Как работает АЭС кратко: от ядерного топлива до розетки
Атомная электростанция работает по тому же принципу, что и обычная тепловая: вода превращается в пар, пар вращает турбину, турбина крутит генератор. Разница только в источнике тепла: вместо сжигания угля или газа используется цепная ядерная реакция деления урана-235. Именно эта реакция выделяет в миллионы раз больше энергии, чем сжигание любого ископаемого топлива.
Ядерное топливо: что горит в реакторе
Топливо для АЭС выглядит не как уголь и не как газ. Это небольшие керамические таблетки диоксида урана диаметром около одного сантиметра. Таблетки укладывают в металлические трубки из циркониевого сплава длиной примерно четыре метра, получая тепловыделяющие элементы, или твэлы. Несколько сотен твэлов собирают в тепловыделяющую сборку, а сотни сборок формируют активную зону реактора. Российский энергетический реактор типа ВВЭР-1200 содержит около 163 таких сборок.
Уран добывают шахтным и открытым способом, затем обогащают: природный уран содержит лишь 0,7 процента делящегося изотопа урана-235, а для реактора нужно около 4-5 процентов. Обогащение выполняют на газодиффузионных или центрифужных заводах, после чего из обогащённого порошка прессуют те самые таблетки.
Как происходит цепная реакция
Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, ядро раскалывается на два более лёгких ядра и выбрасывает два-три новых нейтрона. Эти нейтроны летят к соседним ядрам урана и вызывают новые деления, каждое из которых снова рождает нейтроны. Реакция становится цепной и самоподдерживающейся. Чтобы она шла в управляемом темпе, а не взрывообразно, в активную зону вводят поглощающие стержни из бора или гафния: чем глубже они погружены, тем меньше нейтронов участвует в реакции и тем меньше тепла выделяется. Именно этими стержнями операторы регулируют мощность реактора.
Ещё один ключевой элемент управления реакцией — замедлитель. В водо-водяных реакторах (ВВЭР) роль замедлителя выполняет обычная вода под давлением около 160 атмосфер. Она охлаждает активную зону и одновременно замедляет нейтроны до «тепловых» скоростей, при которых деление происходит эффективно.
Два контура: почему вода не кипит в реакторе
В реакторе ВВЭР применяется двухконтурная схема. Первый контур: вода под давлением 160 атмосфер циркулирует через активную зону, нагревается до 320 градусов Цельсия, но не закипает из-за высокого давления. Она поступает в парогенератор и отдаёт тепло воде второго контура. Второй контур работает при меньшем давлении: вода здесь превращается в пар при температуре около 280 градусов, пар подаётся на лопатки паровой турбины.
Турбина вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту и приводит в движение электрогенератор. Отработавший пар поступает в конденсатор, где охлаждается водой третьего контура (из реки, моря или градирни) и снова становится жидкостью. Такое разделение на контуры защищает от попадания радиоактивной воды первого контура во внешнюю среду.
Защита и безопасность
Современные реакторы имеют несколько барьеров, удерживающих радиоактивные вещества. Первый барьер — сам керамический диоксид урана плохо выпускает продукты деления. Второй барьер — оболочка твэла из циркония. Третий барьер — стальной корпус реактора толщиной до 20 сантиметров. Четвёртый барьер — герметичная защитная оболочка здания реакторного отделения из предварительно напряжённого бетона толщиной от 1,2 до 1,5 метра. Она выдерживает как внутреннее давление при аварийном испарении теплоносителя, так и внешние воздействия.
Реактор имеет свойство «отрицательного парового коэффициента реактивности»: если что-то идёт не так и вода начинает интенсивно кипеть, реакция автоматически затухает. Это делает неуправляемое нарастание мощности физически невозможным. Один энергоблок АЭС мощностью 1200 МВт обеспечивает электроэнергией город с населением около миллиона человек.
