – подача пара; 10 – подача дистиллята; 11 – слив рассола.
22
Приложение
ПЭОК - 40
5
1
7
9
ДП
ДП
8
2
ДП
ДП
6
3
11
4
10
Рис. 2 - Схема генерального плана, где:
1 - ПЭБ с РУ КЛТ - 40;
8 - подача электроэнергии
2 - ПОК-40;
9 - подача пара
Рисунок 8 - Генеральный план ПАЭОК (однореакторный
ПЭБ разработки и ПОБ с
ОУ типа ДОУ)
3 - причальная стенка;
4 - отчуждаемая терриртория суши (ок. 30 000 кв. м.);
5 - защитная дамба;
6 - защитное ограждение ПЭОК;
7 - защищенная акватория с глубиной 12 ... 15 м.;
10 - подача пресной воды
11- слив рассола
1 –ПЭБ; 2 – ПОБ с ОУ типа ДОУ; 3 – причальная стенка; 4 – отчуждаемая территория
суши; 5 – защитная дамба; 6 – защитное ограждение ПАЭОК; 7 - защищенная акватория; 8
– подача электроэнергии; 9 – подача пара; 10 – подача дистиллята; 11 – слив рассола.
23
ПЭОК - 80
Приложение
5
1
7
ДП
ДП
2
8
ДП
ДП
6
3
10
9
4
Рис. 4 - Схема генерального плана, где:
1 - ПАЭС пр. 20870;
2 - ПОК-40;
3 - причальная стенка;
4 - отчуждаемая терриртория суши (ок. 30 000 кв. м.);
5 - защитная дамба;
6 - защитное ограждение ПЭОК;
7 - защищенная акватория с глубиной 12 ... 15 м.;
8 - подача электроэнергии
9 - подача пресной воды
10 - слив рассола
Рисунок 9 - Генеральный план ПАЭОК (двухреакторный ПЭБ и ПОБ с ОУ типа RO)
1 – ПЭБ; 2 – ПОБ с ОУ типа RO; 3 – причальная стенка; 4 – отчуждаемая территория
суши; 5 – защитная дамба; 6 – защитное ограждение ПАЭОК; 7 - защищенная акватория; 8
– подача электроэнергии; 9 – подача дистиллята; 10 – слив рассола.
24
Рисунок 10. Первая в мире плавучая атомная теплоэлектростанции (ПАТЭС)
«Академик Ломоносов».
Приложение 11.
Опыт использования опреснительных установок в России и регионах мира.
15 апреля 2007 года на стапелях завода ФГУП «ПО Севмаш» в цехе №50 состоялась
торжественная закладка первой в мире плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС)
«Академик Ломоносов», названной в честь великого русского ученого Михаила
Ломоносова (рис. 10 приложения). Концерн «Росэнергоатом» намерен завершить ее
строительство уже в 2010 году. Готовое к эксплуатации судно-энергоблок встанет в водах
Белого моря, близ «Севмаша» - электроэнергией станции в основном будет снабжаться
«Севмаш», а примерно одна пятая часть будет продаваться. Реакторные установки для
станции разрабатывает Опытное конструкторское бюро машиностроения (ОКБМ) им.
И.И.Африкантова. Первый энергоблок плавучей атомной теплоэлектростанции малой
мощности заложен на базе реактора КЛТ40С.
Использование плавучего энергоблока атомной станции позволит коренным образом
решить проблему с традиционным завозом органического топлива в энергодефицитные
25
северные регионы страны. В перспективе рассматривается шесть площадок для
строительства плавучих АЭС, в том числе на Камчатке, Чукотке, в Якутии и
Красноярском крае.
Концерном «Росэнергоатом» и ФГУП «ПО Севмаш» подписана Декларация о намерениях
по строительству целой серии плавучих атомных станций. Она предусматривает
сооружение в период с 2008 по 2016 гг. еще шести ПАТЭС, с закладкой на стапелях
предприятия, начиная с 2008 года, по одному энергоблоку ежегодно. Согласно планам,
начиная с третьей станции заложенной серии, срок изготовления ПАТЭС будет сокращен
с четырех до трех лет.
В настоящее время в рамках рабочих групп ведутся переговоры об эксплуатации плавучих
атомных станций с представителями Чукотского АО, Минобороны РФ, ОАО «Газпром»,
рядом государств Азии и Африки. Подписанный документ также гарантирует
взаимозаменяемость энергоблоков в процессе их эксплуатации. Между тем
транспортабельность российского технологического новшества, способность базироваться
в любом прибрежном районе привлекает к нему внимание зарубежных государств морских, островных. По данным Росатома, уже проявлен интерес со стороны 12 стран, в
числе которых - Индонезия, Малайзия, Китай. Станция, которую построят в
Северодвинске, будет служить также действующей моделью, на которую смогут
взглянуть потенциальные экспортеры.
