Рис.1

1  Рис.1

1-Графитовые блоки

(Замедлитель)

 2-активная зона реактора

2.Тяжёловодно-газовый реактор 2 может работать на природном уране. Тепловыделяющий элемент такого реактора покружено в стальной или алюминиевый бак, заполненный до определённого уровня тяжёлой водой. Вокруг бака расположен графитовый отражатель – биологическая защита. Тепловыделяющие элементы имеют внутренние каналы для прохода газа, отводящего тепло. Тяжёлая вода, служащая замедлителем также нагревается и требует своей системы охлаждения. Это осуществляется циркуляцией тяжёлой воды с помощью специального насоса и охлаждением её в теплообменнике проточной водой. Такой реактор имеет достаточно высокий КПД и относительно низкую топливную составляющую стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Поскольку топливом служит природный уран, высокая стоимость тяжёлой воды и потери тепла, связанной её охлаждением являются его недостатками .

3. На рис в) изображён водо-водяной или тяжёловодный реактор в котором замедлителем и теплоносителем служит вода или тяжёлая вода.(ВВЭР).

4 Рис г) даёт представление о конструктивной схеме реактора кипящего типа. Этот тип даёт возможность изготавливать их с меньшей толщиной стенки, а так же их положительным свойством является возможность саморегулирования.

5. реактор- размножитель работает на быстрых нейтронах т.е. на обогащённом уране. Данные типы реакторы требует более высокой биологической защиты, и соответственно применение более дорогих материалов.

6. гомогенный реактор где при использовании природного урана замедлителем может быть только тяжёлая вода, при обогащённом уране обычная вода. Здесь деление ядер на быстрых нейтронах отсутствует. Относительно низкая плотность урана и резонансное поглощение требуют более высокой степени обогащения топлива делящимся изотопом.

Все конструкции реакторов имеют как и положительные, так и отрицательные стороны, которые всегда необходимо учитывать при проектировании с учётом привязки строительства к конкретным региональным условиям исходя из возможностей доставки сырья, опасностью загрязнения окружающей среды, источников водоснабжения и грунтовых вод.

При проектировании АЭС используется сложные математические расчёты, которые не смотря на современные аналитические возможности вычислительной техники не могут дать гарантированной правильности всех параметров. Поэтому все расчёты перепроверяются экспериментальной проверкой.

Это особенно важно при проверке критических размеров реактора на природном уране. Если довериться только теоретическим расчётом, то можно допустить серьёзный просчёт, исправить который будет весьма дорого и сложно.

Перезагрузка АЭС.

 

Периодическая перезагрузка АЭС требует очень тщательной подготовке и проводится как правило при остановленном реакторе ,так как повышенная радиоактивность требует отсутствия персонала в период загрузки и выгрузки, не смотря на то, что схема перезагрузки происходит в автоматическом режиме с использованием специальных контейнеров обеспечивающих не только автоматический режим, но и все требования техники безопасности с постоянным охлаждением.

Контейнера имеют толстые свинцовые оболочки, обеспечивающие допустимый фон радиации

 

Конструкции оборудования АЭС.

 

Граффито-водяные реакторы.

Граффито-водяной реактор АЭС АН является первым реактором, созданным для производства электроэнергии.

В центральной части графитовой кладки, высотой 4,6 м и диаметром 3м имеется 157 вертикальных отверстий диаметром 65 мм расположенных по треугольной решётке шагом 120 мм. В них расположены каналы с ТВЕ. Активная зона, в которой размещены каналы с ТВЕ, имеет диаметр 1.6метра и высоту 1.7 метра. Она окружена со всех сторон графитовым отражателем толщиной 0.7 м, графитовая кладка заключена в стальной корпус, приваренный к нижней стальной плите. Сверху кладка закрыта массивной чугунной плитой, через которую проходят каналы ТВЕ и системы регулирования. Стальной корпус заполнен инертным газом, предохраняющим графит от окисления. Вокруг корпуса расположен кольцеобразный резервуар водяной защиты с толщиной слоя воды 1м. Реактор расположен в бетонной шахте с толщиной стен 3м, служащий внешним слоем биологической защиты. В водяной защите расположено 12 вертикальных труб, в которых на высоте активной зоны расположены ионизационные камеры. В активной зоне имеется 128 каналов с ТВЕ. Конструкция такого канала показана на рисунке 2.

