Kurš izgudroja atomelektrostaciju? Atomelektrostacija: projektēšana un ietekme uz vidi. Lielas termoelektrostacijas, atomelektrostacijas un hidroelektrostacijas Krievijā

Atomelektrostacijas

Atomelektrostacijas ir kodoliekārtas, kas ražo enerģiju, vienlaikus saglabājot noteiktus režīmus noteiktos apstākļos. Šiem nolūkiem tiek izmantota projektā noteikta teritorija, kurā tiek izmantoti kodolreaktori kopā ar nepieciešamajām sistēmām, ierīcēm, iekārtām un konstrukcijām uzdoto uzdevumu veikšanai. Mērķa uzdevumu veikšanai tiek piesaistīts specializēts personāls.

Visas atomelektrostacijas Krievijā

Kodolenerģijas vēsture mūsu valstī un ārvalstīs

40. gadu otrā puse iezīmējās ar darba sākumu pie pirmā projekta izveides, kas paredzēja mierīgu atomu izmantošanu elektroenerģijas ražošanai. 1948. gadā I.V. Kurčatovs, vadoties pēc partijas un padomju valdības norādījumiem, izteica priekšlikumu sākt darbu pie praktiskas atomenerģijas izmantošanas elektroenerģijas ražošanā.

Divus gadus vēlāk, 1950. gadā, netālu no Obninskoje ciema, kas atrodas Kalugas reģionā, tika uzsākta pirmās atomelektrostacijas celtniecība uz planētas. Pasaulē pirmās rūpnieciskās atomelektrostacijas, kuras jauda bija 5 MW, palaišana notika 1954. gada 27. jūnijā. Padomju Savienība kļuva par pirmo lielvalsti pasaulē, kas izmantoja atomu miermīlīgiem mērķiem. Stacija tika atvērta Obninskā, kas līdz tam laikam bija saņēmusi pilsētas statusu.

Bet padomju zinātnieki ar to neapstājās, viņi turpināja darbu šajā virzienā, jo īpaši tikai četrus gadus vēlāk, 1958. gadā, sākās Sibīrijas atomelektrostacijas pirmā posma darbība. Tās jauda bija daudzkārt lielāka nekā stacijai Obninskā un sasniedza 100 MW. Bet vietējiem zinātniekiem tas nebija ierobežojums; pēc visu darbu pabeigšanas stacijas projektētā jauda bija 600 MW.

Padomju Savienības plašumos atomelektrostaciju celtniecība tajā laikā bija milzīga. Tajā pašā gadā sākās Belojarskas atomelektrostacijas celtniecība, kuras pirmais posms jau 1964. gada aprīlī apgādāja pirmos patērētājus. Atomelektrostaciju būvniecības ģeogrāfija savā tīklā sapinusi visu valsti, tajā pašā gadā Voroņežā tika palaists pirmais atomelektrostacijas bloks, kura jauda bija 210 MW, otrais bloks tika palaists piecus gadus vēlāk 1969, lepojās ar jaudu 365 MW. Atomelektrostaciju būvniecības bums nerimās visu padomju laiku. Jaunas stacijas vai jau uzbūvēto papildu bloki tika palaisti ar vairāku gadu intervālu. Tātad jau 1973. gadā Ļeņingrada saņēma savu atomelektrostaciju.

Taču padomju vara nebija vienīgā pasaulē, kas spēja izstrādāt šādus projektus. Apvienotajā Karalistē viņi arī negulēja un, saprotot šīs zonas solījumu, aktīvi pētīja šo jautājumu. Tikai divus gadus vēlāk, pēc stacijas atvēršanas Obņinskā, briti uzsāka paši savu projektu, lai attīstītu mierīgo atomu. 1956. gadā Kalderholas pilsētā briti palaida savu staciju, kuras jauda pārsniedza padomju kolēģu un sasniedza 46 MW. Viņi neatpalika arī otrpus Atlantijas okeānam, gadu vēlāk amerikāņi svinīgi palaida staciju Shipingportā. Objekta jauda bija 60 MW.

Tomēr miermīlīgā atoma attīstība bija saistīta ar slēptiem draudiem, par kuriem drīz uzzināja visa pasaule. Pirmā pazīme bija liela avārija Trīsjūdžu salā, kas notika 1979. gadā, un pēc tās notika katastrofa, kas skāra visu pasauli, Padomju Savienībā, mazajā Černobiļas pilsētiņā notika liela mēroga katastrofa, tas notika. 1986. gadā. Traģēdijas sekas bija nelabojamas, taču turklāt šis fakts lika visai pasaulei aizdomāties par kodolenerģijas izmantošanas iespējamību miermīlīgiem mērķiem.

Pasaules līderi šajā nozarē nopietni domā par kodoliekārtu drošības uzlabošanu. Rezultātā notika Satversmes sapulce, kas tika organizēta 1989. gada 15. maijā Padomju Savienības galvaspilsētā. Asambleja nolēma izveidot Pasaules asociāciju, kurā būtu jāiekļauj visi atomelektrostaciju operatori; tās vispāratzītais saīsinājums ir WANO. Organizācija savu programmu īstenošanas gaitā sistemātiski uzrauga atomelektrostaciju drošības līmeņa uzlabošanos pasaulē. Tomēr, neskatoties uz visiem pieliktajiem pūliņiem, pat vismodernākie un no pirmā acu uzmetiena šķietami droši objekti nevar izturēt stihiju uzbrukumu. Tieši endogēnas katastrofas dēļ, kas izpaudās zemestrīces un tai sekojošā cunami veidā, 2011. gadā stacijā Fukušima-1 notika avārija.

Atomu aptumšošana

AES klasifikācija

Atomelektrostacijas tiek klasificētas pēc diviem kritērijiem: saražotās enerģijas veida un reaktora veida. Atkarībā no reaktora veida tiek noteikts saražotās enerģijas daudzums, drošības līmenis, kā arī tas, kādas izejvielas tiek izmantotas stacijā.

Atkarībā no enerģijas veida, ko stacijas ražo, tās iedala divos veidos:

Atomelektrostacijas. To galvenā funkcija ir elektroenerģijas ražošana.

