Содержание
Как работает АЭС? Опасны ли атомные станции?
Многие люди в самом начале разговора об атомных станциях сразу начинают говорить о том, что это очень опасно и от них надо отказываться. Отчасти они правы, но их страхи сильно преувеличены. Для того, чтобы избавиться от такого стереотипа, надо просто понять, как работает станция и убедиться в том, что попадание радиоактивных элементов в окружающую среду просто невозможно. Конечно, если станция функционирует в штатном режиме. Вопрос только в том, как именно она функционирует и где границы этого штатного режима. Сегодня поговорим о конструкции атомной электростанции, их типах и о том, как они добывают электричество за счет деления атомов урана. Рассказывать специально буду простым языком.
Даже картинка немного пугает, но не все так страшно.
Содержание
- 1 Когда появилась первая атомная станция
- 2 Сколько энергии вырабатывает АЭС
- 3 Опасны ли атомные станции
- 4 На чем работает атомная станция
- 5 Какими бывают атомные станции
- 6 Как работает атомная станция
- 7 Аварии с радиоактивными выбросами
- 8 Самые мощные АЭС в мире
Когда появилась первая атомная станция
Первым серьезным шагом в сторону использования свойств деления атома, в том числе, атомного оружия и мирного атома, стало испытание первой атомной бомбы в 1945 году.
Произошло это 16 июля на полигоне в штате Нью-Мексико. Во время тех испытаний многие поняли, что ужасы Второй мировой войны немного померкли на фоне того, чтобы могло произойти, появись такое оружие чуть раньше.
В СССР первые ядерные испытания на полигоне произошли только спустя 4 года — 29 августа 1949 года. С тех пор у двух крупнейших держав были технологии, которые позволили не только запугивать друг друга своей силой, но и работать на благо мирного атома и применения этой разрушительной силы для того, чтобы нести свет и тепло в каждый дом.
Другие способы получения энергии: Как Земля может служить источником неисчерпаемой энергии
Первая атомная электростанция была запущена в 1954 году в районе города Обнинск Московской области. Идейным вдохновителем и руководителем проекта был знаменитый советский физик, академик АН СССР и по совместительству “отец” советской атомной бомбы Игорь Курчатов.
Игорь Курчатов за работой.
Сколько энергии вырабатывает АЭС
Конечно, ту первую атомную станцию сложно сравнивать с современными, но именно она положила начало новому способу получения энергии, как первый iPhone запустил процесс смартфоностроения, а Ford T массовое производство автомобилей.
С тех пор количество атомных станций в мире сильно увеличилось и достигло 192 штук, 10 из которых находится в России (суммарно 33 энергоблока). По этому показателю наша страна занимает восьмое место в мире, а по мощности — четвертое. Подробнее поговорим об этом в конце статьи.
Суммарная мощность реакторов составляет примерно 392 ГВт. В числе лидеров находятся США (103 ГВт), Франция (66 ГВт), Япония (46 ГВт), Россия (25 ГВт) и Южная Корея (21 ГВт). По статистике именно атомные станции обеспечивают 16 процентов потребляемой электроэнергии в мире.
Поговорим немного о загрязнении: Самое радиоактивное место на Земле. И это не Чернобыль
Высокий интерес к атомным электростанциям и их широкое применение вызвано тем, что их КПД составляет 40-45 процентов и более, а риски существенно меньше, даже несмотря на все страшные аварии, которые происходили.
С одной стороны, кажется, что если взорвется, то мало не покажется, но с другой стороны, жертв на 1 полученный киловатт по статистике у АЭС в 43 раза меньше, чем у тепловых электростанций.
Тепловая электростанция тоже то еще сооружение.
Опасны ли атомные станции
В итоге мы получаем ситуацию, при которой атомная энергетика напоминает ситуацию с самолетами. Их многие боятся, но в реальности риск просто умереть на улице в сотни раз выше, чем разбиться на самолете. Просто аварии вызывают большой резонанс и разово погибает больше людей, но такие аварии случаются редко.
