Сегодня в России около 20% электроэнергии от всего производимого электричества вырабатывают 11 атомных электростанций. Мы знаем, как станции выглядят снаружи: несколько корпусов с оборудованием и огромные трубы, из которых выходит пар. Но как устроены АЭС внутри и что собой представляет атомный реактор, понимают далеко не все. В статье разберём принцип работы атомной электростанции и расскажем, как активная зона реактора производит электричество.
Как из ядерной энергии получается электрическая
Принцип преобразования энергии в атомной электростанции можно описать одним предложением: ядерная энергия превращается в тепловую, тепловая — в механическую, а механическая — в электрическую.
Ядерная реакция проходит внутри реактора. Но чтобы использовать выработанную энергию, она должна пройти через несколько этапов преобразования. Для этого предусмотрен целый комплекс технических сооружений.
Ядерная энергия преобразуется в тепловую. В активную зону реактора загружается ядерное топливо, после чего запускается управляемая цепная реакция деления атомных ядер. В результате выделяется большое количество тепла.
Что такое цепная ядерная реакция и при чём здесь замедлители
Тепловая энергия превращается в механическую. Полученное тепло нагревает воду до температуры кипения, превращая её в пар. Он под давлением подаётся в парогенератор и крутит турбину.
Механическая энергия преобразуется в электрическую. Вращение турбины позволяет вырабатывать электричество в генераторе, которое по проводам поступает к потребителям.
АЭС можно сравнить с большим кипятильником, только работает он на ядерном топливе. Но при этом реактор сделан из сверхпрочной стали и не придёт в негодность через пять лет, как чайник или кастрюля: он не покроется ржавчиной как минимум 100 лет. Атомной станции нужно в сто тысяч раз меньше топлива, чем тепловой. Кроме того, она не загрязняет природу: не выбрасывает в окружающую среду ничего, кроме небольшого количества тепла и водяного пара.
А что происходит в активной зоне реактора
В реакторном зале главного корпуса находится реактор — сердце любой АЭС. Он представляет собой вертикальный цилиндрический герметичный сосуд из стали, расположенный в специальной бетонной шахте.
На одной станции может быть несколько реакторов, от их количества зависит мощность и количество производимой энергии. Например, на Ленинградской АЭС — одной из крупнейших атомных станций в России — эксплуатируется четыре блока с реакторами суммарной мощностью 4400 МВт.
Пространство в реакторе, где проходит контролируемая цепная реакция деления, называется «активная зона ядерного реактора». Именно в неё загружают ядерное топливо.
Перед загрузкой ядерного топлива в реактор его прессуют таблетки. На самом деле топливо только называют таблетками, выглядит оно как небольшие чёрные цилиндры. Таблетки помещают в металлические стержни — тепловыделяющие элементы (твэлы), их крепят на специальном кронштейне, создавая таким образом тепловыделяющую сборку (ТВС), и размещают их внутри активной зоны реактора.
Ядерное топливо очень энергоёмкое. Одна таблетка ядерного топлива весит всего 4,5 грамма, и при сжигании она даст столько же энергии, сколько 350 килограмм нефти или 400 килограмм угля.
Опасный или важный энергетический ресурс? Четыре важных вопроса про обогащение урана
Атомная электростанция может снабдить энергией целый регион или крупный город. Например, Ростовская АЭС мощностью 4071 МВт обеспечивает около 75% производства электроэнергии во всей Ростовской области.
После запуска реактора происходит цепная реакция: ядра урана или плутония начинают распадаться на части, когда в них врезаются нейтроны. При этой реакции вылетает ещё парочка нейтронов, которые, в свою очередь, попадают в соседние ядра. Эти ядра раскалываются, появляются новые нейтроны, и так далее по цепочке.
ТВС погружают в активную зону реактора. Но чтобы запустить ядерную реакцию, нужно увеличить плотность нейтронного потока. Для этого в активной зоне установлены регулирующие стержни, которые могут поглощать избыточные нейтроны. Их постепенно поднимают, чтобы запустить процесс деления. А когда активная зона сильно разогревается, их опускают обратно. Таким способом регулируется мощность реактора.
Нейтроны, которые высвобождаются во время и после распада, двигаются очень быстро. Это означает, что они с малой вероятностью могут быть захвачены ядрами. Но хорошая новость в том, что их можно замедлить.
Для поддержания последующих актов расщепления ядра придумали замедлитель. И это не магический инструмент, а материал, который отбирает часть энергии (скорости) у нейтронов за счёт многократного столкновения с его молекулами. В качестве замедлителя часто используют воду, которую подают в активную зону циркуляционными насосами.
Что происходит с теплом
Реакторы могут различаться по количеству контуров — замкнутых систем труб. В одноконтурном реакторе пар генерируется непосредственно в активной зоне, после чего вращает турбину. А в двухконтурном нагретая вода из реактора поступает в парогенераторы, где передаёт своё тепло воде второго контура, которая закипает, и происходит образование пара.
Двухконтурная конструкция предусматривает полную изоляцию контуров друг от друга. Это значит, что вода, находящаяся внутри реактора, не соприкасается с водой, которая находится внутри парогенераторов. Тепло передаётся через теплообменную поверхность. Благодаря этому радиоактивная вода всегда находится внутри реактора и не выходит за пределы первого контура.
Пар поступает на турбину, где его энергия раскручивает вал паровой турбины. Вращение вала передаётся электрогенератору, который, в свою очередь, вырабатывает электричество.
ВВЭР-1000: старожил атомной энергетики
Прошедший через турбину пар отправляется в систему оборотного охлаждения, которая может включать градирни, пруд-охладитель и систему разбрызгивателей. В ней пар конденсируется, превращается в воду и возвращается во второй контур. По второму контуру она поступает в парогенератор, где снова превращается в пар.
Вода циркулирует по кругу, а сотрудники АЭС контролируют ядерную реакцию и перезагружают топливо. Его не меняют полностью одновременно — примерно раз в год перегрузочная машина выгружает часть топлива и такое же количество свежих сборок загружает в активную зону. Это связано с тем, что твэлы в реакторе выгорают неравномерно, нейтронный поток различается по интенсивности в разных зонах реактора.
Топливо, поработавшее в ядерном реакторе, называют отработавшим. После выгрузки его отправляют в бассейн выдержки, где оно охлаждается, затем в хранилище в реакторном отделении, а после этого — на переработку или захоронение.
Активная зона — самая важная и при этом недоступная часть АЭС. Здесь находится система управления и защиты, которая следит за тем, как протекает реакция, и может остановить её, если что-то пойдёт не по плану.
Кроме того, реакторные установки сегодня строятся в контейнментах — массивных герметичных оболочках, которые в случае аварии не пропустят выброс радиоактивных веществ наружу. Это настолько крепкие конструкции, что они способны выдержать землетрясение, ураган, цунами и даже падение самолёта.
Еще больше интересных материалов в журнале «Луч».