Принцип АЭС
Физико-Химические процессы в ядерном реакторе РБМК-1000
Ядерный источник энергии
Эйнштейн установил связь между энергией и массой в своем уравнении:
где с = 300 000 000 м/с - скорость света;
таким образом тело человек массой 70 кг содержит в себе энергию
Такое количество энергии реакторная установка РБМК-1000 выработает только за две тысячи лет работы. Главная проблема научится превращать массу в полезную энергию. Первый шаг человечество сделало освоив военное и мирное использование энергии деления ядер. В самом первом приближении процессы, происходящие в ядерном реакторе, можно описать как непрерывное деление ядер. При этом масса целого ядра до деления больше массы получившихся осколков. Разница составляет примерно 0.1 % массы разделившегося ядра. Разумеется до полного превращения массы в энергию еще очень далеко, но уже такое, не обнаруживаемое обычными весами, изменение массы топлива в реакторе позволяет получать гигантское количество энергии. Изменение массы топлива за год непрерывной работы в реакторе РБМК-1000 составляет приблизительно 0.3 г, но выделившаяся при этом энергия такая же, как при сжигании 3000000 (три миллиона) тон угля.
Реактор
РБМК это Реактор Большой Мощности Канальный, цифра 1000 это 1000 МВт электрической энергии которые получаются после преобразования.
В самом общем виде реактор представляет собой цилиндр составленный из графитовых блоков, помещенный в бетонную шахту. Диаметр, этого цилиндра, около 12 м, а высота около 8 м. Реактор окружен боковой биологической защитой в виде кольцевого бака с водой. Этот цилиндр пронизывают 1693 топливных канала, представляющих собой трубки из сплава циркония диаметром 88 мм и толщиной 4 мм. В топливном канале устанавливается тепловыделяющая сборка (ТВС). ТВС в РБМК состоят из двух частей верхний и нижней, каждая из которых содержит 18 твэлов стержневого типа из таблеток спеченной двуокиси урана (UO2), заключенных в оболочки из циркониевого сплава. Высота столбика таблеток 3.5 м, диаметр твэла 13.5 мм.
Теплоноситель, вода, движется в каналах с низу в верх, омывая ТВС и снимая тепловую энергию. Подвод теплоносителя осуществляется к каждому каналу, существует возможность регулировать расход воды через канал. В связи особенностями физики реактора тепловая энергия выделяется неравномерно по объему. В каналы с большей мощностью подается большее количество воды. Проходя по каналу часть воды испаряется, в каналах с максимальной мощностью массовое паросодержание на выходе достигает 20 %, среднее паросодержание на выходе из реактора 14.5 %. Загрузка топлива в реактор осуществляется с помощью разгрузочно-загрузочной машины (РЗМ). При перегрузки канала РЗМ герметично соединяется с верхней часть канала, в ней 
создается такое же давление, как и в канале, отработанная ТВС извлекается в РЗМ свежая ТВС устанавливается в канал.
Тепловой контур
Очень важную роль в процессах происходящих на АЭС играет тепловая энергия. Тепловая энергия - это энергия хаотического движения молекул или атомов в жидкостях и газах и колебательного движения молекул или атомов в твердом теле. Чем выше скорость этого движения тем большей тепловой энергией обладает тело.
Рассмотрев способы возможные теплообмена, вернемся к вопросу о передаче тепловой энергии в условиях АЭС или ТЭС. Как известно, на работающих станциях процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит непрерывно и в случае прекращения теплоотвода произойдет неизбежный перегрев установки. Следовательно на ряду с источником необходим потребитель тепловой энергии, который будет забирать тепло и либо преобразовывать его в другие формы энергии либо передавать его в другие системы. Передачу тепла от источника к потребителю осуществляется с помощью теплоносителя. На основании выше сказанного можно изобразить простейший тепловой контур, содержащий источник энергии, потребитель энергии, и тракты теплоносителя.
Контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ)
Источником тепловой энергии, как и на всех АЭС, является активная зона реактора. В качестве теплоносителя используется вода, которая проходя через активную зону реактора частично испаряется. На выходе из реактора вода содержит в среднем 15% пара (паросодержание p = 0.15). Давление воды в трактах теплоносителя 0.7 МПа (около 70 атм.) при таком давлении температура кипения воды 284 ° С. Пароводяная смесь из реактора направляется в барабан сепаратор, который в тепловом контуре, выполняет роль потребителя тепловой энергии. В барабане сепараторе из пароводяной смеси забирается пар и добавляется питательная вода, на выходе из барабана сепаратора мы получаем воду в качестве "холодного" теплоносителя,причем температура практически остается такой же.
В качестве способа теплообмена используется вынужденная конвекция, другими словами используется насос для прокачки теплоносителя через активную зону реактора.