Atomelektrostacijas. Pateicoties tur uzstādītajām apkures iekārtām, izmantojot stacijā neizbēgamos siltuma zudumus, kļūst iespējama tīkla ūdens uzsildīšana. Tādējādi papildus elektrībai šīs stacijas ražo siltumenerģiju.

Izpētot daudzas iespējas, zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka racionālākās ir trīs to šķirnes, kuras šobrīd izmanto visā pasaulē. Tie atšķiras vairākos veidos:

1. Izlietotā degviela;
2. Izmantotie dzesēšanas šķidrumi;
3. Aktīvās zonas, kas darbojas, lai uzturētu nepieciešamo temperatūru;
4. Moderatora veids, kas samazina neitronu ātrumu, kas izdalās sabrukšanas laikā un ir tik nepieciešami, lai atbalstītu ķēdes reakciju.

Visizplatītākais veids ir reaktors, kurā kā degvielu izmanto bagātinātu urānu. Šeit kā dzesēšanas šķidrums un regulētājs tiek izmantots parasts vai viegls ūdens. Šādus reaktorus sauc par vieglā ūdens reaktoriem; tie ir divu veidu. Pirmajā gadījumā tvaiks, ko izmanto turbīnu pagriešanai, tiek ģenerēts serdenī, ko sauc par verdoša ūdens reaktoru. Otrajā, tvaika veidošanās notiek ārējā ķēdē, kas ir savienota ar pirmo ķēdi caur siltummaiņiem un tvaika ģeneratoriem. Šo reaktoru sāka izstrādāt pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados, to pamatā bija ASV armijas programma. Paralēli aptuveni tajā pašā laikā Savienība izstrādāja viršanas reaktoru, kurā grafīta stienis darbojās kā moderators.

Tieši reaktora tips ar šāda veida moderatoru ir atradis pielietojumu praksē. Mēs runājam par gāzi dzesējamu reaktoru. Tās vēsture aizsākās 20. gadsimta četrdesmito gadu beigās un piecdesmito gadu sākumā; sākotnēji šāda veida izstrādnes tika izmantotas kodolieroču ražošanā. Šajā sakarā tam ir piemēroti divu veidu degviela: ieroču kvalitātes plutonijs un dabiskais urāns.

Pēdējais projekts, ko pavadīja komerciāli panākumi, bija reaktors, kur kā dzesēšanas šķidrumu izmanto smago ūdeni, bet par degvielu – mums jau pazīstamo dabisko urānu. Sākotnēji šādus reaktorus projektēja vairākas valstis, taču beigās to ražošana tika koncentrēta Kanādā, kas ir saistīts ar masīvu urāna atradņu klātbūtni šajā valstī.

Torija atomelektrostacijas – nākotnes enerģija?

Kodolreaktoru veidu uzlabošanas vēsture

Pirmās planētas atomelektrostacijas reaktors bija ļoti saprātīgs un dzīvotspējīgs dizains, kas tika pierādīts daudzu gadu nevainojamās stacijas darbības laikā. Starp tās sastāvdaļām bija:

1. sānu ūdens aizsardzība;
2. mūra apvalks;
3. augšējais stāvs;
4. savākšanas kolektors;
5. degvielas kanāls;
6. augšējā plāksne;
7. grafīta mūris;
8. apakšējā plāksne;
9. sadales kolektors.

Kā galvenais degvielas stieņu korpusu un tehnoloģisko kanālu konstrukcijas materiāls tika izvēlēts nerūsējošais tērauds, tajā laikā nebija zināšanu par cirkonija sakausējumiem, kuriem varētu būt piemērotas īpašības darbam ar 300°C temperatūru. Šāda reaktora dzesēšana tika veikta ar ūdeni, un spiediens, zem kura tas tika piegādāts, bija 100 at. Šajā gadījumā tvaiks tika izlaists ar 280°C temperatūru, kas ir diezgan mērens parametrs.

Kodolreaktora kanāli tika izstrādāti tā, lai tos varētu pilnībā nomainīt. Tas ir saistīts ar resursu ierobežojumu, ko nosaka laiks, kad degviela paliek darbības zonā. Projektētāji neatrada iemeslu cerēt, ka konstrukciju materiāli, kas atrodas apstarojuma darbības zonā, spēs izsmelt visu savu kalpošanas laiku, proti, aptuveni 30 gadus.

Kas attiecas uz TVEL dizainu, tika nolemts pieņemt cauruļveida versiju ar vienvirziena dzesēšanas mehānismu

Tas samazināja iespējamību, ka sadalīšanās produkti nonāks ķēdē degvielas stieņa bojājuma gadījumā. Degvielas elementa korpusa temperatūras regulēšanai tika izmantots urāna-molibdēna sakausējuma degvielas sastāvs, kam bija graudu forma, kas izkliedēta caur silta ūdens matricu. Šādi apstrādāta kodoldegviela ļāva iegūt ļoti uzticamus degvielas stieņus. kas bija spējīgi darboties augstā termiskā slodzē.

Nākamās miermīlīgo kodoltehnoloģiju attīstības kārtas piemērs var būt bēdīgi slavenā Černobiļas atomelektrostacija. Tolaik tās būvniecībā izmantotās tehnoloģijas tika uzskatītas par vismodernākajām, un reaktora veids tika uzskatīts par modernāko pasaulē. Mēs runājam par RBMK-1000 reaktoru.

Viena šāda reaktora siltuma jauda sasniedza 3200 MW, savukārt tam ir divi turboģeneratori, kuru elektriskā jauda sasniedz 500 MW, tātad viena energobloka elektriskā jauda ir 1000 MW. Bagātināts urāna dioksīds tika izmantots kā degviela RBMK. Sākotnējā stāvoklī pirms procesa uzsākšanas viena tonna šādas degvielas satur aptuveni 20 kg degvielas, proti, urāna - 235. Stacionāri iekraujot urāna dioksīdu reaktorā, vielas masa ir 180 tonnas.

Taču iekraušanas process neatspoguļo masu, reaktorā tiek ievietoti mums jau labi zināmie degvielas elementi. Būtībā tās ir caurules, kas izgatavotas no cirkonija sakausējuma. Saturs ir cilindriskas urāna dioksīda tabletes. Reaktora darbības zonā tie tiek ievietoti degvielas komplektos, no kuriem katrs apvieno 18 degvielas stieņus.

