На чем работают атомные станции. Типы аэс и их технологические схемы. КПД АЭС и мощность АЭС

14.08.2018

Атомная электростанция - комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений, предназначенный для производства электрической энергии. В качестве топлива станция использует уран-235. Наличие ядерного реактора отличает АЭС от других электростанций.

На АЭС происходит три взаимных преобразования форм энергии

Сухое охлаждение в настоящее время не используется в производстве ядерной энергии из-за рисков безопасности использования технологии сухого охлаждения с ядерными реакторами и высокой стоимости эксплуатации больших вентиляторов с сухим охлаждением. В дополнение к охлаждению пара, атомные электростанции также используют воду таким образом, чтобы никакая другая установка не производила: чтобы поддерживать ядро реактора и использовать топливные стержни. Чтобы избежать потенциально катастрофического сбоя, эти системы должны постоянно работать, даже когда завод закрыт для дозаправки.

Ядерная энергия

переходит в тепловую

Тепловая энергия

переходит в механическую

Механическая энергия

преобразуется в электрическую

1. Ядерная энергия переходит в тепловую

Основой станции является реактор - конструктивно выделенный объем, куда загружается ядерное топливо и где протекает управляемая цепная реакция. Уран-235 делится медленными (тепловыми) нейтронами. В результате выделяется огромное количество тепла.

На рисунке ниже: реактор с кипящей водой по сравнению с реактором под давлением. Наиболее распространенным топливом для атомных электростанций является уран. Для переработки урана требуются добыча полезных ископаемых, фрезерование, обогащение и производство топлива, все из которых используют значительное количество воды.

Источник фото: Комиссия по ядерному регулированию. Основное различие между типами ядерных реакторов заключается в том, что реакторы с водой под давлением удерживают котловую воду отдельно от реактора, что позволяет сохранить эту воду без радиоактивности. Системы ядерного охлаждения сконструированы таким образом, что, если трубы начинают течь, местная вода попадает в завод, а не утечка радиоактивной воды. Радиоактивно загрязненная вода затем может быть сброшена в местные источники воды после обработки в «системах жидких радиоактивных отходов», если радиоактивные выбросы ниже федеральных пределов.

ПАРОГЕНЕРАТОР

2. Тепловая энергия переходит в механическую

Тепло отводится из активной зоны реактора теплоносителем - жидким или газообразным веществом, проходящим через ее объем. Эта тепловая энергия используется для получения водяного пара в парогенераторе.

ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

3. Механическая энергия преобразуется в электрическую

В случае серьезного несчастного случая, такого как перегретый реактор, федеральная нормативная установка требуется для обеспечения аварийного снабжения водой, которая может продолжать охлаждать завод в течение как минимум 30 дней. Когда атомные станции получают воду из природных источников воды, рыбы и другие дикие животные попадают в системы водозабора системы охлаждения.

География ядерной энергетики

После извлечения из реактора ядерное топливо все еще очень горячее и требует хранения как для охлаждения, так и для контроля рисков радиационного отравления. Этот этап может продолжаться до 15 лет. Бассейны для хранения на водной основе являются обычным способом охлаждения отработанных пакетов уранового топлива после их использования в ядерных реакторах, хотя воздушное охлаждение также может использоваться. Эти системы потребляют ограниченное количество воды за счет испарения.

Механическая энергия пара направляется к турбогенератору, где она превращается в электрическую и дальше по проводам поступает к потребителям.

Из чего состоит АЭС?

Атомная станция представляет собой комплекс зданий, в которых размещено технологическое оборудование. Основным является главный корпус, где находится реакторный зал. В нём размещается сам реактор, бассейн выдержки ядерного топлива, перегрузочная машина (для осуществления перегрузок топлива), за всем этим наблюдают операторы с блочного щита управления (БЩУ).

Всемирная ядерная ассоциация. Факторы операционного водопотребления и изъятия для технологий производства электроэнергии: обзор существующей литературы. Энергетическое взаимодействие: улучшение федеральных данных о водопользовании позволило бы повысить понимание тенденций использования воды в электростанциях. Потребности в охлаждении атомной электростанции. В «Устойчивой энергетике: выбор вариантов» 389 «Лицензия на убийство»: как ядерная энергетика разрушает находящуюся под угрозой исчезновение морскую дикую природу и среду обитания океана, чтобы сэкономить деньги.

