Принцип действия и устройство ядерного (атомного) реактора

Первый ядерный реактор

«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года реактор дал первый ток, который был назван в честь его создателя, одного из величайших физиков века Э. Ферми. Три года спустя в Канаде ожила атомная электростанция ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного атомного проекта стал И.В. Курчатов. Сегодня в мире успешно эксплуатируются более 400 атомных энергоблоков.

Несколько фактов об атомных реакторах…

Интересно, что один реактор АЭС строится минимум на 3 года!
Чтобы построить реактор, нужно оборудование, работающее на электрическом токе в 210 килоампер, что в миллион раз превышает ток, который может убить человека.

Одна оболочка (конструктивный элемент) ядерного реактора весит 150 тонн. Таких элементов в реакторе 6.

Реактор с водой под давлением

Мы уже выяснили, как вообще работает атомная энергетическая установка, чтобы «разобраться» посмотрим, как работает самый популярный ядерный реактор под давлением.
Сегодня во всем мире используются водо-водяные реакторы поколения 3+. Они считаются самыми надежными и безопасными.

Все водо-водяные реакторы мира за все годы эксплуатации в сумме уже успели отработать более 1000 лет безаварийной работы и ни разу не дали серьезных отклонений.

Конструкция АЭС на основе водо-водяных реакторов такова, что между твэлами циркулирует дистиллированная вода, нагретая до 320 градусов. Чтобы он не перешел в парообразное состояние, его держат под давлением 160 атмосфер. На схеме АЭС это называется первичной водой.

Нагретая вода поступает в парогенератор и отдает свое тепло воде второго контура, после чего снова «возвращается» в реактор. Внешне это выглядит так, как будто трубы первого контура воды соприкасаются с другими трубами – вода во втором контуре передает тепло друг другу, а вода не соприкасается. Трубки соприкасаются.

Таким образом, исключается возможность попадания радиации в воду во вторичном контуре, которая в дальнейшем будет участвовать в процессе выработки электроэнергии.

Как дальше работают АЭС, уже хорошо известно — вторичная вода в парогенераторах превращается в пар, пар вращает турбину, а турбина приводит в действие электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию.

Типы ядерных реакторов

Их основная цель — поддерживать управляемую ядерную реакцию, производящую электричество. Некоторые реакторы производят изотопы. Короче говоря, это устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сжигаются» изотопы урана — U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличие, например, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, для каждого вида радиоактивного топлива имеется свой тип реактора. Их два — на медленных (с U-235) и быстрых (с U-238 и Pu) нейтронах. Большинство атомных электростанций оснащены реакторами на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «работают» в исследовательских центрах, на АПЛ и опреснителях морской воды.

Как устроен реактор

Все реакторы имеют примерно одинаковое устройство. Его «сердце» — активная зона. Его можно примерно сравнить с духовкой обычной плиты. Только вместо дерева ядерное топливо в виде твэлов с замедлителем — ТВЭЛы. Активная зона размещена внутри своеобразной капсулы — отражателя нейтронов. Твэлы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку «сердце» имеет очень высокий уровень радиоактивности, оно окружено надежной радиационной защитой.

Операторы контролируют работу объекта с помощью двух важнейших систем: управления цепной реакцией и системы дистанционного управления. При возникновении аварийной ситуации немедленно срабатывает аварийная защита.

Из чего состоит атомный реактор?

Чтобы понять принцип работы ядерного реактора, а значит и принцип работы атомной электростанции, необходимо разобраться в составных частях реактора.

• Активная зона. Это область, где находится ядерное горючее (тепловыделение) и замедлитель. Атомы топлива (чаще всего топливом является уран) осуществляют цепную реакцию деления. Модератор предназначен для управления процессом деления, позволяя выполнять реакцию, требуемую с точки зрения скорости и силы.
• Нейтронный отражатель. Рефлектор окружает активную зону. Он состоит из того же материала, что и модератор. По сути, это ящик, основное назначение которого — не допустить выхода нейтронов из ядра и попадания в окружающую среду.
• Охлаждающая жидкость. Теплоноситель должен поглощать тепло, выделяющееся при делении атомов топлива, и передавать его другим веществам. Теплоноситель во многом определяет конструкцию атомной электростанции. Самым популярным теплоносителем на сегодняшний день является вода.
  Система управления реактором. Датчики и механизмы, приводящие в действие реактор АЭС.

Управление реактором

Вернемся к ядерному реактору. Как это осуществляется? Помимо твэлов с горючим и замедлителем в нем есть еще и стержни управления. Они предназначены для пуска и остановки реактора, поддержания его критического состояния в любой момент работы, а также для переключения с одного уровня мощности на другой. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны.

Чтобы реактор работал на постоянном уровне мощности, необходимо создать и поддерживать в активной зоне такие условия, чтобы плотность нейтронов была постоянной во времени. Это состояние реактора часто называют «критическим состоянием» или просто «критичностью».

Когда активная зона сильно разогрета, в нее опускают стержни СУЗ, которые встают между твэлами и поглощают лишние нейтроны. Если требуется больше мощности, тяги управления снова поднимаются. Если их опустить на всю длину твэлов, цепная реакция прекратится, реактор остановится.

Кроме того, в случае непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, а также возникновения других аварийных режимов, связанных с избыточным энерговыделением в активной зоне реактора, в каждом реакторе предусмотрена возможность аварийного прекращения цепной реакции. В этом случае стержни аварийной защиты сбрасываются в центральную часть активной зоны под действием силы тяжести.

Принцип работы атомной электростанции

Использование ядерной энергии началось практически одновременно с созданием ядерного оружия. Пока шли военные разработки, начались исследования возможности использования ядерной энергии в мирных целях, в первую очередь для производства электроэнергии. Началом мирного использования атомной энергии принято считать 1954 год, когда в подмосковном Обнинске была введена в эксплуатацию первая в мире атомная электростанция.

В отличие от ядерной бомбы, при взрыве которой происходит неуправляемая цепная реакция деления атомных ядер с одновременным выделением огромного количества энергии, в ядерном реакторе происходит управляемая реакция деления ядер — топливо медленно отдает нам энергию. Чтобы использовать цепную реакцию ядерного деления в мирных целях, ученым пришлось придумать, как ее укротить.

Атомная электростанция – это целый комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии. Ядерная реакция происходит в сердце атомной электростанции – ядерном реакторе. Но он вообще не производит электричество.

На АЭС происходят три взаимных преобразования форм энергии: ядерная энергия превращается в тепловую, тепловая энергия превращается в механическую и уже механическая энергия превращается в электрическую. И у каждой трансформации есть свой технологический «остров» — набор оборудования, на котором происходят эти трансформации. Пройдемся по технологической цепочке и подробно рассмотрим, как рождается электричество.

Высокотемпературные с газовым охлаждением

Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР) — ядерный реактор, принцип работы которого основан на использовании в качестве топлива смеси графита и топливных микросфер. Есть два конкурирующих дизайна:

• немецкая система «наполнения», в которой используются сферические твэлы диаметром 60 мм, представляющие собой смесь графита и топлива в графитовой оболочке;
• американская версия в виде шестиугольных графитовых призм, которые смыкаются, образуя активную зону.

В обоих случаях хладагент состоит из гелия под давлением ок. 100 атмосфер. В немецкой системе гелий проходит через отверстия в слое сферических твэлов, а в американской — через отверстия в графитовых призмах, расположенных по оси центральной зоны реактора. Оба варианта могут работать при очень высоких температурах, так как графит имеет чрезвычайно высокую температуру сублимации, а гелий полностью химически инертен.

Горячий гелий можно использовать непосредственно в качестве рабочего тела в газовой турбине при высокой температуре, или тепло можно использовать для производства пара в водяном цикле.

Деление урана

Деление ядер урана под действием нейтронов было открыто немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в 1938 году. Нейтроны были выбраны для эксперимента потому, что они электрически нейтральны, т е не имеют заряда. А так как заряда нет, то нет и кулоновского отталкивания между протонами и нейтронами, и нейтроны легко проникают в ядро.

Когда нейтрон попадает в ядро ​​урана-235, оно деформируется и становится вытянутым. Ядерные силы действуют на очень малых расстояниях, но не действуют на больших. Но электростатическое взаимодействие может происходить на больших расстояниях.

Поэтому ядерное взаимодействие не может противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и последнее разрывается. При этом испускается та же пара нейтронов, о которой мы уже упоминали выше, и плотные по массе осколки разлетаются с большой скоростью.

Результаты деления ядра урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трех нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Еще больше наглядных примеров есть в курсах физики для 9 класса онлайн-школы Skysmart.

Откуда берется ядерная энергия

Чтобы понять это, нужно вспомнить, как устроен атом. Он состоит из ядра, вокруг которого движутся очень легкие отрицательно заряженные частицы — электроны. Ядро состоит из тяжелых частиц – положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, тесно связанных друг с другом. Массовое число зависит от количества содержащихся в нем протонов и нейтронов. Атомные ядра одних и тех же химических элементов могут иметь разное массовое число — это связано с разным количеством нейтронов. Такие атомы называются изотопами.

Стабильность ядра зависит от того, сколько частиц оно содержит. Чтобы удержать частицы в ядре, как очень тяжелым, так и очень легким ядрам требуется меньше энергии, чем ядрам промежуточной массы. Тяжелые ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны: связи между этими частицами относительно легко разорвать. Когда атомное ядро ​​распадается, эти связи разрываются и высвобождается большое количество энергии, которая изначально была необходима для удержания частиц вместе.

В 1938 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассманн облучили ядра урана, одного из радиоактивных элементов, нейтронами и заметили, что они распадаются. А в 1939 году советские физики Яков Зельдович и Юлий Харитон заметили, что реакция распада урана является цепной реакцией, то есть может поддерживать сама себя. При распаде от ядра урана отделяются нейтроны, которые попадают в другие ядра урана и вызывают их распад — и так далее по цепочке. Осколки деления и нейтроны обладают большой кинетической энергией (энергией движения), и при столкновении с другими атомами эта энергия превращается в тепло.

Цепная реакция высвобождает огромное количество энергии. В ядерном оружии использовалась неуправляемая цепная реакция деления, мощность которой вызвала такие разрушительные последствия для человечества и окружающей среды, что люди решили отказаться от нее и использовать энергию атома только в мирных целях и в строго контролируемых условиях. Такие условия создаются в ядерных реакторах — сложных установках, где протекает цепная реакция деления радиоактивных ядер. Ядерные реакторы используются как для исследований, так и для производства энергии.

Еще больше энергии выделяется при слиянии легких атомных ядер с более тяжелыми. Масса образовавшегося ядра оказывается меньше суммы масс его составляющих. Эта разница в массе выделяется в виде выделяемой при синтезе энергии движения частиц. Например, при слиянии изотопов водорода — дейтерия и трития — образуется ядро ​​гелия-4, называемое альфа-частицей, и нейтрон, уносящий 20% энергии.

Но соединение жил — непростая задача. Дело в том, что ядра одинаково (положительно) заряжены, и при сближении начинают отталкиваться друг от друга. Чтобы преодолеть это отталкивание, требуется высокая температура.

Люди научились создавать условия для термоядерного синтеза — в частности, было изобретено термоядерное оружие. Но реакция синтеза по-прежнему неуправляема и вызывает еще более разрушительные последствия, чем неуправляемая цепная реакция распада. Чтобы использовать энергию в мирных целях, люди стремятся научиться управлять термоядерным синтезом и научиться строить термоядерные реакторы.

Виды современных реакторов

На сегодняшний день существует несколько типов ядерных реакторов, но в основном используются два — гомогенный и гетерогенный:

• в гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель смешиваются;
• в гетерогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель отделены друг от друга.

Существуют также реакторы, в которых для выработки энергии используется уран-238 вместо урана-235. Но в таких реакторах трудно отводить тепло, поэтому они довольно редки.

Как делают ядерное топливо

Чтобы получить энергию в ядерном реакторе, вам нужно топливо. Топливом будут радиоактивные элементы. Как мы уже говорили, чтобы топливо давало энергию, необходимо взять атомные ядра и разделить их на части или соединить их друг с другом. Но так как термоядерный синтез еще не поставлен под контроль, мы будем продолжать говорить только о распаде.

Наиболее подходящим материалом для ядерного топлива является уран. Встречающиеся в природе соединения урана содержат несколько изотопов разной массы — уран-235, уран-238 и уран-234 (концентрация последнего составляет сотые доли процента от общей массы, поэтому о нем пока забудем). Распад изотопа урана-238 самый медленный: половина его ядер распадается за 4,5 миллиарда лет. Его доля природного урана составляет более 99%.

Наконец, менее 1% природного урана составляет уран-235. Он распадается намного быстрее, чем уран-238 и вызвать в нем цепную реакцию гораздо проще. Поэтому он гораздо больше подходит для ядерных реакторов.

Конечно, мы не можем взять свежедобытый кусок урановой руды и поместить его в реактор. Для этого руда должна быть обработана особым образом, а полученное газообразное вещество (UF6 или гексафторид урана) должно быть обогащено, то есть соотношение между содержанием урана-235 и урана-238 в данном объеме вещество должно быть увеличено, чтобы максимально возможные радиоактивные изотопы могли вступить в цепную реакцию.

Обогащенный уран переводится в твердую форму. Из него изготавливают твердотопливные таблетки, которые сворачиваются в длинные стержни — твэлы (твэлы). Связки этих стержней собираются в ТВС и загружаются в ядерный реактор — остается только извлекать из них энергию.

 Начало работы реактора

В первый момент после первой загрузки топливом цепная реакция деления в реакторе отсутствует, реактор находится в подкритическом состоянии. Температура охлаждающей жидкости намного ниже рабочей температуры.

Для начала цепной реакции делящийся материал должен образовать критическую массу — достаточное количество спонтанно делящегося материала в достаточно малом пространстве, условие, при котором количество нейтронов, выделяющихся при ядерном делении, должно быть больше, чем количество поглощенных нейтронов.

Это можно сделать, увеличив содержание урана-235 (количество заряженных твэлов), или уменьшив скорость нейтронов, чтобы они не пролетали мимо ядер урана-235.

Реактор выводится на мощность в несколько этапов.

С помощью регуляторов реактивности реактор переводят в сверхкритическое состояние Кэф>1 и повышают мощность реактора до уровня 1-2% от номинальной. На этом этапе реактор прогревается до рабочих параметров теплоносителя, и скорость нагрева ограничивается. В процессе нагрева регуляторы поддерживают мощность на постоянном уровне.

Затем включаются циркуляционные насосы и включается система отвода тепла. После этого мощность реактора может быть увеличена до любого уровня в диапазоне от 2 до 100% номинальной мощности.

По мере нагревания реактора реактивность изменяется из-за изменения температуры и плотности материалов активной зоны. Иногда при нагреве изменяется взаимное положение активной зоны и входящих или выходящих из активной зоны элементов управления, что вызывает эффект реактивности при отсутствии активного движения органов управления.

Реактор ВВЭР 1000 1 — станция СУЗ; 2 — крышка реактора; 3 — корпус реактора; 4 — блок с защитной трубкой (БЗТ); 5 мин; 6 — перегородка сердечника; 7 — тепловыделяющие сборки (ТВС) и стержни управления;

Техническая реализация

Если вы когда-нибудь смотрели Симпсонов (или если в вашем городе есть реактор), то вы знаете, как выглядят большие трубы, стоящие на территории атомной электростанции (АЭС). Эти трубы называются градирнями и служат для быстрого охлаждения пара.

В момент распада ядро ​​урана распадается на две части. Эти части разлетаются в разные стороны с огромной скоростью, но, несмотря на скорость, далеко не улетают. Они ударяются о атомы, находящиеся рядом, и кинетическая энергия преобразуется в тепло. Количество тепла от этих ударов нагревает воду и превращает ее в пар. Пар вращает турбину, а турбина вращает генератор, который вырабатывает электричество.

Вот и получается, что мы живем в стимпанке — все работает на пару.

Энергетические установки

Существует несколько типов реакторов этого типа, но широкое распространение получила легководная конструкция. В свою очередь, он может использовать воду под давлением или кипящую воду. В первом случае жидкость нагревается под высоким давлением за счет тепла активной зоны и поступает в парогенератор. Там тепло передается от первичного контура ко вторичному, в котором также содержится вода. Полученный в итоге пар служит рабочим телом в цикле паровой турбины.

Кипящий реактор работает по принципу прямого энергетического цикла. Вода, проходя через активную зону, доводится до кипения при среднем уровне давления. Насыщенный пар проходит через ряд сепараторов и осушителей, расположенных в корпусе реактора, которые доводят его до перегретого состояния. Затем перегретый водяной пар используется в качестве рабочего тела для вращения турбины.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне ядерного деления. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие осколки, которые в возбужденном состоянии становятся источниками нейтронов и других субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «крушить», в результате чего выделяется много энергии, то есть то, ради чего и строятся АЭС.

Основной задачей персонала является поддержание цепной реакции с помощью регулирующих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и продолжается быстро, в виде мощного взрыва.

Жидкометаллический ядерный реактор: схема и принцип работы

Реакторы на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением привлекли большое внимание в 1960-х и 1970-х годах. Тогда казалось, что их способность воспроизводить ядерное топливо в ближайшем будущем необходима для производства топлива для бурно развивающейся атомной промышленности. Когда в 1980-х годах стало ясно, что эти ожидания нереалистичны, энтузиазм угас.

Однако ряд реакторов этого типа построен в США, России, Франции, Великобритании, Японии и Германии. Большинство из них работает на диоксиде урана или его смеси с диоксидом плутония. Однако в Соединенных Штатах наибольший успех был достигнут с использованием металлических ракетных топлив.

Что мы узнали?

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция распада тяжелых ядер. Цепная реакция управляется частичным введением в зону реакции стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны. Это позволяет изменять коэффициент размножения нейтронов и скорость цепной реакции.

Читайте также: СБУ, Служба безопасности Украины — история ведомства, задачи, структура и руководители, деятельность и достижения, символика и награды, критика и реформы

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одной из основных причин аварии на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года стало грубое нарушение правил безопасности при проведении регламентных работ на четвертом энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно удалено 203 графитовых стержня вместо разрешенных регламентом 15. В результате начавшаяся неуправляемая цепная реакция закончилась тепловым взрывом и полным разрушением силового агрегата.

Управляемая ядерная реакция

Естественная ядерная реакция происходит очень быстро – менее чем за секунду. Такая быстрая ядерная реакция провоцирует ядерный взрыв.

Хорошая новость заключается в том, что ядерной реакцией можно управлять. Задача проста — следите за своей реакцией, контролируйте и не дайте урану распасться слишком быстро. Легко сказать!

Для выполнения этой задачи был изобретен ретардер. Замедлитель — это не устройство, а вещество, уменьшающее кинетическую энергию нейтронов за счет многократных столкновений с молекулами замедлителя. В качестве замедлителей часто используются графитовые стержни и вода – обычная (H2O) или тяжелая (D2O).

Оказывается… На Земле был природный ядерный реактор. Он был расположен на урановом месторождении Окло. Это в Габоне, в Центральной Африке. В природном ядерном реакторе процесс распада урана происходит без участия человека. Но есть один нюанс: этот реактор остыл более миллиарда лет назад.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из мировых лидеров атомной энергетики. На данный момент государственная компания «Росатом» строит АЭС в 12 странах, где возводится 34 энергоблока. Столь высокий спрос свидетельствует о высоком уровне современных российских ядерных технологий. На очереди — новые реакторы 4-го поколения.

«Брест»

Один из них — «Брест», который разрабатывается в рамках проекта «Прорыв». Существующие системы открытого цикла работают на низкообогащенном уране, поэтому большое количество отработавшего топлива необходимо утилизировать с большими затратами. «Брест» — уникальный реактор на быстрых нейтронах замкнутого цикла.

В нем отработавшее топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.

Брест отличается высоким уровнем безопасности. Он никогда не «взорвется» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологичен, так как повторно использует свой «регенерированный» уран. Он также не может быть использован для производства оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы для экспорта.

Турбина и генератор

Пар из парогенератора поступает в турбину, где энергия пара преобразуется в механическую работу. В паровой турбине потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую энергию, которая в свою очередь преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины, а она уже вращает ротор электрогенератора. Теперь механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

Пар, проходящий через турбину, поступает в конденсатор. Здесь пар охлаждается, конденсируется и превращается в воду. По второму контуру он поступает в парогенератор, где снова превращается в пар. Конденсатор охлаждается большим количеством воды из внешнего открытого источника, такого как резервуар или пруд-охладитель.

Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, как мы помним, которая является радиоактивной, что облегчает ремонт и уменьшает количество радиоактивных отходов при останове и демонтаже станции.

Что такое ТВЭЛ и ТВС?

Активная зона реактора выглядит как огромный диск или труба с отверстиями в стенках (в зависимости от типа реактора), размером в 5 раз больше человеческого тела. Эти отверстия содержат урановое топливо, атомы которого осуществляют нужную реакцию.

Невозможно просто закинуть топливо в реактор, ну если не хочется взрыва всей станции и аварии с последствиями для пары близлежащих штатов. Поэтому урановое топливо помещают в твэлы, а затем собирают в твэлы. Что означают эти сокращения?

• ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент (не путать с одноименным названием российской компании, их выпускающей). По сути, это тонкая и длинная циркониевая трубка из сплавов циркония, в которую помещены таблетки урана.Именно в твэлах атомы урана начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя в ходе реакции тепло.

Цирконий был выбран в качестве материала для изготовления твэлов благодаря его тугоплавкости и антикоррозионным свойствам.

Тип топливных элементов зависит от типа и конструкции реактора. Как правило, конструкция и назначение твэлов не меняется, длина и ширина трубы могут быть разными.

В одну циркониевую трубу машина загружает более 200 урановых таблеток. Всего в реакторе одновременно работает около 10 миллионов урановых таблеток.
ТВС — ТВС. Работники АЭС вызывают пакеты с топливом.

По сути, это несколько ТВЭЛов, соединенных вместе. Топливные элементы – это готовое ядерное топливо, на котором работает атомная электростанция. Есть тепловыделяющие элементы, которые загружаются в ядерный реактор. В реактор помещается примерно 150-400 твэлов.
В зависимости от того, в каком реакторе будет работать топливо, они бывают разных форм. Иногда связки складываются в кубическую, иногда в цилиндрическую, иногда в шестиугольную форму.

один топливный элемент за 4 года работы вырабатывает такое же количество энергии, как при сжигании 670 вагонов с углем, 730 цистерн с природным газом или 900 цистерн с нефтью.
Сегодня топливные элементы производятся в основном на заводах в России, Франции, США и Японии.

Для доставки топлива на АЭС других стран твэлы запаивают в длинные и широкие металлические трубы, из труб откачивают воздух и доставляют на борт грузовых самолетов специальными машинами.

Ядерное топливо для АЭС весит запредельно много, ведь уран — один из самых тяжелых металлов на планете. Его удельный вес в 2,5 раза больше, чем у стали.

Парогенератор

Вернемся к процессу преобразования ядерной энергии в электрическую. Парогенераторы используются для производства пара на атомных электростанциях. Они получают тепло от реактора, оно поступает с теплоносителем первого контура, а пар нужен для вращения паровых турбин.

Парогенераторы применяются на двух- и трехконтурных АЭС. В одиночном контуре их роль выполняет сам ядерный реактор. Это так называемые кипящие реакторы, где пар вырабатывается непосредственно в активной зоне, после чего направляется на турбину. В схеме таких АЭС отсутствует парогенератор. Примером электростанции с такими реакторами является японская АЭС «Фукусима-1».

Вода первого контура, циркулирующая через активную зону реактора, омывает твэлы, нагревается до температуры кипения 320–330°С, повышает давление в первом контуре. В современных реакторах типа ВВЭР (энергетические реакторы с охлаждением под давлением — они составляют основу мировой атомной энергетики) давление в первом контуре достигает 160 атмосфер.

Эта очень горячая вода затем перекачивается из реактора через парогенератор, где отдает часть тепла и снова возвращается в реактор. В парогенераторе это тепло передается вторичной воде. Это контур так называемого рабочего тела, т.е рабочего тела, преобразующего тепловую энергию в механическую. Эта вода, находящаяся под гораздо более низким давлением (половина давления в первом контуре или меньше), поэтому и закипает. Образовавшийся пар высокого давления поступает на лопатки турбины.

Устройство реактора

Блок ядерного реактора показан на следующем рисунке:

Рис. 2. Блок ядерного реактора.

В рабочей зоне ядерного реактора находятся стержни или пластины из урана или плутония, окруженные теплоносителем, который также является замедлителем нейтронов (как правило, это тяжелая вода).

В пространство между этими пластинами или стержнями ядерного топлива помещают регулирующие стержни из вещества, хорошо поглощающего нейтроны (бор, кадмий, графит). Именно с помощью этих стержней управляется цепная реакция распада. Для этого стержни управления имеют механизмы ввода и вывода из рабочей зоны реактора.

Нагретый теплоноситель поступает в парогенератор по трубопроводу в первый контур, где отдает тепло второму контуру, а при охлаждении возвращается в зону реакции.

Вся рабочая зона окружена толстой защитной оболочкой, улавливающей нейтроны и γ-излучение. Таким образом, все ответственные и потенциально опасные элементы реактора работают в стабильных условиях в замкнутом пространстве, что повышает надежность и безопасность работы.

Реактор является уникальной частью атомной электростанции. А вот тепло, полученное во втором контуре, используется так же, как и в обычных тепловых электростанциях – теплоноситель подается на турбину, вращающую электрогенераторы. Этот предмет изучается при изучении электричества.

Рис. 3. Схема АЭС.