Для чего нужна атомная электростанция

Как работает АЭС?

Атомная электростанция — комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений, предназначенный для производства электрической энергии. В качестве топлива станция использует уран-235. Наличие ядерного реактора отличает АЭС от других электростанций.

На АЭС происходит три взаимных преобразования форм энергии

переходит в тепловую

переходит в механическую

преобразуется в электрическую

1. Ядерная энергия переходит в тепловую

Основой станции является реактор — конструктивно выделенный объем, куда загружается ядерное топливо и где протекает управляемая цепная реакция. Уран-235 делится медленными (тепловыми) нейтронами. В результате выделяется огромное количество тепла.

2. Тепловая энергия переходит в механическую

Тепло отводится из активной зоны реактора теплоносителем — жидким или газообразным веществом, проходящим через ее объем. Эта тепловая энергия используется для получения водяного пара в парогенераторе.

3. Механическая энергия преобразуется в электрическую

Механическая энергия пара направляется к турбогенератору, где она превращается в электрическую и дальше по проводам поступает к потребителям.

Из чего состоит АЭС?

Атомная станция представляет собой комплекс зданий, в которых размещено технологическое оборудование. Основным является главный корпус, где находится реакторный зал. В нём размещается сам реактор, бассейн выдержки ядерного топлива, перегрузочная машина (для осуществления перегрузок топлива), за всем этим наблюдают операторы с блочного щита управления (БЩУ).

Основным элементом реактора является активная зона(1) . Она размещена в бетонной шахте. Обязательными компонентами любого реактора являются система управления и защиты, позволяющая осуществлять выбранный режим протекания управляемой цепной реакции деления, а также система аварийной защиты – для быстрого прекращения реакции при возникновении аварийной ситуации. Все это смонтировано в главном корпусе.

Есть также второе здание, где размещается турбинный зал(2) : парогенераторы, сама турбина. Далее по технологической цепочке следуют конденсаторы и высоковольтные линии электропередач, уходящие за пределы площадки станции.

На территории находятся корпус для перегрузки и хранения в специальных бассейнах отработавшего ядерного топлива. Кроме того, станции комплектуются элементами оборотной системы охлаждения – градирнями(3) (бетонная башня, сужающаяся кверху), прудом-охладителем (естественный водоем, либо искусственно созданный) и брызгальными бассейнами.

Какие бывают АЭС?

В зависимости от типа реактора на АЭС могут быть 1, 2 или 3 контура работы теплоносителя. В России наибольшее распространение получили двухконтурные АЭС с реакторами типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор).

АЭС С 1-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

АЭС С 1-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Одноконтурная схема применяется на атомных станциях с реакторами типа РБМК-1000. Реактор работает в блоке с двумя конденсационными турбинами и двумя генераторами. При этом кипящий реактор сам является парогенератором, что и обеспечивает возможность применения одноконтурной схемы. Одноконтурная схема относительно проста, но радиоактивность в этом случае распространяется на все элементы блока, что усложняет биологическую защиту.

В настоящее время в России действует 4 АЭС с одноконтурными реакторами

АЭС С 2-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

АЭС С 2-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Двухконтурную схему применяют на атомных станциях с в водо-водяными реакторами типа ВВЭР. В активную зону реактора подается под давлением вода, которая нагревается. Энергия теплоносителя используется в парогенераторе для образования насыщенного пара. Второй контур нерадиоактивен. Блок состоит из одной конденсационной турбины мощностью 1000 МВт или двух турбин мощностью по 500 МВт с соответствующими генераторами.

В настоящее время в России действует 5 АЭС с двухконтурными реакторами

АЭС С 3-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

АЭС С 3-КОНТУРНЫМИ РЕАКТОРАМИ

Трехконтурную схему применяют на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем типа БН. Чтобы исключить контакт радиоактивного натрия с водой, сооружают второй контур с нерадиоактивным натрием. Таким образом схема получается трехконтурной.

