Как работает АЭС простыми словами: от ядра атома до розетки
Атомная электростанция работает так же, как обычная тепловая, с одним отличием: вместо сжигания угля или газа здесь тепло получают из реакции деления ядер урана. Это тепло нагревает воду, пар раскручивает турбину, а турбина вращает генератор, который и вырабатывает электричество.
Откуда берётся энергия в реакторе
Ядерное топливо — это диоксид урана, спрессованный в небольшие таблетки диаметром около 1 сантиметра. Таблетки загружают в металлические трубки из циркониевого сплава — тепловыделяющие элементы (твэлы). Несколько сотен твэлов образуют тепловыделяющую сборку, а десятки сборок формируют активную зону реактора. Когда нейтрон попадает в ядро урана-235, ядро распадается на два более лёгких ядра и выбрасывает 2-3 новых нейтрона. Те попадают в соседние ядра, цепная реакция продолжается. При каждом делении выделяется огромное по меркам химических реакций количество энергии: один грамм урана-235 при полном делении эквивалентен примерно 2,5 тонны угля.
Как реактор управляет цепной реакцией
Чтобы реакция не ускорялась бесконтрольно, в активную зону вводят управляющие стержни из материалов, которые поглощают нейтроны (обычно сплавы бора или гафния). Чем глубже стержни погружены в активную зону, тем меньше нейтронов участвует в реакции и тем ниже мощность. Оператор поднимает стержни при наборе мощности и опускает при снижении или остановке. Помимо стержней, реакцию регулируют концентрацией борной кислоты в воде теплоносителя. В российских реакторах типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) теплоносителем служит вода под давлением 160 атмосфер: при таком давлении вода не закипает даже при 330 градусах Цельсия.
Как тепло превращается в электричество
Горячая вода из реактора (первый контур) поступает в парогенератор. Там она отдаёт тепло воде второго контура, которая не связана с реактором напрямую и потому не несёт радиоактивных веществ. Во втором контуре вода закипает и превращается в пар под давлением около 60 атмосфер при температуре 275-280 градусов. Этот пар раскручивает лопатки паровой турбины до нескольких тысяч оборотов в минуту. Вал турбины соединён с ротором генератора: вращение в магнитном поле индуцирует электрический ток. После турбины пар охлаждается в конденсаторе, снова превращается в воду и возвращается в парогенератор. Тепло для охлаждения конденсатора отводится в реку, озеро или градирню.
Защита и безопасность
Современные реакторы имеют несколько уровней физических барьеров между топливом и окружающей средой: сама керамическая таблетка топлива, оболочка твэла, корпус реактора из стали толщиной до 20 сантиметров и железобетонная защитная оболочка (контайнмент) толщиной 1,2-1,5 метра. Пассивные системы безопасности работают без электричества и вмешательства оператора: при потере охлаждения управляющие стержни падают в активную зону под собственным весом, а аварийные баки с водой самотёком заполняют реактор. В России работает около 36 энергоблоков на 11 АЭС, крупнейшая из которых расположена в Смоленской области.
Что происходит с отработавшим топливом
Тепловыделяющие сборки служат в реакторе 3-5 лет, потом их извлекают и помещают в бассейны выдержки прямо на АЭС: за 10 лет радиоактивность снижается в тысячи раз. Затем топливо перевозят на радиохимические заводы для переработки: из него извлекают остатки урана и плутоний для повторного использования. Высокоактивные отходы фиксируют в стеклянную или керамическую матрицу и хранят в специальных хранилищах с многоуровневой защитой.