Цилиндрический канал диаметром 65 мм собран из графитовых втулок с пятью отверстиями, через которые проходят трубчатые ТВЕ. Вода опускается по центральной трубке сверху вниз и возвращается вверх по 4-ём трубчатым ТВЕ. Уран расположен снаружи этих трубок на высоте 1.7м. Тепловой поток каналов в центральной части активной зоны достигает 1.8 * 10⁶ Ккал/м² в час.

24 канала заняты стержнями регулирования из карбида бора. Четыре стержня автоматического регулирования мощности реактора размещены по переферии активной зоны. Восемнадцать стержней ручного регулирования размещены в центре активной зоны (6шт) по переферии (12шт.) Они служат для компенсировании запаса реактивности.

Имеются так же аварийный стержни для экстренного останова реактора. Все каналы стержней охлаждаются водой под давлением 5атм. И температурой от3 0 до 60 градусов. Тепловая мощность такого реактора равна 30 Мвт. Общая загрузка реактора составляет 550 кг урана содержащего 5% урана 235 т.е.количество урана 235 загружаемого в реактор составляет 27,5 кг. Расход урана за сутки составляет около 30 гр.

 

Водоводяной реактор АЭС ( ВВЭР)

Водоводяные реакторы с водой под давлением имеют корпус, выдерживающий рабочее давление теплоносителя (рис.3) В активную зону реактора загружаются тепловыделяющие сборки с ядерным топливом. Тепло, выделяющееся при делении ядерного топлива, нагревает воду, находящуюся в корпусе реактора , образуется слаборадиактивный, насыщенный пар, поступающий в парогенератор второго контура. В парогенераторе слаборадиоактивный пар отдаёт тепло воде, образуется насыщенный нерадиоактивный пар, направляемый в паровую турбину. При передпче тепла радиоактивного пара нерадиоактивной воде второго контура в парогенераторе возникают дополнительные (По сравнению с РБМК), потери тепла, что снижает КПД АЭС с реакторами ВВЭР до 30%.

АЭС с реакторами на быстрых нейтронах имеют трёхмерную схему: в первом контуре теплоносителем является радиоактивный натрий (или калий), во втором – нерадиоактивная натрий (или калий), в третьем – нерадиоактивная вода, нагреваемая в парогенераторе теплом нерадиоактивного натрия второго контура. Нерадиоактивный насыщенный пар третьего контура поступает в паровую турбину . КПД АЭС с реакторами на быстрых нейтронах составляет около 35%.

1 контур 2 контур

3

К

ЭГ Рис.3

2 4

 

1 К-р

 

ГЦН 1 Принципиальная тепловая схема

ГЦН1,ГЦН2 -

Главные циркуляционные

Насосы первого и АЭС. 1-металлический корпус

Второго контуров ГЦН 2реактора; 2-активная зона;

3-вода; 4-парогенератор.

На схеме обозначены:

1.         Ядерный реактор с первичной биологической защитой.

2.         Вторичная биологическая защита.

3.         Турбина.

4.         Генератор.

5.         Конденсатор.

6.         Циркуляционные насосы.

7.         Регенеративный теплообменник.

8.         Резервуар с водой.

9.         Парогенератор.

10.      Промежуточный теплообменник.

Т – повышающий трансформатор.

ТСН – трансформатор собственных нужд.

РУ ВН – распределительное устройство высокого напряжения (110 кВ и выше). РУ СН – распределительное устройство собственных нужд.

 I; II; III– контуры АЭС.

Установка, в которой происходит управляемая цепная ядерная реакция, называется ядерным реактором 1. В него загружается ядерное топливо, например – уран –238. Ядерный реактор служит для нагрева теплоносителя и представляет из себя, в принципе, котёл.

Биологическая защита 2 выполняет функции изолятора реактора от окружающего пространства для того, чтобы в него не проникли мощные потоки нейтронов, альфа-, бета-, гамма- лучи и осколки деления. Биологическая защита предназначена для создания безопасных условий работы обслуживающего персонала.

Турбина 3 предназначена для преобразования энергии пара в механическую энергию вращения ротора электрического генератора. Генератор 4 вырабатывает электрическую энергию, которая поступает на повышающий трансформатор Т, где преобразуется до необходимых величин для дальнейшей передачи в линии электропередач. Часть энергии также передаётся на ТСН – понижающий трансформатор собственных нужд.

Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор. Конденсатор 5 служит для охлаждения пара, который, конденсируясь, затем подаётся циркуляционным насосом 6 через регенеративный обменник 7 в парогенератор 9. В регенеративном обменнике вода охлаждается до исходной величины.

Разогретый в реакторе теплоноситель первого контура (Na) отдаёт тепло в промежуточном теплообменнике 10 теплоносителю второго контура (Na). А тот, в свою очередь, отдаёт тепло рабочему телу(H₂O) в парогенераторе.

Циркуляционные насосы служат для движения теплоносителя в контурах схемы, а также для подачи охлаждающей воды в конденсатор из резервуара 8.

Таким образом, принципиально АЭС отличаются от ТЭС только тем, что рабочее тело на них получает тепло в парогенераторе при сжигании ядерного топлива в ядерном реакторе, а не органического топлива в котлах, как это имеет место на ТЭС.

Многоконтурная схема АЭС обеспечивает радиационную безопасность и создаёт удобства для обслуживания оборудования. Выбор числа контуров определяется в зависимости от типа реактора и свойств теплоносителя, характеризующих его пригодность для использования в качестве рабочего тела в турбине.

 

Теплообменники АЭС.

 

Теплообменник атомных электростанций имеют специфические конструктивные особенности и значительно большие удельные тепловые нагрузки по сравнению с теплообменниками обычных электростанций. Уменьшение габаритов теплообменников реакторной установки позволяет уменьшить размеры и вес биологической защиты, а следовательно, и капиталовложения в строительство АЭС.

Теплообменники, по которым протекает радиоактивная и коррозирующая среда, выполняются из сравнительно дорогой нержавеющей стали. В целях экономии этой стали поверхности нагрева, трубные доски и корпуса теплообменников стремятся выполнять с минимальными толщинами, не допуская излишних запасов прочности, но обеспечивая необходимую надёжность длительной их работы.

Парогенераторная установка состоит из горизонтальных парогенераторов насыщенного пара давлением 32 а и 231о С.

Вода из реактора с температурой 275оС подаётся в вертикальный коллектор диаметром 750 мм из которого распределяется по пакетам трубок, далее поступает к циркулярному насосу контура охлаждения.

Трубные пакеты погружены в водяной объём второго контура, заполняющая межтрубное пространство вода, испаряется, полученный пар проходит через паросепарирующие устройства и далее поступает в сборный паропровод к турбине.

Поверхность нагрева парогенератора 1290 м2. Она состоит из двух коридорных пакетов по 975 трубок диаметром 21 мм с толщиной стенок 1,5мм. Шаг трубок в пакете 36 мм. В трубном пакете имеется 5 вертикальных коридоров, улучшающих естественную циркуляцию.

 

Турбомашины АЭС.

На действующих, строящих и проектируемых атомных электростанциях применяются конденсационные паровые турбины.

На АЭС с высокотемпературными реакторами применяются специальные типы турбин, работающих на насыщенном или слабо перегретом паре.

В корпусе турбины есть специальные выточки для улавливания капельной влаги . Сепараторы капельной влаги могут выполняться центробежными и инерционными. Проходя по каналам двухходового винта в потоке пара, капли влаги центробежными силами отбрасываются на стенки корпуса и стекают к дренажному отверстию.

При повороте потока пара на 180о, при входе во внутреннею трубу сепаратора также развивается центробежная сила, отбрасывающая капли влаги вниз.

В сепараторах инерционного типа отделение капельной влаги от потока происходит при ударе потока о решётку полос.

Вспомогательное оборудование.

Вспомогательное оборудование АЭС газодувки, насосы, арматура, измерительные приборы имеют специфические особенности, которые должны обеспечивать более высокую надежность обеспечивающие более длительный срок работы без профилактики. Обеспечивающие исключение утечки радиоактивного газа. Повышенную стойкость к коррозии. Насосы безсальниковой конструкции, должны обеспечивать высокую герметичность.

Вся арматура выполняется с сильфонным уплотнением штока.

Вся измерительная аппаратура имеет так же свои конструктивные особенности, обеспечивающие более высокую точность и надёжность.

Компоновка оборудования АЭС.