Кроме систем самой атомной станции, о которых мы поговорим ниже, они сопровождаются серьезными мерами предосторожности. Признаюсь честно, когда я находился рядом с Воронежской АЭС мне было немного не по себе, но когда я собрал побольше информации, я понял, что переоценивал ситуацию.
Вокруг любой атомной станции есть как минимум 30-километровая зона, в которой постоянно производится мониторинг ситуации и экологической обстановки.
Это не зона отчуждения, так как в ней можно жить людям и даже заниматься земледелием. Ограничения касаются только трехкилометровой зоны в непосредственной близости от станции. Но это опять же сделано только с целью обеспечения дополнительной безопасности, а не из-за того, что там опасно находиться.
Так выглядит зона безопасности вокруг Балаковской АЭС.
Наверное, самым опасным периодом работы станции является момент загрузки топлива. Именно в этот момент реактор открывается и есть небольшой риск попадания радиоактивных отходов в воздух. Правда, делается это не часто (в среднем один раз в год) и выброс будет очень незначительным.
На чем работает атомная станция
Основным элементом, на котором работают атомные станции, является уран-235, который загружается в реактор в специальных картриджах, которые называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). В одном реакторе их может быть несколько десятков и даже сотен.
ТВЭЛ доставляют к реактору на специальных платформах, а загружают их в него краном.
Этот же кран участвовал в строительстве станции и погружал в специальную капсулу сам реактор.
Кстати, название ТВЭЛ получила компания, которая занимается производством ядерного топлива.
В год средний реактор использует около десяти килограмм топлива. Именно такой небольшой объем выделяет то количество энергии, которое и производит станция. Если говорить о производительности ядерного топлива, можно сказать, что один грамм урана-235 позволяет получить столько же энергии, сколько от сжигания топлива произведенного из двух тонн нефти. В итоге, всего десять килограмм топлива являются эквивалентом примерно семисот цистерн нефти.
Это только 15 цистерн, а аналогом 10 кг ядерного топлива является почти 700 цистерн.
Какими бывают атомные станции
Многие думают, что именно радиоактивное топливо вырабатывает электрическую энергию, но это не совсем так. Точнее, это совсем не так.
Работу атомной электростанции можно разделить на три основных этапа.
На первом этапе энергия деления атома переводится в тепловую энергию. На следующем этапе тепловая энергия переводится в механическую. После этого превращение механической энергии в электричество становится делом техники.
Еще больше всего интересного вы можете узнать из нашего новостного канала в Telegram. Это бесплатно!
Реакторы делятся на три основных типа: одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные. В начале разберемся, как работает двухконтурная схема, а чуть позже на ее примере посмотрим, как работают остальные типы.
Как работает атомная станция
Начальным этапом выделения энергии является, как я уже говорил выше, реактор. Он помещен в специальный закрытый контур, который называется первым. Им является, по сути, большая кастрюля, а точнее скороварка, так как жидкости внутри нее находятся под большим давлением. Так получается увеличить температуру кипения и повысить температуру работы всего первого контура.
Капсула, в которой находится реактор, называется гермообъем и имеет толстые стенки (не менее 15 сантиметров).
Это позволяет удержать внутри большое давление и не дает радиации выйти наружу.
Упрощенно схема АЭС выглядит так.
Основной задачей ректора является выделение тепла для нагрева жидкости внутри контура. Происходит это за счет цепной реакции. В основе такой реакции лежит деление атомов нейтронами. При этом, после деления одного атома выделяется новые нейтроны, которые и дальше делят атомы. Таким образом количество нейтронов постоянно растет и атомов делится все больше. Получается та сама цепная реакция, которая поддерживает сама себя, но если не остановить этот процесс, деление выйдет из под контроля, энергии выделится слишком много и произойдет взрыв. Собственно, так и происходит в атомной бомбе.
