Cine a inventat centrala nucleară. Centrală nucleară: proiectare și impact asupra mediului. Mari centrale termice, centrale nucleare și hidrocentrale din Rusia

Centrale nucleare

Centralele nucleare sunt instalații nucleare care produc energie menținând în anumite condiții regimuri specificate. În aceste scopuri, se utilizează un teritoriu definit de proiect, în care reactoarele nucleare sunt utilizate în combinație cu sistemele, dispozitivele, echipamentele și structurile necesare pentru îndeplinirea sarcinilor atribuite. Pentru realizarea sarcinilor vizate este implicat personal specializat.

Toate centralele nucleare din Rusia

Istoria energiei nucleare în țara noastră și în străinătate

A doua jumătate a anilor '40 a fost marcată de începutul lucrărilor la crearea primului proiect care implică utilizarea atomilor pașnici pentru a genera electricitate. În 1948, I.V. Kurchatov, ghidat de instrucțiunile partidului și ale guvernului sovietic, a făcut o propunere de a începe lucrările privind utilizarea practică a energiei atomice pentru a genera electricitate.

Doi ani mai târziu, în 1950, nu departe de satul Obninskoye, situat în regiunea Kaluga, a fost lansată construcția primei centrale nucleare de pe planetă. Lansarea primei centrale nucleare industriale din lume, a cărei putere era de 5 MW, a avut loc pe 27 iunie 1954. Uniunea Sovietică a devenit prima putere din lume care a folosit atomul în scopuri pașnice. Stația a fost deschisă în Obninsk, care a primit până atunci statutul de oraș.

Dar oamenii de știință sovietici nu s-au oprit aici; au continuat să lucreze în această direcție, în special, doar patru ani mai târziu, în 1958, a început funcționarea primei etape a centralei nucleare din Siberia. Puterea sa a fost de multe ori mai mare decât stația din Obninsk și se ridica la 100 MW. Dar pentru oamenii de știință autohtoni aceasta nu a fost limita; la finalizarea tuturor lucrărilor, capacitatea de proiectare a stației a fost de 600 MW.

În vastitatea Uniunii Sovietice, construcția de centrale nucleare și-a asumat, la acea vreme, o amploare masivă. În același an, a început construcția centralei nucleare Beloyarsk, a cărei primă etapă, deja în aprilie 1964, a alimentat primii consumatori. Geografia construcției centralelor nucleare a încurcat întreaga țară în rețeaua sa; în același an, prima unitate a centralei nucleare a fost lansată la Voronezh, capacitatea sa a fost de 210 MW, a doua unitate, lansată cinci ani mai târziu în 1969, se lăuda cu o capacitate de 365 MW. Boom-ul în construcția de centrale nucleare nu s-a diminuat pe tot parcursul erei sovietice. Stații noi, sau unități suplimentare ale celor deja construite, au fost lansate la intervale de câțiva ani. Deci, deja în 1973, Leningrad și-a primit propria centrală nucleară.

Cu toate acestea, puterea sovietică nu a fost singura din lume care a fost capabilă să dezvolte astfel de proiecte. În Marea Britanie, nici nu au dormit și, realizând promisiunea acestei zone, au studiat activ această problemă. Doar doi ani mai târziu, după deschiderea stației din Obninsk, britanicii și-au lansat propriul proiect de dezvoltare a atomului pașnic. În 1956, în orașul Calder Hall, britanicii și-au lansat propria stație, a cărei putere a depășit omologul său sovietic și se ridica la 46 MW. Nu au rămas în urmă de cealaltă parte a Atlanticului; un an mai târziu, americanii au lansat solemn stația din Shippingport. Capacitatea instalației a fost de 60 MW.

Cu toate acestea, dezvoltarea atomului pașnic a fost plină de amenințări ascunse, despre care întreaga lume a aflat curând. Primul semn a fost un accident major în Three Mile Island care a avut loc în 1979, iar după acesta a avut loc o catastrofă care a lovit întreaga lume, în Uniunea Sovietică, în orășelul Cernobîl, a avut loc o catastrofă de amploare, asta s-a întâmplat. în 1986. Consecințele tragediei au fost ireparabile, dar, pe lângă aceasta, acest fapt a făcut întreaga lume să se gândească la fezabilitatea utilizării energiei nucleare în scopuri pașnice.

Liderii mondiali din această industrie se gândesc serios la îmbunătățirea siguranței instalațiilor nucleare. Rezultatul a fost organizarea unei adunări constitutive, care a fost organizată la 15 mai 1989 în capitala sovietică. Adunarea a decis să creeze o Asociație Mondială, care ar trebui să includă toți operatorii de centrale nucleare; abrevierea sa general recunoscută este WANO. În cursul implementării programelor sale, organizația monitorizează sistematic îmbunătățirea nivelului de siguranță al centralelor nucleare din lume. Cu toate acestea, în ciuda tuturor eforturilor depuse, chiar și cele mai moderne și la prima vedere obiecte aparent sigure nu pot rezista asaltului elementelor. Din cauza unui dezastru endogen, care s-a manifestat sub forma unui cutremur și a tsunami-ului ulterior, a avut loc un accident la stația Fukushima-1 în 2011.

Pana atomică

Clasificarea CNE

Centralele nucleare sunt clasificate după două criterii: tipul de energie pe care o produc și tipul de reactor. În funcție de tipul de reactor, se determină cantitatea de energie generată, nivelul de siguranță și, de asemenea, ce fel de materii prime sunt utilizate în stație.

În funcție de tipul de energie pe care o produc stațiile, acestea se împart în două tipuri:

Centrale nucleare. Funcția lor principală este de a genera energie electrică.

