< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Атомні електростанції

Використання ядерної енергії на АЕС стало можливим завдяки відкриттю реакції ділення ядер важких елементів під впливом нейтронів та створенню ядерних реакторів для здійснення керованої ядерної ланцюгової реакції. Ядерна енергетика здійснює перетворення ядерної енергії в інші види – теплову, електричну, механічну тощо.

Ядерна енергія – найбільш концентрована форма енергії, що використовується людиною. Коли ядра важких атомів діляться на дві частини, відбувається виділення енергії: миттєве (або вибухове) в атомних бомбах та повільне, кероване – у ядерних реакторах. Перетворення ядерної енергії в електричну здійснюється на атомних електростанціях, основною складовою частиною Яких є ядерний реактор. В процесі поділу 1 кг урану виділяється стільки теплової енергії, скільки можна отримати спалюючи 2000 тонн вугілля. В атмосферу не потрапляють шкідливі домішки та вуглекислий газ. Єдиною відмінністю між атомною електростанцією і станцією, що працює на вугіллі, є джерело теплової енергії. Кінцеві технологічні процеси перетворення механічної енергії в електричну на обох типах станцій збігаються.

У більшості країн світу експлуатуються переважно енергетичні реактори на теплових нейтронах з слабо збагаченим або природним ураном, водо-водяного типу, в яких вода використовується як теплоносій та сповільнювач. На їх долю припадає 75% парку реакторів, у тому числі 55% становлять реактори типу “з водою під тиском”, до числа яких відноситься ВРЕР-1000 (Рис. 2.3).

Водо-водяний реактор В ВЕР -1000

Рис. 2.3. Водо-водяний реактор В ВЕР -1000:

1 – знімна кришка корпусу; 2 – направляючі труби для органів та приводів СУЗ; 3 – циліндр; 4,5 – роз'єднувальна обичайка; 6 – патрубок входу теплоносія; 7 – притискуюча плита; 8 – обмежуючий пояс; 9 – корпус реактора; 10 – касети з твелами; 11 – корзина активної зони; 12 – тепловий захист корпуса; 13 – опорна плита (для касет); 14 – теплоізоляція; 15 – тепловий захист; 16 – кронштейни і ферма для підтримки корпуса; 17 – штанга приводу органів СУЗ; 18 кільцевий ущільнювач та компенсуючий лист; 19 – обмурівка приміщення; 20 – чохли для приводів органів СУЗ; 21-вхід охолоджуючого повітря; 22 – вихід охолоджуючого повітря.

Основна частина ядерного реактора – активна зона, в якій протікає ланцюгова реакція ділення ядерного палива у вигляді тепловиділяючих елементів (ТВЕЛів). Діаметр ТВЕЛа – 9,1 мм, діаметр паливних таблеток (спечений порошок UO2) – 7,53 мм, маса завантаження двоокису урану у ТВЕЛі становить 1565 г. ТВЕЛи об'єднуються в тепловиділяючі касети, які містять 317 ТВЕЛі в та 12 направляючих стрижнів керування. Кількість касет в активній зоні – 163, з них з регулюючими стрижнями – 61. Заміну касет, які вигоріли, роблять на зупиненому реакторі. Щорічно роблять вивантаження близько 33% робочих касет і довантаження тієї ж кількості палива.

На рис. 2.4. зображено схему та принцип роботи атомної електростанції на теплових нейтронах з використанням сповільнювача та теплоносія (звичайної води) у так званому первинному контурі.

Схема атомної електростанції на теплових нейтронах

Рис. 2.4. Схема атомної електростанції на теплових нейтронах:

1 – стержні (трубки); 2 – вода; 3 – регулювальні стрижні; 4 – змійовик-нагрівач; 5 – паропровід робочої пари; 6 -турбіна; 7 – генератор електричного струму; 8 – градирня; 9 – паропровід відпрацьованої пари; 10 – конденсатор; 11 – бетонний кожух.

Активну зону реактора складають стержні (трубки) 1 з ядерним паливом у вигляді ТВЕЛів і регулювальні стержні З (кадмій, бор). Ці стержні омиваються водою 2 (під великим тиском за температури до 300°С), яка є, як відзначалося вище, одночасно і уповільнювачем нейтронів, і теплоносієм. Ця вода створює перший замкнутий контур: активна зона – змійовик-нагрівач 3. Вона радіоактивна, тому частини реактора та нагрівана обмежені бетонним кожухом 11, який захищає довкілля від шкідливого впливу радіоактивного випромінювання активної зони.

