Kto wynalazł elektrownię atomową? Elektrownia jądrowa: projektowanie i wpływ na środowisko. Duże elektrownie cieplne, elektrownie jądrowe i elektrownie wodne w Rosji

Elektrownie jądrowe

Elektrownie jądrowe to instalacje jądrowe wytwarzające energię przy zachowaniu określonych reżimów i określonych warunkach. Do tych celów wykorzystuje się obszar określony projektem, na którym wykorzystywane są reaktory jądrowe w połączeniu z niezbędnymi systemami, urządzeniami, sprzętem i konstrukcjami do realizacji powierzonych zadań. Do realizacji ukierunkowanych zadań zaangażowana jest wyspecjalizowana kadra.

Wszystkie elektrownie jądrowe w Rosji

Historia energetyki jądrowej w kraju i za granicą

Druga połowa lat 40. to początek prac nad stworzeniem pierwszego projektu polegającego na wykorzystaniu pokojowych atomów do wytwarzania energii elektrycznej. W 1948 r. I.V. Kurczatow, kierując się instrukcjami partii i rządu radzieckiego, wystąpił z propozycją rozpoczęcia prac nad praktycznym wykorzystaniem energii atomowej do wytwarzania energii elektrycznej.

Dwa lata później, w 1950 r., niedaleko wsi Obninskoje, położonej w obwodzie kałuskim, rozpoczęto budowę pierwszej na świecie elektrowni jądrowej. Uruchomienie pierwszej na świecie przemysłowej elektrowni jądrowej o mocy 5 MW nastąpiło 27 czerwca 1954 r. Związek Radziecki stał się pierwszą potęgą na świecie, która wykorzystała atom do celów pokojowych. Stacja została otwarta w Obnińsku, który do tego czasu otrzymał status miasta.

Ale radzieccy naukowcy na tym nie poprzestali, kontynuowali prace w tym kierunku, w szczególności już cztery lata później, w 1958 roku, rozpoczęła się eksploatacja pierwszego etapu Syberyjskiej Elektrowni Jądrowej. Jej moc była wielokrotnie większa od stacji w Obnińsku i wynosiła 100 MW. Ale dla krajowych naukowców nie był to limit, po zakończeniu wszystkich prac moc projektowa stacji wyniosła 600 MW.

Na bezmiarze Związku Radzieckiego budowa elektrowni jądrowych przybrała wówczas masową skalę. W tym samym roku rozpoczęto budowę elektrowni jądrowej w Biełojarsku, której pierwszy etap już w kwietniu 1964 r. zaopatrywał pierwszych odbiorców. Geografia budowy elektrowni jądrowych wplątała w swoją sieć cały kraj, w tym samym roku uruchomiono w Woroneżu pierwszy blok elektrowni jądrowej o mocy 210 MW, drugi blok, uruchomiony pięć lat później w 1969, szczyciła się mocą 365 MW. Boom w budowie elektrowni jądrowych nie ucichł przez całą epokę sowiecką. Nowe stacje lub dodatkowe jednostki już wybudowanych uruchamiano w odstępach kilkuletnich. Tak więc już w 1973 roku Leningrad otrzymał własną elektrownię jądrową.

Jednak władza radziecka nie była jedyną na świecie, która była w stanie opracować takie projekty. W Wielkiej Brytanii również nie spali i zdając sobie sprawę z obietnicy tego obszaru, aktywnie badali ten problem. Zaledwie dwa lata później, po otwarciu stacji w Obnińsku, Brytyjczycy uruchomili własny projekt opracowania pokojowego atomu. W 1956 roku w miejscowości Calder Hall Brytyjczycy uruchomili własną elektrownię, której moc przewyższała jej radziecką odpowiedniczkę i wynosiła 46 MW. Nie pozostali w tyle po drugiej stronie Atlantyku, rok później Amerykanie uroczyście uruchomili stację w Shippingport. Moc obiektu wynosiła 60 MW.

Jednak rozwój pokojowego atomu był obarczony ukrytymi zagrożeniami, o których wkrótce dowiedział się cały świat. Pierwszym znakiem był poważny wypadek w Three Mile Island, który miał miejsce w 1979 r., a po nim nastąpiła katastrofa, która dotknęła cały świat, w Związku Radzieckim, w małym miasteczku Czarnobyl, wydarzyła się katastrofa na dużą skalę, to się wydarzyło w 1986 r. Konsekwencje tragedii były nieodwracalne, ale poza tym fakt ten skłonił cały świat do zastanowienia się nad możliwością wykorzystania energii jądrowej do celów pokojowych.

Światowi liderzy tej branży poważnie myślą o poprawie bezpieczeństwa obiektów jądrowych. Efektem było odbycie zgromadzenia konstytucyjnego, które odbyło się 15 maja 1989 r. w stolicy ZSRR. Zgromadzenie podjęło decyzję o utworzeniu Światowego Stowarzyszenia, w skład którego powinni wchodzić wszyscy operatorzy elektrowni jądrowych, a jego powszechnie uznawanym skrótem jest WANO. W trakcie realizacji swoich programów organizacja systematycznie monitoruje poprawę poziomu bezpieczeństwa elektrowni jądrowych na świecie. Jednak pomimo wszelkich starań, nawet najnowocześniejsze i na pierwszy rzut oka pozornie bezpieczne przedmioty nie są w stanie wytrzymać ataku żywiołów. To właśnie na skutek klęski endogenicznej, która objawiła się w postaci trzęsienia ziemi, a następnie tsunami, w 2011 roku doszło do wypadku na stacji Fukushima-1.

Atomowa awaria

Klasyfikacja elektrowni jądrowych

Elektrownie jądrowe klasyfikuje się według dwóch kryteriów: rodzaju wytwarzanej energii i rodzaju reaktora. W zależności od rodzaju reaktora określa się ilość wytwarzanej energii, poziom bezpieczeństwa, a także rodzaj surowców wykorzystywanych na stacji.