Centrale termice nucleare. Datorita instalatiilor de incalzire instalate acolo, folosind pierderi de caldura inevitabile la statie, devine posibila incalzirea apei din retea. Astfel, pe lângă electricitate, aceste stații generează energie termică.

După ce au examinat multe opțiuni, oamenii de știință au ajuns la concluzia că cele mai raționale sunt trei dintre soiurile lor, care sunt utilizate în prezent în întreaga lume. Ele diferă în mai multe moduri:

1. Combustibil utilizat;
2. Lichidanți de răcire utilizați;
3. Zone active operate pentru a menține temperatura necesară;
4. Un tip de moderator care reduce viteza neutronilor care sunt eliberați în timpul dezintegrarii și sunt atât de necesari pentru a susține o reacție în lanț.

Cel mai comun tip este un reactor care utilizează uraniu îmbogățit drept combustibil. Apa obișnuită sau ușoară este folosită aici ca lichid de răcire și moderator. Astfel de reactoare se numesc reactoare cu apă ușoară; există două tipuri de ele. În primul, aburul folosit pentru a transforma turbinele este generat într-un miez numit reactor cu apă clocotită. În al doilea, formarea aburului are loc într-un circuit extern, care este conectat la primul circuit prin schimbătoare de căldură și generatoare de abur. Acest reactor a început să fie dezvoltat în anii cincizeci ai secolului trecut; baza pentru ele a fost programul armatei SUA. În paralel, cam în același timp, Uniunea a dezvoltat un reactor de fierbere, în care o tijă de grafit a acționat ca moderator.

Este tipul de reactor cu un moderator de acest tip care și-a găsit aplicație în practică. Vorbim despre un reactor răcit cu gaz. Istoria sa a început la sfârșitul anilor patruzeci și începutul anilor cincizeci ai secolului al XX-lea; inițial, dezvoltările de acest tip au fost utilizate în producția de arme nucleare. În acest sens, două tipuri de combustibil sunt potrivite pentru acesta: plutoniu pentru arme și uraniu natural.

Ultimul proiect, care a fost însoțit de succes comercial, a fost un reactor în care apa grea este folosită ca agent de răcire, iar uraniul natural, care ne este deja familiar, este folosit drept combustibil. Inițial, mai multe țări au proiectat astfel de reactoare, dar în final producția lor a fost concentrată în Canada, ceea ce se datorează prezenței zăcămintelor masive de uraniu în această țară.

Centralele nucleare cu toriu - energia viitorului?

Istoria îmbunătățirii tipurilor de reactoare nucleare

Reactorul primei centrale nucleare de pe planetă a fost un design foarte rezonabil și viabil, care a fost dovedit pe parcursul multor ani de funcționare impecabilă a stației. Printre elementele sale constitutive au fost:

1. protectie laterala impotriva apei;
2. carcasă de zidărie;
3. ultimul etaj;
4. colector de colectare;
5. canal de combustibil;
6. placa de sus;
7. zidărie de grafit;
8. placa de jos;
9. colector de distributie.

Oțelul inoxidabil a fost ales ca principal material structural pentru carcasele tijei de combustibil și canalele tehnologice; la acea vreme, nu existau cunoștințe despre aliajele de zirconiu care ar putea avea proprietăți adecvate pentru a lucra la temperaturi de 300°C. Răcirea unui astfel de reactor a fost efectuată cu apă, iar presiunea sub care a fost alimentat a fost de 100 at. În acest caz, aburul a fost eliberat cu o temperatură de 280°C, care este un parametru destul de moderat.

Canalele reactorului nuclear au fost proiectate astfel încât să poată fi înlocuite complet. Acest lucru se datorează limitării resurselor, care este determinată de timpul în care combustibilul rămâne în zona de activitate. Proiectanții nu au găsit niciun motiv să se aștepte ca materialele structurale situate în zona de activitate sub iradiere să își poată epuiza întreaga durată de viață, și anume aproximativ 30 de ani.

În ceea ce privește designul TVEL, s-a decis adoptarea unei versiuni tubulare cu mecanism de răcire unidirecțională

Acest lucru a redus probabilitatea ca produsele de fisiune să intre în circuit în cazul deteriorării tijei de combustibil. Pentru reglarea temperaturii învelișului elementului de combustibil, a fost utilizată o compoziție de combustibil din aliaj de uraniu-molibden, care avea forma unor granule dispersate printr-o matrice de apă caldă. Combustibilul nuclear prelucrat în acest mod a făcut posibilă obținerea de bare de combustibil foarte fiabile. care erau capabile să funcționeze sub sarcini termice mari.

Un exemplu al următoarei runde de dezvoltare a tehnologiilor nucleare pașnice poate fi infama centrală nucleară de la Cernobîl. La acea vreme, tehnologiile folosite în construcția sa erau considerate cele mai avansate, iar tipul de reactor era considerat cel mai modern din lume. Vorbim despre reactorul RBMK-1000.

Puterea termică a unui astfel de reactor a ajuns la 3200 MW, în timp ce are două turbogeneratoare, a căror putere electrică ajunge la 500 MW, deci o unitate de putere are o putere electrică de 1000 MW. Dioxidul de uraniu îmbogățit a fost folosit drept combustibil pentru RBMK. În starea inițială înainte de începerea procesului, o tonă de astfel de combustibil conține aproximativ 20 kg de combustibil, și anume uraniu - 235. Cu o încărcare staționară de dioxid de uraniu în reactor, masa substanței este de 180 de tone.

