2.2.2. Атомные электростанции
Классификация и принцип действия АЭС.
Атомная электростанция (АЭС) — комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путём использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.
Основной
интерес для ядерной энергетики
представляет реакция деления ядра
,
которая имеет вид:
В результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.
Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.
Ядерные реакции происходят в ядерном реакторе (рис 3).
Рис. 3. Схема канального ядерного реактора
на тепловых нейтронах
Теплоноситель - вода, водяной пар, инертный газ или жидкий металл, служит для отвода тепла. Регулирующие стержни выполняют функцию регулирования мощности реактора, они вводятся в активную зону и изменяют поток нейтронов (захватывают нейтроны), а значит, и интенсивность ядерной реакции. Биологическая защита от радиации выполняется из слоя бетона в несколько метров толщиной - обеспечивает безопасность персонала и окружающей среды. Замедлитель служит для уменьшения энергии быстрых нейтронов до тепловых (≈0,025 эВ).
Атомные электростанции классифицируются в соответствии с установленными на них реакторами:
1) водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя;
2) графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;
3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;
4) графито-газовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.
Атомные станции по виду отпускаемой энергии можно разделить на:
Атомные электростанции (АЭС), предназначенные для выработки только электроэнергии
Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие как электроэнергию, так и тепловую энергию
Атомные станции теплоснабжения (АСТ), вырабатывающие только тепловую энергию
Существуют как одноконтурные АЭС, так и двух-трех-контурные (это зависит от типа ядерного реактора) (рис.4).
Рис.4. Принципиальная схема одноконтурной (а) и двухконтурной (б) АЭС:
1 - реактор; 2 - турбогенератор; 3 - конденсатор; 4 - циркуляционный насос;
5 – парогенератор
Одноконтурные схемы ядерных энергоустановок применяются в АЭС с газовыми и водяными реакторами; двухконтурные - в АЭС с водо-водяными реакторами; трехконтурные - в АЭС с жидкометаллическим теплоносителем.
Дополнительные контуры ядерных энергетических установок требуются для предотвращения выноса радионуклидов в последний контур с теплосиловым оборудованием. Они обеспечивают безопасную работу АЭС.
На рис. 5. показана схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим реактором. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель подаётся насосами в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.
Рис. 5. Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе (ВВЭР)
Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может доходить до 160 атмосфер (ВВЭР-1000).
Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя может применяться также расплавленный натрий или газ. Использование натрия позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в натриевом контуре не превышает атмосферное), избавиться от компенсатора давления, но создаёт свои трудности, связанные с повышенной химической активностью этого металла.