Navedite klasifikaciju nuklearnih elektrana u svijetu. Nuklearne elektrane. Pitanja za samotestiranje

2.2. Klasifikacija nuklearnih elektrana

Najvažnija klasifikacija za nuklearne elektrane je njihova klasifikacija prema broju krugova. Nuklearne elektrane se izdvajaju jednokružno, dvokružno I trostruki. U svakom slučaju, moderne nuklearne elektrane koriste parne turbine kao motore.

U sistemu NPP postoje rashladna tečnost I radni fluid. Radni fluid, odnosno medij koji obavlja rad sa pretvaranjem toplotne energije u mehaničku, je vodena para. Zahtjevi za čistoću pare koja ulazi u turbinu su toliko visoki da se mogu zadovoljiti s ekonomski prihvatljivim performansama samo kondenzacijom cijele pare i vraćanjem kondenzata u ciklus. Stoga je krug radnog fluida za nuklearnu elektranu, kao i za svaku modernu termoelektranu, uvijek zatvoren i dodatna voda ulazi u njega samo u malim količinama kako bi se nadoknadila curenja i neki drugi gubici kondenzata.

Svrha rashladnog sredstva u nuklearnoj elektrani je uklanjanje topline koja nastaje u reaktoru. Da bi se spriječile naslage na gorivim elementima, neophodna je visoka čistoća rashladne tekućine. Zbog toga je potreban i zatvoreni krug, a posebno zato što je rashladna tečnost reaktora uvijek radioaktivna. Rezonantno rasipanje je sasvim druga stvar. Ovo nije neelastično rasipanje. Postoji potencijalno rasejanje, postoji rezonantno rasejanje - to je interakcija već na talasnom nivou neutrona. Sada razmatramo elastično raspršivanje kao klasičan proces sudara dvije lopte

Ako krugovi rashladnog i radnog fluida nisu odvojeni, poziva se nuklearna elektrana jednokružno(Sl. 2.2 A). U reaktoru dolazi do stvaranja pare, para se šalje u turbinu, gdje proizvodi rad, koji se u generatoru pretvara u električnu energiju. Nakon što se sva para kondenzira u kondenzatoru, kondenzat

A— jednostruki; b— dvostruki krug; V— trostruki;
1 — reaktor; 2 - parna turbina; 3 — električni generator; 4 - kondenzator; 5 - pumpa za napajanje; 6 - cirkulaciona pumpa; 7 — kompenzator zapremine; 8 — generator pare; 9 - srednji izmjenjivač topline

se upumpava nazad u reaktor. Takvi reaktori rade s prisilnom cirkulacijom rashladne tekućine, za koju je ugrađena glavna cirkulaciona pumpa.

U shemi s jednim krugom, sva oprema radi u uvjetima zračenja, što otežava njen rad. Velika prednost ovakvih shema je njihova jednostavnost i veća efikasnost. Parametri pare ispred turbine i u reaktoru razlikuju se samo po vrijednosti gubitaka u parovodima. Lenjingradske, Kurske i Smolenske nuklearne elektrane rade po shemi s jednim krugom.

Ako su krugovi rashladnog i radnog fluida odvojeni, tada se zove nuklearna elektrana dvostruki krug(Sl. 2.2 b). U skladu s tim, krug rashladne tekućine se naziva prvo, a kontura radnog fluida je sekunda. U ovoj shemi, reaktor se hladi rashladnom tečnošću koja se pumpa kroz njega, a generator pare pomoću glavne cirkulacione pumpe. Ovako formiran krug rashladne tečnosti je radioaktivan, ne uključuje svu opremu stanice, već samo njen dio. Sistem primarnog kola uključuje kompenzator zapremine, jer se zapremina rashladne tečnosti menja u zavisnosti od temperature.

Para iz generatora pare nuklearne elektrane s dva kruga ulazi u turbinu, zatim u kondenzator, a kondenzat iz njega se pumpom vraća u generator pare. Drugi krug tako formiran uključuje opremu koja radi u odsustvu zračenja; ovo pojednostavljuje rad stanice. Obavezno u nuklearnoj elektrani s dva kruga generator pare - uređaj, razdvajajući obje konture, tako da podjednako pripada i prvoj i drugoj. Za prijenos topline kroz grijaću površinu potrebna je temperaturna razlika između rashladne tekućine i kipuće vode u generatoru pare. Za vodeno rashladno sredstvo, to znači održavanje u prvom

krug pod većim pritiskom od pritiska pare koji se dovodi u turbinu. Želja da se izbjegne ključanje rashladne tekućine u jezgri reaktora dovodi do potrebe da se u primarnom krugu stvori pritisak koji je znatno veći od tlaka u sekundarnom krugu. Nuklearne elektrane Novovoronjež, Kola, Balakovo i Kalinjin rade po shemi s dva kruga.

Kao rashladno sredstvo u dijagramu nuklearne elektrane prikazanom na sl. 2.2 b, mogu se koristiti i plinovi. Rashladno sredstvo plina se pumpa kroz reaktor i generator pare gas blower, igra istu ulogu kao i glavna cirkulaciona pumpa, ali za razliku od vode za rashladno sredstvo za gas, pritisak u primarnom krugu može biti ne samo veći, već i niži nego u drugom.

Svaka od dva opisana tipa nuklearnih elektrana sa vodenim rashladnim sredstvom ima svoje prednosti i nedostatke, stoga se razvijaju nuklearne elektrane oba tipa. Imaju niz zajedničkih karakteristika, uključujući rad turbina na zasićenu paru pri srednjim pritiscima. Jednokružne i dvokružne nuklearne elektrane sa vodenim rashladnim sredstvom su najčešće, a u svijetu se prednost daje uglavnom dvokružnim nuklearnim elektranama.

U toku rada može doći do curenja u određenim područjima generatora pare, posebno na spoju cijevi generatora pare sa kolektorom ili zbog oštećenja samih cijevi od korozije. Ako je tlak u prvom krugu veći nego u drugom, može doći do curenja rashladne tekućine, što dovodi do radioaktivne kontaminacije drugog kruga. U određenim granicama, takvo curenje ne remeti normalan rad nuklearne elektrane, ali postoje rashladne tekućine koje intenzivno stupaju u interakciju s parom i vodom. To može stvoriti rizik od ispuštanja radioaktivnih tvari u servisirane prostorije. Takvo rashladno sredstvo je, na primjer, tečni natrijum. Stoga stvaraju dodatne srednji krug tako da se kontakt radioaktivnog natrijuma s vodom ili vodenom parom može izbjeći čak iu hitnim situacijama. Ovakva nuklearna elektrana se zove trostruki(Sl. 2.2 V).

Radioaktivno tečno metalno rashladno sredstvo se pumpa kroz reaktor i srednji izmjenjivač topline, u kojem prenosi toplinu neradioaktivnom tekućem metalnom rashladnom tekućinu. Potonji se pumpa kroz generator pare kroz sistem koji formira međukrug. Pritisak u srednjem krugu održava se višim nego u prvom. Zbog toga je protok radioaktivnog natrijuma iz primarnog kruga u međukrug nemoguć. U tom smislu, ako dođe do curenja između srednjeg i sekundarnog kruga, voda ili para će doći u kontakt samo sa neradioaktivnim natrijem. Sistem drugog

krug za trokružno kolo je sličan krugu s dva kruga. Nuklearne elektrane sa tri kruga su najskuplje zbog velike količine opreme.

NPP Ševčenko i treći blok NE Belojarsk rade po šemi sa tri kruga.

Osim klasifikacije nuklearnih elektrana po broju krugova, mogu se razlikovati i pojedine vrste nuklearnih elektrana ovisno o:

- tip reaktora - termalni ili brzi neutroni;

— parametri i tip parnih turbina, na primjer, nuklearne elektrane s turbinama koje rade na zasićenu ili pregrijanu paru;

- parametri i tip rashladnog sredstva - sa rashladnim sredstvom na gas, rashladnim sredstvom pod pritiskom, tečnim metalom itd.;

— konstrukcijske karakteristike reaktora, na primjer, sa kanalnim ili posudastim reaktorima, ključanje s prirodnom ili prisilnom cirkulacijom, itd.;

- tip moderatora reaktora, na primjer, grafitni ili moderator teške vode, itd.

Najpotpunije karakteristike nuklearnih elektrana kombiniraju sve klasifikacije, npr.

Novovoronezhskaya nuklearna elektrana sa dva kruga sa reaktorom na termičkim neutronima tipa posude sa rashladnim sredstvom pod pritiskom i zasićenim parnim turbinama;

Leningradskaya jednokružna nuklearna elektrana sa reaktorom za termičke neutrone kanalnog tipa sa grafitnim moderatorom i zasićenim parnim turbinama;

Shevchenkovskaya nuklearna elektrana sa tri kruga sa reaktorom na brzim neutronima sa natrijumskim rashladnim sredstvom i turbinama koje koriste pregrijanu paru.

Tehnički problemi neširenja nuklearnih materijala. Ekonomski aspekti korištenja nuklearne energije. Komponente troškova proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama. Razgradnja nuklearnih elektrana. Ekonomske posljedice teških nesreća. Društveni aspekti razvoja nuklearne energije.

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Uvod

2. Nuklearni reaktor. Vrste nuklearnih reaktora

Zaključak

Uvod

U drugoj polovini 40-ih godina. Sovjetski naučnici počeli su razvijati prve projekte za miroljubivo korištenje atomske energije, čiji je opći smjer odmah postao električna energija.

Prva svjetska industrijska nuklearna elektrana snage 5 MW pokrenuta je 27. juna 1954. godine u SSSR-u, u gradu Obninsku, koji se nalazi u Kaluškoj oblasti.

Moderna civilizacija je nezamisliva bez električne energije. Proizvodnja i upotreba električne energije se povećava svake godine. Energija koja se oslobađa u nuklearnim reakcijama je milijune puta veća od one proizvedene konvencionalnim kemijskim reakcijama (na primjer, reakcijama izgaranja), tako da je kalorijska vrijednost nuklearnog goriva nemjerljivo veća od one konvencionalnog goriva. Glavni princip rada nuklearne elektrane je korištenje nuklearnog goriva za proizvodnju električne energije.

Ovaj projekat je posvećen temi „Nuklearne elektrane“. Relevantnost ove teme je zbog sve većeg interesa moderne nauke za nuklearnu energiju zbog sve većih energetskih potreba čovječanstva. Svrha rada je proučavanje principa rada nuklearnih elektrana, opreme koja se koristi u nuklearnim elektranama, mehanizama nuklearnih reakcija, kao i metoda za osiguranje sigurnosti nuklearnih instalacija. U radu su prikazani: najvažnija klasifikacija nuklearnih elektrana, struktura i princip rada nuklearnog reaktora, termodinamički ciklusi parnoturbinskog postrojenja i metode povećanja njegove efikasnosti, kao i primjeri nuklearnih reakcija i reakcija termonuklearne fuzije.

