Найти тему
Журнал «Луч»

Погружение в активную зону реактора: как работает сердце АЭС

Оглавление

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.

Задача АЭС — трижды преобразовать энергию
Задача АЭС — трижды преобразовать энергию

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

-3

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.

Твэлы собираются в тепловыделяющие сборки по 150–350 штук. Одновременно в активную зону реактора обычно помещается 200–450 сборок
Твэлы собираются в тепловыделяющие сборки по 150–350 штук. Одновременно в активную зону реактора обычно помещается 200–450 сборок

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

-5

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.

Загрузка топлива в реактор на четвёртом блоке Ростовской АЭС. Источник фото
Загрузка топлива в реактор на четвёртом блоке Ростовской АЭС. Источник фото

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

-7
Силуэт Ростовской АЭС дополняют высокие башни — градирни, в которых горячая вода распыляется. Источник фото
Силуэт Ростовской АЭС дополняют высокие башни — градирни, в которых горячая вода распыляется. Источник фото

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».