Особенности атомных электростанций

3.1 Принцип действия атомных электростанций

Атомные электростанции могут быть одноконтурными, двухконтурными и трёхконтурными. Чем больше контуров, тем труднее и разнообразнее принцип работы. В настоящее время широкое применение по сравнению с другими получили атомные электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе. Они получили аббревиатуру ВВЭР.

Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе

На данной схеме представлен принцип работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе. Энергия, выделяемая в ядерном реакторе, передаётся теплоносителю первого контура - воде. Затем эта вода поступает в теплообменник – парогенератор, где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.

В работе же самого реактора на данной схеме присутствует компенсатор давления и графитовые стержни. Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Графитовые стержни опускаются на определённую глубину, чтобы контролировать ядерные реакции. Графит является хорошим материалом для поглощения лишних нейтронов.

3.2 Ядерное топливо

Характерной особенностью ядерного топлива является тот факт, что оно не может быть израсходовано в реакторе полностью, как расходуется обычное химическое топливо. Химическое топливо, как правило, сжигается в топке до конца, и возможность протекания химическое реакции практически не зависит от количества, вступающего в реакцию. Ядерная же цепная реакция не может идти, если количество топлива в реакторе меньше определенного значения, называемого критической массой. Однако даже само наличие критической массы ядерного топлива не говорит о том, что реакция будет протекать. Выгорать может лишь та часть топлива, которая загружается в реактор сверх критической массы. Таким образом, ядерное топливо в количестве, равном критической массе, служит своеобразным катализатором процесса, обеспечивает возможность протекания реакции, не участвуя в ней. Естественно, что топливо в количестве, составляющем критическую массу, физически неотделимо в реакторе от выгорающего топлива. В тепловыделяющих элементах, загружаемых в реактор, с самого начала помещается топливо, как для создания критической массы, так и для выгорания.

Кроме обязательного существования критической массы есть еще одна характерная особенность использования ядерного топлива, связанная с физическими условиями, в которых оно находится в реакторе. Под действием интенсивного ядерного излучения, высокой температуры и, в особенности, в результате накопления продуктов деления происходит постепенное ухудшение физико-механических, а также ядерно-физических свойств смеси топлива и сырья. Топливо, образующее критическую массу, становится непригодным для дальнейшего использования. Его приходится периодически извлекать из реактора и заменять свежим. Извлеченное топливо для восстановления первоначальных свойств должно подвергаться регенерации. В общем случае – это трудоемкий, длительный и дорогой процесс.

3.3 Достоинства и недостатки атомных электростанций

Главным преимуществом атомных электростанций по сравнению с другими является практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объема используемого топлива, а также возможность использовать его снова после специальной переработки. Расходы на перевозку ядерного топлива, в отличие от традиционного, ничтожны. Атомные электростанции имеют высокую мощность и относительно небольшую себестоимость энергии. При этом по сравнению с другими электростанциями она производит минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу. Так же у атомных электростанций привязка к условиям минимальна. По этой причине она может быть построена в любом районе, независимо от удаленности от мест добычи полезных ископаемых.

Для наглядности сравним атомные электростанции с другими. Тепловые электростанции в ближайшем будущем столкнутся с проблемой ограниченностью запасов органического топлива, особенно нефти и природного газа. Известно, что тепловые электростанции выбрасывают в атмосферу такие вредные вещества, как сернистый газ, оксиды азота, оксид углерода и бензопирен. Тепловая электростанция, работающая на угле, выбрасывает сернистого газа почти в два раза больше, чем электростанция, работающая на нефти, и в сто раз больше, чем электростанция, работающая на газе. Вредные выбросы ведут к появлению озоновых дыр, загрязнению окружающей среды, а соответственно опасны для человека, поскольку они приводят к болезням сердца, эмфиземе, хроническому бронхиту. Ко всему выше перечисленному следует добавить, что ни у нас в стране, ни за рубежом не внедрены в массовом порядке устройства для отчистки от серы самого топлива или выбрасываемых в атмосферу газов. В итоге можно сказать, что тепловые электростанции выбрасывают в атмосферу огромное количество вредных веществ, и отчистка от этих выбросов обходится довольно дорого. Гидроэлектростанции требуют наличие водных ресурсов, следовательно, для более выгодной выработки электроэнергии, как с экономической, так и с физической точки зрения, их место расположения находится возле крупных водоемов. Для своей работы они требуют больших экономических затрат, и способствуют разрушению биосферы и природной среды Земли. Ветряные электростанции узко ограничены своим местом положения. Главными критериями их постройки являются открытые возвышенные места и ветер, необходимой скорости. Обобщив можно сказать, что помимо сильной зависимости места нахождения, они ветряные электростанции вырабатывают относительно небольшую энергию. Добыча энергии солнца требует огромных затрат.

К недостаткам атомных электростанций относится опасность радиоактивного топлива, утилизация которого требует существенных затрат, и потенциальная опасность последствий в случае серьезных аварий. Помимо больших вложений на утилизацию радиоактивного топлива, большие затраты идут на обустройство системы безопасности в случае аварии или утечки.

