Принцип работы АЭС: особенности атомных электростанций

Зачем нужны электростанции?

Электростанцию ​​смело можно назвать одним из важнейших сооружений, необходимых для обеспечения жизнедеятельности населения. Без электричества сегодня не может существовать ни один населенный пункт или предприятие. Современные электростанции строятся вдали от густонаселенных мест, состоят из комплекса зданий и сооружений, делятся на различные виды и виды, объединенные по общему принципу. Он заключается в том, что все они работают от системы генераторов, вырабатывающих энергию за счет вращения оси.

Основы функционирования электростанций

Вне зависимости от того, какие электростанции есть, в основном они используют энергию вращения вала генератора. Назначение генератора:

1. Он должен обеспечивать длительную устойчивую параллельную работу с энергосистемами различной мощности, а также работу на автономную нагрузку
2. Выдерживает мгновенный разряд и скачок заряда, сравнимый с его номинальной мощностью
3. Выполняет защитную функцию за счет наличия специальных устройств
4. Запустить двигатель, обеспечивающий работу станции

Электростанции являются наиболее оптимальным способом получения энергии по целому ряду факторов. На сегодняшний день не существует аналогичных методов, которые могут гарантировать производство электроэнергии в таких больших масштабах.

Типы электростанций и особенности их технологического процесса

Генераторная установка — совокупность установок, оборудования и устройств, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимых для этого установок и зданий, расположенных на определенной территории. В зависимости от источника питания различают:

• тепловые электростанции (ТЭС), работающие на природном топливе;
• гидроэлектростанции (ГЭС), использующие энергию воды, выпадающей из запруженных рек;
• атомные электростанции (АЭС), использующие ядерную энергию;
• нетрадиционные электростанции (прочие), использующие ветровую, солнечную, геотермальную и другие виды энергии.

Наша страна производит и потребляет огромное количество электроэнергии. Он производится почти полностью тремя основными типами электростанций: тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями. В России большая часть электроэнергии производится на тепловых электростанциях. ТЭС строятся в районах добычи топлива или в районах энергопотребления.

ГЭС выгодно строить на полноводных горных реках, поэтому самые крупные ГЭС строятся на сибирских реках — Енисее и Ангаре. Но и каскады ГЭС построены на равнинных реках — Волге, Каме. Атомные электростанции строятся в районах, где потребляется много энергии и недостаточно других энергоресурсов (в западной части страны). Основным типом электростанций в России являются тепловые (ТЭС).

Тепловые электростанции

Тепловые электростанции (ТЭС) Самые мощные тепловые электростанции расположены в местах добычи топлива. Тепловые электростанции, использующие высококалорийные транспортабельные виды топлива, ориентированы на потребителя. Принципиальная схема тепловой электростанции показана на рис. 1. Следует учитывать, что в его конструкции может быть предусмотрено несколько контуров: теплоноситель от теплогенератора

реактор может не идти непосредственно на турбину, а передавать свое тепло в теплообменнике теплоносителю следующего контура, который уже может поступать в турбину, или может передавать свою энергию следующему контуру. Также в любой силовой установке предусмотрена система охлаждения отработанного теплоносителя для доведения температуры теплоносителя до значения, необходимого для рециркуляции.

Рис. 1. Принципиальная схема ТЭЦ с промежуточным подогревом

Если рядом с ТЭЦ есть населенный пункт, то теплота отработанного теплоносителя используется для нагрева воды в системе отопления или горячего водоснабжения дома, а если нет, то избыточное тепло от отработанного теплоносителя просто Сбрасывается в атмосферу в градирнях или в водоем-охладитель (пруд, озеро, река.

ТЭС вырабатывают электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании ископаемого топлива. В основном на большинстве тепловых электростанций используются паровые тепловые турбины (ПТЭ), в которых тепловая энергия используется в парогенераторе для производства пара высокого давления, который приводит в движение ротор паровой турбины, соединенный с ротором электрогенератора (обычно синхронный генератор). В качестве топлива эти ТЭС используют уголь (в основном), мазут, природный газ, бурый уголь, торф и сланцы.

ТЭС с ПТУ, имеющие конденсационные турбины в качестве привода электрогенераторов и не использующие теплоту отработанного пара для отпуска тепловой энергии внешним потребителям, называются конденсационными установками (КГУ или ГРЭС). Теплоэлектростанции с ПТУ, оснащенные греющими турбинами и отдающие тепло отработанного пара промышленным или бытовым потребителям, называются теплоэлектроцентралью (ТЭЦ).

ТЭС с питанием от газотурбинного электрогенератора называют ТЭС с газотурбинными установками (ГТУ). Газообразное или жидкое топливо сжигается в камере сгорания газовой турбины; Продукты сгорания с температурой 750…900 °С поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. КПД таких тепловых электростанций обычно составляет 26…28%, мощность — несколько сотен МВт. Когенерационные установки с газовыми турбинами обычно используются для покрытия пиков электрических нагрузок.

ТЭС поставляются с парогазовой установкой (ПГУ), состоящей из паротурбинной и газотурбинной установок. КПД такой станции может достигать 42…43%. ГТУ и ПГУ также могут отдавать тепло внешним потребителям, т.е работать как тепловая электростанция. Тепловые электростанции используют широко распространенные топливные ресурсы, относительно свободны в развертывании и могут вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний. Его возведение осуществляется быстро и связано с меньшими трудовыми и материальными затратами. Но у ТЭЦ есть существенные недостатки. Они используют невозобновляемые ресурсы, имеют низкий КПД (30…35%) и крайне негативно влияют на экологическую обстановку.

Тепловые электростанции по всему миру ежегодно выбрасывают в атмосферу от 200 до 250 млн т золы и около 60 млн т диоксида серы, а также поглощают большое количество кислорода. Установлено, что микродозированный уголь практически всегда содержит 238U, 232Th и радиоактивный изотоп углерода. Большинство ТЭС России не оснащены эффективными системами очистки отходящих газов от оксидов серы и азота. Хотя объекты, работающие на природном газе, экологически намного чище, чем уголь, сланец и нефть, прокладка трубопроводов наносит ущерб природе.

