Қазақстанның энергетика жүйесі

        Жеңіл бөлшектерге мыналар жатады: теріс зарядты электрондар, позитрондар, нейтрино және басқалары. Аралық типті бөлшектер де орын алады. Атомдағы барлық бөлшектер ішкі аралық күш арқылы ұсталынып түрады. Мұндай күштердің болуына қарамастан, кейбір радиоактивті элементтерде (уран, торий, плутоний) ядроның өздігінен баяу ыдырауы жүреді, ол бөлшек ядросынан шығатын сәулелерге ұласады, оларды шартты түрде а, b және ү- сәулеленулері деп атайды. Басқа атомдардың ядролары олардың сыртқы бөлшектерін атқылау нәтижесінде ыдырайды, мысалға белгілі жылдамдықтағы нейтрондар немесе протондарды алуға болады.

        Ядро ыдыраған кезде, ішкі ядролық күштер босайды, мұның өзі көп мөлшерде жылу шығаруға ұласады. Атомдық салмағы 235, 1 кг уран атомдары ыдырағанда жылу энергиясының электр энергиясына айналуы нәтижесінде 25 млн. кВт сағ электр энергиясын алуға болатындығы бөлінеді. Сөйтіп, атом ішіндегі энергия, энергияның сарқылмас қоры болып саналады. Дүниежүзіндегі алғашқы қуаты 5000 кВт атом электр станциясы бұрынғы Кеңес Одағында 1954 жылы іске қосылды. Уран қазаны немесе реактор атом электр станциясының негізгі агрегаты болып саналады.

        Қазіргі кезде реакторлардың көптеген құралымдары зерттеліп жасалынды. Алғашқы атом электр станциясында графитті су реакторы қондырылды.

        Отын ретінде 1 радиоактивті заттардың стерженьдері, мысалы, уран U255 қолданылады. Радиоактивті ыдырау кезінде орасан зор жылдамдықпен нейтрондар бөлініп шығады да, олар уранның көршілес атомдарын атқылап, жаңа нейтрондардың бөлініп шығуына ықпал жасайды. Міне осының нөтижесінде басқарылатын тізбекті реакция пайда болады. Алғашқы жағдайда электрондардың қозғалу жолына баяулатқыштар қойылады.

        Ауыр судың құрамына сутектің екі атомының орнына сутектің екі изотопы кіреді. Элементтерде ядроларының құрамьшдағы протондар саны бірдей болып, ал нейтрондар саны әр түрлі болса, бұл элементтер изотоптар деп аталады. Мысалы, сутек ядросы (Н) бір протоннан тұрады.

        Сутектің бірінші изотопының ядросы (протий) бір протоннан және электроннан тұрса, сутектің екінші изотопының ядросы (дейтерий) бір протоннан және бір нейтроннан тұрады, дейтерий ауыр судың химиялық формуласына кіреді. Үшінші изотоп - тритий, ол бір протон және нейтроннан тұрады. Бұл ретте баяулатқыш ретінде 2 графит, көдімгі су, ауыр су және басқа заттар қолданылады. Қазіргі кезде ауыр су баяулатқыш ретінде сирек қолданылады, өйткені оны алуға көп шығын жұмсалады. Ауыр судың 1 тоннасын электролиз немесе химиялық әдіспен алу ұшін 30-40 т. су жұмсалады. Баяулатқышта нейтрондар жылдамдығы кемиді, бұл ретте, энергетикалық атом қондырғыларында қолданылатын жылудың орасан зор мөлшері бөлініп шығатынын айта кеткен орынды. Жылу тасушы ретінде су немесе сұйық металл алынады. Электрондардың бөліну процесін реттеу ұшін бордан, кадмийден және нейтрондарды қарқынды түрде сіңіретін басқа да материалдардан жасалынатын реттеуші стержень 3 қолданылады. Бұл стержень арқылы ядролық процесті бәсеңдетіп немесе күшейтуге болады. Нейтрондар қазаннан шығып кетпес үшін қазанның ішкі жақтары шағылдырғышпен 4 қапталады.

