АЭС: устройство и принцип работы атомной электростанции, как устроены приборы, список оборудования и схема действия, аварии и катастрофы

АЭС: от прошлого до настоящего

Атомная электростанция — это предприятие, представляющее собой комплекс оборудования и сооружений для выработки электроэнергии. Специфика этой установки заключается в способе выработки тепла. Температура, необходимая для выработки электричества, возникает во время распада атомов.

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

Страны с наибольшим количеством АЭС

Крупнейшие атомные электростанции в мире

Сегодня в мире насчитывается 192 действующих атомных электростанции в 31 стране мира, на которых используется 451 ядерный реактор общей мощностью 394 ГВт. Подавляющее большинство АЭС расположено в странах Европы, Северной Америки, Дальневосточной Азии и на территории бывшего Советского Союза, тогда как в Африке их почти нет, а в Австралии и Океании их нет вообще. Еще 41 реактор не вырабатывают электроэнергию от 1,5 до 20 лет, из них 40 в Японии.

За последние 10 лет по всему миру было введено в эксплуатацию 47 энергоблоков, почти все они расположены в Азии (26 в Китае) или Восточной Европе. Две трети строящихся реакторов находятся в Китае, Индии и России. КНР реализует самую амбициозную программу строительства новых атомных электростанций; еще около десятка стран по всему миру строят атомные электростанции или разрабатывают планы их строительства.

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

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

В 2007 году Россия начала строительство первой в мире плавучей атомной электростанции для решения проблемы нехватки энергии в отдаленных прибрежных районах страны 12. Строительство затянулось. По разным оценкам, первая плавучая атомная электростанция войдет в строй в 2020-2019 годах.

Несколько стран, включая США, Японию, Южную Корею, Россию, Аргентину, разрабатывают атомные мини-электростанции мощностью примерно 10-20 МВт для электрического и теплового электроснабжения отдельных отраслей промышленности, жилых комплексов и, будущее, отдельные дома. Предполагается, что реакторы малой мощности (см., Например, АЭС «Гиперион») могут быть созданы с использованием безопасных технологий, значительно снижающих возможность разлива ядерного материала 13. В Аргентине строится небольшой реактор CAREM25. Первый опыт использования атомных станций был получен в СССР (Билибинская АЭС).

Дело техники

Огромные трубы на атомных электростанциях на самом деле вовсе не трубы, а градирни — это башни для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро ​​распадается на две части, которые разлетаются с головокружительной скоростью. Но они не летают далеко: они ударяют соседние атомы, и кинетическая энергия превращается в тепло.

Затем вода нагревается этим теплом, превращая его в пар, пар вращает турбину, а турбина вращает генератор, который вырабатывает электричество, как в обычной угольной электростанции.

забавно, но вся эта ядерная физика, изотопы урана, цепные ядерные реакции, все для кипячения воды.

Какими бывают атомные станции

Многие думают, что радиоактивное топливо производит электричество, но это не совсем так. Точнее, это совсем не так.

Эксплуатацию атомной электростанции можно разделить на три основных этапа. На первом этапе энергия деления атома преобразуется в тепловую энергию. На следующем этапе тепловая энергия преобразуется в механическую. Впоследствии преобразование механической энергии в электричество становится вопросом техники.

Еще больше интересного вы можете узнать из нашего новостного канала в Telegram. Это бесплатно!

ПРА делятся на три основных типа: одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные. Сначала мы узнаем, как работает двухконтурная схема, а чуть позже на ее примере увидим, как работают другие типы.

Принцип работы АЭС

Принцип работы АЭС основан на действии ядерного реактора (иногда его называют атомным) — особой объемной конструкции, в которой происходит реакция деления атомов с выделением энергии.

Есть несколько типов ядерных реакторов:

1. PHWR (также называемый «тяжеловодный реактор под давлением» — «тяжеловодный ядерный реактор»), в основном используется в Канаде и городах Индии. В его основе — вода, формула которой — D2O. Он действует как хладагент и замедлитель нейтронов. КПД близок к 29%;
2. ВВЭР (реактор с водой под давлением). В настоящее время ВВЭР работают только в странах СНГ, в частности модель ВВЭР-100. Реактор имеет КПД 33%;
3. ГКЛ, СГР (графит-вода). Жидкость, содержащаяся в таком реакторе, действует как теплоноситель. В этом проекте замедлителем нейтронов является графит, отсюда и название. КПД около 40%.

По принципу устройства реакторы также делятся на:

• PWR (реактор с водой под давлением) — спроектирован таким образом, что вода под определенным давлением замедляет реакции и выделяет тепло;
• BWR (сконструирован таким образом, что пар и вода находятся в основной части устройства, без гидравлического контура);
• РБМК (канальный реактор особо большой мощности);
• БН (система работает по быстрому обмену нейтронами).