Чтобы этого не происходило, внутри ректора есть специальные стержни с бором, которые очень хорошо поглощают нейтроны и тормозят реакцию. Стержни имеют длину в несколько метров и постоянно то входят в реактор, то выходят из него, регулируя тем самым коэффициент деления нейтронов и, как следствие, скорость реакции.
Если этот коэффициент меньше единицы, реакция тормозится, если больше — ускоряется, а если равен единице, то система сама поддерживает свою работу. Этой единицы и надо добиваться для стабильной работы реактора.
После того, как реактор нагрел воду внутри первого контура до температуры около 450 градусов, она проходит через трубку теплообменника и моментально нагревает воду второго контура. Та в свою очередь попадает в испаритель и уже водяной пар с температурой около 350-400 градусов раскручивает огромную турбину до 3000 оборотов в минуту. Именно эта турбина и вырабатывает электричество, которое по проводам уходит в электросеть.
Полная изоляция первого контура от второго позволяет добиться защиты рабочей жидкости и сточных вод от радиоактивного загрязнения. Это позволяет легко охлаждать жидкость для дальнейшей ее работы, ведь раскрутка турбины на является последним этапом работы второго контура.
После того, как водяной пар раскрутит лопатки турбины, он попадает в специальные конденсаторы, которые представляют из себя большие камеры.
В них пар остывает и превращается в воду.
Так выглядит турбина АЭС производства Mitsubishi.
Пока температура воды все равно очень высокая и ее надо еще охладить. Для этого она или напрямую или через специальный канал поступает в градирню. Это такая труба, которую можно увидеть и на территории тепловых электростанций. Она имеет высоту около 70 метров, большой диаметр и сужается к верху. Обычно из нее валят клубы белого пара. Многие думают, что это дым, но это именно пар. Вода с температурой, близкой к температуре кипения, распыляется в основании этой трубы и, смешиваясь с поступающим с улицы воздухом, парит и охлаждается. Средняя градирня может охладить до 20 000 кубометров воды в час или около 450 000 кубометров в сутки
После охлаждения, вода специальными насосами подается обратно в систему для нагрева и испарения. Так как воды требуется очень много, атомные станции сопровождаются достаточно большими водоемами и иногда разветвленной системой каналов. Это позволяет станции работать без перебоев.
Теперь можно вернуться к одноконтурным и трехконтурным АЭС. Первые имеют более простую конструкцию, так как у них нет второго контура и турбина раскручивается непосредственно нагретой реактором водой. Трудность заключается в том, что воду надо как-то очищать и такие станции менее экологичны.
Трехконтурную схему применяют на атомных станциях, оснащенных реакторами на быстрых нейтронах. Они считаются более перспективными, но должны комплектоваться дополнительным контуром, чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой. В дополнительном контуре находится нерадиоктивный натрий.
Конечно, приведенная схема является примерной и упрощенной. Кроме этого, на станции есть различные технические строения, командный пульт, большое количество защитных систем, которые многократно дублируются, и другие вспомогательные системы. Кроме этого, на одной станции находится несколько энергоблоков, что тоже усложняет процесс ее контроля.
На территории атомной станции очень много разных строений.
Балаковская АЭС.
На самом деле современная станция может не просто работать в автоматическом режиме, но и делать это вообще без человека. По крайней мере, это касается процесса управления энергоблоком. Человек нужен для контроля и внесения корректировок в работу в случае внештатной ситуации. Риск ее возникновения очень низкий, но на всякий случай за пультом дежурят специалисты.
Аварии с радиоактивными выбросами
Если уж мы заговорили об авариях на атомных станциях, давайте обсудим, как они классифицируются и какие их них были самыми крупными.
Для классификации аварий по их серьезности и силе воздействия на человека и природу они делятся на 7 степеней по Международной шкале ядерных событий, получая определенный уровень INES. На основании этого уровня можно судить был ли причинен вред людям и насколько было повреждено оборудование самой станции. Далеко не все уровни считаются опасными.
