Kas išrado atominę elektrinę? Atominė elektrinė: projektavimas ir poveikis aplinkai. Didelės šiluminės elektrinės, atominės elektrinės ir hidroelektrinės Rusijoje

Atominės elektrinės

Branduolinės elektrinės – tai branduoliniai įrenginiai, gaminantys energiją tam tikromis sąlygomis išlaikydami tam tikrus režimus. Šiems tikslams naudojama projekte apibrėžta teritorija, kurioje branduoliniai reaktoriai naudojami kartu su reikiamomis sistemomis, įrenginiais, įranga ir konstrukcijomis pavestoms užduotims atlikti. Tikslinėms užduotims atlikti pasitelkiamas specializuotas personalas.

Visos atominės elektrinės Rusijoje

Branduolinės energetikos istorija mūsų šalyje ir užsienyje

Antroji 40-ųjų pusė buvo pažymėta pirmojo projekto, apimančio taikių atomų naudojimą elektros energijai gaminti, sukūrimo pradžia. 1948 metais I.V. Kurchatovas, vadovaudamasis partijos ir sovietų vyriausybės nurodymais, pasiūlė pradėti praktinį atominės energijos panaudojimą elektros gamybai.

Po dvejų metų, 1950 m., Netoli Obninskoye kaimo, esančio Kalugos srityje, buvo pradėta statyti pirmoji planetoje atominė elektrinė. Pirmoji pasaulyje pramoninė atominė elektrinė, kurios galia buvo 5 MW, buvo paleista 1954 m. birželio 27 d. Sovietų Sąjunga tapo pirmąja galia pasaulyje, panaudojusia atomą taikiems tikslams. Stotis buvo atidaryta Obninske, kuris tuo metu buvo gavęs miesto statusą.

Tačiau sovietų mokslininkai tuo nesustojo, jie tęsė darbą šia kryptimi, ypač tik po ketverių metų, 1958 m., Pradėta eksploatuoti Sibiro atominės elektrinės pirmasis etapas. Jo galia buvo daug kartų didesnė nei stoties Obninske ir siekė 100 MW. Tačiau vietiniams mokslininkams tai nebuvo riba, užbaigus visus darbus, projektinė stoties galia buvo 600 MW.

Sovietų Sąjungos platybėse atominių elektrinių statyba tuo metu buvo didžiulė. Tais pačiais metais pradėta statyti Belojarsko atominė elektrinė, kurios pirmasis etapas jau 1964 metų balandį aprūpino pirmuosius vartotojus. Atominių elektrinių statybos geografija į savo tinklą įpainiojo visą šalį, tais pačiais metais Voroneže buvo paleistas pirmasis atominės elektrinės blokas, kurio galia – 210 MW, antrasis – po penkerių metų m. 1969 m., galėjo pasigirti 365 MW galia. Atominės elektrinės statybos bumas nenuslūgo per visą sovietmetį. Naujos stotys arba papildomi jau pastatytų blokai buvo paleisti kelerių metų intervalais. Taigi jau 1973 metais Leningradas gavo savo atominę elektrinę.

Tačiau sovietų valdžia nebuvo vienintelė pasaulyje, kuri sugebėjo plėtoti tokius projektus. JK jie taip pat nemiegojo ir, supratę šios srities pažadą, aktyviai studijavo šią problemą. Vos po dvejų metų, atidarius stotį Obninske, britai pradėjo savo projektą, skirtą taikaus atomo vystymui. 1956 m. Calder Hall miestelyje britai paleido savo stotį, kurios galia viršijo sovietinę ir siekė 46 MW. Jie neatsiliko ir kitoje Atlanto pusėje, po metų amerikiečiai iškilmingai pradėjo eksploatuoti stotį Shippingport. Objekto galia buvo 60 MW.

Tačiau taikaus atomo vystymasis buvo kupinas paslėptų grėsmių, apie kurias netrukus sužinojo visas pasaulis. Pirmasis ženklas buvo didelė avarija Trijų mylių saloje, įvykusi 1979 m., o po jos įvyko katastrofa, kuri ištiko visą pasaulį, Sovietų Sąjungoje, mažame Černobylio miestelyje įvyko didelio masto katastrofa, taip ir atsitiko. 1986 metais. Tragedijos pasekmės buvo nepataisomos, tačiau be to, šis faktas privertė visą pasaulį susimąstyti apie branduolinės energijos panaudojimo taikiems tikslams galimybes.

Pasaulio lyderiai šioje pramonės šakoje rimtai galvoja apie branduolinių objektų saugos gerinimą. Rezultatas – 1989 m. gegužės 15 d. Sovietų sostinėje surengtas steigiamasis susirinkimas. Asamblėja nusprendė įkurti Pasaulinę asociaciją, kuri apimtų visus atominių elektrinių operatorius, kurios visuotinai pripažinta santrumpa yra WANO. Įgyvendindama savo programas, organizacija sistemingai stebi atominių elektrinių saugos lygio gerinimą pasaulyje. Tačiau nepaisant visų įdėtų pastangų, net moderniausi ir iš pirmo žvilgsnio saugūs objektai neatlaiko stichijų antpuolio. Būtent dėl ​​endogeninės nelaimės, pasireiškusios žemės drebėjimo ir vėliau kilusio cunamio pavidalu, 2011 m. Fukušima-1 stotyje įvyko avarija.

Atominis užtemimas

AE klasifikacija

Atominės elektrinės klasifikuojamos pagal du kriterijus: gaminamos energijos rūšį ir reaktoriaus tipą. Priklausomai nuo reaktoriaus tipo, nustatomas generuojamos energijos kiekis, saugos lygis, taip pat kokios žaliavos naudojamos stotyje.

Pagal energijos rūšį, kurią gamina stotys, jos skirstomos į du tipus:

Atominės elektrinės. Jų pagrindinė funkcija yra elektros energijos gamyba.

Branduolinės šiluminės elektrinės. Dėl ten įrengtų šildymo įrenginių, naudojant stotyje neišvengiamus šilumos nuostolius, tampa įmanomas tinklo vandens šildymas. Taigi, be elektros, šios stotys gamina šiluminę energiją.