 

Основные требования к компоновке оборудования:

1.Простота технологической схемы обеспечивающая прямые и короткие трубопроводы, магистрали водяные и газовые. Трассы кабелей

2.Удобство и простота обслуживания, удобный доступ ко всем агрегатам.

3.Хорошее освещение.

4. Компактное расположение агрегатов

5. Вентиляция обеспечивающая быстрое и захватывающие все объёмы здания.

6. Повышенная жёсткость фундамента.

7. Должны быть предусмотрены транспортные передвижные устройства, обеспечивающие дезактивацию помещений своим оборудованием и приспособлениями.

Вопросы техники безопасности на АЭС.

Вопросам техники безопасности на АЭС отводится крайне большое внимание. Безопасность персонала АЭС и населения прилегающих к её территории районов обеспечивается системой мероприятий, предусматриваемых проектирование АЭС и выборе площадки для её строительства. Максимальная допустимая радиоактивность воды и степень загрязнения водоёмов регламентируются «Санитарными правилами перевозки, хранения, учёта и работы с радиоактивными веществами», утверждёнными Главным санинспектором России.

Этими правилами установлены временные пределы допустимых уровней излучения.

Система биологической безопасности и дозиметрического контроля АЭС, принятая для АЭС АН России строго контролируется вышестоящими органами.

Основными источниками радиоактивных загрязнений на АЭС являются вода контура охлаждения реактора и азот, заполняющий графитовую кладку.

Активность выбрасываемого воздуха в атмосферу определяется активностью аргона.

Жестко проверяется на допустимые дозы активности вода с её долгоживущими сухими остатками натрия, марганца, кальция и другими составляющими

Радиоактивный воздух из надреактного пространства разбавляется в общей вентиляционной системе, пока активность не упадёт до допустимой нормы.

Выбрасываемая радиоактивная вода проходит обработку в специальном цехе, подвергаясь выдержке, разбавлению и очистке примесей включая выпаривание.

Сбрасываемая вода первого контура имеет малую активность и содержит короткоживущие изотопы. Она подвергается выдержке и разбавлению. Время выдержки составляет 10-15суток. За этот период радиоактивность снижается до допустимой нормы питьевой воды и спускается в канализацию. В частности в здании АЭС АН России имеется 28 вентиляционных систем вентиляции воздуха из одного помещения в другое.

Особое внимание уделено пространству над реактором, откуда радиоактивный газ может проникать в реакторный зал. Воздух между кожухом реактора и водяной защитой не вентилируется, так он является высоко радиоактивным и выброс его в атмосферу через трубу не допустим, во избежания загрязнения окружающей среды.  

Имеется система дозиметрического контроля как стационарная, так и индивидуальная. Кроме этого, постоянно ведётся забор воздуха из различных помещений с проверкой его на радиоактивность в отдельных лабораториях дозиметрического контроля. Весь работающий персонал имеет карманные фотокассеты и карманные дозиметры.

При ремонте и обслуживании оборудования, вводится регламентируемое время работы персонала. При работе используются: пневмокостюмы, противогазы, перчатки, очки и другие средства индивидуальной защиты.

Производится предварительная дезактивация оборудования и мест намечаемых работ.

Для избежания выноса радиоактивности на спецодежде организуются спецсанпосты.

При выходе из зоны радиоактивности, персонал снимает защитную спецодежду, принимает душ и переодевается в чистую одежду.

Использованная одежда отдаётся в специальную прачечную или уничтожается.

Нарушения правил дозиметрического контроля может привести к непоправимым последствиям.

Мировая история эксплуатации АЭС знает много примеров, которые имели место в странах Канады, США. Франции, Англии. Югославии. Свежи ещё события Чернобыльской аварии. Все случаи приводившее к тем или сложным, а зачастую и тяжёлым последствием были причиной определённых не доработок, подчас халатности или игнорирования правил эксплуатации АЭС.

Литература.

 

1. Атомные энергетические станции……………….. А.А. Канаев 1961 г.

2. Почти всё о цепном реакторе………………………… Л.Матвеев 1990 г.

3. Атомная энергетика…………………………… А.П. Александров 1978 г.

4. Энергия будущего……………………………………А И.Проценко 1985 г.

5. Экономика электроэнергетики …………………… Фомина 2005 г.