Ведущую роль среди тепловых установок играют конденсационные электростанции (КЭС). Они тяготеют как к источникам топлива, так и к потребителям и поэтому широко распространены. Чем крупнее КЭС, тем дальше она может передавать электроэнергию, то есть с ростом мощности возрастает влияние фактора топлива и мощности. ТЭЦ (комбинированные теплоэлектроцентрали) – это объекты для комбинированного производства электроэнергии и тепла. Его КПД достигает 70% против 32…38% у ИЭС. ТЭЦ привязаны к потребителям, так как радиус теплопередачи (пар, горячая вода) составляет 15…20 км. Максимальная мощность ТЭЦ меньше, чем у КЭС. В последнее время появились принципиально новые объекты:

• газотурбинные установки (ГТУ), в которых вместо паровых применены газовые турбины, что снимает проблему водоснабжения (на Краснодарской и Шатурской ГРЭС);
• парогазовая установка (ПГУ), в которой тепло отходящих газов используется для нагрева воды и получения пара низкого давления (на Невинномысской и Кармановской ГРЭС);
• магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую (на Мосэнерго ТЭЦ-21 и Рязанской ГРЭС).

В России мощные КЭС (2 млн кВт и более) построены в центральном районе, в Поволжье, на Урале и в Восточной Сибири. На базе Канско-Ачинского бассейна создается мощный топливно-энергетический комплекс (КАТЭК). Проект предусматривает строительство восьми ГРЭС мощностью 6,4 млн кВт каждая.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются очень эффективными источниками энергии. Они используют возобновляемые ресурсы: механическую энергию падающей воды. Необходимый для этого подпор создают плотины, возводимые на реках и каналах.

Гидравлические установки позволяют сократить транспортировку и сэкономить минеральное топливо (на 1 кВт·ч расходуется примерно 0,4 т угля). Они довольно просты в обращении и имеют очень высокий КПД (более 80%). Стоимость такого типа установок в 5…6 раз ниже, чем ТЭЦ, и они требуют значительно меньше обслуживающего персонала.

Расположение гидроэлектростанций во многом зависит от природных условий, таких как характер и режим реки. Схема работы ГЭС представлена ​​на рис. 3. Высоконапорные гидроэлектростанции обычно строят в горных районах, а менее напорные, но многоводные – на равнинных реках.

Рис. 3. Схема работы ГЭС

Для создания давления на русло реки сооружают плотину, собирающую воду в водохранилище и концентрирующую перепад уровня воды на сравнительно небольшом участке (по ширине плотины). Как правило, здание ГЭС находится рядом с плотиной, в которой находится основное оборудование: гидроагрегаты (в машинном зале) и приборы автоматического контроля и управления работой ГЭС.

Вода к гидротурбинам подается по напорным трубопроводам. Вращение рабочего колеса гидротурбины под напором падающей воды передается на вал гидрогенератора, вырабатывающего электрический ток. На открытой площадке рядом со зданием ГЭС или в отдельном здании обычно строят повышающую трансформаторную подстанцию ​​ГЭС с распределительным устройством.

Атомные электростанции

Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую энергию. Генератор энергии на атомной электростанции представляет собой ядерный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, затем, как и в обычных тепловых электростанциях (КТЭ), преобразуется в электроэнергию. В отличие от тепловых электростанций, работающих на ископаемом топливе, атомные электростанции работают на ядерном топливе (в основном 233U, 235U, 239Pu).

При делении 1 г изотопов урана или плутония выделяется 22 500 кВт·ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2 800 кг эталонного топлива. Установлено, что мировые энергоресурсы ядерного топлива (урана, плутония и др.) значительно превышают энергоресурсы природных запасов ископаемых топлив (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения растущего спроса на топливо. Кроме того, необходимо учитывать все возрастающее потребление угля и нефти в технологических целях мировой химической промышленностью, которая становится серьезным конкурентом тепловых электростанций.

Несмотря на открытие новых месторождений ископаемого топлива и совершенствование методов его добычи, в мире наблюдается тенденция к увеличению его стоимости по отношению к нему. Это создает самые тяжелые условия для стран с ограниченными запасами ископаемого топлива. Очевидна необходимость быстрого развития атомной энергетики, которая уже занимает видное место в энергетическом балансе ряда промышленно развитых стран мира.

Первая в мире атомная электростанция опытно-промышленного назначения мощностью 5 МВт была открыта в СССР 27 июня 1954 года в городе Обнинске. До этого энергия атомного ядра использовалась в основном в военных целях. Запуск первой атомной электростанции ознаменовал собой открытие нового направления в энергетике, что было признано на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955 г., Женева). Принципиальная схема АЭС с водо-водяным ядерным реактором показана на рис два.

Рис. 2. Принципиальная схема АЭС с водо-водяным ядерным реактором

Выделяющееся в активной зоне тепло отводится водой (теплоносителем) из первого контура, которая прокачивается через реактор главным циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор), где передает тепло, полученное в реакторе, воде 2-го контура. Вода из второго контура испаряется в парогенераторе, а образующийся пар поступает в турбину. В большинстве случаев на АЭС используются 4 типа реакторов на тепловых нейтронах:

• вода-вода с водой в качестве замедлителя и теплоносителя;
• графитовая вода с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;
• тяжелая вода с охлаждающей водой и тяжелая вода в качестве замедлителя;
• графито-газовый с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.

Выбор преимущественного типа используемого реактора в основном определяется накопленным опытом строительства реакторов, а также наличием необходимого производственного оборудования, сырья и т д. На АЭС США наибольшее распространение получили водоохлаждаемые реакторы. Графитовые газовые реакторы используются в Англии. На атомных электростанциях Канады преобладают атомные электростанции с тяжеловодными реакторами. В зависимости от вида и агрегатного состояния теплоносителя создается тот или иной термодинамический цикл АЭС.

Выбор верхнего температурного предела термодинамического цикла определяется максимально допустимой температурой оболочки твэлов (ТВЭЛ), содержащей ядерное топливо, допустимой температурой самого ядерного топлива, а также свойствами принятого для этого теплоносителя тип реактора. На АЭС, тепловые реакторы которых охлаждаются водой, обычно применяют низкотемпературные паровые циклы. Реакторы с газовым охлаждением позволяют использовать относительно более дешевые паровые циклы с более высокими начальными давлением и температурой.