Išnagrinėję daugybę variantų, mokslininkai priėjo prie išvados, kad racionaliausios yra trys jų veislės, kurios šiuo metu naudojamos visame pasaulyje. Jie skiriasi keliais būdais:

1. Sunaudotas kuras;
2. Naudojami aušinimo skysčiai;
3. Aktyvios zonos, veikiančios norint palaikyti reikiamą temperatūrą;
4. Moderatoriaus tipas, kuris sumažina neutronų, kurie išsiskiria skilimo metu, greitį ir yra būtini grandininei reakcijai palaikyti.

Labiausiai paplitęs tipas yra reaktorius, naudojantys prisodrintą uraną kaip kurą. Paprastas arba lengvas vanduo čia naudojamas kaip aušinimo skystis ir moderatorius. Tokie reaktoriai vadinami lengvojo vandens reaktoriais, yra dviejų tipų. Pirmajame garai, naudojami turbinoms sukti, generuojami šerdyje, vadinamoje verdančio vandens reaktoriumi. Antruoju atveju garai susidaro išorinėje grandinėje, kuri per šilumokaičius ir garo generatorius yra prijungta prie pirmosios grandinės. Šis reaktorius buvo pradėtas kurti praėjusio amžiaus šeštajame dešimtmetyje, jų pagrindas buvo JAV armijos programa. Lygiagrečiai maždaug tuo pačiu metu Sąjunga sukūrė virimo reaktorių, kuriame grafito strypas veikė kaip moderatorius.

Būtent tokio tipo reaktorius su tokio tipo moderatoriumi buvo pritaikytas praktikoje. Kalbame apie dujomis aušinamą reaktorių. Jo istorija prasidėjo XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio pabaigoje ir šeštojo dešimtmečio pradžioje; iš pradžių tokio tipo patobulinimai buvo naudojami branduolinių ginklų gamyboje. Šiuo atžvilgiu jam tinka dviejų rūšių kuras: ginklų klasės plutonis ir natūralus uranas.

Paskutinis projektas, lydėjęs komercinės sėkmės, buvo reaktorius, kuriame kaip aušinimo skystis naudojamas sunkusis vanduo, o kaip kuras – mums jau pažįstamas natūralus uranas. Iš pradžių tokius reaktorius suprojektavo kelios šalys, tačiau galiausiai jų gamyba buvo sutelkta Kanadoje, o tai yra dėl to, kad šioje šalyje yra didžiulių urano telkinių.

Torio atominės elektrinės – ateities energija?

Branduolinių reaktorių tipų tobulinimo istorija

Pirmosios planetos atominės elektrinės reaktorius buvo labai pagrįstas ir perspektyvus projektas, kuris buvo įrodytas per daugelį metų nepriekaištingai eksploatuojant stoties. Tarp jo sudedamųjų dalių buvo:

1. šoninė vandens apsauga;
2. mūrinis korpusas;
3. viršutiniame aukšte;
4. surinkimo kolektorius;
5. kuro kanalas;
6. viršutinė plokštė;
7. grafito mūras;
8. apatinė lėkštė;
9. paskirstymo kolektorius.

Nerūdijantis plienas buvo pasirinktas kaip pagrindinė kuro strypų korpusų ir technologinių kanalų konstrukcinė medžiaga, tuo metu dar nebuvo žinių apie cirkonio lydinius, kurie galėtų turėti savybių, tinkamų darbui esant 300°C temperatūrai. Toks reaktorius buvo aušinamas vandeniu, o slėgis, kuriuo jis buvo tiekiamas, buvo 100 at. Šiuo atveju garai buvo išleisti 280 ° C temperatūroje, o tai yra gana vidutinis parametras.

Branduolinio reaktoriaus kanalai buvo suprojektuoti taip, kad juos būtų galima visiškai pakeisti. Taip yra dėl išteklių apribojimo, kuris nustatomas pagal laiką, kai kuras lieka veiklos zonoje. Projektuotojai nerado pagrindo tikėtis, kad konstrukcinės medžiagos, esančios apšvitinamoje veiklos zonoje, gali išnaudoti visą savo tarnavimo laiką, ty apie 30 metų.

Kalbant apie TVEL dizainą, buvo nuspręsta naudoti vamzdinę versiją su vienpusiu aušinimo mechanizmu

Tai sumažino tikimybę, kad sugadinus kuro strypą dalijimosi produktai pateks į grandinę. Kuro elemento korpuso temperatūrai reguliuoti buvo naudojama urano-molibdeno lydinio kuro sudėtis, kuri buvo grūdelių pavidalo, išsklaidyta per šilto vandens matricą. Taip apdorotas branduolinis kuras leido gauti labai patikimus kuro strypus. kurios galėjo veikti esant didelėms šiluminėms apkrovoms.

Kito taikių branduolinių technologijų plėtros etapo pavyzdys gali būti liūdnai pagarsėjusi Černobylio atominė elektrinė. Tuo metu jo statyboje naudojamos technologijos buvo laikomos pažangiausiomis, o reaktoriaus tipas – moderniausiu pasaulyje. Mes kalbame apie RBMK-1000 reaktorių.

Vieno tokio reaktoriaus šiluminė galia siekė 3200 MW, o jame yra du turbogeneratoriai, kurių elektrinė galia siekia 500 MW, taigi vieno jėgos agregato elektros galia siekia 1000 MW. Prisodrintas urano dioksidas buvo naudojamas kaip RBMK kuras. Pradinėje būsenoje prieš proceso pradžią vienoje tonoje tokio kuro yra apie 20 kg kuro, o būtent urano - 235. Stacionariai kraunant urano dioksidą į reaktorių, medžiagos masė yra 180 tonų.

Tačiau pakrovimo procesas nėra masinis, į reaktorių dedami mums jau gerai žinomi kuro elementai. Iš esmės tai yra vamzdžiai, pagaminti iš cirkonio lydinio. Turinys yra cilindrinės urano dioksido tabletės. Reaktoriaus veiklos zonoje jie dedami į kuro rinkles, kurių kiekviena sujungia po 18 kuro strypų.

