Атомні електростанції, Контур багаторазової примусової циркуляції (КМПЦ), Другий тепловий
Атомна електростанція- електростанція, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється на електричну енергію. Генератором енергії на АЕС є атомний реактор. Принцип роботи атомної електростанції дуже простий - це нормальне перетворення теплової енергії в електричну. Іншими словами АЕС працюють за тим же принципом, що і звичайні теплові електростанції, з однією лише відмінністю - для нагрівання води використовується енергія, що отримується при розпаді ядер урану. Джерелом теплової енергії в АЕС є ядерний реактор, в якому протікає керована ядерна реакція.
Реакторна установка РБМК-1000 є одноконтурною по теплоносію, оскільки вода пройшовши реактор, нагрівшись і частково випарувавшись, у вигляді пари надходить у турбіну і здійснивши роботу знову повертається в реактор. Але в тепловій схемі можна виділити два теплові контури, зі своїми джерелами та споживачами теплової енергії.
Розглянемо спрощену принципову теплову схему AЕС з реактором типу РБМК-1000
Контур багаторазової примусової циркуляції (КМПЦ)
Джерелом теплової енергії, як і всіх АЕС, є активна зона реактора. Як теплоносій використовується вода, яка проходячи через активну зону реактора частково випаровується. На виході з реактора вода містить у середньому 15% пари. Тиск води в трактах теплоносія 0.7 МПа (близько 70 атм.) за такого тиску температура кипіння води 284 0С. Пароводяна суміш реактора направляється в барабан сепаратор, який в тепловому контурі, виконує роль споживача теплової енергії. У барабані сепаратор з пароводяної суміші забирається пара і додається поживна вода, на виході з барабана сепаратора ми отримуємо воду в якості "холодного" теплоносія,причому температура практично залишається такою самою. Як спосіб теплообміну використовується вимушена конвекція, тобто використовується насос для прокачування теплоносія через активну зону реактора.
На підставі вище сказаного можна зобразити теплову схему для контуру багаторазової примусової циркуляції (КМПЦ) реактора РБМК-1000
Другий тепловий контур
Розглянемо другий тепловий контур. Барабан сепаратор, забираючи теплову енергію разом із парою з першого контуру, де він є споживачем, віддає її до другого контуру. Отже він є джерелом теплової енергії другого теплового контуру.
"Гарячим" теплоносієм є пара, відокремлена від пароводяної суміші в сепараторі барабані. Температура пари близько 284 0С, тиск Р = 7 МПа. Після барабана сепаратора, пара надходить у турбіну, де він обертає ротор (відбувається перетворення теплової енергії на механічну), турбіна є споживачем теплової енергії. З ротором турбіни жорстко пов'язаний ротор електричного генератора, що виробляє електроенергію. Параметри пари на виході з турбіни: температура 300С, тиск P = 0.004 МПа. Після турбіни пар необхідно перевести в рідкий стан, тобто перетворити на воду, цей процес відбувається в конденсаторі. Пара в конденсаторі передає свою теплову енергію воді, яка надходить із ставка охолоджувача, конденсатор, таким чином, також є споживачем енергії. На виході з конденсатора ми отримуємо воду з параметрами близькими до параметрів пари, яка є "холодним" теплоносієм для другого теплового контуру. Ця вода, пройшовши через кілька допоміжних пристроїв, стає живильною водою і за допомогою живильного помпи подається в барабан сепаратор.
Слід розуміти,що вище описана схема є лише наближенням до реальної теплової схеми. У ньому відображені лише ключові елементи, необхідні поняття базових принципів роботи енергоустановки. Такі важливі елементи як деаератор, насос конденсат, проміжні підігрівачі, не показані в даній схемі. Втрати теплової енергії у тепловому контурі
У схемі присутні два споживачі теплової енергії. Перший - турбіна перетворює теплову енергію в механічну, яка в генераторі перетворюється на електричну, таким чином відбувається корисне перетворення енергії. Другий споживач - конденсатор перетворює теплову енергію пари на теплову енергію води водосховища. Теплова потужність реактора РБМК-1000 приблизно 3200 МВт, а електрична потужність реакторної установки 1000 МВт.
2200 МВт витрачається на обігрів водосховища та навколишнього середовища. Отримання водойми, що незамерзає взимку, з великою натяжкою можна назвати корисним перетворенням енергії, проте обійтися без таких втрат теплової енергії неможливо. У термодинаміці є теорема про граничне ККД (коефіцієнт корисної дії) для перетворення теплової енергії на механічну.
Спробуємо зрозуміти, не користуючись цією теоремою, необхідність конденсатора в тепловій схемі. У турбіні відбувається зниження температури і тиску пари за рахунок виконання роботи (обертання ротора), зрозуміло, що температуру і тиск не можна знижувати нескінченно (без додаткових і дорогих установок), тому на виході з турбіни ми отримуємо пару з температурою 300С, тиском P = 0.004 МПа (0.04атм.). Однак навіть така пара, яку не можна використовувати, ні для обігріву, ні для обертання ротора турбіни, містить кількість теплової енергії майже вдвічі більшу, ніж вона віддала, проходячи через турбіну. Ця енергіяпередається охолоджуючій воді в конденсаторі при перетворенні пари у воду, температура при цьому залишається приблизно 300С.