Топливоэнергетический комплекс (ТЭК).

Энергоресурсы

Энергия - способность тел совершать работу. Физической основой энергетической техники является движение, переходящее из одной формы в другую.

Под энергетической техникой понимают совокупность средств производства, преобразования, передачи и распределения между потребителями различных форм энергии.

Качественные ступени развития энергетики можно представить в следующем виде:

1. Биоэнергетика — использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека и животных.

2. Механическая энергетика — использование механической энергии потоков воды и воздуха.

3. Теплоэнергетика — использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4. Современная комплексная энергетика — преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной — электрической энергии.

5. Атомная энергетика — использование энергии ядерных реакций.

6. Термоядерная энергетика — использование реакции синтеза лёгких ядер с образованием более тяжёлых.

7. Использование нетрадиционных видов энергии: солнечной, приливов и отливов, МГД-генераторов и т.д.

Энергетические ресурсы — это различное ископаемое топливо: твёрдое (уголь, торф, горючие сланцы), жидкое (нефть, мазут), газообразное (природный газ, доменный газ), водные ресурсы (реки), а также нетрадиционные виды энергии: солнечная, ветровая, геотермальная и т.д.). Ископаемое топливо является невозобновляемыми ресурсами, а такие виды энергии, как солнечная, ветровая, а также энергия рек являются возобновляемыми ресурсами.

К возобновляемым источникам энергии условно относят источники энергии, которые в обозримом будущем, исчисляемым тысячелетиями, неиссякнут. К таким источникам энергии относят энергию рек, морей и океанов, солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биоэнергию и др.

К невозобновляемым источникам энергии относят источники энергии, которые после преобразования их в иной вид энергии теряют возможность последующего использования. К таким источникам энергии относят ископаемые органические виды топлив (торф, уголь, горючие сланцы, нефть и продукты ее переработки, природный и искусственный газ, ядерное топливо и др.).

К традиционным источникам энергии относят источники энергии, которые используются для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках - котельных установках, тепловых, атомных и гидравлических электростанциях.

К таким источникам энергии относят торф, уголь, газ, мазут, ядерное топливо, а также возобновляемый природой источник энергии - гидравлическая энергия рек.

К нетрадиционным источникам энергии относят источники энергии, которые не являются общепринятыми для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках. К таким источникам энергии относят энергию ветра, солнца, земли, морей и океанов и др. К нетрадиционной энергетике относят также водородную энергетику, биоэнергетику, энергетику вторичных ресурсов.

 

Водяной пар

К реальным газам в технической термодинамике принято относить перегретые пары некоторых жидкостей. В отличие от воображаемого идеального газа реальный газ пи соответствующих условиях может быть сжижен, то есть сконденсирован, или же переведён в твёрдое состояние. В технике широко применяют пары различных веществ: воды, аммиака, хлористого метила, сернистого ангидрида и другие.

Водяной пар применяется в различных состояниях в весьма широком диапазоне давлений и температур и часто переходит в жидкое состояние (в конденсат). В этих условиях нельзя пренебрегать в расчётах силами сцепления и объёмом молекул, так как это привело бы к значительным погрешностям. Поэтому к водяному пару нельзя применять законы идеальных газов и соответственно, нельзя применять к нему характеристическое уравнение идеального газа рv=RT. В этих состояниях водяной пар рассматривают как реальный газ.

При различных расчётах и изучении процессов, протекающих в водяном паре, используются таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Разделение вещества на газ и пар условно, так как между ними не существует какой-либо границы. Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость.

Пар можно получать двумя способами: при испарении и при кипении.

Пар, образующийся из кипящей жидкости, называется насыщенным. Это значит, что в закрытом сосуде число молекул пара, поступающих в пространство над кипящей жидкостью, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость.

Смесь пара и жидкости (двухфазовая система) называется влажным насыщенным паром.

Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением р и степенью сухости х или температурой кипения 1;_н и степенью сухости х.

Степенью сухости называется массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре. Для сухого пара х=1, для кипящей жидкости х=0.

Массовая доля жидкости, содержащейся во влажном паре, называется степенью влажности и обозначается 1-х.