Šādā reaktorā ir līdz 1700 šādu mezglu, un tie ir novietoti grafīta skurstenī, kur speciāli šiem mērķiem paredzēti vertikālie tehnoloģiskie kanāli. Tieši tajos cirkulē dzesēšanas šķidrums, kura lomu RMBK spēlē ūdens. Ūdens virpulis notiek cirkulācijas sūkņu ietekmē, kuru ir astoņi. Reaktors atrodas šahtas iekšpusē, un grafiskais mūris atrodas 30 mm biezā cilindriskā apvalkā. Visa aparāta balsts ir betona pamatne, zem kuras atrodas baseins – burbulis, kas kalpo negadījuma lokalizācijai.

Trešās paaudzes reaktori izmanto smago ūdeni

Kuru galvenais elements ir deitērijs. Visizplatītākais dizains tiek saukts par CANDU, tas tika izstrādāts Kanādā un tiek plaši izmantots visā pasaulē. Šādu reaktoru kodols atrodas horizontālā stāvoklī, un sildīšanas kameras lomu spēlē cilindriskas tvertnes. Degvielas kanāls stiepjas pāri visai apkures kamerai, katram no šiem kanāliem ir divas koncentriskas caurules. Ir ārējās un iekšējās caurules.

Iekšējā caurulē degviela atrodas zem dzesēšanas šķidruma spiediena, kas ļauj papildus uzpildīt reaktoru darbības laikā. Kā palēninātājs tiek izmantots smagais ūdens ar formulu D20. Slēgtā cikla laikā ūdens tiek sūknēts pa reaktora caurulēm, kurā ir degvielas saišķi. Kodola dalīšanās rada siltumu.

Dzesēšanas cikls, izmantojot smago ūdeni, sastāv no izlaišanas caur tvaika ģeneratoriem, kur parastais ūdens vārās no smagā ūdens radītā siltuma, kā rezultātā veidojas tvaiks, kas izplūst zem augsta spiediena. Tas tiek sadalīts atpakaļ reaktorā, kā rezultātā tiek noslēgts dzesēšanas cikls.

Tieši šajā ceļā tika pakāpeniski uzlaboti kodolreaktoru veidi, kas tika un tiek izmantoti dažādās pasaules valstīs.

Kodolenerģiju izmanto siltumenerģētikā, kad enerģiju iegūst no kodoldegvielas reaktoros siltuma veidā. To izmanto, lai ražotu elektroenerģiju iekšā atomelektrostacijas (AES), lielu jūras kuģu spēkstacijām, jūras ūdens atsāļošanai.

Kodolenerģija ir parādā savu izskatu, pirmkārt, 1932. gadā atklātā neitrona dabai. Neitroni ir daļa no visiem atomu kodoliem, izņemot ūdeņraža kodolu. Saistītie neitroni kodolā pastāv bezgalīgi. Brīvā formā tie ir īslaicīgi, jo tie vai nu sadalās ar pussabrukšanas periodu 11,7 minūtes, pārvēršoties par protonu un izstaro elektronu un neitrīno, vai arī tos ātri uztver atomu kodoli.

Mūsdienu kodolenerģijas pamatā ir dabiskā izotopa skaldīšanas laikā atbrīvotās enerģijas izmantošana urāns-235. Atomelektrostacijās tiek veikta kontrolēta kodola skaldīšanas reakcija kodolreaktors. Saskaņā ar neitronu enerģiju, kas rada kodola skaldīšanu, atšķirt termiskos un ātro neitronu reaktorus.

Atomelektrostacijas galvenais bloks ir kodolreaktors, kura diagramma parādīta attēlā. 1. Tie iegūst enerģiju no kodoldegvielas, un pēc tam to siltuma veidā pārnes uz citu darba šķidrumu (ūdeni, metālu vai organisko šķidrumu, gāzi); tad to pārvērš elektroenerģijā pēc tādas pašas shēmas kā parastajās.

Viņi kontrolē procesu, uztur reakciju, stabilizē jaudu, iedarbina un aptur reaktoru, izmantojot īpašu kustību vadības stieņi 6 Un 7 no materiāliem, kas intensīvi absorbē termiskos neitronus. Tos vada vadības sistēma 5 . Darbības vadības stieņi izpaužas kā neitronu plūsmas jaudas izmaiņas kodolā. Pēc kanāliem 10 ūdens cirkulē, atdzesējot bioloģiskās aizsardzības betonu

Vadības stieņi ir izgatavoti no bora vai kadmija, kas ir termiski, starojuma un korozijas izturīgi, mehāniski izturīgi un ar labām siltuma pārneses īpašībām.

Masīva tērauda korpusa iekšpusē 3 ir grozs 8 ar degvielas elementiem 9 . Dzesēšanas šķidrums ieplūst caur cauruļvadu 2 , iziet cauri serdei, izmazgā visus degvielas elementus, uzsilst un cauri cauruļvadam 4 iekļūst tvaika ģeneratorā.

Rīsi. 1. Kodolreaktors

Reaktors atrodas bieza betona bioloģiskās ierobežošanas ierīcē 1 , kas aizsargā apkārtējo telpu no neitronu, alfa, beta, gamma starojuma plūsmas.

Degvielas elementi (degvielas stieņi)- reaktora galvenā daļa. Tajos tieši notiek kodolreakcija un izdalās siltums; visas pārējās daļas kalpo siltuma izolācijai, kontrolei un noņemšanai. Strukturāli degvielas elementi var būt izgatavoti no stieņa, plākšņu, cauruļveida, sfērisku uc Visbiežāk tie ir stieņi, līdz 1 metram garš, 10 mm diametrā. Tos parasti montē no urāna granulām vai no īsām caurulēm un plāksnēm. No ārpuses degvielas elementi ir pārklāti ar korozijizturīgu, plānu metāla apvalku. Korpusam izmantots cirkonijs, alumīnijs, magnija sakausējumi, kā arī leģēts nerūsējošais tērauds.

Kodolreakcijas laikā reaktora aktīvā izdalītā siltuma pārnese uz spēkstaciju dzinēja (turbīnas) darba korpusu tiek veikta pēc vienas ķēdes, divkontūru un trīs ķēžu shēmām (2. att.).

