Атомные электрические станции (АЭС)

АЭС отличаются от ГЭС только тем, что рабочее тело на них в парогенераторах получают за счёт получения тепла в ядерных реакторах, а на ГЭС за счёт сжигания органического топлива.

Основной элемент станции – ядерный реактор – состоит из активной зоны, отражателя, системы охлаждения, системы управления, регулирования и контроля, корпуса и биологической защиты.

В рабочие каналы активной зоны помещают ядерное топливо в виде урановых или плутониевых стержней, покрытых герметичной металлической оболочкой. В этих стержнях и происходит ядерная реакция, сопровождаемая выделением большого количества тепла. Поэтому стержни с ядерным топливом называют тепловыделяющими элементами или сокращённо твэлами. Количество твэлов в активной зоне может доходить до нескольких тысяч.

В активную зону помещают замедлитель нейтронов, через неё также проходит теплоноситель, под которым понимают вещество служащее для отвода тепла. В качестве теплоносителя используются обычная вода, тяжёлая вода, водяной пар, жидкие металлы, некоторые инертные газы (углекислый газ, гелий). Теплоноситель с помощью принудительной циркуляции омывает в рабочих каналах поверхности твэлов, нагревается и уносит с собой тепло для дальнейшего использования. Активная зона окружена отражателем, который возвращает в нее вылетающие нейтроны.

Управление реактором производится с помощью специальных стержней, поглощающих нейтроны. Стержни вводятся в активную зону и изменяют поток нейтронов, а следовательно, и интенсивность ядерной реакции.

Тепло, выделяющееся в реакторе, может передаваться рабочему телу теплового двигателя (турбины) по одноконтурной, двухконтурной и трехконтурной схемам (см. рис 7).

Рис. 7 Схемы работы АЭС: а – одноконтурная АЭС; б – двухконтурная АЭС; в – трехконтурная АЭС. 1- реактор с первой биологической защитой; 2- вторичная биологическая защита; 3 – турбина; 4 – электрический генератор; 5 – конденсатор или газоохладитель; 6 – насос или компрессор; 7 – регенеративный теплообменник; 8 – циркуляционный насос; 9 – парогенератор; 10 – промежуточный теплообменник.

Каждый контур представляет собой замкнутую систему. Многоконтурная схема обеспечивает радиационную безопасность и создает удобства для обслуживания оборудования. Выбор числа контуров определяется в зависимости от типа реактора и свойств теплоносителя, характеризующих его пригодность для использования в качестве рабочего тела в турбине.

Мощность первой АЭС равна 5 МВт, а кпд – 16 % (построена в 1954 году в г. Обнинске). Относительно небольшое кпд объясняется тем, что используется пар с низкими параметрами Т₁ = 260 и давлением ρ = 1,27 МПа (12 атм).

Опыт сооружения и эксплуатации АЭС позволил перейти к созданию экономичных мощных АЭС, в которых параметры рабочего тела доведены до величин такого же порядка как и на современных ГЭС. В 1964 году в Свердловской области построена Белоярская АЭС на которой используется пар ρ = 9,12 МПа (91,2 атм) и температуре 450-530 мощность 100 МВт. Современные АЭС строятся с блоками 1000 МВт (Волгодонская АЭС).

Доля атомной энергетики в перспективе будет возрастать в производстве электроэнергии.