Работа атомных электростанций России

atomic-energy.ru

С середины XX-го века атомная энергетика начинает играть всё большую роль в производстве электрической энергии, тем самым позволяя мировой экономике обрести независимость от наличия традиционных видов топлива. Фактически с одной стороны можно говорить об эффективности всей ядерной энергетики России, а с другой – подробно осветить саму технологию, применяемую на атомных электростанциях страны.

Российская ядерная энергетика обладает высочайшим научно-техническим потенциалом и владеет всей полнотой спектра существующих на сегодня атомных технологий. На ноябрь 2020 года в действующей эксплуатации находились 38 энергетических блоков установленной мощностью в 31 ГВт. В том же году произведено 215,746 млрд кВт•ч электрической энергии – это составляет примерно пятую часть генерации по всей стране.

Если вести речь о рентабельности, то здесь решающими факторами выступают капитальные затраты, составляющие 70% в стоимости атомной энергии и вопросы безопасности, прежде всего, радиационной. Атомная энергетика по себестоимости производства электроэнергии уступает ГЭС и ТЭЦ (работающим на газе), но превосходит угольные ТЭЦ и электростанции, использующие альтернативные источники энергии (солнечный свет, ветер, внутренне тепло Земли и тому подобное).

Безопасность современной АЭС – это наиважнейший из всех существующих на сегодня вопросов в области атомной энергетики. Однако стоит заметить, что уроки Чернобыля и Фукусимы, а также других аварий и инцидентов подобного рода, не прошли даром. Несмотря на то что полной и абсолютной безопасности ничто не гарантирует, прошедшие кардинальную модернизацию и реконструкцию станции имеют на сегодняшний день минимальную вероятность подвергнуться серьёзной аварии или быть разрушенными под влиянием внешних воздействий:

  • направленного тарана ракеты или самолёта до 200 тонн весом;
  • происходящего поблизости взрыва ядерного или термоядерного заряда значительной мощности;
  • природных катастроф – типа 8-и бального землетрясения, цунами или торнадо (для сравнения – риск подвергнуть свою жизнь опасности в результате дорожно-транспортного происшествия в несколько тысяч раз выше).

Действующая атомная электростанция представляет собой единый технологически комплекс из сооружений и размещённого внутри них функционально систематизированного оборудования, оснащённого всеми необходимыми устройствами управления, защиты и сигнализации.

В основе работы любой АЭС всегда лежит управляемая, контролируемая (невзрывная) ядерная реакция – цепная реакция, приводящая к образованию медленных (тепловых) нейтронов.

Небольшое отступление-пояснение из курса ядерной физики:

  1. В процессе ядерной реакции образуются быстрые нейтроны, претерпевающие трансформацию своей кинетической энергии в энергию тепловую, приводящую к появлению тепловых нейтронов. Трансформацию, происходящую вследствие столкновений их с ядрами вещества.
  2. С целью применения топлива, имеющего меньшую концентрацию делящегося вещества, на атомных электростанциях устанавливаются замедлители нейтронов.
  3. Эффект использования медленных нейтронов для расщепления атомного ядра, ставшего «ключом» к созданию ядерного реактора, был открыт 22 октября 1934 года итальянскими учёными, руководимыми выдающимся физиком своего времени Энрико Ферми. Именно тогда группе исследователей удалось, используя парафин или воду, «затормозить» движение быстрых нейтронов, медленное движение которых в значительной степени ускоряло ядерный процесс. Звучит парадоксально, но это происходит именно так.

Сердцем атомной станции является реактор – тот самый агрегат, в котором и осуществляется цепная ядерная реакция. Он заключён в огромную бетонную башню, также называемую контейментом, гермозоной или герметичной оболочкой. Именно она призвана защищать окружающую обстановку от вредных воздействий в случае возникновения аварии. Для этого в башне имеется две оболочки:

  • Внешняя (толщина – 80 см) выступает в роли препятствия для возможных воздействий, производимых снаружи реактора.
  • Внутренняя (толщина – 1 метр 20 см) конструктивно укреплена стальными тросами, в 3 раза повышающими прочность самого сооружения. Изнутри она покрыта слоем специальной стали, который служит дополнительной защитой от выхода внутреннего содержимого реактора из гермозоны в случае возникновения нештатных ситуаций.

Для запуска процесса внутрь реактора загружается ядерное топливо. Как правило, это уран-235 или плутоний-239. Химические элементы, имеющие тенденцию к делению, происходящему под воздействием удара нейтрона об их атомы, сопровождающегося рядом физических процессов и явлений. В том числе и выделением значительного количества тепла.

Технически всё происходящее осуществляется благодаря следующим сооружениям и оборудованию:

  • Активной зоне, вмещающей в себя ядерное топливо, предназначенное для выделения из него тепла, и замедлитель – для контроля происходящих внутри реактора процессов. Само ядерное топливо представлено в виде урановых таблеток, сложенных внутри циркониевых трубок – ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов), в свою очередь сформированных в пучки – ТВСы (тепловыделяющие сборки).
  • Отражателю, способному удерживать нейтроны в активной зоне.
  • Теплоносителю, аккумулирующему в себя выделяемое в процессе ядерной реакции тепло.

