Hvem oppfant atomkraftverket? Atomkraftverk: design og påvirkning på miljøet. Store termiske kraftverk, kjernekraftverk og vannkraftverk i Russland

Atomkraftverk

Atomkraftverk er kjernefysiske installasjoner som produserer energi samtidig som de opprettholder spesifiserte regimer under visse forhold. For disse formålene brukes et territorium definert av prosjektet, hvor atomreaktorer brukes i kombinasjon med nødvendige systemer, enheter, utstyr og strukturer for å utføre de tildelte oppgavene. For å utføre målrettede oppgaver er spesialisert personell involvert.

Alle atomkraftverk i Russland

Historie om kjernekraft i vårt land og i utlandet

Andre halvdel av 40-tallet ble preget av begynnelsen av arbeidet med å lage det første prosjektet som involverte bruk av fredelige atomer for å generere elektrisitet. I 1948 ble I.V. Kurchatov, ledet av instruksjonene fra partiet og den sovjetiske regjeringen, kom med et forslag om å begynne arbeidet med praktisk bruk av atomenergi for å generere elektrisitet.

To år senere, i 1950, ikke langt fra landsbyen Obninskoye, som ligger i Kaluga-regionen, ble byggingen av det første atomkraftverket på planeten lansert. Lanseringen av verdens første industrielle atomkraftverk, hvis effekt var 5 MW, fant sted 27. juni 1954. Sovjetunionen ble den første makten i verden som brukte atomet til fredelige formål. Stasjonen ble åpnet i Obninsk, som på den tiden hadde fått status som en by.

Men sovjetiske forskere stoppet ikke der; de fortsatte arbeidet i denne retningen, spesielt bare fire år senere i 1958 begynte driften av den første fasen av det sibirske kjernekraftverket. Effekten var mange ganger større enn stasjonen i Obninsk og utgjorde 100 MW. Men for innenlandske forskere var dette ikke grensen; etter fullføring av alt arbeid var designkapasiteten til stasjonen 600 MW.

I det enorme Sovjetunionen antok byggingen av atomkraftverk på den tiden en massiv skala. Samme år begynte byggingen av Beloyarsk kjernekraftverk, hvor den første fasen, allerede i april 1964, forsynte de første forbrukerne. Geografien til byggingen av atomkraftverk viklet inn hele landet i nettverket; samme år ble den første enheten til atomkraftverket lansert i Voronezh, dens kapasitet var 210 MW, den andre enheten ble lansert fem år senere i 1969, skrøt av en kapasitet på 365 MW. Oppblomstringen i kjernekraftverksbygging avtok ikke gjennom hele sovjettiden. Nye stasjoner, eller tilleggsenheter av allerede bygde, ble lansert med flere års mellomrom. Så allerede i 1973 fikk Leningrad sitt eget atomkraftverk.

Sovjetmakten var imidlertid ikke den eneste i verden som var i stand til å utvikle slike prosjekter. I Storbritannia sov de heller ikke, og da de innså løftet om dette området, studerte de aktivt dette problemet. Bare to år senere, etter åpningen av stasjonen i Obninsk, lanserte britene sitt eget prosjekt for å utvikle det fredelige atomet. I 1956, i byen Calder Hall, lanserte britene sin egen stasjon, hvis kraft oversteg dens sovjetiske motstykke og utgjorde 46 MW. De sakket ikke etter på den andre siden av Atlanterhavet, et år senere satte amerikanerne høytidelig stasjonen i Shippingport i drift. Anleggets kapasitet var 60 MW.

Utviklingen av det fredelige atomet var imidlertid full av skjulte trusler, som hele verden snart lærte om. Det første tegnet var en storulykke på Three Mile Island som skjedde i 1979, og etter den var det en katastrofe som rammet hele verden, i Sovjetunionen, i den lille byen Tsjernobyl, skjedde en storstilt katastrofe, dette skjedde i 1986. Konsekvensene av tragedien var uopprettelige, men i tillegg fikk dette faktum hele verden til å tenke på muligheten for å bruke atomenergi til fredelige formål.

Verdensledere i denne industrien tenker seriøst på å forbedre sikkerheten til kjernefysiske anlegg. Resultatet ble avholdelsen av en konstituerende forsamling, som ble organisert 15. mai 1989 i den sovjetiske hovedstaden. Forsamlingen bestemte seg for å opprette en verdensforening, som skulle omfatte alle operatører av kjernekraftverk; dens generelt anerkjente forkortelse er WANO. I løpet av implementeringen av programmene sine overvåker organisasjonen systematisk forbedringen av sikkerhetsnivået til kjernekraftverk i verden. Til tross for alle anstrengelser som er gjort, kan selv de mest moderne og ved første øyekast tilsynelatende sikre gjenstandene ikke motstå angrepet av elementene. Det var på grunn av en endogen katastrofe, som manifesterte seg i form av et jordskjelv og den påfølgende tsunamien, at en ulykke skjedde på Fukushima-1-stasjonen i 2011.

Atomisk blackout

NPP-klassifisering

Atomkraftverk klassifiseres etter to kriterier: type energi de produserer og type reaktor. Avhengig av type reaktor bestemmes mengden generert energi, sikkerhetsnivået, og også hva slags råvarer som brukes på stasjonen.

I henhold til hvilken type energi stasjonene produserer, er de delt inn i to typer:

Atomkraftverk. Deres hovedfunksjon er å generere elektrisk energi.