Rīsi. 2. Atomelektrostacija
a – pēc vienas ķēdes shēmas; b – pēc divkontūru shēmas; c – pēc trīs ķēžu shēmas
1 – reaktors; 2, 3 – bioloģiskā aizsardzība; 4 – spiediena regulators; 5 – turbīna; 6 – elektroģenerators; 7 – kondensators; 8 – sūknis; 9 – rezerves jauda; 10 – reģeneratīvais sildītājs; 11 – tvaika ģenerators; 12 – sūknis; 13 – starpposma siltummainis

Katra ķēde ir slēgta sistēma. Reaktors 1 (visās siltuma ķēdēs), kas atrodas primārajā 2 un sekundārais 3 bioloģiskā aizsardzība. Ja atomelektrostacija ir uzbūvēta saskaņā ar vienas ķēdes termisko ķēdi, tvaiks no reaktora caur spiediena regulatoru 4 iekļūst turbīnā 5 . Turbīnas vārpsta ir savienota ar elektriskā ģeneratora vārpstu 6 , kurā tiek ģenerēta elektriskā strāva. Izplūdes tvaiks nonāk kondensatorā, kur tas tiek atdzesēts un pilnībā kondensēts. Sūknis 8 novirza kondensātu uz reģeneratīvo sildītāju 10 , un tad tas nonāk reaktorā.

Divu ķēžu shēmā reaktorā uzkarsētais dzesēšanas šķidrums nonāk tvaika ģeneratorā 11 , kur ar virsmas karsēšanu siltums tiek pārnests uz darba šķidruma dzesēšanas šķidrumu (sekundārā kontūra padeves ūdens). Ar ūdeni dzesējamos reaktoros dzesēšanas šķidrumu tvaika ģeneratorā atdzesē aptuveni par 15...40 o C un pēc tam ar cirkulācijas sūkni. 12 tiek nosūtīts atpakaļ uz reaktoru.

Trīs ķēžu konstrukcijā dzesēšanas šķidrums (parasti šķidrais nātrijs) no reaktora tiek novirzīts uz starpposma siltummaini 13 un no turienes ar cirkulācijas sūkni 12 atgriežas reaktorā. Dzesēšanas šķidrums otrajā kontūrā ir arī šķidrais nātrijs. Šī ķēde nav apstarota un tāpēc nav radioaktīva. Sekundārās ķēdes nātrijs nonāk tvaika ģeneratorā 11 , atdod siltumu darba šķidrumam un pēc tam cirkulācijas sūknis to nosūta atpakaļ uz starpposma siltummaini.

Cirkulācijas ķēžu skaits nosaka reaktora veidu, izmantoto dzesēšanas šķidrumu, tā kodolfizikālās īpašības un radioaktivitātes pakāpi. Viena kontūra ķēdi var izmantot viršanas reaktoros un reaktoros ar gāzes dzesēšanas šķidrumu. Visizplatītākā dubultās ķēdes ķēde izmantojot ūdeni, gāzi un organiskos šķidrumus kā dzesēšanas šķidrumu. Trīs ķēžu shēmu izmanto atomelektrostacijās ar ātro neitronu reaktoriem, kurās izmanto šķidros metāla dzesēšanas šķidrumus (nātrija, kālija, nātrija-kālija sakausējumus).

Kodoldegviela var būt urāns-235, urāns-233 un plutonijs-232. Izejvielas kodoldegvielas iegūšanai - dabiskais urāns un torijs. Viena grama skaldāmā materiāla (urāna-235) kodolreakcija atbrīvo enerģiju, kas līdzvērtīga 22 × 10 3 kW × h (19 × 10 6 cal). Lai iegūtu šādu enerģijas daudzumu, nepieciešams sadedzināt 1900 kg eļļas.

Urāns-235 ir viegli pieejams, un tā enerģijas rezerves ir aptuveni tādas pašas kā fosilā kurināmā. Tomēr, ja kodoldegvielu izmantos tik zemā lietderības koeficientā, kāda pašlaik ir pieejama, pieejamie urāna avoti tiks izsmelti 50–100 gadu laikā. Tajā pašā laikā kodoldegvielas “nogulas” ir praktiski neizsmeļamas - tas ir jūras ūdenī izšķīdināts urāns. Okeānā to ir simtiem reižu vairāk nekā uz sauszemes. Viena kilograma urāna dioksīda iegūšanas izmaksas no jūras ūdens ir aptuveni 60–80 USD, un nākotnē tās samazināsies līdz 30 USD, bet urāna dioksīda, kas iegūts bagātākajās sauszemes atradnēs, izmaksas ir 10–20 USD. Tāpēc pēc kāda laika izmaksas uz sauszemes un “jūras ūdens” kļūs vienādas.

Kodoldegvielas izmaksas ir aptuveni divas reizes zemākas nekā fosilās ogles. Ogļu spēkstacijās kurināmā daļa samazinās par 50-70% no elektroenerģijas izmaksām, bet atomelektrostacijās - par 15-30%. Mūsdienīga termoelektrostacija ar jaudu 2,3 ​​miljoni kW (piemēram, Samaras štata apgabala elektrostacija) katru dienu patērē aptuveni 18 tonnas ogļu (6 vilcieni) vai 12 tūkstošus tonnu mazuta (4 vilcieni). Kodolenerģija, ar tādu pašu jaudu, patērē tikai 11 kg kodoldegvielas dienā un 4 tonnas gada laikā. Tomēr atomelektrostacija būvniecības, ekspluatācijas un remonta ziņā ir dārgāka nekā termoelektrostacija. Piemēram, atomelektrostacijas ar jaudu 2 - 4 miljoni kW celtniecība izmaksā aptuveni par 50-100% vairāk nekā termiskā.

Atomelektrostaciju būvniecības kapitāla izmaksas ir iespējams samazināt, jo:

1. iekārtu standartizācija un unifikācija;
2. kompakto reaktoru projektu izstrāde;
3. vadības un regulēšanas sistēmu uzlabošana;
4. samazinot reaktora apturēšanas ilgumu degvielas uzpildīšanai.