Tokių mazgų tokiame reaktoriuje yra iki 1700, jie dedami į grafito kaminą, kur specialiai šiems tikslams suprojektuoti vertikalūs technologiniai kanalai. Būtent juose cirkuliuoja aušinimo skystis, kurio vaidmenį RMBK atlieka vanduo. Vandens sūkurys susidaro veikiant cirkuliaciniams siurbliams, kurių yra aštuoni. Reaktorius yra šachtos viduje, o grafinis mūras yra cilindriniame 30 mm storio korpuse. Viso aparato atrama yra betoninis pagrindas, po kuriuo yra baseinas - burbuliatorius, kuris padeda nustatyti avarijos vietą.

Trečios kartos reaktoriuose naudojamas sunkusis vanduo

Pagrindinis jo elementas yra deuteris. Labiausiai paplitęs dizainas vadinamas CANDU, jis buvo sukurtas Kanadoje ir yra plačiai naudojamas visame pasaulyje. Tokių reaktorių šerdis yra horizontalioje padėtyje, o šildymo kameros vaidmenį atlieka cilindrinės talpyklos. Kuro kanalas driekiasi per visą šildymo kamerą, kiekvienas iš šių kanalų turi du koncentrinius vamzdelius. Yra išoriniai ir vidiniai vamzdžiai.

Vidiniame vamzdyje kuras turi aušinimo skysčio slėgį, o tai leidžia papildomai papildyti reaktorių eksploatacijos metu. Sunkusis vanduo, kurio formulė D20, naudojamas kaip lėtintuvas. Uždarojo ciklo metu vanduo pumpuojamas per reaktoriaus vamzdžius, kuriuose yra kuro ryšulių. Branduolio dalijimasis gamina šilumą.

Aušinimo ciklas naudojant sunkųjį vandenį susideda iš praėjimo per garo generatorius, kur paprastas vanduo užverda nuo sunkiojo vandens skleidžiamos šilumos, todėl susidaro garai, kurie išsiskiria esant aukštam slėgiui. Jis paskirstomas atgal į reaktorių, todėl uždaromas aušinimo ciklas.

Būtent šiuo keliu buvo žingsnis po žingsnio tobulinami branduolinių reaktorių tipai, kurie buvo ir yra naudojami įvairiose pasaulio šalyse.

Branduolinė energija naudojama šiluminėje energetikoje, kai energija gaunama iš branduolinio kuro reaktoriuose šilumos pavidalu. Jis naudojamas elektros energijai gaminti atominės elektrinės (AE), didelių jūrų laivų elektrinėms, jūros vandens gėlinimui.

Branduolinė energija atsirado dėl neutrono, atrasto 1932 m., prigimties. Neutronai yra visų atomų branduolių dalis, išskyrus vandenilio branduolį. Surišti neutronai branduolyje egzistuoja neribotą laiką. Laisva forma jie yra trumpaamžiai, nes arba suyra, kurių pusinės eliminacijos laikas yra 11,7 minutės, virsdami protonu ir išskirdami elektroną bei neutriną, arba greitai užfiksuojami atomų branduolių.

Šiuolaikinė branduolinė energija pagrįsta energijos, išsiskiriančios natūralaus izotopo dalijimosi metu, naudojimu uranas-235. Atominėse elektrinėse vykdoma kontroliuojama branduolio dalijimosi reakcija branduolinis reaktorius. Pagal neutronų, sukeliančių branduolio dalijimąsi, energiją, atskirti terminius ir greitųjų neutronų reaktorius.

Pagrindinis atominės elektrinės blokas yra branduolinis reaktorius, kurio schema parodyta fig. 1. Energiją jie gauna iš branduolinio kuro, o tada šilumos pavidalu perduodama kitam darbiniam skysčiui (vandeniui, metalui ar organiniam skysčiui, dujoms); tada jis paverčiamas elektra pagal tą pačią schemą kaip ir įprastose.

Jie kontroliuoja procesą, palaiko reakciją, stabilizuoja galią, paleidžia ir sustabdo reaktorių naudodami specialų judesį valdymo strypai 6 Ir 7 iš medžiagų, kurios intensyviai sugeria šiluminius neutronus. Juos varo valdymo sistema 5 . Veiksmai valdymo strypai pasireiškia neutronų srauto galios pasikeitimu šerdyje. Pagal kanalus 10 cirkuliuoja vanduo, vėsindamas biologinės apsaugos betoną

Valdymo strypai pagaminti iš boro arba kadmio, kurie yra atsparūs termiškai, spinduliuotei ir korozijai, mechaniškai tvirti, pasižymi geromis šilumos perdavimo savybėmis.

Viduje masyvus plieninis dėklas 3 yra krepšelis 8 su kuro elementais 9 . Aušinimo skystis patenka per dujotiekį 2 , praeina per šerdį, išplauna visus kuro elementus, įkaista ir per vamzdyną 4 patenka į garų generatorių.

Ryžiai. 1. Branduolinis reaktorius

Reaktorius patalpintas storo betono biologinio izoliavimo įtaise 1 , kuri apsaugo supančią erdvę nuo neutronų, alfa, beta, gama spinduliuotės srauto.

Kuro elementai (kuro strypai)- pagrindinė reaktoriaus dalis. Juose tiesiogiai vyksta branduolinė reakcija ir išsiskiria šiluma, visos kitos dalys yra skirtos šilumos izoliacijai, kontrolei ir šalinimui. Struktūriškai kuro elementai gali būti pagaminti iš strypo, plokštelės, vamzdiniai, sferiniai ir tt Dažniausiai jie yra strypiniai, iki 1 metro ilgio, 10 mm skersmens. Paprastai jie surenkami iš urano granulių arba iš trumpų vamzdelių ir plokščių. Išorėje kuro elementai padengti korozijai atspariu plonu metaliniu apvalkalu. Korpusui naudojamas cirkonis, aliuminis, magnio lydiniai, taip pat legiruotas nerūdijantis plienas.

