Виды реакторов аэс. Схема выполнения активной зоны реактора. Подходы к классификации

Многие ли из вас видели атомную электростанцию хотя бы издалека? С учетом того, что в России действующих АЭС всего десять и охраняются они будь здоров, думаю, ответ в большинстве случаев отрицательный. Впрочем, в ЖЖ народ, как известно, бывалый. Окей, а многие ли тогда видели АЭС изнутри? Ну, например, щупали собственной рукой корпус ядерного реактора? Никто. Я угадал?

Ну что же, сегодня у всех подписчиков этого фотоблога есть возможность увидеть все эти высокие технологии максимально близко. Понимаю, в живую это интереснее в разы, но давайте начинать с малого. В будущем, возможно, я смогу несколько человек взять с собой, а пока изучаем матчасть!

02 . Итак, мы в сорока пяти километрах от неподалёку от строительной площадки 4 очереди Нововоронежской АЭС. Неподалёку от действующей АЭС (первый энергоблок был запущен ещё в шестидесятых годах прошлого века) ведётся сооружение двух современных энергоблоков общей мощностью 2400 МВт. Строительство ведётся по новому проекту "АЭС-2006", который предусматривает использование реакторов ВВЭР-1200. Но о самих реакторах чуть позже.

03 . Именно тот факт, что строительство еще не завершено, и дает нам редкий шанс увидеть всё своими глазами. Даже реакторный зал, которой в будущем будет герметично закрыт и открываться для обслуживания только один раз в год.

04 . Как видно на предыдущем фото, купол наружной защитной оболочки седьмого энергоблока еще на стадии бетонирования, а вот здание реактора энергоблока №6 выглядит уже интереснее (смотрим фото ниже). В общей сложности на бетонирование этого купола потребовалось более 2000 кубометров бетона. Диаметр купола в основании составляет 44 м, толщина – 1,2 м. Обратите внимание на зеленые трубы и объемный металлический цилиндр (вес – 180 т, диаметр – около 25 м, высота – 13 м) – это элементы системы пассивного отвода тепла (СПОТ). На российской АЭС они монтируются впервые. В случае полного обесточивания всех систем АЭС (как это случилось на "Фукусиме"), СПОТ способна обеспечить длительный отвод тепла от активной зоны реактора.

05 . Безусловно самым масштабным элементом АЭС являются башенные градирни. Кроме того, это одно из наиболее эффективных устройств для охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения. Высокая башня создает ту самую тягу воздуха, которая необходима для эффективного охлаждения циркулирующей воды. Благодаря высокой башне одна часть испарений возвращается в цикл, а другая уносится ветром.

06 . Высота оболочки башенной градирни энергоблока №6 – 171 метр. Это около 60 этажей. Сейчас это сооружение является самым высоким среди аналогичных, когда либо возводимых в России. Её предшественники не превышали 150 м высоты (на Калининской АЭС). На возведение конструкции ушло более 10 тысяч кубометров бетона.

07 . В основании градирни (диаметр составляет 134 м) расположена так называемыя чаша бассейна. Его верхняя часть "вымощена" оросительными блоками. Ороситель – это основной конструктивный элемент градирни такого типа, предназначенный для того, чтобы раздробить стекающий по нему поток воды и обеспечить ему длительное время и максимальную площадь контакта с охлаждающим воздухом. По сути своей, это решётчатые модули из современных полимерных материалов.

08 . Естественно, мне захотелось сделать эпичный кадр верх, но уже смонтированный ороситель помешал мне это сделать. Поэтому перемещаемся в градирню энергоблока №7. Увы, ночью был морозец и с поездкой на лифте на самый верх мы обломались. Он замёрз.

09 . Ладно, может еще довёдется как-нибудь прокатиться на такую верхотуру, а пока кадр монтируемой системы орошения.

10 . Подумал тут... А может нас просто не пустили на верх из соображений безопасности?

11 . Вся территория стройплощадки пестрит предупреждающими, запрещающими и просто агитационными плакатами и табличками.

12 . Ладно. Телепортируемся в здание центрального щита управления (ЦЩУ).
Ну, естественно, в наше время всё управление ведётся с помощью компьютеров.

