Kto vynašiel jadrovú elektráreň. Jadrová elektráreň: dizajn a vplyv na životné prostredie. Veľké tepelné elektrárne, jadrové elektrárne a vodné elektrárne v Rusku

Jadrové elektrárne

Jadrové elektrárne sú jadrové zariadenia, ktoré vyrábajú energiu pri zachovaní stanovených režimov za určitých podmienok. Na tieto účely sa využíva územie definované projektom, kde sú jadrové reaktory využívané v kombinácii s potrebnými systémami, prístrojmi, zariadeniami a štruktúrami na plnenie zadaných úloh. Na vykonávanie cielených úloh sa podieľajú špecializovaní pracovníci.

Všetky jadrové elektrárne v Rusku

História jadrovej energetiky u nás a v zahraničí

Druhá polovica 40. rokov sa niesla v znamení začiatku prác na vytvorení prvého projektu využitia mierových atómov na výrobu elektriny. V roku 1948 I.V. Kurčatov, vedený pokynmi strany a sovietskej vlády, predložil návrh na začatie prác na praktickom využití atómovej energie na výrobu elektriny.

O dva roky neskôr, v roku 1950, neďaleko obce Obninskoye, ktorá sa nachádza v regióne Kaluga, sa začala výstavba prvej jadrovej elektrárne na planéte. Spustenie prvej priemyselnej jadrovej elektrárne na svete, ktorej výkon bol 5 MW, sa uskutočnilo 27. júna 1954. Sovietsky zväz sa stal prvou mocnosťou na svete, ktorá použila atóm na mierové účely. Stanica bola otvorená v Obninsku, ktorý v tom čase získal štatút mesta.

Sovietski vedci sa tam však nezastavili, pokračovali v práci týmto smerom, najmä o štyri roky neskôr v roku 1958 začala prevádzka prvej etapy sibírskej jadrovej elektrárne. Jeho výkon bol mnohonásobne väčší ako stanica v Obninsku a dosahoval 100 MW. Ale pre domácich vedcov to nebol limit, po dokončení všetkých prác bola projektovaná kapacita stanice 600 MW.

V rozľahlosti Sovietskeho zväzu mala výstavba jadrových elektrární v tom čase obrovský rozsah. V tom istom roku sa začala výstavba Belojarskej jadrovej elektrárne, ktorej prvá etapa už v apríli 1964 zásobovala prvých spotrebiteľov. Geografia výstavby jadrových elektrární zaplietla do svojej siete celú krajinu, v tom istom roku bol spustený prvý blok jadrovej elektrárne vo Voroneži s výkonom 210 MW, druhý blok spustený o päť rokov neskôr v r. 1969, sa pýšil výkonom 365 MW. Boom výstavby jadrových elektrární neutíchal počas celej sovietskej éry. Nové stanice, prípadne ďalšie jednotky už vybudovaných, sa spúšťali v niekoľkoročných intervaloch. Takže už v roku 1973 dostal Leningrad vlastnú jadrovú elektráreň.

Sovietska veľmoc však nebola jediná na svete, ktorá dokázala rozvinúť takéto projekty. V Spojenom kráľovstve tiež nezaspali a uvedomujúc si prísľub tejto oblasti, aktívne študovali túto problematiku. Len o dva roky neskôr, po otvorení stanice v Obninsku, Briti spustili vlastný projekt vývoja mierového atómu. V roku 1956 v meste Calder Hall Briti spustili vlastnú stanicu, ktorej výkon prevyšoval jej sovietsky náprotivok a dosahoval 46 MW. Nezaostávali ani na druhej strane Atlantiku, o rok neskôr Američania slávnostne spustili do prevádzky stanicu v Shippingporte. Kapacita zariadenia bola 60 MW.

Vývoj mierového atómu bol však plný skrytých hrozieb, o ktorých sa čoskoro dozvedel celý svet. Prvým znakom bola veľká nehoda na Three Mile Island, ku ktorej došlo v roku 1979, a po nej došlo ku katastrofe, ktorá zasiahla celý svet, v Sovietskom zväze, v malom meste Černobyľ, došlo k veľkej katastrofe, toto sa stalo v roku 1986. Následky tragédie boli nenapraviteľné, no okrem toho táto skutočnosť prinútila celý svet premýšľať o možnosti využitia jadrovej energie na mierové účely.

Svetoví lídri v tomto odvetví vážne uvažujú o zlepšení bezpečnosti jadrových zariadení. Výsledkom bolo uskutočnenie ustanovujúceho zhromaždenia, ktoré sa zorganizovalo 15. mája 1989 v sovietskej metropole. Zhromaždenie rozhodlo o vytvorení Svetovej asociácie, ktorá by mala zahŕňať všetkých prevádzkovateľov jadrových elektrární, jej všeobecne uznávaná skratka je WANO. Organizácia v priebehu realizácie svojich programov systematicky monitoruje zvyšovanie úrovne bezpečnosti jadrových elektrární vo svete. Napriek všetkému vynaloženému úsiliu však nápor živlov nevydržia ani tie najmodernejšie a na prvý pohľad zdanlivo bezpečné predmety. Práve v dôsledku endogénnej katastrofy, ktorá sa prejavila v podobe zemetrasenia a následnej vlny cunami, došlo v roku 2011 k nehode na stanici Fukušima-1.

Atómový výpadok

Klasifikácia JE

Jadrové elektrárne sú klasifikované podľa dvoch kritérií: typu energie, ktorú vyrábajú, a typu reaktora. V závislosti od typu reaktora sa určuje množstvo vyrobenej energie, úroveň bezpečnosti a tiež to, aké suroviny sa na stanici používajú.

Podľa typu energie, ktorú stanice vyrábajú, sa delia na dva typy:

Jadrové elektrárne. Ich hlavnou funkciou je výroba elektrickej energie.

