Принцип работы атомной электростанции — как устроены атомная электростанция и ядерный реактор

Как устроена АЭС?

Любая станция представляет собой закрытую территорию вдали от жилой зоны. На территории несколько построек. Наиболее важным зданием является здание реактора, рядом с ним машинный зал, из которого осуществляется управление реактором, и здание безопасности.

Схема АЭС невозможна без ядерного реактора. Ядерный реактор (ядерный реактор) — это блок атомной энергетической установки, который предназначен для организации цепной реакции деления нейтронов с обязательным выделением энергии в этом процессе. Но каков принцип работы атомной электростанции?

Вся реакторная установка размещена в здании реактора, большой бетонной башне, которая скрывает реактор и в случае аварии будет содержать все продукты ядерной реакции. Эта большая башня называется защитной оболочкой, герметичной оболочкой или защитной оболочкой.

Защитная зона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стены — оболочки.
Внешняя оболочка толщиной 80 см защищает зону содержания от внешних воздействий.

Внутренняя оболочка толщиной 1 метр 20 см имеет в составе специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. С внутренней стороны он облицован тонкой пластиной из специальной стали, которая призвана служить дополнительной защитой защитной оболочки и в случае аварии не допускать выброса содержимого реактора за пределы защитной зоны.

Такой блок АЭС выдерживает падение самолета массой до 200 тонн, землетрясение магнитудой 8, смерч и цунами.

Первый сосуд высокого давления был построен на американской атомной электростанции «Коннектикут Янки» в 1968 году.

Общая высота зоны содержания составляет 50-60 метров.

Аварии с радиоактивными выбросами

Если мы уже говорим об авариях на АЭС, давайте обсудим, как они классифицируются и какие из них были самыми крупными.

Для классификации аварий по степени их тяжести и воздействия на людей и природу они делятся на 7 степеней по Международной шкале ядерных событий и получают определенный уровень INES. По этому уровню можно судить о том, пострадали ли люди и насколько сильно пострадало оборудование самой станции. Не все уровни считаются опасными.

Например, события на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 г.) и на АЭС Фукусима-1 (11 марта 2011 г.) соответствовали максимальному седьмому уровню, а некоторые аварии, о которых почти никто не знал, соответствовал четвертому уровню. Например, взрыв на Сибирском химкомбинате (Россия, 1993 г.), авария на АЭС Токаймура (Япония, 1999 г.) и авария в Институте радиоэлементов во Флерюсе (Бельгия, 2006 г).

Это Меловая река.

Раз уж речь зашла об авариях, то стоит упомянуть первую аварию с радиоактивным загрязнением. Это произошло в лаборатории Чок-Ривер 12 декабря 1952 года.

Произошло это из-за серии ошибок оператора и сбоев в системе аварийной остановки. Реактор в лаборатории перешел в сверхкритический режим. Цепная реакция поддерживалась сама собой и выделение энергии превышало норму в несколько раз. В результате была повреждена активная зона и в подвал вылились радиоактивные продукты деления с большим периодом полураспада вместе с большим количеством охлаждающей воды. За год эксплуатации реактор был полностью восстановлен.

Как видите, аварии случаются, и порой их масштабы пугают, но все же, по статистике, эксплуатация АЭС гораздо безопаснее и приносит меньше вреда, чем сжигание топлива. Разница в экологичности достигает уже трех-четырехкратного уровня. На подходе термоядерные реакторы, которые должны сделать процесс еще более экологичным. Пока проблема в основном только в отработанном топливе. Его надо как-то отключить и похоронить. Над этим работают ученые. Будем надеяться, что они исправят эту проблему.

Особенности атомной энергетики

Самый большой плюс – выработка огромного количества энергии при минимальном расходе топлива практически без загрязнения окружающей среды. Принцип работы ядерного реактора на АЭС основан на простой паровой машине и использует воду в качестве основного элемента (не считая самого топлива), поэтому с экологической точки зрения ущерб минимален.

Потенциальная опасность силовых установок этого типа сильно преувеличена. Причины Чернобыльской катастрофы до сих пор достоверно не установлены (об этом ниже), и более того, вся информация, собранная в рамках расследования, позволила модернизировать существующие станции, исключив даже маловероятные варианты выбросов радиации. Экологи иногда говорят, что такие станции являются мощным источником теплового загрязнения, но это тоже не совсем так.

