Природный уран имеет низкий уровень радиоактивности, но перед производством топливных сборок металл проходит процесс обогащения. Содержание урана-235 в природных рудах не превышает 0,7%, а радиоактивность составляет 25 беккерелей на миллиграмм урана.
Как устроены атомные электростанции
Технология атомных электростанций — это сложный инструмент.
Человек ищет энергию везде: в пламени горящего дерева и угля, в динамике рек, в силе ветра и в тепле солнечных лучей. В середине прошлого века мы узнали, как использовать энергию, скрытую в ядрах тяжелых элементов. Сегодня на атомных электростанциях эта невидимая энергия человека преобразуется в электричество, с которым мы так хорошо знакомы.
Без мирного атома никак
Мировая экономика немыслима без ядерной энергии. Атомные электростанции вырабатывают десятую часть всей электроэнергии, производимой на планете. В 31 стране мира действуют 192 атомные электростанции. Как правило, все они имеют несколько энергоблоков — комплексов технического оборудования для производства электроэнергии, имеющих в своем составе ядерные реакторы. Общее количество таких энергоблоков в мире составляет 451.
США занимают первое место по количеству атомных электростанций — 62, на втором месте Франция — 19 и на третьем Япония — 17. Россия занимает пятое место по количеству атомных электростанций. Их 10, с мощностью 37 единиц электроэнергии. Общая мощность всех ГЭС в мире составляет около 392 ГВт.
Атомная энергия имеет много преимуществ. Основными принципами являются высокая рентабельность и отсутствие выбросов продуктов сгорания в атмосферу, как в случае с тепловыми электростанциями. Однако есть и серьезные недостатки. В случае аварии на атомной электростанции продукты деления ядерного топлива, выходящие из реактора, могут сделать большие территории, прилегающие к станции, непригодными для проживания в течение длительного времени. Другим недостатком является хранение и переработка отработанного топлива.
Принцип работы атомной электростанции
Использование атомной энергии началось почти одновременно с разработкой ядерного оружия. По мере продолжения военных разработок начались исследования возможности использования атомной энергии в мирных целях, в основном для производства электроэнергии. Считается, что мирное использование ядерной энергии началось в 1954 году, когда в подмосковном Обнинске заработала первая в мире атомная электростанция.
В отличие от ядерных бомб, которые запускают неконтролируемую цепную реакцию деления и высвобождают большое количество энергии, которая высвобождается мгновенно, в ядерных реакторах реакция деления контролируется, и топливо высвобождает энергию медленно. Поэтому, чтобы использовать цепную реакцию деления в мирных целях, ученые должны были найти способ приручить ее.
Атомные электростанции — это ряд технологических установок, предназначенных для выработки электроэнергии. Ядерные реакции происходят в реакторе — сердце атомной электростанции. Однако не сам реактор производит электроэнергию.
На атомной электростанции происходит три взаимопревращения форм энергии. Ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию, тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, а механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Каждое преобразование имеет свой собственный технический «остров». Это серия устройств, с помощью которых происходят эти преобразования. Пройдитесь по технологической цепочке и рассмотрите поближе, как вырабатывается электроэнергия.
Для упрощения учета и передачи ядерного топлива в реактор топливные стержни собираются в топливные композиты по 150-350 штук. Как правило, такие композиты одновременно крепятся к активной зоне реактора. Они устанавливаются в канале активной зоны реактора.
Основные части атомной электростанции
Электростанция является базовой и состоит из управляемого реакторного бара. Он изготовлен из стали, содержащей высокую долю материала, способного поглощать нейтроны. Бор. Контрольные шины расположены в активной зоне реактора. Они контролируют количество реакции и, следовательно, количество производимого тепла. Кроме того, для контроля скорости слияния используются координаторы. Типичными регуляторами являются вода, графит или тяжелая вода (D2o). Только довольно низкоскоростные нейтроны могут вызвать деление урана.
В результате ядерных реакций выделяется тепло, которое отводится от охлаждающей жидкости. Типичными холодильниками являются вода, углекислый газ и раствор натрия. Пар, произведенный в пароходе, попадает в пароструйный аппарат. Сила струи пара вращает турбину. Турбина связана с генератором и производит электроэнергию.
Ядерное топливо
Ядерное топливо — это материал, который может быть использован для производства ядерной энергии. Наиболее распространенным типом ядерного топлива является разрушенный элемент, который может вступить в цепную реакцию деления в реакторе. Наиболее распространенными видами ядерного топлива являются 235U и 239pu. Природный уран содержит 0,7% 235U. Однако, чтобы стать более полезным в ядерном секторе, его количество должно быть увеличено примерно до 3% в обогащенных единицах.
Когда нейтрон попадает в небесный человек, уран распадается на два более легких человека с одновременным выделением тепла. Деление тяжелых элементов является экзотермической реакцией и может высвобождать большое количество энергии, как в виде электромагнитного излучения, так и в виде кинетической энергии осколков. Цепная реакция — это процесс, в котором нейтроны, высвобождающиеся при делении, вызывают дополнительные деления по крайней мере в одном другом ядре. Эти ядра, в свою очередь, производят нейтроны, и процесс повторяется. Контролируемая процедура используется в ядерной энергетике, неконтролируемый процесс — в ядерном оружии.