Dar procesul de încărcare nu reprezintă un vrac, elementele de combustibil, deja bine cunoscute nouă, sunt plasate în reactor. În esență, sunt tuburi fabricate dintr-un aliaj de zirconiu. Conținutul sunt tablete cilindrice de dioxid de uraniu. În zona de activitate a reactorului, acestea sunt plasate în ansambluri de combustibil, fiecare dintre ele combinând 18 bare de combustibil.

Există până la 1.700 de astfel de ansambluri într-un astfel de reactor și sunt plasate într-o stivă de grafit, unde canalele tehnologice verticale sunt proiectate special pentru aceste scopuri. În ele circulă lichidul de răcire, al cărui rol, în RMBK, este jucat de apă. Vârtejul de apă are loc sub influența pompelor de circulație, dintre care sunt opt. Reactorul este situat în interiorul puțului, iar zidăria grafică este amplasată într-o carcasă cilindrică de 30 mm grosime. Suportul întregului aparat este o bază de beton, sub care se află o piscină - un barbotator, care servește la localizarea accidentului.

A treia generație de reactoare utilizează apă grea

Elementul principal al căruia este deuteriul. Cel mai comun design se numește CANDU, a fost dezvoltat în Canada și este utilizat pe scară largă în întreaga lume. Miezul unor astfel de reactoare este situat în poziție orizontală, iar rolul camerei de încălzire este jucat de rezervoare cilindrice. Canalul de combustibil se întinde pe întreaga cameră de încălzire, fiecare dintre aceste canale având două tuburi concentrice. Există tuburi exterioare și interioare.

În tubul interior, combustibilul este sub presiunea lichidului de răcire, ceea ce permite realimentarea suplimentară a reactorului în timpul funcționării. Apa grea cu formula D20 este folosită ca retardant. În timpul unui ciclu închis, apa este pompată prin conductele unui reactor care conține fascicule de combustibil. Fisiunea nucleară produce căldură.

Ciclul de răcire la utilizarea apei grele constă în trecerea prin generatoare de abur, unde apa obișnuită fierbe din căldura generată de apa grea, rezultând formarea aburului care iese sub presiune mare. Este distribuit înapoi în reactor, rezultând un ciclu de răcire închis.

Pe această cale a avut loc o îmbunătățire pas cu pas a tipurilor de reactoare nucleare care au fost și sunt utilizate în diferite țări ale lumii.

Energia nucleară este utilizată în ingineria energiei termice, atunci când energia este obținută din combustibilul nuclear în reactoare sub formă de căldură. Este folosit pentru a genera energie electrică în centrale nucleare (CNP), pentru centralele electrice ale vaselor maritime mari, pentru desalinizarea apei de mare.

Energia nucleară își datorează apariția, în primul rând, naturii neutronului, descoperit în 1932. Neutronii fac parte din toate nucleele atomice, cu excepția nucleului de hidrogen. Neutronii legați în nucleu există la nesfârșit. În forma lor liberă, sunt de scurtă durată, deoarece fie se descompun cu un timp de înjumătățire de 11,7 minute, transformându-se într-un proton și emițând un electron și un neutrin, fie sunt capturați rapid de nucleele atomilor.

Energia nucleară modernă se bazează pe utilizarea energiei eliberate în timpul fisiunii unui izotop natural uraniu-235. La centralele nucleare se desfășoară o reacție controlată de fisiune nucleară în reactor nuclear. Conform energiei neutronilor care produc fisiunea nucleară, distinge între reactoarele termice și cele cu neutroni rapidi.

Unitatea principală a unei centrale nucleare este un reactor nuclear, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 1. Obțin energie din combustibilul nuclear, iar apoi este transferată într-un alt fluid de lucru (apă, metal sau lichid organic, gaz) sub formă de căldură; apoi se transformă în energie electrică după aceeași schemă ca în cele convenționale.

Ei controlează procesul, mențin reacția, stabilizează puterea, pornesc și opresc reactorul folosind o mișcare specială tije de control 6 Și 7 din materiale care absorb intens neutronii termici. Ele sunt conduse de un sistem de control 5 . Acțiuni tije de control se manifestă printr-o schimbare a puterii fluxului de neutroni din miez. Pe canale 10 apa circula, racind betonul de protectie biologica

Tijele de control sunt fabricate din bor sau cadmiu, care sunt rezistente termic, la radiații și la coroziune, puternice din punct de vedere mecanic și au proprietăți bune de transfer de căldură.

În interiorul unei carcase masive de oțel 3 există un coș 8 cu elemente de combustibil 9 . Lichidul de răcire intră prin conductă 2 , trece prin miez, spală toate elementele de combustibil, se încălzește și prin conductă 4 intră în generatorul de abur.

Orez. 1. Reactorul nuclear

Reactorul este găzduit în interiorul unui dispozitiv de reținere biologică din beton gros 1 , care protejează spațiul înconjurător de fluxul de neutroni, radiații alfa, beta, gamma.

Elemente de combustibil (tije de combustibil)- partea principală a reactorului. O reacție nucleară are loc direct în ele și căldură este eliberată; toate celelalte părți servesc la izolarea, controlul și îndepărtarea căldurii. Din punct de vedere structural, elementele de combustibil pot fi realizate din tijă, placă, tubulară, sferică etc. Cel mai adesea sunt tije, cu lungimea de până la 1 metru, cu diametrul de 10 mm. Ele sunt de obicei asamblate din pelete de uraniu sau din tuburi scurte și plăci. La exterior, elementele de combustibil sunt acoperite cu o carcasă metalică subțire, rezistentă la coroziune. Zirconiu, aluminiu, aliaje de magneziu, precum și oțel inoxidabil aliat sunt utilizate pentru carcasă.

