Принцип работы атомной электростанции заключается в получении электроэнергии путем контролируемой (т. е. невзрывной) ядерной реакции.
Атомные электростанции используют ядерные реакции деления в реакторах. Реакторы нагревают воду для производства пара, который затем используется для выработки электроэнергии.
Франция около трех четвертей своей мощности получает от атомной энергетики, в то время как Бельгия, Болгария, Чехия, Венгрия, Словакия, Южная Корея, Швеция, Швейцария, Словения и Украина получают одну треть или больше. Япония, Германия и Финляндия получают более четверти своей мощности от атомной энергетики, в то время как в США одну пятую.
Италия приостановила свою ядерную энергетику. Среди стран, не имеющих атомных электростанций Австрия, Дания, Греция, Ирландия, Латвия, Норвегия, Филиппины, Португалия, Уругвай.
Основные части атомной электростанции
Принцип работы атомной электростанции основан и состоит из управляемого атомного реактора из стержней, которые изготовлены из стали, содержащей высокий процент материала, способного поглощать нейтроны, например бор. Стержни управления находятся в активной зоне реактора. Они контролируют количество реакции и, следовательно, количество вырабатываемой тепловой энергии. Кроме того для регулирования скорости синтеза применяются замедлители. Типичными замедлителями являются вода, графит или тяжелая вода (D2O). Только нейтроны с достаточно низкой скоростью могут производить деление ядер урана.
Ядерная реакция производит тепло, которое уносится теплоносителем. Типичными хладагентами являются вода, углекислый газ, жидкий натрий. Пар, вырабатываемый в парогенераторе пар переходит в паровую турбину. Сила паровой струи заставляет турбину вращаться. Турбина связана с генератором, который производит электричество.
Ядерное топливо
Ядерное топливо-это любой материал, который может быть использован для получения ядерной энергии. Наиболее распространенным типом ядерного топлива являются делящиеся элементы, которые могут подвергаться цепным реакциям ядерного деления в реакторе. Наиболее распространенными ядерными топливами являются 235U и 239Pu. Природный уран содержит 0,7% 235U. Но его количество должно быть увеличено на заводах-обогатителях примерно до 3%, чтобы быть более полезным в ядерной области.
Когда нейтрон ударяется об атом урана, уран расщепляется на два более легких атома и одновременно выделяет тепло. Деление тяжелых элементов-это экзотермическая реакция, которая может высвобождать большое количество энергии как в виде электромагнитного излучения, так и в виде кинетической энергии осколков. Цепная реакция относится к процессу, в котором нейтроны, высвобожденные при делении, производят дополнительное деление по крайней мере еще в одном ядре. Это ядро, в свою очередь, производит нейтроны, и процесс повторяется. Контролируемый процесс используется в ядерной энергетике, неконтролируемый в ядерном оружии.
Принцип работы атомной электростанции строится в расщеплении атома ядерного топлива. Когда атом урана расщепляется, часть энергии, которая удерживала его вместе, высвобождается в виде излучения тепла. Поскольку энергия и масса зависимы, высвобожденная энергия — это также высвобожденная масса.
235U + 1 нейтрон = 2 нейтрона + 92Kr (криптон) + 142Ba (барий) + ЭНЕРГИЯ
Таким образом, общая масса действительно немного уменьшается во время реакции.
Типы атомных электростанций
Существуют следующие основные типы реакторов
Реактор с кипящей водой
Реактор с кипящей водой работает как электростанция, вырабатывающая ископаемое топливо. Вода кипит внутри сосуда высокого давления, и образуется пароводяная смесь. Теплоноситель реактора движется вверх по активной зоне, поглощая тепло.
Когда пар поднимается к верхней части сосуда высокого давления, то направляется в турбогенератор для поворота турбины. Существует только один контур с водой при низком давлении, так что вода кипит в ядре при достаточно низком давлении.
Водяной реактор под давлением
Реактор с водой под давлением отличается тем, что здесь пар для работы турбины вырабатывается в парогенераторе. Блок наддува удерживает воду, протекающую через корпус реактора, под очень высоким давлением, чтобы предотвратить ее кипение. Затем горячая вода поступает в парогенератор, где преобразуется в пар. Пар проходит через турбину, которая производит электричество. Около 60% коммерческих энергетических реакторов в мире являются реакторами с водой под давлением. Очевидным преимуществом этого типа является то, что утечка топлива в активной зоне не приведет к попаданию радиоактивных загрязнений в турбину и конденсатор.
Контрольно-измерительных приборы атомной электростанции
Архитектура системы контрольно-измерительных приборов вместе с эксплуатационным персоналом станции служит «центральной нервной системой» атомной электростанции.
