Атомная станция для чего она нужна
АЭС: как это работает?
Атомная электроэнергетика – современный и быстро развивающийся способ добычи электричества. А вы знаете, как устроены атомные станции? Каков принцип работы АЭС? Какие типы ядерных реакторов сегодня существуют? Постараемся детально рассмотреть схему работы АЭС, вникнуть в устройство ядерного реактора и узнать о том, насколько безопасен атомный способ добычи электроэнергии.
Как устроена АЭС?
Любая станция – это закрытая зона вдалеке от жилого массива. На ее территории находятся несколько зданий. Самое главное сооружение – здание реактора, рядом с ним расположен машинный зал, из которого реактором управляют, и здание безопасности.
Схема АЭС невозможна без ядерного реактора. Атомный (ядерный) реактор – это устройство АЭС, которое призвано организовать цепную реакцию деления нейтронов с обязательным выделением энергии при этом процессе. Но каков принцип работы АЭС?
Вся реакторная установка помещается в здание реактора, большую бетонную башню, которая скрывает реактор и в случае аварии удержит в себе все продукты ядерной реакции. Эту большую башню называют контейнтмент, герметичная оболочка или гермозона.
Гермозона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стенки – оболочки.
Внешняя оболочка толщиной в 80 см обеспечивает защиту гермозоны от внешних воздействий.
Внутренняя оболочка толщиной в 1 метр 20 см имеет в своем устройстве специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. С внутренней стороны она выложена тонким листом специальной стали, которая призвана служить дополнительной защитой контейнтмента и в случае аварии не выпустить содержимое реактора за пределы гермозоны.
Такое устройство атомной станции позволяет выдержать падение самолета весом до 200 тонн, 8 бальное землетрясение, торнадо и цунами.
Впервые герметичная оболочка была сооружена на американской АЭС Коннектикут Янки в 1968 году.
Полная высота гермозоны – 50-60 метров.
Из чего состоит атомный реактор?
Чтобы понять принцип работы ядерного реактора, а значит и принцип работы АЭС, нужно разобраться в составляющих реактора.
Топливо для АЭС
На чем работает АЭС? Топливо для АЭС – это химические элементы, обладающие радиоактивными свойствами. На всех атомных станциях таким элементом выступает уран.
Обогащенный уран
Что делать в этом случае? Уран решили обогащать. Обогащение урана это процесс, когда в нем остается много нужных 235х изотопов и мало ненужных 238х. Задача обогатителей урана – из 0.7% сделать почти 100% урана-235.
Обогатить уран можно с помощью двух технологий – газодиффузионной или газоцентрифужной. Для их использования уран, добытый из руды, переводят в газообразное состояние. В виде газа его и обогащают.
Урановый порошок
Обогащенный урановый газ переводят в твердое состояние – диоксид урана. Такой чистый твердый 235й уран выглядит как большие белые кристаллы, которые позже дробят в урановый порошок.
Урановые таблетки
Урановые таблетки – это твердые металлические шайбы, длиной в пару сантиметров. Чтобы из уранового порошка слепить такие таблетки, его перемешивают с веществом – пластификатором, он улучшает качество прессования таблеток.
Прессованные шайбы запекают при температуре 1200 градусов по Цельсию более суток, чтобы придать таблеткам особую прочность и устойчивость к высоким температурам. То, как работает АЭС, напрямую зависит от того, насколько хорошо спрессовали и запекли урановое топливо.
Запекают таблетки в молибденовых ящиках, т.к. только этот металл способен не расплавиться при «адских» температурах свыше полутора тысяч градусов. После этого урановое топливо для АЭС считается готовым.
Что такое ТВЭЛ и ТВС?
Активная зона реактора внешне выглядит как огромный диск или труба с дырками в стенках (в зависимости от типа реактора), раз в 5 больше человеческого тела. В этих дырках находится урановое топливо, атомы которого и проводят нужную реакцию.
Цирконий выбран материалом для производства ТВЭЛов благодаря его тугоплавкости и антикоррозийности.
Тип ТВЭЛов зависит от типа и строения реактора. Как правило, строение и назначение ТВЭЛов не меняется, разными могут быть длина и ширина трубки.