В настоящее время в России действует 1 АЭС с трехконтурным реактором

В настоящее время в России действует 4 АЭС с одноконтурными реакторами

В настоящее время в России действует 5 АЭС с двухконтурными реакторами

В настоящее время в России действует 1 АЭС с трехконтурными реакторами

АЭС как мощный базовый источник энергии

Интенсивное развитие ядерной энергетики можно считать одним из средств борьбы с глобальным потеплением. К примеру, по подсчетам экспертов, атомные станции в Европе ежегодно позволяют избежать эмиссии около 700 миллионов тонн СО2. Действующие АЭС России ежегодно предотвращают выброс в атмосферу около 210 млн тонн углекислого газа. Таким образом, ядерная энергетика, являясь мощным базовым источником электрогенерации, вносит свой вклад в декарбонизацию.

АЭС: от прошлого до настоящего

Атомная электростанция – предприятие, представляющее собой совокупность оборудования и сооружений для выработки электрической энергии. Специфика данной установки заключается в способе получения тепла. Необходимая для выработки электроэнергии температура возникает в процесса распада атомов.

Роль топлива для АЭС выполняет чаще всего уран с массовым числом 235 (235U). Именно потому, что этот радиоактивный элемент способен поддерживать цепную ядерную реакцию, он используется на атомных электрических станциях, а также применяется в ядерном оружии.

Страны с наибольшим количеством АЭС

На сегодняшний день в 31 стране мира функционируют 192 атомные электростанции, использующие 451 энергетический ядерный реактор общей мощностью 394 ГВт. Подавляющее большинство АЭС находится в странах Европы, Северной Америки, Дальневосточной Азии и на территории бывшего СССР, в то время как в Африке их почти нет, а в Австралии и Океании их нет вообще. Еще 41 реактор не производил электричества от 1,5 до 20 лет, причём 40 из них находятся в Японии.

За последние 10 лет в мире в эксплуатацию было введено 47 энергоблоков, почти все из них находятся либо в Азии (26 — в Китае), либо в Восточной Европе. Две трети строящихся на данный момент реакторов приходятся на Китай, Индию и Россию. КНР осуществляет самую масштабную программу строительства новых АЭС, ещё около полутора десятка стран мира строят АЭС или развивают проекты их строительства.

Помимо США, к списку наиболее продвинутых в области ядерной энергетики стран относят:

• Францию;
• Японию;
• Россию;
• Южную Корею.

В 2007 году Россия приступила к строительству первой в мире плавучей АЭС, позволяющей решить проблему нехватки энергии в отдалённых прибрежных районах страны [12] . Строительство столкнулось с задержками. По разным оценкам, первая плавающая АЭС заработает в 2019—2019 годах.

Несколько стран, включая США, Японию, Южную Корею, Россию, Аргентину, ведут разработки мини-АЭС с мощностью порядка 10—20 МВт для целей тепло- и электроснабжения отдельных производств, жилых комплексов, а в перспективе — и индивидуальных домов. Предполагается, что малогабаритные реакторы (см., например, Hyperion АЭС) могут создаваться с использованием безопасных технологий, многократно уменьшающих возможность утечки ядерного вещества [13] . Строительство одного малогабаритного реактора CAREM25 ведётся в Аргентине. Первый опыт использования мини-АЭС получил СССР (Билибинская АЭС).

Принцип работы АЭС

Принцип работы атомной электростанции основан на действии ядерного (иногда называемого атомным) реактора – специальной объёмной конструкции, в которой происходит реакция расщепления атомов с выделением энергии.

Существуют различные виды ядерных реакторов:

1. PHWR (также имеет название «pressurised heavy water reactor» — «тяжеловодный ядерный реактор»), используемый преимущественно на территории Канады и в городах Индии. В его основе используется вода, формула которой — D2O. Она выполняет функцию как теплоносителя, так и замедлителя нейтронов. Коэффициент полезного действия близится к 29%;
2. ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). В настоящее время ВВЭР эксплуатируют только в СНГ, в частности, модель ВВЭР-100. Реактор имеет КПД равный 33%;
3. GCR, AGR (графитоводный). Жидкость, содержащаяся в таком реакторе, выступает в роли теплоносителя. В данной конструкции замедлитель нейтронов — графит, отсюда и название. КПД составляет около 40%.

