Тепловые контуры атомных станций
Атомные электрические
станции отличаются не только по типу реакторов, и материалов теплоносителя, но
и по устройству тепловых контуров.
Назначение теплоносителя – отводить
тепло, выделившееся в реакторе при высвобождении внутриядерной энергии. Для предотвращения
любых отложений на тепловыделяющих элементах необходима весьма высокая чистота
теплоносителя, поэтому для него необходим замкнутый контур. Еще одна причина замкнутости
контура – в результате прохода через реактор теплоноситель активируется и его
протечки, не говоря уже о полном сбросе (разомкнутом цикле), могли бы создать
серьезную радиационную опасность. Поэтому основная классификация атомных станций
зависит от числа контуров в ней.
Выделяют АЭС одноконтурные, двухконтурные,
неполностью двухконтурные и трехконтурные. Если контуры теплоносителя и рабочего
тела совпадают, то такую АЭС называют одноконтурной. В реакторе происходит парообразование,
пар направляется в турбину, где, расширяясь, производит работу, превращаемую в
генераторе в электроэнергию. После конденсации всего пара в конденсаторе конденсат
насосом подается снова в реактор. Таким образом, контур рабочего тела является
одновременно контуром теплоносителя, а иногда и замедлителя, и оказывается замкнутым.
Реактор может работать как с естественной, так и с принудительной циркуляцией
теплоносителя по дополнительному внутреннему контуру реактора, на котором установлен
соответствующий насос.
Если контуры теплоносителя и рабочего тела (пара)
разделены, то такую АЭС называют двухконтурной.
Соответственно контур
теплоносителя называют первым, а контур рабочего тела – вторым. В таких схемах
реактор охлаждается теплоносителем, прокачиваемым через него и парогенератор циркуляционным
насосом. Образованный таким образом контур теплоносителя является радиоактивным,
но он включает в себя не все оборудование станции, а лишь его часть. Если парообразование
теплоносителя в реакторе отсутствует, то в систему первого контура вводится компенсатор
объема, так как объем теплоносителя зависит от температуры, изменяющейся в процессе
работы. Пар из парогенератора поступает в турбину, затем в конденсатор, а конденсат
из него насосом подается в парогенератор. Образованный таким образом второй контур
включает оборудование, работающее в отсутствии радиационной активности, это упрощает
эксплуатацию станции. На двухконтурной станции обязательна парогенерирующая установка
– элемент, разделяющий оба контура, поэтому она в равной степени принадлежит как
первому, так и второму. Передача тепла через поверхность нагрева требует перепада
температур между теплоносителем и кипящей водой в парогенераторе. Для водного
теплоносителя это требует поддержания в первом контуре более высокого давления,
чем давление пара, подаваемого на турбину. Стремление избежать в первом контуре
закипания теплоносителя в каналах реактора приводит к необходимости иметь здесь
давление, существенно превышающее давление во втором контуре. Соответственно тепловая
экономичность такой станции всегда меньше, чем одноконтурной с тем же давлением
в реакторе. Однако в действительности экономичность циклов практически одинакова,
что обусловлено необходимостью принятия в одноконтурной схеме специальных мер
против удаления продуктов коррозии сталей из воды, поступающей на турбину (регенеративный
подогрев).
Атомная станция может работать как не полностью двухконтурная
(или частично двухконтурная). В этом случае имеется как самостоятельный первый
контур теплоносителя, так и совмещенный контур теплоносителя с собственно вторым
контуром. Пар, образовавшийся в реакторе, осушается в барабане-сепараторе, поступает
в парогенератор, конденсируется в нем и смешивается с реальной водой. Циркуляционный
насос возвращает теплоноситель в реактор. Образовавшийся в парогенераторе насыщенный
пар поступает для перегрева в реактор и поэтому является не только рабочим телом,
но и теплоносителем. Далее пар проходит по всему второму контуру, который тем
самым оказывается совмещенным с первым, но только в его паровой, наименее радиоактивной,
части.
Существуют теплоносители, попадание в которые пара или воды вызывает
бурное химическое взаимодействие. Это может создать опасность выброса радиационно-активных
веществ из первого контура в обслуживаемые помещения. Таким теплоносителем является,
например, жидкий натрий. Поэтому создают дополнительный (промежуточный) контур,
с тем, чтобы даже в аварийных ситуациях можно было избежать контакта радиоактивного
натрия с водой или водяным паром. Такие АЭС называются трехконтурными.
Основные
типы энергетических реакторов
Реакторы-конверторы с тепловых спектром нейтронов
Легководные
реакторы
В настоящее время в ядерной энергетике наибольшее распространение
получили легководные реакторы двух типов: реакторы с водой под давлением и реакторы
с кипящей водой. В легководных реакторах используется обогащенное урановое топливо,
что позволяет использовать в активной зоне более широкий ассортимент конструкционных
материалов, в том числе обычную воду, одновременно служащую замедлителем и теплоносителем.
Вырабатываемая в реакторе теплота воспринимается водой первого контура, работающего
при высоком давлении. Отсюда теплота передается теплоносителю второго контура,
в парогенераторе которого производится пар, приводящий в движение турбогенератор.
Реакторы этого типа являются наиболее мощными из используемых ныне 1300 МВт (эл.).
Реакторы
с водой под давлением
Реакторы с водой под давлением появились в начале
50 годов как разработка двигательной установки для подводных лодок. Теплота, вырабатываемая
в активной зоне реактора, передается от твэлов теплоносителю первого контура -
воде. Циркуляция воды в первом контуре обеспечивается циркуляционными насосами.
Из реактора вода поступает в парогенераторы, где отдает свое тепло во второй контур.
Получаемый во втором контуре пар приводи в действие турбогенератор. Отработавший
в турбине пар направляется в конденсатор. Откуда сконденсированная вода возвращается
обратно в парогенератор. Теплота, выделяющаяся в конденсаторе, передается воде,
которая идет на сброс в открытый водоем.
Наиболее известными реакторными
установками с водой под давлением являются PWR и ВВЭР.