Jadrové tepelné elektrárne. Vďaka inštalovaným vykurovacím zariadeniam s využitím tepelných strát, ktoré sú na stanici nevyhnutné, je možný ohrev sieťovej vody. Tieto stanice teda okrem elektriny vyrábajú aj tepelnú energiu.

Po preskúmaní mnohých možností vedci dospeli k záveru, že najracionálnejšie sú tri ich odrody, ktoré sa v súčasnosti používajú po celom svete. Líšia sa niekoľkými spôsobmi:

1. Použité palivo;
2. Použité chladiace kvapaliny;
3. Aktívne zóny fungujú na udržanie požadovanej teploty;
4. Typ moderátora, ktorý znižuje rýchlosť neutrónov, ktoré sa uvoľňujú počas rozpadu a sú tak nevyhnutné na podporu reťazovej reakcie.

Najbežnejším typom je reaktor využívajúci ako palivo obohatený urán. Ako chladivo a moderátor sa tu používa obyčajná alebo ľahká voda. Takéto reaktory sa nazývajú ľahkovodné reaktory; existujú dva typy. V prvom sa para používaná na otáčanie turbín vytvára v jadre nazývanom vriaci reaktor. V druhom prípade dochádza k tvorbe pary vo vonkajšom okruhu, ktorý je pripojený k prvému okruhu cez výmenníky tepla a parogenerátory. Tento reaktor sa začal vyvíjať v päťdesiatych rokoch minulého storočia, základom bol program americkej armády. Paralelne, približne v rovnakom čase, Únia vyvinula varný reaktor, v ktorom ako moderátor fungovala grafitová tyč.

Práve typ reaktora s moderátorom tohto typu našiel uplatnenie v praxi. Hovoríme o plynom chladenom reaktore. Jeho história sa začala koncom štyridsiatych a začiatkom päťdesiatych rokov 20. storočia, spočiatku sa vývoj tohto typu používal pri výrobe jadrových zbraní. V tomto ohľade sú na to vhodné dva druhy paliva: plutónium na zbrane a prírodný urán.

Posledným projektom, ktorý sprevádzal komerčný úspech, bol reaktor, kde sa ako chladivo používa ťažká voda a ako palivo nám už známy prírodný urán. Takéto reaktory pôvodne navrhovalo viacero krajín, no nakoniec sa ich výroba sústredila do Kanady, čo je spôsobené prítomnosťou masívnych ložísk uránu v tejto krajine.

Tóriové jadrové elektrárne – energia budúcnosti?

História zdokonaľovania typov jadrových reaktorov

Reaktor prvej jadrovej elektrárne na planéte bol veľmi rozumný a životaschopný projekt, ktorý sa osvedčil počas mnohých rokov bezchybnej prevádzky stanice. Medzi jeho základné prvky patrili:

1. bočná ochrana vody;
2. murovaný plášť;
3. Horné poschodie;
4. zberné potrubie;
5. palivový kanál;
6. horná doska;
7. grafitové murivo;
8. spodná doska;
9. rozvodného potrubia.

Ako hlavný konštrukčný materiál plášťov palivových tyčí a technologických kanálov bola zvolená nehrdzavejúca oceľ, v tom čase neboli známe zliatiny zirkónia, ktoré by mohli mať vlastnosti vhodné na prácu pri teplotách 300°C. Chladenie takého reaktora sa uskutočňovalo vodou a tlak, pod ktorým bol privádzaný, bol 100 at. V tomto prípade sa uvoľnila para s teplotou 280°C, čo je pomerne mierny parameter.

Kanály jadrového reaktora boli navrhnuté tak, aby sa dali úplne vymeniť. Je to spôsobené obmedzením zdrojov, ktoré je určené časom, počas ktorého palivo zostáva v zóne aktivity. Projektanti nenašli dôvod očakávať, že konštrukčné materiály nachádzajúce sa v ožiarenej zóne budú schopné vyčerpať celú svoju životnosť, a to cca 30 rokov.

Pokiaľ ide o dizajn TVEL, bolo rozhodnuté prijať rúrkovú verziu s jednosmerným chladiacim mechanizmom

Tým sa znížila pravdepodobnosť, že sa štiepne produkty dostanú do okruhu v prípade poškodenia palivovej tyče. Na reguláciu teploty plášťa palivového článku sa použilo palivové zloženie zliatiny uránu a molybdénu, ktoré malo formu zŕn rozptýlených cez teplovodnú matricu. Takto spracované jadrové palivo umožnilo získať vysoko spoľahlivé palivové tyče. ktoré boli schopné prevádzky pri vysokom tepelnom zaťažení.

Príkladom ďalšieho kola vývoja mierových jadrových technológií môže byť neslávne známa jadrová elektráreň v Černobyle. V tom čase boli technológie použité pri jeho konštrukcii považované za najpokročilejšie a typ reaktora bol považovaný za najmodernejší na svete. Hovoríme o reaktore RBMK-1000.

Tepelný výkon jedného takéhoto reaktora dosiahol 3200 MW, pričom má dva turbogenerátory, ktorých elektrický výkon dosahuje 500 MW, takže jeden pohonný blok má elektrický výkon 1000 MW. Ako palivo pre RBMK sa použil obohatený oxid uraničitý. V počiatočnom stave pred začiatkom procesu jedna tona takéhoto paliva obsahuje asi 20 kg paliva, a to uránu - 235. Pri stacionárnom zavážaní oxidu uraničitého do reaktora je hmotnosť látky 180 ton.

Proces nakladania však nepredstavuje hromadný objem, do reaktora sa umiestňujú nám už dobre známe palivové články. V podstate sú to rúrky vyrobené zo zliatiny zirkónu. Obsahom sú cylindrické tablety oxidu uraničitého. V zóne aktivity reaktora sú umiestnené v palivových kazetách, z ktorých každá kombinuje 18 palivových tyčí.