Branduolinės reakcijos metu reaktoriaus aktyvioje erdvėje išsiskiriančios šilumos perdavimas į elektrinių variklio (turbinos) darbinį korpusą vykdomas pagal viengrandę, dvigrandę ir trigrandę schemas (2 pav.).

Ryžiai. 2. Atominė elektrinė
a – pagal vienos grandinės schemą; b – pagal dvigubos grandinės schemą; c – pagal trijų grandinių schemą
1 – reaktorius; 2, 3 – biologinė apsauga; 4 – slėgio reguliatorius; 5 – turbina; 6 – elektros generatorius; 7 – kondensatorius; 8 – siurblys; 9 – rezervinė talpa; 10 – regeneracinis šildytuvas; 11 – garo generatorius; 12 – siurblys; 13 – tarpinis šilumokaitis

Kiekviena grandinė yra uždara sistema. Reaktorius 1 (visose šiluminėse grandinėse), esančios pirminio viduje 2 ir antrinės 3 biologinė apsauga. Jei atominė elektrinė pastatyta pagal vienos grandinės šiluminę grandinę, garai iš reaktoriaus patenka per slėgio reguliatorių 4 patenka į turbiną 5 . Turbinos velenas yra prijungtas prie elektros generatoriaus veleno 6 , kuriame generuojama elektros srovė. Išmetami garai patenka į kondensatorių, kur atšaldomi ir visiškai kondensuojasi. Siurblys 8 nukreipia kondensatą į regeneracinį šildytuvą 10 , o tada patenka į reaktorių.

Pagal dviejų grandinių schemą reaktoriuje pašildytas aušinimo skystis patenka į garo generatorių 11 , kur šiluma paviršiaus kaitinimo būdu perduodama darbinio skysčio aušinimo skysčiui (antrinio kontūro tiekiamasis vanduo). Vandeniu aušinamuose reaktoriuose aušinimo skystis garo generatoriuje atšaldomas maždaug 15...40 o C, o po to cirkuliaciniu siurbliu. 12 grąžinamas atgal į reaktorių.

Trijų grandinių konstrukcijoje aušinimo skystis (dažniausiai skystas natris) iš reaktoriaus nukreipiamas į tarpinį šilumokaitį 13 o iš ten su cirkuliaciniu siurbliu 12 grįžta į reaktorių. Aušinimo skystis antroje grandinėje taip pat yra skystas natris. Ši grandinė nėra apšvitinta ir todėl nėra radioaktyvi. Antrinės grandinės natris patenka į garo generatorių 11 , atiduoda šilumą darbiniam skysčiui, o po to cirkuliacinis siurblys grąžina atgal į tarpinį šilumokaitį.

Cirkuliacinių kontūrų skaičius lemia reaktoriaus tipą, naudojamą aušinimo skystį, jo branduolines fizikines savybes ir radioaktyvumo laipsnį. Vienos kilpos grandinė gali būti naudojama virimo reaktoriuose ir reaktoriuose su dujiniu aušinimo skysčiu. Labiausiai paplitęs dvigubos grandinės grandinė kaip aušinimo skystį naudojant vandenį, dujas ir organinius skysčius. Trijų grandinių schema naudojama atominėse elektrinėse su greitųjų neutronų reaktoriais, kuriuose naudojami skysti metalo aušinimo skysčiai (natrio, kalio, natrio-kalio lydiniai).

Branduolinis kuras gali būti uranas-235, uranas-233 ir plutonis-232. Žaliavos branduoliniam kurui gauti - natūralus uranas ir toris. Vieno gramo skiliosios medžiagos (urano-235) branduolinės reakcijos metu išsiskiria energija, lygiavertė 22×10 3 kW × h (19×10 6 cal). Norint gauti tokį energijos kiekį, reikia sudeginti 1900 kg naftos.

Uranas-235 yra lengvai prieinamas, o jo energijos atsargos yra maždaug tokios pačios kaip ir iškastinio kuro. Tačiau jei branduolinis kuras bus naudojamas tokiu mažu efektyvumu, koks yra šiuo metu, turimi urano šaltiniai bus išeikvoti per 50–100 metų. Tuo pačiu metu branduolinio kuro „indėliai“ yra praktiškai neišsenkantys - tai uranas, ištirpęs jūros vandenyje. Vandenyne jo yra šimtus kartų daugiau nei sausumoje. Vieno kilogramo urano dioksido išgavimas iš jūros vandens kainuoja apie 60–80 USD, o ateityje sumažės iki 30 USD, o turtingiausiuose sausumos telkiniuose iškasamo urano dioksido kaina – 10–20 USD. Todėl po kurio laiko sąnaudos sausumoje ir „jūros vandenyje“ taps vienodos.

Branduolinio kuro kaina yra maždaug du kartus mažesnė nei iškastinės anglies. Angliu kūrenamose elektrinėse kuro dalis sumažėja 50-70% elektros kainos, o atominėse - 15-30%. Šiuolaikinė 2,3 mln. kW galios šiluminė elektrinė (pavyzdžiui, Samaros valstijos rajono elektrinė) kasdien sunaudoja apie 18 tonų anglies (6 traukiniai) arba 12 tūkst. tonų mazuto (4 traukiniai). Branduolinis, tokios pat galios, per dieną sunaudoja tik 11 kg branduolinio kuro, o per metus – 4 tonas. Tačiau atominė elektrinė yra brangesnė nei šiluminė elektrinė statybos, eksploatacijos ir remonto požiūriu. Pavyzdžiui, 2–4 mln. kW galios atominės elektrinės statyba kainuoja maždaug 50–100% daugiau nei šiluminė.

Sumažinti kapitalo sąnaudas atominių elektrinių statybai galima dėl:

1. įrangos standartizavimas ir suvienodinimas;
2. kompaktiškų reaktorių projektų kūrimas;
3. tobulinti valdymo ir reguliavimo sistemas;
4. sutrumpinti reaktoriaus išjungimo trukmę kuro papildymui.