Kjernefysiske termiske kraftverk. På grunn av varmeinstallasjonene som er installert der, ved bruk av varmetap som er uunngåelige på stasjonen, blir oppvarming av nettvann mulig. Dermed genererer disse stasjonene i tillegg til elektrisitet termisk energi.

Etter å ha undersøkt mange alternativer, kom forskerne til den konklusjon at de mest rasjonelle er tre av deres varianter, som for tiden brukes over hele verden. De er forskjellige på en rekke måter:

1. Brukt drivstoff;
2. Kjølevæsker som brukes;
3. Aktive soner drives for å opprettholde ønsket temperatur;
4. En type moderator som reduserer hastigheten til nøytroner som frigjøres under forfall og er så nødvendige for å støtte en kjedereaksjon.

Den vanligste typen er en reaktor som bruker anriket uran som brensel. Vanlig eller lett vann brukes her som kjølevæske og moderator. Slike reaktorer kalles lettvannsreaktorer; det er to typer av dem. I den første genereres dampen som brukes til å snu turbinene i en kjerne som kalles en kokende vannreaktor. I den andre oppstår dampdannelse i en ekstern krets, som er koblet til den første kretsen gjennom varmevekslere og dampgeneratorer. Denne reaktoren begynte å bli utviklet på femtitallet av forrige århundre; grunnlaget for dem var US Army-programmet. Parallelt, omtrent på samme tid, utviklet Unionen en kokende reaktor, der en grafittstav fungerte som moderator.

Det er reaktortypen med moderator av denne typen som har funnet anvendelse i praksis. Vi snakker om en gasskjølt reaktor. Dens historie begynte på slutten av førtitallet og begynnelsen av femtitallet av 1900-tallet; opprinnelig ble utviklinger av denne typen brukt i produksjonen av atomvåpen. I denne forbindelse er to typer drivstoff egnet for det: våpenplutonium og naturlig uran.

Det siste prosjektet, som ble ledsaget av kommersiell suksess, var en reaktor der tungtvann brukes som kjølevæske, og naturlig uran, som allerede er kjent for oss, brukes som brensel. Opprinnelig designet flere land slike reaktorer, men til slutt ble produksjonen deres konsentrert i Canada, noe som skyldes tilstedeværelsen av massive uranforekomster i dette landet.

Thorium atomkraftverk - fremtidens energi?

Historie om forbedring av typer atomreaktorer

Reaktoren til det første atomkraftverket på planeten var en svært rimelig og levedyktig design, som ble bevist under mange år med upåklagelig drift av stasjonen. Blant dens bestanddeler var:

1. lateral vannbeskyttelse;
2. mur foringsrør;
3. toppetasjen;
4. samling manifold;
5. drivstoff kanal;
6. topplate;
7. grafitt murverk;
8. bunnplate;
9. distribusjonsmanifold.

Rustfritt stål ble valgt som hovedkonstruksjonsmateriale for brenselstavskall og teknologiske kanaler; på den tiden var det ingen kunnskap om zirkoniumlegeringer som kunne ha egenskaper egnet for arbeid med temperaturer på 300°C. Avkjøling av en slik reaktor ble utført med vann, og trykket den ble tilført under var 100 ved. I dette tilfellet ble det frigjort damp med en temperatur på 280°C, som er en ganske moderat parameter.

Atomreaktorkanalene var utformet på en slik måte at de kunne erstattes fullstendig. Dette skyldes ressursbegrensning, som bestemmes av tiden drivstoffet forblir i aktivitetssonen. De prosjekterende fant ingen grunn til å forvente at konstruksjonsmaterialer som befinner seg i aktivitetssonen under bestråling vil kunne tømme hele deres levetid, nemlig ca. 30 år.

Når det gjelder utformingen av TVEL, ble det besluttet å ta i bruk en rørformet versjon med en enveis kjølemekanisme

Dette reduserte sannsynligheten for at fisjonsprodukter ville komme inn i kretsen ved skade på drivstoffstaven. For å regulere temperaturen på brenselelementskallet ble en drivstoffsammensetning av uran-molybdenlegering brukt, som hadde form av korn spredt gjennom en varmtvannsmatrise. Kjernebrensel behandlet på denne måten gjorde det mulig å få svært pålitelige brenselstaver. som var i stand til å operere under høye termiske belastninger.

Et eksempel på neste runde med utvikling av fredelige kjernefysiske teknologier kan være det beryktede atomkraftverket i Tsjernobyl. På den tiden ble teknologiene som ble brukt i konstruksjonen ansett som de mest avanserte, og typen reaktor ble ansett som den mest moderne i verden. Vi snakker om RBMK-1000-reaktoren.

Den termiske effekten til en slik reaktor nådde 3200 MW, mens den har to turbogeneratorer, den elektriske effekten når 500 MW, så en kraftenhet har en elektrisk effekt på 1000 MW. Anriket urandioksid ble brukt som drivstoff for RBMK. I starttilstanden før prosessen starter inneholder ett tonn slikt drivstoff omtrent 20 kg drivstoff, nemlig uran - 235. Med en stasjonær belastning av urandioksyd inn i reaktoren er massen av stoffet 180 tonn.

Men lasteprosessen representerer ikke en bulk; brenselelementer, som allerede er godt kjent for oss, plasseres i reaktoren. I hovedsak er de rør laget av en zirkoniumlegering. Som innhold inneholder de urandioksidtabletter, som har en sylindrisk form. I reaktoraktivitetssonen er de plassert i brenselelementer, som hver kombinerer 18 brenselsstaver.