Takýchto zostáv je v takomto reaktore až 1700 a sú umiestnené v grafitovom komíne, kde sú vertikálne technologické kanály navrhnuté špeciálne pre tieto účely. V nich cirkuluje chladiaca kvapalina, ktorej úlohu v RMBK zohráva voda. K vodnej vírivke dochádza vplyvom obehových čerpadiel, ktorých je osem. Reaktor je umiestnený vo vnútri šachty a grafické murivo je umiestnené vo valcovom plášti s hrúbkou 30 mm. Nosičom celej aparatúry je betónový základ, pod ktorým sa nachádza bazénik - bublanina, ktorá slúži na lokalizáciu havárie.

Tretia generácia reaktorov využíva ťažkú ​​vodu

Jeho hlavným prvkom je deutérium. Najbežnejší dizajn sa nazýva CANDU, bol vyvinutý v Kanade a je široko používaný po celom svete. Jadro takýchto reaktorov je umiestnené v horizontálnej polohe a úlohu vykurovacej komory zohrávajú valcové nádrže. Palivový kanál sa tiahne cez celú vykurovaciu komoru, každý z týchto kanálov má dve sústredné rúrky. Existujú vonkajšie a vnútorné rúrky.

Vo vnútornej rúre je palivo pod tlakom chladiacej kvapaliny, čo umožňuje dodatočné dopĺňanie paliva do reaktora počas prevádzky. Ako spomaľovač sa používa ťažká voda s receptúrou D20. Počas uzavretého cyklu sa voda čerpá potrubím reaktora, ktorý obsahuje palivové zväzky. Jadrové štiepenie produkuje teplo.

Chladiaci cyklus pri použití ťažkej vody pozostáva z prechodu cez parogenerátory, kde obyčajná voda vrie z tepla generovaného ťažkou vodou, čo vedie k tvorbe pary, ktorá vychádza pod vysokým tlakom. Je distribuovaný späť do reaktora, čo vedie k uzavretému chladiacemu cyklu.

Práve touto cestou došlo k postupnému zlepšovaniu typov jadrových reaktorov, ktoré sa používali a používajú v rôznych krajinách sveta.

Jadrová energia sa využíva v tepelnej energetike, kedy sa energia získava z jadrového paliva v reaktoroch vo forme tepla. Používa sa na výrobu elektrickej energie v jadrové elektrárne (JE), pre elektrárne veľkých námorných plavidiel, na odsoľovanie morskej vody.

Jadrová energia vďačí za svoj vzhľad predovšetkým povahe neutrónu, ktorý bol objavený v roku 1932. Neutróny sú súčasťou všetkých atómových jadier okrem jadra vodíka. Viazané neutróny v jadre existujú neobmedzene dlho. Vo svojej voľnej forme sú krátkodobé, pretože sa buď rozpadajú s polčasom rozpadu 11,7 minúty, menia sa na protón a emitujú elektrón a neutríno, alebo sú rýchlo zachytené jadrami atómov.

Moderná jadrová energia je založená na využití energie uvoľnenej pri štiepení prírodného izotopu urán-235. V jadrových elektrárňach prebieha riadená jadrová štiepna reakcia nukleárny reaktor. Podľa energie neutrónov produkujúcich jadrové štiepenie, rozlišovať medzi tepelnými a rýchlymi neutrónovými reaktormi.

Hlavnou jednotkou jadrovej elektrárne je jadrový reaktor, ktorého schéma je znázornená na obr. 1. Energiu získavajú z jadrového paliva a tá sa potom prenáša do inej pracovnej tekutiny (voda, kov alebo organická kvapalina, plyn) vo forme tepla; potom sa premení na elektrickú energiu podľa rovnakej schémy ako v konvenčných.

Riadia proces, udržiavajú reakciu, stabilizujú výkon, spúšťajú a zastavujú reaktor pomocou špeciálneho pohybu ovládacie tyče 6 A 7 z materiálov, ktoré intenzívne absorbujú tepelné neutróny. Sú poháňané riadiacim systémom 5 . Akcie ovládacie tyče sa prejavujú v zmene sily toku neutrónov v jadre. Podľa kanálov 10 voda cirkuluje a ochladzuje betón biologickej ochrany

Regulačné tyče sú vyrobené z bóru alebo kadmia, ktoré sú odolné voči teplu, žiareniu a korózii, mechanicky pevné a majú dobré vlastnosti prenosu tepla.

Vo vnútri masívne oceľové puzdro 3 je tam košík 8 s palivovými článkami 9 . Chladiaca kvapalina vstupuje cez potrubie 2 , prechádza aktívnou zónou, umýva všetky palivové články, ohrieva sa a prechádza potrubím 4 vstupuje do generátora pary.

Ryža. 1. Jadrový reaktor

Reaktor je umiestnený vo vnútri hrubého betónového biologického ochranného zariadenia 1 , ktorý chráni okolitý priestor pred prúdením neutrónov, alfa, beta, gama žiarenia.

Palivové články (palivové tyče)- hlavná časť reaktora. Priamo v nich prebieha jadrová reakcia a uvoľňuje sa teplo, všetky ostatné časti slúžia na izoláciu, riadenie a odvod tepla. Konštrukčne môžu byť palivové články tyčové, doskové, rúrkové, guľové atď. Najčastejšie sú to tyčové, do 1 metra dlhé, s priemerom 10 mm. Zvyčajne sú zostavené z uránových peliet alebo z krátkych rúrok a dosiek. Na vonkajšej strane sú palivové články pokryté tenkým kovovým plášťom odolným voči korózii. Na plášť je použitý zirkón, hliník, zliatiny horčíka, ako aj legovaná nehrdzavejúca oceľ.

