Как устроена АЭС?

Сегодня в России 10 атомных электростанций (АЭС), и далеко не все знают, как они выглядят. И уж тем более не все понимают, как они устроены. Сейчас мы попытаемся объяснить принцип работы АЭС и расскажем, какие системы безопасности защищают нас от катастроф, которые у всех на слуху.

Для начала нужно понимать, что на АЭС энергия преобразуется трижды.

  1. Ядерная энергия преобразуется в тепловую. Внутри реактора происходит цепная реакция деления урана, процесс сопровождается выделением тепла. Разумеется, оно никуда не исчезает, в реакторе есть специальный теплоноситель, который нагревается и передаёт это тепло на парогенератор.
  2. Тепловая энергия превращается в механическую. В парогенераторе теплоноситель нагревает воду, которая превращается в пар.
  3. Механическая энергия преобразуется в электрическую. Пар вращает турбину, в результате и получается электричество.

Вроде бы, всё просто. Но остаются вопросы. Разберём устройство АЭС на примере реактора ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор), самого распространённого в мире типа реакторов (в мировой классификации их обозначают PWR).

Источник изображения

РЕАКТОР. В активной зоне реактора находятся стержни с топливом (чаще всего это оксид уран). При пуске реактора создаются условия, при которых из ядер урана вылетают нейтроны. У них довольно высокая скорость, и часть из них врезается в соседние ядра. Эти ядра раскалываются на две примерно равные части, при этом появляются 2-3 новый нейтрона. Процесс повторяется. Это и есть цепная реакция (её часто изображают, как принцип домино).

Образовавшиеся осколки деления обладают большой кинетической энергией, которая переходит в тепло при их торможении. Оно поглощается теплоносителем, который подаётся в активную зону циркуляционными насосами. В качестве теплоносителя обычно используется очищенная вода (в реакторах на быстрых нейронах это жидкий металл — натрий). Для эффективности вода находится под высоким давлением (до 160 атмосфер) и нагревается до 324 градусов (это данные для реактора ВВЭР-1000). Теплоноситель, напрямую соприкасаясь с топливными сборками, становится радиоактивным. Поэтому он замкнут в первом герметичном контуре и не покидает пределов энергоблока (на схеме красно-оранжевая циркуляция).

ПАРОГЕНЕРАТОР. Внутри парогенератора тоже вода, но уже меньшего давления (60 атмосфер). Она «снимает» тепло с первого контура, но не соприкасается с водой внутри него. Этого тепла достаточно, чтобы образовался пар. Пар поступает на турбину, где заставляет вращаться лопасти (это вращение и становится электричеством в генераторе). Далее пар поступает в конденсатор, где остывает и снова поступает в парогенератор. Это второй контур. Он также замкнутый, но в отличие от первого контура вода/пар в нём не радиоактивны.

КОНДЕНСАТОР. По своему устройству он напоминает парогенератор. Но есть принципиальное НО: второй контур (пар из парогенератора) охлаждается за счёт воды извне. Эта вода поступает из пруда-охладителя (теперь вы понимаете, почему рядом с АЭС есть водоёмы). Иногда пруда мало, приходится строить огромные сооружения — градирни. Их часто называют трубами, но правильнее — охладительными башнями. Из конденсатора нагретая вода подаётся внутрь градирни, где частично вода испаряется. За счёт испарения и конденсации на стенках башни в целом вода остывает и снова попадает в конденсатор. ВАЖНО: из градирен в атмосферу попадает только чистый пар, никаких вредных выбросов нет.

Теперь вы знаете, как устроены АЭС. По крайней мере, большая их часть — двухконтурные. Есть одноконтурные (например, реакторы РБМК) и трёхконтурные (реакторы на быстрых нейтронах). Из-за особенностей конструкции схема «вывода» тепла из активной зоны у них немного иная. Но в целом сам принцип устройства не меняется: энергия деления ядер нагревает теплоноситель, который превращает воду в пар, а пар в свою очередь вращает турбину.

Белоярская АЭС (Свердловская область)

СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Системы безопасности на АЭС постоянно совершенствуются. Инженеры во всём мире учитывают аварийные ситуации на АЭС в разных странах и учитывают их в своих расчётах. Например, реакторные установки сегодня строятся исключительно в контейнментах — массивных герметичных оболочках, которые в случае аварии предотвратят выброс радиоактивных веществ в атмосферу. Это настолько крепкие конструкции, что они способны выдержать падение самолёта весом в 20 т, ураганы (при скорости ветра до 56 м/с) и даже ударную волну от взрыва с давлением 30 КПа.

Подробнее о системах безопасности на АЭС российского дизайна можно прочитать здесь. К слову, у России самый крупный портфель иностранных заказов на строительство АЭС, это свидетельствует не только о конкурентной цене, но и о выполнении самых высоких требований к безопасности.