Svarīga kodolspēkstaciju (kodolreaktoru) īpašība ir degvielas cikla efektivitāte. Lai uzlabotu degvielas cikla efektivitāti, jums vajadzētu:

• palielināt kodoldegvielas sadegšanu;
• palielināt plutonija vairošanās ātrumu.

Ar katru urāna-235 kodola skaldīšanu tiek atbrīvoti 2-3 neitroni. No tiem tikai viens tiek izmantots tālākai reakcijai, pārējie tiek zaudēti. Taču ir iespējams tos izmantot kodoldegvielas reproducēšanai, radot ātro neitronu reaktorus. Darbinot ātro neitronu reaktoru, uz 1 kg sadedzinātā urāna-235 vienlaikus iespējams iegūt aptuveni 1,7 kg plutonija-239. Tādā veidā var segt atomelektrostaciju zemo siltuma efektivitāti.

Ātro neitronu reaktori ir desmitiem reižu efektīvāki (kodoldegvielas izmantošanas ziņā) nekā degvielas neitronu reaktori. Tie nesatur moderatoru un izmanto augsti bagātinātu kodoldegvielu. No kodola izplūstošos neitronus absorbē nevis strukturālie materiāli, bet ap tiem esošais urāns-238 vai torijs-232.

Nākotnē kodolspēkstaciju galvenie skaldāmie materiāli būs plutonijs-239 un urāns-233, kas iegūti attiecīgi no urāna-238 un torija-232 ātro neitronu reaktoros. Reaktoros pārvēršot urānu-238 par plutoniju-239, kodoldegvielas resursi palielināsies aptuveni 100 reizes, bet torija-232 par urānu-233 - 200 reizes.

Attēlā 3. attēlā parādīta atomelektrostacijas diagramma, kurā izmanto ātros neitronus.

Ātro neitronu atomelektrostacijas atšķirīgās iezīmes ir:

1. kodolreaktora kritiskuma maiņa tiek veikta, daļu kodoldegvielas skaldīšanas neitronu no perifērijas atpakaļ kodolā, izmantojot atstarotājus. 3 ;
2. atstarotāji 3 var griezties, mainot neitronu noplūdi un līdz ar to arī skaldīšanas reakciju intensitāti;
3. tiek reproducēta kodoldegviela;
4. Lieko siltumenerģiju no reaktora noņem, izmantojot radiatora ledusskapi 6 .

Rīsi. 3. Atomelektrostacijas diagramma, kurā izmanto ātros neitronus:
1 – degvielas elementi; 2 – reproducējamā kodoldegviela; 3 – ātri neitronu atstarotāji; 4 – kodolreaktors; 5 – elektroenerģijas patērētājs; 6 – ledusskapis-emiteris; 7 – siltumenerģijas pārveidotājs elektroenerģijā; 8 – aizsardzība pret radiāciju.

Siltumenerģijas pārveidotāji elektroenerģijā

Pamatojoties uz atomelektrostacijas saražotās siltumenerģijas izmantošanas principu, pārveidotājus var iedalīt 2 klasēs:

1. mašīna (dinamiska);
2. bez iekārtām (tiešie pārveidotāji).

Mašīnu pārveidotājos reaktoram parasti ir pievienots gāzes turbīnas bloks, kurā darba šķidrums var būt ūdeņradis, hēlijs vai hēlija-ksenona maisījums. Turboģeneratoram tieši piegādātā siltuma pārvēršanas elektrībā efektivitāte ir diezgan augsta - pārveidotāja efektivitāte η = 0,7-0,75.

Atomelektrostacijas diagramma ar dinamisku gāzes turbīnas (mašīnas) pārveidotāju ir parādīta attēlā. 4.

Cits mašīnu pārveidotāju veids ir magnetogasdinamiskais vai magnetohidrodinamiskais ģenerators (MGDG). Šāda ģeneratora shēma ir parādīta attēlā. 5. Ģenerators ir taisnstūra kanāls, kura divas sienas ir izgatavotas no dielektriķa, bet divas no elektriski vadoša materiāla. Elektrību vadošs darba šķidrums - šķidrs vai gāzveida - pārvietojas pa kanāliem, un to iekļūst magnētiskais lauks. Kā zināms, vadītājam pārvietojoties magnētiskajā laukā, rodas emf, kas pāri elektrodiem 2 nodots elektroenerģijas patērētājam 3 . Darba siltuma plūsmas enerģijas avots ir kodolreaktorā izdalītais siltums. Šī siltumenerģija tiek tērēta lādiņu kustībai magnētiskajā laukā, t.i. tiek pārveidota strāvu vadošas strūklas kinētiskajā enerģijā un elektriskajā enerģijā.

Rīsi. 4. Atomelektrostacijas diagramma ar gāzes turbīnas pārveidotāju:
1 – reaktors; 2 – kontūra ar šķidro metāla dzesēšanas šķidrumu; 3 – siltummainis siltuma padevei gāzei; 4 – turbīna; 5 – elektroģenerators; 6 – kompresors; 7 – ledusskapis-emiteris; 8 – siltuma noņemšanas kontūra; 9 – cirkulācijas sūknis; 10 – siltummainis siltuma noņemšanai; 11 – siltummainis-reģenerators; 12 – ķēde ar gāzturbīnas pārveidotāja darba šķidrumu.

Tiešos siltumenerģijas pārveidotājus (bezmašīnas) elektroenerģijā iedala:

1. termoelektrisks;
2. termiski;
3. elektroķīmiski.

Termoelektriskie ģeneratori (TEG) ir balstīti uz Zēbeka principu, kas sastāv no tā, ka slēgtā ķēdē, kas sastāv no atšķirīgiem materiāliem, rodas termo-emf, ja šo materiālu saskares vietās tiek uzturēta temperatūras starpība (6. att. ). Elektroenerģijas ražošanai vēlams izmantot pusvadītāju TEG, kam ir augstāka efektivitāte, savukārt karstā savienojuma temperatūra jāpaaugstina līdz 1400 K un augstākai.

Termioniskie pārveidotāji (TEC) dod iespēju ražot elektroenerģiju elektronu emisijas rezultātā no katoda, kas uzkarsēts līdz augstām temperatūrām (7. att.).

Rīsi. 5. Magnetogāzes dinamiskais ģenerators:
1 – magnētiskais lauks; 2 – elektrodi; 3 – elektroenerģijas patērētājs; 4 – dielektrisks; 5 – diriģents; 6 – darba šķidrums (gāze).