Например, инциденты на Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 года) и на АЭС Фукусима-1 (11 марта 2011 года) соответствовали максимальному седьмому уровню, а некоторые аварии, о которых даже почти никто не узнал, соответствовали четвертому уровню.
Например, взрыв на Сибирском химическом комбинате (Россия, 1993 год), авария на ядерном объекте Токаймура (Япония, 1999 год) и авария в институте радиоэлементов во Флёрюсе (Бельгия, 2006 год).
Это Чок-Ривер.
Раз уж заговорили об авариях, стоит упомянуть и первую аварию с радиоактивным загрязнением. Оно произошло в Чок-Ривер лаборатории 12 декабря 1952 года.
Произошло оно вследствие ряда ошибок оператора и сбоев в системе аварийной остановки. Реактор в лаборатории вышел в надкритический режим работы. Цепная реакция сама себя поддерживала и выделение энергии в несколько раз превысило норму. В итоге активная зона была повреждена и радиоактивные продукты деления с большим периодом полураспада вместе с массой охлаждающей воды вылились в подвальное помещение. За год работы реактор был полностью восстановлен.
Как видим, аварии случаются и иногда их масштабы устрашают, но все равно по статистике работа АЭС гораздо безопаснее и несет меньше вреда, чем сжигание топлива. Разница экологичности уже достигает трех-четырехкратного уровня.
На подходе термоядерные реакторы, которые должны сделать процесс еще более экологичным. Пока, по большому счету, проблема только в отработанном топливе. Его надо как-то деактивировать и захоранивать. Ученые работают над этим. Будем надеяться, что они решат эту проблему.
Самые мощные АЭС в мире
1. Фукусима I и II (Fukushima), Япония (8 814 МВт)
2. Касивадзаки-Карива (Kashiwazaki-Kariwa), Япония (7 965 МВт)
3. Запорожская АЭС, Украина (6 000 МВт)
4. Йонван (Yeonggwang), Южная Корея (5 875 МВт)
5. Гравелине (Graveline), Норд, Франция (5 460 МВт)
6. Палюэль (Paluel), Верхняя Нормандия, Франция (5 320 МВт)
7. Каттном (Cattenom), Лотарингия, Франция (5 200 МВт)
8. Брюс (Bruce County), Онтарио, Канада (4 693 МВт)
9.
Охи (Ohi), Фукуи, Япония (4 494 МВт)
10. Уинтерсберг (Wintersburg), Аризона, США (3 942 МВт)
Несмотря на аварию на станции Фукусима, она продолжает работать.
В настоящее время в мире насчитывается 192 атомные станции. В сумме на них расположены 438 энергоблоков. Они находятся на территории 31 страны. При этом явным лидером по выработке энергии атома является США. Суммарная мощность энергоблоков этой страны составляет больше 100 ГВт, и это чуть больше четверти мировой добычи подобной энергии.
Россия находится в этом рейтинге только на четвертом месте с результатом 6% (примерно 25 ГВт). Второе и третье места заняли соответственно Франция (17% и 66 ГВт) и Япония (12% и 46 ГВт).
В России находится 9 действующих атомных электростанций с 33 энергоблоками. Выше приведены самые мощные электростанции в мире, среди которых нет российских, а ближайшая к нам находится на территории Украины — Запорожская АЭС (6 ГВт).
Все, что нужно знать об АЭС
— Главное, Как это работает, Тенденции, Энергетика
Ядерная энергия — это недорогой и чистый при правильном хранении и утилизации способ получения энергии.