На самом деле горячая вода из вторичного контура поступает в водоемы, но чаще всего используются их искусственные варианты, созданные специально для этого, а в остальных случаях доля такого повышения температуры не идет ни в какое сравнение с загрязнением от других источников энергии.

Фукусима

Это еще один пример глобальной катастрофы, связанной с атомной электростанцией. И в этом случае тоже причиной стала цепочка несчастных случаев. Станция была надежно защищена от землетрясений и цунами, нередких на японском побережье.

Мало кто мог предположить, что оба эти события произойдут одновременно. Принцип работы генератора АЭС Фукусима предполагал использование внешних источников энергии для поддержания в работе всего комплекса безопасности. Это разумная мера, так как получить энергию от самой станции во время аварии будет сложно. Из-за землетрясения и цунами все эти источники вышли из строя, что привело к расплавлению реакторов и возникновению катастрофы. Сейчас принимаются меры по устранению повреждений. По мнению экспертов, на это уйдет еще 40 лет.

Из чего состоит атомный реактор?

Чтобы понять принцип работы ядерного реактора, а значит и принцип работы атомной электростанции, необходимо разобраться в составных частях реактора.

• Активная зона. Это область, где находится ядерное горючее (тепловыделение) и замедлитель. Атомы топлива (чаще всего топливом является уран) осуществляют цепную реакцию деления. Замедлитель предназначен для управления процессом деления, позволяя выполнять реакции, требуемые по скорости и силе.
• Нейтронный отражатель. Рефлектор окружает активную зону. Он состоит из того же материала, что и модератор. По сути, это ящик, основное назначение которого — не допустить выхода нейтронов из ядра и попадания в окружающую среду.
• Охлаждающая жидкость. Теплоноситель должен поглощать выделяющееся при делении атомов топлива тепло и передавать его другим веществам. Теплоноситель во многом определяет конструкцию атомной электростанции. Самым популярным теплоносителем на сегодняшний день является вода.
  Система управления реактором. Датчики и механизмы, приводящие в действие реактор АЭС.

Турбина и генератор

Пар из парогенератора поступает в турбину, где энергия пара преобразуется в механическую работу. В паровой турбине потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую энергию, которая в свою очередь преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины, а она уже вращает ротор электрогенератора. Теперь механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

Пар, проходящий через турбину, поступает в конденсатор. Здесь пар охлаждается, конденсируется и превращается в воду. По второму контуру он поступает в парогенератор, где снова превращается в пар. Конденсатор охлаждается большим количеством воды из внешнего открытого источника, такого как резервуар или пруд-охладитель. Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, как мы помним, которая является радиоактивной, что облегчает ремонт и уменьшает количество радиоактивных отходов при останове и демонтаже станции.

Топливо для АЭС

Что делает атомная электростанция? Топливом для атомных электростанций являются химические элементы с радиоактивными свойствами. На всех АЭС таким элементом является уран.

Конструкция станций означает, что АЭС работают на сложном композиционном топливе, а не на чистом химическом элементе. А для извлечения уранового топлива из природного урана, который загружается в ядерный реактор, нужно произвести множество манипуляций.

Обогащенный уран

Уран состоит из двух изотопов, то есть содержит ядра с разными массами. Они были названы по числу протонов и нейтронов изотопа -235 и изотопа -238. Ученые 20 века начали извлекать из руды уран-235, потому что он легче разлагался и трансформировался. Оказалось, что такого урана в природе всего 0,7% (остальные проценты пошли на изотопа 238).

Что делать в этом случае? Они решили обогатить уран. Обогащение урана – это процесс, когда в нем остается много нужных изотопов 235х и мало ненужных изотопов 238х. Задача обогатителей урана — сделать почти 100% уран-235 из 0,7.

Уран можно обогащать с помощью двух технологий – газодиффузионной или газовой центрифуги. Для их использования добытый из руды уран переводят в газообразную форму. В виде газа он обогащается.

Урановый порошок

Обогащенный газообразный уран переводится в твердое состояние – диоксид урана. Этот чистый твердый уран 235 выглядит как большие белые кристаллы, которые позже измельчаются в урановый порошок.

Таблетки урана

Таблетки урана представляют собой сплошные металлические диски длиной в пару сантиметров. Для формирования таких таблеток из порошка урана его смешивают с веществом — пластификатором, улучшающим качество прессования таблеток.

Прессованные диски запекают при температуре 1200 градусов Цельсия более суток, чтобы придать таблеткам особую прочность и устойчивость к высоким температурам. То, как работает атомная электростанция, напрямую зависит от того, насколько хорошо сжато и обожжено урановое топливо.