Prenos tepla uvoľneného pri jadrovej reakcii v aktívnej zóne reaktora do pracovného telesa motora (turbíny) elektrární sa uskutočňuje podľa jednookruhových, dvojokruhových a trojokruhových schém (obr. 2).

Ryža. 2. Jadrová elektráreň
a – podľa jednookruhovej schémy; b – podľa dvojokruhovej schémy; c – podľa trojokruhovej schémy
1 – reaktor; 2, 3 – biologická ochrana; 4 – regulátor tlaku; 5 – turbína; 6 – elektrický generátor; 7 – kondenzátor; 8 – čerpadlo; 9 – rezervná kapacita; 10 – regeneračný ohrievač; 11 – vyvíjač pary; 12 – čerpadlo; 13 – medzivýmenník tepla

Každý okruh je uzavretý systém. Reaktor 1 (vo všetkých tepelných okruhoch) umiestnených vo vnútri primárneho okruhu 2 a sekundárne 3 biologická ochrana. Ak je jadrová elektráreň postavená podľa jednookruhového tepelného okruhu, para z reaktora cez regulátor tlaku 4 vstupuje do turbíny 5 . Hriadeľ turbíny je spojený s hriadeľom elektrického generátora 6 , v ktorej vzniká elektrický prúd. Odpadová para vstupuje do kondenzátora, kde sa ochladí a úplne skondenzuje. Pumpa 8 smeruje kondenzát do regeneračného ohrievača 10 a potom vstupuje do reaktora.

V dvojokruhovej schéme chladivo ohriate v reaktore vstupuje do generátora pary 11 , kde sa teplo odovzdáva povrchovým ohrevom chladiacej kvapaline pracovnej tekutiny (napájacia voda sekundárneho okruhu). Vo vodou chladených reaktoroch je chladivo v parogenerátore ochladzované približne o 15...40 o C a následne obehovým čerpadlom 12 sa posiela späť do reaktora.

V trojokruhovej konštrukcii je chladivo (zvyčajne tekutý sodík) z reaktora nasmerované do medziľahlého výmenníka tepla 13 a odtiaľ obehovým čerpadlom 12 sa vracia do reaktora. Chladivom v druhom okruhu je tiež tekutý sodík. Tento okruh nie je ožiarený, a preto nie je rádioaktívny. Sodík sekundárneho okruhu vstupuje do generátora pary 11 , odovzdáva teplo pracovnej kvapaline a potom je cirkulačným čerpadlom odoslaný späť do medziľahlého výmenníka tepla.

Počet cirkulačných okruhov určuje typ reaktora, použité chladivo, jeho jadrové fyzikálne vlastnosti a stupeň rádioaktivity. Jednoslučkový okruh je možné použiť vo varných reaktoroch a v reaktoroch s chladiacim plynom. Najrozšírenejšie dvojokruhový obvod pri použití vody, plynu a organických kvapalín ako chladiacej kvapaliny. Trojokruhová schéma sa používa v jadrových elektrárňach s reaktormi s rýchlymi neutrónmi využívajúcimi chladivá tekutých kovov (sodík, draslík, zliatiny sodíka a draslíka).

Jadrové palivo môže byť urán-235, urán-233 a plutónium-232. Suroviny na získanie jadrového paliva - prírodný urán a tórium. Jadrová reakcia jedného gramu štiepneho materiálu (urán-235) uvoľní energiu ekvivalentnú 22 × 10 3 kW × h (19 × 10 6 cal). Na získanie tohto množstva energie je potrebné spáliť 1900 kg ropy.

Urán-235 je ľahko dostupný a jeho energetické zásoby sú približne rovnaké ako zásoby fosílnych palív. Ak sa však jadrové palivo bude využívať s takou nízkou účinnosťou, aká je v súčasnosti dostupná, dostupné zdroje uránu sa vyčerpajú do 50 – 100 rokov. Zároveň sú „ložiská“ jadrového paliva prakticky nevyčerpateľné – ide o urán rozpustený v morskej vode. V oceáne je ho stokrát viac ako na súši. Náklady na získanie jedného kilogramu oxidu uraničitého z morskej vody sú približne 60 – 80 USD a v budúcnosti klesnú na 30 USD a náklady na oxid uraničitý ťažený v najbohatších ložiskách na súši sú 10 – 20 USD. Preto po určitom čase budú náklady na súši a „na morskej vode“ rovnaké.

Cena jadrového paliva je približne dvakrát nižšia ako cena fosílneho uhlia. V uhoľných elektrárňach podiel paliva klesá o 50 – 70 % nákladov na elektrinu a v jadrových elektrárňach o 15 – 30 %. Moderná tepelná elektráreň s výkonom 2,3 milióna kW (napríklad elektráreň Samara State District Power Plant) spotrebuje každý deň okolo 18 ton uhlia (6 vlakov) alebo 12 tisíc ton vykurovacieho oleja (4 vlaky). Jadrový, s rovnakým výkonom, spotrebuje len 11 kg jadrového paliva denne a 4 tony počas roka. Jadrová elektráreň je však nákladnejšia ako tepelná elektráreň z hľadiska výstavby, prevádzky, opravy. Napríklad výstavba jadrovej elektrárne s výkonom 2 – 4 milióny kW stojí približne o 50 – 100 % viac ako tepelnej.

Investičné náklady na výstavbu jadrových elektrární je možné znížiť vďaka:

1. štandardizácia a zjednotenie zariadení;
2. vývoj kompaktných návrhov reaktorov;
3. zlepšenie systémov riadenia a regulácie;
4. skrátenie doby odstávky reaktora na doplnenie paliva.

Dôležitou charakteristikou jadrových elektrární (jadrových reaktorov) je účinnosť palivového cyklu. Na zlepšenie účinnosti palivového cyklu by ste mali:

• zvýšiť spaľovanie jadrového paliva;
• zvýšiť mieru rozmnožovania plutónia.