13 . Огромная комната, залитая светом, буквально напичкана стройными рядами шкафов с автоматическими системами релейной защиты.

14 . Релейная защита осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и/или ненормальных режимов. При возникновении повреждений система защиты должна выявить конкретный повреждённый участок и отключить его, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания или замыкания на землю).

15 . Вдоль каждой стены расставлены огнетушители. Автоматические, конечно.

16 . Далее перемещаемся в здание комплектного распределительного устройства на 220 кВ (КРУЭ-220). Одно из самых фотогеничных мест на всей АЭС, на мой взгляд. Есть еще КРУЭ-500, но его нам не показали. КРУЭ-220 входит в состав общестанционного электротехнического оборудования и предназначено для приема мощности с внешних линий электропередачи и распределения его на площадке строящейся станции. То есть пока энергоблоки строятся, с помощью КРУЭ-220 электроэнергией обеспечиваются непосредственно строящиеся объекты.

17 . В проекте "АЭС-2006", по которому сооружаются шестой и седьмой энергоблоки, в схеме выдачи мощности на распределительных подстанциях впервые применены комплектные распредустройства 220/500кВ закрытого типа с элегазовой изоляцией. По сравнению с открытыми распредустройствами, которые до сих пор применялись в атомной энергетике, площадь закрытого - в несколько раз меньше. Для понимания масштаба здания, рекомендую вернуться к титульному фото.

18 . Естественно, после ввода новых энергоблоков в эксплуатацию оборудование КРУЭ-220 будет задействовано для передачи в Единую энергосистему электроэнергии, произведенной на Нововоронежской АЭС. Обратите внимание на ящики возле опор ЛЭП. Большинство электрооборудования, применяемого в строительстве, произведено компанией Siemens.

19 . Но не только. Вот, к примеру, автотрансформатор Hyundai.
Вес этого агрегата 350 тонн, а предназначен он для преобразования электроэнергии с 500 кВ до 220 кВ.

20 . Есть (что приятно) и наши решения. Вот, например, повышающий транформатор производства ОАО "Электрозавод". Созданный в 1928 году первый отечественный трансформаторный завод сыграл колоссальную роль в индустриализации страны и в развитии отечественной энергетики. Оборудование с маркой "Электрозавод" работает более чем в 60 странах мира.

21 . На всякий случай, поясню немного по трансформаторам. В общем, схема выдачи мощности (после завершения строительства и запуска в эсплуатацию, естественно) предусматривает производство электроэнергии напряжением двух классов – 220 кВ и 500 кВ. При этом, турбина (о ней позже), вырабатывает всего 24 кВ, которые по токопроводу поступают на блочный трансформатор, где и повышаются уже до 500 кВ. После чего часть энергомощности через КРУЭ-500 передается в Единую энергосистему. Другая часть – на автотрансформаторы (те самые "хюндаи"), где понижается с 500 кВ до 220 кВ и через КРУЭ-220 (смотрим выше) также поступает в энергосистему. Дык вот в качестве упомянутого блочного трансформатора используется три однофазных повышающих "электрозаводских" трансформатора (мощность каждого – 533 МВт, вес – 340 тонн).

22 . Если понятно, переходим к паротурбинной установке энергоблока №6. Вы уж простите, повествование моё идёт как бы от конца к началу (если исходить из процесса производства электроэнергии), но примерно в такой последовательности мы и гуляли по стройплощадке. Так что прошу пардона.

23 . Итак, турбина и генератор спрятаны под кожухом. Поэтому поясняю. Собственно, турбина – это агрегат, в котором тепловая энергия пара (температурой около 300 градусов и давлением 6,8 МПа) преобразуется в механическую энергию вращения ротора, и уже на генераторе – в нужную нам электрическую энергию. Вес машины в собранном состоянии – более 2600 тонн, длина – 52 метра, состоит она из более чем 500 комплектующих. Для транспортировки данного оборудования на строительную площадку было задействовано порядка 200 грузовых машин. Данная турбина К-1200–7-3000 была изготовлена на Ленинградском металлическом заводе и это первая в России быстроходная (3000 оборотов в минуту) турбина мощностью 1200 МВт. Данная инновационная разработка создана специально для атомных энергоблоков нового поколения, которые сооружаются по проекту "АЭС-2006". На фото общий вид турбинного цеха. Или машзала, если хотите. Турбину олдскульные атомщики называют машиной.