Таблетки запекают в молибденовых коробочках, ведь только этот металл способен не плавиться при «адских» температурах выше полутора тысяч градусов. После этого урановое топливо для АЭС считается готовым.

Проблема топлива

Не последнюю роль в популярности АЭС играет топливо – уран-235. Ему требуется гораздо меньше, чем любому другому виду, при одновременном колоссальном выделении энергии. Принцип работы реактора АЭС предполагает использование этого топлива в виде специальных «таблеток», помещенных в стержни. По сути, единственная сложность в данном случае – создать именно такую ​​форму. Тем не менее в последнее время стала появляться информация о том, что нынешних мировых запасов тоже надолго не хватит. Но это уже данность. Новейшие трехконтурные реакторы работают на уране-238, которого очень много, и проблема нехватки топлива надолго отпадет.

Ядерный реактор

Реактор атомной электростанции представляет собой конструктивно выделенный объем, куда загружается ядерное топливо и где протекает управляемая цепная реакция. Ядерный реактор можно сравнить с сильно железобетонным бункером. Он имеет стальной корпус и помещен в герметичную оболочку из железобетона.

Эффект Вавилова-Черенкова (излучение Вавилова-Черенкова) — это свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде.

Пространство, в котором происходит реакция ядерного деления, называется «активной зоной ядерного реактора». В процессе выделяется большое количество энергии в виде тепла, которое нагревает теплоноситель. В большинстве случаев теплоносителем является чистая вода. Правда, предварительно его очищают от разных примесей и газов. Он подается снизу в активную зону реактора с помощью главных циркуляционных насосов.

Это теплоноситель, который переносит тепло за пределы реактора. Он циркулирует в замкнутой системе труб — контуре. Первый контур нужен для того, чтобы отбирать тепло от нагретого реакцией деления реактора (охлаждать его) и передавать дальше. Первый контур радиоактивный, но в него входит не все оборудование станции, а только его часть, в основном ядерный реактор.

Активная зона ядерного реактора содержит ядерное топливо и, за редким исключением, так называемый замедлитель. Как правило, большинство типов реакторов используют в качестве топлива уран-235 или плутоний-239.

Для возможности использования ядерного топлива в реакторе его изначально помещают в тепловыделяющие элементы — твэлы. Это герметичные трубки из стали или сплавов циркония с внешним диаметром около одного сантиметра и длиной от десятков до сотен сантиметров, которые заполняются таблетками ядерного топлива. При этом в качестве топлива выступает не чистый химический элемент, а его соединение, например, оксид урана UO2. Все это происходит на заводе, где производится ядерное топливо.

Для упрощения учета и движения ядерного топлива в реакторе твэлы собираются в твэлы по 150–350 штук. При этом в активной зоне реактора обычно размещают 200–450 таких сборок. Они установлены в рабочих каналах активной зоны реактора.

Именно твэлы являются важнейшим конструктивным элементом активной зоны большинства ядерных реакторов. В них происходит деление тяжелых ядер, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передается теплоносителю. Конструкция твэла должна обеспечивать отвод тепла от топлива к теплоносителю и исключать попадание продуктов деления в теплоноситель.

В ходе ядерных реакций обычно образуются быстрые нейтроны, т е нейтроны с большой кинетической энергией. Если не уменьшить их скорость, ядерная реакция со временем может затухнуть. Модератор решает задачу снижения скорости нейтронов. Замедлителем, широко используемым в ядерных реакторах, является вода, бериллий или графит. Но лучшим замедлителем является тяжелая вода (D2O).

Здесь следует добавить, что по уровню энергии нейтронов реакторы делятся на два основных класса: тепловые (на тепловых нейтронах) и быстрые (на быстрых нейтронах). Сегодня в мире работают всего два реактора на быстрых нейтронах, и оба находятся в России. Они установлены на Белоярской АЭС. Однако использование реакторов на быстрых нейтронах перспективно, и интерес к этой области энергетики сохраняется. Реакторы на быстрых нейтронах вскоре могут появиться и в других странах.

Так что в реакторах на быстрых нейтронах замедлитель не нужен, они работают по другому принципу. Но и здесь система охлаждения реактора должна быть построена по-другому. Вода, используемая в качестве теплоносителя в тепловых реакторах, является хорошим замедлителем, и ее использование в этом качестве в быстрых реакторах невозможно. Здесь можно использовать только легкоплавкие металлы, такие как ртуть, натрий и свинец.

