Общие сведения об атомных станциях

Атомная энергетика исчисляет свою историю с июня 1954 года, когда в СССР в г. Обнинске была введена в строй первая в мире АС мощностью 5 МВт.

Атомные станции являются тепловыми электростанциями, которые отличаются от традиционных тепловых электростанций способом получения тепловой энергии и видом используемого для ее получения топлива. На традиционных тепловых электростанциях тепловую энергию получают в результате контролируемой химической реакции горения органического вещества – топлива (мазут, газ, уголь).

На АС тепловую энергию получают в результате контролируемой ядерной реакции деления вещества, поэтому правильнее бы было сказать не «атомная станция», а «ядерная станция».

Наибольшее распространение в качестве ядерного топлива на АС получил уран‑235, содержащийся в природном уране в небольшом количестве (0,7%). Для осуществления цепной реакции природный уран обогащается, т.е. содержание в нем урана-235 повышается до нескольких процентов.

Тепловая энергия, выделяемая в процессе деления урана-235 в ядерном реакторе, получается за счет торможения осколков в веществе таблетки. Топливо в современных реакторах, содержащее делящийся изотоп урана-235, применяется в виде таблеток двуокиси урана (UO₂), помещенных в металлическую трубку. В реакторе большой мощности канальном (РБМК) трубка диаметром 13,5 мм выполнена из циркониевого сплава. Герметично заваренная заглушками трубка с таблетками топлива, называется тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ). ТВЭЛы, в работающем реакторе, омываются потоком теплоносителя. В результате деления тепловая энергия передается на оболочку ТВЭЛа. Теплоноситель (вода), омывая оболочку ТВЭЛа, снимает тепловую энергию и нагревается. Схема тепловых потоков ТВЭЛа приведена на рис. 1.1.

Наибольшее распространение в России получили реакторы корпусногои канального типов (рис. 1.2):

а – реактор корпусного типа; б – реактор канального типа

1 - привода СУЗ; 2 – каналы для СУЗ; 3 – стержни А3; 4 – стержни управления; 5 ‑ корпус; 6 ‑ каналы для ТВС; 7 – ТВС; 8 – замедлитель; 9 – отражатель; 10 ‑ биологическая защита.

Рисунок 1.2 – Схемы ядерных реакторов.

· в реакторах корпусного типа (реактор типа ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор) давление первичного теплоносителя держится общим прочным корпусом;

· в реакторах канального типа (реактор типа РБМК – реактор большой мощности канальный) давление держится каждым каналом, в котором находится топливная сборка.

В системе АС различаюттеплоноситель и рабочее тело.

Рабочим телом, то есть средой, совершающей работу с преобразованием тепловой энергии в механическую, является водяной пар. Устройством, в котором работает пар, является турбина.

Назначение теплоносителя, циркулирующего через активную зону реактора - отводить тепловую энергию, выделяющуюся в активной зоне реактора (объем внутри корпуса реактора, где размещается ядерное топливо, в котором протекает самоподдерживающаяся управляемая реакция деления).

Если контуры теплоносителя и рабочего тела не разделены, АС называютодноконтурной (рис. 1.3).

На АС с одноконтурной тепловой схемой парообразование происходит в реакторе. Пар направляется в турбину, где производит работу, превращаемую в генераторе в электроэнергию. После конденсации всего пара в конденсаторе конденсат насосом подается снова в реактор.

В одноконтурных АС все оборудование работает в условиях радиационного воздействия, что осложняет его эксплуатацию. Большое преимущество таких схем - простота и экономичность. Параметры пара перед турбиной и в реакторе отличаются только на величину потерь.

По одноконтурной схеме в России работают Ленинградская, Курская Билибинская и Смоленская АС.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела разделены, то АС называют двухконтурной (рис. 1.3).

Соответственно контур теплоносителя называют первым, а контур рабочего тела - вторым. В таких схемах теплоноситель прокачивается главным циркуляционным насосом (ГЦН) через реактор, охлаждая его, и парогенератор, в котором отдает тепло рабочему телу. Образованный таким образом радиоактивный первый контур включает в себя лишь часть оборудования станции. Во втором контуре пар из парогенератора поступает в турбину, затем в конденсатор, а конденсат из него насосом возвращается в парогенератор. Оборудование второго контура работает в отсутствие радиационной активности, что упрощает эксплуатацию станции.

По двухконтурной схеме работают Нововоронежская, Кольская, Калининская и Балаковская АС.

Если необходимо исключить контакт теплоносителя и рабочего тела во всех режимах, включая аварийные, между их контурами создают дополнительный, промежуточный контур. На АС такая необходимость возникает при использовании в качестве теплоносителя жидкого натрия, так как натрий активно взаимодействует с водой и паром. Такие АС называют трехконтурными (рис. 1.3).

Радиоактивный жидкометаллический теплоноситель насосом прокачивается через реактор и промежуточный теплообменник, в котором отдает теплоту нерадиоактивному жидкометаллическому теплоносителю промежуточного контура. Теплоноситель промконтура прокачивается насосом через промежуточный теплообменник и парогенератор, и отдает теплоту рабочему телу. Давление в промежуточном контуре выше давления в первом контуре. Система второго контура такая же, как в двухконтурной схеме. Трехконтурные АС наиболее дорогие из-за большого количества оборудования. По трехконтурной схеме работает третий блок Белоярской АС.