24 . Этажом ниже расположены конденсаторы турбины. Конденсаторная группа относится к основному технологическому оборудованию машинного зала и, как все уже догадались, предназначена для превращения в жидкость отработанного в турбине пара. Образовавшийся конденсат после необходимой регенерации вновь возвращается в парогенератор. Вес оборудования конденсационной установки, куда входят 4 конденсатора и система трубопроводов, составляет более 2000 тонн. Внутри конденсаторов располагается порядка 80 тысяч титановых трубок, которые образуют теплопередающую поверхность общей площадью 100 тысяч квадратных метров.

25 . Разобрались? Вот вам здание машзала практически в разрезе и идем дальше. На самом верху мостовой кран.

26 . Перемещаемся в блочный пульт управления энергоблоком №6.
Предназначение, думаю, понятно без пояснений. Выражаясь фигурально, это мозг атомной электростанции.

27 . Элементы БПУ.

28 . Ну и наконец-то, мы отправляемся посмотреть помещения реакторного отделения! Собственно, это место, где расположен ядерный реактор, первый контур и их вспомогательное оборудование. Естественно, в обозримом будущем оно станет герметичным и недоступным.

29 . И самым естественным образом, при попадании внутрь, первым делом задираешь голову и поражаешься размерам купола гермооболочки. Ну и полярным краном заодно. Мостовой кран кругового действия (полярный кран) грузоподъемностью 360 тонн предназначен для монтажа крупногабаритного и тяжеловесного оборудования гермозоны (корпуса реактора, парогенераторов, компенсатора давления и др.). После ввода атомной станции в эксплуатацию кран будет испольоваться при проведении ремонтных работ и транспортировке ядерного топлива.

30 . Далее, конечно, я устремляюсь к реактору и зачарованно наблюдаю его верхнюю часть, еще не подозревая, что ситуация обстоит аналогичная с айсбергами. Так вот ты какой, северный олень. Выражаясь фигурально, это сердце атомной электростанции.

31 . Фланец корпуса реактора. Позже на него убудет установлен верхний блок с приводами СУЗ (система управления и защиты реактора), обеспечивающий уплотнение главного разъема.

32 . Неподалёку наблюдаем бассейн выдержки. Его внутренняя поверхность представляет собой сварную конструкцию из листовой нержавеющей стали. Он предназначен для временного хранения отработавшего ядерного топлива, выгружаемого из реактора. После снижения остаточного тепловыделения использованное топливо вывозится из бассейна выдержки на предприятие атомной отрасли, занимающейся переработкой и регенерацией топлива (хранением, захоронением или переработкой).

33 . А это вдоль стеночки стоят гидроёмкости системы пассивного залива активной зоны. Они относятся к пассивным системам безопасности, то есть функционирует без привлечения персонала и использования внешних источников энергоснабжения. Упрощая, это гигантские бочки, заполненные водным раствором борной кислоты. В случае возникновения чрезвычайной ситуации, когда давление в первом контуре падает ниже определенного уровня, происходит подача жидкости в реактор и охлаждение активной зоны. Таким образом ядерная реакция гасится большим количеством борсодержащей воды, поглощающей нейтроны. Стоит отметить, что в проекте "АЭС-2006", по которому сооружается четвертая очередь Нововоронежской АЭС, впервые предусмотрена дополнительная, вторая, ступень защиты – гидроемкости пассивного залива активной зоны (8 из 12 емкостей), каждая - объемом 120 кубометров.

34 . При проведении будущих планово-предупредительных ремонтов и замены ядерного топлива попасть внутрь реакторного отделения можно будет через транспортный шлюз. Он представляет собой 14-ти метровую цилиндрическую камеру диаметром свыше 9 метров, герметично запираемую с двух сторон полотнами ворот, которые открываются поочередно. Общий вес шлюза составляет порядка 230 тонн.

