Простейшая схема теплового контура

Рассмотрим работу теплового контура для случая, когда теплоноситель не меняет своего фазового состояния (не испаряется).
Холодный теплоноситель поступает в устройство, являющиеся источником тепловой энергии для контура (реактор АЭС, котел ТЭС), в нем он нагревается, забирая тепловую энергию. Горячий теплоноситель подается в потребитель тепловой энергии, на выходе из которого, мы вновь имеем холодный теплоноситель.
Расход теплоносителя g [кг/сек], теплоемкость теплоносителя С (Дж/(кг град)), температура на входе в источник T₁ [град] на выходе из источника T₂ [град] и мощность источника Q [Вт] связанны соотношением:

В некоторых случаях температура теплоносителя на входе в источник и выходе из источника может быть одинакова. Например, в случае если в источнике тепловой энергии происходит кипение теплоносителя, как известно температура кипящей воды остается постоянной. Теплота отводится за счет изменения фазового состояния теплоносителя.
Определение: Удельной теплотой парообразования вещества называется количество теплоты необходимое для того, чтобы перевести один килограмм данного вещества из жидкого состояния в газообразное.
Размерность [Дж/кг]
Если R - удельная теплота парообразования теплоносителя то мощность источника Q [Вт] расход теплоносителя g [кг/сек] и паросодержание p на выходе из источника тепловой энергии связанны соотношением:

Далее мы рассмотрим понятие теплового контура применительно к реактору РБМК-1000.

Упрощенная принципиальная тепловая схема AЭС с реактором типа РБМК-1000
Выше мы рассмотрели простейший тепловой контур, рассмотрим работу реакторной установки РБМК-1000 используя определения и понятия введенные ранее. Реакторная установка РБМК- 1000 является одноконтурной по теплоносителю, поскольку вода пройдя реактор, нагревшись и частично испарившись, в виде пара поступает в турбину и совершив работу снова возвращается в реактор. Но в тепловой схеме можно выделить два тепловых контура, со своими источниками и потребителями тепловой энергии.

Контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ)
Источником тепловой энергии, как и на всех АЭС, является активная зона реактора. В качестве теплоносителя используется вода, которая проходя через активную зону реактора частично испаряется. На выходе из реактора вода содержит в среднем 15% пара (паросодержание p = 0.15). Давление воды в трактах теплоносителя 0.7 МПа (около 70 атм.) при таком давлении температура кипения воды 284 ° С. Пароводяная смесь из реактора направляется в барабан сепаратор, который в тепловом контуре, выполняет роль потребителя тепловой энергии. В барабане сепараторе из пароводяной смеси забирается пар и добавляется питательная вода, на выходе из барабана сепаратора мы получаем воду в качестве "холодного" теплоносителя,причем температура практически остается такой же.
В качестве способа теплообмена используется вынужденная конвекция, другими словами используется насос для прокачки теплоносителя через активную зону реактора.
На основании выше сказанного можно изобразить тепловую схему, для контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) реактора РБМК-1000

ГЦН- главный циркуляционный насос.
Даже такая простая схема позволяет сделать прикидочный расчет. По известной тепловой мощности реактора, и паросодержанию на выходе из реактора можно определить необходимый расход воды через реактор.
Тепловая мощность реактора Q = 3200 МВт = 3200 x 10⁶ Вт;
Удельная теплота парообразования R = 1556 кДж/кг = 1556 x 10³ Дж/кг;
Паросодержание на выходе из реактора р = 0.15
Q = R x p x m
m = Q/(R x p) = 3200ґ 10⁶ / (1556 x 10³ x 0.15) = 13710 кг/сек

Второй тепловой контур.
Рассмотрим второй тепловой контур. Барабан сепаратор, забирая тепловую энергию вместе с паром из первого контура, где он является потребителем, отдает ее во второй контур. Следовательно он является источником тепловой энергии для второго теплового контура.
"Горячим" теплоносителем является пар, отделенный от пароводяной смеси в барабане сепараторе. Температура пара около 284 ° С давление Р = 7 МПа.
После барабана сепаратора, пар поступает в турбину, где он вращает ротор (происходит преобразование тепловой энергии в механическую), турбина является потребителем тепловой энергии. С ротором турбины жестко связан ротор электрического генератора, вырабатывающий электроэнергию. Параметры пара на выходе из турбины: температура - 30 ° С, давление P - 0.004 МПа. После турбины пар необходимо перевести в жидкое состояние, то есть превратить воду, этот процесс происходит в конденсаторе. Пар в конденсаторе предает свою тепловую энергию воде, которая поступает из пруда охладителя, конденсатор, таким образом, также является потребителем энергии. На выходе из конденсатора мы получаем воду, с параметрами близким к параметрам пара, которая является "холодным" теплоносителем для второго теплового контура. Эта вода, пройдя через несколько вспомогательных устройств, становится питательной водой и с помощью питательного насоса подается в барабан сепаратор.
Следует понимать, что выше описанная схема является, только приближением к реальной тепловой схеме. В ней отражены только ключевые элементы необходимые для понятия базовых принципов работы энергоустановки. Такие важные элементы как деаэратор, конденсатный насос, промежуточные подогреватели, не показаны в данной схеме.