Кроме того, в быстрых реакторах используются и другие виды топлива — уран-238 и торий-232. При этом уран-238 гораздо более распространен в природе, чем его «собрат» уран-235. Строительство АЭС с реакторами на быстрых нейтронах может значительно расширить топливную базу ядерной энергетики.

Для предотвращения попадания нейтронов в окружающую среду активная зона реактора окружена отражателем. В качестве материала для рефлекторов часто используют те же вещества, что и в замедлителях. Кроме того, наличие отражателя необходимо для повышения эффективности использования ядерного топлива, так как отражатель возвращает в активную зону часть нейтронов, вылетающих из зоны.

Читайте также: Как найти эквивалентное сопротивление?

Что такое ТВЭЛ и ТВС?

Активная зона реактора выглядит как огромный диск или труба с отверстиями в стенках (в зависимости от типа реактора), размером в 5 раз больше человеческого тела. Эти отверстия содержат урановое топливо, атомы которого осуществляют нужную реакцию.

Невозможно просто закинуть топливо в реактор, ну если не хочется взрыва всей станции и аварии с последствиями для пары близлежащих штатов. Поэтому урановое топливо помещают в твэлы, а затем собирают в твэлы. Что означают эти сокращения?

• ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент (не путать с одноименным названием российской компании, их выпускающей). По сути, это тонкая и длинная циркониевая трубка из сплавов циркония, в которую помещены таблетки урана.Именно в твэлах атомы урана начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя в ходе реакции тепло.

Цирконий был выбран в качестве материала для изготовления твэлов благодаря его тугоплавкости и антикоррозионным свойствам.

Тип топливных элементов зависит от типа и конструкции реактора. Как правило, конструкция и назначение твэлов не меняется, длина и ширина трубы могут быть разными.

В одну циркониевую трубу машина загружает более 200 урановых таблеток. Всего в реакторе одновременно работает около 10 миллионов урановых таблеток.
ТВС — ТВС. Работники АЭС вызывают пакеты с топливом.

По сути, это несколько ТВЭЛов, соединенных вместе. Топливные элементы – это готовое ядерное топливо, на котором работает атомная электростанция. Есть тепловыделяющие элементы, которые загружаются в ядерный реактор. В реактор помещается примерно 150-400 твэлов.
В зависимости от того, в каком реакторе будет работать топливо, они бывают разных форм. Иногда связки складываются кубической, иногда цилиндрической, иногда шестиугольной формы.

один топливный элемент за 4 года работы вырабатывает такое же количество энергии, как при сжигании 670 вагонов с углем, 730 цистерн с природным газом или 900 цистерн с нефтью.
Сегодня топливные элементы производятся в основном на заводах в России, Франции, США и Японии.

Для доставки топлива на АЭС других стран твэлы запаивают в длинные и широкие металлические трубы, из труб откачивают воздух и доставляют на борт грузовых самолетов специальными машинами.

Ядерное топливо для АЭС весит запредельно много, ведь уран — один из самых тяжелых металлов на планете. Его удельный вес в 2,5 раза больше, чем у стали.

Парогенератор

Вернемся к процессу преобразования ядерной энергии в электрическую. Парогенераторы используются для производства пара на атомных электростанциях. Они получают тепло от реактора, оно поступает с теплоносителем первого контура, а пар нужен для вращения паровых турбин.

Парогенераторы применяются на двух- и трехконтурных АЭС. В одиночном контуре их роль выполняет сам ядерный реактор. Это так называемые кипящие реакторы, где пар вырабатывается непосредственно в активной зоне, после чего направляется на турбину. В схеме таких АЭС отсутствует парогенератор. Примером электростанции с такими реакторами является японская АЭС «Фукусима-1».

Вода первого контура, циркулирующая через активную зону реактора, омывает твэлы, нагревается до температуры кипения 320–330°С, повышает давление в первом контуре. В современных реакторах типа ВВЭР (энергетические реакторы с охлаждением под давлением — они составляют основу мировой атомной энергетики) давление в первом контуре достигает 160 атмосфер.

Эта очень горячая вода затем перекачивается из реактора через парогенератор, где отдает часть тепла и снова возвращается в реактор. В парогенераторе это тепло передается вторичной воде. Это контур так называемого рабочего тела, т.е рабочего тела, преобразующего тепловую энергию в механическую. Эта вода, находящаяся под гораздо более низким давлением (половина давления в первом контуре или меньше), поэтому и закипает. Образовавшийся пар высокого давления поступает на лопатки турбины.

