2.3 Атомные электростанции

2.3.1. Технологические схемы атомных электростанций

Атомная электростанция (АЭС) представляет собой разновидность тепловой электростанции, в которой в качестве источника тепловой энергии используется ядерный реактор. Ядерное топливо для реактора используют обычно в твердом виде, например, в виде таблеток двуокиси урана UO₂. Таблетки заключают в предохранительную оболочку. Такие тепловыделяющие элементы называют ТВЭЛами. Группа ТВЭЛов, заключенная в кассету, называется тепловыделяющей сборкой (ТВС). Тепловыделяющие сборки устанавливают в активной зоне реактора (или в каналах активной зоны в ядерных реакторах канального типа). Тепловая энергия, выделяющаяся при реакции деления, отводится из активной зоны реактора с помощью теплоносителя, который прокачивают под давлением через активную зону (или через каналы активной зоны). Наиболее распространенным теплоносителем является вода, которую тщательно очищают. В качестве теплоносителя могут использоваться также легкоплавкие металлы: натрий, калий, свинец и др.

Технологические схемы АЭС могут быть одноконтурными, двухконтурными и трехконтурными, как показано на рис. 2.12. Достоинством одноконтурных АЭС является простота и относительно высокая тепловая экономичность. Однако, проходя через реактор, теплоноситель активируется, и значительная часть радиоактивности переносится в паротурбинный тракт,что затрудняет эксплуатацию его агрегатов и усложняет радиационную обстановку на АЭС.

В двухконтурной схеме теплоноситель и рабочее тело разделены. Контур теплоносителя называется первым и является радиоактивным. Тепловая энергия первого контура в теплообменнике-парогенераторе отдается рабочему телу (воде) второго контура. Во втором контуре, где циркулирует рабочее тело, радиоактивность отсутствует. Это упрощает конструкцию и эксплуатацию второго контура и обеспечивает сопоставимые технико-экономические показатели двух- и одноконтурных АЭС.

В качестве теплоносителя может использоваться жидкий металл, например, натрий. Это улучшает отвод тепла из реактора, но повышает вероятность аварийной ситуации (контакт жидкого натрия с водой проходит при бурном химическом взаимодействии с выделением большого количества тепла). Для предотвращения этого вводится дополнительный промежуточный контур, схема становится трехконтурной.

На каждой из технологических схем АЭС (рис. 2.12) показана только одна циркуляционная петля отведения тепловой энергии от активной зоны. Для повышения надежности и безопасности работы АЭС теплоотвод от активной зоны реактора выполняют в виде нескольких (от 2 до 6) параллельных циркуляционных петель.

Различают ядерные реакторы на быстрых и медленных (тепловых) нейтронах. В слабообогащенном уране, где содержание U²³⁵ невелико, цепная реакция на быстрых нейтронах не развивается. Поэтому быстрые нейтроны замедляют до тепловых (медленных) нейтронов. В качестве замедлителей используют вещества, которые содержат элементы с малой атомной массой, обладающие низкой поглощающей способностью по отношению к нейтронам. Основными замедлителями являются вода, тяжелая вода, графит. Тяжелая вода исключительна дорого в производстве и поэтому используется редко.

В настоящее время наиболее освоены реакторы на тепловых нейтронах. Такие реакторы конструктивно проще и легче управляемы по сравнению с реакторами на быстрых нейтронах.