W zależności od rodzaju energii wytwarzanej przez stacje dzieli się je na dwa typy:

Elektrownie jądrowe. Ich główną funkcją jest wytwarzanie energii elektrycznej.

Elektrociepłownie jądrowe. Dzięki zainstalowanym tam instalacjom grzewczym, wykorzystującym nieuniknione na stacji straty ciepła, możliwe staje się podgrzewanie wody sieciowej. Zatem oprócz prądu stacje te wytwarzają energię cieplną.

Po zbadaniu wielu opcji naukowcy doszli do wniosku, że najbardziej racjonalne są trzy z ich odmian, które są obecnie używane na całym świecie. Różnią się one na wiele sposobów:

1. Zużyte paliwo;
2. Stosowane chłodziwa;
3. Strefy aktywne pracujące w celu utrzymania wymaganej temperatury;
4. Rodzaj moderatora zmniejszający prędkość neutronów uwalnianych podczas rozpadu, niezbędnych do podtrzymania reakcji łańcuchowej.

Najpopularniejszym typem jest reaktor wykorzystujący jako paliwo wzbogacony uran. Jako chłodziwo i moderator stosuje się tutaj zwykłą lub lekką wodę. Reaktory takie nazywane są reaktorami lekkowodnymi i występują w dwóch rodzajach. W pierwszym przypadku para używana do obracania turbin generowana jest w rdzeniu zwanym reaktorem wrzącej wody. W drugim wytwarzanie pary następuje w obwodzie zewnętrznym, który jest połączony z pierwszym obiegiem poprzez wymienniki ciepła i wytwornice pary. Reaktor ten zaczęto opracowywać w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku, podstawą dla nich był program armii amerykańskiej. Równolegle, mniej więcej w tym samym czasie, Unia opracowała reaktor wrzący, w którym moderatorem był pręt grafitowy.

Jest to typ reaktora z tego typu moderatorem, który znalazł zastosowanie w praktyce. Mówimy o reaktorze chłodzonym gazem. Jego historia rozpoczęła się na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku, początkowo rozwiązania tego typu wykorzystywano do produkcji broni nuklearnej. Pod tym względem odpowiednie są dwa rodzaje paliwa: pluton do celów wojskowych i uran naturalny.

Ostatnim projektem, który odniósł komercyjny sukces, był reaktor, w którym jako chłodziwo wykorzystano ciężką wodę, a jako paliwo wykorzystano znany nam już naturalny uran. Początkowo takie reaktory projektowało kilka krajów, ale ostatecznie ich produkcja została skoncentrowana w Kanadzie, co wynika z obecności w tym kraju ogromnych złóż uranu.

Elektrownie jądrowe torowe – energia przyszłości?

Historia udoskonalania typów reaktorów jądrowych

Reaktor pierwszej elektrowni jądrowej na świecie był bardzo rozsądną i wykonalną konstrukcją, co zostało udowodnione podczas wielu lat nienagannej pracy stacji. Wśród jego elementów składowych znalazły się:

1. boczna ochrona wody;
2. obudowa murowana;
3. ostatnie piętro;
4. kolektor zbiorczy;
5. kanał paliwowy;
6. Górna płyta;
7. mur grafitowy;
8. Płyta dolna;
9. kolektor dystrybucyjny.

Jako główny materiał konstrukcyjny osłon prętów paliwowych i kanałów technologicznych wybrano stal nierdzewną, nie było wówczas wiedzy o stopach cyrkonu, które mogłyby posiadać właściwości odpowiednie do pracy w temperaturze 300°C. Chłodzenie takiego reaktora przeprowadzono wodą, a ciśnienie, pod jakim był zasilany, wynosiło 100 at. W tym przypadku wypuszczona została para o temperaturze 280°C, co jest parametrem dość umiarkowanym.

Kanały reaktora jądrowego zostały zaprojektowane w taki sposób, aby można je było całkowicie wymienić. Wynika to z ograniczenia zasobów, które zależą od czasu przebywania paliwa w strefie aktywności. Projektanci nie znaleźli powodu, aby oczekiwać, że materiały konstrukcyjne znajdujące się w strefie działania poddanej napromieniowaniu będą mogły wyczerpać cały swój okres użytkowania, czyli około 30 lat.

Jeśli chodzi o konstrukcję TVEL, zdecydowano się na wersję rurową z jednokierunkowym mechanizmem chłodzenia

Zmniejszyło to prawdopodobieństwo przedostania się produktów rozszczepienia do obwodu w przypadku uszkodzenia pręta paliwowego. Do regulacji temperatury płaszcza elementu paliwowego zastosowano kompozycję paliwową ze stopu uranowo-molibdenowego, która miała postać ziaren rozproszonych w osnowie ciepłowodnej. Tak przetworzone paliwo jądrowe pozwoliło uzyskać pręty paliwowe o wysokiej niezawodności. które były w stanie pracować pod dużym obciążeniem termicznym.

Przykładem kolejnej rundy rozwoju pokojowych technologii nuklearnych może być niesławna elektrownia jądrowa w Czarnobylu. W tamtym czasie technologie zastosowane przy jego budowie uznawano za najbardziej zaawansowane, a typ reaktora za najnowocześniejszy na świecie. Mówimy o reaktorze RBMK-1000.

Moc cieplna jednego takiego reaktora sięgała 3200 MW, natomiast posiada on dwa turbogeneratory, których moc elektryczna sięga 500 MW, zatem jeden blok energetyczny ma moc elektryczną 1000 MW. Jako paliwo w RBMK zastosowano wzbogacony dwutlenek uranu. W stanie początkowym przed rozpoczęciem procesu jedna tona takiego paliwa zawiera około 20 kg paliwa, czyli uran - 235. Przy stacjonarnym załadunku dwutlenku uranu do reaktora masa substancji wynosi 180 ton.

Ale proces ładowania nie jest masowy, do reaktora umieszcza się dobrze nam już znane elementy paliwowe. Zasadniczo są to rurki wykonane ze stopu cyrkonu. Zawartość zawiera tabletki dwutlenku uranu, które mają kształt cylindryczny. W strefie działania reaktora umieszczone są w zespołach paliwowych, z których każdy składa się z 18 prętów paliwowych.