Вместе с тем Россия не будет продавать саму плавучую атомную станцию – только
электроэнергию. Таким образом, с повестки снимаются вопросы, связанные с
распространением ядерных технологий. Плавучая атомная станция приводится под
флагом России к берегам государства, подписавшего контракт, бросает якоря в удобном
месте, устанавливает контакт с местными техническими службами на берегу.
26
В октябре 2007 года было решено начать предпроектные и проектно-изыскательские
работы по подготовке площадок для ПАТЭС в районе поселков Тикси, Усть-Куйга и
Юрюнг-Хая. Срок ввода станций в эксплуатацию – 2013-2015 гг. Строительство станций
предполагается осуществлять на базе плавучих энергетических блоков с реакторными
установками АБВ-6М. Такие ПАТЭС, мощностью до 18 МВт, предназначены для
обеспечения электричеством и теплом небольших энергоизолированных поселков, не
подключенных к единой энергосистеме. Выбранные поселки имеют хорошую
перспективу для развития, так как рядом находятся богатые месторождения золота и
других полезных ископаемых, места возможного развития рыбопромысловых и
рыбоперерабатывающих предприятий.
В
руководстве
МАГАТЭ
по
атомному
опреснению
дано
следующее
определение термина "ядерное опреснение".
"Ядерное опреснение - это производство из морской воды пресной на комплексе, в
котором ядерный реактор является источником тепловой и/или электрической энергии,
необходимой для осуществления процесса опреснения. Ядерный энергоопреснительный
комплекс может быть предназначен только для получения пресной воды или для
одновременного производства и отпуска внешним потребителям пресной воды и
электроэнергии. В том и другом случаях реактор и опреснительная установка
размещаются
на
общей
площадке
и
для
опреснения
используется
энергия,
вырабатываемая ядерным реактором. На ядерном энергоопреснительном комплексе
предусматривается также полное или, по крайней мере, частичное совместное
использование
ряда
систем
и
оборудования,
средств
контроля
и
управления,
эксплуатационного персонала, устройств забора и сброса морской воды".
27
Перечень принятых сокращений и условных обозначений
MED
 Multi Effect Distillation – многоступенчатая пленочная дистилля-ция
MSF
 Multi Stage Flash – многоступенчатое мгновенное вскипание
RO
 Reverse Osmosis – обратный осмос
UF
 Ultra Filtration – ультрафильтрация
АЗ
 аварийная защита
АПВС
 атомная плавучая водоопреснительная станция
АСВ
 артезианская соленая вода
АСТ
 атомная станция теплоснабжения
АТЭС ММ
 атомная тепловая электростанция малой мощности
АЭОК
 атомный энергоопреснительный комплекс
АЭС
 атомная электростанция
БЗ
 биологическая защита
ГАН РФ
 Госатомнадзор Российской Федерации
ГВД
 газ высокого давления
ГТПА
 горизонтально-трубный пленочный аппарат
ГУП
 государственное унитарное предприятие
ДОУ
 дистилляционная опреснительная установка
ЗО
 защитная оболочка
28
ИМ
 исполнительный механизм
КД
 компенсация давления (компенсатор давления)
КИУМ
 коэффициент использования установленной мощности
КПД
 коэффициент полезного действия
КСУ ТС
 комплексная система управления техническими средствами
МАГАТЭ
 международное агентство по атомной энергии
МВ
 морская вода
МВЗ
 металловодная защита
НД
 нормативный документ
НИОКР
 научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа
ОТВС
 отработавшие тепловыделяющие сборки
ОУ
 опреснительная установка
ПАЭОК
 плавучий атомный энергоопреснительный комплекс – Floating
nuclear desalinization complex (FNDC)
ПВД
 подогреватель высокого давления
ПГ
 парогенератор
ПГБ
 парогенерирующий блок
ПГУ
 парогазовая установка
ПНД
 подогреватель низкого давления
29
ПОБ
 плавучий опреснительный блок
ПЭБ
 плавучий энергоблок
РАО
 радиоактивные отходы
РИТ
 реактор интегрального типа
РО
 рабочий орган
РУ
 реакторная установка
СУЗ
 система управления и защиты
ТРО
 твердые радиоактивные отходы
ТЭЦ
 теплоэлектроцентраль
ЦНПК
 циркуляционный насос первого контура
ЦНР
 циркуляционный насос расхолаживания
ЭУ
 энергетическая установка
ЯТ
 ядерное топливо
30
31
32