Устройство АЭС

Рейтинг:   / 63

Подробности

Родительская категория: Зона отчуждения

Категория: Наука

В обычных электростанциях, работающих на угле или природном газе, ископаемое топливо сжигают в топке и тепло пламени образует в котле пар. Этот пар - исторический двигатель индустриальной эпохи – с ревом устремляется под давлением, иногда достигающим 190 кгс/см² при температуре до 1000 ⁰С, на огромный турбогенератор. Пар вращает мощную турбину, соединенную с гигантским генератором, вырабатывающим электричество. Такая современная электростанция дает более 1 млн кВт.ч энергии. Электростанции данного типа «прожорливы» в отношении топлива. Так, если применяют уголь, то каждый час необходимо сжигать его более чем 400 тон.
Атомная электростанция «сжигает» беспламенное топливо, представленное ураном. Тепло выделяется в результате деления атомов в условиях сдерживаемой человеком цепной реакции.

Поскольку самого процесса сжигания как такового не происходит, выхлопные газы отсутствуют и, конечно же, нет загрязнения атмосферы двуокисью серы или углерода.

Ядерная «топка» представляет собой активную зону, объемом, меньшим, чем средний объем жилой комнаты в нашем доме. В ней содержится годовой запас ядерного топлива - более 100 т окиси урана в виде таблеток диаметром с наперсток. Около 10 млн этих крошечных таблеток аккуратно размещены в трубках длиной 3,7 м, или топливных стержнях, герметично закрытых для предотвращения утечки радиации. Ядерное топливо, используемое в современных атомных электростанциях, содержит только несколько процентов ²³⁵U,) в сравнении с 90 % содержания его в радиоактивном материале, раздробленном в атомном оружии на отдельные субкритические части. В результате вероятность того, что ядерный реактор взорвется наподобие атомной бомбы, отсутствует. Но несмотря на столь низкое содержание ядерного топлива, оно все же потенциально сильное вещество — в одной такой таблетке с массой 14 г выделяется энергии, по количеству равное той, что мы получаем при сжигании 0,6 м³ нефти.  Для того чтобы начать и поддерживать цепную реакцию на определенном уровне, топливные стержни надо внедрить в определенное вещество, преимущественно состоящее из легких химических элементов, цель которого состоит в торможении или замедлении» нейтронов, образующихся в результате деления ²³⁵U появившись при делении атома урана, эти нейтроны движутся с большой скоростью, но, как это ни странно, они будут более эффективными в плане расщепления других атомов урана в том случае, если сперва затормозятся в активной зоне реактора, столкнувшись с другими атомами легких элементов.

Существуют всевозможные вещества, которые применяют в качестве активной зоны или замедлителя реактора. Три из них применяют наиболее часто: графит (углерод), обычная (легкая) вода или «тяжелая» вода, т. е. вода, в которой водород заменен на дейтерий — более тяжелый изотоп водорода.
Рассмотрение устройства активной зоны ядерного реактора, по-видимому, будет чрезмерно насыщено техническими деталями, что выходит за рамки нашей статьи, но оно оказывается чрезвычайно важным для понимания конструкции промышленных атомно-энергетических установок.
Ключевыми элементами безопасной работы реактора служат регулирование цепной реакции, охлаждение активной зоны и защита. Реакторы должны проектироваться, изготовляться, работать и подвергаться проверке так, чтобы вероятность отказа любого из этих ключевых элементов была предельно мала, потому что в результате аварии огромное количество радиоактивности попадет в окружающую среду. Проектирование реакторов основано на принципе дублирования, т. е. создания многочисленных параллельных систем с таким расчетом, что если одна система откажет, вторая возьмет на себя ее функции. Это особенно важно для системы охлаждения реактора.

Стержни управления

Процесс в реакторе регулируется путем погружения в активную зону стержней из бора или кадмия, которые стремятся поглотить нейтроны. Посредством непрерывной регулировки стержней, вводя и выводя их из активной зоны, работу реактора можно поддерживать на желаемом уровне.

Охлаждение реактора

Атомные реакторы применяют для множества различных целей. Физическую научно-исследовательскую лабораторию в большей степени интересует свойство реактора создавать внутри него плотный поток нейтронов. Получаемые нейтроны могут быть использованы для проведения экспериментов в области ядерной физики или для бомбардировки мишеней с целью образования радиоактивных изотопов, также необходимых для исследовательских, медицинских и промышленных нужд. В этом смысле колоссальная энергия, рассеиваемая в виде тепла, представляет собой помеху, которая должна быть устранена с помощью определенных типов систем охлаждения реактора. С другой стороны, когда реакторы используют для получения электричества, продуцируемое ими тепло имеет огромную ценность. Здесь реальным недостатком является нежелательная радиоактивность реактора, в связи с чем последний должен быть тщательно герметизирован и хорошо экранирован.
В энергетическом ядерном реакторе огромное количество продуцируемого в активной зоне тепла должно постоянно отводиться в виде водяного пара и поступать на турбины, вращающие электрогенераторы. Это происходит одним из двух способов.
В реакторах с активной зоной, или замедлителем, выполненной из графита, избыточное тепло удаляет газ, проходящий сквозь эту зону. С другой стороны, в реакторах, где в качестве замедлителя использована легкая или тяжелая вода, удалять тепло из активной зоны можно принудительной циркуляцией воды. Вне зависимости от того, используется для охлаждения вода или газ, метод теплоотвода обязательно должен быть как адекватным, так и непрерывным, иначе активная зона и топливные контейнеры могут расплавиться и произойдет утечка большого количества радиоактивных веществ. В равной степени важно, чтобы система контроля за интенсивностью теплоотвода была чувствительной и эффективной, и скорость выделения тепла, даже на небольшой период времени, не превышала охлаждающей способности системы теплоотвода. Реактор можно остановить в случае подозрения на недостаточную функцию системы охлаждения, но даже и тогда продолжение охлаждения реактора очень важно, потому что, хотя тепло не выделяется как результат процесса ядерного деления, оно все еще продолжает образовываться из-за остаточной радиоактивности в топливных элементах. Сразу после остановки реактора это количество тепла составляет 5 % от того, которое генерировалось при работе на полную мощность. Поэтому продолжение непрерывного охлаждения ядерного топлива абсолютно необходимо.

Защита

Поскольку предназначенное для загрузки в реактор само по себе ядерное топливо слабо радиоактивно, обращаться с ним можно без применения экранирования. После того как реактор проработает некоторое время и расщепляющийся материал будет частично использован, активность топлива возрастет приблизительно в 10 раз из-за образования радиоактивных продуктов деления ядер. По этой причине для экранирования продуктов деления требуется очень мощная защита вокруг активной зоны реактора. Вот почему так важно, чтобы герметичное сооружение, изолирующее реактор, не нарушило своей целостности, иначе радиоактивные вещества вырвутся в окружающую среду.