W takim reaktorze znajduje się aż 1700 takich zespołów, które są umieszczone w stosie grafitowym, gdzie specjalnie do tego celu zaprojektowano pionowe kanały technologiczne. To w nich krąży chłodziwo, którego rolę w RMBK pełni woda. Wir wodny powstaje pod wpływem pomp obiegowych, których jest osiem. Reaktor umieszczony jest wewnątrz szybu, a szata graficzna umieszczona jest w cylindrycznej obudowie o grubości 30 mm. Podparciem całej aparatury jest betonowa podstawa, pod którą znajduje się basen – bełkotka, która służy do lokalizacji wypadku.

Reaktory trzeciej generacji wykorzystują ciężką wodę

Głównym pierwiastkiem jest deuter. Najpopularniejszy projekt nazywa się CANDU, został opracowany w Kanadzie i jest szeroko stosowany na całym świecie. Rdzeń takich reaktorów umieszczony jest w pozycji poziomej, a rolę komory grzewczej pełnią cylindryczne zbiorniki. Kanał paliwowy rozciąga się przez całą komorę grzewczą, każdy z tych kanałów ma dwie koncentryczne rurki. Istnieją dętki zewnętrzne i wewnętrzne.

W wewnętrznej rurze paliwo znajduje się pod ciśnieniem płynu chłodzącego, co umożliwia dodatkowe tankowanie reaktora podczas pracy. Jako opóźniacz stosuje się ciężką wodę o wzorze D20. Podczas cyklu zamkniętego woda pompowana jest rurami reaktora zawierającymi wiązki paliwa. Rozszczepienie jądrowe wytwarza ciepło.

Cykl chłodzenia przy użyciu ciężkiej wody polega na przejściu przez wytwornice pary, w których zwykła woda wrze pod wpływem ciepła wytwarzanego przez ciężką wodę, w wyniku czego tworzy się para wydobywająca się pod wysokim ciśnieniem. Jest on rozprowadzany z powrotem do reaktora, co skutkuje zamkniętym cyklem chłodzenia.

Tą drogą następowało stopniowe udoskonalanie typów reaktorów jądrowych, które były i są wykorzystywane w różnych krajach świata.

Energię jądrową wykorzystuje się w energetyce cieplnej, gdy energię uzyskuje się z paliwa jądrowego w reaktorach w postaci ciepła. Służy do wytwarzania energii elektrycznej w elektrownie jądrowe (EJ), dla elektrowni dużych statków morskich, do odsalania wody morskiej.

Energia jądrowa swój wygląd zawdzięcza przede wszystkim naturze neutronu, odkrytej w 1932 roku. Neutrony są częścią wszystkich jąder atomowych z wyjątkiem jądra wodoru. Związane neutrony w jądrze istnieją w nieskończoność. W swojej wolnej postaci są krótkotrwałe, ponieważ albo rozpadają się z okresem półtrwania wynoszącym 11,7 minuty, zamieniając się w proton i emitując elektron i neutrino, albo są szybko wychwytywane przez jądra atomów.

Współczesna energetyka jądrowa opiera się na wykorzystaniu energii powstałej podczas rozszczepienia naturalnego izotopu uran-235. W elektrowniach jądrowych przeprowadzana jest kontrolowana reakcja rozszczepienia jądrowego reaktor jądrowy. Według energii neutronów powodujących rozszczepienie jądrowe, rozróżnia reaktory termiczne i reaktory na neutrony szybkie.

Główną jednostką elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy, którego schemat pokazano na ryc. 1. Pozyskują energię z paliwa jądrowego, a następnie przekazują ją do innego płynu roboczego (wody, cieczy metalicznej lub organicznej, gazu) w postaci ciepła; następnie przetwarzany jest na energię elektryczną według tego samego schematu, co w przypadku konwencjonalnych.

Kontrolują proces, utrzymują reakcję, stabilizują moc, uruchamiają i zatrzymują reaktor za pomocą specjalnego ruchu pręty sterujące 6 I 7 z materiałów intensywnie absorbujących neutrony termiczne. Napędzane są przez system sterowania 5 . działania pręty sterujące objawiają się zmianą mocy strumienia neutronów w rdzeniu. Według kanałów 10 woda krąży, chłodząc beton ochrony biologicznej

Drążki sterujące wykonane są z boru lub kadmu, które są odporne termicznie, na promieniowanie i korozję, mocne mechanicznie i mają dobre właściwości przenoszenia ciepła.

Wewnątrz masywnej stalowej obudowy 3 jest kosz 8 z elementami paliwowymi 9 . Płyn chłodzący wpływa rurociągiem 2 , przechodzi przez rdzeń, myje wszystkie elementy paliwowe, nagrzewa się i przechodzi przez rurociąg 4 wchodzi do generatora pary.

Ryż. 1. Reaktor jądrowy

Reaktor jest umieszczony w biologicznym urządzeniu zabezpieczającym z grubego betonu 1 , który chroni otaczającą przestrzeń przed przepływem neutronów, promieniowania alfa, beta, gamma.

Elementy paliwowe (pręty paliwowe)- główna część reaktora. Bezpośrednio w nich zachodzi reakcja jądrowa i uwalniane jest ciepło, wszystkie pozostałe części służą do izolowania, kontrolowania i usuwania ciepła. Konstrukcyjnie elementy paliwowe mogą być wykonane z prętów, płyt, rurek, kulistych itp. Najczęściej są to pręty o długości do 1 metra i średnicy 10 mm. Zwykle składa się je z granulek uranu lub z krótkich rurek i płyt. Z zewnątrz elementy paliwowe są pokryte odporną na korozję, cienką metalową osłoną. Do powłoki zastosowano stopy cyrkonu, aluminium, magnezu, a także stopową stal nierdzewną.

Przenoszenie ciepła powstałego podczas reakcji jądrowej w rdzeniu reaktora na korpus roboczy silnika (turbiny) elektrowni odbywa się według schematów jednoobwodowych, dwuobwodowych i trójobwodowych (ryc. 2).