        Шағылдырғыштар баяулатқыш қасиеттері бар материалдардан мысалы, графитген, берилий тотығынан және т.б. жасалады. Жұмыскерлерді адам өміріне қауіпті сәуледен сақтау үшін реактор барлық жағынан қорғасын табағы түріндегі биологиялық қорғаныспен, қалың бетон плиталарымен 5, сонымен қатар су жейдесімен қапталады. Жылу тасушы 6 ретінде су алынады.

Атом энергетикалық қондырғысының негізгі сұлбасы суретте берілген.

        1 – санымен реактор белгіленген, онда отын ретінде уранның изотоптары, сонымен қатар, плутоний қолданылады. Бастапқы элементтермен салыстырғанда изотоптардың радиоактивтігі анағүрлым жоғары. Реакторда жылытылған су сорғы 3 – арқылы жылу алмастырғышқа 2 – құйылады. Бүл биологиялық түрғыдан қауіпті радиоактивті су, ол қондырғының бірінші контурына жатады. Қазіргі қондырғылардың бірінші контурындағы су 250°С-та, 100 ат. қысымында болады. Бүл ретте судың қайнап кетпеуін қадағалау қажет. Жылу алмастырғыштағы бастапқы су екінші контурлы радиоактивтігі жоқ суды жылытып, буға айналдырады, ол 30-35 ат қысымды электр генераторын 5 – айналдыратын турбинаға 4 – келіп түседі. Пайдаланылған бу конденсаторға 6 – қарай жылжиды. Конденсат сорғы 7 – арқылы қайтадан жылу алмастырғышқа жіберіледі. Бірінші радиоактивті контурдың барлық агрегаттары адамдардан оқшауландырылып, дистанциялық және автоматты түрде басқарылады.

        Қазіргі ірі электр станцияларында графитті су реакторларының орнына біршама қуаттылығы аз су реакторлары қолданылады, мұнда кәдімгі су шапшаң нейтрондардың баяулатқышы болып саналады.

        Атом элетр станциясының ұстанымдық сұлбасы 1. Реактор. 2. Жылу алмастырғыш. 3. Негізгі айналма насос. 4. Турбина. 5. Электр генераторы. 6. Салқындатқыш (конденсатор). 7. Қоректендіру сорғысы.

Суретте қуаты 210 МВт атом электр станциясының негізгі технологиялық схемасы бейнеленген. Бірінші кезекті қондырғы қуаты 210 МВт блоктан тұрады, оған бір реактор, әрқайсысы 70 МВт алты генератор кіреді. Сөйтіп, әр екі бу генераторы бір турбинаны жабдықгайды. Турбиналар - бір білікті, екі цилиндрлі; төменгі қысымның бір бөлігі - екі конденсаторлы, екі тасқынды болып келеді.

         Бірінші контурға реактор 1 және бассейн 2 жатады, бассейнде жарты жыл бойында ядролық жанғыш заттардың пайдаланылған стерженьдері сақталады. Осы мақсатта бұл стерженьдер арнайы кассеталарға 3 бекітіліп, мұнан соң оларды өңдеу үшін арнайы зауыттарға жібереді. Бірінші контурға мыналар жатады: бу генераторлары 4, негізгі айналма насостар 5, жылытқыш насостар 6, арнаулы химиялық су әдісімен тазалау және көрсетілген құрылғыларды байланыстырып тұратын құбырлар. Реактордың биологиялық қорғаны оларды қоршаған бетон плиталардан, болат табақтар мен су жейдесінен түрады.