Сегодня ядерная энергетика играет малозаметную, но очень важную роль в нашей жизни. Ее применяют в сельском хозяйстве и промышленности: для производства аммиака, водорода, для опреснения соленых вод, она позволяет получать новые химические элементы, а также ее применяют для получения новых сортов сельскохозяйственных культур, которые приносят больше урожая и устойчивы к болезням. Энергия ядер нашла свое применение в медицине, например, недавно ученые создали аппарат позитронно-эмиссионной томографии, с помощью которого можно обнаружить рак на ранних стадиях. Также ядерную энергию используют на атомных ледоколах и подводных лодках.
Самый распространённый на нашем планете способ применения ядерной энергии — это преобразование ее в электричество на атомных электростанциях (АЭС).
Атомная электростанция — это комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путём использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.
Как это работает?
В основе любой АЭС лежит контролируемый процесс деления атомного ядра. Если коротко, то суть работы любой АЭС заключается в преобразовании энергии из одного вида в другой. Сначала ядерная энергия переходит в тепловую, потом тепловая энергия — в механическую, а затем механическая — в электрическую. Атомная электростанция — это всегда целый комплекс различных сооружений. Каждое служит определенной цели.
Сердце атомной станции — это реактор. Внутри него находится активная зона, в которой происходит деление атомов урана-235 на нейтроны. Каждое распавшееся ядро заставляет соседние ядра распадаться точно также — это называется цепной реакцией. Во время такой реакции образуются мелкие частицы, которые обладают огромным запасом энергии. Частицы сталкиваются друг с другом и начинают выделять очень много тепла.
фото: Росэнергоатом
Сегодня большинство атомных реакторов работают на медленных нейтронах. Это значит, что добытый уран-235 обогащают до такого уровня, который позволяет поддерживать контролируемую цепную реакцию, например, сплавляют с алюминием. Затем этот обогащенной уран складывают в длинные цилиндры — тепловыделяющие элементы. Их устанавливают в реакторе так, чтобы между ними можно было ввести специальные стержни, которые управляют цепной реакцией.
После того, как это тепло выделилось, его нужно забрать из реактора. Это делается с помощью нескольких трубопроводов. Вода первого контура входит в корпус реактора и охлаждает тепловыделяющие сборки (при этом сама вода нагревается до 320 градусов). Затем через сеть теплообменных трубок парогенератора, она отдает тепло воде второго контура. Важно отметить, что она не соприкасается с ней, чтобы исключить возможность попадания радиоактивных веществ за пределы реакторного зала. Вода второго контура превращаясь в пар, вращает турбины, находящиеся в машинном отделении.
Они преобразуют энергию вращения (механическая энергия) в электрический ток.
Насколько это безопасно?
При проектировании любой АЭС особое внимание уделяется системам безопасности. Затраты на них могут составлять до 40% от общей стоимости предприятия. Все атомные станции имеют несколько периметров безопасности — физические барьеры на пути распространения ионизирующего излучения и радиоактивных веществ. Внешний корпус современных АЭС способен выдерживать землетрясения до 9 балов, цунами, а также падение самолет весом до 400 тонн. Системы безопасности внутри АЭС в случае аварии защитят от разрыва трубы первого контура и не позволят радиоактивным веществам покинуть пределы компьютерного зала.
фото: Росэнергоатом
Пожалуй, одна из главных проблем безопасности использования АЭС — это угроза распространения ядерного оружия. На атомной станции возможно нарабатывать оружейный плутоний. Это значит, что если на заводе по обогащению U-235 производят ядерное топливо с 2-5% содержанием изотопа U-235, необходимым для работы АЭС, то на том же заводе возможно довести содержание U-235 до 70-90%, которые необходимы для создания атомной бомбы.
