Как работает атомная станция: от урана до розетки
Атомная станция работает как обычная тепловая электростанция, но вместо газа или угля использует тепло ядерного реактора. Внутри реактора атомы урана-235 расщепляются под действием нейтронов, выделяя огромное количество тепла. Это тепло нагревает воду, которая превращается в пар, пар крутит турбину, турбина вращает генератор, и в сети появляется электричество.
Что такое ядерная реакция и как она управляется
Ядерное топливо: это таблетки из диоксида урана диаметром около 1 сантиметра. Несколько сотен таблеток загружают в металлическую трубку (твэл), а несколько сотен твэлов собирают в тепловыделяющую сборку. Один килограмм ядерного топлива по выделяемой энергии эквивалентен примерно 3000 тоннам угля.
При делении ядра урана высвобождаются 2–3 нейтрона, которые, в свою очередь, расщепляют соседние ядра. Этот процесс называется цепной реакцией. Чтобы реакция не вышла из-под контроля, в активную зону реактора вводят управляющие стержни из материалов, поглощающих нейтроны (например, из карбида бора). Опуская или поднимая стержни, операторы регулируют мощность реактора так же, как водитель нажимает на педаль газа.
Как устроен реактор типа ВВЭР
Самый распространённый тип реактора на российских станциях — ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). Его корпус — стальной цилиндр высотой около 12 метров, выдерживающий давление 160 атмосфер. Внутри циркулирует теплоноситель, обычная вода под давлением, которое не даёт ей закипеть даже при температуре 320 градусов Цельсия. Эта вода называется первым контуром.
Тепло из первого контура передаётся во второй контур через парогенераторы. Вода второго контура находится при более низком давлении, поэтому закипает и превращается в пар. Два контура не смешиваются: это важный барьер безопасности, не позволяющий радиоактивному теплоносителю попасть в турбинный зал. Пар второго контура вращает турбогенератор с частотой 3000 оборотов в минуту, вырабатывая электрический ток частотой 50 герц.
Системы безопасности: несколько барьеров
Между ядерным топливом и окружающей средой выстроено пять последовательных барьеров. Первый: кристаллическая решётка самой таблетки топлива, она удерживает большую часть продуктов деления. Второй: герметичная оболочка твэла из циркониевого сплава. Третий: стальной корпус реактора. Четвёртый: защитная оболочка из преднапряжённого железобетона толщиной до 1,5 метра. Пятый барьер: промышленная зона станции с санитарно-защитной территорией.
Системы аварийного охлаждения активной зоны срабатывают автоматически при любом отклонении параметров. На современных реакторах поколения ВВЭР-1200 предусмотрены пассивные системы: они работают без насосов и электричества, только за счёт гравитации и естественной конвекции, что существенно повышает надёжность.
Отработанное топливо и дальнейший путь
После 3–5 лет работы в реакторе тепловыделяющие сборки выгружают в бассейн выдержки, расположенный прямо на станции. Там они несколько лет охлаждаются и теряют интенсивность излучения. Затем отработавшее топливо перевозят в специальных транспортных контейнерах на предприятия по переработке или долговременному хранению. Часть материалов может быть повторно использована в производстве МОКС-топлива, это снижает объём конечных отходов. В России обращением с отработанным топливом занимается госкорпорация «Росатом».