Det er opptil 1700 slike sammenstillinger i en slik reaktor, og de er plassert i en grafittstabel, hvor vertikale teknologiske kanaler er designet spesielt for disse formålene. Det er i dem at kjølevæsken sirkulerer, hvis rolle i RMBK spilles av vann. Vannboblebadet oppstår under påvirkning av sirkulasjonspumper, hvorav det er åtte. Reaktoren er plassert inne i sjakten, og det grafiske murverket er plassert i et sylindrisk hus med en tykkelse på 30 mm. Støtten til hele apparatet er en betongbase, under hvilken det er et basseng - en bobler, som tjener til å lokalisere ulykken.

Tredje generasjon reaktorer bruker tungtvann

Hovedelementet er deuterium. Den vanligste designen heter CANDU, den ble utviklet i Canada og er mye brukt over hele verden. Kjernen til slike reaktorer er plassert i horisontal stilling, og rollen til varmekammeret spilles av sylindriske tanker. Drivstoffkanalen strekker seg over hele varmekammeret, hver av disse kanalene har to konsentriske rør. Det er ytre og indre rør.

I det indre røret er drivstoffet under kjølevæsketrykk, noe som muliggjør ytterligere påfylling av reaktoren under drift. Tungtvann med formel D20 brukes som retarder. Under en lukket syklus pumpes vann gjennom rørene til en reaktor som inneholder brenselbunter. Kjernefysisk fisjon produserer varme.

Avkjølingssyklusen ved bruk av tungtvann består i å passere gjennom dampgeneratorer, hvor vanlig vann koker av varmen som genereres av tungtvann, noe som resulterer i at det dannes damp som kommer ut under høyt trykk. Det distribueres tilbake i reaktoren, noe som resulterer i en lukket kjølesyklus.

Det var langs denne veien at det var en trinnvis forbedring av typene atomreaktorer som ble og blir brukt i forskjellige land i verden.

Atomenergi brukes i termisk kraftteknikk, når energi hentes fra kjernebrensel i reaktorer i form av varme. Den brukes til å generere elektrisk energi i kjernekraftverk (NPP), for kraftverk av store sjøfartøy, for avsalting av sjøvann.

Atomenergi skylder først og fremst utseendet til nøytronets natur, oppdaget i 1932. Nøytroner er en del av alle atomkjerner bortsett fra hydrogenkjernen. Bundne nøytroner i kjernen eksisterer på ubestemt tid. I sin frie form er de kortvarige, siden de enten forfaller med en halveringstid på 11,7 minutter, blir til et proton og sender ut et elektron og et nøytrino, eller blir raskt fanget opp av atomkjernene.

Moderne kjernekraft er basert på bruk av energi som frigjøres under fisjon av en naturlig isotop uran-235. Ved kjernekraftverk utføres en kontrollert kjernefysisk fisjonsreaksjon i kjernereaktor. I henhold til energien til nøytroner som produserer kjernefysisk fisjon, skille mellom termiske og raske nøytronreaktorer.

Hovedenheten til et kjernekraftverk er en atomreaktor, hvis diagram er vist i fig. 1. De henter energi fra kjernebrensel, og deretter overføres den til en annen arbeidsvæske (vann, metall eller organisk væske, gass) i form av varme; så omdannes den til elektrisitet etter samme ordning som i konvensjonelle.

De kontrollerer prosessen, opprettholder reaksjonen, stabiliserer kraften, starter og stopper reaktoren ved hjelp av spesielle bevegelser kontrollstenger 6 Og 7 fra materialer som intensivt absorberer termiske nøytroner. De drives av et kontrollsystem 5 . Handlinger kontrollstenger manifestere seg i en endring i kraften til nøytronfluksen i kjernen. Etter kanaler 10 vann sirkulerer og kjøler ned den biologiske beskyttelsesbetongen

Kontrollstaver er laget av bor eller kadmium, som er termisk, strålings- og korrosjonsbestandige, mekanisk sterke og har gode varmeoverføringsegenskaper.

Inne i en massiv stålkasse 3 det er en kurv 8 med drivstoffelementer 9 . Kjølevæsken kommer inn gjennom rørledningen 2 , passerer gjennom kjernen, vasker alle brenselelementene, varmes opp og gjennom rørledningen 4 kommer inn i dampgeneratoren.

Ris. 1. Atomreaktor

Reaktoren er plassert inne i en biologisk inneslutningsanordning av tykk betong 1 , som beskytter det omkringliggende rommet mot strømmen av nøytroner, alfa-, beta-, gammastråling.

Drivstoffelementer (drivstoffstaver)- hoveddelen av reaktoren. En kjernefysisk reaksjon oppstår direkte i dem og varme frigjøres; alle andre deler tjener til å isolere, kontrollere og fjerne varme. Strukturelt kan brenselelementer være laget av stav, plate, rørformet, sfærisk, etc. Oftest er de stav, opptil 1 meter lang, 10 mm i diameter. De er vanligvis satt sammen av uranpellets eller fra korte rør og plater. På utsiden er drivstoffelementene dekket med et korrosjonsbestandig, tynt metallskall. Zirkonium, aluminium, magnesiumlegeringer, samt legert rustfritt stål brukes til skallet.