Ryż. 2. Elektrownia jądrowa
a – według schematu jednotorowego; b – według schematu dwutorowego; c – według schematu trójfazowego
1 – reaktor; 2, 3 – ochrona biologiczna; 4 – regulator ciśnienia; 5 – turbina; 6 – generator elektryczny; 7 – kondensator; 8 – pompa; 9 – moc rezerwowa; 10 – grzejnik regeneracyjny; 11 – wytwornica pary; 12 – pompa; 13 – pośredni wymiennik ciepła

Każdy obwód jest systemem zamkniętym. Reaktor 1 (we wszystkich obwodach cieplnych) umieszczonych wewnątrz obwodu pierwotnego 2 i wtórne 3 ochrona biologiczna. Jeżeli elektrownia jądrowa jest zbudowana w oparciu o jednoprzewodowy obwód cieplny, para z reaktora przez regulator ciśnienia 4 wchodzi do turbiny 5 . Wał turbiny jest połączony z wałem generatora elektrycznego 6 , w którym wytwarzany jest prąd elektryczny. Para wylotowa wchodzi do skraplacza, gdzie jest schładzana i całkowicie skraplana. Pompa 8 kieruje kondensat do grzejnika regeneracyjnego 10 , a następnie trafia do reaktora.

W schemacie dwuprzewodowym chłodziwo podgrzane w reaktorze wchodzi do wytwornicy pary 11 , gdzie ciepło jest przekazywane poprzez ogrzewanie powierzchniowe do chłodziwa płynu roboczego (woda zasilająca obieg wtórny). W reaktorach chłodzonych wodą chłodziwo w wytwornicy pary schładza się o około 15...40 o C, a następnie za pomocą pompy obiegowej 12 jest wysyłany z powrotem do reaktora.

W konstrukcji trójobwodowej chłodziwo (zwykle ciekły sód) z reaktora kierowane jest do pośredniego wymiennika ciepła 13 a stamtąd z pompą obiegową 12 wraca do reaktora. Czynnikiem chłodzącym w drugim obwodzie jest również ciekły sód. Obwód ten nie jest napromieniowany i dlatego nie jest radioaktywny. Sód z obwodu wtórnego wchodzi do generatora pary 11 , oddaje ciepło do płynu roboczego, który następnie jest odsyłany z powrotem do pośredniego wymiennika ciepła przez pompę obiegową.

Liczba obwodów cyrkulacyjnych określa rodzaj reaktora, zastosowane chłodziwo, jego właściwości fizyczne i jądrowe oraz stopień radioaktywności. Obwód jednopętlowy można stosować w reaktorach wrzących oraz w reaktorach z chłodziwem gazowym. Najbardziej rozpowszechniony obwód podwójny przy stosowaniu wody, gazu i cieczy organicznych jako chłodziwa. Schemat trójobwodowy stosowany jest w elektrowniach jądrowych z reaktorami prędkich neutronów wykorzystującymi chłodziwa z ciekłych metali (stopy sodu, potasu, sodu i potasu).

Paliwo nuklearne może być uran-235, uran-233 i pluton-232. Surowce do otrzymywania paliwa jądrowego - naturalny uran i tor. Reakcja jądrowa jednego grama materiału rozszczepialnego (uranu-235) uwalnia energię równoważną 22×10 3 kW × h (19×10 6 cal). Aby uzyskać taką ilość energii, należy spalić 1900 kg oleju.

Uran-235 jest łatwo dostępny, a jego zasoby energii są w przybliżeniu takie same jak w przypadku paliw kopalnych. Jeżeli jednak paliwo jądrowe będzie wykorzystywane z tak niską wydajnością, jak obecnie dostępna, dostępne źródła uranu wyczerpią się w ciągu 50–100 lat. Jednocześnie „złoza” paliwa jądrowego są praktycznie niewyczerpane - jest to uran rozpuszczony w wodzie morskiej. W oceanach jest go setki razy więcej niż na lądzie. Koszt uzyskania kilograma dwutlenku uranu z wody morskiej wynosi około 60-80 dolarów, w przyszłości spadnie do 30 dolarów, a koszt dwutlenku uranu wydobywanego z najbogatszych złóż na lądzie to 10-20 dolarów. Dlatego po pewnym czasie koszty na lądzie i „na wodzie morskiej” staną się tego samego rzędu.

Koszt paliwa jądrowego jest około dwukrotnie niższy niż koszt węgla kopalnego. W elektrowniach węglowych udział paliwa spada o 50-70% kosztów energii elektrycznej, a w elektrowniach jądrowych o 15-30%. Nowoczesna elektrociepłownia o mocy 2,3 mln kW (np. Elektrownia Rejonowa Samara) zużywa dziennie około 18 ton węgla (6 pociągów) lub 12 tys. ton oleju opałowego (4 pociągi). Energia jądrowa o tej samej mocy zużywa zaledwie 11 kg paliwa jądrowego dziennie, a w ciągu roku 4 tony. Elektrownia jądrowa jest jednak droższa od elektrowni cieplnej pod względem budowy, eksploatacji i napraw. Przykładowo budowa elektrowni jądrowej o mocy 2 – 4 mln kW kosztuje około 50-100% więcej niż elektrowni cieplnej.

Obniżenie kosztów inwestycyjnych budowy elektrowni jądrowych możliwe jest dzięki:

1. standaryzacja i unifikacja sprzętu;
2. opracowywanie projektów reaktorów kompaktowych;
3. doskonalenie systemów zarządzania i regulacji;
4. skrócenie czasu postoju reaktora w celu uzupełnienia paliwa.

Ważną cechą elektrowni jądrowych (reaktorów jądrowych) jest wydajność cyklu paliwowego. Aby poprawić efektywność cyklu paliwowego, należy:

• zwiększyć spalanie paliwa jądrowego;
• zwiększyć tempo rozmnażania plutonu.