Transferul căldurii eliberate în timpul unei reacții nucleare în miezul reactorului către corpul de lucru al motorului (turbinei) centralelor electrice se realizează conform schemelor cu un singur circuit, cu dublu și cu trei circuite (Fig. 2).

Orez. 2. Centrală nucleară
a – după o schemă cu un singur circuit; b – după o schemă cu dublu circuit; c – după o schemă cu trei circuite
1 – reactor; 2, 3 – protectie biologica; 4 – regulator de presiune; 5 – turbină; 6 – generator electric; 7 – condensator; 8 – pompa; 9 – capacitate de rezervă; 10 – încălzitor regenerativ; 11 – generator de abur; 12 – pompa; 13 – schimbător de căldură intermediar

Fiecare circuit este un sistem închis. Reactor 1 (în toate circuitele termice) situate în interiorul primarului 2 si secundar 3 protectie biologica. Dacă centrala nucleară este construită conform unui circuit termic cu un singur circuit, abur din reactor prin regulatorul de presiune 4 intră în turbină 5 . Arborele turbinei este conectat la arborele generatorului electric 6 , în care se generează curent electric. Aburul evacuat intră în condensator, unde este răcit și complet condensat. Pompa 8 direcționează condensul către încălzitorul regenerativ 10 , și apoi intră în reactor.

Într-o schemă cu dublu circuit, lichidul de răcire încălzit în reactor intră în generatorul de abur 11 , unde căldura este transferată prin încălzirea suprafeței către lichidul de răcire al fluidului de lucru (apa de alimentare din circuitul secundar). În reactoarele răcite cu apă, lichidul de răcire din generatorul de abur este răcit cu aproximativ 15...40 o C și apoi de o pompă de circulație. 12 este trimis înapoi în reactor.

Într-un proiect cu trei circuite, lichidul de răcire (de obicei sodiu lichid) din reactor este direcționat către un schimbător de căldură intermediar 13 si de acolo cu pompa de circulatie 12 se întoarce în reactor. Lichidul de răcire din al doilea circuit este și sodiu lichid. Acest circuit nu este iradiat și, prin urmare, este neradioactiv. Sodiul din circuitul secundar intră în generatorul de abur 11 , degajă căldură fluidului de lucru și apoi este trimis înapoi la schimbătorul de căldură intermediar de către pompa de circulație.

Numărul de circuite de circulație determină tipul de reactor, lichidul de răcire utilizat, proprietățile fizice nucleare ale acestuia și gradul de radioactivitate. Circuitul cu o singură buclă poate fi utilizat în reactoare de fierbere și în reactoare cu lichid de răcire cu gaz. Cel mai răspândit circuit cu dublu circuit atunci când utilizați apă, gaz și lichide organice ca lichid de răcire. Schema cu trei circuite este utilizată la centralele nucleare cu reactoare cu neutroni rapidi care utilizează lichide de răcire metalice (aliaje de sodiu, potasiu, sodiu-potasiu).

Combustibilul nuclear poate fi uraniu-235, uraniu-233 și plutoniu-232. Materii prime pentru obținerea combustibilului nuclear - uraniu și toriu natural. O reacție nucleară de un gram de material fisionabil (uraniu-235) eliberează energie echivalentă cu 22×10 3 kW × h (19×10 6 cal). Pentru a obține această cantitate de energie, este necesar să ardeți 1900 kg de ulei.

Uraniul-235 este ușor disponibil și rezervele sale de energie sunt aproximativ aceleași cu cele ale combustibililor fosili. Cu toate acestea, dacă combustibilul nuclear este utilizat cu o eficiență atât de scăzută pe cât este disponibil în prezent, sursele de uraniu disponibile se vor epuiza în 50-100 de ani. În același timp, „depozitele” de combustibil nuclear sunt practic inepuizabile - acesta este uraniu dizolvat în apa de mare. Există de sute de ori mai mult în ocean decât pe uscat. Costul obținerii unui kilogram de dioxid de uraniu din apa de mare este de aproximativ 60-80 USD, iar în viitor va scădea la 30 USD, iar costul dioxidului de uraniu extras în cele mai bogate zăcăminte de pe uscat este de 10-20 USD. Prin urmare, după ceva timp, costurile pe uscat și „pe apă de mare” vor deveni de aceeași ordine.

Costul combustibilului nuclear este de aproximativ două ori mai mic decât cel al cărbunelui fosil. La centralele pe cărbune, ponderea combustibilului scade cu 50-70% din costul energiei electrice, iar la centralele nucleare - 15-30%. O centrală termică modernă cu o capacitate de 2,3 milioane kW (de exemplu, Centrala electrică din districtul de stat Samara) consumă aproximativ 18 tone de cărbune (6 trenuri) sau 12 mii de tone de păcură (4 trenuri) în fiecare zi. Nuclearul, de aceeași putere, consumă doar 11 kg de combustibil nuclear pe zi și 4 tone pe parcursul anului. Cu toate acestea, o centrală nucleară este mai scumpă decât o centrală termică în ceea ce privește construcția, exploatarea și repararea. De exemplu, construcția unei centrale nucleare cu o capacitate de 2 - 4 milioane kW costă cu aproximativ 50-100% mai mult decât una termică.

Este posibilă reducerea costurilor de capital pentru construcția de centrale nucleare datorită:

1. standardizarea și unificarea echipamentelor;
2. dezvoltarea de proiecte de reactoare compacte;
3. îmbunătățirea sistemelor de management și reglementare;
4. reducerea duratei de oprire a reactorului pentru realimentarea cu combustibil.