Rīsi. 6. Termoelektriskā ģeneratora darbības shēma

Rīsi. 7. Termioniskā pārveidotāja darbības shēma

Lai uzturētu emisijas strāvu, katodam tiek piegādāts siltums J 1 . Katoda izstarotie elektroni, pārvarot vakuuma spraugu, sasniedz anodu un tiek absorbēti tajā. Kad elektroni “kondensējas” pie anoda, tiek atbrīvota enerģija, kas vienāda ar elektronu darba funkciju ar pretēju zīmi. Ja mēs nodrošinām nepārtrauktu siltuma padevi katodam un noņemam to no anoda, tad caur slodzi R plūst līdzstrāva. Elektronu emisija notiek efektīvi, ja katoda temperatūra pārsniedz 2200 K.

Atomelektrostaciju drošība un uzticamība

Viens no galvenajiem jautājumiem kodolenerģijas attīstībā ir kodolspēkstaciju uzticamības un drošības nodrošināšana.

Radiācijas drošību nodrošina:

1. uzticamu konstrukciju un ierīču izveide personāla bioloģiskajai aizsardzībai pret radiāciju;
2. gaisa un ūdens attīrīšana, kas iziet no atomelektrostacijas telpām;
3. radioaktīvā piesārņojuma ekstrakcija un droša lokalizācija;
4. atomelektrostacijas telpu ikdienas radiācijas monitorings un personāla individuālais radiācijas monitorings.

AES telpas atkarībā no darbības režīma un tajās uzstādītā aprīkojuma iedala 3 kategorijās:

1. augsta drošības zona;
2. aizliegtā zona;
3. parastā režīma zona.

Personāls pastāvīgi atrodas trešās kategorijas telpās, šīs stacijas telpas ir radiācijas drošas.

Atomelektrostaciju darbības laikā rodas cietie, šķidrie un gāzveida radioaktīvie atkritumi. Tie ir jāiznīcina tā, lai neradītu vides piesārņojumu.

Ventilācijas laikā no telpām izņemtās gāzes var saturēt radioaktīvas vielas aerosolu, radioaktīvo putekļu un radioaktīvo gāzu veidā. Stacijas ventilācija ir izbūvēta tā, lai gaisa plūsmas no “tīrākā” pārietu uz “piesārņotāko”, un pretējā virzienā tiek izslēgtas plūsmas. Visās stacijas zonās pilnīga gaisa nomaiņa tiek veikta ne ilgāk kā vienas stundas laikā.

Atomelektrostaciju darbības laikā rodas radioaktīvo atkritumu apglabāšanas un apglabāšanas problēma. Reaktoros izlietotie kurināmā elementi noteiktu laiku tiek turēti ūdens baseinos tieši atomelektrostacijā, līdz tiek stabilizēti izotopi ar īsu pussabrukšanas periodu, pēc tam degvielas elementi tiek nosūtīti uz īpašām radioķīmiskajām rūpnīcām reģenerācijai. Tur no degvielas stieņiem tiek iegūta kodoldegviela, un radioaktīvie atkritumi tiek apglabāti.

Viss ir ļoti vienkārši. Kodolreaktorā Urāns-235 sadalās, izdalot milzīgu siltumenerģijas daudzumu, tas uzvāra ūdeni, tvaiks zem spiediena griež turbīnu, kas rotē elektrisko ģeneratoru, kas ģenerē elektrību.

Zinātnei ir zināms vismaz viens dabā sastopams kodolreaktors. Tas atrodas Oklo urāna atradnē Gabonā. Tiesa, tas jau bija atdzisis pirms pusotra miljarda gadu.

Urāns-235 ir viens no urāna izotopiem. Tas atšķiras no vienkāršā urāna ar to, ka tā kodolā trūkst 3 neitronu, kā rezultātā kodols kļūst mazāk stabils un sadalās divās daļās, kad neitrons tam ietriecas lielā ātrumā. Šajā gadījumā tiek atbrīvoti vēl 2-3 neitroni, kas var iekļūt citā Urāna-235 kodolā un to sadalīt. Un tā tālāk pa ķēdi. To sauc par kodolreakciju.

Kontrolēta reakcija

Ja jūs nekontrolēsit kodola ķēdes reakciju un tā norit pārāk ātri, jūs iegūsit īstu kodolsprādzienu. Tāpēc process ir rūpīgi jāuzrauga un nedrīkst ļaut urānam pārāk ātri sadalīties. Lai to izdarītu, kodoldegvielu metāla caurulēs ievieto moderatorā - vielā, kas palēnina neitronus un pārvērš to kinētisko enerģiju siltumā.

Lai kontrolētu reakcijas ātrumu, neitronus absorbējoša materiāla stieņi tiek iegremdēti moderatorā. Kad šie stieņi tiek pacelti, tie uztver mazāk neitronu un reakcija paātrinās. Ja stieņi ir nolaisti, reakcija atkal palēnināsies.

Tehnoloģiju jautājums

Milzīgās caurules atomelektrostacijās patiesībā nemaz nav caurules, bet gan dzesēšanas torņi - torņi ātrai tvaika dzesēšanai.

Sabrukšanas brīdī kodols sadalās divās daļās, kuras izlido milzīgā ātrumā. Bet viņi nelido tālu - tie skar blakus esošos atomus, un kinētiskā enerģija pārvēršas siltumenerģijā.

Tad šis siltums tiek izmantots ūdens sildīšanai, pārvēršot to tvaikā, tvaiks griež turbīnu, bet turbīna – ģeneratoru, kas ģenerē elektrību, gluži kā parastajā termoelektrostacijā, kas darbojas ar oglēm.

Smieklīgi, bet visa šī kodolfizika, urāna izotopi, kodola ķēdes reakcijas – tas viss, lai uzvārītu ūdeni.

Par tīrību

Kodolenerģija tiek izmantota ne tikai atomelektrostacijās. Ir kuģi un zemūdenes, ko darbina kodolenerģija. 50. gados pat tika izstrādātas kodolmašīnas, lidmašīnas un vilcieni.