1 – реактор; 2 – барабан-сепаратор; 3 – парогенератор; 3а – испаритель; 3б ‑ пароперегреватель;4 – ГЦН; 5 – турбина; 6 – генератор; 7 – конденсатор; 8 ‑ конденсатный насос; 9 – деаэратор; 10 – питательный насос;
11 - промежуточный теплообменник.

Рисунок 1.3 – Тепловые схемы АС.

На рис. 1.4 приведена упрощенная одноконтурная двухпетлевая тепловая схема АС с РБМК-1000.

Пар от барабанов-сепараторов (БС) 2 поступает в цилиндр высокого давления (ЦВД) 4. После расширения в ЦВД пар увлажняется, поэтому перед подачей на цилиндр низкого давления (ЦНД) 6 он пропускается через сепаратор‑пароперегреватель (СПП) 5.

Из ЦНД отработанный пар направляется в конденсатор 8. Для охлаждения пара в конденсаторы турбины подается охлаждающая вода. Конденсатными насосами 1-го подъема 9 конденсат через конденсатоочистку 10 подается на вход конденсатных насосов 2-го подъема 11, которые через подогреватели низкого давления (ПНД) 12 подают конденсат в деаэраторы 13.

1 – реактор; 2 – барабан-сепаратор; 3 – ГЦН; 4 – ЦВД; 5 – СПП; 6 – ЦНД;
7 – генератор; 8 – конденсатор; 9 – конденсатный насос 1 подъема;
10 – конденсатоочистка; 11 – конденсатный насос 2 подъема; 12 – ПНД;
13 – деаэратор; 14 – питательный насос.

Рисунок 1.4 - Упрощенная тепловая схема АС с РБМК-1000.

Первый энергоблок с реакторами РБМК-1000 на Ленинградской АС вступил в эксплуатацию в декабре 1973 года.

Реактор РБМК-1000 тепловой мощностью 3200 МВт представляет собой систему, в которой в качестве замедлителя используется графит, в качестве теплоносителя – вода, в качестве топлива – UO₂.

Компоновка АС с РБМК-1000 приведена на рис. 1.5. В целом реактор состоит из набора вертикальных каналов с топливом, вставленных в цилиндрические отверстия графитовых колонн, верхней и нижней защитных плит. Легкий цилиндрический корпус (кожух) замыкает полость графитовой кладки.

Кладка состоит из собранных в колонны графитовых блоков квадратного сечения с цилиндрическими отверстиями по оси. Кладка опирается на нижнюю плиту, которая передает вес реактора на бетонную шахту.

Топливные каналы и каналы регулирующих стержней проходят через нижние и верхние металлоконструкции. Приводы регулирующих стержней расположены над активной зоной в районе верхней защитной конструкции реакторного зала.

Перегрузка топлива осуществляется на мощности с помощью разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ), расположенной в центральном зале (ЦЗ).

Приблизительно 95% энергии, выделяющейся в результате реакции деления, прямо передается теплоносителю. Около 5% мощности реактора выделяется в графите от замедления нейтронов и поглощения гамма - квантов. Для снижения термического сопротивления и предотвращения окисления графита полость кладки заполнена циркулирующей смесью газов гелия и азота, которая служит одновременно и для контроля целостности каналов по изменению влажности и температуры газа.

Реактор РБМК-1000 имеет две петли контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), расположенные симметрично относительно осевой плоскости реактора. Каждая петля включает два барабана-сепаратора и четыре главных циркуляционных насоса, прокачивающих воду через технологические каналы, в которых она нагревается до образования пароводяной смеси и поступает в барабаны-сепараторы, где разделяется на пар и воду. Вода поступает в опускные трубопроводы, а сухой насыщенный пар поступает от каждого барабана сепаратора на обе турбины.

На один энергоблок АС с реактором РБМК-1000 устанавливаются две турбоустановки с конденсационными турбинами К-500-65/3000 и генераторами ТВВ-500-2. Турбина мощностью 500 МВт с частотой вращения 3000 об/мин состоит из цилиндра высокого давления и четырех цилиндров низкого давления.

Взаимная связь тепломеханического оборудования АС, обеспечивающая непрерывность технологического процесса производства электроэнергии, осуществляется посредством большого количества трубопроводов, а управляют технологическим процессом при помощи арматуры.

Схемы, определяющие взаимную связь тепломеханического оборудования, обеспечивающего технологический процесс производства энергии, называются тепловыми схемами АС.

Тепловая схема АС должна обеспечивать работу блока в нормальных эксплуатационных режимах, разогрев блока при пусках и его расхолаживание при остановах (в том числе аварийных), а также предотвращать выбросы радиоактивных веществ во внешнюю среду. Поэтому тепловые схемы блоков АС сложнее блоков тепловых электростанций (ТЭС), включают значительное количество оборудования, арматуры и требуют более сложной системы управления технологическим процессом.