35 . С наружней стороны шлюза открывается обзорный вид на всю стройплощадку в целом и энергоблок №7 в частности.

36 . Ну, а мы глотнув свежего воздуха, спускаемся ниже, чтобы увидеть, собственно, цилиндрический корпус реактора. Но покуда нам попадаются только технологические трубопроводы. Большая зелёная труба - это один из контуров, так что мы уже совсем близко.

37 . А вот и он. Водо-водяной корпусной энергетический ядерный реактор с водой под давлением модели ВВЭР-1200. Не буду углубляться в дебри деления ядра и цепной ядерной реакции (поди уже и так читаете по диагонали), добавлю только, что внутри реактора расположено множество тепловыделяющих элементов (т.н. твэлы) в виде набора герметичных трубок из специальных сплавов диаметром 9,1–13,5 мм и длиной несколько метров, заполненных таблетками ядерного топлива, а так же управляющие стержни, которые дистанционно с пульта управления можно перемещать по всей высоте активной зоны. Эти стержни изготавливаются из веществ, поглощающих нейтроны – например, из бора или кадмия. При глубоком введении стержней цепная реакция становится невозможной, поскольку нейтроны сильно поглощаются и выводятся из зоны реакции. Таким способом регулируется мощность реактора. Теперь понятно для чего в верхней части реактора столько отверстий?

38 . Да, чуть не забыл про главный циркуляционный насос (ГЦН). Он тоже относится к основному технологическому оборудованию здания реактора и предназначен для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре. В течение часа агрегат перекачивает более 25 тысяч кубометров воды. Также ГЦН обеспечивает охлаждение активной зоны во всех режимах работы реакторной установки. В состав установки входит четыре ГЦН.

39 . Ну и для закрепления пройденного материала, смотрим на самую простую схему работы АЭС. Всё же просто, разве нет? В особо запущенных случаях перечитываем пост еще раз, хе-хе))

40 . Вот в целом как-то так. Но для тех, кому тема близка, подкину еще несколько карточек с людьми. Согласитесь, в репортаже их не так и много, а между тем, с 2006 года здесь потрудились многие тысячи специалистов различного профиля.

41 . Кто-то внизу...

42 . А кто-то вверху... Хоть вы их и не видите, но они есть.

43 . А это один из самых заслуженных строителей Нововоронежской АЭС – гусеничный самоходный кран DEMAG. Именно он поднимал и устанавливал эти многотонные элементы реакторного и машинного залов (грузоподъемность – 1250 тонн). Дядька-монтажник и грузовик для понимания масштаба, а во весь рост (115 метров) смотрите красавца на фото 03 и 04.

И в качестве заключения. С марта этого года, по неведомым мне причинам, действующую Нововоронежскую АЭС и строящуюся Нововоронежскую АЭС-2 объединили. То, что мы с вами посетили и то, что привыкли называть НВАЭС-2, теперь называется четвертой очередью НВАЭС, а строящиеся энергоблоки из первого и второго превратились, соответственно, в шестой и седьмой. Инфа 110%. Желающие могут сразу же отправиться переписывать статьи в википедии, а я благодарю сотрудников отдела по связям со строящимися энергоблоками НВАЭС и особенно Татьяну, без которой бы эта экскурсия, скорее всего, не состоялась. Так же мои благодарности за ликбез по устройству атомных станций начальнику смены Роману Владимировичу Гридневу, а так же Владимиру

Общие положения. Атомные электростанции (АЭС) – это по существу тепловые электростанции, которые используют тепловую энергию ядерных реакций.