Основным элементом реактора является активная зона(1) . Она размещена в бетонной шахте. Обязательными компонентами любого реактора являются система управления и защиты, позволяющая осуществлять выбранный режим протекания управляемой цепной реакции деления, а также система аварийной защиты – для быстрого прекращения реакции при возникновении аварийной ситуации. Все это смонтировано в главном корпусе.

Служба ядерной информации и ресурсов. Канадский стартап хочет сделать ядерную энергетику более безопасной и дешевой с применением новых типов ядерных реакторов. Используемая идея, однако, уже старая. Уже в 1970-х годах исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси работали на атомных электростанциях, которые должны быть чище и безопаснее обычных рудников. Их процесс был основан на плавильных солях в качестве хладагентов, которые заменяют обычную воду.

Однако до сих пор этот подход не мог преобладать, потому что эта техника была слишком сложной. В этом году дизайн будет лицензирован в Канаде. Наземный теперь изменил один из этих подходов таким образом, чтобы он мог быть достаточно благоприятным, чтобы использовать его экономически.

Есть также второе здание, где размещается турбинный зал(2) : парогенераторы, сама турбина. Далее по технологической цепочке следуют конденсаторы и высоковольтные линии электропередач, уходящие за пределы площадки станции.

На территории находятся корпус для перегрузки и хранения в специальных бассейнах отработавшего ядерного топлива. Кроме того, станции комплектуются элементами оборотной системы охлаждения – градирнями(3) (бетонная башня, сужающаяся кверху), прудом-охладителем (естественный водоем, либо искусственно созданный) и брызгальными бассейнами.

Известно, что обычные ядерные реакторы значительно дороже, чем электростанции на ископаемом топливе. Это связано, в частности, с требованиями безопасности, которые, например, требуют избыточных насосов, защитных устройств и других защитных устройств. Наземный босс Симон Ирландский считает, что расплавленные солевые реакторы могут упростить и сократить расходы.

Преимущества атомной энергетики

В случае плавильных солевых заводов система автоматически охлаждается в случае отказа электропитания или повреждения корпуса реактора, без возможности радиоактивности, что может легко убежать - по крайней мере, идея. С другой стороны, обычные реакторы должны активно и непрерывно охлаждаться водой - даже в чрезвычайной ситуации. Если насосы перестанут работать, ядерное топливо перегреется, что, в свою очередь, может привести к серьезным авариям.

Какие бывают АЭС?

В зависимости от типа реактора на АЭС могут быть 1, 2 или 3 контура работы теплоносителя. В России наибольшее распространение получили двухконтурные АЭС с реакторами типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор).

АЭС С 1-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Одноконтурная схема применяется на атомных станциях с реакторами типа РБМК-1000. Реактор работает в блоке с двумя конденсационными турбинами и двумя генераторами. При этом кипящий реактор сам является парогенератором, что и обеспечивает возможность применения одноконтурной схемы. Одноконтурная схема относительно проста, но радиоактивность в этом случае распространяется на все элементы блока, что усложняет биологическую защиту.

В Китае также проводятся различные исследовательские работы. Трансатомный, с другой стороны, опирается на множество новых базовых материалов. В наземном реакторе уран смешивается с жидким расплавленным солевым хладагентом. Если топливо становится слишком горячим, смесь расширяется, что замедляет процессы крекинга и уменьшает тепловыделение. Это автоматически регулирует температуру и предотвращает перегрев. Охлаждающую жидкость можно кипятить только при очень высоких температурах. Испарение, как в случае с водными реакторами, практически исключено.

В настоящее время в России действует 4 АЭС с одноконтурными реакторами

АЭС С 2-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Двухконтурную схему применяют на атомных станциях с в водо-водяными реакторами типа ВВЭР. В активную зону реактора подается под давлением вода, которая нагревается. Энергия теплоносителя используется в парогенераторе для образования насыщенного пара. Второй контур нерадиоактивен. Блок состоит из одной конденсационной турбины мощностью 1000 МВт или двух турбин мощностью по 500 МВт с соответствующими генераторами.

