1. Введение

Тема 1. Элементарные сведения об аэс

Реферативное изложение темы

Простейшая схема атомной электростанции. Сходство и различия ТЭС и АЭС. Технологический процесс получения электроэнергии на АЭС. Основные элементы АЭС. Терминология. Историческая справка.

Атомная электростанция (АЭС) – это промышленное энергетическое предприятие подобное теплоэлектростанции (ТЭС) на органическом топливе. Но, если на ТЭС используется давно известное твердое, жидкое или газообразное топливо, сгорающее в камере сгорания котла, то на АЭС имеем дело с новым видом «топлива» (ядерным). В отличие от органического, ядерное вещество не сгорает, а делится при попадании нейтрона в ядро атома этого вещества, поэтому название ядерного исходного (делящегося) вещества топливом или даже горючим – условное, принятое как бы по привычке.

Ядро делится на две части, называемые осколками деления с одновременным выделением нескольких (2-3) нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. Таким образом, происходит цепная реакция деления ядер некоторых веществ (ядерного горючего).

Демонстрация 1.1 На рисунке 1.1 показано схематическое изображение деления урана-235 ( ) под действием медленных нейтронов.

Отступление. Золотое сечение.

Наиболее вероятные (возможные) пары осколков при делении : бром 35 – лантан 57; криптон 36 – барий 56; рубидий 37 – цезий 55; стронций 38 – ксенон 54; иттрий 39 – йод 53 с суммой порядковых номеров всегда равной 92 (т.е. равной порядковому номеру исходного делящегося «горючего»). Изотопы 35 химических элементов – от цинка 30 до тербия 65 были найдены среди осколков деления урана 92.

Есть предположение, что осколки деления, их порядковые номера тяготеют к золотому сечению. Золотое сечение – это математическое понятие: деление целого на две части так, чтобы отношение меньшей части к большей равнялось бы отношению большей части к целому. Казалось бы, просто математическая игра, однако же, это имеет и практическое значение. Наиболее удобное (приятное для глаза) отношение ширины предмета к его длине соответствует золотому сечению. К сожалению это не всегда учитывается. Например, лист А4 имеет несколько завышенную ширину.

Рисунок 1.1 – Схема деления урана ( ) под действием медленных нейтронов (варианты возможных пар осколков)

Образующиеся при делении ядра осколки деления обладают большой кинетической энергией.

Отступление. Кинетическая и потенциальная энергия

Кинетическая энергия движущейся со скоростью w материальной точки или твердого тела массой m . Это – энергия движения, в отличие от энергии покоя – потенциальной энергии. Например, потенциальная энергия поднятого на высоту h тела весом Y ПЭ = Y · h.

Торможение осколков деления в другом веществе, называемом замедлителем, сопровождается выделением большого количества тепла. Это тепло снимается веществом, называемым теплоносителем.

Демонстрация 1.2 На рисунке 1.2 показана простейшая принципиальная схема АЭС в одноконтурном исполнении. Стержни делящегося вещества 4, называемые тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ), размещены в каналах 3 реактора 2. В целях предохранения обслуживающего персонала станции от воздействия вредных излучений, сопровождающих ядерную реакцию, реактор окружен тяжелой (обычно бетонной) биологической защитой 5. Для регулирования мощности и управления работой станции реактор снабжен специальными стержнями 1, их называют поглощающими (их назначение поглощать нейтроны; изготавливаются они обычно из бора или кадмия). Различают несколько групп поглощающих стержней: компенсирующие, регулирующие и стержни аварийной защиты.

Рисунок 1.2 – Простейшая принципиальная схема АЭС в одноконтурном исполнении:

1 – поглощающие стержни; 2 – активная зона реактора; 3 – каналы; 4 – твэл; 5 – биологическая защита; 6 – турбина; 7 – электрогенератор; 8 – конденсатор (или холодильник); 9 – насос (или компрессор)

Теплоноситель, проходя через реактор, нагревается и выносит тепло для дальнейшего использования, поддерживая, таким образом, заданную температуру твэлов. Часть реактора, в которой размещается ядерное горючее, называется активной зоной реактора. В одноконтурной схеме (рис. 1.2) выходящий из реактора нагретый теплоноситель (водяной пар или какой-либо газ) направляется в турбину 6, где за счет его расширения происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. По этой причине теплоноситель в турбине (и в насосе или компрессоре) 9 принято называть рабочим телом. Отработавшее в турбине рабочее тело (пар) сбрасывается в конденсатор 8 (или в холодильник 8, если теплоноситель – рабочее тело – газ). На одном валу с турбиной расположен электрогенератор 7, где работа турбины превращается в электроэнергию. На транспортных установках ядерную энергию можно использовать без преобразования ее в электрическую. В этом случае вал турбины может быть соединен с ведущим устройством транспорта (на рисунке 1.2 изображен гребной винт судна 10). Начиная от выхода теплоносителя из реактора и до входа его снова в реактор, данная схема АЭС ничем принципиально не отличается от схемы ТЭС.