Overføringen av varme som frigjøres under en kjernefysisk reaksjon i reaktorkjernen til arbeidskroppen til motoren (turbinen) til kraftverk utføres i henhold til enkeltkrets-, dobbeltkrets- og trekretsskjemaer (fig. 2).

Ris. 2. Kjernekraftverk
a – i henhold til et enkeltkretsskjema; b - i henhold til et dobbeltkretsskjema; c – i henhold til en tre-krets ordning
1 - reaktor; 2, 3 – biologisk beskyttelse; 4 - trykkregulator; 5 - turbin; 6 - elektrisk generator; 7 - kondensator; 8 - pumpe; 9 - reservekapasitet; 10 - regenerativ varmeapparat; 11 - dampgenerator; 12 - pumpe; 13 – mellomvarmeveksler

Hver krets er et lukket system. Reaktor 1 (i alle termiske kretser) plassert inne i primæren 2 og sekundær 3 biologisk beskyttelse. Hvis kjernekraftverket er bygget i henhold til en enkeltkrets termisk krets, damp fra reaktoren gjennom trykkregulatoren 4 går inn i turbinen 5 . Turbinakselen er koblet til den elektriske generatorakselen 6 , der det genereres elektrisk strøm. Eksosdampen kommer inn i kondensatoren, hvor den blir avkjølt og fullstendig kondensert. Pumpe 8 leder kondensat til den regenerative varmeren 10 , og så går den inn i reaktoren.

I et dobbeltkretsskjema kommer kjølevæsken oppvarmet i reaktoren inn i dampgeneratoren 11 , hvor varme overføres ved overflateoppvarming til kjølevæsken til arbeidsfluidet (sekundærkretsfødevann). I vannkjølte reaktorer kjøles kjølevæsken i dampgeneratoren med ca. 15...40 o C og deretter av en sirkulasjonspumpe 12 sendes tilbake til reaktoren.

I en trekretsdesign ledes kjølevæsken (vanligvis flytende natrium) fra reaktoren til en mellomliggende varmeveksler 13 og derfra med sirkulasjonspumpe 12 går tilbake til reaktoren. Kjølevæsken i den andre kretsen er også flytende natrium. Denne kretsen er ikke bestrålt og er derfor ikke-radioaktiv. Sekundærkretsnatrium kommer inn i dampgeneratoren 11 , avgir varme til arbeidsvæsken, og sendes deretter tilbake til den mellomliggende varmeveksleren av sirkulasjonspumpen.

Antall sirkulasjonskretser bestemmer typen reaktor, kjølevæsken som brukes, dens kjernefysiske egenskaper og graden av radioaktivitet. Enkeltsløyfekretsen kan brukes i kokende reaktorer og i reaktorer med gasskjølevæske. Den mest utbredte dobbeltkretskrets ved bruk av vann, gass og organiske væsker som kjølevæske. Tre-kretsordningen brukes på kjernekraftverk med raske nøytronreaktorer som bruker flytende metallkjølevæsker (natrium, kalium, natrium-kalium-legeringer).

Atombrensel kan være uran-235, uran-233 og plutonium-232. Råvarer for å skaffe kjernebrensel - naturlig uran og thorium. En kjernefysisk reaksjon av ett gram spaltbart materiale (uran-235) frigjør energi tilsvarende 22×10 3 kW × h (19×10 6 cal). For å få denne energimengden er det nødvendig å brenne 1900 kg olje.

Uran-235 er lett tilgjengelig og energireservene er omtrent de samme som fossilt brensel. Men hvis kjernebrensel brukes med så lav effektivitet som i dag, vil de tilgjengelige urankildene være utarmet innen 50-100 år. Samtidig er "avsetninger" av kjernebrensel praktisk talt uuttømmelige - dette er uran oppløst i sjøvann. Det er hundrevis av ganger mer av det i havet enn på land. Kostnaden for å skaffe ett kilo urandioksid fra sjøvann er rundt 60-80 dollar, og i fremtiden vil den falle til 30 dollar, og kostnadene for urandioksid utvunnet i de rikeste forekomstene på land er 10-20 dollar. Derfor, etter en tid, vil kostnadene på land og "på sjøvann" bli av samme størrelsesorden.

Kostnaden for kjernebrensel er omtrent to ganger lavere enn for fossilt kull. Ved kullkraftverk faller drivstoffandelen 50-70% av kostnadene for elektrisitet, og ved kjernekraftverk - 15-30%. Et moderne termisk kraftverk med en kapasitet på 2,3 millioner kW (for eksempel Samara State District Power Plant) bruker omtrent 18 tonn kull (6 tog) eller 12 tusen tonn fyringsolje (4 tog) hver dag. Kjernekraft, med samme kraft, bruker bare 11 kg kjernebrensel per dag, og 4 tonn i løpet av året. Imidlertid er et kjernekraftverk dyrere enn et termisk kraftverk når det gjelder konstruksjon, drift og reparasjon. For eksempel koster bygging av et kjernekraftverk med en kapasitet på 2 - 4 millioner kW omtrent 50-100 % mer enn et termisk.

Det er mulig å redusere kapitalkostnadene for bygging av kjernekraftverk på grunn av:

1. standardisering og forening av utstyr;
2. utvikling av kompakte reaktordesign;
3. forbedre styrings- og reguleringssystemer;
4. redusere varigheten av reaktorens stans for drivstoffpåfylling.