В одну циркониевую трубку автомат загружает более 200 урановых таблеток. Всего в реакторе одновременно работают около 10 миллионов урановых таблеток.
ТВС – тепловыделяющая сборка. Работники АЭС называют ТВС пучками.
Одна ТВС за 4 года эксплуатации вырабатывает столько же энергии как при сжигании 670 вагонов угля, 730 цистерн с природным газом или 900 цистерн, груженных нефтью.
Сегодня ТВС производят в основном на заводах России, Франции, США и Японии.
Чтобы доставить топливо для АЭС в другие страны, ТВС запечатывают в длинные и широкие металлические трубы, из труб выкачивают воздух и специальными машинами доставляют на борта грузовых самолетов.
Атомная электростанция: принцип работы
Каков принцип работы АЭС? Принцип работы АЭС базируется 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 АЭС выглядит так:
После пуска ядерного реактора из ТВЭЛов извлекаются поглощающие стержни, которые не дают урану вступить в реакцию.
Как только стрежни извлечены, нейтроны урана начинают взаимодействовать друг с другом.
Когда нейтроны сталкиваются, происходит мини-взрыв на атомном уровне, выделяется энергия и рождаются новые нейтроны, начинает происходить цепная реакция. Этот процесс выделяет тепло.
Тепло отдается теплоносителю. В зависимости от типа теплоносителя оно превращается в пар или газ, которые вращают турбину.
Турбина приводит в движение электрогенератор. Именно он по факту и вырабатывает электрический ток.
Если не следить за процессом, нейтроны урана могут сталкиваться друг с другом до тех пор, пока не взорвут реактор и не разнесут всю АЭС в пух и прах. Контролируют процесс компьютерные датчики. Они фиксируют повышение температуры или изменение давления в реакторе и могут автоматически остановить реакции.
Чем отличается принцип работы АЭС от ТЭС (теплоэлектростанций)?
Различия в работе есть только на первых этапах. В АЭС теплоноситель получает тепло от деления атомов уранового топлива, в ТЭС теплоноситель получает тепло от сгорания органического топлива (угля, газа или нефти). После того, как или атомы урана, или газ с углём выделили тепло, схемы работы АЭС и ТЭС одинаковы.
Типы ядерных реакторов
То, как работает АЭС, зависит от того, как именно работает ее атомный реактор. Сегодня есть два основных типа реакторов, которые классифицируются по спектру нейронов:
Реактор на медленных нейтронах, его также называют тепловым.
Для его работы используется 235й уран, который проходит стадии обогащения, создания урановых таблеток и т.д. Сегодня реакторов на медленных нейтронах подавляющее большинство.
Реактор на быстрых нейтронах.
За этими реакторами будущее, т.к. работают они на уране-238, которого в природе пруд пруди и обогащать этот элемент не нужно. Минус таких реакторов только в очень больших затратах на проектирование, строительство и запуск. Сегодня реакторы на быстрых нейтронах работают только в России.
Теплоносителем в реакторах на быстрых нейтронах выступает ртуть, газ, натрий или свинец.
Реакторы на медленных нейтронах, которыми сегодня пользуются все АЭС мира, тоже бывают нескольких типов.
Организация МАГАТЭ (международное агентство по атомной энергетике) создало свою классификацию, которой пользуются в мировой атомной энергетике чаще всего. Так как принцип работы атомной станции во многом зависит от выбора теплоносителя и замедлителя, МАГАТЭ базировали свою классификацию на этих различиях.
С химической точки зрения оксид дейтерия идеальный замедлитель и теплоноситель, т.к. ее атомы наиболее эффективно взаимодействуют с нейтронами урана по сравнению с другими веществами. Попросту говоря, свою задачу тяжелая вода выполняет с минимальными потерями и максимальным результатом. Однако ее производство стоит денег, в то время как обычную «легкую» и привычную для нас воду использовать куда проще.
Несколько фактов об атомных реакторах…
Одна обечайка (элемент конструкции) ядерного реактора весит 150 тонн. В одном реакторе таких элементов 6.