1. Klasifikacija nuklearnih elektrana

nuklearna elektrana nuklearna energija

Nuklearne elektrane se dijele prema sljedećim parametrima:

1. Broj kola.

2. Vrsta reaktora. Reaktori se dijele na termičke i reaktore na brzim neutronima.

3. Vrsta turbina: zasićena ili pregrijana para.

4. Vrsta rashladnog sredstva - gas, voda, tečni metal.

5. Karakteristike dizajna reaktora, na primjer reaktori kanalnog tipa ili reaktori tipa posude.

6. Tip moderatora: grafit ili teška voda.

Najvažnija klasifikacija nuklearnih elektrana je klasifikacija po broju krugova. Broj krugova je odabran uzimajući u obzir zahtjeve za osiguranje sigurnog rada jedinice u svim mogućim hitnim situacijama. Povećanje broja krugova povezano je s pojavom dodatnih gubitaka u ciklusu i, shodno tome, smanjenjem efikasnosti nuklearne elektrane.

Rad nuklearnih elektrana zasniva se na pretvaranju energije dobivene nuklearnom reakcijom u električnu energiju. Ova transformacija se odvija u nekoliko faza.

U sistemu bilo koje nuklearne elektrane, pravi se razlika između rashladne tečnosti i radnog fluida. Kao što je poznato, u pogonskim stanicama proces pretvaranja izvorne energije u toplinu odvija se kontinuirano i ako se zaustavi odvođenje topline, instalacija će se neizbježno pregrijati. Stoga je uz izvor potreban i potrošač toplinske energije, koji će toplinu uzimati i ili je pretvarati u druge oblike energije ili je prenositi drugim sistemima. Toplota se prenosi od izvora do potrošača pomoću rashladnog sredstva, tj. Svrha rashladnog sredstva je uklanjanje topline koja se oslobađa u reaktoru. Voda je postala rasprostranjena u energetskim reaktorima, koja zbog svog velikog toplotnog kapaciteta ne zahtijeva velike troškove, ali zahtijeva povećan pritisak. Medij koji pretvara toplotnu energiju u mehaničku energiju, tj. radi i radni je fluid. Radni fluid u nuklearnoj elektrani je vodena para. Zahtjevi za čistoćom radnog fluida koji ulazi u turbinu i rashladne tekućine, koja je uvijek radioaktivna, su vrlo visoki, pa zahtijevaju zatvorene krugove. Ako krugovi rashladnog i radnog fluida nisu odvojeni, nuklearna elektrana se naziva jednokružna. U reaktoru dolazi do stvaranja pare, para se šalje u turbinu, gdje proizvodi rad, koji se u generatoru pretvara u električnu energiju. Nakon što se sva para kondenzira u kondenzatoru, kondenzat se pumpa natrag u reaktor. Takvi reaktori rade s prisilnom cirkulacijom rashladne tekućine, za koju je ugrađena glavna cirkulaciona pumpa. Dakle, krug rashladnog sredstva je ujedno i krug radnog fluida. U krugovima s jednim krugom sva oprema radi u uvjetima radijacije, što otežava njenu popravku.

Rice. 1 Toplotni dijagram nuklearne elektrane: a - jednokružno; b - dvostruki krug; c - trostruki; 1 - reaktor; 2 - turbina; 3- turbogenerator; 4- kondenzaciona jedinica; 5- pumpa za kondenzat; b - sistem regenerativnog grijanja napojne vode; 7 - pumpa za napajanje; 8 - generator pare; 9 - cirkulaciona pumpa reaktorskog kruga; 10 - cirkulacijska pumpa srednjeg kruga

Ako su krugovi rashladnog i radnog fluida odvojeni, tada se nuklearna elektrana naziva dvokružna. U skladu s tim, krug rashladne tekućine naziva se prvi, a krug radnog fluida drugi. Na stanici s dvostrukim krugom potreban je generator pare, koji razdvaja prvi i drugi krug. U takvim je shemama radioaktivan samo krug reaktora, u kojem se rashladna tekućina pumpa kroz generator pare, u kojoj prenosi toplinu na radnu tekućinu sekundarnog kruga bez da dođe u kontakt s njim, te se vraća u reaktor pomoću cirkulacijska pumpa. Drugi krug uključuje opremu koja radi u nedostatku aktivnosti zračenja - to pojednostavljuje popravak opreme. Para iz generatora pare ulazi u turbinu, zatim u kondenzator i pumpom se vraća u generator pare. Prijenos topline u generatoru pare zahtijeva temperaturnu razliku između rashladnog sredstva i radnog fluida. Za vodeno rashladno sredstvo, to znači da pritisak u prvom krugu mora biti veći nego u drugom.

Ako nuklearna elektrana ne koristi vodu kao rashladno sredstvo, već, na primjer, rashladno sredstvo kao što je tekući natrij, tada je za normalan rad stanice potrebno stvoriti dodatni međukrug. Tijekom rada može doći do curenja u određenim područjima generatora pare zbog razlike tlaka između primarnog i sekundarnog kruga. Stoga može doći do curenja rashladne tekućine, što dovodi do radioaktivne kontaminacije sekundarnog kruga. Budući da tečni natrijum intenzivno interaguje sa parom i vodom, postoji opasnost od ispuštanja radioaktivnih materija u servisirane prostorije. Stoga se stvara dodatni međukrug tako da se čak iu hitnim situacijama može izbjeći kontakt radioaktivnog natrijuma s vodom ili vodenom parom. Takva nuklearna elektrana naziva se trokružna nuklearna elektrana.

2. Nuklearni reaktor i njegovi tipovi

Srce svake nuklearne elektrane je nuklearni reaktor, uređaj u kojem se odvija kontrolirana nuklearna lančana reakcija. Trenutno se izotopi uranijuma U235 i U238, kao i Pu239, mogu koristiti kao nuklearno gorivo. Nuklearna fisija se događa pod utjecajem neutrona s određenom energijom (vrijednost ove energije mora ležati u određenom rasponu: sporija ili brža čestica će se jednostavno odbiti od jezgra bez prodora u nju). Postoje dvije vrste neutrona: brzi i spori. Neutroni različitih tipova imaju različite efekte na jezgra fisionih elemenata.

U nuklearnim reaktorima na termalnim neutronima kao nuklearno gorivo koristi se izotop urana U235, do čije fisije dolazi samo ako su neutroni usporeni 3-4 puta u odnosu na brze. Stoga se za kontrolu lančane reakcije u reaktorima koriste materijali u kojima neutroni gube dio svoje energije. Takvi materijali koji smanjuju brzinu neutrona nazivaju se moderatori nuklearne reakcije. Dobri moderatori neutrona su grafit, obična i teška voda i jedinjenja berilijuma.

Nuklearni reaktor se sastoji od aktivne zone i reflektora. Jezgro sadrži moderator i nuklearno gorivo, koje se nalazi u gorivnim elementima koji se nazivaju gorivim šipkama. Rashladna tečnost teče kroz jezgro reaktora. Obično je to obična voda, ali se mogu koristiti i tečni grafit i teška voda. Reaktor se pokreće kada se šipke koje apsorbuju neutrone uklone iz njegovog jezgra.

Rice. 2 Šematski sklop reaktora na termičkim neutronima: 1 -- upravljačka šipka; 2 -- zaštita od zračenja; 3 -- toplotna izolacija; 4 - moderator; 5 -- nuklearno gorivo; 6 -- rashladna tečnost

Trenutno postoje dvije vrste nuklearnih reaktora: VVER (vodeni hlađeni energetski reaktor) i RBMK (kanalni reaktor velike snage). Razlika je u tome što je RBMK reaktor koji ključa, dok VVER koristi vodu pod pritiskom od 120 atmosfera.

TVEL - gorivi element. To su štapići u cirkonijumskoj ljusci, unutar kojih se nalaze tablete uran dioksida.

Reaktori na brzim neutronima koriste izotop uranijuma U238 i plutonijum Pu239 kao nuklearno gorivo. Takvi reaktori se veoma razlikuju od svih drugih tipova reaktora. Njegova glavna svrha je da obezbijedi prošireni uzgoj fisijskog plutonijuma iz U238 u svrhu sagorevanja celog ili značajnog dela prirodnog uranijuma, kao i postojećih rezervi osiromašenog uranijuma. Razvojem energetskog sektora reaktora na brzim neutronima može se riješiti problem samodovoljnosti nuklearne energije gorivom.

Prije svega, u reaktoru na brzim neutronima nema moderatora. U tom smislu, kao gorivo se ne koristi U235, već Pu239 i U238, koji se mogu fisionirati brzim neutronima. Plutonijum je potreban da obezbedi dovoljnu gustinu neutronskog fluksa koju sam U238 ne može da obezbedi. Oslobađanje topline reaktora na brzim neutronima je deset do petnaest puta veće od oslobađanja topline reaktora na sporim neutronima, pa se stoga umjesto vode (koja jednostavno ne može podnijeti toliki volumen energije za prijenos) koristi se rastopljeni natrij ( njegova temperatura na ulazu je 370 stepeni, a na izlazu - 550). Stoga je za normalan rad nuklearne elektrane s reaktorom na brzim neutronima potreban treći krug. Kada takav reaktor radi, dolazi do veoma intenzivnog oslobađanja neutrona, koje apsorbuje sloj U238 koji se nalazi oko jezgre. U ovom slučaju, uranijum se pretvara u Pu239, koji se zauzvrat može koristiti u reaktoru kao fisijski element.

Trenutno se reaktori na brzim neutronima ne koriste široko, uglavnom zbog složenosti dizajna i problema dobivanja dovoljno stabilnih materijala za konstrukcijske dijelove. Vjeruje se da će takvi reaktori postati široko rasprostranjeni u budućnosti.

3. Rad glavne tehnološke opreme nuklearne elektrane

Glavna tehnološka oprema nuklearne elektrane prikazana je na slici 1.

Cirkulacijom kroz jezgro reaktora i pranjem gorivih šipki, rashladno sredstvo prima toplinu. Ovu cirkulaciju vrši glavna cirkulaciona pumpa. Jednofazna priroda rashladne tečnosti zahteva uključivanje kompenzatora zapremine (pritiska) u opremu NPP, čiji zadatak u NEK sa jednim krugom obavlja bubanj separatora. Obavezna jedinica dvokružne i trokružne nuklearne elektrane je generator pare. Prolazeći unutar cijevi za izmjenu topline generatora pare, rashladno sredstvo primarnog kruga odaje toplinu vodi sekundarnog kruga, koja se pretvara u paru. Para se šalje u parnu turbinu, uređaj dizajniran za pretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju. Princip rada bilo koje turbine je sličan principu rada vjetrenjače. Para u turbini rotira lopatice raspoređene u krug na rotoru. Rotor turbine je čvrsto povezan sa rotorom generatora, koji stvara električnu struju. Parametri turbine i njen dizajn se razlikuju - za vodeno rashladno sredstvo to je zasićena parna turbina srednjeg pritiska, za rashladno sredstvo s tečnim metalom to je pregrijana parna turbina visokog pritiska. U turbini para, koja se adijabatski širi, radi. Odatle se izduvna para šalje u kondenzator. Kondenzator ima dvostruku ulogu u instalaciji: prvo, ima parne i vodene prostore, odvojene površinom kroz koju se razmjenjuje toplina između ispušne pare i rashladne vode. Stoga se kondenzat pare može koristiti kao idealna voda koja ne sadrži otopljene soli. Drugo, u kondenzatoru, zbog naglog smanjenja specifične zapremine pare kada se ona prevede u tečno stanje, nastaje vakuum, koji, održavajući se tokom rada instalacije, omogućava pari da se širi u turbinu drugom atmosferom i na taj način obavljaju dodatni rad.