Kodolreaktora darbības rezultātā rodas radioaktīvie atkritumi. Dažus no tiem var pārstrādāt tālākai izmantošanai, bet citi jāglabā īpašās uzglabāšanas telpās, lai tie nenodarītu kaitējumu cilvēkiem un videi.

Neskatoties uz to, kodolenerģija šobrīd ir viena no videi draudzīgākajām. Atomelektrostacijas nerada emisijas, prasa ļoti maz degvielas, aizņem maz vietas un ir ļoti drošas, ja tās izmanto pareizi.

Bet pēc avārijas Černobiļas atomelektrostacijā daudzas valstis apturēja kodolenerģijas attīstību. Lai gan, piemēram, Francijā gandrīz 80 procentus enerģijas saražo atomelektrostacijas.

2000. gados naftas augstās cenas dēļ visi atcerējās kodolenerģiju. Ir izstrādātas kompaktās atomelektrostacijas, kas ir drošas, var darboties gadu desmitiem un kurām nav nepieciešama apkope.

Viena no globālākajām cilvēces problēmām ir enerģija. Civilā infrastruktūra, rūpniecība, militārā joma – tas viss prasa milzīgu daudzumu elektroenerģijas, un tās ģenerēšanai katru gadu tiek atvēlēts daudz derīgo izrakteņu. Problēma ir tā, ka šie resursi nav bezgalīgi, un šobrīd, kamēr situācija ir vairāk vai mazāk stabila, ir jādomā par nākotni. Lielas cerības tika liktas uz alternatīvu, tīru elektrību, tomēr, kā liecina prakse, gala rezultāts ir tālu no vēlamā. Saules vai vēja elektrostaciju izmaksas ir milzīgas, bet enerģijas daudzums minimāls. Un tāpēc šobrīd atomelektrostacijas tiek uzskatītas par visdaudzsološāko turpmākās attīstības iespēju.

Atomelektrostacijas vēsture

Pirmās idejas par atomu izmantošanu elektroenerģijas ražošanai parādījās PSRS ap 20. gadsimta 40. gadiem, gandrīz 10 gadus pirms pašu masu iznīcināšanas ieroču radīšanas, pamatojoties uz to. 1948. gadā tika izstrādāts atomelektrostaciju darbības princips, un tajā pašā laikā pirmo reizi pasaulē bija iespējams darbināt ierīces no atomenerģijas. 1950. gadā ASV pabeidza neliela kodolreaktora būvniecību, ko tobrīd varēja uzskatīt par vienīgo šāda veida spēkstaciju uz planētas. Tiesa, tas bija eksperimentāls un ražoja tikai 800 vatu jaudu. Tajā pašā laikā PSRS tika likts pamats pasaulē pirmajai pilnvērtīgai atomelektrostacijai, lai gan pēc nodošanas ekspluatācijā tā joprojām neražoja elektroenerģiju rūpnieciskā mērogā. Šis reaktors tika vairāk izmantots, lai uzlabotu tehnoloģiju.

No šī brīža visā pasaulē sākās masveida atomelektrostaciju celtniecība. Papildus tradicionālajiem šīs “sacensības” līderiem ASV un PSRS pirmie reaktori parādījās:

• 1956. gads - Lielbritānija.
• 1959. gads - Francija.
• 1961. gads - Vācija.
• 1962. gads - Kanāda.
• 1964. gads - Zviedrija.
• 1966. gads - Japāna.

Būvējamo atomelektrostaciju skaits nepārtraukti pieauga līdz Černobiļas katastrofai, pēc kuras būvniecība sāka iesaldēt un pamazām daudzas valstis sāka atteikties no kodolenerģijas. Šobrīd jaunas šādas elektrostacijas parādās galvenokārt Krievijā un Ķīnā. Dažas valstis, kas iepriekš plānoja pāriet uz cita veida enerģiju, pamazām atgriežas pie programmas, un tuvākajā laikā ir iespējams vēl viens atomelektrostaciju būvniecības uzplaukums. Šis ir obligāts posms cilvēka attīstībā, vismaz līdz brīdim, kad tiek atrasti citi efektīvi enerģijas ražošanas varianti.

Kodolenerģijas iezīmes

Galvenā priekšrocība ir milzīga enerģijas daudzuma ģenerēšana ar minimālu degvielas patēriņu un gandrīz pilnīgi bez piesārņojuma. Atomelektrostacijas kodolreaktora darbības princips ir balstīts uz vienkāršu tvaika dzinēju un kā galveno elementu izmanto ūdeni (neskaitot pašu degvielu), tāpēc no vides viedokļa kaitējums ir minimāls. Šāda veida spēkstaciju iespējamās briesmas ir stipri pārspīlētas. Černobiļas katastrofas cēloņi joprojām nav droši noskaidroti (vairāk par to tālāk), turklāt visa izmeklēšanas laikā savāktā informācija ļāva modernizēt esošās stacijas, novēršot pat maz ticamas radiācijas emisijas iespējas. Vides speciālisti dažkārt saka, ka šādas stacijas ir spēcīgs termiskā piesārņojuma avots, taču arī tas nav gluži taisnība. Patiešām, karstais ūdens no sekundārā kontūra nonāk rezervuāros, taču visbiežāk tiek izmantotas to mākslīgās versijas, kas radītas tieši šim nolūkam, un citos gadījumos šāda temperatūras pieauguma īpatsvaru nevar salīdzināt ar piesārņojumu no citiem enerģijas avotiem.

Degvielas problēma

Ne mazāko lomu atomelektrostaciju popularitātē spēlē degviela - urāns-235. Tas ir nepieciešams ievērojami mazāk nekā jebkura cita veida ar vienlaikus milzīgu enerģijas atbrīvošanu. Atomelektrostacijas reaktora darbības princips paredz šīs degvielas izmantošanu īpašu “tablešu” veidā, kas ievietotas stieņos. Patiesībā vienīgā grūtība šajā gadījumā ir tieši šādas formas izveidošana. Tomēr pēdējā laikā sāk parādīties informācija, ka arī pašreizējās globālās rezerves ilgi nepietiks. Bet tas jau ir paredzēts. Jaunākie trīs ķēžu reaktori darbojas ar urānu-238, kura ir ļoti daudz, un degvielas trūkuma problēma izzudīs uz ilgu laiku.