По принципу устройства реакторы также делят на:

• PWR (pressurised water reactor) – устроен так, что вода, находящаяся под определенным давлением, замедляет реакции и подает тепло;
• BWR (сконструирован таким образом, что пар и вода находятся в главной части устройства, не имея водяного контура);
• РБМК (канальный реактор, имеющий особенно большую мощность);
• БН (система работает за счет быстрого обмена нейтронами).

Устройство и структура атомной электростанции. Как работает АЭС?

Типичная атомная электростанция состоит из блоков, внутри каждого из которых размещены различные технические приспособления. Самый значимый из таких блоков – комплекс с реакторным залом, обеспечивающий работоспособность всей АЭС. Он состоит из следующих устройств:

• реактора;
• бассейна (именно в нем хранят ядерное топливо);
• машины, перегружающие топливо;
• БЩУ (щит управления в блоках, с помощью него за процессом деления ядра могут наблюдать операторы).

За данным корпусом следует зал. В нем обустроены парогенераторы и находится основная турбина. Сразу же за ними располагаются конденсаторы, а также линии передачи электричества, выходящие за границы территории.

Помимо прочего, имеется блок с бассейнами для отработанного топлива и специальные блоки, предназначенные для охлаждения (они называются градирнями). Кроме того, для охлаждения применяются распылительные бассейны и природные водоемы.

Принцип работы АЭС

На всех без исключения АЭС существует 3 этапа преобразования электрической энергии:

• ядерная с переходом в тепловую;
• тепловая, переходящая в механическую;
• механическая, преобразовывающаяся в электрическую.

Уран отдает нейтроны, вследствие чего происходит выделение тепла в огромных количествах. Горячая вода из реактора прокачивается насосами через парогенератор, где отдает часть тепла, и снова возвращается в реактор. Поскольку эта вода находится под большим давлением, она остается в жидком состоянии(в современных реакторах типа ВВЭР около 160 атмосфер при температуре

330 °C [7] ). В парогенераторе это тепло передается воде второго контура, которая находится под гораздо меньшим давлением (половина давления первого контура и менее), поэтому закипает. Образовавшийся пар поступает на паровую турбину, вращающую электрогенератор, а затем в конденсатор, где пар охлаждают, он конденсируется и снова поступает в парогенератор. Конденсатор охлаждают водой из внешнего открытого источника воды (например, пруда-охладителя).

И первый и второй контур замкнуты, что снижает вероятность утечки радиации. Размеры конструкций первого контура минимизированы, что также снижает радиационные риски. Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, что облегчает ремонт и уменьшает количество радиоактивных отходов при демонтаже станции.

Защитные механизмы АЭС

Все атомные электростанции в обязательном порядке оснащаются комплексными системами безопасности, например:

• локализующие – ограничивают распространение вредоносных веществ в случае аварии, повлекшей выброс радиации;
• обеспечивающие – подают определённое количество энергии для стабильной работы систем;
• управляющие – служат для того, чтобы все защитные системы функционировали нормально.

Кроме того, реактор может аварийно остановиться в случае чрезвычайной ситуации. В этом случае автоматическая защита прервет цепные реакции, если температура в реакторе продолжит подниматься. Эта мера впоследствии потребует серьезных восстановительных работ для возвращения реактора в строй.

После того как в Чернобыльской АЭС произошла опасная авария, причиной которой оказалось несовершенство конструкции реактора, стали больше внимания уделять защитным мерам, а также провели конструкторские работы для обеспечения большей надежности реакторов.

Катастрофа ХХІ века и её последствия

В марте 2011 года северо-восток Японии поразило землетрясение, вызвавшее цунами, которая в итоге повредила 4 из 6 реакторов АЭС «Фукусима-1».

Менее чем через два года после трагедии официальное количество погибших в катастрофе превышало 1500 человек, в то время как 20 000 человек до сих пор считаются пропавшими без вести, а еще 300 000 жителей были вынуждены оставить свои дома.

Были и пострадавшие, которые оказались не способны покинуть место происшествия из-за огромной дозы излучения. Для них была организована незамедлительная эвакуация, продолжавшаяся 2 дня.