Przy każdym rozszczepieniu jądra uranu-235 uwalniane są 2-3 neutrony. Spośród nich tylko jeden jest używany do dalszej reakcji, reszta jest tracona. Można je jednak wykorzystać do reprodukcji paliwa jądrowego, tworząc reaktory na prędkie neutrony. Podczas pracy reaktora na prędkie neutrony można jednocześnie otrzymać około 1,7 kg plutonu-239 z 1 kg spalonego uranu-235. W ten sposób można pokryć niską sprawność cieplną elektrowni jądrowych.

Reaktory na neutrony szybkie są kilkadziesiąt razy bardziej wydajne (pod względem wykorzystania paliwa jądrowego) niż reaktory na neutrony paliwowe. Nie zawierają moderatora i wykorzystują wysoko wzbogacone paliwo jądrowe. Neutrony uciekające z jądra są pochłaniane nie przez materiały konstrukcyjne, ale przez znajdujący się wokół nich uran-238 lub tor-232.

W przyszłości głównymi materiałami rozszczepialnymi dla elektrowni jądrowych będzie pluton-239 i uran-233, otrzymywane odpowiednio z uranu-238 i toru-232 w reaktorach na neutrony prędkie. Przekształcenie uranu-238 w pluton-239 w reaktorach zwiększy zasoby paliwa jądrowego około 100 razy, a toru-232 w uran-233 około 200 razy.

Na ryc. Rysunek 3 przedstawia schemat elektrowni jądrowej wykorzystującej szybkie neutrony.

Charakterystycznymi cechami elektrowni jądrowej na prędkie neutrony są:

1. zmiana stanu krytycznego reaktora jądrowego odbywa się poprzez odbicie części neutronów rozszczepienia paliwa jądrowego z obwodu z powrotem do rdzenia za pomocą reflektorów 3 ;
2. reflektory 3 może się obracać, zmieniając wyciek neutronów, a tym samym intensywność reakcji rozszczepienia;
3. odtwarzane jest paliwo jądrowe;
4. Nadmiar energii cieplnej jest usuwany z reaktora za pomocą chłodnicy grzejnikowej 6 .

Ryż. 3. Schemat elektrowni jądrowej wykorzystującej szybkie neutrony:
1 – elementy paliwowe; 2 – odtwarzalne paliwo jądrowe; 3 – reflektory prędkich neutronów; 4 – reaktor jądrowy; 5 – odbiorca energii elektrycznej; 6 – emiter lodówki; 7 – konwerter energii cieplnej na energię elektryczną; 8 – ochrona przed promieniowaniem.

Przetworniki energii cieplnej na energię elektryczną

Ze względu na zasadę wykorzystania energii cieplnej wytwarzanej przez elektrownię jądrową, przetwornice można podzielić na 2 klasy:

1. maszyna (dynamiczna);
2. bezmaszynowe (przetworniki bezpośrednie).

W przetwornicach maszynowych do reaktora podłączony jest zwykle zespół turbiny gazowej, w którym czynnikiem roboczym może być wodór, hel lub mieszanina helu i ksenonu. Sprawność zamiany ciepła dostarczonego bezpośrednio do turbogeneratora na energię elektryczną jest dość wysoka – sprawność konwertera η = 0,7-0,75.

Schemat elektrowni jądrowej z dynamiczną turbiną gazową (maszyną) przekształtnikową pokazano na rys. 4.

Innym typem konwertera maszynowego jest generator magnetogazdynamiczny lub magnetohydrodynamiczny (MGDG). Schemat takiego generatora pokazano na ryc. 5. Generator to prostokątny kanał, którego dwie ściany są wykonane z dielektryka, a dwie z materiału przewodzącego prąd elektryczny. Przewodzący elektrycznie płyn roboczy – płynny lub gazowy – przepływa przez kanały i jest penetrowany przez pole magnetyczne. Jak wiadomo, gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, powstaje emf, który przechodzi przez elektrody 2 przekazywane odbiorcy energii elektrycznej 3 . Źródłem energii dla roboczego strumienia ciepła jest ciepło wydzielane w reaktorze jądrowym. Ta energia cieplna jest wydawana na poruszające się ładunki w polu magnetycznym, tj. zamienia się na energię kinetyczną strumienia przewodzącego prąd, a energia kinetyczna na energię elektryczną.

Ryż. 4. Schemat elektrowni jądrowej z konwerterem turbiny gazowej:
1 – reaktor; 2 – obwód z chłodziwem ciekłym metalem; 3 – wymiennik ciepła do dostarczania ciepła do gazu; 4 – turbina; 5 – generator elektryczny; 6 – sprężarka; 7 – emiter lodówki; 8 – obwód odprowadzania ciepła; 9 – pompa obiegowa; 10 – wymiennik ciepła do odprowadzania ciepła; 11 – wymiennik ciepła-regenerator; 12 – obwód z płynem roboczym konwertera turbiny gazowej.

Przetwornice bezpośrednie (bezmaszynowe) energii cieplnej na energię elektryczną dzielą się na:

1. termoelektryczny;
2. termionowy;
3. elektrochemiczny.

Generatory termoelektryczne (TEG) działają w oparciu o zasadę Seebecka, która polega na tym, że w obwodzie zamkniętym składającym się z różnych materiałów termoemf występuje, jeśli w punktach styku tych materiałów utrzymuje się różnica temperatur (rys. 6). ). Do wytwarzania energii elektrycznej zaleca się stosowanie półprzewodnikowych TEG-ów o wyższej sprawności, przy czym temperatura gorącego złącza musi być podniesiona do 1400 K i więcej.

Przetworniki termionowe (TEC) umożliwiają wytwarzanie energii elektrycznej w wyniku emisji elektronów z katody nagrzanej do wysokich temperatur (rys. 7).

Ryż. 5. Generator magnetogazdynamiczny:
1 – pole magnetyczne; 2 – elektrody; 3 – odbiorca energii elektrycznej; 4 – dielektryk; 5 – dyrygent; 6 – płyn roboczy (gaz).