        Бірінші контурдағы су түйықталған циклде реактор мен бу генераторы (қазан) арасында айналады, қазаннан шығатын бу турбинаға 7 келіп түседі. Пайдаланылған бу айналма насос 11 арқылы айналмалы сумен салқындатылған екі конденсаторға келіп түседі. Екінші контурға насоспен 12 берілетін конденсат кіреді, ол төменгі қысымдағы 13 қайта қыздырғыш (жылтқыш) арқылы деаэраторға 14 беріледі. Мұнан соң екінші контурлы су пайдалану насосы 15 арқылы жоғары қысымды жылытқыштардан 16 өтіп, бу генераторына келіп іүседі.

        Сұлбада турбинаның екі бөлігінен шығатын будың сүрыпталу қатары көрсетілген, ол төменгі және жоғары қысымды жылытқыштар мен жылыту жүйесі бойлеріндегі пайдаланатын суды жылытуға арналған.

        Қуаты 210МВт блокты атом электр станциясында энергияны өндірудің технологиялық сұлбасы 1. Реактор. 2. Пайдаланылган стерженьдерді сақтайтын бассейн. 3. Арнайы кассеталар. 4. Бу генераторы. 5. Негізгі айналма сорғысы. 6. Бірінші контурды қоректендіру сорғысы 7. Турбинаның жогары қысымды бөлігі. 9. Электр генераторы. 10. Салқындатқыш. 11. Салқындатқыш судың айналма сорғысы. 12. Турбинаның салқындатқыш сорғысы. 13. Төменгі қысымды су жылытқышы. 14. Деаэратор. 15. Қоректендіру сорғысы. 16. Жоғары қысымды су жылытқышы. 17. Жылу жүйесіндегі сорғы. 18. Бойлер. 19. Химиялық тәсілмен суды тазалау құрылғысы. 20. Конденсат суы. 21. Салқындатқыш айналма су. 22. Жылу желісі (торабы).

        Жылытқыштар мен бойлер конденсаты әуелі анағүрлым төмем температуралы жылытқьпптарға, сонан соң суретте үзік сызықпен көрсетілгендей деаэраторға келіп түседі. Тармақты сорғылар 17 жылумен қамтамасыз ету жүйесіндегі ыстық судың айналымын жүзеге асырады.

        Бірінші коғтурдың зиянды радиоактивтігін арттыратын коррозия өнімдерінен реакторды тазалау мақсатында су жылу таратушы химиялық - су әдісімен үздіксіз тазалау 19 процесіне ұштастырылып, жабдықтаушы сорғы 6 арқылы реакторға түседі. Атом электр станциясында электр энергиясын өндіру жылу электр станцияларының сұлбаларымен бірдей дерлік. Экономикалық көрсеткіштері жағынан атом электр станциялары жылу электр станцияларына қарағанда біршама төмен; алайда оларды жергілікті отын ресурстарымен жабдықтай алмайтын жерлерде салғанда, атом электр станциясындағы 1 кВт сағ энергия құны ЖЭС-тің құнынан артық емес.

        Атом электр станцияларының өзіндік мұқтаждары жұмыс барысында асқан сенімділікті талап етеді. Міне, сондықтан көпшілік мақұлдаған жылу электр станцияларының өзіндік мұқтаж қондырғылары резервтеуден басқа, атом электр станцияларында резервті (сенімділік) дизель - генератор қондырғылары, ол кәдімгі өзіндік мұқтажды қамсыздандыру жүйесін шапшаң түрде қосуға қол жетпеген жағдайда іске қосылады. Сонымен қатар, атом электр станцияларында аккумулятор батареясын орнату ісі қарастырылды, ал ірі атом электр станцияларында тұрақты ток қозғалтқыштары бар өзіндік мұқтаждың жауапты тұтынушыларын жабдықтайтын екі батареяны қою ісі жүзеге асырылады.

        Атом электр станцияларының бірінші контурының өзіндік мұқтаждар қондырғыларының ерекшеліктері – атом электр станциясы технологиялық процесінің қарастырылған сұлбаларынан корінеді. Ал, екінші контур бөлігінде өзіндік мұқтаждар кәдімгі отынды қолданып, жұмыс істейтін жылу электр станцияларының механизмдерімен бірдей.

Атом элекгр станцияларының ерекшеліктері:

        1. Географиялық кез-келген жерде, соның ішінде таулы жерде салынады.

         2.Сыртқы қатардағы факторлардан тәуелсіз. Өзіндік режімі автономиялы.

        3.Отынның шығыны аз мөлшерде.

        4.Тынушылардың ерікті графигімен жұмыс істеуі мүмкін.

        5.Режімнің өзгеруіне сезімтал, әсіресе АЭС-ның реакторы жылдам нейтронмен жұмыс істейтін болса.

        6.Атмосфераны бәсеңдеу ластайды, радиоактивтік газдары мен аэрозолы шамалы, санитарлық мөлшерден (нормадан) асып түспейді. Осы тұрғыдан қарағанда АЭС-ы, ЖЭС-нан көбірек болып шығуы мүмкін.

Күн энергетикасының Қазақстандағы алғашқы қадамдары

        Қазақстанда күн энергетикасын дамытуға қолайлы жағдай болғанымен, шөл далада орналасқан бірқатар қалаларды, елді мекендер мен жекеленген ауылдарды энергиямен жабдықтауда үлкен қажеттілік туындағанымен, саланы дамыту үшін техникалық базасы болмады. Қазақстанда кремний мен фотоэлектр түрлендіргіш өндірісі жолға қойылмаған еді.

        Қазақстан нарығында күн сәулесі энергетикасы үшін техниканың импорттық үлгілері қойылды. Бұл бағаға әсер етті. Мысалы, жарықтандырудың (күн батареясы бар көше шамдары) фотоэлектр жүйелерінің бағасы 200-250 мың теңге құрады. Зарядтаудың көшпелі станциялары: 170-200 мың теңге. Энергиямен жабдықтаудың автономиялық жүйелері: 830 мыңнан 21,6 млн. теңгеге дейін. Электр қазандықтары: 48-ден 95 мың теңгеге дейін. Бағалардың мұндай деңгейінде күн сәулесі энергетикасы қоғамның тек бай бөлігіне ғана қолжетімді емес, осының бәрі керісінше болуы керек,  күн сәулесі энергетикасы бірінші кезекте қоғамның бай емес жігінің  игілігі болуы тиіс.

        Бұл келесіден туындаған, жабдықтың көптеген басым үлгілерінің қуаттылығы аз. Мысалы, фотоэлектр түрлендіргіштегі энергиямен жабдықтаудың автономдық жүйелері 0,3-3 кВт  диапазонда кей кезде 5-8 кВт-қа дейін қуаттылығы бар.

        3 кВт – бұл бір пәтердегі электр энергиясын тұтыну (мұздатқыш, теледидар, компьютер, 5-6 лампочка). Егер, сорғыны және суды жылытуды қажет ететін қала сыртындағы үйді алсақ, 20 кВт-қай дейін қуаттылық қажет. Сондықтан, күн энергетикасы ірі және орта бизнеске қызғылықты емес, өйткені оларға елеулі үлкен қуат керек.

        Қуаттылығы 10 кВт дейінгі жабдық  шағын қалалар мен ауылдық жерлерде көбіне жеке меншік үй иелерімен, сондай-ақ, ең шағын бизнесі бар жеке кәсіпкерлермен пайдаланылуы мүмкін. Бірақ олар үшін күн энергетикасының жабдығы бағасы бойынша қолжетімді емес.