Тепловая схема АЭС в этих двух случаях выполнена по одному из 2-х контуров: в 1-м контуре циркулирует теплоноситель, во 2-м контуре — пароводяной. В реакторах с кипящей водой или высокотемпературным теплоносителем возможна одноконтурная ТЭС. В кипящих реакторах вода закипает в активной зоне, образующаяся пароводяная смесь разделяется, а насыщенный пар направляется непосредственно в турбину или предварительно возвращается в активную зону для перегрева; в высокотемпературных графито-газовых реакторах можно использовать обычный газотурбинный цикл. Реактор в этом случае выступает в роли камеры сгорания. В процессе работы реактора концентрация делящихся изотопов в ядерном топливе постепенно снижается, т е.

Отработавшие твэлы перемещаются в БВ, а затем отправляются на переработку. В состав реактора и его обслуживающих систем входят: собственно реактор с биологической защитой, теплообменниками, насосными или нагнетательными установками, осуществляющими циркуляцию теплоносителя; трубы и комплектующие циркуляционного контура; устройства для перезарядки ядерного топлива; специальные системы вентиляции, аварийного охлаждения и др. в зависимости от конструкции реакторы имеют отличительные особенности: в корпусных реакторах твэлы и замедлитель расположены внутри корпуса, несущего полное давление теплоносителя; в канальных реакторах.

Такие реакторы используются в СССР (Сибирская, Белоярская АЭС и др.). При авариях в системе охлаждения реактора для предотвращения перегрева и течи оболочек твэлов предусмотрено быстрое (в течение нескольких секунд) гашение ядерной реакции; Система аварийного охлаждения имеет автономные источники питания. Оборудование машинного отделения НК аналогично оборудованию машинного отделения ТЭС.

Отличительной особенностью большинства АЭС является использование пара относительно низких параметров, насыщенного или слабоперегретого. При этом для исключения эрозионного повреждения лопаток последних ступеней турбины частицами влаги, содержащимися в паре, в турбине установлены сепараторы. Иногда необходимо использовать выносные сепараторы и пароперегреватели. В связи с тем, что теплоноситель и содержащиеся в нем примеси активируются при прохождении через активную зону реактора, конструкция оборудования машзала и системы охлаждения конденсатора турбины одноконтурных АЭС должна полностью исключать возможность утечек хладагента.

В двухконтурных АЭС с высокими параметрами пара такие требования к оборудованию машинного зала не предъявляются. Рентабельность АЭС определяется ее основными техническими показателями: единичной мощностью реактора, КПД, энергоемкостью активной зоны, расходом ядерного топлива, коэффициентом использования годовой установленной мощности АЭС. При увеличении мощности АЭС удельные вложения в нее (стоимость установленного кВт) снижаются более резко, чем в случае с тепловыми электростанциями. Это основная причина стремления строить крупные АЭС с большой единичной мощностью блоков %).

Из-за аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году программа развития атомной энергетики была свернута. После значительного увеличения производства электроэнергии в 1980-е годы темпы роста замедлились, а в 1992-1993 годах начался спад. При правильной эксплуатации атомные электростанции являются наиболее экологически чистым источником энергии. Их эксплуатация не вызывает появления «парникового» эффекта, выбросов в атмосферу в условиях эксплуатации без проблем, они не поглощают кислород. К недостаткам АЭС относятся трудности, связанные с захоронением ядерных отходов, катастрофические последствия аварий, тепловое загрязнение отработанных резервуаров.

В нашей стране мощные атомные электростанции расположены: в Центральном и Центрально-Черноземном районах, на Севере, на Северо-Западе, на Урале, в Поволжье и на Северном Кавказе. Новой разработкой в ​​атомной энергетике является создание АТЭС и АСТ. В ТЭЦ, как и в обычной ТЭЦ, производится тепло и электроэнергия, а в АСТ — только тепло. АТЭК работает в поселке Билибино на Чукотке.

Как устроена АЭС?

Любая станция представляет собой закрытую территорию вдали от жилой зоны. На его территории есть несколько зданий. Самым важным зданием является здание реактора, рядом с ним машинный зал, откуда осуществляется управление реактором, и здание охраны.

Схема АЭС невозможна без ядерного реактора. Атомный (ядерный) реактор — устройство атомной энергетической установки, которое предназначено для организации цепной реакции деления нейтронов с обязательным выделением энергии в этом процессе. Но каков принцип работы атомной электростанции?

Вся реакторная установка находится в здании реактора, большой бетонной башне, которая скрывает реактор и которая в случае аварии будет содержать все продукты ядерной реакции. Эта великая башня получила название защитной оболочки, герметичной оболочки или защитной оболочки.

Защитная зона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стены-оболочки.
Внешний слой толщиной 80 см защищает гермозону от внешних воздействий.

Внутренний слой толщиной 1 метр 20 см имеет в своем устройстве специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. Внутри он облицован тонким листом специальной стали, который призван служить дополнительной защитой защитной оболочки и в случае аварии предотвращать выливание содержимого реактора за пределы защитной оболочки.

Такое устройство АЭС способно выдержать падение самолета массой до 200 тонн, землетрясение силой 8 баллов, смерч и цунами.

Первый герметичный корпус был построен на американской АЭС «Коннектикут Янки» в 1968 году.

Общая высота зоны содержания составляет 50-60 метров.

Без мирного атома никак

Мировая экономика немыслима без ядерной энергетики. Атомные электростанции вырабатывают десятую часть всего электричества, производимого на планете. Сегодня в 31 стране мира работают 192 атомные электростанции. Как правило, все они имеют несколько энергоблоков — технологических комплексов оборудования для производства электроэнергии, имеющих в своем составе ядерный реактор. Общее количество таких силовых агрегатов в мире – 451.

США на первом месте по количеству АЭС: 62, Франция на втором месте: 19, Япония на третьем: 17. Россия на пятом месте по количеству АЭС. У нас их 10 с 37 энергоблоками. Суммарная мощность всех АЭС мира составляет около 392 ГВт.