Ryż. 6. Schemat działania generatora termoelektrycznego

Ryż. 7. Schemat działania przetwornika termoelektrycznego

Aby utrzymać prąd emisji, do katody dostarczane jest ciepło Q 1. Elektrony emitowane przez katodę po pokonaniu szczeliny próżniowej docierają do anody i są przez nią pochłaniane. Kiedy elektrony „kondensują się” na anodzie, uwalniana jest energia równa funkcji pracy elektronów o przeciwnym znaku. Jeśli zapewnimy ciągły dopływ ciepła do katody i usuniemy je z anody, to przez obciążenie R popłynie prąd stały. Emisja elektronów zachodzi efektywnie w temperaturach katody powyżej 2200 K.

Bezpieczeństwo i niezawodność elektrowni jądrowych

Jednym z głównych zagadnień rozwoju energetyki jądrowej jest zapewnienie niezawodności i bezpieczeństwa elektrowni jądrowych.

Bezpieczeństwo radiacyjne zapewniają:

1. tworzenie niezawodnych konstrukcji i urządzeń do biologicznej ochrony personelu przed promieniowaniem;
2. oczyszczanie powietrza i wody opuszczającej teren elektrowni jądrowej;
3. ekstrakcja i wiarygodna lokalizacja skażeń radioaktywnych;
4. codzienny monitoring promieniowania na terenie elektrowni jądrowej oraz indywidualny monitoring promieniowania personelu.

Obiekty elektrowni jądrowej, w zależności od trybu pracy i zainstalowanych w nich urządzeń, dzielą się na 3 kategorie:

1. strefa wysokiego bezpieczeństwa;
2. obszar ograniczony;
3. strefa trybu normalnego.

Personel przebywa na stałe w pomieszczeniach trzeciej kategorii, które na terenie stacji są odporne na promieniowanie.

Podczas pracy elektrowni jądrowych powstają stałe, ciekłe i gazowe odpady promieniotwórcze. Należy je utylizować w sposób niezanieczyszczający środowiska.

Gazy usuwane z pomieszczeń podczas wentylacji mogą zawierać substancje radioaktywne w postaci aerozoli, pyłów radioaktywnych i gazów radioaktywnych. Wentylacja stacji jest zbudowana w taki sposób, że przepływy powietrza od najbardziej „czystego” do „zanieczyszczonego” są wykluczone i wykluczane są przepływy w kierunku przeciwnym. We wszystkich obszarach stacji całkowita wymiana powietrza odbywa się w czasie nie dłuższym niż jedna godzina.

W trakcie eksploatacji elektrowni jądrowych pojawia się problem unieszkodliwiania i unieszkodliwiania odpadów promieniotwórczych. Elementy paliwowe zużyte w reaktorach przechowywane są przez pewien czas w basenach wodnych bezpośrednio na terenie elektrowni jądrowej do czasu ustabilizowania się izotopów o krótkich okresach półtrwania, po czym elementy paliwowe kierowane są do specjalnych zakładów radiochemicznych w celu regeneracji. Tam z prętów paliwowych wydobywa się paliwo jądrowe, a odpady radioaktywne są zakopywane.

Wszystko jest bardzo proste. W reaktorze jądrowym uran-235 rozpada się, uwalniając ogromną ilość energii cieplnej, wrze wodę, para pod ciśnieniem obraca turbinę, która obraca generator elektryczny, który wytwarza energię elektryczną.

Nauka zna co najmniej jeden naturalnie występujący reaktor jądrowy. Znajduje się w złożu uranu Oklo w Gabonie. To prawda, że ​​​​ochłodziło się już półtora miliarda lat temu.

Uran-235 jest jednym z izotopów uranu. Różni się od zwykłego uranu tym, że w jego jądrze brakuje 3 neutronów, co powoduje, że jądro staje się mniej stabilne i rozpada się na dwie części, gdy neutron uderza w nie z dużą prędkością. W tym przypadku uwalniane są kolejne 2-3 neutrony, które mogą przedostać się do innego jądra uranu-235 i je rozdzielić. I tak dalej w dół łańcucha. Nazywa się to reakcją jądrową.

Kontrolowana reakcja

Jeśli nie zapanujesz nad nuklearną reakcją łańcuchową i będzie ona przebiegać zbyt szybko, nastąpi prawdziwa eksplozja nuklearna. Dlatego należy dokładnie monitorować proces i nie dopuścić do zbyt szybkiego rozkładu uranu. W tym celu paliwo jądrowe w metalowych rurkach umieszcza się w moderatorze – substancji spowalniającej neutrony i zamieniającej ich energię kinetyczną w ciepło.

Aby kontrolować szybkość reakcji, w moderatorze zanurza się pręty materiału pochłaniającego neutrony. Kiedy te pręty są podniesione, wychwytują mniej neutronów, a reakcja przyspiesza. Jeżeli pręty zostaną opuszczone, reakcja ponownie ulegnie spowolnieniu.

Kwestia technologii

Ogromne rury w elektrowniach jądrowych w rzeczywistości nie są rurami, ale wieżami chłodniczymi – wieżami do szybkiego chłodzenia pary.

W momencie rozpadu rdzeń dzieli się na dwie części, które rozpadają się z zawrotną szybkością. Ale nie latają daleko - uderzają w sąsiednie atomy, a energia kinetyczna zamienia się w energię cieplną.

Następnie ciepło to wykorzystywane jest do podgrzewania wody, zamieniając ją w parę, para obraca turbinę, a turbina obraca generator, który wytwarza prąd, zupełnie jak w konwencjonalnej elektrowni cieplnej opalanej węglem.

To zabawne, ale cała ta fizyka jądrowa, izotopy uranu, jądrowe reakcje łańcuchowe - wszystko po to, aby zagotować wodę.

Dla czystości

Energia jądrowa wykorzystywana jest nie tylko w elektrowniach jądrowych. Istnieją statki i łodzie podwodne zasilane energią jądrową. W latach 50. opracowano nawet nuklearne samochody, samoloty i pociągi.