Nastali kondenzat pumpom se kontinuirano usisava iz kondenzatora, komprimira i ponovo šalje u aparat za proizvodnju pare - reaktor ili generator pare.

Dakle, tehnološki proces proizvodnje električne energije u nuklearnoj elektrani uključuje: povećanje temperature kondenzata do temperature zasićenja i proizvodnju pare iz njega, širenje pare u turbini uz smanjenje tlaka i temperature od početne vrijednosti ispred turbina na vrijednost koja odgovara vakuumu u kondenzatoru. Tako se reaktorska instalacija može predstaviti kao toplinski stroj u kojem se provodi određeni termodinamički ciklus. Teorijski ciklus moderne parne elektrane je Rankineov ciklus.

Linija K na dijagramima je linija razdvajanja: sa odgovarajućim parametrima, za sve tačke koje leže na dijagramu iznad ove linije, postoji samo para, ispod - mešavina pare i vode.

Vlažna para u kondenzatoru je potpuno kondenzirana duž izobare p2=const (linija 2 - 3). Zatim se voda komprimira pumpom od pritiska P2 do pritiska P1, ovaj adijabatski proces je prikazan na T-S dijagramu vertikalnim segmentom 3-4.

Mala vrijednost adijabatskog segmenta 3-4 ukazuje na malu količinu rada koju pumpa troši na kompresiju vode. Mala količina rada kompresije u poređenju sa količinom rada koju proizvodi vodena para tokom procesa ekspanzije 1-2 je važna prednost Rankineovog ciklusa.

Iz pumpe voda pod pritiskom P2 ulazi u generator pare, gdje joj se toplina dovodi na izobaričan način (proces 4-5 P1=const). Prvo se voda u parogeneratoru zagreva do ključanja (sekcija 4-5 izobare P1=const), a zatim, po dostizanju tačke ključanja, dolazi do procesa isparavanja (sekcija 5-6 izobare P1=const). U dijelu 6-1, para se pregrijava u generatoru pare, nakon čega para ulazi u turbinu. Proces ekspanzije u turbini je predstavljen adijabatskim 1-2. Izduvna mokra para ulazi u kondenzator, a ciklus se zatvara.

Efikasnost pretvaranja toplote u rad u reverzibilnom ciklusu karakteriše toplotna efikasnost, određena formulom:

gdje je lc rad ciklusa, q1 je unos topline.

U ovom ciklusu, rad ciklusa lc je razlika u radu primljenom u turbini lt i utrošenom u pumpi ln.

Stoga će izraz za termičku efikasnost ciklusa imati oblik:

Lt - ln / q1

Svi procesi koji čine ciklus parne turbine odvijaju se u toku materije. Stoga pri njihovoj analizi treba primijeniti jednadžbu prvog zakona termodinamike za strujanje:

q1 = i2 - i1 + w22 / 2 - w12/2 + ltech

Rad turbine i pumpe smatramo tehničkim radom. U ovom slučaju, rad procesa adijabatskog širenja pare u turbini, pod uslovom da je njena kinetička energija na ulazu i izlazu iz turbine jednaka:

Pod istim uslovom, apsolutna vrijednost rada adijabatskog procesa kompresije vode u pumpi bit će:

Tada se toplotna efikasnost Rankineovog ciklusa može predstaviti kao:

? =[(i2 - i1) - (i3 - i2)]/(i1 - i3)

Specifični rad pumpe u apsolutnoj vrijednosti je obično manji od 3-4% rada turbine, pa se ponekad ovaj rad zanemaruje u proračunima.

ii su vrijednosti entalpije vode i pare u odgovarajućim točkama ciklusa, koje se mogu naći pomoću odgovarajućih tablica;

Mogućnost povećanja toplotne efikasnosti Rankineovog ciklusa povećanjem početnog pritiska pare ograničena je zahtevom da se ne prekorači granična vrednost vlage pare na kraju ekspanzije u turbini kako bi se obezbedila sigurnost njenog rada. Ovo se može izbjeći promjenom konfiguracije ciklusa uvođenjem sekundarnog pregrijavanja pare na nekom srednjem tlaku. U tu svrhu koristi se dvostepena turbina, koja se sastoji od cilindra visokog pritiska i nekoliko cilindara niskog pritiska. Takozvano pregrijavanje pare nastaje u posebnom elementu instalacije - pregrijaču, gdje se para zagrijava do temperature koja prelazi temperaturu zasićenja pri datom tlaku P1. U ovom slučaju, prosječna temperatura dovoda topline raste u odnosu na temperaturu dovoda topline u ciklusu bez pregrijavanja i stoga se povećava toplinska efikasnost ciklusa. Rankineov ciklus sa pregrijanom parom je glavni ciklus termoelektrana koji se koriste u modernoj termoenergetici.

Rice. 3 Rankineov ciklus sa sekundarnim pregrijavanjem pare u T-S dijagramu

Para iz parogeneratora se usmjerava u cilindar visokog pritiska (HPC), a dio pare se uzima za pregrijavanje. Šireći se u cilindru visokog pritiska (proces na dijagramu 1-a), para radi. Nakon HPC-a, para se šalje u pregrijač, gdje se, zbog hlađenja dijela pare odabranog na početku, suši i zagrijava na višu temperaturu (ali na nižem pritisku, proces a-b na dijagramu ) i ulazi u niskotlačne cilindre turbine (LPC) . U LPC-u se para širi, ponovo radi (proces b-2 na dijagramu) i ulazi u kondenzator. Preostali procesi odgovaraju procesima u Rankineovom ciklusu o kojima je bilo riječi. Efikasnost ciklusa sa međupregrijavanjem pare određena je formulom:

? = (lChVD + lChND - lN) / q1 = ((i1 - ia) + (ib - i2) - (i3 - i2)) / ((i1 - i3) + (ib - ia)

U zavisnosti od izbora pritiska pri kojem se vrši sekundarno pregrijavanje pare, efikasnost ciklusa sa sekundarnim pregrijavanjem može biti veća ili manja od efikasnosti ciklusa bez sekundarnog pregrijavanja. Zaista, ciklus sa sekundarnim pregrijavanjem pare može se predstaviti kao kombinacija dva ciklusa - početnog ciklusa 1-s-2´-3-1 i dodatnog a-b-2-c-a. Budući da oba ciklusa imaju istu temperaturu odvođenja topline T2, ukupni ciklus će imati toplinsku efikasnost veću od početnog, s tim da će prosječna ulazna temperatura topline Tav u dodatnom ciklusu biti viša nego u početnom. Zauzvrat, prosječna temperatura opskrbe toplinom u dodatnom ciklusu ovisi o temperaturi na kojoj počinje sekundarno pregrijavanje, što je određeno tlakom pri kojem se to pregrijavanje događa. Sa smanjenjem pritiska i, shodno tome, temperature, prosječna temperatura opskrbe toplinom u dodatnom ciklusu opada, ali se rad dobiven u ovom ciklusu i njegov doprinos ukupnom radu složenog ciklusa povećava. Zbog suprotstavljenog utjecaja ova dva faktora, postoji optimalna temperatura za početak sekundarnog pregrijavanja pare, pri kojoj se osigurava maksimalno povećanje toplinske efikasnosti ciklusa sa međupregrijavanjem pare. Upotreba sekundarnog pregrijavanja pare omogućava povećanje efikasnosti parne turbine za 4-5%.

Regenerativno grijanje napojne vode

U termotehnici, riječ „regeneracija“ označava vraćanje dijela otpadne topline za njeno daljnje korištenje u instalaciji. Regenerativno zagrijavanje napojne vode je zagrijavanje kondenzata koji teče iz kondenzatora u reaktor (u slučaju nuklearne elektrane s jednim krugom) ili u generator pare (u slučaju nuklearne elektrane s dva kruga). Niska vrijednost efikasnosti Rankineovog ciklusa u odnosu na Carnot ciklus je posljedica činjenice da se velika količina toplinske energije prilikom kondenzacije pare prenosi na rashladnu vodu u kondenzatoru.

Da bi se smanjili gubici, dio pare iz turbine se odabire i šalje u regeneracijske grijače, gdje se toplinska energija oslobođena pri kondenzaciji odabrane pare koristi za zagrijavanje vode dobivene nakon kondenzacije glavnog toka pare. U pravim ciklusima parne energije, regeneracija se provodi pomoću regenerativnih, površinskih ili miješajućih izmjenjivača topline, od kojih svaki prima paru iz međustupnjeva turbine (tzv. regenerativna selekcija).

4. Nuklearne reakcije. Termonuklearna fuzija

Atom je građevni blok Univerzuma. Postoji samo stotinjak različitih vrsta atoma. Većina elemenata je stabilna (na primjer kisik i dušik u atmosferi; ugljik, kisik i vodonik su glavne komponente našeg tijela i svih ostalih živih organizama). Ostali elementi, uglavnom vrlo teški, su nestabilni, što znači da se spontano raspadaju i formiraju druge elemente. Ova transformacija se naziva nuklearna reakcija.

Nuklearne reakcije su transformacije atomskih jezgri u interakciji s elementarnim česticama, g-kvantima ili međusobno.

Nuklearne reakcije se dijele na dvije vrste: nuklearna fisija i termonuklearna fuzija.

Reakcija nuklearne fisije je proces cijepanja atomskog jezgra na dva (rjeđe tri) jezgra slične mase, koji se nazivaju fragmenti fisije. Kao rezultat fisije, mogu nastati i drugi produkti reakcije: svjetlosna jezgra (uglavnom alfa čestice), neutroni i gama zraci. Podjela može biti spontana (spontana) i iznuđena.

Spontana (spontana) je nuklearna fisija, tokom koje se neke prilično teške jezgre raspadaju na dva fragmenta približno jednakih masa.

Spontana fisija je prvi put otkrivena za prirodni uran. Kao i svaki drugi tip radioaktivnog raspada, spontanu fisiju karakterizira vrijeme poluraspada (period fisije). Vreme poluraspada za spontanu fisiju varira za različita jezgra u veoma širokim granicama (od 1018 godina za 93Np237 do nekoliko desetinki sekunde za transuranijumske elemente).

Prisilnu fisiju jezgri mogu izazvati bilo koje čestice: fotoni, neutroni, protoni, deuteroni, b-čestice, itd., ako je energija koju daju jezgru dovoljna da se prevlada fisijska barijera. Za nuklearnu energiju od većeg je značaja fisija uzrokovana neutronima. Reakcija fisije teških jezgara je prvi put izvedena na uranijumu U235. Da bi se jezgro uranijuma raspalo na dva fragmenta, daje mu se energija aktivacije. Jezgro uranijuma prima ovu energiju hvatanjem neutrona. Jezgro dolazi u pobuđeno stanje, deformiše se, pojavljuje se “most” između delova jezgra, a pod uticajem Kulonovih odbojnih sila, jezgro se deli na dva fragmenta nejednake mase. Oba fragmenta su radioaktivna i emituju 2 ili 3 sekundarna neutrona.