Атомная энергетика имеет много преимуществ. Ключевыми факторами являются высокая рентабельность и отсутствие выбросов продуктов сгорания в атмосферу, как это происходит на тепловых электростанциях. Однако есть и серьезные недостатки. В случае аварии на АЭС продукты деления ядерного топлива, вылетающие из реактора, могут сделать большие территории, прилегающие к станции, непригодными для проживания на длительное время. Еще одним недостатком является проблема хранения и переработки ОЯТ.

Принцип работы атомной электростанции

Использование атомной энергии началось практически одновременно с созданием ядерного оружия. Пока шли военные разработки, начались исследования возможности использования атомной энергии в мирных целях, в основном для производства электроэнергии. Началом мирного использования атомной энергии принято считать 1954 год, когда в подмосковном Обнинске была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция.

В отличие от ядерной бомбы, при взрыве которой происходит неуправляемая цепная реакция деления атомных ядер с одновременным выделением огромного количества энергии, в ядерном реакторе происходит управляемая реакция деления ядер: топливо медленно отдает нам свою энергию. Итак, чтобы использовать цепную реакцию деления атомов в мирных целях, ученым пришлось придумать, как ее укротить.

Атомная электростанция – это целый комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии. Ядерная реакция происходит в самом сердце атомной электростанции: в ядерном реакторе. Но он вообще не вырабатывает электричество.

В АЭС происходят три взаимных превращения форм энергии: ядерная энергия превращается в тепловую, тепловая энергия превращается в механическую, а механическая энергия уже превращается в электрическую. И у каждой трансформации есть свой технологический «остров»: набор компьютеров, на которых происходят эти трансформации. Пройдемся по технологической цепочке и подробно рассмотрим, как рождается электричество.

Ядерный реактор

Реактор атомной электростанции представляет собой конструктивно заданный объем, куда загружается ядерное топливо и где протекает управляемая цепная реакция. Ядерный реактор можно сравнить с мощным железобетонным бункером. Он имеет стальной корпус и помещен в герметичный железобетонный кожух.

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 протекает ядерная реакция деления, называется «активной зоной ядерного реактора». В его процессе выделяется большое количество энергии в виде тепла, которое нагревает теплоноситель. В большинстве случаев теплоносителем является обычная 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 отводит тепло от реактора. Он циркулирует в замкнутой системе труб — контуре. Первый контур необходим для отвода тепла от нагретого реакцией деления реактора (охлаждения его) и передачи его 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 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 нескольких 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 перемещения ядерного топлива в реакторе твэлы собираются в ТВС от 150 до 350 штук. При этом обычно в активной зоне реактора размещают 200-450 таких сборок. Они установлены в рабочих каналах активной зоны реактора.

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

В ходе ядерных реакций, как правило, образуются быстрые нейтроны, т е нейтроны с большой кинетической энергией. Если вы не замедлитесь, ядерная реакция может со временем затухнуть. Замедлитель решает проблему замедления нейтронов. Широко используемым замедлителем в ядерных реакторах является вода, бериллий или графит. Но лучшим замедлителем является тяжелая вода (D2O).

Здесь следует добавить, что в зависимости от уровня энергии нейтронов реакторы делятся на два основных класса: тепловые (на тепловых нейтронах) и быстрые (на быстрых нейтронах). Сегодня в мире всего два действующих 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 металлы с низкой температурой плавления, такие как ртуть, натрий и свинец. Кроме того, в быстрых реакторах используются и другие виды топлива: уран-238 и торий-232. Также 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 часть нейтронов, вылетевших с площадки, в ядро.

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 атомных электростанциях. В одноконтурной его роль играет сам ядерный реактор. Их называют кипящими реакторами, в которых 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».

Первичная вода, циркулирующая по активной зоне реактора, омывает твэлы, нагреваясь при этом до температуры 320-330°С. Но так как вода в обычном состоянии при давлении 1 атмосфера уже кипит при температуре 100°С, то в К увеличить кипение, увеличить давление в первом контуре охлаждения. В современных реакторах типа ВВЭР (энергетический реактор с охлаждением под давлением, они составляют основу мировой атомной энергетики) давление в первом контуре достигает 160 атмосфер.

Эта очень горячая вода из реактора затем прокачивается через парогенератор, где отдает часть тепла и возвращается обратно в реактор. В парогенераторе это тепло передается вторичной воде. Это контур так называемого рабочего тела, то есть среды, совершающей работу, преобразуя тепловую энергию в механическую. Эта вода, находящаяся под гораздо более низким давлением (половина давления первого контура или меньше), поэтому и кипит. Образовавшийся пар высокого давления поступает на лопатки турбины.

Турбина и генератор

Пар из парогенератора поступает в турбину, в которой 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, и уже вращает ротор генератора в электрическую. Теперь механическая энергия была преобразована в электрическую энергию.

Пар, проходя 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, например, охлаждающего резервуара или пруда. Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, как мы помним, радиоактивной, что облегчает ее ремонт и уменьшает количество радиоактивных отходов при закрытии и демонтаже станции.

Управление реактором

Вернемся к ядерному реактору. Как это управляется? Кроме твэлов с горючим и замедлителем имеются еще стержни управления. Они предназначены для пуска и остановки реактора, поддержания его критического состояния в любой момент его работы и переключения с одного уровня мощности на другой. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны.

Для работы реактора на постоянном уровне мощности необходимо создать и поддерживать в его активной зоне такие условия, чтобы плотность нейтронов была постоянной во времени. Такое состояние реактора обычно называют «критическим состоянием» или просто «критичностью».

Когда активная зона сильно разогрета, опускаются регулирующие стержни, которые вставляются между твэлами и поглощают избыточные нейтроны. Если требуется больше мощности, тяги управления снова поднимаются. Если их опустить на всю длину твэлов, цепная реакция прекратится и реактор остановится.

Кроме того, в случае непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, а также возникновения других аварийных состояний, связанных с избыточным выделением энергии в активной зоне реактора, в каждом реакторе предусмотрена возможность аварийного прекращения цепной реакции. В этом случае планки аварийной защиты сбрасываются в центральную часть активной зоны под действием силы тяжести.

Что еще есть на АЭС?