Тем не менее, с каждым годом методы предотвращения аварий на АЭС, а также нейтрализации ЧП совершенствуются – наука неуклонно идёт вперёд. Тем не менее, будущее явно станет временем расцвета альтернативных способов получения электроэнергии — в частности, логично ожидать появления в ближайшие 10 лет орбитальных солнечных батарей гигантского размера, что вполне достижимо в условиях невесомости, а также прочих, в том числе революционных технологий в энергетике.

Ядерная энергия — это недорогой и чистый при правильном хранении и утилизации способ получения энергии.

Сегодня ядерная энергетика играет малозаметную, но очень важную роль в нашей жизни. Ее применяют в сельском хозяйстве и промышленности: для производства аммиака, водорода, для опреснения соленых вод, она позволяет получать новые химические элементы, а также ее применяют для получения новых сортов сельскохозяйственных культур, которые приносят больше урожая и устойчивы к болезням. Энергия ядер нашла свое применение в медицине, например, недавно ученые создали аппарат позитронно-эмиссионной томографии, с помощью которого можно обнаружить рак на ранних стадиях. Также ядерную энергию используют на атомных ледоколах и подводных лодках.

Самый распространённый на нашем планете способ применения ядерной энергии — это преобразование ее в электричество на атомных электростанциях (АЭС).

Атомная электростанция — это комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путём использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.

Как это работает?

В основе любой АЭС лежит контролируемый процесс деления атомного ядра. Если коротко, то суть работы любой АЭС заключается в преобразовании энергии из одного вида в другой. Сначала ядерная энергия переходит в тепловую, потом тепловая энергия — в механическую, а затем механическая — в электрическую. Атомная электростанция — это всегда целый комплекс различных сооружений. Каждое служит определенной цели.

Сердце атомной станции — это реактор. Внутри него находится активная зона, в которой происходит деление атомов урана-235 на нейтроны. Каждое распавшееся ядро заставляет соседние ядра распадаться точно также — это называется цепной реакцией. Во время такой реакции образуются мелкие частицы, которые обладают огромным запасом энергии. Частицы сталкиваются друг с другом и начинают выделять очень много тепла.

фото: Росэнергоатом

Сегодня большинство атомных реакторов работают на медленных нейтронах. Это значит, что добытый уран-235 обогащают до такого уровня, который позволяет поддерживать контролируемую цепную реакцию, например, сплавляют с алюминием. Затем этот обогащенной уран складывают в длинные цилиндры — тепловыделяющие элементы. Их устанавливают в реакторе так, чтобы между ними можно было ввести специальные стержни, которые управляют цепной реакцией.

После того, как это тепло выделилось, его нужно забрать из реактора. Это делается с помощью нескольких трубопроводов. Вода первого контура входит в корпус реактора и охлаждает тепловыделяющие сборки (при этом сама вода нагревается до 320 градусов). Затем через сеть теплообменных трубок парогенератора, она отдает тепло воде второго контура. Важно отметить, что она не соприкасается с ней, чтобы исключить возможность попадания радиоактивных веществ за пределы реакторного зала. Вода второго контура превращаясь в пар, вращает турбины, находящиеся в машинном отделении. Они преобразуют энергию вращения (механическая энергия) в электрический ток.

Насколько это безопасно?

При проектировании любой АЭС особое внимание уделяется системам безопасности. Затраты на них могут составлять до 40% от общей стоимости предприятия. Все атомные станции имеют несколько периметров безопасности — физические барьеры на пути распространения ионизирующего излучения и радиоактивных веществ. Внешний корпус современных АЭС способен выдерживать землетрясения до 9 балов, цунами, а также падение самолет весом до 400 тонн. Системы безопасности внутри АЭС в случае аварии защитят от разрыва трубы первого контура и не позволят радиоактивным веществам покинуть пределы компьютерного зала.

фото: Росэнергоатом

Пожалуй, одна из главных проблем безопасности использования АЭС — это угроза распространения ядерного оружия. На атомной станции возможно нарабатывать оружейный плутоний. Это значит, что если на заводе по обогащению U-235 производят ядерное топливо с 2-5% содержанием изотопа U-235, необходимым для работы АЭС, то на том же заводе возможно довести содержание U-235 до 70-90%, которые необходимы для создания атомной бомбы.