O caracteristică importantă a centralelor nucleare (reactoare nucleare) este eficiența ciclului combustibilului. Pentru a îmbunătăți eficiența ciclului de combustibil, ar trebui să:

• creșterea consumului de combustibil nuclear;
• crește rata de reproducere a plutoniului.

Cu fiecare fisiune a nucleului de uraniu-235 sunt eliberați 2-3 neutroni. Dintre aceștia, doar unul este folosit pentru reacția ulterioară, restul sunt pierdute. Cu toate acestea, este posibil să le folosiți pentru a reproduce combustibilul nuclear, creând reactoare rapide cu neutroni. Când se operează un reactor cu neutroni rapidi, este posibil să se obțină simultan aproximativ 1,7 kg de plutoniu-239 la 1 kg de uraniu-235 ars. În acest fel, eficiența termică scăzută a centralelor nucleare poate fi acoperită.

Reactoarele cu neutroni rapidi sunt de zeci de ori mai eficiente (în ceea ce privește utilizarea combustibilului nuclear) decât reactoarele cu neutroni cu combustibil. Nu conțin un moderator și folosesc combustibil nuclear foarte îmbogățit. Neutronii care scapă din miez sunt absorbiți nu de materialele structurale, ci de uraniul-238 sau toriu-232 situat în jurul lor.

Pe viitor, principalele materiale fisionabile pentru centralele nucleare vor fi plutoniul-239 și uraniul-233, obținute respectiv din uraniu-238 și, respectiv, toriu-232 în reactoare cu neutroni rapizi. Transformarea uraniului-238 în plutoniu-239 în reactoare va crește resursele de combustibil nuclear de aproximativ 100 de ori, iar toriu-232 în uraniu-233 de 200 de ori.

În fig. Figura 3 prezintă o diagramă a unei centrale nucleare care utilizează neutroni rapizi.

Caracteristicile distinctive ale unei centrale nucleare cu neutroni rapidi sunt:

1. modificarea criticității unui reactor nuclear se realizează prin reflectarea unei părți a neutronilor de fisiune ai combustibilului nuclear de la periferie înapoi în miez folosind reflectoare. 3 ;
2. reflectoare 3 se poate roti, modificând scurgerea de neutroni și, prin urmare, intensitatea reacțiilor de fisiune;
3. combustibilul nuclear este reprodus;
4. Excesul de energie termică este îndepărtat din reactor folosind un frigider cu radiator 6 .

Orez. 3. Diagrama unei centrale nucleare folosind neutroni rapizi:
1 – elemente de combustibil; 2 – combustibil nuclear reproductibil; 3 – reflectoare de neutroni rapizi; 4 – reactor nuclear; 5 – consumator de energie electrică; 6 – frigider-emițător; 7 – convertor de energie termică în energie electrică; 8 – protecția împotriva radiațiilor.

Convertoare de energie termică în energie electrică

Pe baza principiului utilizării energiei termice generate de o centrală nucleară, convertoarele pot fi împărțite în 2 clase:

1. mașină (dinamică);
2. fără mașină (convertoare directe).

În convertoarele de mașini, o unitate de turbină cu gaz este de obicei conectată la reactor, în care fluidul de lucru poate fi hidrogen, heliu sau un amestec de heliu-xenon. Eficiența conversiei căldurii furnizate direct turbogeneratorului în energie electrică este destul de mare - eficiența convertorului η = 0,7-0,75.

Diagrama unei centrale nucleare cu un convertor dinamic de turbină cu gaz (mașină) este prezentată în Fig. 4.

Un alt tip de convertor de mașină este un generator magnetogasdinamic sau magnetohidrodinamic (MGDG). Diagrama unui astfel de generator este prezentată în Fig. 5. Generatorul este un canal dreptunghiular, dintre care doi pereți sunt din dielectric și doi din material conductiv electric. Un fluid de lucru conductiv de electricitate - lichid sau gazos - se deplasează prin canale și este pătruns de un câmp magnetic. După cum se știe, atunci când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, apare o fem, care peste electrozi 2 transferat către consumatorul de energie electrică 3 . Sursa de energie pentru fluxul de căldură de lucru este căldura eliberată într-un reactor nuclear. Această energie termică este cheltuită pe sarcini în mișcare într-un câmp magnetic, adică. este transformată în energia cinetică a unui jet conducător de curent, iar energia cinetică în energie electrică.

Orez. 4. Schema unei centrale nucleare cu convertor cu turbină cu gaz:
1 – reactor; 2 – circuit cu lichid de răcire metalic lichid; 3 – schimbător de căldură pentru alimentarea cu căldură a gazului; 4 – turbină; 5 – generator electric; 6 – compresor; 7 – frigider-emițător; 8 – circuit de îndepărtare a căldurii; 9 – pompa de circulatie; 10 – schimbător de căldură pentru îndepărtarea căldurii; 11 – schimbător de căldură-regenerator; 12 – circuit cu fluidul de lucru al convertorului turbinei cu gaz.

Convertizoarele directe (fără mașină) de energie termică în energie electrică sunt împărțite în:

1. termoelectric;
2. termoionică;
3. electrochimic.

Generatoarele termoelectrice (TEG) se bazează pe principiul Seebeck, care constă în faptul că într-un circuit închis format din materiale diferite, apare o termo-emf dacă se menține o diferență de temperatură în punctele de contact ale acestor materiale (Fig. 6). ). Pentru a genera energie electrică, este indicat să folosiți TEG-uri cu semiconductori care au o eficiență mai mare, în timp ce temperatura joncțiunii fierbinți trebuie ridicată la 1400 K și mai mare.