С целью обеспечения международной безопасности, в 1968 году Генеральная ассамблея ООН одобрила Договор о нераспространении ядерного оружия ДНЯО). Договор признает «ядерными державами» только те страны, которые произвели и испытали ядерное оружие до 1 января 1967 года — то есть СССР, США, Великобритания, Франция и Китай. Участники ДНЯО, обладающие ядерное оружием, обязуется не передавать его или другие ядерные взрывные устройства кому бы то ни было, а также не помогать, не поощрять и не побуждать какое-либо государство, не обладающее ядерным оружием, к его производству или приобретению. Страны, не обладающие ядерным оружием, имеют право лишь развивать исследования, производство и использование ядерной энергии в мирных. На сегодняшний день участниками договора являются все государства, кроме Израиль, Индия, Пакистан.
АЭС в России и мире
Существует очень распространенный факт, что Россия и в ядерном вопросе опередила весь мир, запустив в 1954 году первый в мире ядерный реактор гражданского назначения.
Да, это действительно так, он был сооружен в Обнинске, советском наукограде на Юге Москвы. Но этот реактор был очень маленьким и мог обеспечивать электроэнергией лишь несколько соседних колхозов, да несколько тысяч городских жителей. Первая полномасштабная АЭС открылась в американском штате Пенсильвания в 1957 году. Реактор для этой «атомки» был построен на базе реактора для атомного авианосца. Первая же коммерческая АЭС была построена в Великобритании, которую королева Елизавета торжественно открыла в 1956 году.
Сегодня лидерами использования атомной энергетики являются США, Япония, Франция, Россия и Южная Корея. Самый большой объем электроэнергии, получаемый от атомных электростанций вырабатывается в США. В прошлом году на производство ядерной энергии приходилось 19,3% от общего потребления электроэнергии в стране. Самая крупная АЭС расположена в Японии, в префектуре Ниигата. Касивадзаки-Карива включает в себя 7 ядерных реакторов суммарной максимальной мощностью 8212 МВт.
На 2019 год в России всего 10 действующих АЭС, эксплуатируется 35 энергоблоков совокупной мощностью 26 865 МВт.
В российской атомной отрасли (включая АЭС, машиностроительные, производственные и научные предприятия) работает более 250 000 человек. Атомная энергетика в 2018 году обеспечила 18,7 % энергетических потребностей страны. Самой мощной АЭС России на текущий момент является Балаковская атомная станция.
После аварии на АЭС Три-Майл-Айленд, а также аварии на Чернобыльской АЭС и особенно в Японии (после аварии на АЭС Фукусима-1), некоторые страны не только приостановились развитие атомной энергетики, но и ввели мораторий на нее. Италия закрыла все свои АЭС, Швеция, Германия и Великобританией не некоторое время приостановили развитие атомной энергетики. Также политики из Австрии, Дании, Ирландии, Испании и Швейцарии неоднократно публично высказывались о возможном введении моратория на АЭС.
Экологичны ли АЭС?
Любая атомная электростанция имеет негативное воздействие на окружающую среду. Пожалуй, самым главным минусом являются радиоактивные отходы.
На сегодняшний день есть несколько способов утилизации радиоактивных отходов.
Самый распространённый – это захоронение их в земле. Топливо, которое уже побывало в реакторе называется облученным. В нем остается мало полезного урана, так как он выгорает во время ядерной реакции. Облученное топливо помещают во временное хранилище, где его в течении нескольких лет охлаждаю в специальных бассейнах. После столь длительных процедур радиоактивные отходы (РАО) отправляют либо на переработку, либо на «кладбище». Центральным ядерным полигоном России является Новая Земля.
Еще один минус — это большие территории, которые необходимы для постройки АЭС, а также сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Например, чтобы построить АЭС мощностью 1000 МВт, потребуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га.
Также нельзя до конца исключить попадание радиоактивных элементов в воду, почву, воздух в процессе добычи, транспортировки ядерного топлива и при эксплуатации АЭС.
При этом атомная электростанция имеет ряд преимуществ перед другими видами электростанций.
Например, обычная теплоэлектростанция, работающая на угле, выделяет гораздо больше радиоактивных элементов, которые всегда содержатся в угле.
Валерия Кузнецова
Как атомная электростанция производит электричество?