Et viktig kjennetegn ved atomkraftverk (atomreaktorer) er effektiviteten til brenselssyklusen. For å forbedre drivstoffsykluseffektiviteten bør du:

• øke forbrenningen av kjernebrensel;
• øke plutoniumavlshastigheten.

Ved hver fisjon av uran-235-kjernen frigjøres 2-3 nøytroner. Av disse brukes kun én til videre reaksjon, resten går tapt. Imidlertid er det mulig å bruke dem til å reprodusere kjernebrensel, og skape raske nøytronreaktorer. Ved drift av en hurtig nøytronreaktor er det mulig å oppnå omtrent 1,7 kg plutonium-239 per 1 kg brent uran-235 samtidig. På denne måten kan den lave termiske virkningsgraden til kjernekraftverk dekkes.

Raske nøytronreaktorer er titalls ganger mer effektive (når det gjelder bruk av kjernebrensel) enn brenselnøytronreaktorer. De inneholder ingen moderator og bruker høyt anriket kjernebrensel. Nøytroner som rømmer fra kjernen absorberes ikke av strukturelle materialer, men av uran-238 eller thorium-232 som ligger rundt dem.

I fremtiden vil de viktigste spaltbare materialene for kjernekraftverk være plutonium-239 og uran-233, hentet fra henholdsvis uran-238 og thorium-232 i raske nøytronreaktorer. Konvertering av uran-238 til plutonium-239 i reaktorer vil øke kjernebrenselressursene med omtrent 100 ganger, og thorium-232 til uran-233 med 200 ganger.

I fig. Figur 3 viser et diagram over et kjernekraftverk som bruker raske nøytroner.

Karakteristiske trekk ved et kjernekraftverk med raske nøytroner er:

1. endring av kritikaliteten til en atomreaktor utføres ved å reflektere deler av fisjonsnøytronene til kjernebrensel fra periferien tilbake til kjernen ved hjelp av reflektorer 3 ;
2. reflekser 3 kan rotere, endre nøytronlekkasjen og dermed intensiteten av fisjonsreaksjoner;
3. kjernebrensel reproduseres;
4. Overflødig termisk energi fjernes fra reaktoren ved hjelp av et radiatorkjøleskap 6 .

Ris. 3. Diagram over et kjernekraftverk som bruker raske nøytroner:
1 - brenselelementer; 2 - reproduserbart kjernebrensel; 3 - raske nøytronreflektorer; 4 - atomreaktor; 5 – strømforbruker; 6 - kjøleskap-emitter; 7 - omformer av termisk energi til elektrisk energi; 8 – strålevern.

Omformere av termisk energi til elektrisk energi

Basert på prinsippet om å bruke termisk energi generert av et kjernekraftverk, kan omformere deles inn i 2 klasser:

1. maskin (dynamisk);
2. maskinløse (direkte omformere).

I maskinomformere er en gassturbinenhet vanligvis koblet til reaktoren, der arbeidsfluidet kan være hydrogen, helium eller en helium-xenon-blanding. Effektiviteten av å konvertere varme levert direkte til turbogeneratoren til elektrisitet er ganske høy - omformereffektivitet η = 0,7-0,75.

Diagrammet av et kjernekraftverk med en dynamisk gassturbin (maskin) omformer er vist i fig. 4.

En annen type maskinomformer er en magnetogasdynamisk eller magnetohydrodynamisk generator (MGDG). Diagrammet av en slik generator er vist i fig. 5. Generatoren er en rektangulær kanal, hvorav to vegger er laget av dielektrisk, og to av elektrisk ledende materiale. En elektrisk ledende arbeidsvæske - flytende eller gassformet - beveger seg gjennom kanalene og penetreres av et magnetfelt. Som kjent, når en leder beveger seg i et magnetfelt, oppstår det en emk, som over elektrodene 2 overføres til strømforbrukeren 3 . Energikilden for den arbeidende varmestrømmen er varmen som frigjøres i en atomreaktor. Denne termiske energien brukes på å flytte ladninger i et magnetfelt, dvs. omdannes til kinetisk energi til en strømledende stråle, og kinetisk energi til elektrisk energi.

Ris. 4. Diagram over et kjernekraftverk med en gassturbinomformer:
1 - reaktor; 2 - krets med flytende metallkjølevæske; 3 - varmeveksler for å levere varme til gassen; 4 - turbin; 5 - elektrisk generator; 6 - kompressor; 7 - kjøleskap-emitter; 8 - varmefjerningskrets; 9 - sirkulasjonspumpe; 10 - varmeveksler for varmefjerning; 11 - varmeveksler-regenerator; 12 – krets med arbeidsvæsken til gassturbinomformeren.

Direkte omformere (maskinløse) av termisk energi til elektrisk energi er delt inn i:

1. termoelektriske;
2. termionisk;
3. elektrokjemisk.

Termoelektriske generatorer (TEGs) er basert på Seebeck-prinsippet, som består i at i en lukket krets som består av forskjellige materialer, oppstår en termo-emf dersom en temperaturforskjell opprettholdes ved kontaktpunktene til disse materialene (fig. 6) ). For å generere elektrisitet er det tilrådelig å bruke halvleder-TEGer som har høyere effektivitet, mens temperaturen på det varme krysset må heves til 1400 K og høyere.

Termionomformere (TEC) gjør det mulig å generere elektrisitet som følge av emisjon av elektroner fra en katode oppvarmet til høye temperaturer (fig. 7).

Ris. 5. Magnetogasdynamisk generator:
1 - magnetisk felt; 2 - elektroder; 3 – strømforbruker; 4 - dielektrisk; 5 – dirigent; 6 – arbeidsvæske (gass).

Ris. 6. Driftsskjema for en termoelektrisk generator

Ris. 7. Driftsskjema for den termioniske omformeren

For å opprettholde emisjonsstrømmen tilføres varme til katoden Q 1 . Elektronene som sendes ut av katoden, etter å ha overvunnet vakuumgapet, når anoden og absorberes av den. Når elektroner "kondenserer" ved anoden, frigjøres energi lik arbeidsfunksjonen til elektroner med motsatt fortegn. Hvis vi gir en kontinuerlig tilførsel av varme til katoden og fjerner den fra anoden, deretter gjennom belastningen R likestrøm vil flyte. Elektronutslipp skjer effektivt ved katodetemperaturer over 2200 K.

Sikkerhet og pålitelighet av kjernekraftverk

Et av hovedproblemene i utviklingen av kjernekraft er å sikre påliteligheten og sikkerheten til kjernekraftverk.

Strålingssikkerheten ivaretas av:

1. opprettelse av pålitelige strukturer og enheter for biologisk beskyttelse av personell mot stråling;
2. rensing av luft og vann som forlater atomkraftverkets lokaler;
3. utvinning og pålitelig lokalisering av radioaktiv forurensning;
4. daglig strålingsovervåking av kjernekraftverkslokaler og individuell strålingsovervåking av personell.

NPP-lokaler, avhengig av driftsmodus og utstyr som er installert i dem, er delt inn i 3 kategorier:

1. høy sikkerhet sone;
2. begrenset område;
3. normal modus sone.

Personell er permanent plassert i rom av tredje kategori; disse rommene på stasjonen er strålingssikre.

Under driften av kjernekraftverk genereres fast, flytende og gassformig radioaktivt avfall. De skal deponeres på en måte som ikke skaper miljøforurensning.

Gasser som fjernes fra lokalet under ventilasjon kan inneholde radioaktive stoffer i form av aerosoler, radioaktivt støv og radioaktive gasser. Stasjonens ventilasjon er bygget på en slik måte at luftstrømmer går fra de mest "rene" til de "forurensede", og strømmer i motsatt retning utelukkes. I alle områder av stasjonen utføres fullstendig luftutskifting innen ikke mer enn en time.

Under driften av kjernekraftverk oppstår problemet med deponering og deponering av radioaktivt avfall. Brenselelementer brukt i reaktorer oppbevares i en viss tid i vannbassenger direkte ved atomkraftverket inntil isotoper med kort halveringstid er stabilisert, hvoretter brenselelementene sendes til spesielle radiokjemiske anlegg for regenerering. Der utvinnes kjernebrensel fra brenselsstaver, og radioaktivt avfall graves ned.

Alt er veldig enkelt. I en atomreaktor forfaller Uranium-235, og frigjør en enorm mengde termisk energi, det koker vann, damp under trykk snur en turbin, som roterer en elektrisk generator, som genererer elektrisitet.

Vitenskapen kjenner til minst én naturlig forekommende atomreaktor. Det ligger i Oklo uranforekomst i Gabon. Riktignok hadde den allerede kjølt seg ned for halvannen milliard år siden.

Uran-235 er en av isotopene til uran. Det skiller seg fra enkelt uran ved at kjernen mangler 3 nøytroner, noe som fører til at kjernen blir mindre stabil og brytes i to når et nøytron treffer den i høy hastighet. I dette tilfellet frigjøres ytterligere 2-3 nøytroner, som kan gå inn i en annen Uranium-235-kjerne og splitte den. Og så videre nedover i kjeden. Dette kalles en kjernefysisk reaksjon.

Kontrollert reaksjon

Hvis du ikke kontrollerer den kjernefysiske kjedereaksjonen og den går for raskt, vil du få en skikkelig atomeksplosjon. Derfor må prosessen overvåkes nøye og uranet må ikke få råtne for raskt. For å gjøre dette plasseres kjernebrensel i metallrør i en moderator - et stoff som bremser nøytroner og omdanner deres kinetiske energi til varme.

For å kontrollere reaksjonshastigheten er stenger av nøytronabsorberende materiale nedsenket i moderatoren. Når disse stavene heves, fanger de færre nøytroner og reaksjonen øker. Hvis stengene senkes, vil reaksjonen avta igjen.

Et spørsmål om teknologi

De enorme rørene i atomkraftverk er egentlig ikke rør i det hele tatt, men kjøletårn – tårn for rask kjøling av damp.

I forråtningsøyeblikket deler kjernen seg i to deler, som flyr fra hverandre i rasende fart. Men de flyr ikke langt - de treffer naboatomer, og den kinetiske energien blir til termisk energi.

Deretter brukes denne varmen til å varme opp vannet, gjøre det om til damp, dampen snur turbinen, og turbinen snur generatoren, som genererer elektrisitet, akkurat som i et konvensjonelt termisk kraftverk som går på kull.

Det er morsomt, men all denne kjernefysikken, uranisotoper, kjernefysiske kjedereaksjoner - alt for å koke vann.

For renslighet

Atomenergi brukes ikke bare i kjernekraftverk. Det er skip og ubåter drevet av kjernekraft. På 50-tallet ble det til og med utviklet atombiler, fly og tog.