Кроме того, если реактор поврежден и выйдет смесь ядерного топлива и охлаждающей жидкости, ядерное деление будет замедляться и расплавленная соль затвердевает. Таким образом, радиоактивный материал трудно достичь окружающей среды. По мнению ирландцев, такой реактор может также сократить количество ядерных отходов, образующихся на две трети, поскольку реактор работает в два раза выше температуры обычных атомных электростанций. Это повышает эффективность и снижает требуемое количество топлива. Кроме того, переработка должна быть проще.

В настоящее время в России действует 5 АЭС с двухконтурными реакторами

АЭС С 3-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Трехконтурную схему применяют на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем типа БН. Чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой, сооружают второй контур с нерадиоактивным натрием. Таким образом схема получается трехконтурной.

Кроме того, важные области системы взаимозаменяемы. Наземные основные компоненты, включая графит, теперь находятся в запечатанном блоке, который может быть удален и заменен каждые семь лет. Это должно упростить работу. Но это займет некоторое время до строительства первого коммерческого объекта: наземный не ожидает ввода в эксплуатацию до начала следующего десятилетия.

Схема выполнения активной зоны реактора

Реакторная катастрофа Фукусимы на радиоактивные вещества была выпущена в больших количествах, большие площади пришлось эвакуировать. Последствия займут Японию на десятилетия вперед. Наш фокус информирует об основных принципах ядерной технологии и показывает в симуляции, насколько сложным является управление атомной электростанцией.

Для обычного человека современные высокотехнологичные устройства настолько таинственны и загадочны, что впору им поклоняться, как древние поклонялись молнии. Школьные уроки физики, изобилующие математическими выкладками, не решают проблему. А ведь рассказать интересно можно даже про атомный реактор, принцип работы которого понятен даже подростку.

Как можно контролировать ядерный реактор в симуляторе атомной электростанции. В качестве контроля у вас есть так называемые управляющие стержни, доступные для работы реактора. С вытаскиванием вы увеличиваете производительность, при этом ретракция снижает производительность реактора. Примечание: Все реакции реактора откладываются. Особенно при запуске, производительность увеличивается только медленно, но затем очень быстро стремится к чрезмерной реакции.

В то же время вам необходимо контролировать тепловой поток в турбину. Турбинный клапан должен быть отрегулирован так, чтобы реактор работал в своем номинальном диапазоне температур от 310 до 320 градусов Цельсия. При «аварийном отключении» управляющие стержни втягиваются во вспышку, поэтому линия реактора резко уменьшается, но не уменьшается до нуля. Оставшаяся мощность реактора должна рассеиваться путем охлаждения.

Как работает атомный реактор?

Принцип действия данного высокотехнологического устройства выглядит следующим образом:

При поглощении нейтрона ядерное топливо (чаще всего это уран-235 или плутоний-239 ) происходит деление атомного ядра;
Высвобождается кинетическая энергия, гамма-излучение и свободные нейтроны;
Кинетическая энергия преобразуется в тепловую (когда ядра сталкиваются с окружающими атомами), гамма-излучение поглощается самим реактором и превращается также в тепло;
Часть из образованных нейтронов поглощается атомами топлива, что вызывает цепную реакцию. Для управления ей используются поглотители и замедлители нейтронов;
С помощью теплоносителя (вода, газ или жидкий натрий) происходит отвод тепла от места прохождения реакции;
Находящийся под давлением пар от нагретой воды используется для приведения во вращение паровых турбин;
С помощью генератора механическая энергия вращения турбин преобразуется в переменный электрический ток.

С «Ошибка охлаждения» вы можете моделировать ситуацию, аналогичную ситуации в Фукусиме. Скорость моделирования значительно ускорена. До 350 градусов по Цельсию все еще остается жидкая вода под высоким давлением в реакторе. При повторном включении вы можете перезапустить контур охлаждения и привести реактор под контроль.

Представленная - сильно упрощенная - модель управления реакторами основана на фундаментальных механизмах передачи ядерного деления и тепла от ядра реактора к турбинам. В отличие от реактора в Фукусиме, моделируется так называемый реактор с водой под давлением. Реактор с кипящей водой не имеет второго контура, а только один контур, который работает на более низком уровне температуры и горячий пар подается непосредственно в турбины.

Подходы к классификации

Оснований для типологии реакторов может быть множество:

По типу ядерной реакции . Деление (все коммерческие установки) или синтез (термоядерная энергетика, имеет распространение лишь в некоторых НИИ);
По теплоносителю . В абсолютном большинстве случаев с этой целью используется вода (кипящая или тяжелая). Иногда используются альтернативные решения: жидкий металл (натрий, свинец-висмутовый сплав, ртуть), газ (гелий, углекислый газ или азот), расплавленная соль (фторидные соли);
По поколению. Первое - ранние прототипы, которые не имели никакого коммерческого смысла. Второе - большинство ныне используемых АЭС, которые были построены до 1996 года. Третье поколение отличается от предыдущего лишь небольшими усовершенствованиями. Работа над четвертым поколением еще ведется;
По агрегатному состоянию топлива (газовое пока существует только на бумаге);
По целям использования (для производства электричества, пуска двигателя, производства водорода, опреснения, трансмутации элементов, получение нейронного излучения, теоретические и следовательские цели).

Основные проблемы ядерной энергетики

Атомные электростанции, иногда называемые атомными электростанциями, используются для выработки электрической энергии из ядерной энергии. В этом случае в ядерном реакторе контролируется ядерное деление, в котором выделяется тепловая энергия. Эта тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию через цепочку преобразования энергии.

Структура и типы атомных электростанций

Атомные электростанции являются чрезвычайно сложными и сложными заводами. Ядром атомной электростанции является ядерный реактор, в котором происходит контролируемое ядерное деление. Другими важными компонентами являются турбина, генератор и контур охлаждения с конденсатором и часто с градирней из-за его размера наиболее заметной конструкции на атомной электростанции.

Устройство атомного реактора

Основными компонентами реакторов на большинстве электростанций являются:

Ядерное топливо - вещество, которое необходимо для производства тепла для энергетических турбин (как правило, низкообогащенный уран);
Активная зона ядерного ректора - именно здесь проходит ядерная реакция;
Замедлитель нейтронов - снижает скорость быстрых нейтронов, превращая их в тепловые нейтроны;
Пусковой нейтронный источник - используется для надежного и стабильного пуска ядерной реакции;
Поглотитель нейтронов - имеются на некоторых электростанциях для снижения высокой реакционной способности свежего топлива;
Нейтронная гаубица - используется для повторного инициирования реакции после выключения;
Охлаждающая жидкость (очищенная вода);
Управляющие стержни - для регулирования скорости деления ядер урана или плутония;
Водный насос - перекачивает воду в паровой котел;
Паровая турбина - превращает тепловую энергию пара во вращательную механическую;
Градирня - устройство для отвода лишнего тепла в атмосферу;
Система приема и хранения радиоактивных отходов;
Системы безопасности (аварийные дизель-генераторы, устройства для аварийного охлаждения активной зоны).

В соответствии с их структурой выделяются два типа атомных электростанций. В случае атомной электростанции с кипящим водным реактором вода, нагретая в ядерном реакторе, превращается в пар, и это подается непосредственно в турбину. Вода возвращается в ядерный реактор через конденсатор.

На атомной электростанции с реактором с водой под давлением имеется первый контур с парогенератором в ядерном реакторе. Во втором контуре пар достигает турбины. Одним из преимуществ такого устройства является то, что радиоактивно загрязненная вода расположена только в защищенной области реактора. Недостатком является общая более сложная структура.

Как устроены последние модели

Последнее 4-е поколение реакторов будет доступно для коммерческой эксплуатации не раньше 2030 года . В настоящее время принцип и устройство их работы находятся на этапе разработки. Согласно современным данным, эти модификации будут отличаться от существующих моделей такими преимуществами :

Как работает атомный реактор?