Возможность использования ядерного топлива, в основном урана 235 U, в качестве источника теплоты связана с осуществлением цепной реакции деления вещества и выделением при этом огромного количества энергии. Самоподдерживающаяся и регулируемая цепная реакция деления ядер урана обеспечивается в ядерном реакторе. Ввиду эффективности деления ядер урана 235 U при бомбардировке их медленными тепловыми нейтронами пока преобладают реакторы на медленных тепловых нейтронах. В качестве ядерного горючего используют обычно изотоп урана 235 U, содержание которого в природном уране составляет 0,714 %; основная масса урана – изотоп 238 U(99,28%). Ядерное топливо используют обычно в твердом виде. Его заключают в предохранительную оболочку. Такого рода тепловыделяющие элементы называют твэлами, их устанавливают в рабочих каналах активной зоны ректора. Тепловая энергия, выделяющиеся при реакции деления, отводится из активной зоны реактора с помощью теплоносителя, который прокачивают под давлением через каждый рабочий канал или через всю активную зону. Наиболее распространенным теплоносителем является вода, которую тщательно очищают.

Реакторы с водяным теплоносителем могут работать в водном или паровом режиме. Во втором случае пар получается непосредственно в активной зоне реактора.

При деление ядер урана или плутония образуются быстрые нейтроны, энергия которых велика. В природном или слабообогащенном уране, где содержание 235 U невелико, цепная реакция на быстрых нейтронах не развивается. Поэтому быстрые нейтроны замедляются до тепловых (медленных) нейтронов. В качестве замедлителей могут используют вещества, которые содержат элементы с малой атомной массой, обладающие низкой поглощающей способностью по отношению к нейтронам. Основными замедлителями являются вода, тяжелая вода, графит.

В настоящее время наиболее освоены реакторы на тепловых нейтронах. Такие реакторы конструктивно проще и легче управляемы по сравнению с реакторами на быстрых нейтронах. Однако перспективным направлением является использование реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного горючего – плутония; таким образом может быть использована большая часть 238 U.

На атомных станциях России используют ядерные реакторы следующих основных типов:

РБМК (реактор большой мощности, канальный) – реактор на тепловых нейтронах, водо-графитовый;

ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) – реактор на тепловых нейтронах, корпусного типа;

БН – реактор на быстрых нейтронах с жидкометаллическим натриевым теплоносителем.

Единичная мощность ядерных энергоблоков достигла 1500 Мвт. В настоящее время считается, что единичная мощность энергоблока АЭС ограничивается не столько техническими соображениями, сколько условиями безопасности при авариях с реакторами.

Действующие в настоящее время АЭС по технологическим требованиям работают главным образом в базовой части графика нагрузки энергосистемы с продолжительностью использования установленной мощности 6500 … 7000 ч/год

Схемы АЭС. Технологическая схема АЭС зависит от типа реактора, вида теплоносителя и замедлителя, а также от ряда других факторов. Схема может быть одноконтурной, двухконтурной и трехконтурной. На рисунке 1 в качестве примера представлена (1 – реактор; 2 – парогенератор; 3 – турбина; 4 – трансформатор; 5 – генератор; 6 – конденсатор турбины; 7 – конденсатный (питательный) насос; 8 – главный циркулярный насос.)

двухконтурная схема АЭС для электростанции с реактором типа ВВЭР. Видно, что это схема близка к схеме КЕС , однако вместо парогенератора на органическом топливе здесь используется ядерная установка.

Атомные электростанции так же, как и КЕС , строятся по блочному принципу как в тепломеханической, так и в электрической части.

Ядерное топливо обладает очень высокой теплотворной способностью (1кг 235 U заменяет 2 900 т угля), поэтому АЭС особенно эффективно в районах, бедных топливными ресурсами, на пример в европейской части России.

Атомные электростанции выгодно оснащать энергоблоками большой мощностью. Тогда по своим технико-экономическим показателям они не уступают КЕС, а в ряде случаев и превосходят их. В настоящее время разработаны реакторы электрической мощностью 440 и 1000 МВт типа ВВЭР, а так же 1000 и 1500 МВт типа РБМК. При этом энергоблок формируется следующим образом: реактор сочетается с двумя турбоагрегатами (реактор ВВЭР-440 и два турбоагрегата по 220 МВт; реактор ВВЭР-1000 и два турбоагрегата по 500 МВт; реактор РБМК-1500 и два турбоагрегата по 750 МВт) или с турбоагрегатом одинаковой мощности (реактор 1000 МВт и турбоагрегат 1000 МВт единичной мощности).