W wyniku pracy reaktora jądrowego powstają odpady radioaktywne. Część z nich nadaje się do ponownego wykorzystania, inne należy przechowywać w specjalnych magazynach, aby nie szkodziły ludziom i środowisku.

Mimo to energetyka jądrowa jest obecnie jedną z najbardziej przyjaznych środowisku. Elektrownie jądrowe nie wytwarzają żadnych emisji, wymagają bardzo mało paliwa, zajmują mało miejsca i są bardzo bezpieczne, jeśli są właściwie użytkowane.

Jednak po awarii w elektrowni jądrowej w Czarnobylu wiele krajów zawiesiło rozwój energetyki jądrowej. Chociaż np. we Francji prawie 80 proc. energii wytwarzają elektrownie jądrowe.

W pierwszej dekadzie XXI wieku, ze względu na wysokie ceny ropy, wszyscy pamiętali energię jądrową. Istnieją rozwiązania w zakresie kompaktowych elektrowni jądrowych, które są bezpieczne, mogą działać przez dziesięciolecia i nie wymagają konserwacji.

Jednym z najbardziej globalnych problemów ludzkości jest energia. Infrastruktura cywilna, przemysł, wojsko – wszystko to wymaga ogromnej ilości energii elektrycznej, a do jej wytworzenia co roku przeznacza się mnóstwo minerałów. Problem w tym, że te zasoby nie są nieskończone i teraz, gdy sytuacja jest mniej więcej stabilna, trzeba myśleć o przyszłości. Duże nadzieje pokładano w alternatywnej, czystej energii elektrycznej, jednak jak pokazuje praktyka, efekt końcowy jest odległy od pożądanego. Koszty elektrowni słonecznych czy wiatrowych są ogromne, ale ilość energii minimalna. I dlatego elektrownie jądrowe są obecnie uważane za najbardziej obiecującą opcję dalszego rozwoju.

Historia elektrowni jądrowej

Pierwsze pomysły dotyczące wykorzystania atomów do wytwarzania energii elektrycznej pojawiły się w ZSRR około lat 40. XX wieku, prawie 10 lat przed stworzeniem na tej podstawie własnej broni masowego rażenia. W 1948 roku opracowano zasadę działania elektrowni jądrowych, jednocześnie po raz pierwszy na świecie możliwe było zasilanie urządzeń energią atomową. W 1950 roku Stany Zjednoczone zakończyły budowę małego reaktora jądrowego, który w tamtym czasie można było uznać za jedyną tego typu elektrownię na świecie. To prawda, że ​​​​był eksperymentalny i wytwarzał tylko 800 watów mocy. W tym samym czasie w ZSRR kładziono podwaliny pod pierwszą na świecie pełnoprawną elektrownię jądrową, choć po uruchomieniu nadal nie produkowała ona energii elektrycznej na skalę przemysłową. Reaktor ten był używany częściej do udoskonalania technologii.

Od tego momentu na całym świecie rozpoczęła się masowa budowa elektrowni jądrowych. Oprócz tradycyjnych liderów tego „wyścigu”, USA i ZSRR, pierwsze reaktory pojawiły się w:

• 1956 - Wielka Brytania.
• 1959 - Francja.
• 1961 - Niemcy.
• 1962 - Kanada.
• 1964 - Szwecja.
• 1966 - Japonia.

Liczba budowanych elektrowni jądrowych stale rosła, aż do katastrofy w Czarnobylu, po której budowa zaczęła się zawieszać i stopniowo wiele krajów zaczęło odchodzić od energetyki jądrowej. Na chwilę obecną nowe tego typu elektrownie powstają głównie w Rosji i Chinach. Część krajów, które wcześniej planowały przejście na inny rodzaj energii, stopniowo wraca do programu i w najbliższej przyszłości możliwy jest kolejny wzrost budowy elektrowni jądrowych. Jest to obowiązkowy etap rozwoju człowieka, przynajmniej do czasu znalezienia innych skutecznych możliwości wytwarzania energii.

Cechy energii jądrowej

Główną zaletą jest wytwarzanie ogromnych ilości energii przy minimalnym zużyciu paliwa i niemal całkowitym braku zanieczyszczeń. Zasada działania reaktora jądrowego w elektrowni jądrowej opiera się na prostym silniku parowym i wykorzystuje wodę jako główny element (nie licząc samego paliwa), dlatego z punktu widzenia ochrony środowiska szkody są minimalne. Potencjalne niebezpieczeństwo stwarzane przez tego typu elektrownie jest mocno przesadzone. Przyczyny katastrofy w Czarnobylu nadal nie zostały wiarygodnie ustalone (więcej na ten temat poniżej), a ponadto wszystkie informacje zebrane w ramach śledztwa umożliwiły modernizację istniejących elektrowni, eliminując nawet mało prawdopodobne możliwości emisji promieniowania. Ekolodzy czasami twierdzą, że takie stacje są potężnym źródłem zanieczyszczeń termicznych, ale to również nie jest do końca prawdą. Rzeczywiście, gorąca woda z obiegu wtórnego wpływa do zbiorników, ale najczęściej stosuje się ich sztuczne wersje, stworzone specjalnie w tym celu, a w innych przypadkach udziału takiego wzrostu temperatury nie można porównywać z zanieczyszczeniami z innych źródeł energii.

Problem z paliwem

Nie najmniejszą rolę w popularności elektrowni jądrowych odgrywa paliwo - uran-235. Wymaga znacznie mniej niż jakikolwiek inny rodzaj przy jednoczesnym ogromnym uwolnieniu energii. Zasada działania reaktora elektrowni jądrowej polega na wykorzystaniu tego paliwa w postaci specjalnych „tabletek” umieszczonych w prętach. Tak naprawdę jedyną trudnością w tym przypadku jest stworzenie właśnie takiego kształtu. Jednak ostatnio zaczęły pojawiać się informacje, że obecne światowe rezerwy również nie wystarczą długo. Ale to zostało już przewidziane. Najnowsze reaktory trójprzewodowe działają na uranie-238, którego jest mnóstwo, a problem niedoborów paliwa na długo zniknie.