Pri každom štiepení jadra uránu-235 sa uvoľnia 2-3 neutróny. Z nich sa na ďalšiu reakciu použije iba jeden, zvyšok sa stratí. Je však možné ich použiť na reprodukciu jadrového paliva, čím vznikajú rýchle neutrónové reaktory. Pri prevádzke rýchleho neutrónového reaktora je možné súčasne získať približne 1,7 kg plutónia-239 na 1 kg spáleného uránu-235. Týmto spôsobom možno pokryť nízku tepelnú účinnosť jadrových elektrární.

Rýchle neutrónové reaktory sú desaťkrát efektívnejšie (z hľadiska využitia jadrového paliva) ako palivové neutrónové reaktory. Neobsahujú moderátor a používajú vysoko obohatené jadrové palivo. Neutróny unikajúce z jadra nie sú absorbované konštrukčnými materiálmi, ale uránom-238 alebo tóriom-232, ktoré sa nachádzajú okolo nich.

V budúcnosti budú hlavnými štiepnymi materiálmi pre jadrové elektrárne plutónium-239 a urán-233, získané z uránu-238 a tória-232 v reaktoroch s rýchlymi neutrónmi. Premena uránu-238 na plutónium-239 v reaktoroch zvýši zdroje jadrového paliva približne 100-krát a tórium-232 na urán-233 200-krát.

Na obr. Obrázok 3 znázorňuje schému jadrovej elektrárne využívajúcu rýchle neutróny.

Charakteristické črty rýchlej neutrónovej jadrovej elektrárne sú:

1. zmena kritickosti jadrového reaktora sa uskutočňuje odrazom časti štiepnych neutrónov jadrového paliva z periférie späť do aktívnej zóny pomocou reflektorov 3 ;
2. reflektory 3 môže sa otáčať, meniť únik neutrónov a tým aj intenzitu štiepnych reakcií;
3. jadrové palivo sa reprodukuje;
4. Prebytočná tepelná energia sa z reaktora odvádza pomocou chladiča chladiča 6 .

Ryža. 3. Schéma jadrovej elektrárne využívajúca rýchle neutróny:
1 – palivové články; 2 – reprodukovateľné jadrové palivo; 3 – reflektory rýchlych neutrónov; 4 – jadrový reaktor; 5 – odberateľ elektriny; 6 – chladnička-emitor; 7 – menič tepelnej energie na elektrickú energiu; 8 – radiačná ochrana.

Meniče tepelnej energie na elektrickú energiu

Na základe princípu využitia tepelnej energie generovanej jadrovou elektrárňou možno meniče rozdeliť do 2 tried:

1. stroj (dynamický);
2. bezstrojové (priame meniče).

V strojových konvertoroch je obvykle k reaktoru pripojená jednotka plynovej turbíny, v ktorej môže byť pracovnou kvapalinou vodík, hélium alebo zmes hélia a xenónu. Účinnosť premeny tepla dodávaného priamo do turbogenerátora na elektrickú energiu je pomerne vysoká - účinnosť meniča η = 0,7-0,75.

Schéma jadrovej elektrárne s dynamickým meničom plynovej turbíny (stroja) je na obr. 4.

Ďalším typom strojového meniča je magnetogasdynamický alebo magnetohydrodynamický generátor (MGDG). Schéma takéhoto generátora je znázornená na obr. 5. Generátor je pravouhlý kanál, ktorého dve steny sú vyrobené z dielektrika a dve z elektricky vodivého materiálu. Elektricky vodivá pracovná tekutina - kvapalina alebo plyn - sa pohybuje cez kanály a je preniknutá magnetickým poľom. Ako je známe, keď sa vodič pohybuje v magnetickom poli, vzniká emf, ktorý prechádza cez elektródy 2 prevedené na odberateľa elektriny 3 . Zdrojom energie pre pracovný tepelný tok je teplo uvoľnené v jadrovom reaktore. Táto tepelná energia sa vynakladá na pohyb nábojov v magnetickom poli, t.j. sa premieňa na kinetickú energiu prúdu vodivého prúdu a kinetickú energiu na elektrickú energiu.

Ryža. 4. Schéma jadrovej elektrárne s konvertorom plynovej turbíny:
1 – reaktor; 2 – okruh s chladiacou kvapalinou tekutého kovu; 3 – výmenník tepla na dodávku tepla do plynu; 4 – turbína; 5 – elektrický generátor; 6 – kompresor; 7 – chladnička-emitor; 8 – okruh odvodu tepla; 9 – obehové čerpadlo; 10 – výmenník tepla na odvod tepla; 11 – výmenník-regenerátor; 12 – okruh s pracovnou kvapalinou meniča plynovej turbíny.

Priame meniče (bezstrojové) tepelnej energie na elektrickú energiu sa delia na:

1. termoelektrické;
2. termionické;
3. elektrochemické.

Termoelektrické generátory (TEG) sú založené na Seebeckovom princípe, ktorý spočíva v tom, že v uzavretom okruhu pozostávajúcom z odlišných materiálov dochádza k termoemf, ak sa v miestach dotyku týchto materiálov udržiava teplotný rozdiel (obr. 6). ). Na výrobu elektriny je vhodné použiť polovodičové TEG, ktoré majú vyššiu účinnosť, pričom teplota horúceho spoja musí byť zvýšená na 1400 K a vyššie.

Termionické konvertory (TEC) umožňujú vyrábať elektrickú energiu ako výsledok emisie elektrónov z katódy zahriatej na vysoké teploty (obr. 7).

Ryža. 5. Magnetogasdynamický generátor:
1 – magnetické pole; 2 – elektródy; 3 – odberateľ elektriny; 4 – dielektrikum; 5 – vodič; 6 – pracovná kvapalina (plyn).