Устройство и устройство атомной электростанции. Как работает атомная электростанция?
Устройство АЭС

Типовая атомная электростанция состоит из блоков, каждый из которых содержит различные технические устройства. Наиболее значимым из этих блоков является комплекс с реакторным залом, обеспечивающий работу всей АЭС. В его состав входят следующие устройства:

• реактор;
• бассейн (именно в нем хранится ядерное топливо);
• топливозаправщики;
• MCR (панель управления блоками, с ее помощью операторы могут наблюдать за процессом деления ядер).

За этим зданием следует холл. Он оборудован парогенераторами и главной турбиной. Сразу за ними идут конденсаторы, а также линии электропередачи, выходящие за пределы территории.

Среди прочего есть блок с баками для отработавшего топлива и специальные блоки, предназначенные для охлаждения (их называют градирнями). Кроме того, для охлаждения используются распылительные баки и естественные резервуары.

Принцип работы АЭС

На всех без исключения атомных станциях существует 3 ступени преобразования электроэнергии:

• ядерный с переходом в тепло;
• термический, переходящий в механический;
• механический, преобразованный в электрический.

Уран испускает нейтроны, в результате чего выделяется огромное количество тепла. Горячая вода из реактора перекачивается через парогенератор, где она выделяет часть тепла и возвращается в реактор. Поскольку эта вода находится под высоким давлением, она остается в жидком состоянии (в современных реакторах ВВЭР около 160 атмосфер при температуре ~ 330 ° C 7). В парогенераторе это тепло передается воде во вторичном контуре, которая находится под гораздо более низким давлением (половина давления в первичном контуре или меньше), поэтому она закипает. Полученный пар направляется в паровую турбину, которая вращает электрический генератор, а затем в конденсатор, где пар охлаждается, конденсируется и снова поступает в парогенератор. Конденсатор охлаждается водой из внешнего открытого источника воды (например, охлаждающего бака).

И первый, и второй контуры закрыты, что снижает вероятность утечки излучения. Минимизированы размеры конструкций первого контура, что также снижает радиационные риски. Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, что облегчает ремонт и снижает количество радиоактивных отходов при демонтаже установки.

Защитные механизмы АЭС

Все атомные электростанции в обязательном порядке оснащены комплексными системами безопасности, например:

• локализация — ограничение распространения вредных веществ в случае аварии, вызвавшей выброс радиации;
• обеспечить — обеспечить определенное количество энергии для стабильной работы систем;
• контроллеры — служат для обеспечения нормальной работы всех систем защиты.

Также реактор может внезапно остановиться в аварийной ситуации. В этом случае автоматическая защита остановит цепные реакции, если температура в реакторе продолжит расти. Впоследствии эта мера потребует серьезных восстановительных работ для повторного ввода реактора в эксплуатацию.

После опасной аварии на Чернобыльской АЭС, причиной которой стала несовершенная конструкция реактора, больше внимания было уделено защитным мерам, а также проводились проектные работы по обеспечению большей надежности реакторов.

Виды современных реакторов

Сегодня существует несколько типов ядерных реакторов, но в основном используются два: гомогенные и гетерогенные:

• в гомогенных реакторах смешано ядерное топливо и замедлитель;
• в гетерогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель хранятся отдельно друг от друга.

Есть также реакторы, в которых для выработки энергии используется уран-238, а не уран-235. Но в таких реакторах сложно отводить тепло, поэтому они встречаются довольно редко.

Чернобыльская АЭС

Когда дело доходит до ядерной энергетики, многие невольно вспоминают катастрофу на Чернобыльской АЭС и поэтому ошибочно полагают, что ядерный реактор — это зло.

Но в целом реактор — очень дорогой котел. Дым, который выходит из дымовых труб АЭС и пугает прохожих, на самом деле не дым, а пар.

Ядерные отходы фактически образуют радиоактивные отходы и могут быть опасными при неправильном обращении. Некоторые из этих отходов перерабатываются для дальнейшего использования, а некоторые должны храниться на складе, чтобы они не причиняли вреда людям и окружающей среде.

Содержание шока Ядерная энергия сегодня является наиболее экологически чистым видом энергии.

Атомные электростанции выбрасывают в атмосферу только пар, требуют небольшого количества топлива, занимают даже небольшую площадь и безопасны при правильном использовании. Однако после аварии на Чернобыльской АЭС многие страны приостановили развитие атомной энергетики.

Первая авария на Чернобыльской АЭС произошла в 1982 году. Во время испытаний произошел обрушение одного из технологических каналов реактора и деформация графитовой кладки активной зоны. Пострадавших нет, но последствия ликвидированы примерно за три месяца.

В 1986 году авария произошла на четвертом известном энергоблоке в мире. Турбогенератор был испытан именно на этом энергоблоке. Система аварийного расхолаживания была остановлена, как и планировалось, поэтому, когда реактор не мог быть остановлен, эта система не спасла АЭС от взрыва и пожара.

Взрыв и его последствия не означают, что ядерная энергия вредна. Фактически, даже бананы радиоактивны, потому что содержат радиоактивные изотопы. Но чтобы радиация от бананов навредила человеку, ему придется съесть не менее тонны бананов. То же самое и с ядерными реакциями: они вредны только в том случае, если ими не управлять.