Сколько энергии вырабатывает АЭС

Конечно, первую атомную электростанцию ​​сложно сравнить с современными, но именно она положила начало новому способу получения энергии, как первый iPhone, запустивший процесс смартфона, и серийный Ford T машины.

С тех пор количество АЭС в мире резко увеличилось и достигло 192 блоков, из них 10 расположены в России (всего 33 энергоблока). По этому показателю наша страна занимает восьмое место в мире, а по мощности – четвертое. Подробнее об этом мы поговорим в конце статьи.

Суммарная мощность реакторов составляет примерно 392 ГВт. Лидерами являются США (103 ГВт), Франция (66 ГВт), Япония (46 ГВт), Россия (25 ГВт) и Южная Корея (21 ГВт). По статистике атомные электростанции обеспечивают 16 процентов потребляемой в мире электроэнергии.

Поговорим немного о загрязнении: Самое радиоактивное место на земле. И это не Чернобыль

Большой интерес к атомным электростанциям и их широкое применение объясняется тем, что КПД составляет 40-45 процентов и более, а риск гораздо ниже, даже несмотря на все происходившие страшные аварии. С одной стороны, кажется, что если он взорвется, то работать будет мало, а с другой стороны, по статистике, число жертв на 1 полученный киловатт у АЭС в 43 раза меньше, чем у ТЭС.

ТЭЦ – это тоже здание.

Защитные механизмы АЭС

Все атомные электростанции должны быть оснащены интегрированными системами безопасности, такими как:

• локализация — ограничение распространения вредных веществ в случае аварии, повлекшей за собой выброс радиации;
• обеспечить — подавать определенное количество энергии для стабильной работы систем;
• менеджеры — служат для обеспечения нормального функционирования всех систем защиты.

Кроме того, реактор может быть остановлен в аварийной ситуации. В этом случае автоматическая защита прервет цепные реакции, если температура в реакторе продолжит расти. Эта мера впоследствии потребует серьезных восстановительных работ для ввода реактора в эксплуатацию.

После того, как на Чернобыльской АЭС произошла опасная авария, причиной которой оказалось несовершенство конструкции реактора, больше внимания стали уделять мерам защиты, а также проводились проектные работы по обеспечению большей надежности реакторов.

Атомная электростанция: принцип работы

Каков принцип работы атомной электростанции? Принцип работы атомных электростанций основан на цепной реакции деления атомов радиоактивного вещества – урана. Эта реакция происходит в активной зоне ядерного реактора.

Если не вдаваться в трудности ядерной физики, то принцип работы АЭС выглядит так:
После пуска ядерного реактора из твэлов удаляются поглощающие стержни, препятствующие реакции урана.

Как только стержни удаляются, нейтроны урана начинают взаимодействовать друг с другом.

При столкновении нейтронов происходит мини-взрыв на атомном уровне, выделяется энергия и рождаются новые нейтроны, начинает происходить цепная реакция. Этот процесс выделяет тепло.

Тепло передается охлаждающей жидкости. В зависимости от типа теплоносителя он превращается в пар или газ, который вращает турбину.

Турбина приводит в действие электрогенератор. Он тот, кто на самом деле производит электричество.

Если не следовать этому процессу, нейтроны урана могут сталкиваться друг с другом до тех пор, пока не взорвется реактор и не разлетится на куски вся атомная электростанция. Датчики данных контролируют процесс. Они обнаруживают повышение температуры или изменение давления в реакторе и могут автоматически останавливать реакции.

Чем отличается принцип действия атомных электростанций от тепловых электростанций (ТЭС)?

Отличия в работе есть только на первых этапах. В атомных электростанциях теплоноситель получает тепло от деления атомов уранового топлива, в тепловых электростанциях теплоноситель получает тепло от сжигания органического топлива (угля, газа или нефти). После того, как атомы урана или газ с углем выделили тепло, графики работы атомных электростанций и тепловых электростанций совпадают.

Опасны ли атомные станции

В результате мы получаем ситуацию, когда атомная энергетика напоминает ситуацию с самолетами. Многие их боятся, но на самом деле риск погибнуть на улице в сотни раз выше, чем разбиться в самолете. Просто аварии имеют большой резонанс и один раз гибнет несколько человек, но такие аварии случаются редко.