Схема второго теплового контура

Потери тепловой энергии в тепловом контуре
В схеме присутствуют два потребителя тепловой энергии. Первый - турбина преобразует тепловую энергию в механическую, которая в генераторе преобразуется в электрическую, таким образом совершается полезное преобразование энергии. Второй потребитель - конденсатор превращает тепловую энергию пара в тепловую энергию воды водохранилища. Как было отмечено выше тепловая мощность реактора РБМК-1000 приблизительно 3200 МВт а электрическая мощность реакторной установки 1000 МВт. 2200 МВт тратится на обогрев водохранилища и окружающей среды. Получение незамерзающего зимой водоема с большой натяжкой можно назвать полезным преобразованием энергии, однако обойтись без таких потерь тепловой энергии невозможно. В термодинамике есть теорема о предельном КПД (коэффициент полезного действия) для преобразования тепловой энергии в механическую.
Попробуем понять, не пользуясь этой теоремой, необходимость конденсатора в тепловой схеме. В турбине происходит снижение температуры и давления пара за счет совершения работы (вращение ротора), понятно что температуру и давление нельзя снижать бесконечно (трудно получить арктическую температуру, и космический вакуум без дополнительных и дорогих установок), поэтому на выходе из турбины мы получаем пар с температурой - 30 ° С, давлением P - 0.004 МПа (0.04атм.). Однако даже такой пар, который нельзя использовать, ни для обогрева, ни для вращения ротора турбины, содержит количество тепловой энергии почти в два раза большее чем он отдал проходя через турбину. Эта энергия передается охлаждающей воде в конденсаторе при превращении пара в воду, температура при этом остается приблизительно 30°.

Теплообмен в активной зоне реактора
Рассмотрим более подробно источник тепловой энергии АЭС. Как уже говорилось ядерная энергия высвобождается в результате деления ядер. Основным делящимся элементом, в большинстве современных энергетических реакторов, являются ядра урана, а именно изотопа с атомной массой 235 (²³⁵U). Обычно топливо применяется в виде таблеток UO₂ помещенных в металлическую трубку. В реакторе 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 выделяется в таблетке, которая нагревается. За счет теплопроводности тепловая энергия предается на оболочку. Теплоноситель омывая оболочку снимает тепловую энергию и нагревается, в РБМК теплоноситель частично испаряется.

Как уже упоминалось, при рассмотрении способов теплообмена, чем больше разность температур между горячей и холодной точками, тем больше тепловой поток. Однако температуру нельзя поднимать до бесконечности, максимальная температура таблетки топлива ограничена температурой плавления, для UO₂ она составляет приблизительно 1800 град С. Самая горячая точка таблетки находится в ее середине. Для оболочки твэла из циркония, максимальная температура 320-350 град С. При большей температуре его прочностные характеристики ухудшаются (повышается ползучесть). В процессе эксплуатации реактора необходимо не допускать превышение предельных температур, поскольку разрушение ТВЭЛа ведет к выходу сильно радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и их разнос по трубопроводам.
В заключении приведем слегка более наглядную тепловую схему:

Реакторная установка РБМК-1000
Рассматривая тепловую схему, мы изучали АЭС с точки зрения преобразования энергии, не конкретизируя элементы схемы. Попробуем посмотреть в самых общих четах, что представляют собой эти квадратики и кружочки тепловой схемы, как теперь говорят в натуре. Более детальное описание основных узлов реакторной установки приводятся в, соответствующих разделах далее, здесь же мы ограничимся лишь самыми общими техническими характеристиками

Реактор
РБМК это Реактор Большой Мощности Канальный, цифра 1000 это 1000 МВт электрической энергии которые получаются после преобразования.
В самом общем виде реактор представляет собой цилиндр составленный из графитовых блоков, помещенный в бетонную шахту. Диаметр, этого цилиндра, около 12 м, а высота около 8 м. Реактор окружен боковой биологической защитой в виде кольцевого бака с водой. Этот цилиндр пронизывают 1693 топливных канала, представляющих собой трубки из сплава циркония диаметром 88 мм и толщиной 4 мм. В топливном канале устанавливается тепловыделяющая сборка (ТВС).
ТВС в РБМК состоят из двух частей верхний и нижней, каждая из которых содержит 18 твэлов стержневого типа из таблеток спеченной двуокиси урана (UO₂), заключенных в оболочки из циркониевого сплава. Высота столбика таблеток 3.5 м, диаметр твэла 13.5 мм.
Теплоноситель, вода, движется в каналах с низу в верх, омывая ТВС и снимая тепловую энергию. Подвод теплоносителя осуществляется к каждому каналу, существует возможность регулировать расход воды через канал. В связи особенностями физики реактора тепловая энергия выделяется неравномерно по объему. В каналы с большей мощностью подается большее количество воды. Проходя по каналу часть воды испаряется, в каналах с максимальной мощностью массовое паросодержание на выходе достигает 20 %, среднее паросодержание на выходе из реактора 14.5 %.
Одним из преимуществ РБМК пред ВВЭР, является возможность перегрузки выгоревшего топлива без остановки реактора. Загрузка топлива в реактор осуществляется с помощью разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ). При перегрузки канала РЗМ герметично соединяется с верхней часть канала, в ней создается такое же давление, как и в канале, отработанная ТВС извлекается в РЗМ свежая ТВС устанавливается в канал.

Барабан сепаратор
В тепловой схеме барабан сепаратор изображался как одно устройство, на самом деле в установке РБМК-1000 используются четыре барабана сепаратора, которые представляют собой металлические цилиндры диаметром 2.6 м и длинной 31 м. Пароводяные коммуникации представляют собой сложную систему трубопроводов.

Главный циркуляционный насос
На АЭС с ректором РБМК - 1000, применяется вертикальный центробежный насос с приводом от асинхронного электродвигателя с коротко замкнутым ротором. Насосы объединены в две группы по четыре. При нормальной эксплуатации три работают, обеспечивая циркуляцию теплоносителя, один находится в резерве. Таким образом то, что в тепловой схеме обозначено одним кружочком на самом деле представляет собой восемь насосов,(шесть работающих и два резервный). Далее приведены основные характеристики насоса.