На основании выше сказанного можно изобразить тепловую схему, для контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) реактора РБМК-1000
|
Второй тепловой контур.
Барабан сепаратор, забирая тепловую энергию вместе с паром из первого контура, где он является потребителем, отдает ее во второй контур. Следовательно он является источником тепловой энергии для второго теплового контура.
"Горячим" теплоносителем является пар. Температура пара около 284 ° С давление Р = 7 МПа. После барабана сепаратора, пар поступает в турбину, где он вращает ротор (происходит преобразование тепловой энергии в механическую), турбина является потребителем тепловой энергии. С ротором турбины жестко связан ротор электрического генератора, вырабатывающий электроэнергию. Параметры пара на выходе из турбины: температура - 30 ° С, давление P - 0.004 МПа. После турбины пар необходимо перевести в жидкое состояние, то есть превратить воду, этот процесс происходит в конденсаторе. Пар в конденсаторе предает свою тепловую энергию воде, которая поступает из пруда охладителя, конденсатор, таким образом, также является потребителем энергии. На выходе из конденсатора мы получаем воду, с параметрами близким к параметрам пара, которая является "холодным" теплоносителем для второго теплового контура. Эта вода, пройдя через несколько вспомогательных устройств, становится питательной водой и с помощью питательного насоса подается в барабан сепаратор.
Но в этой схеме отражены только ключевые элементы необходимые для понятия базовых принципов работы энергоустановки. Такие важные элементы как деаэратор, конденсатный насос, промежуточные подогреватели, не показаны в данной схеме.
Теплообмен в активной зоне реактора
Рассмотрим более подробно источник тепловой энергии АЭС. Как уже говорилось ядерная энергия высвобождается в результате деления ядер. Основным делящимся элементом, в большинстве современных энергетических реакторов, являются ядра урана, а именно изотопа с атомной массой 235 (235U) и в количестве 2,5%. Обычно топливо применяется в виде таблеток UO2 помещенных в металлическую трубку. В реакторе РБМК трубка диаметром 13.5 мм выполнена из циркониевого сплава. Герметично заваренная заглушками трубка, с таблетками топлива называется тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ). ТВЭЛы, в работающем реакторе, омываются потоком теплоносителя.
В результате деления, тепловая энергия выделяется в таблетке, которая нагревается. За счет теплопроводности тепловая энергия предается на оболочку. Теплоноситель омывая оболочку снимает тепловую энергию и нагревается, в РБМК теплоноситель частично испаряется.
Чем больше разность температур между горячей и холодной точками, тем больше тепловой поток. Однако температуру нельзя поднимать до бесконечности, максимальная температура таблетки топлива ограничена температурой плавления, для UO2 она составляет приблизительно 1800 град С. Самая горячая точка таблетки находится в ее середине. Для оболочки твэла из циркония, максимальная температура 320-350 град С. При большей температуре его прочностные характеристики ухудшаются (повышается ползучесть). В процессе эксплуатации реактора необходимо не допускать превышение предельных температур, поскольку разрушение ТВЭЛа ведет к выходу сильно радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и их разнос по трубопроводам.
Ядерные реакции
Ядерная реакция - это процесс превращения ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или с другими ядрами.
Первые ядерные реакции происходили при бомбардировки заряженными частицами (ядрами гелия, протонами) различных элементов. При этом, энергия затраченная на разгон налетающих частиц значительно превосходила энергию, полученную в результате реакции. Разгон частиц необходим для преодоления сил электрического сопротивления (положительно заряженное ядро отталкивает положительно заряженные ядра, альфа-частицы и протоны). Если в качестве налетающей частицы использовать нейтрон, который не имеет заряда, то необходимость в разгоне пропадает. Поэтому в настоящие время в ядерных реакторах определяющими реакциями являются ядерные реакции нейтронов с ядрами веществ находящихся в активной зоне. Рассмотрим самые важные из них:
Реакция деления.
Механизм деления, проще всего представить с помощью капельной модели ядра. В каплю “ядерной жидкости” попадает нейтрон. Под действием внесенной энергии в капле возникают колебания формы, от сферической до форы двух грушеобразных частей с перешейком между ними, если внесенной неторном энергии достаточно, то перешеек рвется - ядро разваливается на два осколка.
После деления урана, как правило, образуются два осколка с соотношением масс 2 к 3 и несколько нейтронов.
В принципе, если нейтрон обладает достаточно большой энергией, то разделится может любое ядро. В большинстве ядерных реакторов главным делящимся изотопом является изотоп урана 235U. При делении урана образуются два ядра-осколка и два или три нейтрона (в среднем около 2.5 нейтрона на один акт деления). При делении одного ядра выделяется приблизительно 3.15´ 10-13Дж энергии.