ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Электростанции
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ТИПЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Тепловые станции
  • Парогенератор
  • Основные энергетические насосы КЭС
  • Газотурбинные установки
  • Теплофикационные электростанции
  • Общее знакомство с паровой турбиной ТЭС
  • Атомные станции
  • Перспективы атомных электростанций
  • Нейтрон
  • Основные компоненты ядерного реактора
  • Классификация ядерных реакторов
  • Тепловые контуры атомных станций
  • Экономическая эффективность ядерной энергии
  • Основные типы реакторов,
    принятые к промышленной реализации
  • АЭС с уран-графитовыми канальными реакторами
  • АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (БН)
  • Неоклассическая диффузия
    в магнитном поле токамака
  •  

    Основные компоненты ядерного реактора

    Ядерные реакторы состоят из пяти основных элементов: делящегося вещества, замедлителя быстрых нейтронов (для реакторов на тепловых и резонансных нейтронах), системы охлаждения, систем безопасности и регулирования. Та часть реактора, которая содержит делящийся материал и, собственно в которой протекает цепная самоподдерживающаяся реакция деления, называется активной зоной реактора.

    Основной конструктивной деталью гетерогенной активной зоны является тепловыводящий элемент, в значительной мере определяющий ее надежность, размеры и стоимость. В энергетических реакторах, как правило, используются стержневые твэлы с топливом в виде прессованных таблеток двуокиси урана, заключенных в оболочку из стали или циркониевого сплава. Твэлы для удобства собираются в тепловыделяющие сборки (ТВС), которые устанавливаются в активной зоне ядерного реактора.

    В твэлах происходит генерация основной доли тепловой энергии и передача ее теплоносителю. Более 90% всей энергии, освобождающейся при делении тяжелых ядер, выделяется внутрь твэлов и отводится обтекающим твэлы теплоносителем. Твэлы работают в очень напряженных тепловых режимах. Большие тепловые потоки, проходящие через поверхность твэлов, и значительная энергонапряженность топлива требуют исключительно высокой стойкости и надежности твэлов. Помимо этого, условия работы твэлов осложняются высокой рабочей температурой, достигающей 300 – 600 oС на поверхности оболочки, возможностью тепловых ударов, вибрацией, наличием потока нейтронов.

    Условия работы твэлов в значительной мере определяются конструкцией активной зоны, которая должна обеспечивать проектную геометрию размещения твэлов и необходимое с точки зрения температурных условий распределения теплоносителя. Через активную зону при работе реактора на мощности должен поддерживаться стабильный расход теплоносителя, гарантирующего надежный теплоотвод. Активная зона должна быть оснащена датчиками внутриреакторного контроля, которые дают информацию о распределении мощности, нейтронного потока, температурных условиях твэлов и расходе теплоносителя.

    С целью обеспечения безопасности «в глубину» конструкция активной зоны и характеристики ядерного топлива должны исключать возможность образования локальных критических масс делящихся материалов при разрушении активной зоны и расплавлении ядерного топлива. При конструировании активной зоны должна быть предусмотрена возможность введения поглотителя нейтронов для прекращения цепной реакции в любых случаях, связанных с нарушением охлаждения активной зоны.

    В активной зоне теплового реактора наличие замедлителя является обязательным. К замедлителям относятся вещества, ядра которого имеют малое массовое число и поэтому эффективно замедляют нейтроны деления. Наилучшим замедлителем являются ядра водорода. Однако о пригодности замедлителя для энергетического реактора приходится судить по совокупности свойств, основными из которых являются не только замедляющие характеристики, но и сечение захвата, теплоемкость, теплопроводность, физическое состояние, плотность и т.д. В качестве замедлителей нейтронов в энергетических реакторах нашли себя водород, вода (легкая и тяжелая), графит и бериллий.

    Независимо от назначения ядерного реактора тепло, выделяющееся в процессе деления ядер, должно отводиться со скоростью, обеспечивающей предупреждение перегрева в рабочей зоне реактора выше предельной температуры, определяемой свойствами компонентов активной зоны реактора. Для отвода тепла от активной зоны ядерного реактора используются теплоносители. Как правило, они же являются и рабочим телом, передающим тепло к энергопроизводящему оборудованию. Это тепло может быть первичным или вторичным продуктом работы реактора и может в дальнейшем использоваться или просто удаляться. В любом случае для отвода тепла существенную роль играет теплопередающая среда. Эта среда по необходимости является жидкой или газообразной. К жидким теплоносителям относятся вода и водные растворы, металлические сплавы, органические и неорганическиетеплоносители.

    При выборе материала для использования в качестве теплоносителя учитывают следующие характеристики: величину температуры плавления, величину температуры кипения, себестоимость, совместимость с другими материалами активной зоны, величину коэффициента теплопередачи, затраты на перекачивание (вязкость, возможность уплотнения и т.п.), тепловая устойчивость, стойкость к воздействию излучения, степень активируемости нейтронами, величина сечения захвата нейтронами, замедляющая способность.

    Использование в качестве теплоносителя газов. На ранней стадии разработок реакторов часто рассматривалась возможность использования воздуха в качестве теплоносителя реактора. По мере увеличения мощности реакторов стало ясно, что низкий коэффициент передачи тепла воздухом является непреодолимым фактором и энергия, потребляемая на перекачку воздуха будет составлять значительную часть от производимой. Дополнительным недостатком является возникновение химических реакций при повышенной температуре между кислородом и азотом и компонентами активной зоны.

    Использование водорода привлекательно по многим параметрам. Однако опасность взрывов очень велика. В дополнение к этому содержание водорода при повышенных температурах и давлении является трудной проблемой и требует применения специальных материалов, не подверженных «водородной хрупкости».

    Хотя гелий и менее интересен чем водород с точки зрения теплопередачи, однако также обладает необходимым набором благоприятных характеристик – низким сечением поглощения нейтронов и химической инертностью. К числу основных недостатков относится сравнительно высокая стоимость.

    В настоящее время наиболее широко используемым газообразным охладителем является двуокись углерода. Невысокие затраты на перекачку и низкое сечение поглощение, а также приемлемая стоимость и доступность в производстве и использовании обуславливают этот факт.

    Вода (как тяжелая, так и легкая) являются наиболее известными из теплоносителей и теплоотводящих материалов, особенно в области электроэнергетики. Она дешева. Ядерные свойства воды удовлетворительны как в отношении сечения поглощения нейтронов, так и в отношении искусственной радиоактивности. Особенно важным является то обстоятельство, что вода в реакторах некоторых конструкций может служить одновременно замедлителем ми охладителем. Потребление энергии для перекачивания воды сравнительно невелико, что является определенным преимуществом воды перед газообразными охладителями. Однако имеется и ряд недостатков. Первое – относительно низкая точка кипения. Тепловой к.п.д. системы съема тепла, выделяющегося в реакторе, непосредственно зависит от температуры охладителя. В энергетических реакторах неизбежно повышение температуры охладителя выше точки кипения воды при атмосферном давлении. Это потребует увеличения давления в системе охлаждения. Коррозионная активность воды при высоком давлении значительно возрастает, что накладывает дополнительные ограничения на использование материалов в активной зоне реактора. Вторым отрицательным фактором является радиационное разложение воды.

    Дейтерий обладает сечением захвата, примерно в тысячу раз меньшим, чем природный водород. Этот фактор обеспечивает возможность использования для формирования активной зоны реактора природного урана без обогащения. Высокая стоимость тяжелой воды является сдерживающим фактором ее использования.

    Для реакторов, работающих при повышенных температурах, много преимуществ дает использование в качестве теплоносителей жидких металлов. Высокая точка кипения, значительная теплоемкость и хорошая теплопроводность являются существенными свойствами хороших охладителей и все они в большей или меньшей степени присущи жидким металлам.

    Таблица - Металлы пригодные в качестве теплоносителя реакторов

    Металл

    Температура плавления, ºС

    Сечение для тепловых нейтронов, барн

    Литий

    186

    0,033

    Висмут

    271

    0,032

    Свинец

    327

    0,17

    Натрий

    98

    0,50

    Олово

    232

    0,55

    Калий

    62

    2,0

    Галлий

    30

    2,7

    Таллий

    302

    3,3

    Галлий и таллий имеют сравнительно высокую стоимость. Висмут и свинец имеют низкие сечения захвата нейтронов. Эвтектический сплав Pb-Bi плавится при 125 ºС. Подобное же снижение точки плавления может быть достигнуто сплавлением между собой натрия и калия. Эти сплавы имеют температуры плавления от +10 до -12 ºС. Для характеризации жидкого металла как теплоносителя большое значение имеют также: молекулярный вес, теплоемкость, теплопроводность и плотность. По совокупности этих факторов наилучшим жидкометаллическим теплоносителем является изотоп 7Li. Этот изотоп содержится в количестве 92,5% в природном литии и может быть отделен от 6Li, имеющего большое сечение захвата. Однако затраты на разделение очень велики. Наиболее важный недостаток использования висмута для теплоносителя реактора связан с его активацией. В результате нейтронной активации образуется 210Bi, с периодом полураспада ~ 5 дней. В итоге распада образуется 210Po с периодом полураспада 138 дней. Это α – излучатель, обладающий высокой токсичностью, и является одним из наиболее сильных известных физиологических ядов. В отношении величины нейтронного сечения и характеристик теплопередачи жидкий натрий - наиболее интересный материал. На сегодняшний день это один из основных теплоносителей быстрых реакторов. Его недостатком является активация с образованием изотопа 24Na с периодом 12,5 лет. Это радионуклид является гамма излучателем. Поэтому при использовании натрия в качестве теплоносителя приходится прибегать к дополнительным мерам защиты от его излучения. Другим недостатком натрия является его высокая химическая активность. Следствием этого является его пожароопасность. Герметизация системы охлаждения натрия необходима еще и потому, что вследствие сочетания низкой вязкости, небольшого удельного веса, малого поверхностного натяжения и характеристик смачивания натрий может просачиваться через исключительно малые отверстия. В системах, которые являются герметичными при комнатной температуре, может обнаружиться утечка натрия при повышенной температуре.

    Некоторые органические материалы как теплоносители имеют определенное преимущество перед водой благодаря своим более высоким точкам кипения. Независимо от этого высокие замедляющие свойства органических соединений делают их перспективными в качестве теплоносителей. Другим достоинством органических соединений является то, что соединения-углеводороды, в общем, не склонны стимулировать развитие коррозии металлов и имеют очень низкий уровень искусственной радиоактивности. Основные недостатки углеводородов связаны с относительно невысокой их тепловой устойчивостью и невысокой стойкостью против воздействия излучений. Кроме того, теплопередающие свойства углеводородов менее благоприятны по сравнению с водой, главным образом из-за низкой теплопроводности. Было установлено, что бензольное ядро является наиболее устойчивым соединением по отношению к излучению. Поэтому в качестве теплоносителей были использованы такие соединения как дифинил и трифинил. Однако даже у этих материалов радиационные повреждения остаются серьезной проблемой. Так дифинил переходит путем полимеризации в цепные высокомолекулярные соединения, обладающие менее благоприятными свойствами. То же касается теплового повреждения. Было установлено, что температура 430 ºС является максимально допустимой. Недостатком дифинила является также высокая температура плавления – 80 ºС. Это требует нагревание его извне перед запуском реактора. Точку плавления дифинила понижают, смешивая его с трифинилом.

    Расплавленные соли и гидраты металлов также рассматривались в качестве теплоносителей. Сплавы солей не являются обычным теплопередающим материалов в промышленности. Их применение связано с повышенными температурами, и в этом отношении они имеют преимущество перед жидкими металлами. Однако расплавы солей обладают относительно низкой характеристикой теплопередачи и высокой коррозионной активностью. Неорганические материалы рассматривались как материал для авиационного ядерного двигателя. Один из таких реакторов работал при максимальной температуре 815ºС с охладителем из смеси фтористого натрия и фтористого калия. Гидрат окиси натрия может одновременно использоваться в качестве теплоносителя и замедлителя.

    Не все образующиеся при делении нейтронов участвуют в дальнейшем процессе деления. Часто нейтрон влияет из активной зоны. Для уменьшения потери (или утечки) нейтронов вокруг активной зоны располагают отражатель нейтронов. Возвращая нейтрон в активную зону, отражатель тем самым повышает эффективность их использования. В качестве материалов отражателя используют вещества, хорошо замедляющие нейтроны (бериллий, графит, вода и др.).

    Биологическая защита окружает ЯР и служит для предотвращения выхода из него опасных для человека и оборудования видов излучения, основными из которых являются нейтронное и гамма-излучения.

    ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