Convertizoarele termoionice (TEC) fac posibilă generarea de energie electrică ca urmare a emisiei de electroni de la un catod încălzit la temperaturi ridicate (Fig. 7).

Orez. 5. Generator magnetogasdinamic:
1 – câmp magnetic; 2 – electrozi; 3 – consumator de energie electrică; 4 – dielectric; 5 – conductor; 6 – fluid de lucru (gaz).

Orez. 6. Schema de funcționare a unui generator termoelectric

Orez. 7. Schema de funcționare a convertorului termoionic

Pentru a menține curentul de emisie, caldura este furnizată catodului Q 1 . Electronii emiși de catod, depășind spațiul de vid, ajung la anod și sunt absorbiți de acesta. Când electronii se „condensează” la anod, se eliberează energie egală cu funcția de lucru a electronilor cu semnul opus. Dacă oferim o alimentare continuă de căldură catodului și îl scoatem din anod, atunci prin sarcină R va curge curent continuu. Emisia de electroni are loc eficient la temperaturi ale catodului peste 2200 K.

Siguranța și fiabilitatea centralelor nucleare

Una dintre principalele probleme în dezvoltarea energiei nucleare este asigurarea fiabilității și siguranței centralelor nucleare.

Securitatea radiațiilor este asigurată de:

1. crearea de structuri și dispozitive fiabile pentru protecția biologică a personalului împotriva radiațiilor;
2. purificarea aerului și apei care părăsesc incinta centralei nucleare;
3. extragerea și localizarea fiabilă a contaminării radioactive;
4. monitorizarea zilnică a radiațiilor a incintelor centralei nucleare și monitorizarea radiațiilor individuale a personalului.

Spațiile CNE, în funcție de modul de funcționare și de echipamentele instalate în acestea, sunt împărțite în 3 categorii:

1. zona de inalta securitate;
2. zona restrictionata;
3. zona de mod normal.

Personalul se află permanent în încăperi de categoria a treia, aceste încăperi de la stație sunt sigure pentru radiații.

În timpul funcționării centralelor nucleare se generează deșeuri radioactive solide, lichide și gazoase. Acestea trebuie eliminate într-o manieră care să nu creeze poluare a mediului.

Gazele îndepărtate din incintă în timpul ventilației pot conține substanțe radioactive sub formă de aerosoli, praf radioactiv și gaze radioactive. Ventilația stației este construită în așa fel încât fluxurile de aer să treacă de la cel mai „curat” la cel „poluat”, iar fluxurile în sens invers să fie excluse. În toate zonele stației, înlocuirea completă a aerului se efectuează în cel mult o oră.

În timpul funcționării centralelor nucleare se pune problema eliminării și eliminării deșeurilor radioactive. Elementele de combustibil petrecute în reactoare sunt păstrate un anumit timp în bazine de apă direct la centrala nucleară până când izotopii cu timpi de înjumătățire scurt sunt stabilizați, după care elementele de combustibil sunt trimise la instalații radiochimice speciale pentru regenerare. Acolo, combustibilul nuclear este extras din barele de combustibil, iar deșeurile radioactive sunt supuse înmormântării.

Totul este foarte simplu. Într-un reactor nuclear, uraniul-235 se descompune, eliberând o cantitate imensă de energie termică, fierbe apa, aburul sub presiune transformă o turbină, care rotește un generator electric, care generează electricitate.

Știința știe despre cel puțin un reactor nuclear natural. Este situat în zăcământul de uraniu Oklo din Gabon. Adevărat, deja se răcise cu un miliard și jumătate de ani în urmă.

Uraniul-235 este unul dintre izotopii uraniului. Diferă de uraniul simplu prin faptul că din nucleul său îi lipsesc 3 neutroni, ceea ce face ca nucleul să devină mai puțin stabil și să se rupă în două atunci când un neutron îl lovește cu viteză mare. În același timp, sunt eliberați alți 2-3 neutroni, care pot intra într-un alt nucleu de Uraniu-235 și îl pot diviza. Și așa mai departe în lanț. Aceasta se numește reacție nucleară.

Reacție controlată

Dacă nu controlezi reacția nucleară în lanț și merge prea repede, vei obține o adevărată explozie nucleară. Prin urmare, procesul trebuie monitorizat cu atenție și nu trebuie lăsat uraniul să se descompună prea repede. Pentru a face acest lucru, combustibilul nuclear din tuburile metalice este plasat într-un moderator - o substanță care încetinește neutronii și transformă energia lor cinetică în căldură.

Pentru a controla viteza de reacție, tijele de material care absorb neutroni sunt scufundate în moderator. Când aceste tije sunt ridicate, captează mai puțini neutroni și reacția se accelerează. Dacă tijele sunt coborâte, reacția va încetini din nou.

O chestiune de tehnologie

Conductele uriașe din centralele nucleare nu sunt de fapt conducte, ci turnuri de răcire - turnuri pentru răcirea rapidă a aburului.

În momentul dezintegrarii, miezul se împarte în două părți, care zboară separat cu o viteză vertiginoasă. Dar nu zboară departe - lovesc atomii vecini, iar energia cinetică se transformă în energie termică.

Apoi această căldură este folosită pentru a încălzi apa, transformându-l în abur, aburul întoarce turbina, iar turbina întoarce generatorul, care generează electricitate, la fel ca într-o centrală termică convențională care funcționează pe cărbune.

E amuzant, dar toată această fizică nucleară, izotopi de uraniu, reacții nucleare în lanț - toate pentru a fierbe apa.

Pentru curatenie

Energia nucleară este folosită nu numai în centralele nucleare. Există nave și submarine alimentate cu energie nucleară. În anii 50 au fost dezvoltate chiar mașini nucleare, avioane și trenuri.