Перспективными являются АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, которые могут использоваться для получения теплоты и электроэнергии, а также я для воспроизводства ядерного топлива. Реактор типа БН имеет активную зону (рисунок 2, а),

Схема выполнения активной зоны реактора

где происходит ядерная реакция с выделением потока быстрых нейтронов. Эти нейтроны воздействуют на элементы из 238 U, который обычно в ядерных реакциях не применяется, и превращают его в плутоний 239 Pu , который может быть впоследствии использован на АЭС в качестве ядерного топлива. Теплота ядерной реакции отводится жидким натрием и используется для выработки электроэнергии.

Схема АЭС с реактором типа БН (рис 2, б-)

Технологическая Схема – ( 1 – реактор; 2 – теплообменник первого контура; 3 – теплообменник (барабан) второго контура; 4 – паровая турбина; 5 – повышающий трансформатор; 6 – генератор; 7 – конденсатор; 8,9,10 – насосы)

трехконтурная, в двух из них используется жидкий натрий (в контуре реактора и промежуточном). Жидкий натрий бурно реагирует с водой и водяным паром. Поэтому, чтобы избежать при авариях контакта радиоактивного натрия первого контура с водой или водяным паром, выполняют второй (промежуточный) контур, теплоносителем в котором является нерадиоактивный натрий. Рабочим телом третьего контура являются вода и водяной пар.

В настоящее время в эксплуатации находятся ряд энергоблоков типа БН , из них наиболее крупный БН-600 .

Атомные электростанции не имеют выбросов дымовых газов и не имеют отходов в виде золы и шлаков. Однако удельные тепловыделения в охлаждающую воду у АЭС больше, чем ТЕС, вследствие большего удельногорасхода пара, а следовательно, и больших удельных расходов охлаждающей воды. Поэтому на большинстве новых АЭС предусматривается установка градирен, в которых теплота от охлаждающей воды отводится в атмосферу.

Особенностью АЭС является необходимость захоронения радиоактивных отходов. Это делается в специальных могильниках, которые исключают возможность воздействия радиации на людей.

Чтобы избежать влияния возможным радиоактивных выбросов АЭС на людей при авариях, принимают специальные меры по повышению надежности оборудования (дублирование системы безопасности и др.), а вокруг станции создают санитарно-защитную зону.

Применение атомной энергии позволяет расширить энергетические ресурсы, способствуя этим сохранению ресурсов органического топлива, снизить стоимость электрической энергии, что особенно важно для районов, удельных от источников топлива, снизить загрязнение атмосферы, разгрузить транспорт, занятый перевозкой топлива, помочь в снабжение электроэнергией и теплотой производств, использующих новые технологии (например, занятых опреснением морской воды и расширением ресурсов пресной воды).

Что касается загрязнения, то при использование АЭС отпадает проблема нехватки кислорода среде, которая характерна для тепловой электростанции по причине его использования для горения органического топлива. Отсутствует выброс с дымовыми газами золы. В связи с проблемой борьбы с загрязнением воздушной среды важно отметить целесообразность внедрения также атомных ТЭЦ, так как ТЭЦ обычно располагаются вблизи тепловых потребителей, промышленных узлов и крупных населенных пунктов, где чистота среды особенно необходима.

При работе АЭС, не потребляющих органическое топливо (уголь, нефть, газ), в атмосферу не выбрасываются окислы серы, азота, углекислый газ. Это позволяет снизить парниковый эффект, ведущий к глобальному изменению климата.

Во многих странах атомные станции уже вырабатывают более половины электроэнергии (во Франции – около 75%, в Бельгии – около 65%), в России только 15%.

Уроки аварии на Чернобыльской АЭС (в апреле 1986 г.) потребовали существенно (во много раз) повысить безопасность АЭС и заставили отказаться от строительства АЭС в густонаселенных и сейсмоактивных районах. Тем не менее с учетом экологической ситуации атомную энергетику следует рассматривать как перспективную.

В России на АЭС стабильно вырабатывалось около 120 млрд кВт ч электрической энергии в год.

По данным Росэнергоатома, будет наблюдаться дальнейшие развитие атомной энергетики как по мощности АЭС , так и по количеству вырабатываемой электрической энергии на АЭС России.