После удаления из реактора в твэлах с отработавшим ядерным топливом продолжаются процессы деления. В течение длительного периода времени они остаются мощным источником нейтронов и выделяют тепло. Поэтому какое-то время твэлы держат под водой в специальных бассейнах, которые находятся тут же в АЭС. Если они не остынут, то могут просто расплавиться.

После снижения их радиоактивности и температуры до значений, допускающих их транспортировку, а для водо-водяных реакторов это три года, твэлы извлекаются, помещаются в толстостенные стальные контейнеры и отправляются на «сухое хранение».

Также, если смотреть на АЭС со стороны, то ее силуэт, как правило, определяется высокими башнеобразными конструкциями. Это градирни. Они необходимы при невозможности использования воды для конденсации пара в баке. Далее на станции используются циркуляционные системы охлаждения, ключевым элементом которых являются градирни. Внутри градирен горячая вода распыляется, падая с высоты, как в обычном душе. Часть воды испаряется, что обеспечивает необходимое охлаждение. Благодаря своим внушительным размерам, а некоторые из них достигают высоты 60-этажного дома (например, градирня энергоблока №6 Нововоронежской АЭС.

Кроме того, каждая атомная электростанция имеет одну или несколько высоких дымовых труб, внешне похожих на дымовые трубы обычных тепловых электростанций. Но из них не выходит дым — это вентиляционные трубы, по которым удаляются газоаэрозольные выбросы: радиоактивные инертные газы, аэрозоли радиоактивных продуктов деления и летучих соединений радиоактивного йода. Но по большей части это радиоактивные изотопы инертных газов: аргон-41, криптон-87, ксенон-133. Они являются короткоживущими радионуклидами и распадаются без ущерба для окружающей среды в течение нескольких дней или даже часов.

Из чего состоит атомный реактор?

Чтобы понять принцип работы ядерного реактора и, следовательно, принцип работы атомной электростанции, вы должны понимать компоненты реактора.

• Активная зона. Это место, где размещается ядерное горючее (тепловыделение) и замедлитель. Атомы топлива (чаще всего топливом является уран) проходят цепную реакцию деления. Замедлитель предназначен для управления процессом деления и позволяет осуществить необходимую реакцию по скорости и силе.
• Отражатель нейтронов. 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 активной зоны в окружающую среду.
• Хладагент. Теплоноситель должен поглощать тепло, выделившееся при делении атомов топлива, 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, запускающие реактор атомной электростанции.

Преимущества АЭС перед ТЭС

Преимущества и недостатки атомных электростанций зависят от того, с каким типом производства электроэнергии мы сравниваем ядерную энергию. Поскольку основными конкурентами атомных электростанций являются тепловые электростанции и гидроэлектростанции, сравним преимущества и недостатки атомных электростанций по отношению к этому виду выработки электроэнергии.

Тепловые электростанции, то есть тепловые электростанции, бывают двух видов:

1. Конденсационные или короткие ЦЭС используются только для производства электроэнергии. Кстати, другое ее название идет из советского прошлого, КЭС еще называют ГРЭС, сокращенно от «региональная государственная электростанция».
   2. Теплоэлектростанции или ТЭЦ позволяют производить только не только электрическую, но и тепловую энергию. Взяв, к примеру, жилой дом, понятно, что ВУЗы будут обеспечивать электроэнергией только квартиры, а когенерация еще и дополнительное отопление.

Как правило, тепловые электростанции работают на дешевом органическом топливе – угле или угольной пыли и мазуте. Наиболее востребованными энергоресурсами сегодня являются уголь, нефть и газ. По оценкам специалистов, мировых запасов угля хватит еще на 270 лет, нефти — на 50 лет, газа — на 70. Даже школьник понимает, что 50-летних запасов очень мало и их надо беречь, а не сжигать ежедневно в печах

Атомные электростанции решают проблему нехватки ископаемого топлива. Преимуществом атомных электростанций является отказ от ископаемого топлива, что позволяет сохранить исчезающие газ, уголь и нефть. Вместо этого атомные электростанции используют уран. Мировые запасы урана оцениваются в 6 306 300 тонн. Сколько лет он протянет, никто не считает, потому что запасов много, расход урана совсем небольшой, и думать о его исчезновении пока не приходится. В крайнем случае, если инопланетяне вдруг заберут запасы урана или они испарятся сами по себе, плутоний и торий можно будет использовать в качестве ядерного топлива. Преобразование их в ядерное топливо остается дорогим и сложным, но возможным.

Преимущества АЭС перед тепловыми электростанциями заключаются также в снижении количества вредных выбросов в атмосферу.

Что выбрасывается в атмосферу при работе КЭС и ТЭЦ и насколько это опасно:

1. Двуокись серы или двуокись серы – опасный газ, наносящий вред растениям. При приеме внутрь в больших количествах вызывает кашель и удушье. В сочетании с водой диоксид серы превращается в сернистую кислоту. Из-за выбросов диоксида серы существует риск кислотных дождей, опасных для природы и человека.
   2. Оксиды азота: опасны для дыхательной системы человека и животных, раздражают дыхательные пути.
   3. Бенапирен: опасен, поскольку имеет свойство накапливаться в организме человека. Длительное воздействие может вызвать злокачественные опухоли.

Суммарные годовые выбросы тепловых электростанций на каждую 1000 МВт установленной мощности составляют 13 000 тонн в год на газовых электростанциях и 165 000 тонн на пылеугольных электростанциях. Тепловая электростанция мощностью 1000 МВт в год потребляет 8 млн т кислорода на окисление топлива, преимущество атомных электростанций в том, что в атомной энергетике в принципе не расходуется кислород.

Прошлые выбросы АЭС также нетипичны. Преимущество атомных электростанций в том, что выбросы вредных веществ в атмосферу на атомных электростанциях незначительны, а по сравнению с выбросами тепловых электростанций они безвредны.

Преимущества атомных электростанций перед тепловыми электростанциями заключаются в низких затратах на транспортировку топлива. Уголь и газ очень дорого доставлять на производство, а уран, необходимый для ядерных реакций, можно поместить в небольшой грузовик.