Ryža. 6. Schéma činnosti termoelektrického generátora

Ryža. 7. Schéma činnosti termionického meniča

Na udržanie emisného prúdu sa katóde dodáva teplo Q 1. Elektróny emitované katódou po prekonaní vákuovej medzery dosiahnu anódu a sú ňou absorbované. Keď elektróny „kondenzujú“ na anóde, uvoľňuje sa energia rovnajúca sa pracovnej funkcii elektrónov s opačným znamienkom. Ak zabezpečíme nepretržitý prívod tepla katóde a odoberieme ju z anódy, tak cez záťaž R potečie jednosmerný prúd. Emisia elektrónov sa vyskytuje efektívne pri teplotách katódy nad 2200 K.

Bezpečnosť a spoľahlivosť jadrových elektrární

Jednou z hlavných otázok rozvoja jadrovej energetiky je zabezpečenie spoľahlivosti a bezpečnosti jadrových elektrární.

Radiačná bezpečnosť je zabezpečená:

1. vytvorenie spoľahlivých štruktúr a zariadení na biologickú ochranu personálu pred žiarením;
2. čistenie vzduchu a vody opúšťajúce priestory jadrovej elektrárne;
3. extrakcia a spoľahlivá lokalizácia rádioaktívnej kontaminácie;
4. denný radiačný monitoring priestorov jadrovej elektrárne a individuálny radiačný monitoring personálu.

Priestory JE sú v závislosti od prevádzkového režimu a zariadení v nich inštalovaných rozdelené do 3 kategórií:

1. zóna vysokej bezpečnosti;
2. zakázaná oblasť;
3. zóna normálneho režimu.

Personál je trvalo umiestnený v miestnostiach tretej kategórie, tieto miestnosti na stanici sú radiačne bezpečné.

Pri prevádzke jadrových elektrární vzniká pevný, kvapalný a plynný rádioaktívny odpad. Musia byť zlikvidované spôsobom, ktorý nezaťažuje životné prostredie.

Plyny odvádzané z priestorov počas vetrania môžu obsahovať rádioaktívne látky vo forme aerosólov, rádioaktívneho prachu a rádioaktívnych plynov. Vetranie stanice je vybudované tak, že prúdenie vzduchu prechádza od „najčistejšieho“ k „znečistenému“ a prúdenie v opačnom smere je vylúčené. Vo všetkých priestoroch stanice je úplná výmena vzduchu vykonaná maximálne do jednej hodiny.

Pri prevádzke jadrových elektrární vzniká problém likvidácie a likvidácie rádioaktívneho odpadu. Palivové prvky spotrebované v reaktoroch sa určitý čas uchovávajú vo vodných bazénoch priamo v jadrovej elektrárni, kým sa nestabilizujú izotopy s krátkym polčasom rozpadu, potom sa palivové prvky posielajú na regeneráciu do špeciálnych rádiochemických závodov. Tam sa jadrové palivo získava z palivových tyčí a rádioaktívny odpad sa zakopáva.

Všetko je veľmi jednoduché. V jadrovom reaktore sa urán-235 rozkladá, uvoľňuje obrovské množstvo tepelnej energie, varí vodu, para pod tlakom roztáča turbínu, ktorá roztáča elektrický generátor, ktorý vyrába elektrinu.

Veda pozná aspoň jeden prirodzene sa vyskytujúci jadrový reaktor. Nachádza sa v uránovom ložisku Oklo v Gabone. Pravda, ochladilo sa už pred jeden a pol miliardou rokov.

Urán-235 je jedným z izotopov uránu. Od jednoduchého uránu sa líši tým, že v jeho jadre chýbajú 3 neutróny, čo spôsobuje, že jadro sa stáva menej stabilným a rozpadá sa na dve časti, keď naň neutrón zasiahne vysokou rýchlosťou. V tomto prípade sa uvoľnia ďalšie 2-3 neutróny, ktoré môžu vstúpiť do ďalšieho jadra uránu-235 a rozdeliť ho. A tak ďalej v reťazci. Toto sa nazýva jadrová reakcia.

Riadená reakcia

Ak neovládate jadrovú reťazovú reakciu a ide príliš rýchlo, dostanete skutočný jadrový výbuch. Preto je potrebné tento proces starostlivo monitorovať a urán nesmie byť umožnený príliš rýchly rozklad. Na tento účel sa jadrové palivo v kovových trubiciach vloží do moderátora - látky, ktorá spomaľuje neutróny a premieňa ich kinetickú energiu na teplo.

Na riadenie rýchlosti reakcie sú do moderátora ponorené tyčinky z materiálu absorbujúceho neutróny. Keď sa tieto tyče zdvihnú, zachytia menej neutrónov a reakcia sa zrýchli. Ak sú tyče spustené, reakcia sa opäť spomalí.

Technologická záležitosť

Obrovské potrubia v jadrových elektrárňach vlastne vôbec nie sú potrubia, ale chladiace veže – veže na rýchle ochladzovanie pary.

V momente rozpadu sa jadro rozdelí na dve časti, ktoré sa rozletia závratnou rýchlosťou. Nelietajú však ďaleko - narážajú na susedné atómy a kinetická energia sa mení na tepelnú energiu.

Potom sa toto teplo používa na ohrev vody, ktorá sa mení na paru, para roztáča turbínu a turbína roztáča generátor, ktorý vyrába elektrinu, rovnako ako v klasickej tepelnej elektrárni na uhlie.

Je to smiešne, ale celá táto jadrová fyzika, izotopy uránu, jadrové reťazové reakcie - to všetko s cieľom uvariť vodu.

Pre čistotu

Jadrová energia sa využíva nielen v jadrových elektrárňach. Existujú lode a ponorky poháňané jadrovou energiou. V 50. rokoch boli dokonca vyvinuté jadrové autá, lietadlá a vlaky.