Водо-водяной реактор
Все водо-водяные реакторы в мире за все годы их эксплуатации в сумме уже успели набрать более 1000 лет безаварийной работы и ни разу не давали серьезных отклонений.
Структура АЭС на водо-водяных реакторах, подразумевает, что между ТВЭЛами циркулирует дистиллированная вода, нагретая до 320 градусов. Чтобы не дать ей перейти в парообразное состояние ее держат под давлением в 160 атмосфер. Схема АЭС называет ее водой первого контура.
Нагретая вода попадает в парогенератор и отдает свое тепло воде второго контура, после чего снова «возвращается» в реактор. Внешне это выглядит так, что трубки воды первого контура соприкасаются с другими трубками – воды второго контура, они передают тепло друг другу, но воды не контактируют. Контактируют трубки.
Таким образом, исключена возможность попадания радиации в воду второго контура, которая будет далее участвовать в процессе добычи электричества.
То, как работают АЭС далее, уже хорошо известно — вода второго контура в парогенераторах превращается в пар, пар вращает турбину, а турбина приводит в движение электрогенератор, который вырабатывает электроэнергию.
Безопасность работы АЭС
Узнав принцип работы АЭС мы должны понимать как же устроена безопасность. Устройство АЭС сегодня требует повышенного внимания к правилам безопасности.
Затраты на безопасность АЭС составляют примерно 40% от общей стоимости самой станции.
В схему АЭС закладываются 4 физических барьера, которые препятствуют выходу радиоактивных веществ. Что должны делать эти барьеры? В нужный момент суметь прекратить ядерную реакцию, обеспечивать постоянный отвод тепла от активной зоны и самого реактора, предотвращать выход радионуклеидов за пределы контайнмента (гермозоны).
Если, несмотря на устройство АЭС с множеством степеней защиты, охладить активную зону реактора в нужный момент не удастся, и температура топлива возрастет до 2600 градусов, то в дело вступает последняя надежда системы безопасности – так называемая ловушка расплава.
Дело в том, что при такой температуре дно корпуса реактора расплавится, и все остатки ядерного топлива и расплавленных конструкций стекут в специальный подвешенный над активной зоной реактора «стакан».
Ловушка расплава охлаждаема и огнеупорна. Она наполнена так называемым «жертвенным материалом», который постепенно останавливает цепную реакцию деления.
Таким образом, схема АЭС подразумевает несколько степеней защиты, которые практически полностью исключают любую возможность аварии.
Атомная электростанция: устройство и влияние на окружающую среду
АЭС: от прошлого до настоящего
Атомная электростанция – предприятие, представляющее собой совокупность оборудования и сооружений для выработки электрической энергии. Специфика данной установки заключается в способе получения тепла. Необходимая для выработки электроэнергии температура возникает в процесса распада атомов.
Роль топлива для АЭС выполняет чаще всего уран с массовым числом 235 (235U). Именно потому, что этот радиоактивный элемент способен поддерживать цепную ядерную реакцию, он используется на атомных электрических станциях, а также применяется в ядерном оружии.
Страны с наибольшим количеством АЭС
За последние 10 лет в мире в эксплуатацию было введено 47 энергоблоков, почти все из них находятся либо в Азии (26 — в Китае), либо в Восточной Европе. Две трети строящихся на данный момент реакторов приходятся на Китай, Индию и Россию. КНР осуществляет самую масштабную программу строительства новых АЭС, ещё около полутора десятка стран мира строят АЭС или развивают проекты их строительства.
Помимо США, к списку наиболее продвинутых в области ядерной энергетики стран относят:
Принцип работы АЭС
Принцип работы атомной электростанции основан на действии ядерного (иногда называемого атомным) реактора – специальной объёмной конструкции, в которой происходит реакция расщепления атомов с выделением энергии.
Существуют различные виды ядерных реакторов:
По принципу устройства реакторы также делят на:
Устройство и структура атомной электростанции. Как работает АЭС?