        Күн энергетикасына арналған жабдықтың өзіндік өндірісінсіз: жеке меншік  үйлерге арналған кешенсіз, көшпелі генераторларсыз, энергиямен жабдықтаудың автономдық жүйелерінсіз, жарықтандыру құрылғыларынсыз Қазақстанда күн энергетикасының кеңінен дамуына сенуге болмайды. Жоғары бағалар жоғары кедергіні тудырады, күн сәулесі энергетикасына арналған импорттық жабдық нарықта билік құрған кезде, бұл сала экзотикалық ғажайып болып әлі ұзақ қалады. Энергетиканың бұл жаңа саласының даму болашағы ұзақ уақыт бойы нақтыдан гөрі, ойға сыйымсыз болды. Бірақ 2007 жылы жаңа саланы игеру бойынша алғашқы қадамдар жасалды және зауыт құрылысы бойынша жобалар ұсынылды, оларда кремний шикізаты, және де дайын фотоэлектр түрлендіргіштері шығарылатын болады.

         Ең ірі жобаны «Баско» компаниясының тобына кіретін Silicium Kazakhstan  ЖШС жүзеге асыруда. Қарағанды облысының Теміртау Индустриалды паркінде қуаттылығы 25 мың тонна жоғары таза кремний, 10,5 мың тонна микрокремнезем және 875 тонна кремний шығаратын қож зауыты салынуда. Келешекте кәсіпорынның екінші кезегін құру және 50 мың тоннаға дейін жоғары таза кремний өндіруге жеткізу жоспарлануда. Жылына 130 мың тонна көлемінде Қарағанды облысының Ұлытау ауданы Ақтас және Ашколы-III кеніштерінде кварц өндіріледі, ал Жезді кентінде кварцты байыту жөнінде фабрика орналастырылады.

         Компания серіктестіктері герман концерні Thyssen Krupp, Ресейдің «Титан» компаниясының тобы, сондай-ақ, Deutsche Bank. Зауыттың құрылысына  94 млн. евро  жұмсалады. 2008 жылғы наурыздағы жағдайға қарағанда инвестицияның жалпы сомасының 25% игерілді. Компания жоспары бойынша Теміртау зауыты 2008 жылы іске қосылуы тиіс, алайда зауыттың аяқталуы мен іске қосылуы біршама ұзарып кетті.  Silicium Kazakhstan Екібастұз ГРЭС-інен 2008-2017 жылдар ішінде жылына 4 мың МВт көлемінде электр энергиясын жеткізу туралы AES-пен келісімге қол қойып, зауытты энергиямен қамтамасыз етті. Астананың Индустриалды паркінде және еркін экономикалық аймақ «Ақтау теңіз портында» екі жобаны жүзеге асыру жоспарлануда.

        Компания Kun Renewables, Lancaster Group Kazakhstan Астананың Индустриалды паркінде поликристалл кремнийін (бірінші кезек), моно- және мультикриссталдық пластиналар (екінші кезек) өндіру зауытын жоспарлауда. Өндіріске 390 млн. доллар инвестициялау жоспарлануда. Компания Өскеменнен және Шульба ГЭС-тен 2009 жылдан бастап 2021 жылдар аралығында 50 МВт көлемінде электр энергиясының жеткізіліміне AES-пен келісім жасады.  Астанадағы зауыт өте қарапайым және жылына 2,5 мың тонна поликристалл кремнийін өндіретін болады.

        2007 жылғы қазанда Ақтауда күн батареялары элементтерінің зауытын салу жобасы басталды. Зауыт иесі – ТОО «SilicaSolar-Aktau», кәсіпорынды «Ақтау теңіз порты» СЭЗ аумағында орналастырады. Өндіріске инвестиция 105 млн. евро құрады, 2009 жылдың соңында іске қосу жоспарлануда. Жобаны үш кезекпен жүзеге асыру көзделуде. Бірінші кезекте жылдық жиынтық қуаты 110 МВт кристалл стержндер мен пластиналар (күн сәулесі батареялар) өндірісі іске қосылады. Екінші кезекте жиынтық қуаты 77 МВт электрондық плата (ұяшық) өндірісі көзделуде. Үшінші кезекте – жиынтық қуаты 20 МВт электрондық дисплей шығару. Технологиясы «Schmid Group» неміс фирмасымен ұсынылған.