Историческая справка. Впервые пуск реактора, поддерживающего цепную реакцию деления ядерного горючего, был осуществлен группой научных сотрудников, возглавляемой ученым Э. Ферми 2 декабря 1942г. Через 12 лет, 27 июня 1954 года, в СССР (г. Обнинск) была пущена первая в мире атомная электростанция. Этот день стал днем рождения новой ветви теплоэнергетики – атомной энергетики, использующей для своей работы внутриядерную энергию деления. С этих пор стали различать тепловые станции на органическом топливе (ТЭС, ТЭЦ) и на ядерном (АЭС, АТЭЦ). Здесь ТЭЦ, АТЭЦ – теплоэлектроцентрали, предприятия, производящие два вида энергии: тепловую и электрическую.

Бурное развитие атомной энергетики (ее иногда называют и ядерной энергетикой) видно из следующих цифр: 1954г. – 5 МВт; 1975г. – 75 · 10³ МВт. Сегодня (2012г.) в мире работают ≈ 440 энергоблоков АЭС суммарной мощностью ≥ 330 · 10³ МВт. К 2100 году по прогнозу WNA установленные атомные мощности составят ≈ 2 · 10⁶ МВт (в соответствии с умеренным сценарием развития) или ≈ 11 · 10⁶ МВт (по интенсивному сценарию).

С развалом Советского Союза Беларусь столкнулась с проблемой топлива для энергетики. Собственных запасов органического топлива для ТЭС в Беларуси, включая и древесину, не более 20% требуемого количества. Поэтому, с целью большей независимости и, так называемой, энергетической безопасности принято решение строительства атомных электростанций в Беларуси. Вы – будущие кадры для работы на АЭС и в атомной науке Беларуси.

Существуют проекты атомных электростанций в одноконтурном, «полуторном», двухконтурном, трехконтурном исполнении; была даже рекомендация Энергетического института им. Г.М. Кржижановского применять четырехконтурную схему (контур охлаждения конденсатора в этой классификации не учитывается). Об особенностях этих схем будем говорить ниже, а здесь технологию производства электроэнергии будем рассматривать по наиболее распространенной – 2-ух контурной схеме (рисунок 1.3). По этой схеме будет работать и белорусская АЭС.

Отличительной особенностью двухконтурной схемы по сравнению с одноконтурной – наличие промежуточного теплообменника – парогенератора 2, где происходит передача тепла первого (реакторного) контура второму (турбинному).

Вода в ректоре выполняет функцию и теплоносителя и замедлителя, по этому признаку такой реактор называется водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР).

Цепочка превращения энергии в схеме АЭС такая: потенциальная энергия ядер горючего – кинетическая энергия осколков – тепловая энергия, воспринимаемая конструкционными материалами и снимаемая теплоносителем – механическая энергия (работа) вращения ротора турбины – электрическая энергия на клеммах электрогенератора, передаваемая потребителю. Кроме этой, условно говоря тепловой (температурной) цепочки, еще есть энергетическая цепочка, условно говоря (механическая), связанная с давлением теплоносителя – рабочего тела турбинного контура. Механическая работа сжатия рабочего тела в питательном насосе 6 приводит к повышению давления до нужной величины с тем, чтобы при расширении рабочего тела в турбине, эта работа сжатия и тепловая энергия, полученная теплоносителем в парогенераторе 2, превратились в механическую энергию (работу) турбины.

Все эти термодинамические преобразования энергии приводят к потерям энергии в технологическом процессе по тракту движения теплоносителя первого контура и теплоносителя – рабочего тела второго контура. А самая большая потеря (вернее сказать – организованный отвод) первичной энергии происходит при охлаждении теплоносителя в холодильнике (в нашем случае – в конденсаторе) из-за необходимости замыкания кругового процесса (термодинамического цикла). Ниже мы рассмотрим частичный или полный организованный отвод тепла для нужд потребителя в схемах совместного производства теплоты и электроэнергии (ТЭЦ и АТЭЦ).

Рисунок 1.3 – Принципиальная схема АЭС в двухконтурном исполнении:

1 – реактор; 2 – промежуточный теплообменник; 3 – циркулятор; 4 – турбина; 5 – холодильник (конденсатор); 6 – питательный насос (или компрессор); 7 - электрогенератор