Типичная атомная электростанция состоит из блоков, внутри каждого из которых размещены различные технические приспособления. Самый значимый из таких блоков – комплекс с реакторным залом, обеспечивающий работоспособность всей АЭС. Он состоит из следующих устройств:
За данным корпусом следует зал. В нем обустроены парогенераторы и находится основная турбина. Сразу же за ними располагаются конденсаторы, а также линии передачи электричества, выходящие за границы территории.
Помимо прочего, имеется блок с бассейнами для отработанного топлива и специальные блоки, предназначенные для охлаждения (они называются градирнями). Кроме того, для охлаждения применяются распылительные бассейны и природные водоемы.
Принцип работы АЭС
На всех без исключения АЭС существует 3 этапа преобразования электрической энергии:
Уран отдает нейтроны, вследствие чего происходит выделение тепла в огромных количествах. Горячая вода из реактора прокачивается насосами через парогенератор, где отдает часть тепла, и снова возвращается в реактор. Поскольку эта вода находится под большим давлением, она остается в жидком состоянии(в современных реакторах типа ВВЭР около 160 атмосфер при температуре
330 °C [7] ). В парогенераторе это тепло передается воде второго контура, которая находится под гораздо меньшим давлением (половина давления первого контура и менее), поэтому закипает. Образовавшийся пар поступает на паровую турбину, вращающую электрогенератор, а затем в конденсатор, где пар охлаждают, он конденсируется и снова поступает в парогенератор. Конденсатор охлаждают водой из внешнего открытого источника воды (например, пруда-охладителя).
И первый и второй контур замкнуты, что снижает вероятность утечки радиации. Размеры конструкций первого контура минимизированы, что также снижает радиационные риски. Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, что облегчает ремонт и уменьшает количество радиоактивных отходов при демонтаже станции.
Защитные механизмы АЭС
Все атомные электростанции в обязательном порядке оснащаются комплексными системами безопасности, например:
Кроме того, реактор может аварийно остановиться в случае чрезвычайной ситуации. В этом случае автоматическая защита прервет цепные реакции, если температура в реакторе продолжит подниматься. Эта мера впоследствии потребует серьезных восстановительных работ для возвращения реактора в строй.
После того как в Чернобыльской АЭС произошла опасная авария, причиной которой оказалось несовершенство конструкции реактора, стали больше внимания уделять защитным мерам, а также провели конструкторские работы для обеспечения большей надежности реакторов.
Катастрофа ХХІ века и её последствия
В марте 2011 года северо-восток Японии поразило землетрясение, вызвавшее цунами, которая в итоге повредила 4 из 6 реакторов АЭС «Фукусима-1».
Менее чем через два года после трагедии официальное количество погибших в катастрофе превышало 1500 человек, в то время как 20 000 человек до сих пор считаются пропавшими без вести, а еще 300 000 жителей были вынуждены оставить свои дома.
Были и пострадавшие, которые оказались не способны покинуть место происшествия из-за огромной дозы излучения. Для них была организована незамедлительная эвакуация, продолжавшаяся 2 дня.
Тем не менее, с каждым годом методы предотвращения аварий на АЭС, а также нейтрализации ЧП совершенствуются – наука неуклонно идёт вперёд. Тем не менее, будущее явно станет временем расцвета альтернативных способов получения электроэнергии – в частности, логично ожидать появления в ближайшие 10 лет орбитальных солнечных батарей гигантского размера, что вполне достижимо в условиях невесомости, а также прочих, в том числе революционных технологий в энергетике.
Атомная электростанция — принцип работы простыми словами
Принцип работы атомной электростанции заключается в получении электроэнергии путем контролируемой (т. е. невзрывной) ядерной реакции.
Атомные электростанции используют ядерные реакции деления в реакторах. Реакторы нагревают воду для производства пара, который затем используется для выработки электроэнергии.
Франция около трех четвертей своей мощности получает от атомной энергетики, в то время как Бельгия, Болгария, Чехия, Венгрия, Словакия, Южная Корея, Швеция, Швейцария, Словения и Украина получают одну треть или больше. Япония, Германия и Финляндия получают более четверти своей мощности от атомной энергетики, в то время как в США одну пятую.