Помимо систем самой АЭС, о которых мы поговорим ниже, они сопровождаются серьезными мерами предосторожности. Честно говоря, когда я был возле АЭС в Воронеже, мне было немного не по себе, но когда я собрал больше информации, то понял, что переоценил ситуацию.

Вокруг каждой атомной электростанции есть не менее 30-километровой зоны, где ведется постоянный мониторинг ситуации и экологической обстановки. Это не зона отчуждения, в ней могут жить люди и даже заниматься сельским хозяйством. Ограничения распространяются только на трехкилометровую зону в непосредственной близости от станции. Но опять же, это делается только для обеспечения дополнительной безопасности, а не потому, что там опасно находиться.

Так выглядит зона безопасности вокруг Балаковской АЭС.

Вероятно, наиболее опасным периодом работы станции является момент загрузки топлива. Именно в это время открывается реактор и есть небольшой риск выброса радиоактивных отходов в воздух. Правда, делается это не часто (в среднем раз в год), и релиз будет очень маленьким.

Типы ядерных реакторов

То, как работает атомная электростанция, зависит от того, как работает ядерный реактор. На сегодняшний день существует два основных типа реакторов, которые классифицируют по спектру нейронов:
Реактор на медленных нейтронах, также называемый тепловым реактором.

Для работы используется уран 235, который проходит стадии обогащения, формирования урановых таблеток и т д. Сегодня подавляющее большинство реакторов основано на медленных нейтронах.
Реактор на быстрых нейтронах.

За этими реакторами будущее, потому что они работают на уране-238, которого в природе пруд пруди, и нет необходимости обогащать этот элемент. Недостаток таких реакторов заключается лишь в очень больших затратах на проектирование, строительство и запуск. Сегодня реакторы на быстрых нейтронах работают только в России.

Теплоносителем в реакторах на быстрых нейтронах является ртуть, газ, натрий или свинец.

Реакторы на медленных нейтронах, которые в настоящее время используются на всех атомных электростанциях мира, также существуют нескольких типов.

Организация МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) создала собственную классификацию, которая наиболее часто используется в мировой атомной отрасли. Поскольку принцип работы АЭС во многом зависит от выбора теплоносителя и замедлителя, МАГАТЭ основывает свою классификацию на этих различиях.

1. PWR (реакторы с водой под давлением) — водо-водяной реактор (водяной реактор с водой под давлением). В странах СНГ такие реакторы обозначаются аббревиатурой ВВЭР. В качестве теплоносителя и замедлителя они используют обычную воду. В мире наиболее распространены водо-водяные реакторы (около 62% всех реакторов).
   Реакторы с водой под давлением дешевы и практичны, потому что вода не воспламеняется, не затвердевает и относительно безопасна в использовании.
2. BWR (boiling water реактор) — кипящий реактор или реактор с кипящей водой. Принцип работы АЭС на таком реакторе очень похож на то, как работает АЭС на ВВЭР. В кипящем реакторе тоже используется обычная вода, единственная его функция в том, что сразу в активной зоне образуется пар. В водо-водяном реакторе сначала нагревается вода, которая затем через несколько стадий превращается в пар, в кипящих реакторах тепло передается сразу кипящей воде, которая сразу же превращается в горячий пар. Реакторы с кипящей водой довольно распространены, они составляют 20% всех ядерных реакторов в мире.
3. ЛВГР (легко-водяной графитовый реактор) — графитово-водяной реактор, ГВР, ВРГ или уран-графитовый реактор. В качестве замедлителя в этом типе реакторов используется графит, а в качестве теплоносителя используется обычная вода. В основе плана эксплуатации атомной электростанции, запущенной впервые в мире, лежал водо-графитовый реактор. Сегодня такие реакторы используются редко, большая их часть находится в России.
4. PHWR (реактор с тяжелой водой под давлением) — тяжеловодный реактор. В таких реакторах в качестве теплоносителя и замедлителя используется тяжелая вода (D2O), иначе ее называют тяжелой водородной водой или оксидом дейтерия.

С химической точки зрения оксид дейтерия является идеальным замедлителем и теплоносителем, поскольку его атомы наиболее эффективно взаимодействуют с нейтронами в уране по сравнению с другими веществами. Проще говоря, тяжелая вода выполняет свою задачу с минимальными потерями и максимальным результатом. Однако производство стоит денег, при этом гораздо проще использовать обычную «легкую» и привычную для нас воду.