Ca rezultat al funcționării unui reactor nuclear, se generează deșeuri radioactive. Unele dintre ele pot fi reciclate pentru utilizare ulterioară, în timp ce altele trebuie păstrate în spații speciale de depozitare, astfel încât să nu dăuneze oamenilor și mediului.

În ciuda acestui fapt, energia nucleară este acum una dintre cele mai ecologice. Centralele nucleare nu produc emisii, necesită foarte puțin combustibil, ocupă puțin spațiu și sunt foarte sigure atunci când sunt utilizate corect.

Dar după accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl, multe țări au suspendat dezvoltarea energiei nucleare. Deși, de exemplu, în Franța aproape 80 la sută din energie este generată de centrale nucleare.

În anii 2000, din cauza prețului ridicat al petrolului, toată lumea și-a amintit de energia nucleară. Există evoluții în centralele nucleare compacte care sunt sigure, pot funcționa zeci de ani și nu necesită întreținere.

Una dintre cele mai globale probleme ale omenirii este energia. Infrastructura civilă, industrie, armata - toate acestea necesită o cantitate uriașă de energie electrică și o mulțime de minerale sunt alocate în fiecare an pentru a o genera. Problema este că aceste resurse nu sunt infinite, iar acum, deși situația este mai mult sau mai puțin stabilă, trebuie să ne gândim la viitor. S-au pus mari speranțe în energia electrică alternativă, curată, însă, după cum arată practica, rezultatul final este departe de a fi dorit. Costurile centralelor solare sau eoliene sunt uriașe, dar cantitatea de energie este minimă. Și de aceea centralele nucleare sunt acum considerate cea mai promițătoare opțiune pentru dezvoltarea ulterioară.

Istoria centralei nucleare

Primele idei privind utilizarea atomilor pentru a genera energie electrică au apărut în URSS în jurul anilor 40 ai secolului XX, cu aproape 10 ani înainte de crearea propriilor arme de distrugere în masă pe această bază. În 1948 a fost dezvoltat principiul de funcționare al centralelor nucleare și, în același timp, a fost posibil pentru prima dată în lume să alimenteze dispozitive din energie atomică. În 1950, Statele Unite au finalizat construcția unui mic reactor nuclear, care la acea vreme putea fi considerat singura centrală electrică de acest tip de pe planetă. Adevărat, a fost experimental și a produs doar 800 de wați de putere. În același timp, în URSS se punea bazele primei centrale nucleare cu drepturi depline din lume, deși după punerea în funcțiune încă nu producea energie electrică la scară industrială. Acest reactor a fost folosit mai mult pentru a perfecționa tehnologia.

Din acel moment, în întreaga lume a început construcția masivă a centralelor nucleare. Pe lângă liderii tradiționali din această „cursă”, SUA și URSS, primele reactoare au apărut în:

• 1956 - Marea Britanie.
• 1959 - Franța.
• 1961 - Germania.
• 1962 - Canada.
• 1964 - Suedia.
• 1966 - Japonia.

Numărul de centrale nucleare construite a crescut constant, până la dezastrul de la Cernobîl, după care construcția a început să înghețe și, treptat, multe țări au început să abandoneze energia nucleară. În prezent, noi astfel de centrale electrice apar în principal în Rusia și China. Unele țări care au plănuit anterior să treacă la un alt tip de energie revin treptat la program și este posibilă o nouă creștere a construcției centralelor nucleare în viitorul apropiat. Aceasta este o etapă obligatorie în dezvoltarea umană, cel puțin până când se găsesc alte opțiuni eficiente de producere a energiei.

Caracteristicile energiei nucleare

Principalul avantaj este generarea de cantități uriașe de energie cu un consum minim de combustibil și aproape fără poluare. Principiul de funcționare al unui reactor nuclear la o centrală nucleară se bazează pe un simplu motor cu abur și folosește apa ca element principal (fără a lua în calcul combustibilul în sine), prin urmare, din punct de vedere al mediului, daunele sunt minime. Pericolul potențial al centralelor electrice de acest tip este mult exagerat. Cauzele dezastrului de la Cernobîl încă nu au fost stabilite în mod fiabil (mai multe despre asta mai jos) și, în plus, toate informațiile colectate în cadrul anchetei au făcut posibilă modernizarea centralelor existente, eliminând chiar și opțiunile improbabile pentru emisiile de radiații. Ecologiștii spun uneori că astfel de stații sunt o sursă puternică de poluare termică, dar nici acest lucru nu este în întregime adevărat. Într-adevăr, apa caldă din circuitul secundar intră în rezervoare, dar cel mai adesea se folosesc versiuni artificiale ale acestora, create special în acest scop, iar în alte cazuri ponderea unei astfel de creșteri a temperaturii nu poate fi comparată cu poluarea din alte surse de energie.

Problema cu combustibilul

Nu cel mai mic rol în popularitatea centralelor nucleare îl joacă combustibilul - uraniu-235. Este necesar mult mai puțin decât orice alt tip, cu o eliberare uriașă simultană de energie. Principiul de funcționare al unui reactor de centrală nucleară presupune utilizarea acestui combustibil sub formă de „tablete” speciale plasate în tije. De fapt, singura dificultate în acest caz este crearea unei astfel de forme. Cu toate acestea, recent au început să apară informații că rezervele globale actuale nu vor dura nici prea mult. Dar acest lucru a fost deja prevăzut. Cele mai noi reactoare cu trei circuite funcționează pe uraniu-238, din care există o mulțime, iar problema penuriei de combustibil va dispărea pentru o lungă perioadă de timp.