Италия приостановила свою ядерную энергетику. Среди стран, не имеющих атомных электростанций Австрия, Дания, Греция, Ирландия, Латвия, Норвегия, Филиппины, Португалия, Уругвай.
Основные части атомной электростанции
Принцип работы атомной электростанции основан и состоит из управляемого атомного реактора из стержней, которые изготовлены из стали, содержащей высокий процент материала, способного поглощать нейтроны, например бор. Стержни управления находятся в активной зоне реактора. Они контролируют количество реакции и, следовательно, количество вырабатываемой тепловой энергии. Кроме того для регулирования скорости синтеза применяются замедлители. Типичными замедлителями являются вода, графит или тяжелая вода (D2O). Только нейтроны с достаточно низкой скоростью могут производить деление ядер урана.
Ядерная реакция производит тепло, которое уносится теплоносителем. Типичными хладагентами являются вода, углекислый газ, жидкий натрий. Пар, вырабатываемый в парогенераторе пар переходит в паровую турбину. Сила паровой струи заставляет турбину вращаться. Турбина связана с генератором, который производит электричество.
Ядерное топливо
Ядерное топливо-это любой материал, который может быть использован для получения ядерной энергии. Наиболее распространенным типом ядерного топлива являются делящиеся элементы, которые могут подвергаться цепным реакциям ядерного деления в реакторе. Наиболее распространенными ядерными топливами являются 235U и 239Pu. Природный уран содержит 0,7% 235U. Но его количество должно быть увеличено на заводах-обогатителях примерно до 3%, чтобы быть более полезным в ядерной области.
Когда нейтрон ударяется об атом урана, уран расщепляется на два более легких атома и одновременно выделяет тепло. Деление тяжелых элементов-это экзотермическая реакция, которая может высвобождать большое количество энергии как в виде электромагнитного излучения, так и в виде кинетической энергии осколков. Цепная реакция относится к процессу, в котором нейтроны, высвобожденные при делении, производят дополнительное деление по крайней мере еще в одном ядре. Это ядро, в свою очередь, производит нейтроны, и процесс повторяется. Контролируемый процесс используется в ядерной энергетике, неконтролируемый в ядерном оружии.
Принцип работы атомной электростанции строится в расщеплении атома ядерного топлива. Когда атом урана расщепляется, часть энергии, которая удерживала его вместе, высвобождается в виде излучения тепла. Поскольку энергия и масса зависимы, высвобожденная энергия — это также высвобожденная масса.
235U + 1 нейтрон = 2 нейтрона + 92Kr (криптон) + 142Ba (барий) + ЭНЕРГИЯ
Таким образом, общая масса действительно немного уменьшается во время реакции.
Типы атомных электростанций
Существуют следующие основные типы реакторов
Реактор с кипящей водой
Реактор с кипящей водой работает как электростанция, вырабатывающая ископаемое топливо. Вода кипит внутри сосуда высокого давления, и образуется пароводяная смесь. Теплоноситель реактора движется вверх по активной зоне, поглощая тепло.
Когда пар поднимается к верхней части сосуда высокого давления, то направляется в турбогенератор для поворота турбины. Существует только один контур с водой при низком давлении, так что вода кипит в ядре при достаточно низком давлении.
Водяной реактор под давлением
Реактор с водой под давлением отличается тем, что здесь пар для работы турбины вырабатывается в парогенераторе. Блок наддува удерживает воду, протекающую через корпус реактора, под очень высоким давлением, чтобы предотвратить ее кипение. Затем горячая вода поступает в парогенератор, где преобразуется в пар. Пар проходит через турбину, которая производит электричество. Около 60% коммерческих энергетических реакторов в мире являются реакторами с водой под давлением. Очевидным преимуществом этого типа является то, что утечка топлива в активной зоне не приведет к попаданию радиоактивных загрязнений в турбину и конденсатор.
Контрольно-измерительных приборы атомной электростанции
Архитектура системы контрольно-измерительных приборов вместе с эксплуатационным персоналом станции служит «центральной нервной системой» атомной электростанции.