Начало работы атомной электростанции основано на разрушении ядерного топлива. Когда урановый человек выходит из строя, часть энергии, которую он интегрирует, высвобождается в виде теплового излучения. Выделяемая энергия излучается, поскольку энергия и масса зависят друг от друга.
235u + 1 нейтрон = 2 нейтрона + 92kr (криптон) + 142BA (барий) + энергия
Поэтому общая масса немного уменьшается во время реакции.
Типы атомных электростанций
Существуют следующие основные типы реакторов
Реактор с кипящей водой
Реакторы с кипящей водой работают как электростанции, производящие ископаемое топливо. Вода закипает в сосуде под давлением, образуя пароводяную смесь. Теплоноситель в реакторе движется вверх в активную зону и поглощает тепло.
Когда пар поднимается в верхнюю часть сосуда под давлением, он направляется в турбогенератор для вращения турбины. Поскольку имеется только один контур с водой низкого давления, вода закипает в активной зоне при гораздо более низком давлении.
Водяной реактор под давлением
Реакторы с водой под давлением отличаются тем, что пар для работы турбины производится паром. Турбокомпрессор удерживает воду, поступающую в корпус реактора, и кипятит ее до очень высокого давления. Затем горячая вода поступает в парогенератор, где превращается в пар. Пар проходит через турбину для производства электроэнергии. Около 60% коммерческих энергетических реакторов в мире — это реакторы под давлением. Очевидным преимуществом этого типа является то, что утечки топлива в активной зоне не приводят к выбросу радиоактивных загрязнений в турбину и конденсатор.
Контрольно-измерительных приборы атомной электростанции
Архитектура системы органов, в сочетании с оперативным персоналом станции, является «центральной нервной системой» атомной электростанции.
Система ввода/вывода установки определяет основные физические параметры с помощью различных строительных блоков (оборудование, блоки, датчики, передатчики, резервирование, активаторы и т.д.), контролирует работу, включает информацию и автоматически изменяет функционирование установки по мере необходимости Система предназначена для. Система реагирует на ошибки и необычные события, обеспечивает эффективное выполнение задач в области энергетики и безопасности и гарантирует безопасное и надежное производство энергии. Проекты, связанные с проектированием, тестированием, эксплуатацией, обслуживанием, лицензированием, эксплуатацией и модернизацией систем ввода/вывода, должны быть очень важными.
Система мониторинга реактора
Системы мониторинга реакторов являются характерной чертой атомных электростанций, при этом системы нейтронного мониторинга измеряют нейтроны в реакторах, а системы радиационного мониторинга — радиацию на станциях.
Системы нейтронного мониторинга необходимы для контроля активной зоны.
Безопасность атомных электростанций
Работники ядерного сектора серьезно относятся к вопросам безопасности. Основной проблемой безопасности является неконтролируемый выброс радиации в окружающую среду. Это может быть вредно для людей и природы как внутри, так и за пределами реакторного пространства.
Между радиоактивным ядром и окружающей средой существует множество естественных барьеров. Реактор окружен массивным железобетонным корпусом толщиной 1,8 м. Работники защищены радиацией с бетонными внутренними стенами. Вакуумное здание соединено с корпусом реактора через каналы сброса давления.
Вакуумное здание представляет собой бетонную конструкцию высотой около 70 метров, подверженную воздействию отрицательного атмосферного давления. Это означает, что если в реакторе произойдет утечка, она будет поглощена вакуумным зданием, что предотвратит ее выброс в окружающую среду. Конструкция реактора также включает в себя множество резервных компонентов, независимых систем, мониторинг оборудования и предотвращение типов повреждения оборудования, влияющих на другие. Безопасность также важна для работников атомной промышленности.
Четыре естественных барьера интегрированы в планировку атомной электростанции для предотвращения утечки радиоактивных материалов. Эти барьеры должны? Они должны быть способны остановить ядерную реакцию в нужный момент, обеспечить непрерывный отвод тепла от активной зоны и самого реактора, а также предотвратить выход радиоактивного клайда из корпуса.
Из чего состоит атомный реактор?
Чтобы понять, как работает реактор, и, следовательно, как работает атомная электростанция, необходимо понять компоненты реактора.
- Активная зона. Это зона, куда помещается ядерное топливо (тепловыделитель) и замедлитель. Атомы топлива (чаще всего топливом выступает уран) совершают цепную реакцию деления. Замедлитель призван контролировать процесс деления, и позволяет провести нужную по скорости и силе реакцию.
- Отражатель нейтронов. Отражатель окружает активную зону. Состоит он из того же материала, что и замедлитель. По сути это короб, главное назначение которого – не дать нейтронам выйти из активной зоны и попасть в окружающую среду.
