Реакторы атомных станций. Проектирование и эксплуатация

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.

Атомная энергетика