С целью обеспечения международной безопасности, в 1968 году Генеральная ассамблея ООН одобрила Договор о нераспространении ядерного оружия ДНЯО). Договор признает «ядерными державами» только те страны, которые произвели и испытали ядерное оружие до 1 января 1967 года — то есть СССР, США, Великобритания, Франция и Китай. Участники ДНЯО, обладающие ядерное оружием, обязуется не передавать его или другие ядерные взрывные устройства кому бы то ни было, а также не помогать, не поощрять и не побуждать какое-либо государство, не обладающее ядерным оружием, к его производству или приобретению. Страны, не обладающие ядерным оружием, имеют право лишь развивать исследования, производство и использование ядерной энергии в мирных. На сегодняшний день участниками договора являются все государства, кроме Израиль, Индия, Пакистан.

АЭС в России и мире

Существует очень распространенный факт, что Россия и в ядерном вопросе опередила весь мир, запустив в 1954 году первый в мире ядерный реактор гражданского назначения. Да, это действительно так, он был сооружен в Обнинске, советском наукограде на Юге Москвы. Но этот реактор был очень маленьким и мог обеспечивать электроэнергией лишь несколько соседних колхозов, да несколько тысяч городских жителей. Первая полномасштабная АЭС открылась в американском штате Пенсильвания в 1957 году. Реактор для этой «атомки» был построен на базе реактора для атомного авианосца. Первая же коммерческая АЭС была построена в Великобритании, которую королева Елизавета торжественно открыла в 1956 году.

Сегодня лидерами использования атомной энергетики являются США, Япония, Франция, Россия и Южная Корея. Самый большой объем электроэнергии, получаемый от атомных электростанций вырабатывается в США. В прошлом году на производство ядерной энергии приходилось 19,3% от общего потребления электроэнергии в стране. Самая крупная АЭС расположена в Японии, в префектуре Ниигата. Касивадзаки-Карива включает в себя 7 ядерных реакторов суммарной максимальной мощностью 8212 МВт.

На 2019 год в России всего 10 действующих АЭС, эксплуатируется 35 энергоблоков совокупной мощностью 26 865 МВт. В российской атомной отрасли (включая АЭС, машиностроительные, производственные и научные предприятия) работает более 250 000 человек. Атомная энергетика в 2018 году обеспечила 18,7 % энергетических потребностей страны. Самой мощной АЭС России на текущий момент является Балаковская атомная станция.

После аварии на АЭС Три-Майл-Айленд, а также аварии на Чернобыльской АЭС и особенно в Японии (после аварии на АЭС Фукусима-1), некоторые страны не только приостановились развитие атомной энергетики, но и ввели мораторий на нее. Италия закрыла все свои АЭС, Швеция, Германия и Великобританией не некоторое время приостановили развитие атомной энергетики. Также политики из Австрии, Дании, Ирландии, Испании и Швейцарии неоднократно публично высказывались о возможном введении моратория на АЭС.

Экологичны ли АЭС?

Любая атомная электростанция имеет негативное воздействие на окружающую среду. Пожалуй, самым главным минусом являются радиоактивные отходы.

На сегодняшний день есть несколько способов утилизации радиоактивных отходов. Самый распространённый – это захоронение их в земле. Топливо, которое уже побывало в реакторе называется облученным. В нем остается мало полезного урана, так как он выгорает во время ядерной реакции. Облученное топливо помещают во временное хранилище, где его в течении нескольких лет охлаждаю в специальных бассейнах. После столь длительных процедур радиоактивные отходы (РАО) отправляют либо на переработку, либо на «кладбище». Центральным ядерным полигоном России является Новая Земля.

Еще один минус — это большие территории, которые необходимы для постройки АЭС, а также сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Например, чтобы построить АЭС мощностью 1000 МВт, потребуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га.

Также нельзя до конца исключить попадание радиоактивных элементов в воду, почву, воздух в процессе добычи, транспортировки ядерного топлива и при эксплуатации АЭС.

При этом атомная электростанция имеет ряд преимуществ перед другими видами электростанций. Например, обычная теплоэлектростанция, работающая на угле, выделяет гораздо больше радиоактивных элементов, которые всегда содержатся в угле.