Som et resultat av driften av en atomreaktor genereres radioaktivt avfall. Noen av dem kan gjenvinnes for videre bruk, mens andre må oppbevares i spesielle lagringsanlegg slik at de ikke skader mennesker og miljø.

Til tross for dette er kjernekraft nå en av de mest miljøvennlige. Kjernekraftverk produserer ingen utslipp, krever svært lite drivstoff, tar liten plass og er svært trygge når de brukes riktig.

Men etter ulykken ved atomkraftverket i Tsjernobyl stanset mange land utviklingen av kjernekraft. Selv om for eksempel i Frankrike nesten 80 prosent av energien genereres av atomkraftverk.

På 2000-tallet, på grunn av den høye oljeprisen, husket alle kjernekraft. Det er utviklinger innen kompakte atomkraftverk som er trygge, kan operere i flere tiår og ikke krever vedlikehold.

Et av menneskehetens mest globale problemer er energi. Sivil infrastruktur, industri, militæret - alt dette krever en enorm mengde elektrisitet, og det tildeles mye mineraler hvert år for å generere det. Problemet er at disse ressursene ikke er uendelige, og nå, mens situasjonen er mer eller mindre stabil, må vi tenke på fremtiden. Det ble satt store forhåpninger til alternativ, ren strøm, men som praksis viser er sluttresultatet langt fra ønsket. Kostnadene for sol- eller vindkraftverk er enorme, men energimengden er minimal. Og det er derfor atomkraftverk nå anses som det mest lovende alternativet for videre utvikling.

Kjernekraftverkets historie

De første ideene om bruk av atomer for å generere elektrisitet dukket opp i USSR rundt 40-tallet av det 20. århundre, nesten 10 år før opprettelsen av deres egne masseødeleggelsesvåpen på dette grunnlaget. I 1948 ble driftsprinsippet til atomkraftverk utviklet, og samtidig var det for første gang i verden mulig å drive enheter fra atomenergi. I 1950 fullførte USA byggingen av en liten atomreaktor, som på den tiden kunne betraktes som det eneste kraftverket av denne typen på planeten. Riktignok var den eksperimentell og produserte bare 800 watt. Samtidig ble grunnlaget for verdens første fullverdige atomkraftverk lagt i USSR, selv om det etter idriftsettelse fortsatt ikke produserte elektrisitet i industriell skala. Denne reaktoren ble brukt mer for å finpusse teknologien.

Fra det øyeblikket begynte den massive byggingen av atomkraftverk over hele verden. I tillegg til de tradisjonelle lederne i denne "rasen", USA og USSR, dukket de første reaktorene opp i:

• 1956 - Storbritannia.
• 1959 - Frankrike.
• 1961 - Tyskland.
• 1962 - Canada.
• 1964 - Sverige.
• 1966 - Japan.

Antall atomkraftverk som ble bygget økte stadig, frem til Tsjernobyl-katastrofen, hvoretter byggingen begynte å fryse og gradvis begynte mange land å forlate kjernekraft. For øyeblikket dukker det opp nye slike kraftverk hovedsakelig i Russland og Kina. Noen land som tidligere planla å bytte til en annen energitype, går gradvis tilbake til programmet, og en ny økning i bygging av kjernekraftverk er mulig i nær fremtid. Dette er et obligatorisk stadium i menneskelig utvikling, i hvert fall inntil andre effektive alternativer for energiproduksjon er funnet.

Kjernekraftens egenskaper

Den største fordelen er generering av enorme mengder energi med minimalt drivstofforbruk og nesten helt uten forurensning. Driftsprinsippet til en kjernefysisk reaktor ved et kjernekraftverk er basert på en enkel dampmotor og bruker vann som hovedelement (ikke medregnet selve drivstoffet), derfor er skaden minimal fra et miljøsynspunkt. Den potensielle faren ved kraftverk av denne typen er sterkt overdrevet. Årsakene til Tsjernobyl-katastrofen er fortsatt ikke pålitelig fastslått (mer om dette nedenfor), og dessuten gjorde all informasjonen som ble samlet inn som en del av undersøkelsen det mulig å modernisere eksisterende anlegg, og eliminerte til og med usannsynlige alternativer for strålingsutslipp. Miljøvernere sier noen ganger at slike stasjoner er en kraftig kilde til termisk forurensning, men dette er heller ikke helt sant. Faktisk kommer varmt vann fra sekundærkretsen inn i reservoarer, men oftest brukes deres kunstige versjoner, laget spesielt for dette formålet, og i andre tilfeller kan andelen av en slik temperaturøkning ikke sammenlignes med forurensning fra andre energikilder.

Drivstoffproblem

Ikke den minste rollen i populariteten til atomkraftverk spilles av drivstoff - uran-235. Det kreves betydelig mindre enn noen annen type med en samtidig enorm frigjøring av energi. Driftsprinsippet til en kjernekraftverksreaktor innebærer bruk av dette drivstoffet i form av spesielle "tabletter" plassert i stenger. Faktisk er den eneste vanskeligheten i dette tilfellet å lage akkurat en slik form. Imidlertid har det nylig begynt å komme informasjon om at dagens globale reserver heller ikke vil vare lenge. Men dette er allerede gitt. De nyeste trekretsreaktorene opererer på uran-238, som det er mye av, og problemet med drivstoffmangel vil forsvinne i lang tid.