- Теплоноситель. Теплоноситель должен вобрать в себя тепло, которое выделилось при делении атомов топлива, и передать его другим веществам. Теплоноситель во многом определяет то, как устроена АЭС. Самый популярный теплоноситель на сегодня – вода. Система управления реактором. Датчики и механизмы, которые приводят реактор АЭС в действие.
Топливо для АЭС
В чем заключается работа атомной электростанции? Топливо для атомных электростанций представляет собой радиоактивный химический элемент. На всех атомных электростанциях этим элементом является уран.
Конструкция атомных электростанций означает, что они работают на сложном, комбинированном топливе, а не на чистых химических элементах. А чтобы извлечь урановое топливо из природного урана, загруженного в реактор, необходимо провести ряд операций.
Обогащенный уран
Уран состоит из двух изотопов. То есть, в нем есть ядра с разной массой. Они названы на основе числа протонов и нейтронов изотоп-235 и изотоп-238. Исследователи в 20 веке начали извлекать уран-235 из руд, потому что его было легко расщепить и преобразовать. Только 0,7% этого урана встречается в природе (остальное соответствует изотопу-238).
Что следует предпринять в этом случае? Они решили обогащать уран. Обогащение урана — это процесс, в результате которого остается большая часть необходимого изотопа 235 и часть нежелательного изотопа 238. Задача обогатителя урана — производить от 0,7% до почти 100% урана-235.
Обогащение урана может осуществляться двумя методами: газовой диффузией или газовым центрифугированием. Для использования обоих методов уран, извлеченный из руды, переводится в газообразное состояние. В качестве газа он обогащен.
Урановый порошок.
Обогащенный урановый газ преобразуется в диоксид урана в твердом состоянии. Такой чистый уран 235 выглядит как крупные белые кристаллы, которые впоследствии могут быть измельчены в урановый порошок.
Урановые гранулы.
Урановые сферы — это твердые металлические диски длиной несколько сантиметров. Чтобы изготовить эти бусины из уранового порошка, его смешивают с химическим веществом, называемым пластификатором, который улучшает качество прессованных бусин.
Прессованные гранулы обжигаются при температуре 1200°C в течение более суток, чтобы приобрести особую прочность и устойчивость к высоким температурам. Работа атомных электростанций напрямую зависит от того, насколько хорошо сжимается и сжигается урановое топливо.
Топливные гранулы запекаются в молибденовой банке. Это единственный металл, который может предотвратить их плавление при «адских» температурах свыше 1 500 градусов Цельсия. После этого урановое топливо считается готовым к использованию на атомных электростанциях.
Что такое ТВЭЛ и ТВС?
Внешне активная зона реактора выглядит как гигантский диск размером в пять раз больше человеческого тела или как труба с отверстиями в стенках (в зависимости от типа реактора). В этих отверстиях находится урановое топливо, атомы которого осуществляют необходимые реакции.
Нельзя так просто поместить топливо в реактор, если только вы не хотите вызвать аварию с последствиями для всей станции и нескольких близлежащих штатов. Именно поэтому урановое топливо помещается в топливные стержни и собирается в топливные сборки. Что означают эти аббревиатуры?
- ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент (не путать с одноименным названием российской компании, которая их производит). По сути это тонкая и длинная циркониевая трубка, сделанная из сплавов циркония, в которую помещаются урановые таблетки. Именно в ТВЭЛах атомы урана начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя тепло при реакции.
Цирконий является предпочтительным материалом для изготовления топливных стержней благодаря своей тугоплавкости и коррозионной стойкости.
Тип топливного элемента зависит от типа и конструкции реактора. В принципе, конструкция и назначение топливного элемента остаются прежними. Длина и ширина труб могут отличаться.
Более 200 урановых таблеток загружаются в циркониевые трубы с помощью машины. Всего в реакторе одновременно находится около 10 миллионов урановых шариков. Топливные сборки — это топливные сборки. Работники атомной промышленности называют их пучками топливной системы.
По сути, это различные топливные сборки, которые соединены между собой. Топливные сборки — это конечное ядерное топливо, на котором работает атомная электростанция. Это топливные сборки, которые устанавливаются в реактор. В реакторе имеется примерно от 150 до 400 топливных сборок. Они имеют различную форму в зависимости от реактора, в котором находятся тепловыделяющие сборки. Иногда балки укладываются в кубическую форму, иногда в цилиндрическую, а иногда в шестиугольную.
Топливная установка, работающая в течение четырех лет, производит столько же энергии, сколько сжигание 670 вагонов угля, 730 вагонов газа или 900 вагонов нефти. Сегодня тепловыделяющие сборки производятся в основном на заводах в России, Франции, США и Японии.
Чтобы доставить ядерное топливо в другие страны, топливные сборки запаиваются в длинные, широкие металлические трубы; через трубы нагнетается воздух, и они транспортируются специальными машинами к грузовым самолетам.
Вес ядерного топлива на атомных электростанциях непомерно велик, поскольку уран — один из самых тяжелых металлов на Земле. Его удельный вес в 2,5 раза больше, чем у стали.