Версия для печати
Как ядерный реактор вырабатывает электричество? Давайте начнем с конца и посмотрим, как все это сочетается друг с другом.
Начнем с электродвигателя. Двигатель состоит в основном из двух основных компонентов: статора , который стоит на месте, и ротора , который вращается внутри статора. Когда на двигатель подается электричество, электромагниты внутри статора и ротора толкают и тянут друг друга таким образом, что ротор вращается. Магниты в статоре притягивают к себе магниты в роторе, а затем, когда магниты ротора проходят мимо, реверсируют и отталкивают магниты ротора. Детали расположены так, что тяга и толкание идут в одном направлении, поэтому ротор вращается внутри статора. Электрическая энергия, приложенная к двигателю, приводит к механической энергии в роторе.
Но эту же машину можно использовать и в обратном порядке: если какая-то внешняя сила заставляет ротор вращаться, взаимодействие магнитов вызывает выработку электричества: «мотор» теперь является «генератором», производящим в результате электрическую энергию. механической энергии, приложенной к его ротору. Это наиболее распространенный способ получения большого количества электроэнергии.
Так как же заставить ротор вращаться? Вот тут-то и появляется ядерный реактор, хотя и косвенно. Напомним, что ядерный реактор вырабатывает тепло. Топливные стержни нагреваются из-за ядерной реакции. Это тепло используется для кипячения воды, а пар от этой кипящей воды используется для вращения ротора. Как мы видели, когда ротор вращается, электричество выходит из статора.
Когда вода кипит, образующийся пар занимает гораздо больше физического пространства, чем вода, которая его произвела.
Итак, если вы прокачиваете воду через какой-либо источник тепла — например, ядерный реактор или угольный котел — который достаточно горяч, чтобы вскипятить воду, выходящий пар будет двигаться намного быстрее, чем поступающая вода.
Этот пар проходит через машину, называемую турбиной, которая действует как очень сложная ветряная мельница. Физическая структура сильно отличается от ветряной мельницы, и большая турбина может быть гораздо более мощной, чем любая когда-либо созданная ветряная мельница, но эффект отчасти тот же: пар или ветер заставляет часть машины вращаться, и эта вращающаяся часть может быть подключена к генератору для производства электроэнергии.
Пар, выходящий из турбины, собирается в устройстве, называемом конденсатором. По сути, это металлическая коробка размером с дом, через которую проходят тысячи труб. По трубам течет холодная вода, а пар от турбины охлаждается и конденсируется обратно в воду. Затем вода прокачивается обратно через нагреватель, и цикл продолжается.
Теперь вернемся к ядерному реактору. . . Мы видели, как реактор вырабатывает тепло, и мы видели, как тепло используется для производства пара и как пар затем приводит в действие турбину, которая вращает генератор, производящий электричество.
Последняя часть головоломки — это то, как тепло ядерной реакции генерирует пар.
Топливные стержни подвешены в водяной бане, содержащейся в большом металлическом контейнере, похожем на гигантскую скороварку. Типичный «корпус реактора» может иметь диаметр 15 футов и высоту 20 футов, а некоторые из них намного больше. В некоторых типах реакторов вода закипает, а тепло, выделяющееся в топливных стержнях, уносится паром. Их называют «реакторами с кипящей водой» (или «BWR»). В других вода находится под очень высоким давлением — порядка 2000 фунтов на квадратный дюйм. (Кстати, это более чем в 60 раз превышает давление в шинах обычного автомобиля.) В такой ситуации вода не может расширяться и не может кипеть.
Вода в реакторе этого типа уносит тепло, оставаясь при этом жидкой, и это тепло затем передается в другую водную систему, где происходит кипение. Эта передача происходит в устройстве, метко названном «парогенератором». Их называют «реакторами с водой под давлением» (или «PWR»).