Недостатки АЭС перед ТЭС

1. Недостатками АЭС по сравнению с тепловыми является, прежде всего, наличие радиоактивных отходов. Радиоактивные отходы стараются максимально перерабатывать на атомных станциях, но их никак не утилизируют. Конечные отходы на современных атомных электростанциях превращаются в стекло и хранятся в специальных хранилищах. Пока неизвестно, будут ли они когда-нибудь использованы.
   2. Недостатки АЭС — это малый КПД относительно тепловых электростанций. Поскольку процессы на тепловых электростанциях протекают при более высоких температурах, они более производительны. Добиться этого на атомных электростанциях пока сложно, потому что сплавы циркония, косвенно участвующие в ядерных реакциях, не выдерживают запредельно высоких температур.
   3. Освещена общая проблема тепловых и атомных электростанций. Недостатком атомных электростанций и тепловых электростанций является тепловое загрязнение атмосферы. Что это значит? При получении ядерной энергии выделяется большое количество тепловой энергии, которая выделяется в окружающую среду. Тепловое загрязнение атмосферы является актуальной проблемой, оно включает в себя множество проблем, таких как создание островов тепла, изменение микроклимата и, в конечном счете, глобальное потепление.

Современные АЭС уже решают проблему теплового загрязнения и используют для охлаждения воды собственные искусственные бассейны или градирни (специальные градирни для охлаждения больших объемов горячей воды).

Преимущества и недостатки АЭС перед ГЭС

Преимущества и недостатки атомных электростанций перед гидроэлектростанциями в основном связаны с зависимостью гидроэлектростанций от природных ресурсов. Подробнее об этом…

1. Преимуществом АЭС перед ГЭС является теоретическая возможность строительства новых АЭС, в то время как большинство рек и водохранилищ, которые могут работать на благо ГЭС, уже заняты. Другими словами, открытие новых гидроэлектростанций затруднено отсутствием подходящих мест.
   2. Следующими преимуществами АЭС перед ГЭС является косвенная зависимость от природных ресурсов. ГЭС напрямую зависят от природного водоема, АЭС лишь косвенно зависят от добычи урана, все остальное обеспечивают сами люди и их изобретения.

Недостатки атомных электростанций перед водными станциями ничтожны: ресурсы, которые атомные электростанции используют для ядерной реакции, и конкретно урановое топливо, невозобновляемы. Хотя количество воды является основным возобновляемым ресурсом гидроэлектростанций, работа гидроэлектростанции никак не изменится, а сам уран не может быть восстановлен в природе.

Топливо для АЭС

Что делает атомная электростанция? Топливом для атомных электростанций являются химические элементы с радиоактивными свойствами. На всех атомных электростанциях уран является одним из таких элементов.

Конструкция установок предполагает, что атомные электростанции работают на сложном топливе, а не на чистом химическом элементе. А для того, чтобы извлечь урановое топливо из природного урана, который загружается в ядерный реактор, необходимо произвести множество манипуляций.

Обогащенный уран

Уран состоит из двух изотопов, то есть содержит ядра с разными массами. Они были названы по количеству протонов и нейтронов изотопа -235 и изотопа -238. Исследователи 20-го века начали извлекать уран-235 из руды, потому что его было легче разлагать и трансформировать. Оказалось, что такого урана в природе всего 0,7% (остальные проценты достались изотопе 238).

Что делать в этом случае? Они решили обогатить уран. Обогащение урана — это процесс, в котором остается много необходимых изотопов 235x и мало ненужных изотопов 238x. Задача обогатителей урана — получить практически 100% уран-235 из 0,7.

Уран можно обогащать двумя способами: газодиффузионным или газовым центрифугированием. Для использования уран, извлеченный из руды, переводится в газообразное состояние. В газовой форме он обогащается.

Урановая пыль

Обогащенный газообразный уран переходит в твердое состояние: диоксид урана. Этот чистый твердый уран 235 выглядит как большие белые кристаллы, которые затем измельчают в урановый порошок.

Урановые таблетки

Таблетки урана представляют собой шайбы из цельного металла, длиной в пару сантиметров. Для формовки таких таблеток из порошка урана его смешивают с веществом — пластификатором — он улучшает качество прессования таблеток.

Прессованные шайбы запекают при температуре 1200 градусов Цельсия более суток для придания таблеткам особой прочности и устойчивости к высоким температурам. То, как непосредственно работает атомная электростанция, зависит от того, насколько хорошо сжато и сожжено урановое топливо.

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

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 так сбросить топливо в реактор, ну если не хотите чтобы вся станция взорвалась и авария с последствиями для пары близлежащих штатов. Поэтому урановое топливо помещается в твэлы, а затем собирается в ТВС. Что означают эти сокращения?

• ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент (не путать с одноименным названием российской компании, их выпускающей). По сути, это длинная тонкая циркониевая трубка из сплавов циркония, в которую помещены урановые таблетки. 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 тугоплавким и антикоррозионным свойствам.

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

Машина загружает более 200 урановых таблеток в циркониевую трубку. Всего в реакторе одновременно работает около 10 миллионов урановых таблеток.
ТВС — ТВС. Работники атомной электростанции называют пучки тепловыделяющих элементов.

По сути, речь идет о нескольких ТВЭЛах, связанных воедино. Тепловыделяющие сборки — это готовое к использованию ядерное топливо, на котором работает атомная электростанция. Это тепловыделяющие элементы, загружаемые в ядерный реактор. В реактор помещают от 150 до 400 твэлов.
В зависимости от реактора, в котором будет работать ТВС, они бывают разной формы. Иногда упаковки складываются в кубическую форму, иногда в цилиндрическую, иногда в шестиугольную.

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

Для доставки топлива для АЭС в другие страны топливные сборки запаивают в длинные и широкие металлические трубы, из труб откачивают воздух и на специальных машинах доставляют на борт грузовых самолетов.

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

Атомная электростанция: принцип работы

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

Если не вдаваться в тонкости ядерной физики, принцип работы атомной электростанции выглядит так:
После запуска ядерного реактора стержни-поглотители удаляются из топливных стержней, предотвращая реакцию 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 хладагенту. В зависимости от типа хладагента он превращается в пар или газ, который крутит турбина.