Zasada działania dwuprzewodowej elektrowni jądrowej

Jak wspomniano powyżej, opiera się on na konwencjonalnym silniku parowym. W skrócie zasada działania elektrowni jądrowej polega na podgrzewaniu wody z obiegu pierwotnego, co z kolei podgrzewa wodę z obiegu wtórnego do stanu pary. Wpływa do turbiny, obracając łopatki, powodując, że generator wytwarza energię elektryczną. Para „odpadowa” wchodzi do skraplacza i zamienia się z powrotem w wodę. Tworzy to niemal zamknięty cykl. Teoretycznie wszystko to mogłoby działać jeszcze prościej, wykorzystując tylko jeden obwód, ale jest to naprawdę niebezpieczne, ponieważ woda w nim teoretycznie może ulec zanieczyszczeniu, co jest wykluczone przy stosowaniu standardu systemowego dla większości elektrowni jądrowych z dwoma odizolowanymi od siebie obiegami wody.

Zasada działania trójprzewodowej elektrowni jądrowej

Są to nowocześniejsze elektrownie działające na uranie-238. Jego zasoby stanowią ponad 99% wszystkich pierwiastków promieniotwórczych na świecie (stąd ogromne perspektywy wykorzystania). Zasada działania i konstrukcja tego typu elektrowni jądrowej polega na obecności aż trzech obwodów i aktywnym wykorzystaniu ciekłego sodu. Ogólnie wszystko pozostaje mniej więcej takie samo, ale z drobnymi dodatkami. W obiegu pierwotnym, podgrzewanym bezpośrednio z reaktora, ten ciekły sód krąży w wysokiej temperaturze. Drugi krąg jest podgrzewany od pierwszego i również wykorzystuje ten sam płyn, ale nie tak gorący. I dopiero wtedy, już w trzecim obwodzie, wykorzystywana jest woda, która podgrzewa się z drugiego do stanu pary i obraca turbinę. System okazuje się bardziej skomplikowany technologicznie, ale taką elektrownię jądrową wystarczy zbudować tylko raz, a potem pozostaje już tylko cieszyć się owocami pracy.

Czarnobyl

Za główną przyczynę katastrofy uważa się zasadę działania elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Oficjalnie istnieją dwie wersje tego, co się wydarzyło. Według jednej z nich przyczyną problemu były niewłaściwe działania operatorów reaktorów. Według drugiego, z powodu nieudanego projektu elektrowni. Jednak zasadę działania elektrowni jądrowej w Czarnobylu zastosowano także w innych elektrowniach tego typu, które do dziś funkcjonują prawidłowo. Istnieje opinia, że ​​​​nastąpił łańcuch wypadków, którego powtórzenie jest prawie niemożliwe. Obejmuje to małe trzęsienie ziemi w okolicy, przeprowadzenie eksperymentu z reaktorem, drobne problemy z samym projektem i tak dalej. Wszystko to spowodowało eksplozję. Jednak przyczyna, która spowodowała gwałtowny wzrost mocy reaktora, choć nie powinna, jest nadal nieznana. Pojawiła się nawet opinia o możliwym sabotażu, ale do dziś nic nie zostało udowodnione.

Fukushima

To kolejny przykład globalnej katastrofy z udziałem elektrowni jądrowej. Również w tym przypadku przyczyną był łańcuch wypadków. Stacja była niezawodnie chroniona przed trzęsieniami ziemi i tsunami, które nie są rzadkością na japońskim wybrzeżu. Niewielu mogło sobie wyobrazić, że oba te wydarzenia wystąpią jednocześnie. Zasada działania generatora elektrowni jądrowej Fukushima zakładała wykorzystanie zewnętrznych źródeł energii do utrzymania funkcjonowania całego kompleksu bezpieczeństwa. Jest to rozsądne rozwiązanie, gdyż w czasie awarii trudno byłoby pozyskać energię z samej elektrowni. W wyniku trzęsienia ziemi i tsunami wszystkie te źródła uległy awarii, co spowodowało stopienie reaktorów i katastrofę. Trwają obecnie działania mające na celu naprawienie szkód. Według ekspertów zajmie to kolejne 40 lat.

Mimo całej swojej efektywności, energia jądrowa pozostaje dość droga, ponieważ zasada działania wytwornicy pary w elektrowni jądrowej i jej pozostałych podzespołów pociąga za sobą ogromne koszty budowy, które trzeba się zwrócić. Obecnie prąd z węgla i ropy naftowej jest nadal tańszy, jednak w ciągu najbliższych dziesięcioleci zasoby te się wyczerpią, a w ciągu najbliższych kilku lat energia jądrowa będzie tańsza niż cokolwiek innego. W tej chwili przyjazny dla środowiska prąd z alternatywnych źródeł energii (elektrownie wiatrowe i słoneczne) kosztuje około 20 razy więcej.

Uważa się, że zasada działania elektrowni jądrowych nie pozwala na szybką budowę takich elektrowni. To nie prawda. Budowa przeciętnego obiektu tego typu trwa około 5 lat.

Stacje są doskonale chronione nie tylko przed potencjalną emisją promieniowania, ale także przed większością czynników zewnętrznych. Przykładowo, gdyby terroryści zamiast bliźniaczych wież wybrali jakąkolwiek elektrownię jądrową, byliby w stanie spowodować jedynie minimalne szkody w otaczającej infrastrukturze, co w żaden sposób nie wpłynęłoby na pracę reaktora.

Wyniki

Zasada działania elektrowni jądrowych praktycznie nie różni się od zasad działania większości innych tradycyjnych elektrowni. Energia pary jest wykorzystywana wszędzie. Elektrownie wodne wykorzystują ciśnienie płynącej wody, a nawet modele zasilane energią słoneczną wykorzystują również ciecz podgrzaną do wrzenia i wirującą turbiny. Jedynym wyjątkiem od tej reguły są farmy wiatrowe, w których łopaty obracają się w wyniku ruchu mas powietrza.