V dôsledku prevádzky jadrového reaktora vzniká rádioaktívny odpad. Niektoré z nich je možné recyklovať na ďalšie použitie, iné sa musia uchovávať v špeciálnych skladovacích zariadeniach, aby nespôsobovali škody ľuďom a životnému prostrediu.

Napriek tomu je dnes jadrová energia jednou z najekologickejších. Jadrové elektrárne neprodukujú žiadne emisie, vyžadujú veľmi málo paliva, zaberajú málo miesta a pri správnom používaní sú veľmi bezpečné.

Ale po havárii v jadrovej elektrárni v Černobyle mnohé krajiny pozastavili rozvoj jadrovej energie. Hoci napríklad vo Francúzsku takmer 80 percent energie vyrábajú jadrové elektrárne.

V roku 2000 si kvôli vysokej cene ropy každý pamätal jadrovú energiu. V kompaktných jadrových elektrárňach dochádza k vývoju, ktorý je bezpečný, môže fungovať desaťročia a nevyžaduje údržbu.

Jedným z najglobálnejších problémov ľudstva je energetika. Civilná infraštruktúra, priemysel, armáda – to všetko si vyžaduje obrovské množstvo elektriny a na jej výrobu sa každoročne vyčlení množstvo nerastov. Problém je, že tieto zdroje nie sú nekonečné a teraz, keď je situácia viac-menej stabilná, musíme myslieť na budúcnosť. Veľké nádeje sa vkladali do alternatívnej, čistej elektriny, avšak ako ukazuje prax, konečný výsledok je ďaleko od želaného. Náklady na solárne či veterné elektrárne sú obrovské, no množstvo energie je minimálne. A preto sa jadrové elektrárne dnes považujú za najsľubnejšiu možnosť ďalšieho rozvoja.

História jadrovej elektrárne

Prvé myšlienky o využití atómov na výrobu elektriny sa objavili v ZSSR okolo 40. rokov 20. storočia, takmer 10 rokov pred vytvorením vlastných zbraní hromadného ničenia na tomto základe. V roku 1948 bol vyvinutý princíp fungovania jadrových elektrární a zároveň bolo možné po prvý raz na svete napájať zariadenia z atómovej energie. V roku 1950 Spojené štáty americké dokončili stavbu malého jadrového reaktora, ktorý sa v tom čase dal považovať za jedinú elektráreň tohto typu na planéte. Je pravda, že bol experimentálny a produkoval iba 800 wattov energie. V ZSSR sa zároveň kládol základ prvej plnohodnotnej jadrovej elektrárne na svete, hoci po uvedení do prevádzky stále nevyrábala elektrinu v priemyselnom meradle. Tento reaktor sa používal skôr na zdokonaľovanie technológie.

Od tohto momentu sa po celom svete začala masívna výstavba jadrových elektrární. Okrem tradičných lídrov v tomto „preteku“, USA a ZSSR, sa prvé reaktory objavili v:

• 1956 - Veľká Británia.
• 1959 – Francúzsko.
• 1961 – Nemecko.
• 1962 – Kanada.
• 1964 – Švédsko.
• 1966 – Japonsko.

Počet budovaných jadrových elektrární sa neustále zvyšoval, až do černobyľskej katastrofy, po ktorej začala výstavba mrznúť a postupne mnohé krajiny začali jadrovú energetiku opúšťať. V súčasnosti sa nové takéto elektrárne objavujú najmä v Rusku a Číne. Niektoré krajiny, ktoré predtým plánovali prechod na iný druh energie, sa postupne vracajú do programu a v blízkej budúcnosti je možný ďalší prudký nárast výstavby jadrových elektrární. Toto je povinná etapa ľudského rozvoja, aspoň kým sa nenájdu iné efektívne možnosti výroby energie.

Vlastnosti jadrovej energie

Hlavnou výhodou je generovanie obrovského množstva energie s minimálnou spotrebou paliva a takmer úplne bez znečistenia. Princíp činnosti jadrového reaktora v jadrovej elektrárni je založený na jednoduchom parnom stroji a ako hlavný prvok využíva vodu (nepočítajúc samotné palivo), preto je škoda z hľadiska životného prostredia minimálna. Potenciálne nebezpečenstvo elektrární tohto typu je značne prehnané. Príčiny černobyľskej katastrofy stále nie sú spoľahlivo stanovené (viac o tom nižšie) a navyše všetky informácie zozbierané v rámci vyšetrovania umožnili modernizovať existujúce elektrárne, čím sa eliminovali aj nepravdepodobné možnosti emisií žiarenia. Ekológovia niekedy hovoria, že takéto stanice sú silným zdrojom tepelného znečistenia, ale to tiež nie je úplne pravda. Horúca voda zo sekundárneho okruhu síce vstupuje do zásobníkov, ale najčastejšie sa používajú ich umelé verzie, vytvorené špeciálne na tento účel, a v iných prípadoch sa podiel takéhoto zvýšenia teploty nedá porovnať so znečistením z iných zdrojov energie.

Problém s palivom

Neposlednú úlohu v popularite jadrových elektrární zohráva palivo - urán-235. Vyžaduje sa podstatne menej ako ktorýkoľvek iný typ so súčasným obrovským uvoľňovaním energie. Princíp činnosti reaktora jadrovej elektrárne spočíva v použití tohto paliva vo forme špeciálnych „tabliet“ umiestnených v tyčiach. V skutočnosti je jediným problémom v tomto prípade vytvorenie práve takéhoto tvaru. Nedávno sa však začali objavovať informácie, že súčasné globálne zásoby tiež dlho nevydržia. Ale toto už bolo zabezpečené. Najnovšie trojokruhové reaktory fungujú na urán-238, ktorého je veľa a problém s nedostatkom paliva nadlho zmizne.