Турбина приводит в действие электрический генератор. Именно он, собственно, и вырабатывает электроэнергию.

Если не следить за процессом, нейтроны урана могут столкнуться друг с другом, пока реактор не взорвется и вся атомная электростанция не разлетится на куски. Датчики компьютера 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)?

Различия в работе только на ранних стадиях. 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 углеродсодержащего газа выделили тепло, схемы работы АЭС и ТЭС одинаковы.

Типы ядерных реакторов

Работа атомной электростанции зависит от работы ее ядерного реактора. На сегодняшний день существует два основных типа реакторов, которые классифицируют по спектру нейронов:
Реактор на медленных нейтронах, также называемый тепловым реактором.

Для его работы используется уран-235, который проходит стадии обогащения, создания 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 десять центов за дюжину и обогащать этот элемент не надо. Недостатком таких реакторов являются лишь очень большие затраты на проектирование, строительство и запуск. Сегодня реакторы на быстрых нейтронах работают только в России.

В качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах используется ртуть, газ, натрий или свинец.

Реакторы на медленных нейтронах, которые сегодня используются на всех атомных электростанциях мира, также бывают разных типов.

Организация МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) создала собственную классификацию, которая наиболее часто используется в мировой атомной отрасли. Поскольку принцип работы атомной электростанции 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 эти 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 удобны, 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 в таком реакторе очень похож на работу АЭС в ВВЭР. В кипящем реакторе тоже используется обычная вода, единственная его особенность в том, что пар образуется сразу в активной зоне. В водо-водяном реакторе сначала нагревается вода, которая затем через несколько стадий превращается в пар; В кипящих реакторах тепло сразу передается кипящей воде, которая мгновенно превращается в горячий пар. Реакторы с кипящей водой довольно распространены, составляя 20% всех ядерных реакторов в мире.
3. LWGR (Light Water Graphite Reactor) — графито-водяной реактор, ГВР, ВРГ или уран-графитовый реактор. В качестве замедлителя в реакторах этого типа используется графит, а в качестве теплоносителя используется обычная вода. Схема работы атомной электростанции, введенной в эксплуатацию впервые в мире, основывалась на водо-графитовом реакторе. Сегодня такие реакторы используются редко, большинство из них 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 его называют тяжелой водородной водой или оксидом дейтерия.

С химической точки зрения оксид дейтерия является идеальным замедлителем и теплоносителем, поскольку его атомы более эффективно взаимодействуют с нейтронами урана по сравнению с другими веществами. Проще говоря, тяжелая вода выполняет свою работу с минимальными потерями и максимальными результатами. Однако ее производство стоит денег, тогда как гораздо проще использовать обычную «легкую» и привычную для нас воду.

Несколько фактов об атомных реакторах…

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

Оболочка (конструктивный элемент) ядерного реактора весит 150 тонн. В реакторе 6 таких элементов.

Реактор с водой под давлением

Мы уже выяснили, как вообще работает атомная электростанция, чтобы «поправить дело» посмотрим, как работает самый популярный водо-водяной ядерный реактор.
Сегодня водо-водяные реакторы поколения 3+ используются во всем мире. Они считаются самыми надежными и безопасными.

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

Конструкция АЭС на основе водо-водяных реакторов предполагает, 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 «возвращается» обратно в реактор. Внешне кажется, что трубы первого контура воды соприкасаются с другими трубами: вода второго контура передает тепло друг другу, но воды не соприкасаются. Трубки соприкасаются.

Поэтому исключается возможность попадания радиации в воду второго контура, которая будет больше участвовать в процессе выработки электроэнергии.

Уже хорошо известно, как работают атомные электростанции: вторичная вода в парогенераторах превращается в пар, пар крутит турбину, а турбина приводит в действие электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию.

Когда появилась первая атомная станция

Первым серьезным шагом к использованию свойств атомного деления, в том числе атомного оружия и мирного атома, стало испытание первой атомной бомбы в 1945 г. Оно произошло 16 июля на полигоне в Нью-Мексико. В ходе тех испытаний многие поняли, что ужасы Второй мировой войны несколько померкли в контексте того, что могло бы произойти, если бы подобное оружие появилось чуть раньше.

В СССР первые ядерные испытания на полигоне были проведены только спустя 4 года, 29 августа 1949 года. С тех пор две великие державы располагали технологиями, позволяющими не только запугивать друг друга своей мощью, но и также работать на благо мирного атома и использовать эту разрушительную силу, чтобы нести свет и тепло в каждый дом.

Другие способы получения энергии: как Земля может служить неиссякаемым источником энергии

Первая атомная электростанция была открыта в 1954 году недалеко от города Обнинска Московской области. Идейным вдохновителем и руководителем проекта был известный советский физик, академик АН СССР и по совместительству «отец» советской атомной бомбы Игорь Курчатов.

Игорь Курчатов за работой.

АЭС: от прошлого до настоящего

Атомная электростанция – это предприятие, представляющее собой совокупность оборудования и сооружений для выработки электроэнергии. Специфика данной установки заключается в способе получения тепла. Температура, необходимая для выработки электричества, возникает в результате разложения атомов.

Роль топлива для АЭС чаще всего выполняет уран с массовым числом 235 (235U). Именно потому, что этот радиоактивный элемент способен поддерживать цепную ядерную реакцию, он используется на атомных электростанциях, а также в ядерном оружии.

Страны с наибольшим количеством АЭС

Самые большие атомные электростанции в мире

На сегодняшний день в 31 стране мира работают 192 атомные электростанции, использующие 451 ядерный энергетический реактор общей мощностью 394 ГВт. Подавляющее большинство АЭС расположено в Европе, Северной Америке, на Дальнем Востоке Азии и на территории бывшего СССР, при этом их почти нет в Африке и нет в Австралии и Океании. Еще 41 реактор не производил электроэнергию от 1,5 до 20 лет, из них 40 в Японии.

За последние 10 лет в мире введено в эксплуатацию 47 энергоблоков, почти все они расположены в Азии (26 в Китае) или в Восточной Европе. Две трети строящихся реакторов находятся в Китае, Индии и России. Китайская Народная Республика реализует самую амбициозную программу строительства новых АЭС, и еще около десятка стран строят АЭС или разрабатывают проекты их строительства.