Небольшой PWR может иметь два парогенератора. В большом может быть четыре. У некоторых три. Пар от всех парогенераторов обычно объединяется в один «главный паропровод», по которому пар поступает к турбине, поэтому реактор и все парогенераторы действуют вместе как единый источник пара.
Вода из конденсатора перекачивается непосредственно в корпус реактора для BWR или в парогенераторы для PWR.
Итак, вот оно: ядерная реакция нагревает топливо, топливо нагревает воду для производства пара, пар вращает турбину, турбина вращает генератор, а генератор вырабатывает электричество.
Комиссия по ядерному регулированию США является независимым федеральным правительственным органом, ответственным за регулирование коммерческого использования ядерных материалов. Этот документ не защищен авторскими правами и может быть воспроизведен в образовательных целях.
Страница Последнее изменение/обновление 19 марта 2020 г.
Как работает атомная электростанция?
Вас интересует, как именно работает атомная электростанция? Мы проведем вас через весь процесс: от ядерного деления до электричества.
Атомная электростанция во многом работает как классическая тепловая электростанция. Только тепло производится ядерным делением, а не сжиганием угля, природного газа или биомассы. Тепло, выделяемое при ядерном делении, преобразуется в пар, который приводит в действие турбину и тем самым заставляет вращаться генератор переменного тока. Этот генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
Деление ядер
Все вещество состоит из атомов. Эти атомы состоят из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Само ядро состоит из протонов и нейтронов. В ядерном реакторе тепловая энергия выделяется при расщеплении ядер тяжелых атомов, например урана. Это делается путем бомбардировки их нейтронами. При каждом делении выделяется 2-3 нейтрона. Они, в свою очередь, вызывают новые деления и тем самым обеспечивают цепную реакцию.
В ядерном реакторе важно контролировать эту цепную реакцию. После каждого деления только 1 высвобожденный нейтрон должен вызвать новое деление.
Следовательно, избыток нейтронов в реакторе должен быть поглощен. Это можно сделать, добавив борную кислоту в воду в корпусе реактора и опустив в реактор регулирующие стержни. При одновременном сбросе всех регулирующих стержней реакция останавливается в течение 1,3 секунды.
Как работает атомная электростанция?
Атомная электростанция с реактором с водой под давлением (или реактором высокого давления), как в Доэле и Тианже, имеет 3 полностью отдельных водяных контура: первый контур, вторичный контур и третичный контур.
Атомные электростанции в Доэле и Тианже используют уран в качестве топлива. В природе уран существует в 3 формах: 99% урана-238, 0,7% урана-235 и небольшое количество урана-234. Ядро урана-235 делящееся, а урана-238 — нет. Урановая смесь, добываемая в шахтах, обогащается до тех пор, пока не будет содержать около 4% урана-235. Это идеальная концентрация для цепной реакции.
Оборудование реактора представляет собой большой стальной корпус с толстыми стенками, в котором расположены топливные стержни.
Они заполнены небольшими топливными таблетками из оксида урана. Стержни помещаются в реактор пучками. Тепло, выделяющееся при делении ядер урана, поглощается водой первого контура. Поэтому он нагревается до очень высокой температуры. Сосуд контроля давления держит все под высоким давлением, поэтому вода не кипит и не образует пар. Отсюда и название реактор высокого давления.
Затем горячая вода направляется в теплообменник, так называемый парогенератор. Это цилиндрический резервуар с тысячами труб в форме перевернутой буквы U. Вода проходит по этим трубам и отдает свое тепло воде вторичного контура, которая течет по внешней стороне труб. Он нагревается и превращается в пар. Как только вода первого контура отдает свое тепло, насос подает ее обратно в реактор.
Пар, выходящий из парогенераторов, приводит в действие одну или несколько паровых турбин. Они состоят из ряда лопастей, установленных на валу. Благодаря высокому давлению пара вал вращается очень быстро. Таким образом, турбина приводит в действие генератор переменного тока, который в конечном итоге вырабатывает электроэнергию.