Через их различные составные элементы (например, оборудование, модули, датчики, передатчики, резервирование, исполнительные механизмы и т. д.), система ввода-вывода установки определяет основные физические параметры, контролирует производительность, интегрирует информацию и при необходимости автоматически корректирует работу установки. Система реагирует на сбои и ненормальные события, обеспечивает цели эффективного производства электроэнергии и безопасности, а также обеспечивает безопасную и надежную выработку электроэнергии. Большое значение следует придавать проектам, связанным с проектированием, испытанием, эксплуатацией, техническим обслуживанием, лицензированием, эксплуатацией и модернизацией систем ввода-вывода.
Система мониторинга реактора
Система контроля реактора является особенностью атомных электростанций и представляет собой систему нейтронного контроля для измерения нейтронов внутри реактора и систему радиационного контроля для измерения излучения внутри установки.
Система нейтронного мониторинга необходима для мониторинга активной зоны.
Безопасность атомных электростанций
Безопасность серьезно воспринимается теми, кто работает в ядерной сфере. Основной проблемой безопасности является выброс неконтролируемого излучения в окружающую среду, которое может нанести вред человеку и природе как на площадке реактора, так и за ее пределами.
Существует ряд физических барьеров между радиоактивным ядром и окружающей средой. Реакторы заключены в массивный железобетон толщиной 1,8 метра. Рабочие защищены от радиации внутренними бетонными стенами. Вакуумный корпус соединен с корпусами реакторов каналом сброса давления.
Вакуумное здание представляет собой бетонную конструкцию высотой порядка 70 м и находится под отрицательным атмосферным давлением. Это означает, что если бы какая-либо радиация просочилась из реактора, она была бы засосана в вакуумное здание и, следовательно, предотвращена от выброса в окружающую среду. Конструкция реактора также включает в себя несколько резервных компонентов, независимые системы, контроль контрольно-измерительных приборов и предотвращение выхода из строя одного типа оборудования, влияющего на любой другой. Безопасность важна и для работников атомных электростанций.
Дозы облучения контролируются с помощью пультов в активной зоне реактора.
Соблюдается жесткое физическое экранирование и ограничение по времени пребывания рабочего в зонах со значительным уровнем радиации.
Техническое обслуживание охлаждения активной зоны
В любом ядерном реакторе необходимо охлаждение. Обычно ядерные реакторы используют воду в качестве теплоносителя. Некоторые реакторы, которые не могут использовать воду, используют натрий или натриевые соли.
Контроль радиоактивности
Контроль нейтронного потока очень важен. Если мы уменьшаем поток нейтронов, мы уменьшаем радиоактивность. Наиболее распространенным способом уменьшения потока нейтронов является включение поглощения нейтронов через стержни управления.
Управляющие стержни важны, потому что реакция может выйти из-под контроля, если события деления происходят чрезвычайно часто. В современных атомных электростанциях ввод всех стержней управления в активную зону реактора происходит за несколько секунд, что позволяет максимально быстро остановить ядерную реакцию. Кроме того, большинство реакторов сконструировано так, что за пределами оптимального уровня по мере повышения температуры эффективность реакций снижается, следовательно, меньшее количество нейтронов способно вызвать деление и реактор автоматически замедляется.
Выводы
Принцип работы атомной электростанции использует энергию, выделяемую при расщеплении атомов определенных элементов. Впервые ядерная технология была разработана в 1940-х годах, а во время Второй мировой войны исследования первоначально были сосредоточены на производстве бомб путем расщепления атомов либо урана, либо плутония.
В 1950-х годах внимание было обращено на мирные цели ядерного деления, в частности на производство энергии. Сегодня мир производит столько же электроэнергии из ядерной энергии, сколько и из всех источников, вместе взятых в 1960 году.
Гражданская ядерная энергетика в настоящее время использует более чем 14 000 реакторов и поставляет почти 14% мировых потребностей в электроэнергии в реакторах расположенных в 30 странах. На самом деле многие из более чем 30 стран используют ядерную энергетику.
Многие страны учитывают принцип работы атомной электростанции и построили исследовательские реакторы, чтобы обеспечить источник нейтронных пучков для научных исследований и производства медицинских и промышленных изотопов.
Сегодня известно, что только восемь стран обладают ядерным потенциалом. В отличие от этого, 56 эксплуатируют гражданские исследовательские реакторы, а 30 размещают около 450 коммерческих ядерных энергетических реакторов общей установленной мощностью более 377 000 МВт. Это более чем в три раза превышает суммарные генерирующие мощности Франции или Германии из всех источников. Порядка 60 ядерных энергетических реакторов находятся в стадии строительства, что эквивалентно 17% существующей мощности, в то время как более 150 твердо запланированы, что эквивалентно 46% нынешней мощности.
Однако, ближайшее будущее ядерной энергетики будет оставаться на уровне 14% -15% от мирового производства электроэнергии.