Несколько фактов об атомных реакторах…

Интересно, что один реактор АЭС строится минимум на 3 года!
Чтобы построить реактор, нужно оборудование, работающее на электрическом токе в 210 килоампер, что в миллион раз превышает ток, который может убить человека.

Одна оболочка (конструктивный элемент) ядерного реактора весит 150 тонн. Таких элементов в реакторе 6.

Реактор с водой под давлением

Мы уже разобрались, как вообще работает атомная энергетическая установка, чтобы «разобраться» посмотрим, как работает самый популярный ядерный реактор под давлением.
Сегодня во всем мире используются водо-водяные реакторы поколения 3+. Они считаются самыми надежными и безопасными.

Все водо-водяные реакторы мира за все годы эксплуатации в сумме уже успели отработать более 1000 лет безаварийной работы и ни разу не дали серьезных отклонений.

Конструкция АЭС на основе водо-водяных реакторов такова, что между твэлами циркулирует дистиллированная вода, нагретая до 320 градусов. Чтобы он не перешел в парообразное состояние, его держат под давлением 160 атмосфер. На схеме АЭС это называется первичной водой.

Нагретая вода поступает в парогенератор и отдает свое тепло воде второго контура, после чего снова «возвращается» в реактор. Внешне это выглядит так, как будто трубы первого контура воды соприкасаются с другими трубами – вода во втором контуре передает тепло друг другу, а вода не соприкасается. Трубки соприкасаются.

Таким образом, исключается возможность попадания радиации в воду во вторичном контуре, которая в дальнейшем будет участвовать в процессе выработки электроэнергии.

Как дальше работают АЭС, уже хорошо известно — вторичная вода в парогенераторах превращается в пар, пар вращает турбину, а турбина приводит в действие электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию.

Чернобыль

Считается, что основной причиной катастрофы стал принцип работы Чернобыльской АЭС. Официально существует две версии случившегося. Одна за другой проблема возникала из-за неправильных действий операторов реактора. По второму — из-за неудачной конструкции силовой установки. Однако принцип работы Чернобыльской АЭС был использован и на других объектах этого типа, функционирующих в штатном режиме и по сей день.

Есть мнение, что произошла цепочка случайностей, повторить которую практически невозможно. Это небольшое землетрясение в том районе, эксперимент с реактором, мелкие проблемы в самой конструкции и так далее. Вместе это вызвало взрыв. Причина, вызвавшая резкий рост мощности реактора, когда этого не должно было быть, до сих пор неизвестна. Было даже мнение о возможной диверсии, но доказать что-либо до сегодняшнего дня не удалось.

Принцип работы современной атомной электростанции

Действующая атомная станция представляет собой простой технологический комплекс конструкций и размещенного внутри них функционально систематизированного оборудования, оснащенного всей необходимой аппаратурой управления, защиты и сигнализации.

Работа любой атомной электростанции всегда основана на контролируемой, управляемой (невзрывной) ядерной реакции — цепной реакции, приводящей к образованию медленных (тепловых) нейтронов.

Небольшое отступление от курса ядерной физики:

1. В процессе ядерной реакции образуются быстрые нейтроны, у которых происходит преобразование их кинетической энергии в тепловую, что приводит к появлению тепловых нейтронов. Преобразования, происходящие в результате их столкновений с ядрами материи.
2. Для использования топлива с меньшей концентрацией делящегося материала на АЭС устанавливаются замедлители нейтронов.
3. Эффект использования медленных нейтронов для расщепления атомного ядра, ставший «ключом» к созданию ядерного реактора, был открыт 22 октября 1934 года итальянскими учеными во главе с выдающимся физиком своего времени Энрико Ферми. Именно тогда группе ученых удалось с помощью керосина или воды «замедлить» движение быстрых нейтронов, медленное движение которых ускоряло ядерный процесс. Звучит парадоксально, но именно так и происходит.

Ядерный реактор

Сердцем атомной электростанции является реактор – собственно блок, в котором осуществляется ядерная реакция, заключенный в огромную бетонную башню, также называемую защитной оболочкой, защитной зоной или герметичной оболочкой. Именно она призвана защитить окружающую среду от пагубных последствий аварии. Для этого в башне имеется два корпуса:

• Внешний вид (толщина — 80 см) выступает в качестве барьера для возможных воздействий, производимых снаружи реактора.
• Внутренняя (толщина — 1 метр 20 см) конструктивно усилена стальными тросами, в 3 раза увеличивающими прочность самой конструкции. Изнутри он покрыт слоем специальной стали, служащей дополнительной защитой от выброса внутреннего содержимого реактора из защитной оболочки в аварийных ситуациях.