Divkontūru atomelektrostacijas darbības princips

Kā minēts iepriekš, tas ir balstīts uz parasto tvaika dzinēju. Īsāk sakot, atomelektrostacijas darbības princips ir sildīt ūdeni no primārās ķēdes, kas savukārt silda ūdeni no sekundārā kontūra līdz tvaika stāvoklim. Tas ieplūst turbīnā, griežot lāpstiņas, liekot ģeneratoram ražot elektroenerģiju. "Atkritumu" tvaiks nonāk kondensatorā un atkal pārvēršas ūdenī. Tas rada gandrīz slēgtu ciklu. Teorētiski tas viss varētu darboties vēl vienkāršāk, izmantojot tikai vienu ķēdi, taču tas ir patiešām nedroši, jo tajā esošais ūdens teorētiski var būt pakļauts piesārņojumam, kas tiek izslēgts, ja tiek izmantots sistēmas standarts lielākajai daļai atomelektrostaciju. ar diviem ūdens cikliem, kas ir izolēti viens no otra.

Trīs ķēžu atomelektrostacijas darbības princips

Tās ir modernākas spēkstacijas, kas darbojas ar urānu-238. Tās rezerves veido vairāk nekā 99% no visiem radioaktīvajiem elementiem pasaulē (tātad milzīgas izmantošanas iespējas). Šāda veida atomelektrostacijas darbības princips un konstrukcija sastāv no pat trīs ķēžu klātbūtnes un aktīvas šķidrā nātrija izmantošanas. Kopumā viss paliek pa vecam, bet ar nelieliem papildinājumiem. Primārajā kontūrā, ko silda tieši no reaktora, šis šķidrais nātrijs cirkulē augstā temperatūrā. Otro apli silda no pirmā un arī izmanto to pašu šķidrumu, bet ne tik karstu. Un tikai tad, jau trešajā ķēdē, tiek izmantots ūdens, kas tiek uzkarsēts no otrā līdz tvaika stāvoklim un rotē turbīnu. Sistēma izrādās tehnoloģiski sarežģītāka, taču šādu atomelektrostaciju vajag uzbūvēt tikai vienu reizi, un tad atliek tikai baudīt darba augļus.

Černobiļa

Tiek uzskatīts, ka galvenais katastrofas cēlonis ir Černobiļas atomelektrostacijas darbības princips. Oficiāli par notikušo ir divas versijas. Saskaņā ar vienu, problēma radusies reaktora operatoru nepareizas darbības dēļ. Saskaņā ar otro, elektrostacijas neveiksmīgās projektēšanas dēļ. Taču Černobiļas atomelektrostacijas darbības princips tika izmantots arī citās šāda veida stacijās, kas darbojas pareizi līdz pat mūsdienām. Pastāv viedoklis, ka notikusi negadījumu ķēde, kuru gandrīz neiespējami atkārtot. Tas ietver nelielu zemestrīci šajā apgabalā, eksperimenta veikšanu ar reaktoru, nelielas problēmas ar pašu konstrukciju un tā tālāk. Tas viss kopā izraisīja sprādzienu. Tomēr joprojām nav zināms iemesls, kas izraisīja strauju reaktora jaudas pieaugumu, kad tam nevajadzēja būt. Izskanēja pat viedoklis par iespējamu sabotāžu, taču nekas nav pierādīts līdz šai dienai.

Fukušima

Šis ir vēl viens piemērs globālai katastrofai, kas saistīta ar atomelektrostaciju. Un arī šajā gadījumā cēlonis bija negadījumu ķēde. Stacija tika droši aizsargāta no zemestrīcēm un cunami, kas Japānas piekrastē nav nekas neparasts. Tikai daži varēja iedomāties, ka abi šie notikumi notiks vienlaicīgi. Fukušimas AES ģeneratora darbības princips ietvēra ārējo enerģijas avotu izmantošanu, lai uzturētu ekspluatācijā visu drošības kompleksu. Tas ir saprātīgs pasākums, jo avārijas laikā būtu grūti iegūt enerģiju no pašas iekārtas. Zemestrīces un cunami dēļ visi šie avoti neizdevās, izraisot reaktoru kušanu un katastrofu. Šobrīd tiek veikti pasākumi, lai novērstu bojājumus. Pēc ekspertu domām, tas prasīs vēl 40 gadus.

Neskatoties uz visu savu efektivitāti, kodolenerģija joprojām ir diezgan dārga, jo atomelektrostacijas tvaika ģeneratora un citu tā sastāvdaļu darbības principi nozīmē milzīgas būvniecības izmaksas, kuras ir jāatmaksā. Pašlaik elektrība no oglēm un naftas joprojām ir lētāka, taču šie resursi tuvākajās desmitgadēs beigsies, un tuvāko gadu laikā kodolenerģija būs lētāka nekā jebkas cits. Šobrīd videi draudzīga elektroenerģija no alternatīvajiem enerģijas avotiem (vēja un saules elektrostacijām) maksā aptuveni 20 reizes dārgāk.

Domājams, ka atomelektrostaciju darbības princips neļauj šādas stacijas ātri uzbūvēt. Tā nav patiesība. Vidēja šāda veida objekta būvniecība ilgst aptuveni 5 gadus.

Stacijas ir lieliski aizsargātas ne tikai no iespējamām radiācijas emisijām, bet arī no vairuma ārējo faktoru. Piemēram, ja teroristi dvīņu torņu vietā būtu izvēlējušies jebkuru atomelektrostaciju, viņi būtu spējuši nodarīt tikai minimālu kaitējumu apkārtējai infrastruktūrai, kas nekādi neietekmētu reaktora darbību.

Rezultāti

Atomelektrostaciju darbības princips praktiski neatšķiras no vairuma citu tradicionālo elektrostaciju darbības principiem. Tvaika enerģija tiek izmantota visur. Hidroelektrostacijas izmanto plūstoša ūdens spiedienu, un pat tie modeļi, kas darbojas ar saules enerģiju, izmanto arī šķidrumu, kas tiek uzkarsēts līdz vārīšanās temperatūrai un griež turbīnas. Vienīgais izņēmums no šī noteikuma ir vēja parki, kuros lāpstiņas griežas gaisa masu kustības dēļ.