Driftsprinsipp for et dobbeltkrets kjernekraftverk

Som nevnt ovenfor er den basert på en konvensjonell dampmaskin. Kort fortalt er driftsprinsippet for et kjernekraftverk å varme opp vann fra primærkretsen, som igjen varmer opp vannet fra sekundærkretsen til tilstanden damp. Det strømmer inn i turbinen, roterer bladene, noe som får generatoren til å produsere elektrisitet. Avfallsdampen kommer inn i kondensatoren og blir tilbake til vann. Dette skaper en nesten lukket syklus. I teorien kan alt dette fungere enda enklere ved å bruke bare én krets, men dette er veldig usikkert, siden vannet i den i teorien kan være utsatt for forurensning, noe som er utelukket når du bruker en systemstandard for de fleste kjernekraftverk med to vannkretsløp isolert fra hverandre.

Driftsprinsipp for et tre-krets kjernekraftverk

Dette er mer moderne kraftverk som opererer på uran-238. Dens reserver står for mer enn 99 % av alle radioaktive grunnstoffer i verden (derav de enorme utsiktene for bruk). Driftsprinsippet og utformingen av denne typen kjernekraftverk består av tilstedeværelsen av så mange som tre kretsløp og aktiv bruk av flytende natrium. Generelt forblir alt omtrent det samme, men med mindre tillegg. I primærkretsen, oppvarmet direkte fra reaktoren, sirkulerer dette flytende natriumet ved høy temperatur. Den andre sirkelen varmes opp fra den første og bruker også den samme væsken, men ikke så varm. Og først da, allerede i den tredje kretsen, brukes vann, som varmes opp fra den andre til damptilstanden og roterer turbinen. Systemet viser seg å være mer teknologisk komplekst, men et slikt atomkraftverk må bare bygges én gang, og da gjenstår det bare å nyte fruktene av arbeidskraften.

Tsjernobyl

Driftsprinsippet til atomkraftverket i Tsjernobyl antas å være hovedårsaken til katastrofen. Offisielt er det to versjoner av det som skjedde. Ifølge en oppsto problemet på grunn av feil handlinger fra reaktoroperatørene. I følge den andre, på grunn av den mislykkede utformingen av kraftverket. Imidlertid ble prinsippet om drift av atomkraftverket i Tsjernobyl også brukt på andre stasjoner av denne typen, som fungerer som den skal til i dag. Det er en oppfatning at en kjede av ulykker skjedde, som er nesten umulig å gjenta. Dette inkluderer et lite jordskjelv i området, gjennomføring av et eksperiment med reaktoren, mindre problemer med selve designet, og så videre. Alt sammen forårsaket dette eksplosjonen. Årsaken som forårsaket en kraftig økning i kraften til reaktoren når den ikke skulle ha vært det, er imidlertid fortsatt ukjent. Det var til og med en mening om mulig sabotasje, men ingenting er bevist frem til i dag.

Fukushima

Dette er nok et eksempel på en global katastrofe som involverer et atomkraftverk. Og også i dette tilfellet var årsaken en kjede av ulykker. Stasjonen var pålitelig beskyttet mot jordskjelv og tsunamier, som ikke er uvanlig på den japanske kysten. Få kunne ha forestilt seg at begge disse hendelsene skulle skje samtidig. Driftsprinsippet til Fukushima NPP-generatoren innebar bruk av eksterne energikilder for å opprettholde hele sikkerhetskomplekset i drift. Dette er et rimelig tiltak, siden det vil være vanskelig å få energi fra selve anlegget under en ulykke. På grunn av jordskjelvet og tsunamien sviktet alle disse kildene, noe som førte til at reaktorene smeltet ned og forårsaket en katastrofe. Det jobbes nå med å reparere skadene. Ifølge eksperter vil dette ta ytterligere 40 år.

Til tross for all effektiviteten, er kjernekraft fortsatt ganske dyr, fordi driftsprinsippene til en kjernekraftverks dampgenerator og dens andre komponenter innebærer enorme byggekostnader som må hentes inn. Foreløpig er elektrisitet fra kull og olje fortsatt billigere, men disse ressursene vil ta slutt de neste tiårene, og i løpet av de neste årene vil kjernekraft være billigere enn noe annet. For øyeblikket koster miljøvennlig strøm fra alternative energikilder (vind- og solkraftverk) omtrent 20 ganger mer.

Det antas at driftsprinsippet til kjernekraftverk ikke tillater at slike stasjoner kan bygges raskt. Det er ikke sant. Byggingen av et gjennomsnittlig anlegg av denne typen tar ca. 5 år.

Stasjonene er perfekt beskyttet ikke bare mot potensielle strålingsutslipp, men også mot de fleste eksterne faktorer. Hvis for eksempel terrorister hadde valgt et hvilket som helst atomkraftverk i stedet for tvillingtårnene, ville de kun ha kunnet forårsake minimal skade på den omkringliggende infrastrukturen, noe som ikke ville påvirke driften av reaktoren på noen måte.

Resultater

Driftsprinsippet til kjernekraftverk er praktisk talt ikke forskjellig fra driftsprinsippene til de fleste andre tradisjonelle kraftverk. Dampenergi brukes overalt. Vannkraftverk bruker trykket fra rennende vann, og selv de modellene som kjører på solenergi bruker også væske som varmes opp til koking og snurrer turbiner. Det eneste unntaket fra denne regelen er vindparker, der bladene roterer på grunn av bevegelse av luftmasser.