Одноконтурные. Практически реализованные на базе реакторов РБМК-1000 (реактор большой мощности канальный), которые совместно с 2-мя конденсационными турбинами и 2-мя генераторами представляют собой единый энергетический блок. Так как пар вырабатывается непосредственно в активной зоне (ректор с кипящей водой) и оттуда сразу же направляется на турбину, необходимость в дополнительном теплоносителе отпадает. Однако, несмотря на предельную простоту конструкции, возникают значительные сложности с осуществлением биозащиты, вследствие повсеместного распространения радиоактивности внутри всего энергетического блока. Именно поэтому сегодня на территории РФ продолжают работать лишь 4 реактора подобного типа.

Двухконтурные. Наиболее распространённые в мире водо-водяные реакторы типа ВВЭР. В первом контуре в активную зону под давлением поступает вода (водяной реактор под давлением), где она претерпевает процесс нагрева. Для того чтобы затем передать своё тепло через парогенератор второму водяному контуру, генерирующему насыщенный пар для движения турбины. Важнейшей особенностью данной схемы является отсутствие радиоактивности во втором контуре реактора.

Сегодня водо-водяные реакторы, составляющие вместе с одной (мощностью в 1000 МВт) или двумя (мощностью в 500 МВт каждая) конденсационными турбинами единый энергетический блок, работают на 6-и атомных электростанциях Российской Федерации.

Трёхконтурные. Наиболее перспективное направление, использующее как уран-238 – сырьё, не требующее обогащения и достаточно широко распространённое в природе, так и отработавшее ядерное топливо. Последнее открывает широчайшие возможности по созданию замкнутых циклов использования «отходов» атомных электростанций, что в 10 раз увеличивает потенциал сырья для атомной энергетики, который можно будет использовать в течение нескольких последующих тысячелетий.

Здесь в качестве теплоносителя для первых двух контурах реактора используется натрий типа БН, хотя также могут применяться газ, ртуть, свинец. Причём во втором контуре они уже не будут радиоактивными. А в третьем – передадут свою тепловую энергию воде, чтобы в дальнейшем быть превращённой в насыщенный пар, вращающий лопасти турбины. Сегодня в нашей стране реакторы БН-600 и БН-800 эксплуатируются только на Белоярской АЭС.

Выработка тепловой энергии с помощью ядерного реактора не является конечной целью создания атомных станций. Принимающие и в дальнейшем преобразующие её в насыщенный пар парогенераторы размещаются в здании турбинного зала. Здесь же находятся и вращающиеся под воздействием пара турбины, которые передают соосным (расположенным на одной на одной оси с ними) генераторам свою кинетическую энергию. Затем она преобразуется в электрическую, которая транспортируется потребителям с помощью высоковольтных линий электропередач.

Параллельно с этим функционирует и другая технологическая цепочка, возвращающая в реактор теплоноситель первого контура. Конденсатор и конденсаторный насос (оборудование, располагающееся в турбинном зале) собирают, охлаждают и перекачивают конденсат для того, чтобы находящийся в реакторном зале циркуляционный насос подал его непосредственно в реактор, замыкая тем самым первичный контур обращения теплоносителя.

Для удаления излишков тепла в атмосферу АЭС оснащают оборотной системой охлаждения, включающей в себя:

  • градирни – суживающиеся кверху огромные бетонные башни;
  • пруды-охладители естественного или искусственного происхождения;
  • брызгальные бассейны;
  • трубопроводы и насосы.

Столь важное и ответственное в технологическом отношении оборудование, которым насыщена современная атомная электростанция, требует постоянного и достаточно оперативного контроля как со стороны высоконадёжной автоматики, так и стороны оперативного персонала. К чему могут привести сбои в их работе, стало хорошо известно после аварий в Чернобыле и на Фукусиме. Поэтому современные АЭС в обязательном порядке комплектуются необходимыми контрольно-измерительными приборами, совмещёнными с системами автоматизации.

Это позволяет дежурному персоналу:

  • отслеживать работу станции и всех её составляющих элементов;
  • следить за наиболее важными физическими параметрами;
  • анализировать с помощью самых современных цифровых технологий полученную информацию;
  • принимать необходимые решения;
  • по необходимости вносить нужные коррективы.

Здесь одними из особенностей, характерных для ядерной энергетики, выступают необходимость нейтронного контроля активной зоны реактора и необходимость радиационного контроля. Такова специфика отрасли.

Атомная энергетика:

  • работает 24 часа в сутки, обеспечивая надёжное, беспрерывное электроснабжение множества потребителей на территории огромной страны;
  • не выбрасывает в атмосферу «парниковых» газов, проблема которых стала одной из самых актуальных для дальнейшей судьбы всего человечества;
  • создаёт значительное количество рабочих мест с достаточно высоким уровнем заработной платы.

Кроме всего перечисленного, российская атомная энергетика обеспечивает бюджеты федерального, регионального и местного уровня значительными финансовыми поступлениями.