Сколько энергии вырабатывает АЭС

Конечно, эту первую атомную электростанцию ​​сложно сравнивать с современными, но именно она заложила основу для нового способа выработки энергии, поскольку первый iPhone запустил процесс сборки смартфонов, а Ford T запустил производство массовых автомобилей.

С тех пор количество атомных электростанций в мире значительно увеличилось и достигло 192 единиц (всего 438 единиц мощности) в 31 стране мира. В России расположены 10 АЭС (всего 33 энергоблока). По этому показателю наша страна занимает восьмое место в мире и четвертое по мощности.

Общая мощность реакторов составляет около 392 ГВт. Лидерами являются США (103 ГВт), Франция (66 ГВт), Япония (46 ГВт), Россия (25 ГВт) и Южная Корея (21 ГВт). По статистике, атомные электростанции обеспечивают 16% мирового потребления электроэнергии.

Поговорим немного о загрязнении: самом радиоактивном месте на Земле. И это не чернобыль

Высокий интерес к атомным электростанциям и их широкое использование объясняется тем, что их КПД составляет 40-45% и более, а риски значительно ниже, несмотря на все ужасные аварии, которые произошли. С одной стороны, кажется, что если он взорвется, это не покажется малым, но с другой стороны, по статистике, на атомных станциях на 1 полученный киловатт жертв в 43 раза меньше, чем на тепловых электростанциях.

Тепловая электростанция — это тоже строение.

Техническая реализация

Если вы когда-нибудь видели Симпсонов (или в вашем городе есть реактор), то вы знаете, как выглядят большие трубы, которые находятся на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирнями и используются для быстрого охлаждения пара.

При распаде ядро ​​урана распадается на две части. Эти части с большой скоростью разлетаются в разные стороны, но, несмотря на скорость, далеко не разлетаются. Они ударяют соседние атомы, и кинетическая энергия превращается в тепло. Количество тепла от этих столкновений нагревает воду, превращая ее в пар. Пар вращает турбину, а турбина вращает генератор, который вырабатывает электричество, как на угольной электростанции.

Получается, что живем в стимпанке — на пару все работает.

Управляемая ядерная реакция

Естественная ядерная реакция происходит очень быстро, менее чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция вызывает ядерный взрыв.

Хорошая новость в том, что ядерные реакции можно контролировать. Задача проста: наблюдайте за своей реакцией, проверяйте ее и не позволяйте урану распадаться слишком быстро. Легко сказать!

Для выполнения этой задачи был изобретен замедлитель схватывания. Замедлитель — это не устройство, а вещество, которое снижает кинетическую энергию нейтронов из-за множественных столкновений с молекулами замедлителя. В качестве замедлителей часто используются стержни из графита и воды — обычные (H2O) или тяжелые (D2O).

Оказывается… На Земле есть природный ядерный реактор. Он находится на урановом месторождении Окло. Он находится в Габоне, в Центральной Африке. В естественном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без участия человека. Но есть нюанс: этот реактор остыл более миллиарда лет назад.

Деление урана

Деление ядер урана под действием нейтронов было открыто немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году. Нейтроны были выбраны для эксперимента, потому что они электрически нейтральны, то есть не имеют заряда. А поскольку заряда нет, нет кулоновского отталкивания между протонами и нейтронами, и нейтроны легко проникают в ядро.

Когда нейтрон попадает в ядро ​​урана-235, оно деформируется и растягивается. Ядерные силы действуют на очень малых расстояниях, но не работают на больших. Но электростатическое взаимодействие может происходить на больших расстояниях. Следовательно, ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей удлиненного ядра, и последнее разрывается на части. В этом случае испускается та же пара нейтронов, о которой мы уже упоминали выше, а осколки одинаковой массы разлетаются с большой скоростью.

Результаты ядерного деления урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Опасны ли атомные станции

В результате мы получаем ситуацию, когда ядерная энергетика напоминает ситуацию с самолетами. Многие этого боятся, но на самом деле риск просто умереть на улице в сотни раз выше, чем при столкновении с самолетом. Просто несчастные случаи вызывают большой резонанс и одновременно умирают несколько человек, но такие несчастные случаи случаются редко.

Помимо систем самой АЭС, о которых мы поговорим ниже, они сопровождаются серьезными мерами предосторожности. Если честно, когда я был рядом с Воронежской АЭС, мне было немного не по себе, но по мере сбора информации я понял, что переоцениваю ситуацию.

Вокруг любой АЭС есть территория не менее 30 километров, на которой постоянно ведется мониторинг ситуации и экологической обстановки. Это не зона отчуждения, люди могут жить в ней 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 находиться там опасно.

Так выглядит зона безопасности вокруг Балаковской АЭС.

Наверное, самым опасным периодом работы станции является момент загрузки топлива. Именно в это время открывается реактор, и существует небольшой риск попадания радиоактивных отходов в воздух. Правда, это делается не часто (в среднем раз в год) и вопрос будет очень незначительным.