Rice. 4 Fisija jezgra uranijuma

Sekundarne neutrone apsorbiraju susjedna jezgra uranijuma, uzrokujući njihovu fisiju. U odgovarajućim uslovima može doći do samorazvijajućeg procesa masovne nuklearne fisije, koji se naziva nuklearna lančana reakcija. Ova reakcija je praćena oslobađanjem kolosalne energije. Na primjer, potpuno sagorijevanje 1 g uranijuma oslobađa 8,28·1010 J energije. Nuklearnu reakciju karakterizira toplinski efekt, koji predstavlja razliku između mase mirovanja jezgara koje ulaze u nuklearnu reakciju i onih koje nastaju kao rezultat reakcije, tj. Energetski učinak nuklearne reakcije određen je uglavnom razlikom u masama konačnih i početnih jezgara. Na osnovu ekvivalencije energije i mase moguće je izračunati energiju oslobođenu ili utrošenu tijekom nuklearne reakcije ako točno znamo masu svih jezgara i čestica koje sudjeluju u reakciji. Prema Ajnštajnovom zakonu:

E = (mA + mx - mB - my)c2

gdje su mA i mx mase ciljnog jezgra i jezgra bombardiranja (čestica), respektivno;

mB i my su mase jezgara nastalih kao rezultat reakcije.

Što se više energije oslobodi tokom formiranja jezgra, to je ono jače. Energija nuklearnog vezivanja je količina energije potrebna za razlaganje jezgra atoma na njegove sastavne dijelove - nukleone (protone i neutrone).

Primjer nekontrolirane lančane reakcije fisije je eksplozija atomske bombe, kontrolirana nuklearna reakcija se izvodi u nuklearnim reaktorima.

Termonuklearna fuzija je reakcija inverzna atomskoj fisiji, reakcija fuzije lakih atomskih jezgara u teža jezgra, koja se odvija na ultravisokim temperaturama i praćena oslobađanjem ogromne količine energije. Implementacija kontrolirane termonuklearne fuzije dat će čovječanstvu novi ekološki prihvatljiv i praktično neiscrpan izvor energije, koji se zasniva na sudaru jezgara izotopa vodika, a vodonik je najzastupljenija supstanca u Univerzumu.

Proces fuzije se javlja s primjetnim intenzitetom samo između lakih jezgara koje imaju mali pozitivan naboj i samo na visokim temperaturama, kada je kinetička energija sudarajućih jezgara dovoljna da prevlada Kulonovu potencijalnu barijeru. Reakcije između teških izotopa vodika (deuterijum 2H i tricijum 3H) odvijaju se neuporedivo većom brzinom sa formiranjem snažno vezanih jezgara helija.

2D + 3T > 4He (3,5 MeV) + 1n (14,1 MeV)

Ove reakcije su od najvećeg interesa za problem kontrolirane termonuklearne fuzije. Deuterijum se nalazi u morskoj vodi. Njegove rezerve su javno dostupne i veoma velike: deuterijum čini oko 0,016% od ukupnog broja atoma vodonika koji čine vodu, dok svetski okeani pokrivaju 71% površine Zemlje. Reakcija koja uključuje tritij je privlačnija jer je praćena velikim oslobađanjem energije i odvija se značajnom brzinom. Tricij je radioaktivan (poluživot 12,5 godina) i ne pojavljuje se u prirodi. Shodno tome, da bi se osigurao rad predloženog termonuklearnog reaktora koji koristi tritij kao nuklearno gorivo, mora se osigurati mogućnost reprodukcije tritijuma.

Reakcija sa takozvanim lunarnim izotopom 3He ima niz prednosti u odnosu na reakciju deuterijum-tricijum, koja je najizvodljivija u zemaljskim uslovima.

2D + 3He > 4He (3,7 MeV) + 1p (14,7 MeV)

Prednosti:

1. 3On nije radioaktivan.

2. Desetine puta manji tok neutrona iz reakcione zone, što naglo smanjuje indukovanu radioaktivnost i degradaciju konstruktivnih materijala reaktora;

3. Nastali protoni, za razliku od neutrona, se lako hvataju i mogu se koristiti za dodatnu proizvodnju električne energije.

Prirodna zastupljenost 3He u atmosferi iznosi 0,000137%. Većina 3He na Zemlji sačuvana je od njenog formiranja. Rastvara se u omotaču i postepeno ulazi u atmosferu. Na Zemlji se vadi u vrlo malim količinama, koje iznose nekoliko desetina grama godišnje.

Helijum-3 je nusprodukt reakcija koje se dešavaju na Suncu. Kao rezultat toga, na Mjesecu, koji nema atmosferu, ima do 10 miliona tona ove vrijedne tvari (prema minimalnim procjenama - 500 hiljada tona). Tokom termonuklearne fuzije, kada 1 tona helijuma-3 reaguje sa 0,67 tona deuterija, oslobađa se energija koja odgovara sagorevanju 15 miliona tona nafte (međutim, tehnička izvodljivost ove reakcije trenutno nije proučavana). Shodno tome, lunarni resursi helijuma-3 trebali bi biti dovoljni za populaciju naše planete barem sljedeći milenijum. Glavni problem ostaje realnost vađenja helijuma iz lunarnog tla. Sadržaj helijuma-3 u regolitu je ~1 g na 100 tona, dakle, da bi se izdvojila tona ovog izotopa, mora se preraditi najmanje 100 miliona tona tla. Temperatura na kojoj može doći do reakcije termonuklearne fuzije dostiže vrijednost reda 108 - 109 K. Na ovoj temperaturi supstanca je u potpuno joniziranom stanju, koje se naziva plazma. Dakle, konstrukcija reaktora uključuje: dobijanje plazme zagrejane na temperature od stotina miliona stepeni; održavanje konfiguracije plazme tokom vremena da bi došlo do nuklearnih reakcija.

Termonuklearna energija ima važne prednosti u odnosu na nuklearne elektrane: koristi apsolutno neradioaktivni deuterijum i izotop helijum-3 i radioaktivni tricij, ali u količinama hiljadama puta manjim nego u nuklearnoj energiji. A u mogućim vanrednim situacijama, radioaktivna pozadina u blizini termonuklearne elektrane neće premašiti prirodne pokazatelje. Istovremeno, po jedinici težine termonuklearnog goriva dobija se približno 10 miliona puta više energije nego pri sagorevanju organskog goriva i približno 100 puta više nego pri fisiji jezgara uranijuma. U prirodnim uslovima, termonuklearne reakcije se javljaju u dubinama zvijezda, posebno u unutrašnjim područjima Sunca, i služe kao stalni izvor energije koji određuje njihovo zračenje. Izgaranje vodonika u zvijezdama odvija se malom brzinom, ali gigantska veličina i gustina zvijezda osiguravaju kontinuiranu emisiju ogromnih tokova energije milijardama godina.

Svi hemijski elementi naše planete i Univerzuma u cjelini nastali su kao rezultat termonuklearnih reakcija koje se dešavaju u jezgri zvijezda. Termonuklearne reakcije u zvijezdama dovode do postupne promjene kemijskog sastava zvjezdane materije, što uzrokuje restrukturiranje zvijezde i njeno napredovanje na evolucijskom putu. Prva faza evolucije završava se iscrpljivanjem vodonika u centralnim dijelovima zvijezde. Zatim, nakon povećanja temperature uzrokovanog kompresijom centralnih slojeva zvijezde, lišenih izvora energije, stupaju na snagu termonuklearne reakcije sagorijevanja helijuma, koje se zamjenjuju sagorijevanjem C, O, Si i naknadnih elemenata - do Fe. i Ni. Svaka faza evolucije zvijezda odgovara određenim termonuklearnim reakcijama. Prve u lancu takvih nuklearnih reakcija su vodonikove termonuklearne reakcije. Oni se odvijaju na dva načina u zavisnosti od početne temperature u centru zvijezde. Prvi put je ciklus vodonika, drugi put je CNO ciklus.

Ciklus vodonika:

1H + 1H = 2D + e+ + v +1,44 MeV

2D + 1H = 3He + g +5,49 MeV

I: 3He + 3He = 4He + 21H + 12,86 MeV

ili 3He + 4He = 7Be + g + 1,59 MeV

7Be + e- = 7Li + v + 0,862 MeV ili 7Be + 1H = 8B + g +0,137 MeV

II: 7Li + 1H = 2 4He + 17,348 MeV 8B = 8Be* + e+ + v + 15,08 MeV

III. 8Be* = 2 4He + 2,99 MeV

Ciklus vodonika počinje sudarom dva protona (1H, ili p) kako bi se formiralo jezgro deuterijuma (2D). Deuterijum reaguje sa protonom i formira svetlosni (mesečev) izotop helijuma 3He, emitujući gama foton (g). Mjesečev izotop 3He može reagirati na dva različita načina: dva 3He jezgra se sudaraju i formiraju 4He uz eliminaciju dva protona, ili 3He se kombinuje sa 4He i daje 7Be. Potonji, zauzvrat, hvata ili elektron (e-) ili proton i dolazi do drugog grananja proton-protonskog lanca reakcija. Kao rezultat toga, ciklus vodonika može završiti na tri različita načina I, II i III. Za implementaciju grane I, prve dvije reakcije V. c. mora se dogoditi dva puta, jer u ovom slučaju dva 3He jezgra nestaju odjednom. U grani III, posebno energetski neutrini se emituju tokom raspada jezgra bora 8B sa formiranjem nestabilnog jezgra berilijuma u pobuđenom stanju (8Be*), koje se skoro trenutno raspada na dva 4He jezgra. CNO ciklus je skup od tri povezana ili, preciznije, djelimično preklapanja ciklusa: CN, NO I, NO II. Sinteza helijuma iz vodonika u reakcijama ovog ciklusa odvija se uz sudjelovanje katalizatora, čiju ulogu igraju male primjese izotopa C, N i O u zvjezdanoj tvari.

Glavni reakcioni put CN ciklusa je:

12C + p = 13N + g +1,95 MeV

13N = 13C + e+ + n +1,37 MeV

13C + p = 14N + g +7,54 MeV (2,7 106 godina)

14N + p = 15O + g +7,29 MeV (3,2 108 godina)

15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV (82 sekunde)

15N + p = 12C + 4He +4,96 MeV (1,12 105 godina)

Suština ovog ciklusa je indirektna sinteza b čestice iz četiri protona tokom njihovog uzastopnog hvatanja jezgrima, počevši od 12C.

U reakciji sa hvatanjem protona jezgrom 15N moguć je još jedan ishod - formiranje jezgra 16O i rađa se novi ciklus NO I.

Ima potpuno istu strukturu kao CN ciklus:

14N + 1H = 15O + g +7,29 MeV

15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV

15N + 1H = 16O + g +12,13 MeV

16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV

17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV

17O + 1H = 14N + 4He +1,19 MeV

Ciklus NO I povećava brzinu oslobađanja energije u CN ciklusu, povećavajući broj jezgri katalizatora u CN ciklusu.

Posljednja reakcija ovog ciklusa također može imati drugačiji ishod, stvarajući još jedan ciklus NO II:

15N + 1H = 16O + g +12,13 MeV

16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV

17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV

17O + 1H = 18F + g +5,61 MeV

18O + 1H = 15N + 4He +3,98 MeV

Dakle, ciklusi CN, NO I i NO II formiraju ternarni CNO ciklus.

Postoji još jedan vrlo spor četvrti ciklus, OF ciklus, ali je njegova uloga u proizvodnji energije zanemarljiva. Međutim, ovaj ciklus je vrlo važan u objašnjavanju porijekla 19F.

17O + 1H = 18F + g + 5,61 MeV

18F = 18O + e+ + n + 1,656 MeV

18O + 1H = 19F + g + 7,994 MeV

19F + 1H = 16O + 4He + 8,114 MeV

16O + 1H = 17F + g + 0,60 MeV

17F = 17O + e+ + n + 2,76 MeV

Tokom eksplozivnog sagorevanja vodonika u površinskim slojevima zvezda, na primer, tokom eksplozija supernove, mogu se razviti veoma visoke temperature, a priroda ciklusa CNO dramatično se menja. Pretvara se u takozvani vrući CNO ciklus, u kojem se reakcije događaju vrlo brzo i zamršeno.

Hemijski elementi teži od 4He počinju se sintetizirati tek nakon potpunog sagorijevanja vodonika u središnjem dijelu zvijezde:

4He + 4He + 4He > 12C + g + 7,367 MeV

Reakcije sagorevanja ugljenika:

12C + 12C = 20Ne + 4He +4,617 MeV

12C + 12C = 23Na + 1H -2,241 MeV

12C + 12C = 23Mg + 1n +2,599 MeV

23Mg = 23Na + e+ + n + 8,51 MeV

12C + 12C = 24Mg + g +13,933 MeV

12C + 12C = 16O + 24He -0,113 MeV

24Mg + 1H = 25Al + g

Kada temperatura u zvijezdama dostigne 5·109 K, u uslovima termodinamičke ravnoteže, dolazi do velikog broja različitih reakcija koje rezultiraju stvaranjem atomskih jezgara do Fe i Ni.

5. Nuklearna energija i okoliš

Izvodljivost izgradnje i rada nuklearnih elektrana često se dovodi u pitanje zbog opasnosti od nesreća koje dovode do ispuštanja radioaktivnih tvari u atmosferu. Poznato je da radioaktivne tvari (radionuklidi) štetno djeluju na okoliš i čovjeka. Radionuklidi mogu ući u organizam kroz pluća tokom disanja, zajedno s hranom, ili djelovati na kožu. Posljedice zračenja su različite i vrlo opasne. Najveće radijacijsko oštećenje uzrokuje radijacijska bolest, koja može dovesti do ljudske smrti. Ova bolest se manifestuje vrlo brzo - od nekoliko minuta do jednog dana. Čovječanstvo već ima gorka iskustva s katastrofalnim posljedicama ispuštanja radioaktivnih tvari. Primjer za to je nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil 1986. godine. Kao rezultat eksplozije na stanici, u okolni prostor ispuštena je kolosalna količina radioaktivnih tvari. Kretanje radioaktivnog oblaka u atmosferi, taloženje radionuklida prašinom i kišom, širenje tla i površinskih voda kontaminiranih radioaktivnim izotopima - sve je to dovelo do ozračivanja stotina hiljada ljudi na površini od preko 23 hiljade km2.

Ako se nuklearna energija potpuno napusti, opasnost od izlaganja ljudi i opasnost od nuklearnih nesreća bit će potpuno eliminirana. Ali tada će za podmirivanje energetskih potreba biti potrebno povećati izgradnju termoelektrana i hidroelektrana. A to će neminovno dovesti do velikog zagađenja atmosfere štetnim materijama, do nakupljanja suvišnih količina ugljičnog dioksida u atmosferi i do narušavanja toplinske ravnoteže na planetarnim razmjerima. Radijacija je strašna i opasna sila, ali uz pravilan stav sasvim je moguće raditi s njom. Tipično je da se najmanje boje radijacije oni koji se s njom stalno bave i dobro su svjesni svih opasnosti koje su s njim povezane. Trenutno se puno pažnje posvećuje sigurnosti reaktora. To posebno dokazuje sljedeća brojka: oko 70% svih troškova reaktora povezano je sa zaštitom ljudi na području nuklearne elektrane i šire. Detaljno i razumno se govori o sigurnosti rada nuklearnih reaktora, a ništa manje strastveno o garancijama sigurnosti stanovništva u blizini nuklearnih elektrana.

Strogi zahtjevi za zaštitu okoliša navode stručnjake da predlože izgradnju svojevrsnih nuklearnih centara na odgovarajućim lokacijama, gdje bi se moglo koncentrirati nekoliko reaktora velike snage, kao i postrojenja za preradu goriva i skladište radioaktivnog otpada. Oko takvih atomskih centara nalazili bi se industrijski i poljoprivredni kompleksi koji koriste proizvedenu energiju (uključujući u obliku vodonika i slatke vode). Takav kompleks ne samo da bi bio efikasniji i ekonomičniji, već bi i bolje zaštićen od mogućih nesreća (ili sabotaže) od pojedinačnih, disperzovanih elektrana i preduzeća.

Nuklearne elektrane treće generacije su mnogo sigurnije, jer imaju mnogo zaštitnih sistema. U toku rada nuklearne elektrane osiguranje sigurnosti se zasniva prvenstveno na odgovarajućim metodama detekcije i kontrole, koje garantuju mogućnost pravovremenog sprečavanja opasnih situacija. U slučaju udesa, sigurnosni sistem mora ograničiti vrijeme curenja fisionih produkata i omogućiti brzo vraćanje u normalne uslove rada opreme, prvenstveno tzv. barijera, koje treba da spreče ili ograniče curenje.

Zaključak

Proučavajući rad nuklearnih elektrana, možemo doći do zaključka da su one najpouzdaniji i najefikasniji način proizvodnje električne energije. Nuklearna elektrana ne proizvodi ugljični dioksid i druge štetne nečistoće koje nastaju prilikom njenog sagorijevanja, a koje su dostupne prvenstveno iz uglja i nafte, tim više što su ti resursi iscrpljivi i nestaće u dogledno vrijeme. Nemoguće je računati na alternativne izvore energije, kao što su vjetar, sunčeva svjetlost, energija plime i oseke, jer oni ne mogu u potpunosti osigurati čovječanstvo energijom. Nuklearna energija je industrija koja je u početnoj fazi svog razvoja.

Trenutno su najčešće nuklearne elektrane s dva kruga, jer su sigurnije od jednokružne i ekonomičnije od trokrugnih. Glavni ciklus parnoturbinskog postrojenja je Rankineov ciklus sa sekundarnim pregrijavanjem pare, dopunjen regenerativnim sistemom grijanja napojne vode.

Dostupnost različitih nuklearnih tehnologija, dokazana ekonomska konkurentnost i tehnička sigurnost, perspektiva razvoja nuklearnih reaktora koji koriste termalne neutrone, kao i reaktora koji provode kontrolirane reakcije termonuklearne fuzije, po mom mišljenju, čine nuklearnu energiju favoritom u obezbjeđivanju značajnog udjela proizvodnja energije sada i u budućnosti.

Bibliografija

1. T.H. Margulova “Nuklearne elektrane”. 1978

2. A.A. Aleksandrov “Termodinamičke osnove ciklusa termoelektrana” M.: Izdavačka kuća MPEI, 2004.

Objavljeno na Allbest.ru

...

Slični dokumenti

Povijest stvaranja industrijskih nuklearnih elektrana. Princip rada nuklearne elektrane sa dvokružnim vodeno hlađenim energetskim reaktorom pod pritiskom. Karakteristike najvećih elektrana na svijetu. Utjecaj nuklearnih elektrana na okoliš. Izgledi za korištenje nuklearne energije.

sažetak, dodan 27.03.2015

Proizvodnja električne energije. Glavne vrste elektrana. Utjecaj termo i nuklearnih elektrana na okoliš. Izgradnja modernih hidroelektrana. Prednosti plimnih stanica. Procenat tipova elektrana.

prezentacija, dodano 23.03.2015

Shema rada nuklearnih elektrana. Vrste i konstrukcije reaktora. Problem odlaganja nuklearnog otpada. Princip rada termonuklearne instalacije. Istorijat nastanka i razvoja projekta za izgradnju prve okeanske elektrane, izgledi za primjenu.

sažetak, dodan 22.01.2011

Fizičke osnove nuklearne energije. Osnove teorije nuklearnih reaktora - princip proizvodnje električne energije. Dijagrami dizajna reaktora. Projektovanje opreme nuklearne elektrane (NPP). Sigurnosna pitanja u nuklearnim elektranama. Mobilne nuklearne elektrane.

sažetak, dodan 16.04.2008

Nuklearne elektrane (NPP) su termoelektrane koje koriste toplinsku energiju nuklearnih reakcija. Nuklearni reaktori koji se koriste u nuklearnim elektranama u Rusiji: RBMK, VVER, BN. Principi njihovog rada. Izgledi za razvoj nuklearne energije u Ruskoj Federaciji.

analiza knjige, dodano 23.12.2007

Istorijat i perspektive razvoja nuklearne energetike. Glavne vrste nuklearnih elektrana (NPP), analiza njihovih prednosti i nedostataka, kao i karakteristike izbora reaktora za njih. Karakteristike nuklearnog kompleksa Ruske Federacije i posebno operativnih nuklearnih elektrana.

kurs, dodan 11.02.2009

Vrste elektrana, njihove karakteristike, prednosti i nedostaci, uticaj na životnu sredinu. Izvori energije za njihove aktivnosti. Razvoj i problemi nuklearne energije. Principi koncepta sigurnosti nuklearnih elektrana. Dozvoljene i opasne doze zračenja.

prezentacija, dodano 06.03.2015

Prototip nuklearnog reaktora izgrađenog u SAD. Istraživanja u oblasti nuklearne energije sprovedena u SSSR-u, izgradnja nuklearne elektrane. Princip rada nuklearnog reaktora. Vrste nuklearnih reaktora i njihov dizajn. Rad nuklearne elektrane.

prezentacija, dodano 17.05.2015

Projektovanje i glavne jedinice nuklearnih elektrana različitih tipova nuklearnih elektrana. Konstruktivne karakteristike nuklearnih elektrana sa gasno hlađenim, vodeno hlađenim i vodeno-grafitnim energetskim reaktorima, sa reaktorima na bazi brzih neurona.

sažetak, dodan 19.10.2012

Svjetski lideri u proizvodnji nuklearne energije. Klasifikacija nuklearnih elektrana. Princip njihovog delovanja. Vrste i hemijski sastav nuklearnog goriva i suština dobijanja energije iz njega. Mehanizam lančane reakcije. Pronalaženje uranijuma u prirodi.

Verovatnoća da će uranijum apsorbovati toplotne neutrone označava se sa θ. Ova vrijednost se naziva faktor iskorištenja toplinskih neutrona. Tada će broj toplotnih neutrona koje apsorbuje uranijum biti jednak n εφθ .

Za svaku apsorpciju termičkog neutrona uranijumom, a η novi brzi neutroni. Prema tome, na kraju ciklusa koji se razmatra, broj brzih neutrona proizvedenih fisijom ispostavilo se da je jednak n εφθη .

Faktor umnožavanja neutrona u beskonačnom mediju je stoga jednak

Jednakost (3.4) se naziva formulom četiri faktora. Otkriva ovisnost K∞ o različitim faktorima koji određuju razvoj nuklearne lančane reakcije u mješavini uranijuma i moderatora.

U stvarnom mediju za razmnožavanje konačnih dimenzija, curenje neutrona je neizbježno, što nije uzeto u obzir pri unosu formule za K∞. Faktor multiplikacije neutrona za sredinu konačnih dimenzija naziva se efektivni faktor umnožavanja Keff; Štaviše, još uvijek se definira kao omjer broja neutrona date generacije prema odgovarajućem broju neutrona prethodne generacije. Ako koristimo Rz i Rd da označimo vjerovatnoće izbjegavanja curenja neutrona u procesu moderacije i difuzije, tada možemo napisati

Kef= K∞ Rz Rd. (3.5)

Očigledno je da će uslov za održavanje lančane reakcije u mediju konačnih dimenzija biti odnos Kef ≥ 1. Proizvod RzRd je uvijek manji od jedan, dakle, za izvođenje samoodržive lančane reakcije u sistemu konačnih dimenzija, potrebno je da je K∞ uvijek veći od jedan.

Curenje neutrona iz reaktora zavisi od njegovih geometrijskih dimenzija. Budući da se proizvodnja neutrona događa u cijelom volumenu aktivne zone, a njihovo curenje samo kroz površinu reaktora, onda, očito, s povećanjem linearnih dimenzija reaktora, relativni udio neutrona izgubljenih kroz površinu smanjuje se, a povećava se vjerovatnoća izbjegavanja curenja.

Minimalna veličina reaktora pri kojoj može doći do samoodržive lančane reakcije naziva se kritična veličina.

Dakle, uslov kritičnosti za reaktore će biti zapisan u obliku

1 = K∞RzRd.

Ako je uslov (3.5) ispunjen, broj neutrona nastalih tokom fisije uranijuma jednak je broju neutrona koji su napustili reaktor i apsorbovali ih materijali tokom procesa moderacije i difuzije. U slučaju kada je Kef>1, broj neutrona u reaktoru će se kontinuirano povećavati. U subkritičnom reaktoru Kef< 1.

Jednačina ravnoteže neutrona (za kritični reaktor biće napisana u obliku

, (3.6)

D – koeficijent difuzije neutrona

F – tok neutrona

S je broj generiranih termalnih neutrona.

Broj termičkih neutrona S određuje se na osnovu sljedećeg. Za jedan toplotni neutron apsorbovan u materijalima jezgre reaktora, broj toplotnih neutrona apsorbovanih uranijumom biće θ, a za jednu apsorpciju toplotnog neutrona uranijumom, proizvodi se η brzih neutrona. To znači da će broj brzih neutrona biti jednak θη. Ovi neutroni mogu proizvesti fisiju sa faktorom množenja ε, tada će konačni broj brzih neutrona biti jednak θηε. Brzi neutroni u procesu usporavanja izbjegavaju rezonantnu apsorpciju s vjerovatnoćom φ i curenje sa koeficijentom Rz. To znači da će broj generiranih termalnih neutrona biti jednak θηεφRz.

Dakle, sa ukupnom apsorpcijom toplotnih neutrona po jedinici zapremine materijalima jezgra koja je jednaka ΣaF, ponovo se formiraju toplotni neutroni ΣaFθηεφRz. Konačan broj termičkih neutrona će se odrediti na sljedeći način:

(3.7)

Uzimajući u obzir formulu (3.7), jednačina ravnoteže neutrona (3.6) će se prepisati u obliku

(3.8)

(3.9)

U jednačini (3.9), količina koja zavisi od svojstava materijala naziva se parametar materijala i označava se B2

(3.10)

tada će zavisnost (3.8) biti prepisana na sljedeći način

(3.11)

Obje jednačine (3.10) i (3.11), dobijene na osnovu jednačine ravnoteže neutrona za stacionarni slučaj, odgovaraju kritičnom reaktoru u kojem je efektivni faktor množenja jednak jedinici (Kef = 1). Uzimajući u obzir da iz jednačine (3.10) slijedi

gdje je L difuzijska dužina.

Iz jednačina (3.12) proizilazi da je vjerovatnoća izbjegavanja curenja neutrona tokom procesa difuzije određena izrazom (1 + B2L2)-1. Vjerovatnoća izbjegavanja curenja neutrona tokom procesa moderiranja izračunava se na osnovu razmatranja procesa moderiranja i ispada da je jednaka

gdje je τ veličina koja se zove neutronska starost i ima dimenziju cm2.

Općenito, kada se faktor množenja u reaktoru razlikuje od jedinice, jednačina (3.12) će se napisati na sljedeći način:

(3.14)

Jednačina (3.14) je glavna reaktorska jednačina, koja otkriva zavisnost efektivnog faktora umnožavanja neutrona o sastavu i veličini jezgra. Ova jednadžba vrijedi za homogene i heterogene reaktore. Posebnost heterogenosti jezgra ogleda se u pristupu izračunavanju parametara jednačine četiri faktora, a to su veličine ε, φ i θ.

Sa stacionarnim procesom

(3.15)

gdje je M2 = L2 + τ vrijednost koja se zove područje migracije, cm2.

Rješavanje jednačine (3.11) omogućava određivanje vrijednosti B2. U ovom slučaju, ovaj parametar je funkcija veličine i geometrijskog oblika aktivne zone. Posebno za cilindrični reaktor

(3.16)

gdje je R polumjer, a H visina jezgra. U ovom slučaju, vrijednost B2 naziva se geometrijski parametar.

Budući da obje vrijednosti B2 dobijene iz jednačina (3.10) i (3.16) odgovaraju kritičnom reaktoru, tada za takvo stanje reaktora materijalni parametar mora biti jednak geometrijskom. Na osnovu toga, u zavisnosti od datih uslova, jednačina (3.15) se koristi za rešavanje dve vrste zadataka: za određivanje sastava jezgra, ako su date njegove dimenzije i geometrija, i za određivanje veličine reaktora u slučaju datog sastava jezgra.

Prilikom rješavanja zadataka prvog tipa izračunava se vrijednost geometrijskog parametra. Na primjer, za cilindrični reaktor - prema formuli (3.16). U ovom slučaju, sastav jezgra, na primjer, obogaćivanje uranijuma izotopom 235U, određuje se iz jednačine (3.15) preliminarnom procjenom obogaćivanja i izračunavanjem Kef vrijednosti za svaki slučaj.

Prilikom rješavanja zadataka drugog tipa, postupak proračuna se može usvojiti na sljedeći način. Na osnovu sastava jezgra, koji karakteriše obogaćivanje uranijuma, vrste moderatora, konstrukcijskih materijala itd., izračunavaju se vrednosti K∞, τ i L2. Vrijednost geometrijskog parametra B2 za datu vrijednost Kef nalazi se grafičkim rješavanjem jednadžbe (3.15). U ovom slučaju, nekoliko vrijednosti B2 je unaprijed postavljeno i konstruiran je graf Kef = f(B2).

Nakon utvrđivanja vrijednosti toplotne energije "href="/text/category/teployenergetika/" rel="bookmark">toplotne energije, a L2 karakteriše pravolinijski put koji termički neutron pređe do tačke hvatanja. na ovim udaljenostima, manja je vjerovatnoća da će neutron izbjeći curenje u procesima usporavanja i difuzije, tj. veća veličina reaktora mora biti da bi se osigurala samoodrživa lančana reakcija.

Na primjer, reaktor u kojem se kao moderator koristi obična voda, pod svim ostalim jednakim uvjetima, imat će znatno manje dimenzije od reaktora sa grafitnim moderatorom, jer je za vodu L = 2,73 cm i τ = 31 cm2, a za grafit L = 54 cm i τ = 364 cm2.

3.2.1.3. NEUTRON FLUX

Rješenje jednačine (3.11) također dovodi do zavisnosti koja karakterizira raspodjelu neutronskog fluksa po zapremini jezgra. Za cilindrični reaktor visine H i poluprečnika R, ova zavisnost ima oblik

(3.17)

gdje je Fmax vrijednost neutronskog fluksa u centru jezgra;

h, r – trenutne koordinate duž visine i radijusa aktivne zone;

Trenutna vrijednost Beselove funkcije nultog reda prve vrste.

Maksimalna vrijednost fluksa toplinskih neutrona u reaktoru bez reflektora uspostavlja se u geometrijskom centru aktivne zone i postepeno se smanjuje na nulu kako se približava svojim ekstrapoliranim granicama. U cilindričnom reaktoru, promjena neutronskog fluksa u visini na r = 0, kada je Jo(0) = 1, će se dogoditi prema ovisnosti

(3.18)

Koeficijent neravnomjernosti neutronskog toka po visini jezgre određuje se na sljedeći način:

(3.19)

Koeficijent neravnomjernosti neutronskog toka duž radijusa cilindričnog reaktora bit će jednak

(3.20)

Umnožak koeficijenata Kh i Kr naziva se koeficijent neravnomjernosti neutronskog fluksa po zapremini jezgra

(3.21)

Na osnovu poznatih vrijednosti koeficijenata neujednačenosti neutronskog toka i na datoj vrijednosti prosječnog neutronskog fluksa, moguće je odrediti vrijednost maksimalnog neutronskog fluksa u reaktoru.

Fmax = KvFsr, (3.22)

gdje je Fsr prosječan tok neutrona u reaktoru, podijeljen sa zapreminom jezgra. Prosječni tok neutrona može se odrediti na osnovu sljedećeg. Broj fisija uranijuma u 1 cm3 u 1 s je ΣfFsr, a ukupan broj fisija u cijeloj zapremini jezgra bit će jednak ΣfFsrVaz. Ako snaga od 1 kW odgovara 3,1∙1013 podjela u sekundi, tada se snaga reaktora može izraziti jednadžbom

, (3.23)

(3.24)

Prosječne vrijednosti neutronskih tokova u energetskim reaktorima su u rasponu od 1012 ÷ 1014.

U reaktoru koji radi, neutroni cure iz jezgre. Da bi se smanjilo ovo curenje, reaktor je okružen reflektorom. Neutroni koji ulaze u reflektor djelomično se raspršuju nazad u jezgro, čime se postiže „ušteda“ neutrona.

Rezultirajuća "ušteda" neutrona zbog ugradnje reflektora može se koristiti u dva smjera: ili za smanjenje veličine jezgre bez promjene njegovog sastava, ili, ostavljajući dimenzije nepromijenjene, za smanjenje obogaćivanja goriva sa fisijski izotop. U oba slučaja, rezultat je smanjenje ukupnog opterećenja fisivnog izotopa uranijuma. Jednako važna uloga reflektora za energetske reaktore je da značajno izjednači distribuciju toplotnog fluksa neutrona unutar zapremine jezgra.

Kada brzi neutroni iscure iz reaktora, zbog njihove umjerenosti u materijalu reflektora, neutroni se mogu vratiti u reaktor kao termalni. To dovodi do povećanja toka toplinskih neutrona u blizini granice jezgra. Reflektorski materijal mora imati iste kvalitete kao i moderator, a to su dobra svojstva usporavanja i raspršenja. Stoga se ista tvar često koristi za moderator i reflektor.

Efektivni faktor množenja reaktora sa reflektorom određuje se po istoj formuli (3.14) kao i za reaktor bez reflektora. Međutim, u ovom slučaju, prilikom izračunavanja geometrijskog parametra B2, stvarne dimenzije aktivne zone se povećavaju za količinu efektivnog aditiva. Na primjer, za cilindrični reaktor će imati

(3.25)

R" = R + Δ. (3.26)

Ovom metodom proračuna reaktor sa reflektorom je takoreći zamijenjen „golim“ reaktorom čije dimenzije premašuju dimenzije aktivne zone stvarnog reaktora za količinu efektivnog aditiva.

Koeficijenti neujednačenosti neutronskog fluksa jezgre cilindričnog reaktora u prisustvu reflektora određeni su formulama:

Po visini reaktora

Po radijusu reaktora

U prisustvu reflektora, kao što slijedi iz (3.27) i (3.28), koeficijenti neujednačenosti neutronskog fluksa se smanjuju, pa će oslobađanje energije u cijelom volumenu jezgre biti ujednačenije.

PITANJA ZA SAMOTEST

1. Koje elementarne čestice čine atom i jezgro atoma?

2. Kolika je masa protona i neutrona?

3. Šta je jedinica atomske mase?

4. Što je defekt mase i nuklearna energija vezivanja?

5. Kako se mijenja energija vezivanja nukleona u jezgru u zavisnosti od masenog broja jezgra?

6. Šta su brzi i termalni neutroni? Kako se karakterišu?

7. Zašto se uranijum-235 fisije, a uran-238 ne kada uhvati termalni neutron?

8. Šta se podrazumijeva pod mikroskopskim i makroskopskim efektivnim presjecima jezgara?

9. Kako se mijenjaju mikroskopski presjeci za fisiju i apsorpciju jezgara uranijuma-235 i uranijuma-238 u zavisnosti od energije neutrona?

10. Šta se podrazumijeva pod neutronskim fluksom?

11. Kako se određuje broj apsorpcija i fisija jezgara uranijuma kada hvataju neutrone?

12. Snagu reaktora izrazite kroz neutronski tok.

13. Napišite jednačinu ravnoteže toplinskih neutrona i objasnite njene komponente.

14. Šta je izvor termičkih neutrona u reaktoru?

15. Kako se određuje curenje neutrona tokom njihove moderacije i difuzije?

16. Šta se podrazumijeva pod efektivnim faktorom umnožavanja neutrona Kef?

17. Objasnite količine uključene u jednačinu za Kef.

18. Recite nam postupak rješavanja jednačine za Kef reaktora za dato obogaćivanje uranijuma?

19. Koji je postupak rješavanja jednadžbe za Keff reaktora za date geometrijske parametre jezgre?

20. Koje zavisnosti karakterišu promjenu neutronskog fluksa po visini i poluprečniku jezgre reaktora?

21. Kakav je uticaj reflektora neutrona na tok neutrona u reaktoru?

3.2.2. DIZAJN ENERGETSKIH REAKTORA

I TEHNOLOŠKI DIJAGRAMI NEK

3.2.2.1. REAKTORSKI UREĐAJ

Stvaranje homogenog reaktora povezano je sa značajnim tehničkim poteškoćama, stoga su trenutno svi pogonski, u izgradnji i projektovani energetski reaktori heterogeni.

Glavni dio reaktora je jezgra. Jezgra nuklearnog reaktora je skup montažnih jedinica koji stvaraju uvjete za pokretanje i održavanje kontrolirane lančane reakcije nuklearne fisije. Dimenzije jezgra moraju biti takve da se lančana reakcija sa postojećim obogaćenjem uranijuma održava tokom čitavog perioda rada reaktora i pri kojoj je osigurano pouzdano odvođenje toplote pri datoj snazi reaktora.

Jezgro sadrži nuklearno gorivo (gorivo). Kao gorivo koriste se uranijum i njegove legure, kao i plutonijum i njegove legure. U heterogenim reaktorima gorivo se koristi u obliku šipki, ploča itd. (Slika 3.2), u homogenim reaktorima - u obliku rastvora soli uranijuma itd. Moderator (voda, grafit, berilijum itd.). ) se takođe postavlja u jezgro termičkih reaktora .), koji služi za smanjenje energije fisionih neutrona.

https://pandia.ru/text/78/544/images/image051_2.jpg" width="515" height="254 src=">

Rice. 3.3. Vrste gorivnih elemenata:

a – štap; b – lamelarni; c – sferni; g – cevasti; d – cilindrični blok; e – niz goriva sa cijevima;

1 – materijal za gorivo; 2 – školjka; 3 – vrh; 4 – ivica; 5 – rashladna tečnost

Coll" href="/text/category/koll/" rel="bookmark">kolektori i distributivni put rashladnog sredstva, dijelovi za ugradnju - drške, kućište ili okvir, zaštitni čepovi i dijelovi za transportne i tehnološke svrhe.

Rice. 3.5. Radna kaseta reaktora VVER-440:

1 – drška; 2, 3 – donja i srednja odstojna rešetka; 4 – poklopac cevne kasete; 5 – TVEL; 6 – gornja odstojna rešetka; 7 – centralna cijev; 8 – glava; 9 – opružne stege; 10 – pin

Gorivni sklop ili kaseta ugrađuje se u tehnološki kanal nuklearnog reaktora, u kojem se vrši dovod, odvođenje i organizacija usmjerenog toka rashladne tekućine koja ispire gorivne šipke, a mogućnost punjenja i istovara gorivih sklopova ili kaseta obezbeđeno.

Sastoji se od drške, glave i šestougaone cijevi-poklopca, u kojoj je smješteno 126 gorivih šipki, koje su raspoređene u trouglastu rešetku nagiba od 12,2 mm. Fiksiranje gorivih šipki u kaseti se vrši pomoću odstojnih rešetki: donje (noseće), gornje i srednje vodilice od nerđajućeg čelika. Ove rešetke su mehanički povezane jedna s drugom centralnom cijevi od legure cirkonijuma. Donji krajevi gorivih šipki su čvrsto pričvršćeni u donju potpornu rešetku, gornji krajevi se uklapaju u rupe gornje rešetke bez pričvršćivanja kako bi se osiguralo njihovo slobodno toplinsko širenje. Glava kasete ima šest opružnih kopči koje sprečavaju plutanje i kompenziraju termičko širenje. Dizajn drške osigurava orijentaciju i fiksiranje kasete duž ugla u planu i njeno postavljanje u ležište košare. Masa radne kasete je 220 kg, masa VO2 u kaseti je 127 kg.

Dio nuklearnog reaktora, koji je posuda predviđena za smještaj jezgre i unutrašnjih uređaja, koja ima cijevi za dovod i ispuštanje rashladne tekućine, kao i uređaje za zaptivanje unutarreaktorskog prostora, naziva se posuda nuklearnog reaktora. Uklonjivi dio nuklearnog reaktora, dizajniran da pokrije posudu i apsorbira unutarnji pritisak u reaktoru, naziva se poklopac nuklearnog reaktora.

Glavni zaptivni sklop nuklearnog reaktora je montažna jedinica s prirubnicom koja se navlači i brtvom između poklopca i posude nuklearnog reaktora, koja osigurava nepropusnost nuklearnog reaktora u svim režimima njegovog rada.

Prsten koji povezuje poklopac nuklearnog reaktora s tijelom i sabija unutrašnje brtve naziva se tlačni prsten glavne brtve nuklearnog reaktora.

6. Šta su termalni i brzi reaktori?

7. Koje su prednosti i nedostaci nuklearnih elektrana s reaktorom na kipuću vodu?

8. Koje su prednosti i nedostaci reaktora koji koriste tečne metale kao rashladno sredstvo?

9. Nacrtati osnovne tehnološke dijagrame nuklearnih elektrana: NE sa VVER; NPP sa RBMK; ATEC; NPP i BN; AST; ASPT.

10. Koja je svrha kontrolnih šipki?

11. Koja je svrha kompleksiranja štapova?

12. Zašto su reaktori na brzim neutronima obećavajući?

13. Koji se plinovi koriste kao rashladna sredstva?

14. Koja je namjena zida kasete?

15. Kako se nalazi gorivo u TVEL-u?

Nuklearne elektrane su nuklearne instalacije koje proizvode energiju uz održavanje određenih režima pod određenim uvjetima. U ove svrhe koristi se projektom definisana teritorija na kojoj se koriste nuklearni reaktori u kombinaciji sa potrebnim sistemima, uređajima, opremom i konstrukcijama za obavljanje postavljenih zadataka. Za izvršavanje ciljanih zadataka uključeno je specijalizovano osoblje.

Sve nuklearne elektrane u Rusiji

Istorija nuklearne energije u našoj zemlji i inostranstvu

Druga polovina 40-ih godina obilježena je početkom rada na stvaranju prvog projekta koji je uključivao korištenje mirnih atoma za proizvodnju električne energije. Godine 1948. I.V. Kurčatov je, rukovodeći se uputstvima partije i sovjetske vlade, dao prijedlog za početak rada na praktičnoj upotrebi atomske energije za proizvodnju električne energije.

Dvije godine kasnije, 1950. godine, nedaleko od sela Obninskoye, koje se nalazi u Kaluškoj regiji, započela je izgradnja prve nuklearne elektrane na planeti. Puštanje u rad prve industrijske nuklearne elektrane na svijetu, snage 5 MW, održano je 27. juna 1954. godine. Sovjetski Savez je postao prva sila na svijetu koja je koristila atom u miroljubive svrhe. Stanica je otvorena u Obninsku, koji je do tada dobio status grada.

Ali sovjetski naučnici nisu stali na tome, nastavili su sa radom u tom pravcu, posebno četiri godine kasnije, 1958. godine, počeo je rad prve faze Sibirske nuklearne elektrane. Njegova snaga je bila višestruko veća od stanice u Obninsku i iznosila je 100 MW. Ali za domaće naučnike to nije bilo ograničenje po završetku svih radova, projektni kapacitet stanice je bio 600 MW.

Na prostranstvima Sovjetskog Saveza, izgradnja nuklearnih elektrana poprimila je u to vrijeme velike razmjere. Iste godine počela je izgradnja Belojarske nuklearne elektrane, čija je prva faza, već u aprilu 1964. godine, snabdevala prve potrošače. Geografija izgradnje nuklearnih elektrana zaplela je cijelu zemlju u svoju mrežu iste godine, prvi blok nuklearke pušten je u rad u Voronježu, snage 210 MW, drugi blok pušten je u rad pet godina kasnije; 1969, imao je kapacitet od 365 MW. Procvat izgradnje nuklearnih elektrana nije jenjavao tokom sovjetske ere. Nove stanice, ili dodatne jedinice već izgrađenih, puštane su u rad u intervalima od nekoliko godina. Tako je već 1973. Lenjingrad dobio sopstvenu nuklearnu elektranu.

Međutim, sovjetska vlast nije bila jedina u svijetu koja je mogla razviti takve projekte. U Velikoj Britaniji također nisu spavali i, shvativši obećanje ovog područja, aktivno su proučavali ovo pitanje. Samo dvije godine kasnije, nakon otvaranja stanice u Obninsku, Britanci su pokrenuli vlastiti projekat razvoja mirnog atoma. Britanci su 1956. godine u gradu Calder Hall pokrenuli sopstvenu stanicu, čija je snaga premašila njen sovjetski kolega i iznosila je 46 MW. Nisu zaostajali ni s druge strane Atlantika, godinu dana kasnije, Amerikanci su svečano pustili u rad stanicu u Shippingportu. Kapacitet objekta bio je 60 MW.

Međutim, razvoj mirnog atoma bio je pun skrivenih prijetnji za koje je ubrzo saznao cijeli svijet. Prvi znak je bila velika nesreća na Ostrvu Tri milje koja se dogodila 1979. godine, a nakon nje je usledila katastrofa koja je zadesila ceo svet, u Sovjetskom Savezu, u malom mestu Černobil, dogodila se katastrofa velikih razmera, ovo se desilo 1986. godine. Posljedice tragedije bile su nepopravljive, ali osim toga, ova činjenica je navela cijeli svijet na razmišljanje o izvodljivosti korištenja nuklearne energije u miroljubive svrhe.

Svjetski lideri u ovoj industriji ozbiljno razmišljaju o poboljšanju sigurnosti nuklearnih objekata. Rezultat je bio održavanje konstitutivne skupštine, koja je organizovana 15. maja 1989. godine u sovjetskoj prestonici. Skupština je odlučila da osnuje Svetsko udruženje, koje bi trebalo da uključi sve operatere nuklearnih elektrana, njegova opštepriznata skraćenica je WANO. Organizacija u toku realizacije svojih programa sistematski prati poboljšanje nivoa sigurnosti nuklearnih elektrana u svijetu. Međutim, i pored svih uloženih napora, ni najmoderniji i na prvi pogled naizgled sigurni objekti ne mogu izdržati navalu stihije. Upravo zbog endogene katastrofe, koja se manifestirala u vidu zemljotresa i cunamija koji je uslijedio, dogodila se nesreća na stanici Fukushima-1 2011. godine.

Atomsko zamračenje

NPP klasifikacija

Nuklearne elektrane se klasificiraju prema dva kriterija: vrsti energije koju proizvode i vrsti reaktora. U zavisnosti od tipa reaktora, određuje se količina proizvedene energije, nivo sigurnosti, kao i vrste sirovina koje se koriste u stanici.

Prema vrsti energije koju stanice proizvode, dijele se na dvije vrste:

Njihova glavna funkcija je stvaranje električne energije.

Nuklearne termoelektrane. Zbog instaliranih instalacija grijanja, korištenjem toplinskih gubitaka koji su neizbježni na stanici, postaje moguće zagrijavanje vode iz mreže. Tako, pored električne energije, ove stanice proizvode i toplotnu energiju.

Nakon što su ispitali mnoge opcije, naučnici su došli do zaključka da su najracionalnije tri njihove varijante, koje se trenutno koriste u cijelom svijetu. Razlikuju se na više načina:

Koristi se gorivo;
Korištene rashladne tekućine;
Aktivne zone koje rade za održavanje potrebne temperature;
Tip moderatora koji smanjuje brzinu neutrona koji se oslobađaju tokom raspada i koji su toliko neophodni da podrže lančanu reakciju.

Najčešći tip je reaktor koji koristi obogaćeni uranijum kao gorivo. Ovdje se kao rashladno sredstvo i moderator koristi obična ili lagana voda. Takvi reaktori se nazivaju reaktori lake vode; U prvom, para koja se koristi za okretanje turbina stvara se u jezgru zvanom reaktor s kipućom vodom. U drugom, stvaranje pare se događa u vanjskom krugu, koji je povezan s prvim krugom preko izmjenjivača topline i generatora pare. Ovaj reaktor je počeo da se razvija pedesetih godina prošlog veka, a osnova za njih bio je program američke vojske. Paralelno, otprilike u isto vrijeme, Unija je razvila reaktor s ključanjem, u kojem je grafitna šipka djelovala kao moderator.

Upravo je tip reaktora sa moderatorom ovog tipa našao primenu u praksi. Govorimo o gasnom hlađenom reaktoru. Njegova historija je započela kasnih četrdesetih i ranih pedesetih godina 20. stoljeća u početku, razvoj ovog tipa korišten je u proizvodnji nuklearnog oružja. U tom smislu, za njega su pogodne dvije vrste goriva: plutonijum za oružje i prirodni uranijum.

Posljednji projekat koji je postigao komercijalni uspjeh bio je reaktor koji koristi tešku vodu kao rashladno sredstvo i prirodni uranijum, koji nam je već poznat, kao gorivo. U početku je nekoliko zemalja projektovalo takve reaktore, ali je na kraju njihova proizvodnja koncentrisana u Kanadi, što je posledica prisustva masivnih nalazišta uranijuma u ovoj zemlji.

Torijumske nuklearne elektrane - energija budućnosti?

Povijest poboljšanja tipova nuklearnih reaktora

Reaktor prve nuklearne elektrane na planeti bio je vrlo razuman i održiv dizajn, što se dokazalo tokom višegodišnjeg besprijekornog rada stanice. Među njegovim sastavnim elementima bili su:

bočna zaštita od vode;
zidano kućište;
potkrovlje;
sabirni razdjelnik;
kanal za gorivo;
gornja ploča;
grafitno zidanje;
donja ploča;
razdjelnik.

Nehrđajući čelik je izabran kao glavni konstrukcijski materijal za školjke gorivih šipki i tehnološke kanale u to vrijeme, nije bilo znanja o legurama cirkonija koje bi mogle imati svojstva pogodna za rad na temperaturama od 300°C. Hlađenje takvog reaktora je vršeno vodom, a pritisak pod kojim je isporučen bio je 100 at. U ovom slučaju je ispuštena para sa temperaturom od 280°C, što je prilično umjeren parametar.

Kanali nuklearnog reaktora projektirani su tako da se mogu u potpunosti zamijeniti. To je zbog ograničenja resursa, koje je određeno vremenom kada gorivo ostaje u zoni aktivnosti. Projektanti nisu našli razloga da očekuju da će konstruktivni materijali koji se nalaze u zoni aktivnosti pod zračenjem moći da iscrpe cijeli vijek trajanja, odnosno oko 30 godina.

Što se tiče dizajna TVEL-a, odlučeno je da se usvoji cevasta verzija sa jednosmjernim mehanizmom hlađenja

Ovo je smanjilo vjerovatnoću da će proizvodi fisije ući u krug u slučaju oštećenja gorivih šipki. Za regulaciju temperature omotača gorivnog elementa korištena je gorivna kompozicija legure uranij-molibden, koja je imala oblik zrna dispergiranih kroz matricu tople vode. Ovako obrađeno nuklearno gorivo omogućilo je dobijanje visoko pouzdanih gorivih šipki. koji su bili sposobni da rade pod visokim toplotnim opterećenjima.

Primjer sljedećeg kruga razvoja miroljubive nuklearne tehnologije može biti zloglasna nuklearna elektrana Černobil. U to vrijeme, tehnologije korištene u njegovoj izgradnji smatrane su najnaprednijim, a tip reaktora je bio najmoderniji na svijetu. Riječ je o reaktoru RBMK-1000.

Toplotna snaga jednog takvog reaktora dostigla je 3200 MW, dok ima dva turbogeneratora, čija električna snaga dostiže 500 MW, tako da jedan agregat ima električnu snagu od 1000 MW. Kao gorivo za RBMK korišten je obogaćeni uran-dioksid. U početnom stanju prije početka procesa, jedna tona takvog goriva sadrži oko 20 kg goriva, odnosno uranijuma - 235. Uz stacionarno punjenje uranijum dioksida u reaktor, masa tvari je 180 tona.

Ali proces utovara ne predstavlja masu gorivih elemenata, koji su nam već dobro poznati, postavljeni u reaktor. U suštini, to su cijevi napravljene od legure cirkonijuma. Kao sadržaj sadrže tablete uran dioksida, koje imaju cilindrični oblik. U zoni aktivnosti reaktora postavljeni su u gorivne sklopove, od kojih svaki kombinuje 18 gorivih šipki.

U takvom reaktoru ima do 1.700 takvih sklopova, a smješteni su u grafitni stog, gdje su vertikalni tehnološki kanali dizajnirani posebno za te svrhe. U njima cirkuliše rashladna tečnost, čiju ulogu u RMBK-u igra voda. Vodeni vrtlog nastaje pod uticajem cirkulacionih pumpi, kojih je osam. Reaktor se nalazi unutar okna, a grafički zid je smješten u cilindričnom kućištu debljine 30 mm. Nosač čitavog aparata je betonska podloga, ispod koje se nalazi bazen – balon, koji služi za lokalizaciju udesa.

Treća generacija reaktora koristi tešku vodu

Glavni element je deuterijum. Najčešći dizajn se zove CANDU, razvijen je u Kanadi i široko se koristi u cijelom svijetu. Jezgra takvih reaktora nalazi se u horizontalnom položaju, a ulogu grijaće komore imaju cilindrični rezervoari. Kanal za gorivo se proteže preko cijele komore za grijanje, svaki od ovih kanala ima dvije koncentrične cijevi. Postoje vanjske i unutrašnje cijevi.

U unutrašnjoj cijevi gorivo je pod pritiskom rashladne tekućine, što omogućava dodatno punjenje reaktora gorivom tokom rada. Teška voda formule D20 koristi se kao usporivač. Tokom zatvorenog ciklusa, voda se pumpa kroz cijevi reaktora koji sadrže snopove goriva. Nuklearna fisija proizvodi toplotu.

Ciklus hlađenja kod upotrebe teške vode sastoji se od prolaska kroz generatore pare, gdje obična voda ključa od topline koju stvara teška voda, što rezultira stvaranjem pare koja izlazi pod visokim pritiskom. Distribuira se nazad u reaktor, što rezultira zatvorenim ciklusom hlađenja.

Na tom putu došlo je do postepenog poboljšanja tipova nuklearnih reaktora koji su se koristili i koriste se u raznim zemljama širom svijeta.