Princíp činnosti dvojokruhovej jadrovej elektrárne

Ako už bolo spomenuté vyššie, je založený na bežnom parnom stroji. Stručne povedané, princíp fungovania jadrovej elektrárne je ohrievať vodu z primárneho okruhu, ktorá následne ohrieva vodu zo sekundárneho okruhu do stavu pary. Prúdi do turbíny, otáča lopatky a spôsobuje, že generátor vyrába elektrickú energiu. „Odpadová“ para vstupuje do kondenzátora a mení sa späť na vodu. To vytvára takmer uzavretý cyklus. Teoreticky by to všetko mohlo fungovať ešte jednoduchšie, s použitím iba jedného okruhu, ale to je naozaj nebezpečné, pretože voda v ňom môže byť teoreticky kontaminovaná, čo je vylúčené pri použití systémovej normy pre väčšinu jadrových elektrární. s dvomi od seba izolovanými vodnými cyklami.

Princíp činnosti trojokruhovej jadrovej elektrárne

Ide o modernejšie elektrárne, ktoré fungujú na urán-238. Jeho zásoby tvoria viac ako 99 % všetkých rádioaktívnych prvkov na svete (preto sú obrovské vyhliadky na využitie). Princíp činnosti a konštrukcia tohto typu jadrovej elektrárne spočíva v prítomnosti až troch okruhov a aktívnom využívaní tekutého sodíka. Vo všeobecnosti zostáva všetko rovnaké, ale s malými doplnkami. V primárnom okruhu, vyhrievanom priamo z reaktora, tento tekutý sodík cirkuluje pri vysokej teplote. Druhý kruh sa zahrieva z prvého a tiež používa rovnakú kvapalinu, ale nie tak horúcu. A až potom, už v treťom okruhu, sa používa voda, ktorá sa ohrieva z druhého do stavu pary a roztáča turbínu. Systém sa ukazuje ako technologicky zložitejší, no takúto jadrovú elektráreň stačí postaviť raz a potom už len užívať si plody práce.

Černobyľ

Za hlavnú príčinu katastrofy sa považuje princíp fungovania jadrovej elektrárne v Černobyle. Oficiálne existujú dve verzie toho, čo sa stalo. Podľa jedného problém vznikol v dôsledku nesprávneho konania operátorov reaktora. Podľa druhého kvôli nevydarenému návrhu elektrárne. Princíp fungovania černobyľskej jadrovej elektrárne však využili aj ďalšie stanice tohto typu, ktoré správne fungujú dodnes. Existuje názor, že došlo k reťazcu nehôd, ktoré je takmer nemožné zopakovať. To zahŕňa malé zemetrasenie v oblasti, uskutočnenie experimentu s reaktorom, menšie problémy so samotnou konštrukciou a pod. To všetko spolu spôsobilo výbuch. Dôvod, ktorý spôsobil prudký nárast výkonu reaktora, keď to tak byť nemalo, je však stále neznámy. Objavil sa dokonca názor o možnej sabotáži, no dodnes sa nič nedokázalo.

Fukušima

Toto je ďalší príklad globálnej katastrofy, ktorá sa týkala jadrovej elektrárne. A aj v tomto prípade bola príčinou reťaz nehôd. Stanica bola spoľahlivo chránená pred zemetraseniami a cunami, ktoré nie sú na japonskom pobreží ničím výnimočným. Málokto si vedel predstaviť, že obe tieto udalosti nastanú súčasne. Princíp činnosti generátora JE Fukušima spočíval vo využití externých zdrojov energie na udržanie celého bezpečnostného komplexu v prevádzke. Toto je rozumné opatrenie, pretože počas havárie by bolo ťažké získať energiu zo samotnej elektrárne. Kvôli zemetraseniu a cunami zlyhali všetky tieto zdroje, čo spôsobilo roztavenie reaktorov a katastrofu. V súčasnosti prebiehajú snahy o nápravu škôd. Podľa odborníkov to potrvá ešte 40 rokov.

Napriek všetkej svojej účinnosti zostáva jadrová energia stále dosť drahá, pretože princípy fungovania parogenerátora jadrovej elektrárne a jeho ďalších komponentov znamenajú obrovské stavebné náklady, ktoré sa musia vrátiť. V súčasnosti je elektrina z uhlia a ropy stále lacnejšia, ale tieto zdroje sa v najbližších desaťročiach vyčerpajú a v priebehu niekoľkých rokov bude jadrová energia lacnejšia ako čokoľvek iné. Ekologická elektrina z alternatívnych zdrojov energie (veterné a solárne elektrárne) stojí v súčasnosti asi 20-krát viac.

Predpokladá sa, že princíp fungovania jadrových elektrární neumožňuje rýchlu výstavbu takýchto staníc. Nie je to pravda. Výstavba priemerného zariadenia tohto typu trvá približne 5 rokov.

Stanice sú dokonale chránené nielen pred potenciálnymi emisiami žiarenia, ale aj pred väčšinou vonkajších faktorov. Ak by si teroristi napríklad namiesto dvojičiek vybrali akúkoľvek jadrovú elektráreň, okolitej infraštruktúre by mohli spôsobiť len minimálne škody, čo by nijako neovplyvnilo chod reaktora.

Výsledky

Princíp fungovania jadrových elektrární sa prakticky nelíši od princípov fungovania väčšiny ostatných tradičných elektrární. Energia pary sa využíva všade. Vodné elektrárne využívajú tlak prúdiacej vody a aj tie modely, ktoré fungujú na solárnu energiu, využívajú aj kvapalinu, ktorá sa zahrieva do varu a roztáča turbíny. Jedinou výnimkou z tohto pravidla sú veterné elektrárne, v ktorých sa lopatky otáčajú v dôsledku pohybu vzdušných hmôt.