Если при постоянном давлении к кипящей жидкости подвести необходимое количество теплоты для испарения всей жидкости, то в момент исчезновения последних капель жидкости (воды) получим сухой насыщенный пар при температуре кипения (насыщения) 1;_н. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или температурой насыщения 1;_н. Все параметры сухого насыщенного пара обозначаются соответствующими буквами с двумя штрихами, например, удельный объём v^//, энтальпии h^// и т.д.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то он становится перегретым. Перегрев является третьей стадией процесса парообразования, сопровождающейся повышением температуры пара и увеличением его удельного объёма.

Таким образом, перегретым называется пар, имеющий температуру выше температуры кипения жидкости, из которой он получился

Фазовый переход вещества из жидкого состояния в состояние пара называется парообразованием, а из парового состояния в жидкое — конденсацией.

Парообразование, происходящее только на свободной поверхности жидкости, называется испарением, а парообразование, происходящее не только на поверхности жидкости, но и внутри, во всей её толще, — кипением.

Состояние сухого насыщенного пара крайне неустойчиво, так как даже при самом незначительном подводе или отводе теплоты он превращается либо в перегретый, либо во влажный насыщенный пар. В присутствии жидкости пар может быть только влажным насыщенным. При подводе к нему теплоты без присутствия жидкости он подсушивается и, только после того как степень сухости становится равной единице, начинается его перегрев.

 

ГЭС

Гидроэлектростанции на реках имеют различные размеры и обычно подпадают под один из следующих видов:

• плотинные ГЭС;

• русловые ГЭС; или

• гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Все они используют турбины для выработки электроэнергии при движении воды. На вид выбираемого объекта обычно влияют вопросы технической пригодности (например, особенности рельефа и водообеспеченность) и вида вырабатываемого электричества (базовая или пиковая нагрузка).

Русловые ГЭС вырабатывают гидроэлектроэнергию для немедленной передачи и/или потребления с ограниченной возможностью или без возможности хранения. Хранение, которое доступно в ограниченном виде, называется «водохранилищем». Станции без водохранилища обычно служат в качестве пиковых электростанций, а станции с водохранилищем могут служить либо базовыми, либо пиковыми генераторами.

Русловые ГЭС идеально подходят для рек с минимальным стоком в сухую погоду или регулируемых большими по размеру плотинами при наличии водохранилища, расположенного вверх по течению.

Принцип рработы плотинных ГЭС основан на хранении воды в водохранилищах, которая может быть спущена для выборочного электроснабжения. Когда затворы плотины открываются, сила притяжения тянет воду через «напорный водовод» (канал между резервуаром и турбиной). Плотины увеличивают давление потока посредством наращивания хранимого объема воды. Спущенная вода проходит через «напорный водовод». Как только вода проходит через турбину, она возвращается в реку вниз по течению.

Рис 6.1- Схема плотины гидроэлектростанции

в верхний бассейн; при наличии спроса вода спускается обратно в нижний бассейн, вращая турбину.

Гидроаккумулирующие электростанции используются в основном для выработки электроэнергии в периоды максимального спроса. Такие схемы в настоящее время обеспечивают наиболее коммерчески важную крупномасштабную систему накопления энергии и улучшение суточного коэффициента нагрузки энергосистемы.

Рис\ 6.2. Схема гидроаккумулирующей электростанции

 

Таблица! - Виды ГЭС в зависимости от размера и использования энергии Размер «пико» «микро» Малые большие Мощность <5 кВт <100 кВт <10МВт 10МВт-10ГВт или более Вид Русловые С небольшим бассейном С небольшим водохранилищем Плотинные Использовани е Электроэнергия для одного или нескольких хозяйств (лампочки, телевизоры, радиоприемники)без подключения к сети Электроэнергия для хозяйственных нужд с возможностью использования в сельской местности, без подключения к сети (Часто подключена к сети). Электроэнергия для небольшого жилого комплекса или маломасштабного промышленного использования Выработка энергии на уровне коммунального предприятия

 

Гидроэлектроэнергия образуется, когда вода проходит через турбину, приводя в движение генератор. Во время этого процесса энергия воды передается турбине, так как она вызывает крутящий момент через вращательное движение воды вокруг турбины. Гидравлические турбины имеют ряд лопастей, установленных на вращающемся валу или на вращающейся пластине. Водяная струя бьет в лопасть турбины, которая присоединена к генератору с помощью вала, и поворачивает их. Этот импульс переносится непосредственно или через редуктор на вал генератора. Как и в любых других электростанциях, электроэнергия распределяется в места спроса посредством линий электропередач.

10. Классификация гидравлических турбин для ГЭС

 

Турбины классифицируются в зависимости от направления потока воды или изменения давления.

В зависимости от направления потока, гидравлические турбины можно разделить на:

^ Осевой поток (например, турбина Каплана): направление потока в основном параллельно оси вращения;

^    Радиальный поток: направление потока относительно плоскости в основном

перпендикулярно оси вращения; и

> Смешанный поток (например, поток Френсиса): важный компонент как осевых, так и радиальных потоков.

^ Однако, турбины всегда сочетают в себе элементы осевых и радиальных потоков.

В зависимости от изменения давления воды различают турбины реакции и турбины импульса.

> Большинство гидравлических турбин являются реактивными турбинами и подходят для низкой (<25-30м) и средней (30-300м) высоты напора.

> Импульсные турбины обычно используются в случае большой (>300м) высоты напора.

Выбор наиболее подходящей турбины в определенных случаях зависит от высоты напора и расхода воды, а также от размеров установки.

График применения турбины

						График применения турбины
	lOOO -
		1 оо - |1 do | 10 -
			1                                      10 Расход воды (г^/с) 100                                   10ОО

 

 

В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные.

Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые-пропеллерные, диагональные, поворотно-лопастные ^турбина Каплана^ и радиально-осевые турбины (турбина Френсиса).

В класс активных турбин входят системы: ковшовых ^турбина ПелтонаА наклонно­струйных турбин и турбин двойного действия.

Каждая система турбин содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все турбины условно делятся на: низко-, средне- и высоконапорные. Низконапорными принято считать турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25< =Н< =80 м и высоконапорными при Н>80 м.

Турбины подразделяются на: малые, средние и крупные.

К малым турбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса Dj<=1,2 м при низких напорах и Dj<=0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним — те турбины, у которых 1,2<=D₁<=2,5 м при низких напорах и 0,5<=D₁<=1,6м при высоких, а мощность 1000 <N<=15000 кВт.

К крупным турбинам относятся те, которые имеют D₁ и N₁ больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.

Таблица 3. Применение гидротурбин в соответствия с напорами   Диапазон т т Единичная Диаметр турбины Типы гидротурбин максимальная максимальный напоров Н, м мощность N, Мет di, М Реактивные гидротурбины       Осевые капсульные, трубчатые 2—20 До 50 8 и другие гидроагрегаты     Вертикальные поворотно- 6-80 250 10,5 лопастные турбины Пропеллерные 6—80 150 9 Двухперовые 30—100 250 8 Диагональные 30—200 300 8 Радиально осевые 30—700 800 10 Обратимые       Осевые 2-15 30 8 Диагональные 20—100 300 7,5 Радиально-осевые 30—600 450 9,5 одноступенчатые     Активные гидротурбины       Ковшовые 300—2000 350 7, 5 Наклонно- струйные 50—400 50 4 Двукратные 10—100     «Сфиндекс» 200-1500

 

Оборудование ГЭС

 

Гидросиловое оборудование - это гидротурбины и гидрогенераторы (на ГАЭС - обратимые гидромашины и двигатель-генераторы).

Вспомогательное оборудование необходимо для обеспечения работы гидросилового оборудования. К нему относятся системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, осушения и т.п.

Механическое оборудование включает в себя затворы, сороудерживающие решетки, грузоподъемные механизмы, краны для обслуживания гидротурбин и гидрогенераторов.

Электротехническое оборудование - электрическая часть генераторов, повышающие трансформаторы, коммутационная аппаратура: шинные, воздушные и кабельные токопроводы, система релейной защиты, автоматики, телеуправления, связи.

Кроме этих главных видов оборудования для нормального функционирования ГЭС необходимо санитарно-техническое оборудование, обеспечивающее отопление, вентиляцию, пожаротушение, водоснабжение и канализацию.

Гидравлическая турбина (гидротурбина) - это двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения. Турбина служит приводом для электрического генератора (гидрогенератора). Роторы гидротурбины и гидрогенератора, как правило, посажены на единый вал, имеющий общую систему опор вращающихся частей. Такое объединение образует сложную машину, называемую гидроагрегатом.

Гидрогенератор - это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую.

На ГЭС применяются в качестве генераторов синхронные машины трехфазного переменного тока.

Ремонтные затворы устанавливают при выравненных уровнях воды перед затвором и за ним для перекрытия отверстий с последующим осушением водоводов при плановых ремонтах.