Другий водяний контур (захищений від радіоактивних елементів) складають вода у нагрівану 3. паропровід 5 та конденсатор 10. Це ще один замкнутий контур. Вода цього контуру, нагріта до високої температури під великим тиском у нагрівану, перетворюється на пару і через паропровід спрямовується на турбіну б, яка приводить у дію генератор електричного струму 7. Таким чином, ядерна енергія перетворюється спочатку у внутрішню енергію пари, яка виконує механічну роботу, обертаючи ротор електричного генератора, а в кінцевому результаті – в енергію електричного струму. Відпрацьована пара від турбіни надходить у конденсатор, який ще через один контур зв'язаний з відкритою водоймою та градирнею 8. Для зниження радіації до безпечного рівня і створення нормальних умов праці реактор екранують біологічним екраном, до складу якого входить сповільнювач “швидких” нейтронів. Це може бути вода, свинець, залізо чи бетон, який містить залізну руду.

Атомна енергетика – це не тільки атомні електростанції, а й комплекс підприємств, які потрібні для забезпечення їх паливом. Це рудники, де видобувають уранову руду, заводи її збагачення та видаленню оксиду урану, підприємства, на яких концентрують ізотопи урану та створюють тепловиділяючі елементи. Після того як ці елементи будуть використані на АЕС, їх транспортують на завод, де з відпрацьованого палива відокремлюють продукти поділу та невикористане паливо. Цей цикл закінчується захоронениям решток поділу та інших радіоактивних елементів.

Добова витрата мазуту на ТЕЦ потужністю 2 000 МВт становить 8,3 тис. тонн, а якщо станція працює на вугіллі – 10 тис. тонн. В той же час потреба в паливі АЕС такої самої потужності становить 180 кг. Збільшення потужності енергоблоків до 1000 Мвт робить АЕС конкурентоспроможними в порівнянні з ТЕЦ. Тому АЕС проектуються як великі енергетичні комплекси потужністю 4-6 млн. кВт. Створення великих АЕС вигідно з економічної точки зору.

Сьогодні на основі досліджень стала реальною задача комплексного використання атомних станцій для виробництва електричної та теплової енергії. Тому їх розташовують поблизу міст та промислових комплексів. Оскільки для АЕС практично не існує проблеми транспортування палива, то і розташувати їх можна у районах з напруженим паливо-енергетичним балансом. Єдиною суттєвою умовою є необхідність їх спорудження біля водних джерел для забезпечення охолодження реакторів.

Гідроелектростанції

Гідроенергетика має дуже важливе значення для стабільного функціонування українського енергетичного сектору – лише ГЕС та ГАЕС (гідроакумулюючі електростанції) забезпечують покриття пікових навантажень та автоматичне регулювання частоти та Потужності в Об'єднаній енергетичній системі України (Рис. 2.5).

Загальний вид гідроелектростанції

Рис. 2.5. Загальний вид гідроелектростанції:

1 – вода (надходить з водосховища); 2 -лопаті турбіни; 3 – електрогенератор; 4 – електромережа змінного струму; 5 – надлишкова вода; 6 – гідротурбіна; 7 – шлюзові ворота; 8 – гребля; 9 – водозлив.

Враховуючи значний термін експлуатації діючих ГЕС (Дніпрогес – 70, інші – 40-50 років), питання підвищення надійності та ефективності використання встановленого обладнання набуває першочергового значення.

Рушійною силою в гідроелектростанції є потік річкової води, який приводить в дію гідротурбіну поєднану з електрогенератором (рис.2.6).

На деяких гідростанціях використовують метод наливного водосховища, або гідроакумуляції. Протягом дня вода переходить із вищого рівня водойми на нижчий, обертаючи гідротурбіни. Вночі, коли споживання енергії незначне, насоси, на які подається надлишкова енергія з гідроелектростанції, перекачують воду з нижчого рівня на вищий. Надлишок води спускають через водозлив.

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) включаються в регіональну енергомережу з іншими електростанціями і виконують роль демпфера – самі споживають електроенергію, коли вона є в надлишку, і повертають у мережу, коли її недостатньо. Електричні машини гідроакумулюючих станцій можуть працювати як насоси, коли качають воду у верхнє водоймище, і як гідротурбіни електрогенератора, коли вода з верхнього водоймища перетікає в нижнє. Першу в СРСР гідроакумулюючу електростанцію було споруджено у 1971 році на правому березі Київського моря. її потужність – 225 МВт, напір – 65 м, довжина водоймища – 275 м.

Гідротурбіна

Рис. 2.6. Гідротурбіна:

1 – вал турбіни; 2 – ротор генератора; 3 – спіральний трубопровід; 4 – лопаті; 5 – потік води.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >