Общие сведения об атомных станциях

Цели занятия:

1 Назвать состав и назначение основного технологического оборудования одноконтурной, двухконтурной и трехконтурной тепловых схем АС и их основные отличия.

2 Дать определение безопасности АС (ядерной и радиационной).

3 Рассказать за счет чего обеспечивается безопасность АС.

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 РБМК трубка диаметром 13,5мм выполнена из циркониевого сплава. Герметично заваренная заглушками трубка, с таблетками топлива, называется тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ). ТВЭЛы, в работающем реакторе, омываются потоком теплоносителя.

Рисунок 1 – Схема тепловых потоков в ТВЭЛе.

В результате деления тепловая энергия передается на оболочку ТВЭЛа. Теплоноситель (вода), смывая оболочку, снимает тепловую энергию и нагревается.

Наибольшее распространение в России получили реакторы корпусного и канального типов (см.рис.2):

Ø в реакторах корпусного типа (реактор типа ВВЭР - водоводяной энергетический реактор) давление первичного теплоносителя держится общим прочным корпусом;

Ø

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

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

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

Рисунок 2 – Схемы ядерных реакторов.

В системе любой АС различают теплоноситель 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 на АС - отводить теплоту, выделяющуюся в реакторе.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела не разделены, АС называют одноконтурной (рис.3).

На таких АС в реакторе происходит парообразование, 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 радиоактивных условиях, 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 и Смоленская АС.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела разделены, то АС называют двухконтурной.

Соответственно контур теплоносителя называют первым, а контур рабочего тела - вторым. В таких схемах теплоноситель насосом прокачивается 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.

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

Рисунок 3 – Тепловые схемы АС.

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

Радиоактивный жидкометаллический теплоноситель насосом прокачивается через реактор и промежуточный теплообменник, в котором отдает теплоту нерадиоактивному жидкометаллическому теплоносителю промежуточного контура. Теплоноситель промконтура прокачивается насосом через 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.

Тепловая схема энергоблока Смоленской АС, включающая реактор тепловой мощностью 3200 МВт и две турбоустановки электрической мощностью по 500 МВт каждая, является одноконтурной двухпетлевой (см.рис.4).

1 – реактор; 2 – барабан-сепаратор; 3 – ГЦН; 4 – ЦВД; 5 – СПП; 6 – ЦНД; 7 – генератор;8 – конденсатор; 9 – конденсатный насос I подъема; 10 – конденсатоочистка; 11 – конденсатный насос II подъема; 12 – ПНД; 13 – деаэратор; 14 – питательный насос; 15 – насос.

Рисунок 4 – Упрощенная тепловая схема АС с РБМК-1000.

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

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

В целом реактор состоит из набора вертикальных каналов с топливом, вставленных в цилиндрические отверстия графитовых колонн, и 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). Один-два топливных канала могут быть перегружены каждый день.

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 (см.рис.5). Каждая петля включает два барабана-сепаратора и четыре главных циркуляционных насоса, прокачивающих воду через технологические каналы, в которых она нагревается, частично испаряется, и пароводяная смесь поступает в барабаны-сепараторы, где разделяется на пар и воду. Вода поступает в опускные трубопроводы, где смешивается с питательной водой и далее поступает на всас ГЦН. Сухой насыщенный пар поступает от каждого барабана сепаратора на обе турбины.

Рисунок 5 - Компоновка АС с РБМК-1000.

На один энергоблок АЭС 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 двухпоточного цилиндра высокого давления (ЦВД) и четырех двухпоточных цилиндров низкого давления (ЦНД).

Пар от барабанов сепараторов поступает в ЦВД. После расширения в ЦВД пар увлажняется, поэтому перед подачей на ЦНД он пропускается через сепаратор-пароперегреватель.

Из двухпоточного ЦНД отработанный пар направляется в конденсатор. Для охлаждения пара в конденсаторы турбины насосами подается охлаждающая вода. Конденсатными насосами первого подъема конденсат через 100%-ную конденсатоочистку подается на вход конденсатных насосов второго подъема, которые через подогреватели низкого давления (ПНД) подают конденсат в деаэраторы.

На линии основного конденсата установлено пять поверхностных регенеративных ПНД.

Питательная вода из деаэраторов подается в коллекторы питательной воды барабанов-сепараторов питательными насосами.

Как видно из краткого описания работа АС с реакторами РБМК-1000, ВВЭР, БН обеспечивается оборудованием, трубопроводами, насосами, арматурой, обеспечивающими и управляющими системами.

Насосы обеспечивают циркуляцию теплоносителя в реакторе (первый контур) парогенераторе (второй контур), пароперегревателе (третий контур) и вспомогательных контурах и схемах.

Регулирование параметров технологических процессов (давления, температуры, концентрации различных компонентов и количества перемещаемого вещества) путем изменения расхода, осуществляется при помощи трубопроводной арматуры.

Обеспечивающие системы (элементы) Безопасности - системы (элементы), предназначенные для снабжения систем безопасности энергией, рабочей средой и

Создание условий для их функционирования.

Управляющие системы (элементы) Безопасности - системы (элементы) предназначенные для инициирования действий систем безопасности, осуществления контроля и управления ими в процессе выполнения заданных функций.