Через их различные составные элементы (например, оборудование, модули, датчики, передатчики, резервирование, исполнительные механизмы и т. д.), система ввода-вывода установки определяет основные физические параметры, контролирует производительность, интегрирует информацию и при необходимости автоматически корректирует работу установки. Система реагирует на сбои и ненормальные события, обеспечивает цели эффективного производства электроэнергии и безопасности, а также обеспечивает безопасную и надежную выработку электроэнергии. Большое значение следует придавать проектам, связанным с проектированием, испытанием, эксплуатацией, техническим обслуживанием, лицензированием, эксплуатацией и модернизацией систем ввода-вывода.
Система мониторинга реактора
Система контроля реактора является особенностью атомных электростанций и представляет собой систему нейтронного контроля для измерения нейтронов внутри реактора и систему радиационного контроля для измерения излучения внутри установки.
Система нейтронного мониторинга необходима для мониторинга активной зоны.
Безопасность атомных электростанций
Безопасность серьезно воспринимается теми, кто работает в ядерной сфере. Основной проблемой безопасности является выброс неконтролируемого излучения в окружающую среду, которое может нанести вред человеку и природе как на площадке реактора, так и за ее пределами.
Существует ряд физических барьеров между радиоактивным ядром и окружающей средой. Реакторы заключены в массивный железобетон толщиной 1,8 метра. Рабочие защищены от радиации внутренними бетонными стенами. Вакуумный корпус соединен с корпусами реакторов каналом сброса давления.
Вакуумное здание представляет собой бетонную конструкцию высотой порядка 70 м и находится под отрицательным атмосферным давлением. Это означает, что если бы какая-либо радиация просочилась из реактора, она была бы засосана в вакуумное здание и, следовательно, предотвращена от выброса в окружающую среду. Конструкция реактора также включает в себя несколько резервных компонентов, независимые системы, контроль контрольно-измерительных приборов и предотвращение выхода из строя одного типа оборудования, влияющего на любой другой. Безопасность важна и для работников атомных электростанций.
Дозы облучения контролируются с помощью пультов в активной зоне реактора.
Соблюдается жесткое физическое экранирование и ограничение по времени пребывания рабочего в зонах со значительным уровнем радиации.
Техническое обслуживание охлаждения активной зоны
В любом ядерном реакторе необходимо охлаждение. Обычно ядерные реакторы используют воду в качестве теплоносителя. Некоторые реакторы, которые не могут использовать воду, используют натрий или натриевые соли.
Контроль радиоактивности
Контроль нейтронного потока очень важен. Если мы уменьшаем поток нейтронов, мы уменьшаем радиоактивность. Наиболее распространенным способом уменьшения потока нейтронов является включение поглощения нейтронов через стержни управления.
Управляющие стержни важны, потому что реакция может выйти из-под контроля, если события деления происходят чрезвычайно часто. В современных атомных электростанциях ввод всех стержней управления в активную зону реактора происходит за несколько секунд, что позволяет максимально быстро остановить ядерную реакцию. Кроме того, большинство реакторов сконструировано так, что за пределами оптимального уровня по мере повышения температуры эффективность реакций снижается, следовательно, меньшее количество нейтронов способно вызвать деление и реактор автоматически замедляется.
Выводы
В 1950-х годах внимание было обращено на мирные цели ядерного деления, в частности на производство энергии. Сегодня мир производит столько же электроэнергии из ядерной энергии, сколько и из всех источников, вместе взятых в 1960 году.
Многие страны учитывают принцип работы атомной электростанции и построили исследовательские реакторы, чтобы обеспечить источник нейтронных пучков для научных исследований и производства медицинских и промышленных изотопов.
Сегодня известно, что только восемь стран обладают ядерным потенциалом. В отличие от этого, 56 эксплуатируют гражданские исследовательские реакторы, а 30 размещают около 450 коммерческих ядерных энергетических реакторов общей установленной мощностью более 377 000 МВт. Это более чем в три раза превышает суммарные генерирующие мощности Франции или Германии из всех источников. Порядка 60 ядерных энергетических реакторов находятся в стадии строительства, что эквивалентно 17% существующей мощности, в то время как более 150 твердо запланированы, что эквивалентно 46% нынешней мощности.