3.4 Система безопасности атомных электростанций

Совокупность технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса называется технологическим объектом. Основным требованием, предъявляемым к технологическому процессу на атомных электростанциях, является обеспечение безопасности и надежности ее работы. В совокупности вопросов безопасности следует различать два аспекта: обеспечение в пределах атомных электростанций безопасности обслуживающего персонала, знающего о наличии опасности и специально обученного для работы на атомных электростанциях; и обеспечение безопасности населения и окружающей среды вне пределов атомных электростанций, как при нормальной эксплуатации, так и при возможных авариях. Под надежностью понимается уменьшение числа аварийных остановок, возможность сохранения частичной мощности блока при возникновении аварий в основном технологическом оборудовании и быстрый набор полной нагрузки после аварийной остановки или снижения мощности. В соответствии с этими требованиями выполняются системы безопасности на атомных электростанциях. Выходу радиоактивных продуктов при нормальной эксплуатации препятствуют три барьера: сама топливная матрица, оболочки тепловыделяющих элементов и границы первого контура. Эти системы в сочетании с системами управления и защиты реактора обеспечивают ограничение распространения радиоактивности пределами контура охлаждения реактора. Однако разработка аварийных систем защиты этим не ограничивается: все реакторы должны иметь системы, с помощью которых можно надежно удерживать в пределах атомных электростанций выбросы радиоактивных веществ даже в случае таких событий, как землетрясение, наводнение, ураган, и при возможных повреждениях внутри системы.

По мере развития и усложнения технологических процессов во всех областях техники, все большее применение находят автоматические устройства, способные воспринимать контролируемые величины и вырабатывать на их основе управляющие воздействия без участия человека или при минимальном его участии. Из всех функций автоматических систем управлений безопасности наиболее ответственной является аварийная защита реактора, так как ее действиями при аварийных ситуациях определяется ядерная безопасность самой атомной электростанции. Аварийная защита реактора должна осуществлять автоматическое снижение мощности или полную остановку реактора каждый раз, когда контролируемые параметры в ядерной энергетической установке достигают своего критического значения. Действие аварийной защиты реактора осуществляется соответствующим движением исполнительных органов. Обычно это движение происходит с различными скоростями в зависимости от ситуации. На первых этапах развития атомной энергетики преобладала экстренная остановка реактора при любых, даже незначительных отказов технологического оборудования. Однако по мере накопления опыта эксплуатации атомных энергоблоков, требования к количеству аварийных сигналов и к скорости остановки блоков смягчилась. Так помимо быстродействующей аварийной защиты появились более слабые защиты, позволяющие медленно снижать мощность реактора. Введение таких защит позволило более экономично эксплуатировать энергоблоки.

Аварийная защита должна составляться так, чтобы любое повреждение какого-либо элемента не сказалась на работе других элементов.

Авария с потерей теплоносителя и выхода его за пределы атомной электростанции является самой крупной по своим последствиям. Таким примером является Чернобыльская авария.

3.5 Проектирование и построение атомных электростанций

Строительство атомных электростанций планируется, главным образом, в таких районах, где ощущается недостаток запасов органического топлива, а доставка его из удаленных месторождений экономически не выгодна. Транспортировка же ядерного топлива требует незначительных затрат. Так же на выбор площадки влияют следующие факторы: близость к источнику водоснабжения, благоприятный рельеф, благоприятное качество грунта, низкий уровень грунтовых вод, достаточные размеры территории, климатические и сейсмические характеристики района. При проектировании атомных электростанций анализируется каждый из перечисленных факторов в отдельности и в совокупности с другими.

Одним из важнейших факторов является расположение вблизи мощного водного источника, поскольку атомная станция – крупный водопользователь. Потребление незначительное, а использование воды велико, то есть вода в основном возвращается в источник водоснабжения. Площадка, на которой будет осуществляться построение не должна иметь больших неровностей. Наиболее благоприятными считаются такие площадки, которые имеют ровную поверхность с уклоном не более 0,5-1,0 %. При наличии больших неровностей потребуется планировка территории и выполнение значительного объема работ. От качества грунта зависит стоимость строительства подземных сооружений, их устойчивость и долговечность. Строительство электростанций на слабых грунтах требует применения искусственных оснований в виде свай или сплошной железобетонной плиты. Площадка по возможности не должна затапливаться грунтовыми и паводковыми водами. Под такой критерий подходят площадки с глубиной уровня грунтовых вод не менее пяти метров от поверхности земли. Этот фактор имеет немаловажное значение, потому что хранилища радиоактивных отходов сооружаются под землей. Площадка должна иметь размеры, достаточные для размещения не только объектов электростанции, но и необходимой санитарной зоны. Для атомных электростанций санитарный режим составляет 4-6 км. На территории этой зоны не допускается сельскохозяйственное землепользование, проживание людей и наличие предприятий, связанных с производством продуктов питания. Атомные электростанции располагаются с подветренной стороны по отношению к населенным пунктам. В зонах сейсмической активности строительство категорически запрещено. От установленной мощности электростанции и типа основных агрегатов зависят ее размеры.