Principiul de funcționare al unei centrale nucleare cu dublu circuit

După cum am menționat mai sus, se bazează pe un motor cu abur convențional. Pe scurt, principiul de funcționare al unei centrale nucleare este de a încălzi apa din circuitul primar, care la rândul său încălzește apa din circuitul secundar în starea de abur. Acesta curge în turbină, rotind paletele, determinând generatorul să producă energie electrică. Aburul „deșeu” intră în condensator și se transformă înapoi în apă. Acest lucru creează un ciclu aproape închis. În teorie, toate acestea ar putea funcționa și mai simplu, folosind un singur circuit, dar acest lucru este cu adevărat nesigur, deoarece apa din acesta, în teorie, poate fi supusă contaminării, ceea ce este exclus atunci când se utilizează un standard de sistem pentru majoritatea centralelor nucleare. cu două cicluri de apă izolate unul de celălalt.

Principiul de funcționare al unei centrale nucleare cu trei circuite

Acestea sunt centrale electrice mai moderne care funcționează cu uraniu-238. Rezervele sale reprezintă mai mult de 99% din toate elementele radioactive din lume (de aici și perspectivele uriașe de utilizare). Principiul de funcționare și proiectarea acestui tip de centrale nucleare constă în prezența a până la trei circuite și utilizarea activă a sodiului lichid. În general, totul rămâne cam la fel, dar cu adăugiri minore. În circuitul primar, încălzit direct din reactor, acest sodiu lichid circulă la temperatură ridicată. Al doilea cerc este încălzit din primul și, de asemenea, folosește același lichid, dar nu atât de fierbinte. Și numai atunci, deja în al treilea circuit, se folosește apa, care este încălzită de la a doua la starea de abur și rotește turbina. Sistemul se dovedește a fi mai complex din punct de vedere tehnologic, dar o astfel de centrală nucleară trebuie construită o singură dată, iar apoi nu mai rămâne decât să te bucuri de roadele muncii.

Cernobîl

Principiul de funcționare al centralei nucleare de la Cernobîl este considerată a fi principala cauză a dezastrului. Oficial, există două versiuni ale celor întâmplate. Potrivit unuia, problema a apărut din cauza acțiunilor necorespunzătoare ale operatorilor reactorului. Potrivit celui de-al doilea, din cauza proiectării nereușite a centralei electrice. Cu toate acestea, principiul de funcționare al centralei nucleare de la Cernobîl a fost folosit și în alte stații de acest tip, care funcționează corect până în prezent. Există opinia că s-a produs un lanț de accidente, care este aproape imposibil de repetat. Aceasta include un mic cutremur în zonă, efectuarea unui experiment cu reactorul, probleme minore cu designul în sine și așa mai departe. Toate acestea au provocat explozia. Cu toate acestea, motivul care a provocat o creștere bruscă a puterii reactorului atunci când nu ar fi trebuit să fie așa este încă necunoscut. A existat chiar și o părere despre un posibil sabotaj, dar nu s-a dovedit nimic până astăzi.

Fukushima

Acesta este un alt exemplu de dezastru global care implică o centrală nucleară. Și în acest caz, cauza a fost un lanț de accidente. Stația a fost protejată în mod fiabil de cutremure și tsunami, care nu sunt neobișnuite pe coasta japoneză. Puțini și-ar fi putut imagina că ambele evenimente ar avea loc simultan. Principiul de funcționare al generatorului CNE Fukushima a presupus utilizarea surselor externe de energie pentru a menține în funcțiune întregul complex de siguranță. Aceasta este o măsură rezonabilă, deoarece ar fi dificil să obțineți energie din centrală în timpul unui accident. Din cauza cutremurului și a tsunami-ului, toate aceste surse au eșuat, provocând topirea reactoarelor și provocarea unui dezastru. Acum se fac eforturi pentru a repara pagubele. Potrivit experților, acest lucru va dura încă 40 de ani.

În ciuda întregii sale eficiențe, energia nucleară rămâne încă destul de costisitoare, deoarece principiile de funcționare ale unui generator de abur al unei centrale nucleare și ale celorlalte componente ale acestuia implică costuri uriașe de construcție care trebuie recuperate. În prezent, electricitatea din cărbune și petrol este încă mai ieftină, dar aceste resurse se vor epuiza în următoarele decenii, iar în următorii câțiva ani, energia nucleară va fi mai ieftină decât orice altceva. În prezent, electricitatea ecologică din surse alternative de energie (centrale eoliene și solare) costă de aproximativ 20 de ori mai mult.

Se crede că principiul de funcționare al centralelor nucleare nu permite ca astfel de stații să fie construite rapid. Nu este adevarat. Construcția unei instalații de acest tip durează aproximativ 5 ani.

Stațiile sunt perfect protejate nu numai de potențialele emisii de radiații, ci și de majoritatea factorilor externi. De exemplu, dacă teroriștii ar fi ales orice centrală nucleară în locul turnurilor gemene, ei ar fi putut provoca doar pagube minime infrastructurii din jur, ceea ce nu ar afecta în niciun fel funcționarea reactorului.

Rezultate

Principiul de funcționare al centralelor nucleare nu este practic diferit de principiile de funcționare ale majorității celorlalte centrale electrice tradiționale. Energia aburului este folosită peste tot. Centralele hidroelectrice folosesc presiunea apei curgătoare și chiar și acele modele care funcționează cu energie solară folosesc și lichid care este încălzit până la fierbere și învârt turbinele. Singura excepție de la această regulă sunt parcurile eoliene, în care palele se rotesc din cauza mișcării maselor de aer.