Для запуска процесса в реактор загружают ядерное топливо. Как правило, это уран-235 или плутоний-239. Химические элементы, имеющие склонность к делению, которое происходит под действием нейтронного воздействия на их атомы, сопровождающееся рядом физических процессов и явлений. В том числе выделение значительного количества тепла.

Технически все происходящее осуществляется благодаря следующим сооружениям и оборудованию:

• Активная зона, в которой находится ядерное топливо, предназначена для выделения из него тепла, а замедлитель — для управления процессами, происходящими внутри реактора. Само ядерное топливо представлено в виде урановых таблеток, уложенных внутри циркониевых трубок — ТВЭЛов (твэлов), которые, в свою очередь, сформированы в пучки — ТВС (твэлы).
• Отражатель, способный удерживать нейтроны в активной зоне.
• Теплоноситель, собирающий тепло, выделяющееся при ядерной реакции.

Типы реактора

Одиночный контур. Практически реализуется на базе реакторов РБМК-1000 (реактор канальный большой мощности), которые вместе с 2-мя конденсационными турбинами и 2-мя генераторами образуют единый энергоблок. Поскольку пар генерируется непосредственно в активной зоне (кипящий реактор) и оттуда сразу направляется на турбину, дополнительный теплоноситель не требуется.

Однако, несмотря на крайнюю простоту конструкции, возникают значительные трудности с реализацией биобезопасности, в связи с широким распространением радиоактивности по всему энергоблоку. Именно поэтому на сегодняшний день на территории Российской Федерации продолжают работать только 4 реактора этого типа.

Двойной контур. Самые распространенные водо-водяные реакторы типа ВВЭР в мире. В первом контуре вода под давлением поступает в активную зону (водяной реактор), где подвергается процессу нагрева. Затем передать тепло через парогенератор во второй водяной контур, который вырабатывает насыщенный пар для привода турбины. Важнейшей особенностью такой компоновки является отсутствие радиоактивности во втором контуре реактора.

Сегодня водо-водяные реакторы, которые вместе с одной (1000 МВт) или двумя (по 500 МВт) конденсационными турбинами составляют единый энергоблок, работают на 6 АЭС в РФ.

Трехконтурный. Наиболее перспективным направлением является использование как урана-238 — сырья, не требующего обогащения и достаточно широко распространенного в природе, так и отработавшего ядерного топлива. Последнее открывает широчайшие возможности для создания замкнутых контуров использования «отходов» атомных электростанций, что в 10 раз увеличивает сырьевой потенциал атомной энергетики, который может быть использован в течение следующих тысячелетий.

Здесь в качестве теплоносителя первых двух контуров реактора используется натрий типа БН, хотя можно использовать и газ, ртуть и свинец. Также во втором контуре они уже не будут радиоактивными. А в третьем они будут передавать свою тепловую энергию воде, чтобы потом преобразовать ее в насыщенный пар, который вращает лопасти турбины. Сегодня в нашей стране реакторы БН-600 и БН-800 эксплуатируются только на Белоярской АЭС.

Турбинный зал и оборотная система охлаждения

Выработка тепловой энергии с помощью ядерного реактора не является конечной целью создания атомной электростанции.

Парогенераторы, принимающие и преобразующие его в насыщенный пар, расположены в здании машинного зала. Существуют также турбины, вращающиеся под действием пара, которые передают кинетическую энергию коаксиальным (находящимся с ними на одной оси) генераторам. Затем он преобразуется в электроэнергию, которая транспортируется к потребителям по высоковольтным линиям электропередач.

Параллельно с этим действует и другая технологическая цепочка, возвращающая теплоноситель первого контура в реактор. Конденсатор и насос конденсатора (оборудование, расположенное в машзале) собирают, охлаждают и перекачивают конденсат таким образом, что циркуляционный насос, расположенный в реакторном зале, подает его непосредственно в реактор, замыкая тем самым контур циркуляции теплоносителя первого контура.

Для отвода избыточного тепла в атмосферу атомные электростанции оборудуются циркуляционной системой охлаждения, включающей:

• градирни – огромные бетонные башни, сужающиеся кверху;
• пруды-охладители естественного или искусственного происхождения;
• брызгальные бассейны;
• трубопроводы и насосы.