Svarbi atominių elektrinių (branduolinių reaktorių) charakteristika yra kuro ciklo efektyvumas. Norėdami pagerinti kuro ciklo efektyvumą, turėtumėte:

• padidinti branduolinio kuro degimą;
• padidinti plutonio veisimosi greitį.

Su kiekvienu urano-235 branduolio skilimu išsiskiria 2-3 neutronai. Iš jų tik vienas naudojamas tolesnei reakcijai, likusieji prarandami. Tačiau galima juos panaudoti branduoliniam kurui atgaminti, sukuriant greitųjų neutronų reaktorius. Eksploatuojant greitųjų neutronų reaktorių, iš 1 kg sudeginto urano-235 vienu metu galima gauti maždaug 1,7 kg plutonio-239. Tokiu būdu galima padengti žemą atominių elektrinių šiluminį naudingumą.

Greitųjų neutronų reaktoriai yra dešimtis kartų efektyvesni (branduolinio kuro naudojimo požiūriu) nei kuro neutroniniai reaktoriai. Juose nėra moderatoriaus ir naudojamas labai prisodrintas branduolinis kuras. Iš šerdies išbėgančius neutronus sugeria ne struktūrinės medžiagos, o aplink juos esantis uranas-238 arba toris-232.

Ateityje pagrindinės skiliosios medžiagos atominėms elektrinėms bus plutonis-239 ir uranas-233, gaunami atitinkamai iš urano-238 ir torio-232 greitųjų neutronų reaktoriuose. Pavertus uraną-238 į plutonį-239 reaktoriuose, branduolinio kuro ištekliai padidės maždaug 100 kartų, o torio-232 į uraną-233 - 200 kartų.

Fig. 3 paveiksle parodyta greituosius neutronus naudojančios atominės elektrinės schema.

Skiriamieji greitųjų neutronų atominės elektrinės bruožai yra šie:

1. Branduolinio reaktoriaus kritiškumo keitimas atliekamas reflektorių pagalba atspindint dalį branduolinio kuro dalijimosi neutronų iš periferijos atgal į aktyvią zoną. 3 ;
2. atšvaitai 3 gali suktis, keisdamas neutronų nuotėkį, taigi ir dalijimosi reakcijų intensyvumą;
3. atgaminamas branduolinis kuras;
4. Perteklinė šiluminė energija iš reaktoriaus pašalinama naudojant radiatorinį šaldytuvą 6 .

Ryžiai. 3. Greituosius neutronus naudojančios atominės elektrinės diagrama:
1 – kuro elementai; 2 – atkuriamas branduolinis kuras; 3 – greitųjų neutronų atšvaitai; 4 – branduolinis reaktorius; 5 – elektros vartotojas; 6 – šaldytuvas-emiteris; 7 – šiluminės energijos keitimas į elektros energiją; 8 – radiacinė sauga.

Šiluminės energijos keitikliai į elektros energiją

Remiantis atominės elektrinės pagamintos šiluminės energijos naudojimo principu, keitiklius galima suskirstyti į 2 klases:

1. mašina (dinaminė);
2. be mašinų (tiesioginiai keitikliai).

Mašininiuose keitikliuose prie reaktoriaus dažniausiai prijungiamas dujų turbinos blokas, kuriame darbinis skystis gali būti vandenilis, helis arba helio-ksenono mišinys. Tiesiogiai į turbogeneratorių tiekiamos šilumos pavertimo elektra efektyvumas yra gana didelis - keitiklio naudingumo koeficientas η = 0,7-0,75.

Atominės elektrinės su dinaminiu dujų turbinos (mašinos) keitikliu schema parodyta pav. 4.

Kitas mašinų keitiklių tipas yra magnetogazdinaminis arba magnetohidrodinaminis generatorius (MGDG). Tokio generatoriaus schema parodyta fig. 5. Generatorius yra stačiakampis kanalas, kurio dvi sienelės pagamintos iš dielektriko, o dvi – iš elektrai laidžios medžiagos. Elektrai laidus darbinis skystis – skystas arba dujinis – juda kanalais ir yra prasiskverbiamas magnetinio lauko. Kaip žinoma, kai laidininkas juda magnetiniame lauke, atsiranda emf, kuris skersai elektrodus 2 perduotas elektros vartotojui 3 . Energijos šaltinis darbiniam šilumos srautui yra šiluma, išsiskirianti branduoliniame reaktoriuje. Ši šiluminė energija eikvojama judantiems krūviams magnetiniame lauke, t.y. paverčiama srovei laidžios srovės kinetine energija, o kinetinė energija – elektros energija.

Ryžiai. 4. Atominės elektrinės su dujų turbininiu keitikliu schema:
1 – reaktorius; 2 – kontūras su skysto metalo aušinimo skysčiu; 3 – šilumokaitis šilumai tiekti dujoms; 4 – turbina; 5 – elektros generatorius; 6 – kompresorius; 7 – šaldytuvas-emiteris; 8 – šilumos šalinimo kontūras; 9 – cirkuliacinis siurblys; 10 – šilumokaitis šilumai šalinti; 11 – šilumokaitis-regeneratorius; 12 – grandinė su dujų turbinos keitiklio darbiniu skysčiu.

Tiesioginiai (be mašininiai) šiluminės energijos keitikliai į elektros energiją skirstomi į:

1. termoelektrinis;
2. terminis;
3. elektrocheminis.

Termoelektriniai generatoriai (TEG) yra pagrįsti Seebeck principu, kuris susideda iš to, kad uždaroje grandinėje, susidedančioje iš skirtingų medžiagų, termo-emf atsiranda, jei šių medžiagų sąlyčio taškuose palaikomas temperatūrų skirtumas (6 pav. ). Elektros gamybai patartina naudoti puslaidininkinius TEG, kurių efektyvumas didesnis, o karštosios sandūros temperatūrą reikia pakelti iki 1400 K ir aukštesnės.

Termioniniai keitikliai (TEC) leidžia generuoti elektros energiją dėl elektronų emisijos iš katodo, įkaitinto iki aukštos temperatūros (7 pav.).

