Как работает АЭС: путь от ядерного топлива до электрической розетки
Как работает АЭС? В основе атомной электростанции лежит управляемая цепная реакция деления ядер урана-235. При делении ядра выделяется огромное количество тепла, которое нагревает воду. Водяной пар раскручивает турбину, турбина приводит в действие генератор, и в сети появляется электрический ток. По принципу преобразования энергии АЭС похожа на обычную тепловую электростанцию, только вместо сжигания угля или газа здесь работает ядерный реактор.
Ядерное топливо: откуда берётся энергия
Природный уран состоит в основном из изотопа уран-238 (99,3%) и совсем немного уран-235 (0,7%). Именно уран-235 способен делиться под действием медленных нейтронов. Чтобы реакция шла устойчиво, содержание уран-235 в топливе повышают до 3–5%, и этот процесс называется обогащением. Обогащённый уран превращают в керамические таблетки из диоксида урана диаметром около 1 см и высотой 1,5 см. Таблетки укладывают в циркониевые трубки — твэлы (тепловыделяющие элементы) длиной 3–4 метра. Из нескольких сотен твэлов собирают тепловыделяющую сборку, из нескольких сотен сборок — активную зону реактора.
В активной зоне происходит цепная реакция: нейтрон попадает в ядро уран-235, ядро делится на два осколка, выделяет 2–3 новых нейтрона и колоссальное количество тепла. Новые нейтроны вызывают следующие деления. Чтобы реакция не разогналась бесконтрольно, между сборками располагают управляющие стержни из материалов, поглощающих нейтроны: бора, гафния или кадмия. Поднимая или опуская стержни, операторы регулируют мощность реактора вплоть до полной остановки.
Реактор и контуры охлаждения
На большинстве российских АЭС установлены реакторы типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). В них теплоносителем и замедлителем нейтронов служит обычная вода под давлением около 160 атмосфер. Такое давление повышает точку кипения воды до 320–340 °C, что позволяет нагревать её, не превращая в пар прямо в реакторе.
Теплоноситель первого контура прокачивается насосами через активную зону, забирает тепло и передаёт его в парогенератор: теплообменник, где проходит вода второго контура. Вода второго контура не соприкасается с радиоактивным теплоносителем, а нагревается через стенки теплообменных трубок и превращается в пар при давлении около 60 атмосфер и температуре 275–285 °C. Разделение на два контура принципиально для безопасности: радиоактивность не выходит за пределы первого контура.
Турбина, генератор и сброс тепла
Пар второго контура с большой скоростью поступает на лопатки паровой турбины и раскручивает ротор до 3000 оборотов в минуту. Вал турбины соединён с ротором электрогенератора, который вырабатывает трёхфазный переменный ток напряжением 15–24 кВ. Трансформаторы повышают напряжение до 220–750 кВ для передачи по линиям электропередачи на большие расстояния.
После турбины пар конденсируется обратно в воду в конденсаторе, охлаждаемом водой из третьего нерадиоактивного контура. Охлаждающую воду берут из реки или водохранилища. Излишнее тепло, которое нельзя превратить в электричество, сбрасывается в атмосферу через градирни: те самые гиперболические башни, которые ассоциируются с атомными станциями. Из них идёт не дым, а обычный водяной пар.
Защитные барьеры и безопасность
Современный реактор имеет несколько независимых барьеров, удерживающих радиоактивные вещества. Первый: керамическая таблетка топлива, внутри которой остаётся большая часть продуктов деления. Второй: оболочка твэла из циркониевого сплава. Третий: стальной корпус реактора толщиной 150–200 мм. Четвёртый: железобетонная защитная оболочка (контайнмент) толщиной 1,2–1,5 метра, рассчитанная на внутреннее давление при аварии. Система аварийного охлаждения активной зоны автоматически подаёт воду при резком падении давления в первом контуре. Реакторы нового поколения ВВЭР-1200, которые строятся сегодня, дополнительно оснащены пассивными системами безопасности: они работают без насосов и электричества, используя только силу тяжести и естественную циркуляцию. Один энергоблок АЭС с реактором мощностью 1000 МВт обеспечивает электроэнергией город с населением около миллиона человек.