Для перекрытия высоких отверстий используют секционные затворы, состоящие из отдельных секций, соединяемых сцепами при опускании затвора.

Электрическое оборудование ГЭС

На состав и размещение электрического оборудования большое влияние оказывает главная схема электрических соединений, которая выбирается в зависимости от числа и мощности гидроагрегатов и должна обеспечивать надежность энергоснабжения, а также возможность вывода в ремонт части оборудования ГЭС.

На крупных многоагрегатных ГЭС применяют блочные схемы, при которых генератор работает на отдельный повышающий трансформатор. На ГЭС с гидроагрегатами небольшой мощности применяют групповые схемы, при которых два или несколько генераторов выдают мощность на один трансформатор, образуя вместе с ним укрупненный электрический блок. От трансформатора ток повышенного напряжения подается на открытое распределительное устройство (ОРУ), от которого отходят линии электропередачи. К системе генераторного напряжения подключаются понижающие трансформаторы собственных нужд, от которого питаются потребители вспомогательных систем самой ГЭС.

Таким образом, электрооборудование можно условно разделить на три группы по рабочему напряжению:

S оборудование генераторного напряжения (6,3 - 15,7 кВ),

S повышенного напряжения (35 - 750 кВ)

S пониженного напряжения (0,38 - 6,3 кВ).

Для выполнения переключений, а также отключения части схемы в случае аварии применяется коммутационная аппаратура - выключатели и разъединители. Выключатели способны разрывать цепи при протекании по ним не только рабочего тока, но и во много раз превосходящего его тока короткого замыкания, возникающего при аварии. При разрыве мощной электрической цепи образуется сильная дуга, которую необходимо гасить принудительно. Это делается или в среде трансформаторного масла (масляные выключатели), или мощной струей сжатого воздуха (воздушные выключатели). Разъединители отключают цепи под напряжением, но лишь после снятия с них токовой нагрузки. Выключатели и разъединители генераторного напряжения объединяются в комплектные распределительные устройства (КРУ), размещаемые в помещениях ГЭС.

Генераторы, трансформаторы и коммутационные аппараты соединяются токопроводами. На генераторном напряжении применяют алюминиевые или медные шины, прокладываемые на изоляторах в шинных коридорах. Такой способ прокладки в последнее время почти полностью вытеснен в связи с появлением экранированных шинопроводов, в которых шины размещаются на изоляторах внутри защитного корпуса из дюралюминиевых труб диаметром 700 - 800 мм (для каждой фазы отдельная труба). Трубы заземляются, и поэтому шинопроводы не представляют опасности для людей, что позволяет располагать их без ограждений в помещениях ГЭС.

Высоковольтные выводы от повышающих трансформаторов на ОРУ могут быть воздушными. Они выполняются из сталеалюминиевых проводов, натянутых между металлическими опорами, расположенными на ГЭС и на берегу. Провода подвешиваются к опорам с помощью гирлянд изоляторов. На напряжение 500 кВ и выше каждая фаза во избежание больших потерь на коронный разряд выполняется из трех проводов. Пролеты воздушных переходов достигают 1000 м, натяжения в проводах измеряются десятками тонн. Безопасные расстояния от токоведущих частей выводов до заземленных конструкций зданий составляет 0,9 м при напряжении 110 кВ, 1,8 м при напряжении 220 кВ и 3,75 м при напряжении 500 кВ; до габаритов кранов - соответственно 1,65; 2,5; 4,5; до крыш и до земли 3,6; 4,5; 6,45 м.

В тех случаях, когда по условиям компоновки затруднено устройство воздушных выводов, применяют кабельные высоковольтные выводы. Высоковольтный кабель 500 кВ состоит из стальной трубы диаметром 273 мм, заполненной специальным кабельным маслом под давлением до 1,4 МПа. В трубе проложены в специальной изоляции токоведущие жилы трех фаз. Кабельные выводы дороже воздушных и сложнее в эксплуатации. Применяются также газонаполненные (элегазовые) высоковольтные линии, в которых в качестве изоляционного материала, заполняющего трубу каждой фазы, применен специальный газ - шестифтористая сера.

Высоковольтные выводы от повышающих трансформаторов на ОРУ могут быть воздушными. Они выполняются из сталеалюминиевых проводов, натянутых между металлическими опорами, расположенными на ГЭС и на берегу. Провода подвешиваются к опорам с помощью гирлянд изоляторов. На напряжение 500 кВ и выше каждая фаза во избежание больших потерь на коронный разряд выполняется из трех проводов. Пролеты воздушных переходов достигают 1000 м, натяжения в проводах измеряются десятками тонн. Безопасные расстояния от токоведущих частей выводов до заземленных конструкций зданий составляет 0,9 м при напряжении 110 кВ, 1,8 м при напряжении 220 кВ и 3,75 м при напряжении 500 кВ; до габаритов кранов - соответственно 1,65; 2,5; 4,5; до крыш и до земли 3,6; 4,5; 6,45 м.

В тех случаях, когда по условиям компоновки затруднено устройство воздушных выводов, применяют кабельные высоковольтные выводы. Высоковольтный кабель 500 кВ состоит из стальной трубы диаметром 273 мм, заполненной специальным кабельным маслом под давлением до 1,4 МПа. В трубе проложены в специальной изоляции токоведущие жилы трех фаз. Кабельные выводы дороже воздушных и сложнее в эксплуатации. Применяются также газонаполненные (элегазовые) высоковольтные линии, в которых в качестве изоляционного материала, заполняющего трубу каждой фазы, применен специальный газ - шестифтористая сера.

Оборудование технического водоснабжения состоит из водоприемников, устраиваемых в бычках, устоях, стенках спиральных камер; фильтров, насосов или эжекторов, трубопроводов, подводящих воду к кольцевым коллекторам гидроагрегатов и другим потребителям. Отработанная подогретая вода сбрасывается в нижний бьеф. Применяются централизованные схемы (от одной насосной установки вода магистральными трубопроводами разводится по зданию ГЭС), а также индивидуальные или групповые схемы (один или группа гидроагрегатов имеют обособленную систему со своими водоприемниками и насосами).

При ремонтах проточная часть гидроагрегата, отделенная от бьефов ремонтными затворами, должна быть осушена. Для этого на ГЭС предусматриваются насосные установки, позволяющие осушить проточную часть гидроагрегата не более чем за 4 ч.

На многоагрегатных ГЭС (особенно возведенных на нескальном основании), имеющих развитый массив фундаментальной плиты, часто применяют схему осушения с использованием сборной потерны, проходящей через все здание ГЭС, к которой подведены трубопроводы от всех отсасывающих труб. Вода из спиральных камер сливается либо в отсасывающие трубы, либо в потерну. Трубопроводы перекрываются клапанами с гидроприводом или задвижками, устанавливаемыми в сухой потерне. При необходимости осушения какого-либо гидроагрегата открывают клапаны, и вода устремляется в потерну, что обеспечивает быстрое снижение уровня воды в проточной части гидроагрегата и прижатие уплотнений затворов. После заполнения потерны включаются насосы, расположенные в устое здания ГЭС, и вода откачивается в нижний бьеф.

При осушении проточной части гидроагрегата вместо воды поступает воздух по аэрационным трубам. Такими же трубами оборудуется потерна. Аэрационные трубы выводятся выше уровней бьефов и рассчитываются исходя из максимальной скорости воздуха в них 40 -

50 м/с.

Для работы оборудования ГЭС требуется сжатый воздух различного давления. Источником высокого давления (7 МПа) служат компрессоры, создающие запас воздуха в воздухосборниках (ресиверах). Рабочее давление для МНУ (4 МПа) и для воздушных выключателей (2 МПа), а также низкое давление для торможения гидроагрегата и технических нужд (0,8 МПа) создается редуцированием воздуха через электромагнитные перепускные клапаны, включающиеся от электроконтактных манометров при снижении давления в воздухосборниках (до 4 и 0,8 МПа) и в сети (до 2 МПа). Редуцирование в результате термодинамического процесса воздуха сопровождается его осушением, что необходимо для нормальной работы аппаратуры. Системы высокого и низкого давления могут разделяться и обслуживаться также разными компрессорами. Отдельную воздушную систему устраивают для отжима воды из камеры рабочего колеса при переводе гидроагрегата в режим синхронного компенсатора. Принцип работы системы состоит в том, что воздух, сжатый до некоторого давления в воздухосборнике, быстро выпускается в камеру рабочего колеса, вращающегося на холостом ходу при закрытом направляющем аппарате. Образующаяся воздушная подушка понижает уровень воды в камере и обеспечивает вращение рабочего колеса гидроагрегата, переведенного в двигательный режим, без потерь на трение об воду.

В качестве воздухосборников кроме обычных конструкций могут использоваться полости в бетоне, облицованные металлом, или длинные трубы диаметром 1,5 - 3 м.

АЭС

Вещество, выделяющее энергию деления ядра атома, называют условно ядерным горючим (топливом). В настоящее время имеются два класса тепловых электростанций - на органическом и ядерном топливе (горючем).

Ядерным горючим служит большей частью природный уран U-238, обогащённый ураном U-235, содержание которого в природном уране составляет менее 1%. Ядра урана U-235 обладают способностью самопроизвольного деления, сопровождающегося выделением «быстрых» нейтронов и большого количества тепла.

Скорость быстрых нейтронов составляет 10000 км/с. Главная особенность ядерного горючего, используемого на атомных электростанциях, состоит в его высокой «калорийности», что позволяет свести к минимуму транспортные расходы, связанные с доставкой топлива. Из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля.

Атомные электростанции имеют большое преимущество перед тепловыми в отношении сохранения чистоты атмосферного воздуха, так как они работают без выброса золы, вредных сернистых газов и окислов азота. Быстрое развитие атомной энергетики стало возможным благодаря большому размаху работ по ядерной физике.

Ядерная энергетика обязана своим появлением в первую очередь природе открытого в 1932 году нейтрона. Нейтроны входят в состав всех ядер, кроме ядра водорода. Связанные нейтроны в ядре существуют бесконечно долго. В свободном виде они недолговечны, так как или распадаются с периодом полураспада 11,7 минут, превращаясь в протон и испуская при этом электрон и нейтрино, или быстро захватываются ядрами атомов. По значению энергии нейтронов их подразделяют на тепловые, промежуточные и быстрые.

Тепловыми называют такие нейтроны, скорость которых равна скорости их теплового движения, устанавливающейся при тепловом равновесии со средой.

Самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов состоит в том, что при присоединении нейтрона к ядру образуется возбуждённое ядро, которое может оказаться столь неустойчивым, что распадается на два осколка, то есть ядра более мелких элементов. При этом испускается два или три новых нейтронов, вызывающих деление следующих ядер. Осколки деления — это изотопы элементов, расположенных в средней части периодической системы Менделеева.

Устройство, в котором энергия деления ядер атома используется в виде тепловой энергии, называется ядерным реактором. В настоящее время на атомных электростанциях используют преимущественно реакторы на тепловых нейтронах. В этих реакторах первоначальную скорость нейтронов при выделении из ядра атомов снижают, применяя замедлители, которыми служат вещества, с небольшим молекулярным весом: обычная вода Н₂О, тяжёлая вода Б₂О, углерод С в виде графита и другие. Тяжёлую воду добывают из обычной, в которой она содержится в очень небольшом количестве, путём сложного процесса, связанного с большими затратами энергии. Поэтому стоимость тяжёлой воды очень высока.

Недостатком ядерных реакторов на тепловых нейтронах является недостаточно полное использование ядерного топлива. Поэтому более широкое применение на атомных электростанциях получат ядерные реакторы на быстрых нейтронах, так называемые реакторы- размножители, в которых неактивные природные элементы преобразуются в активные изотопы, например, U-238 в плутоний Ри-239, торий Th-232, уран U-233, при одновременном выделении энергии, преобразуемой в электрическую. Недостатком ядерных реакторов на тепловых нейтронах является недостаточно полное использование ядерного топлива.

Рассмотрим схему реакции деления ядер урана.

Рисунок 7.1.

 

 

Тепловые схемы АЭС

Тепловые схемы АЭС: одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные. Основное энергетическое оборудование АЭС:                                    атомные реакторы типа РБМК, ВВЭР, БН.

Высокотемпературные газоохлаждающие реакторы (ВТГР). Парогенераторы, турбины, промежуточные сепараторы АЭС. Особенности паротурбинного цикла АЭС.

       АЭС на тепловых нейтронах

На современных атомных электростанциях управляемая реакция деления ядер осуществляется в ядерных энергетических реакторах на тепловых нейтронах. Основными элементами реактора на тепловых нейтронах (рис.8.1) являются тепловыделяющие

 

1-тепловыделяющие элементы; 2-замедлитель; 3-отражатель; 4-корпус реактора; 5- бетонная защита; 6-вход теплоносителя; 7-регулирующие стержни; 8-выход теплоносителя.

ТВЭЛ представляет собой заполненную ядерным топливом коррозионноустойчивую защитную трубку-оболочку небольшого диаметра из специальных сплавов. Между ТВЭЛами находится замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы и осуществляющей таким образом отвод тепла из активной зоны. Функции замедлителя и теплоносителя может выполнять одно и то, же вещество, например обычная или тяжелая вода. Для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны ее окружают отражателем, выполненным из того же материала, что и замедлитель. Часть нейтронов, вылетающих из активной зоны, сталкивается с ядрами отражателя и возвращается в активную зону.

Окруженная отражателем нейтронов активная зона помещается в корпусе реактора, снабженном бетонной биологической защитой от радиоактивных излучений, возникающих в процессе ядерных реакций. Бетон содержит до 10% (по массе) физически связанных молекул воды и замедляет быстрые нейтроны, а затем поглощает их. Роль защиты в реакторе выполняют также отражатель и стенки корпуса реактора. Толщина бетонной защиты выбирается такой, чтобы проходящие через нее радиоактивные излучения не превышали специально установленных норм. В допустимых дозах они не опасны, как не опасны слабые радиоактивные излучения, при­ходящие на землю из космоса.

235

Около 40% всех рожденных при делении ядер U нейтронов полезно поглощается

235                                                                                          238

другими ядрами U, не менее 50% неизбежно поглощается в инертном U, в замедлителе, теплоносителе и конструкционных материалах, расположенных в активной зове. При этом на утечку наружу может приходиться не более 10% общего числа рожденных нейтронов. Если

объем активной зоны относительно мал, то утечка нейтронов превышает «допустимую» и

235

самоподдерживающаяся реакция деления ядер U не происходит.

С ростом объема активной зоны утечка нейтронов относительно уменьшается. При вполне определенном ее объеме, когда достигается вышеназванный баланс нейтронов, начинается

235

самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер U. Этот объем называется критическим, а соответствующая ему масса топлива - критической массой. Однако реактор с загрузкой, равной критической, длительно работать не может поскольку в процессе работы топливо выгорает. Поэтому в действительности загрузка реактора в несколько десятков раз превышает критическую, но при этом для обеспечения требуемого баланса нейтронов в активную зону реактора вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней из карбида бора. Такие стержни называются компенсирующими, поскольку они компенсируют дополнительную загрузку топлива или, по специальной терминологии, избыточную реактивность реактора.

При работе реактора по мере выгорания топлива компенсирующие стержни постепенно выводятся из активной зоны и таким образом реактор непрерывно поддерживается в критическом состоянии. Один из стержней используют также для регулирования мощности реактора, т. е. для поддержания ее на заданном уровне.

Существующие конструкции реакторов на тепловых нейтронах во многом определяются тем, какие вещества используются в качестве замедлителя и теплоносителя.

На АЭС в качестве замедлителей используют обычную воду и графит, а в качестве теплоносителя обыкновенную воду. Это и определило два типа ядерных реакторов:

> водо-водяные реакторы, в которых вода является и замедлителем и теплоносителем

> уран-графитовые реакторы, в которых замедлителем является графит, а теплоносителем вода.

К первому типу относятся реакторы марки ВВЭР. Активная зона реактора представляет собой емкость, заполненную водой с погруженными в нее сборками тепловыделяющих элементов. Реакторы этого типа выполняются по двухконтурной схеме (рис. 8.2).

В двухконтурной схеме теплоноситель и рабочее тело-пар движутся по самостоятельным контурам (соответственно первому и второму), общим элементом которых является парогенера­тор. Нагретый в реакторе теплоноситель поступает в парогенератор (теплообменник), отдает теплоту рабочему телу и циркуляционным насосом снова возвращается в реактор. Полученный в парогенераторе пар подается в турбину, совершает в ней работу, затем конденсируется в конденсаторе, а конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Таким образом, радиоактивный контур теплоносителя включает не все оборудование станции, а лишь его часть.

Рис. 8.2. Схема АЭС с реактором типа ВВЭР:

 

1-реактор; 2-парогенератор; 3-паровая турбина; 4- генератор; 5-конденсатор; 6-циркуляционный насос; 7- питательный насос.

Энергоблоки с реакторами ВВЭР-440 первого поколения введены в эксплуатацию в 1972 году. В 1980 году на Нововоронежской АЭС был пущен первый блок с реактором ВВЭР-1000. Вода первого контура имеет давление 16,5 МПа и температуру 350 ⁰С, что обеспечивает

48

надежный отвод т