Ryžiai. 5. Magnetogazinis dinaminis generatorius:
1 – magnetinis laukas; 2 – elektrodai; 3 – elektros vartotojas; 4 – dielektrinis; 5 – laidininkas; 6 – darbinis skystis (dujos).

Ryžiai. 6. Termoelektrinio generatoriaus veikimo schema

Ryžiai. 7. Termioninio keitiklio veikimo schema

Norint išlaikyti emisijos srovę, į katodą tiekiama šiluma K 1 . Katodo skleidžiami elektronai, įveikę vakuuminį tarpą, pasiekia anodą ir yra jo absorbuojami. Kai elektronai „kondensuojasi“ prie anodo, išsiskiria energija, lygi elektronų, turinčių priešingą ženklą, darbo funkcijai. Jei katodui teikiame nuolatinį šilumos tiekimą ir pašaliname jį iš anodo, tada per apkrovą R tekės nuolatinė srovė. Elektronų emisija efektyviai vyksta, kai katodo temperatūra viršija 2200 K.

Atominių elektrinių sauga ir patikimumas

Vienas pagrindinių branduolinės energetikos plėtros klausimų yra atominių elektrinių patikimumo ir saugos užtikrinimas.

Radiacinė sauga užtikrinama:

1. patikimų konstrukcijų ir prietaisų, skirtų personalo biologinei apsaugai nuo radiacijos, sukūrimas;
2. oro ir vandens, išeinančio iš atominės elektrinės patalpų, valymas;
3. radioaktyviosios taršos pašalinimas ir patikimas lokalizavimas;
4. atominės elektrinės patalpų kasdieninis radiacinis monitoringas ir individualus personalo radiacinis monitoringas.

AE patalpos, priklausomai nuo darbo režimo ir jose įrengtos įrangos, skirstomos į 3 kategorijas:

1. aukšto saugumo zona;
2. apribota zona;
3. normalaus režimo zona.

Darbuotojai nuolat yra įsikūrę trečios kategorijos patalpose, šios stoties patalpos yra saugios radiacijai.

Atominėms elektrinėms eksploatuojant susidaro kietos, skystos ir dujinės radioaktyviosios atliekos. Juos reikia išmesti taip, kad neterštų aplinkos.

Vėdinimo metu iš patalpų pašalinamose dujose gali būti radioaktyvių medžiagų aerozolių, radioaktyvių dulkių ir radioaktyviųjų dujų pavidalu. Stoties ventiliacija įrengta taip, kad oro srautai iš „švariausio“ pereitų į „užteršiausią“, o srautai priešinga kryptimi būtų neįtraukti. Visose stoties vietose pilnas oro pakeitimas atliekamas ne ilgiau kaip per valandą.

Eksploatuojant atomines elektrines, iškyla radioaktyviųjų atliekų laidojimo ir laidojimo problema. Reaktoriuose sunaudoti kuro elementai tam tikrą laiką laikomi vandens telkiniuose tiesiai prie atominės elektrinės, kol stabilizuojami trumpo pusėjimo eliminavimo periodo izotopai, o po to kuro elementai siunčiami regeneruoti į specialias radiochemines gamyklas. Ten iš kuro strypų išgaunamas branduolinis kuras, o radioaktyviosios atliekos laidojamos.

Viskas labai paprasta. Branduoliniame reaktoriuje uranas-235 skyla, išskirdamas didžiulį kiekį šiluminės energijos, jis užverda vandenį, garai spaudžiami sukasi turbiną, kuri sukasi elektros generatorių, kuri gamina elektrą.

Mokslas žino bent vieną gamtoje esantį branduolinį reaktorių. Jis yra Oklo urano telkinyje Gabone. Tiesa, prieš pusantro milijardo metų jis jau buvo atvėsęs.

Uranas-235 yra vienas iš urano izotopų. Nuo paprasto urano jis skiriasi tuo, kad jo branduolyje trūksta 3 neutronų, todėl branduolys tampa mažiau stabilus ir neutronui patekus į jį dideliu greičiu skyla į dvi dalis. Tokiu atveju išsiskiria dar 2-3 neutronai, kurie gali patekti į kitą Urano-235 branduolį ir jį suskaldyti. Ir taip toliau grandinėje. Tai vadinama branduoline reakcija.

Kontroliuojama reakcija

Jei nesuvaldysite branduolinės grandininės reakcijos ir ji vyks per greitai, sulauksite tikro branduolinio sprogimo. Todėl procesą reikia atidžiai stebėti ir neleisti uranui per greitai suirti. Norėdami tai padaryti, branduolinis kuras metaliniuose vamzdeliuose dedamas į moderatorių - medžiagą, kuri sulėtina neutronus ir paverčia jų kinetinę energiją šiluma.

Norint kontroliuoti reakcijos greitį, neutronus sugeriančios medžiagos strypai panardinami į moderatorių. Kai šie strypai pakeliami, jie sulaiko mažiau neutronų ir reakcija pagreitėja. Jei strypai nuleidžiami, reakcija vėl sulėtės.

Technologijų reikalas

Didžiuliai vamzdžiai atominėse elektrinėse iš tikrųjų yra ne vamzdžiai, o aušinimo bokštai – bokštai, skirti greitam garų aušinimui.

Skilimo momentu šerdis skyla į dvi dalis, kurios nuskrenda didžiuliu greičiu. Bet jie toli neskrenda - atsitrenkia į kaimyninius atomus, o kinetinė energija virsta šilumine energija.

Tada ši šiluma panaudojama vandens šildymui, paverčiant jį garais, garais – turbina, o turbina – generatorių, kuris gamina elektrą, kaip ir įprastoje šiluminėje elektrinėje, veikiančioje anglimi.

Juokinga, bet visa ši branduolinė fizika, urano izotopai, branduolinės grandininės reakcijos – viskas tam, kad užvirintų vandenį.

Dėl švaros

Branduolinė energija naudojama ne tik atominėse elektrinėse. Yra laivų ir povandeninių laivų, varomų branduoline energija. 50-aisiais netgi buvo sukurti branduoliniai automobiliai, lėktuvai ir traukiniai.

