7.7 Циклы атомных энергетических установок

В настоящее время широкое распространение в энергетике получили атомные электростанции, которые используют энергию, выделяющуюся в результате деления ядер тяжелых элементов. В качестве ядерного топлива в них используются уран и плутоний, а теплоносителем являются вода, газы (гелий, азот, углекислый газ), металлы (калий, натрий) и органические жидкости (углеводороды, дифенилоксид и др.). Атомная энергетическая установка включает ядерный реактор, парогенератор, паровую турбину, конденсаторы, насосы, радиационную защиту, систему управления реактором, циркуляционные контуры, вспомогательные агрегаты, электрогенератор и др.

Атомные энергетические установки могут быть одно-, двух- и трехконтурными. В одноконтурных ядерных энергетических установках рабочее тело из реактора направляется в турбину. В таких установках рабочее тело обладает радиоактивностью. Двух- и трехконтурные энергетические установки лишены этого недостатка.

7.7.1 Одноконтурные атомные установки. В атомном реакторе 1 (рис.7.18) за счет энергии атомного топлива рабочее тело нагревается и превращается в пар. Из реактора пар поступает в паровую турбину 2, где производит работу при расширении. Отработанный пар после турбины поступает в конденсатор 4. Конденсат с помощью насоса 5 вновь направляется в реактор. В качестве рабочего тела в одноконтурных атомных установках обычно используют органические теплоносители и воду.

Основным недостатком органических теплоносителей является высокая температура конденсации. Так, например, у дифенилоксида при давлении 0,015 МПа температура конденсации Т₂ составляет 470 К. Поэтому органические теплоносители в одноконтурной схеме приходится использовать с турбинами высокого давления, в которых отработавший пар направляется на нужды теплоснабжения.

Цикл одноконтурной атомной энергетической установки с насыщенным паром представлен на рис. 7.19. Он включает: следующие процессы: 4-1 – подогрев рабочего тела до температуры кипения; 1-2 – парообразование в ядерном реакторе; 2-3 – адиабатное расширение рабочего тела в турбине; 3-4 – отвод теплоты в конденсаторе при постоянном давлении.

7.7.2 Двухконтурные атомные установки (рис. 7.20). В двухконтурной атомной энергетической установке используются два теплоносителя. В первом контуре циркулирует промежуточный теплоноситель, а во втором – вода и водяной пар. Нагретый в ядерном реакторе 1 промежуточный теплоноситель поступает в парогенератор-теплообменник 2, где отдает теплоту рабочему телу второго контура.

Затем с помощью насоса-теплоносителя 3 подается в реактор. Водяной пар из парогенератора-теплообменника 2 поступает в паровую турбину 4. Из турбины влажный пар поступает в конденсатор 5, где полностью конденсируется и конденсат насосом 6 подается в парогенератор-теплообменник. В двухконтурных атомных энергетических установках второй контур установки обычно отделен от первого специальной биологической защитой. В качестве теплоносителя в первичном контуре используют воду, органические вещества и газы.

7

У насоса должен быть треугольник внутри круга.

Почему на рис. 7.18 2 секции, а на 7.20 и 7.21 – три?

.7.3 Трехконтурные атомные установки (рис. 7.21). Жидкие металлические теплоносители (калий, натрий) дают возможность увеличить начальную температуру рабочего тела, поступающего в турбину, то есть повысить термический КПД цикла и установки в целом. Однако, при контакте с тепловыделяющими элементами реактора

они становятся радиоактивными, а при контакте с водой и кислородом могут привести к взрыву. Поэтому в случае применения жидких металлических теплоносителей обычно используют трехконтурную тепловую схему.

В первом контуре циркулирует металлический теплоноситель (натрий или калий), во втором – натрий или натриево-калиевый сплав, в третьем – рабочее тело - вода и водяной пар. Второй и третий контуры не радиоактивны и не требуют отдельной биологической защиты.

Термический КПД атомных энергетических установок, как и парового цикла Карно, зависит от начальных и конечных параметров пара. Начальные параметры лимитируются допускаемой температурой покрытия тепловыделяющих элементов

реактора, которая составляет 400…600ºС, а также критической температурой ядерного топлива, при которой наступают фазовые превращения. На величину термического КПД наибольшее влияние оказывает термический КПД паросилового цикла. Действительный КПД современных атомных станций составляет 17…36%.