Помимо США, в список самых передовых стран в области атомной энергетики входят:

• Франция;
• Япония
• Россия;
• Южная Корея.

В 2007 г в России началось строительство первой в мире плавучей атомной электростанции, которая решит проблему дефицита электроэнергии в отдаленных прибрежных районах страны 12 . Строительство столкнулось с задержками. По разным оценкам, первая плавучая АЭС заработает в 2020-2019 годах.

Ряд стран, включая США, Японию, Южную Корею, Россию и Аргентину, разрабатывают мини-АЭС мощностью порядка 10-20 МВт для снабжения теплом и электроэнергией отдельных производств, жилых комплексов, а в перспективе , , индивидуальные дома. Предполагается, что малогабаритные реакторы (см., например, АЭС «Гиперион») могут быть созданы с использованием безопасных технологий, значительно снижающих вероятность утечки ядерного материала 13 . В Аргентине строится небольшой реактор CAREM25. Первый опыт использования мини-АЭС был получен в СССР (Билибинская АЭС).

Сколько энергии вырабатывает АЭС

Конечно, ту первую атомную электростанцию ​​сложно сравнить с современными, но именно она заложила основу для нового способа получения энергии, как, например, первый iPhone, запустивший процесс смартфонов, и автомобили Ford T, произведенные в масса.

С тех пор количество АЭС в мире сильно возросло и достигло 192 штук (всего 438 энергоблоков) в 31 стране мира. В России расположено 10 АЭС (всего 33 энергоблока). По этому показателю наша страна занимает восьмое место в мире и четвертое по мощности.

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, именно 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 связано с тем, что их КПД составляет 40-45 процентов и более, а риски гораздо ниже, даже несмотря на все происходившие страшные аварии. С одной стороны, кажется, что если взорвется, то мало не покажется, а с другой стороны, по статистике, число жертв на 1 полученный киловатт для АЭС в 43 раза ниже, чем для тепловых.

ТЭЦ – это тоже здание.

Опасны ли атомные станции

В результате мы получаем ситуацию, когда атомная энергетика напоминает ситуацию с самолетами. Многие их боятся, но на самом деле риск просто погибнуть на улице в сотни раз больше, чем разбиться в самолете. Просто аварии вызывают большой резонанс и за один раз гибнет больше людей, 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 Воронежской АЭС, мне было немного не по себе, но когда я собрал больше информации, то понял, что переоцениваю ситуацию.

Вокруг любой АЭС есть как минимум 30-километровая зона, в которой ведется постоянный мониторинг обстановки и экологической обстановки. Это не зона отчуждения, так как 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 с целью обеспечения дополнительной безопасности, а не потому, что там опасно находиться.

Так выглядит охранная зона вокруг Балаковской АЭС.

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

Катастрофа ХХІ века и её последствия

«Фукусима-1”

В марте 2011 года на северо-востоке Японии произошло землетрясение, вызвавшее цунами, которое в конечном итоге повредило 4 из 6 реакторов на АЭС «Фукусима-1».

Менее чем через два года после трагедии официальное число погибших в результате стихийного бедствия превысило 1500 человек, при этом 20 000 человек до сих пор считаются пропавшими без вести, а еще 300 000 жителей были вынуждены покинуть свои дома.

Были и пострадавшие, которые не смогли покинуть место происшествия из-за большой дозы радиации. Для них была организована срочная эвакуация, которая длилась 2 дня.

Однако с каждым годом совершенствуются методы предотвращения аварий на АЭС, а также ликвидации чрезвычайных ситуаций – наука постоянно идет вперед. Однако будущее явно станет временем расцвета альтернативных методов производства электроэнергии; в частности, логично ожидать появления в ближайшие 10 лет гигантских орбитальных солнечных панелей, что вполне достижимо в условиях невесомости, а также других, в том числе революционных технологий в энергетике.

Безопасность работы АЭС

Узнав принцип работы атомных электростанций, мы должны понять, как устроена безопасность. В настоящее время проектирование атомных электростанций требует повышенного внимания к нормам безопасности.
Стоимость безопасности АЭС составляет примерно 40% от общей стоимости самой станции.

Схема АЭС включает 4 физических барьера, препятствующих выбросу радиоактивных веществ. Что должны делать эти барьеры? В нужный момент иметь возможность остановить ядерную реакцию, обеспечить постоянный отвод тепла от активной зоны и самого реактора, не допустить выхода радионуклидов из защитной оболочки (зоны гермозоны).

• Первым барьером является прочность урановых таблеток. Важно, чтобы они не разрушались под воздействием высоких температур в ядерном реакторе. Во многом работа атомной электростанции зависит от того, как были «обожжены» урановые таблетки на начальном этапе производства. Если таблетки уранового топлива обожжены неправильно, реакции атомов урана в реакторе будут непредсказуемыми.
• Второй барьер – герметичность твэлов. Циркониевые трубки должны быть герметичны, при нарушении герметичности в лучшем случае будет поврежден реактор и работа остановится, в худшем — все взорвется.
• Третий барьер – это прочный стальной корпус реактора (та же большая башня, защитная зона), который «содержит» в себе все радиоактивные процессы. Корпус поврежден — в атмосферу будет выпущена радиация.
• Четвертый барьер – это планки аварийной защиты. Над активной зоной на магнитах подвешены стержни с замедлителями, способными за 2 секунды поглотить все нейтроны и остановить цепную реакцию.

Если, несмотря на строительство АЭС со многими степенями защиты, не удается вовремя охладить активную зону реактора и температура топлива повышается до 2600 градусов, то вступает в действие последняя надежда системы безопасности играть. — так называемая термоядерная ловушка.

Дело в том, что при такой температуре дно корпуса реактора расплавится и все остатки ядерного топлива и расплавленных конструкций стекут в специальный «стакан», подвешенный над активной зоной реактора».

Ловушка расплава охлаждаемая и огнеупорная. Он заполнен так называемым «жертвенным материалом», который постепенно останавливает цепную реакцию деления.

Таким образом, схема АЭС предполагает несколько степеней защиты, практически полностью исключающих любую возможность аварии.