Dėl branduolinio reaktoriaus veikimo susidaro radioaktyviosios atliekos. Vienus iš jų galima perdirbti tolesniam naudojimui, o kitus reikia laikyti specialiose saugyklose, kad nepadarytų žalos žmogui ir aplinkai.

Nepaisant to, branduolinė energija dabar yra viena ekologiškiausių. Atominės elektrinės neišskiria išmetamųjų teršalų, reikalauja labai mažai kuro, užima mažai vietos ir yra labai saugios, kai naudojamos teisingai.

Tačiau po avarijos Černobylio atominėje elektrinėje daugelis šalių sustabdė branduolinės energetikos plėtrą. Nors, pavyzdžiui, Prancūzijoje beveik 80 procentų energijos pagaminama atominėse elektrinėse.

2000-aisiais dėl aukštos naftos kainos visi prisiminė branduolinę energiją. Yra sukurta kompaktiškų atominių elektrinių, kurios yra saugios, gali veikti dešimtmečius ir nereikalauja priežiūros.

Viena iš globaliausių žmonijos problemų yra energetika. Civilinė infrastruktūra, pramonė, kariuomenė – visa tai reikalauja didžiulio elektros energijos kiekio, o jai gaminti kasmet skiriama daug naudingųjų iškasenų. Bėda ta, kad šie ištekliai nėra begaliniai, ir dabar, kol situacija daugmaž stabili, turime galvoti apie ateitį. Didelės viltys buvo dedamos į alternatyvią, švarią elektrą, tačiau, kaip rodo praktika, galutinis rezultatas toli gražu nėra norimas. Saulės ar vėjo jėgainių kaštai didžiuliai, tačiau energijos kiekis – minimalus. Štai kodėl atominės elektrinės dabar laikomos perspektyviausiu tolesnio vystymosi variantu.

Atominės elektrinės istorija

Pirmosios idėjos apie atomų naudojimą elektros energijai gaminti pasirodė SSRS maždaug XX amžiaus 40-aisiais, beveik 10 metų prieš tai, kai buvo sukurti savo masinio naikinimo ginklai. 1948 metais buvo sukurtas atominių elektrinių veikimo principas ir tuo pačiu metu pirmą kartą pasaulyje buvo galima maitinti įrenginius iš atominės energijos. 1950 metais JAV baigė statyti nedidelį branduolinį reaktorių, kuris tuo metu galėjo būti laikomas vienintele tokio tipo jėgaine planetoje. Tiesa, jis buvo eksperimentinis ir gamino tik 800 vatų galios. Tuo pat metu SSRS buvo dedami pamatai pirmajai pasaulyje pilnavertei atominei elektrinei, nors pradėjus eksploatuoti ji vis tiek negamino elektros pramoniniu mastu. Šis reaktorius buvo labiau naudojamas technologijai tobulinti.

Nuo to momento visame pasaulyje prasidėjo masinės atominių elektrinių statybos. Be tradicinių šiose „lenktynių“ lyderių JAV ir SSRS, pirmieji reaktoriai pasirodė:

• 1956 – Didžioji Britanija.
• 1959 – Prancūzija.
• 1961 – Vokietija.
• 1962 – Kanada.
• 1964 – Švedija.
• 1966 – Japonija.

Statomų atominių elektrinių skaičius nuolat didėjo iki Černobylio katastrofos, po kurios statybos ėmė stingti ir pamažu daugelis šalių pradėjo atsisakyti atominės energetikos. Šiuo metu naujų tokių elektrinių atsiranda daugiausia Rusijoje ir Kinijoje. Kai kurios šalys, kurios anksčiau planavo pereiti prie kitokios energijos rūšies, pamažu grįžta prie programos ir artimiausiu metu galimas dar vienas atominių elektrinių statybos šuolis. Tai yra privalomas žmogaus vystymosi etapas, bent jau tol, kol bus rasta kitų veiksmingų energijos gamybos galimybių.

Branduolinės energijos ypatybės

Pagrindinis privalumas yra didžiulio energijos kiekio generavimas su minimaliomis degalų sąnaudomis ir beveik visiškai be taršos. Branduolinio reaktoriaus veikimo principas atominėje elektrinėje yra pagrįstas paprastu garo varikliu ir kaip pagrindinį elementą naudoja vandenį (neskaičiuojant paties kuro), todėl aplinkosaugos požiūriu žala yra minimali. Galimas tokio tipo elektrinių pavojus yra gerokai perdėtas. Černobylio katastrofos priežastys vis dar nėra patikimai nustatytos (apie tai plačiau žemiau), be to, visa tyrimo metu surinkta informacija leido modernizuoti esamas elektrines, pašalinant net mažai tikėtinas radiacijos emisijos galimybes. Aplinkosaugininkai kartais sako, kad tokios stotys yra galingas šiluminės taršos šaltinis, tačiau tai taip pat nėra visiškai tiesa. Iš tiesų karštas vanduo iš antrinės grandinės patenka į rezervuarus, tačiau dažniausiai naudojamos dirbtinės jų versijos, sukurtos specialiai šiam tikslui, o kitais atvejais tokio temperatūros padidėjimo dalies negalima lyginti su tarša iš kitų energijos šaltinių.

Kuro problema

Ne mažiausią vaidmenį atominių elektrinių populiarumui vaidina kuras – uranas-235. Jo reikia žymiai mažiau nei bet kuriai kitai rūšiai, tuo pačiu metu išleidžiant didžiulį energijos kiekį. Atominės elektrinės reaktoriaus veikimo principas apima šio kuro naudojimą specialių „tablečių“, dedamų į strypus, pavidalu. Tiesą sakant, vienintelis sunkumas šiuo atveju yra sukurti būtent tokią formą. Tačiau neseniai pradėjo sklisti informacija, kad dabartinių pasaulinių atsargų taip pat ilgai neužteks. Bet tai jau buvo numatyta. Naujausi trijų grandinių reaktoriai veikia su uranu-238, kurio yra daug, ir kuro trūkumo problema išnyks ilgam.

Dvigubos grandinės atominės elektrinės veikimo principas

Kaip minėta aukščiau, jis yra pagrįstas įprastu garo varikliu. Trumpai tariant, atominės elektrinės veikimo principas yra šildyti vandenį iš pirminio kontūro, kuris savo ruožtu šildo vandenį iš antrinės grandinės iki garo būsenos. Jis teka į turbiną, sukdamas mentes, todėl generatorius gamina elektros energiją. „Atliekos“ garai patenka į kondensatorių ir vėl virsta vandeniu. Taip sukuriamas beveik uždaras ciklas. Teoriškai visa tai galėtų veikti dar paprasčiau, naudojant tik vieną grandinę, tačiau tai tikrai nesaugu, nes jame esantis vanduo teoriškai gali būti užterštas, o tai neįtraukiama naudojant sistemos standartą daugumai atominių elektrinių. su dviem vandens ciklais, izoliuotais vienas nuo kito.

Trijų grandinių atominės elektrinės veikimo principas

Tai modernesnės elektrinės, veikiančios uranu-238. Jo atsargos sudaro daugiau nei 99% visų radioaktyviųjų elementų pasaulyje (taigi ir didžiulės panaudojimo perspektyvos). Šio tipo atominės elektrinės veikimo principas ir konstrukcija susideda iš net trijų grandinių ir aktyvaus skysto natrio naudojimo. Apskritai viskas išlieka maždaug taip pat, bet su nedideliais papildymais. Pirminėje grandinėje, šildomoje tiesiai iš reaktoriaus, šis skystas natris cirkuliuoja aukštoje temperatūroje. Antrasis ratas šildomas nuo pirmojo ir taip pat naudojamas tas pats skystis, bet ne toks karštas. Ir tik tada, jau trečioje grandinėje, naudojamas vanduo, kuris šildomas nuo antrosios iki garo būsenos ir suka turbiną. Sistema pasirodo technologiškai sudėtingesnė, tačiau tokią atominę elektrinę reikia pastatyti tik vieną kartą, o tada belieka mėgautis darbo vaisiais.

Černobylis

Manoma, kad pagrindinė nelaimės priežastis yra Černobylio atominės elektrinės veikimo principas. Oficialiai yra dvi to, kas nutiko, versijos. Pasak vieno, problema kilo dėl netinkamų reaktoriaus operatorių veiksmų. Antruoju – dėl nesėkmingo elektrinės projektavimo. Tačiau Černobylio atominės elektrinės veikimo principas buvo naudojamas ir kitose tokio tipo stotyse, kurios tinkamai veikia iki šiol. Yra nuomonė, kad įvyko nelaimingų atsitikimų virtinė, kurios beveik neįmanoma pakartoti. Tai apima nedidelį žemės drebėjimą rajone, eksperimento su reaktoriumi atlikimą, nedideles problemas su pačia konstrukcija ir pan. Visa tai kartu sukėlė sprogimą. Tačiau vis dar nežinoma priežastis, dėl kurios smarkiai padidėjo reaktoriaus galia, nors to neturėjo. Net buvo nuomonė apie galimą sabotažą, tačiau iki šios dienos nieko neįrodyta.

Fukušima

Tai dar vienas pasaulinės nelaimės, susijusios su atomine elektrine, pavyzdys. Ir šiuo atveju priežastis buvo nelaimingų atsitikimų virtinė. Stotis buvo patikimai apsaugota nuo žemės drebėjimų ir cunamių, kurie Japonijos pakrantėje nėra neįprasti. Mažai kas galėjo pagalvoti, kad abu šie įvykiai įvyks vienu metu. Fukušimos AE generatoriaus veikimo principas apėmė išorinių energijos šaltinių naudojimą visam saugos kompleksui palaikyti. Tai yra pagrįsta priemonė, nes avarijos metu būtų sunku gauti energijos iš pačios gamyklos. Dėl žemės drebėjimo ir cunamio visi šie šaltiniai sugedo, todėl reaktoriai išsilydė ir sukėlė nelaimę. Šiuo metu dedamos pastangos atitaisyti žalą. Pasak ekspertų, tai užtruks dar 40 metų.

Nepaisant viso efektyvumo, branduolinė energija vis dar išlieka gana brangi, nes atominės elektrinės garo generatoriaus ir kitų jo komponentų veikimo principai reikalauja milžiniškų statybos išlaidų, kurias reikia atpirkti. Šiuo metu elektra iš anglies ir naftos vis dar yra pigesnė, tačiau ateinančiais dešimtmečiais šie ištekliai baigsis, o per artimiausius kelerius metus branduolinė energija bus pigesnė už bet ką kitą. Šiuo metu aplinkai nekenksminga elektra iš alternatyvių energijos šaltinių (vėjo ir saulės elektrinių) kainuoja apie 20 kartų brangiau.

Manoma, kad atominių elektrinių veikimo principas neleidžia tokių stočių greitai pastatyti. Tai netiesa. Vidutiniškai tokio tipo objekto statyba trunka apie 5 metus.

Stotelės puikiai apsaugotos ne tik nuo galimos radiacijos emisijos, bet ir nuo daugumos išorinių veiksnių. Pavyzdžiui, jei teroristai vietoj bokštų dvynių būtų pasirinkę bet kurią atominę elektrinę, jie būtų galėję padaryti tik minimalią žalą aplinkinei infrastruktūrai, o tai niekaip neturės įtakos reaktoriaus darbui.

Rezultatai

Atominių elektrinių veikimo principas praktiškai nesiskiria nuo daugumos kitų tradicinių elektrinių veikimo principų. Garo energija naudojama visur. Hidroelektrinėse naudojamas tekančio vandens slėgis, o net tie modeliai, kurie veikia saulės energija, taip pat naudoja skystį, kuris kaitinamas iki virimo ir sukasi turbinas. Vienintelė šios taisyklės išimtis yra vėjo jėgainės, kuriose ašmenys sukasi dėl oro masių judėjimo.