Принцип работы атомной электростанции, включая происходящие в ней энергетические преобразования, показывает, как атомная электростанция является основным реактором, в котором происходит контролируемое ядерное деление. Предпосылками для управляемого деления ядер являются.

Для этой цели нейтроны, высвобождающиеся при делении ядра, должны быть замедленными. Это осуществляется с помощью управляющих стержней, которые могут подаваться в реактор на разных глубинах, которые состоят из материалов, поглощающих нейтроны.

Должен быть достаточный расщепляющийся материал.
Это делается модераторами.
Количество нейтронов, вызывающих ядерное деление, должно регулироваться.

На рисунке 5 показана базовая структура ядерного реактора. Используемое ядерное топливо представляет собой оксид урана с обогащенным ураном.

Система быстрого газового охлаждения. Предполагается, что в качестве охлаждающего вещества будет использован гелий. Согласно проектной документации, таким образом можно охлаждать реакторы с температурой 850 °С. Для работы при таких высоких температурах потребуется и специфическое сырье: композитные керамические материалы и актинидные соединения;
В качестве первичного теплоносителя возможно использование свинца или свинцово-висмутового сплава. Эти материалы имеют низкий показатель нейтронного поглощения и относительно низкую температуру плавления;
Также в качестве основного теплоносителя может использоваться смесь из расплавленных солей. Тем самым удастся работать при более высоких температурах, чем современные аналоги с водяным охлаждением.

Естественные аналоги в природе

Ядерный реактор воспринимается в общественном сознании исключительно как продукт высоких технологий. Однако по факту первое такое устройство имеет природное происхождение . Оно было обнаружено в регионе Окло, что в центральноафриканском государстве Габон:

Реактор был образован из-за подтопления урановых пород подземными водами. Они выступили как нейтронные замедлители;
Тепловая энергия, выделяющаяся при распаде урана, превращает воду в пар, и цепная реакция останавливается;
После падения температуры охлаждающей жидкости все повторяется вновь;
Если бы жидкость не выкипала и не останавливала течение реакции, человечество бы столкнулось с новой природной катастрофой;
Самоподдерживаемое деление ядер началось в этом реакторе около полутора миллиардов лет назад. За это время было выделено около 0,1 миллиона ватт выходной мощности;
Подобное чудо света на Земле является единственным известным. Появление новых невозможно: доля урана-235 в природном сырье намного ниже уровня, необходимого для поддержания цепной реакции.

Сколько атомных реакторов в Южной Корее?

Бедная на природные ресурсы, но промышленно развитая и перенаселенная Республика Корея испытывает чрезвычайную потребность в энергии. На фоне отказа Германии от мирного атома эта страна возлагает большие надежды на обуздание ядерных технологий:

Планируется, что к 2035 году доля электроэнергии, генерируемой на АЭС, достигнет 60%, а совокупное производство - более 40 гигаватт;
Страна не имеет атомного оружия, но исследования по ядерной физике ведутся непрерывно. Корейские ученые разработали проекты современных реакторов: модульные, водородные, с жидким металлом и др.;
Успехи местных исследователей позволяют продавать технологии за рубеж. Ожидается, что в ближайшие 15-20 лет страна экспортирует 80 таких установок;
Но по состоянию на сегодняшний день большая часть АЭС сооружена при содействии американских или французских ученых;
Количество действующих станций относительно невелико (только четыре), но каждая из них располагает значительным числом реакторов - в совокупности 40, причем эта цифра будет расти.

При бомбардировке нейтронами ядерное топливо приходит в цепную реакцию, в результате которой образуется огромное количество тепла. Находящаяся в системе вода забирает это тепло и превращается в пар, который вращает турбины, производящие электричество. Вот простая схема работы атомного реактора, мощнейшего источника энергии на Земле.

Видео: как работают атомные реакторы

В данном ролике физик-ядерщик Владимир Чайкин расскажет, с помощью чего врабатывается электричество в атомных реакторах, их подробное устройство: