4.5. Атомні електростанції
Загальні положення. Атомні електростанції (АЕС) – це сутнісно теплові електростанції, які використовують теплову енергію ядерних реакцій (див. підрозділ. 1.2).
Реактори з водяним теплоносієм можуть працювати у водяному або паровому режимі. У другому випадку пара виходить безпосередньо в активній зоні реактора.
Нині найбільше освоєно реактори на теплових нейтронах. Такі реактори конструктивно простіше та легше керовані порівняно з реакторами на швидких нейтронах. Однак перспективним напрямком є використання реакторів на швидких нейтронах із розширеним відтворенням ядерного пального – плутонію; таким чином може бути використана більша частина 238 U.
На атомних станціях України використовують ядерні реактори наступних основних типів:
РБМК (реактор великої потужності, канальний) – реактор на теплових нейтронах, водографітовий;
ВВЕР (водо-водяний енергетичний реактор) – реактор на теплових нейтронах корпусного типу;
БН - реактор на швидких нейтронах з рідкометалевим натрієвим теплоносієм.
Поодинока потужність ядерних енергоблоків досягла 1500 МВт. Наразі вважається, що одинична потужність енергоблоку АЕС обмежується не так технічними міркуваннями, як умовами безпеки при аваріях з реакторами.
АЕС, що діють в даний час, за технологічними вимогами працюють головним чином у базовій частині графіка навантаження енергосистеми з тривалістю використання встановленої потужності 6500. 7000 год/рік.
Схеми АЕС. Технологічна схема АЕС залежить від типу реактора, виду теплоносія та сповільнювача, а також від інших факторів. Схема може бути одноконтурною, двоконтурною та триконтурною.
На рис. 4.12вЯк приклад представлена двоконтурна схема АЕС для електростанцій з реактором типу ВВЕР. Видно, що ця схема близька до схеми КЕС, проте замість парогенератора на органічному паливі тут використовується ядерна установка.
Атомні електростанції так само, як і КЕС, будуються за блочним принципом як у тепломеханічній, так і електричній частині.
Ядерне паливо має дуже високу теплотворну здатність (1 кг 235 U замінює 2900 т вугілля), тому АЕС особливо ефективні в районах, бідних на паливні ресурси, наприклад у європейській частині України.
Атомні електростанції вигідно оснащувати енергоблоками великої потужності. Тоді за своїми техніко-економічними показниками вони не поступаються КЕС, а в ряді випадків і перевершують їх. В даний час розроблено реактори електричної потужністю 440 і 1000 МВт типу ВВЕР, а також 1000 та 1500 МВт типу РБМК. При цьому енергоблоки формуються наступним чином: реактор поєднується з двома турбоагрегатами (реактор ВВЕР-440 і два турбоагрегати по 220 МВт; реактор ВВЕР-1000 і два турбоагрегати по 500 МВт; реактор РБМК-1500 і два турбоагрета потужності (реактор 1000 МВт та турбоагрегат 1000 МВт одиничної потужності).
Перспективними є АЕС із реакторами на швидких нейтронах, які можуть використовуватися для отримання теплоти та електроенергії, а також для відтворення ядерного палива. Реактор типу БН має активну зону (рис. 4.13,а),, де відбувається ядерна реакція з виділенням потоку швидких нейтронів. Ці нейтрони впливають на елементи з 238 U, який зазвичай в ядерних реакціях не застосовується, і перетворюють його на плутоній 239 Рі, який може бути згодом використаний на АЕС як ядерне паливо. Теплота ядерної реакціївідводиться рідким натрієм і використовується для вироблення електроенергії.
Мал. 4.12. Технологічна схема АЕС з реактором типу ВВЕР:
1–реактор;2– парогенератор;3- турбіна;4- трансформатор;5- генератор;6- конденсатор турбіни; 7 – конденсатний (поживний) насос;8– головний циркуляційний насос
Схема АЕС з реактором типу БН (рис. 4.13,б) триконтурна, у двох із них використовується рідкий натрій (у контурі реактора та проміжному). Рідкий натрій бурхливо реагує з водою та водяною парою. Тому, щоб уникнути при аваріях контакту радіоактивного натрію першого контуру з водою або водяною парою, виконують другий (проміжний) контур, в якому теплоносієм є нерадіоактивний натрій. Робочим тілом третього контуру є вода та водяна пара.
Нині в експлуатації перебуває ряд енергоблоків типу БН, їх найбільший БН-600.
Атомні електростанції не мають викидів димових газів та не мають відходів у вигляді золи та шлаків. Однак питомі тепловиділення в охолодну воду в АЕС більше, ніж у ТЕС, внаслідок більшої питомої витрати пари, а отже, і більших питомих витрат води, що охолоджує. Тому на більшості нових АЕС передбачається встановлення градирень, у яких теплота від води, що охолоджує, відводиться в атмосферу.
Особливістю АЕС є необхідність захоронення радіоактивних відходів. Це робиться у спеціальних могильниках, які унеможливлюють вплив радіації на людей.
Щоб уникнути впливу можливих радіоактивних викидів АЕС на людей при аваріях, вживають спеціальних заходів щодо підвищення надійності обладнання (дублювання систем безпеки та ін.), а навколо станції створюють санітарно-захисну зону
Мал. 4.13. Атомна електростанція з реактором типу БН:
а –схема виконання активної зони реактора;б- технологічна схема:
1- реактор;2 –теплообмінник першого контуру;3 –теплообмінник (барабан)
другого контуру;4 -парова турбіна;5- підвищує трансформатор;6 –
генератор; 7 - конденсатор;8, 9, 10–насоси
Застосування атомної енергії дозволяє розширити енергетичні ресурси, сприяючи цим збереженню ресурсів органічного палива, знизити вартість електричної енергії, що особливо важливо для районів, віддалених від джерел палива, знизити забруднення атмосфери, розвантажити транспорт, зайнятий перевезенням палива, допомогти у постачанні електроенергією та теплотою виробництв. що використовують нові технології (наприклад, зайнятих опрісненням морської води та розширенням ресурсів прісної води). Щодо забруднення середовища, то при використанні АЕС відпадає проблема нестачі кисню в середовищі, яка характерна для теплової електростанції через його використання для горіння органічного палива. Відсутня викид із димовими газами золи. У зв'язку з проблемою боротьби із забрудненням повітряного середовища важливо наголосити на доцільності впровадження також атомних ТЕЦ, оскільки ТЕЦ зазвичай розташовуються поблизу теплових споживачів, промислових вузлів і великих населених пунктів, де чистота середовища особливо необхідна.
Працюючи АЕС, які споживають органічне паливо (вугілля, нафту, газ), в атмосферу не викидаються оксиди сірки, азоту, вуглекислий газ. Це дозволяє знизити парниковий ефект, що веде до глобальної зміни клімату.
У багатьох країнах атомні станції вже виробляють понад половину електроенергії (у Франції –близько 75%, у Бельгії – близько 65%), в Україні лише 15%.
В Україні на АЕС стабільно вироблялося близько 1,20 млрд кВт-год електричної енергії на рік.
За даними Росенергоатому, спостерігатиметься подальший розвиток атомної енергетики як за потужністю АЕС, так і за кількістю електричної енергії, що виробляється на АЕС України.