Тепловые схемы турбинных установок АЭС

Электрическая станция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую, называется атомной (АЭС). АЭС использует теплоту, которая выделяется в ядерном реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов (в основном уран - 233, уран - 235 и др.).

В общем случае в схеме АЭС имеются теплоноситель и рабочее тело. Рабочее тело – газообразное или жидкое вещество, которое применяют в машинах для преобразования энергии. Для АЭС рабочим телом является водяной пар сравнительно низких параметров, насыщенный или слегка перегретый. Теплоноситель – движущаяся жидкая или газообразная среда, используемая для осуществления процесса отвода теплоты, выделяющейся в реакторе. В схемах АЭС теплоносителем является обычная или тяжелая вода, а иногда органические жидкости или инертный газ.

Основная классификация АЭС производится в зависимости от числа контуров теплоносителя и рабочего тела. Различают одно-, двух- и трехконтурные АЭС (рис.20).

Рисунок 20 - Тепловые схемы АЭС:

а – одноконтурная; б – двухконтурная; в – трехконтурная

При одноконтурной тепловой схеме АЭС (а) контуры теплоносителя и рабочего тела совпадают. В реакторе 1 происходит парообразование, пар направляется в паровую турбину 2, где производится механическая работа, которая в электрогенераторе 3 превращается в электроэнергию. В конденсаторе 4 происходит конденсация отработавшего пара и образовавшийся конденсат питательным насосом 5 подается снова в реактор. Таким образом, контур рабочего тела является одновременно контуром теплоносителя и оказывается замкнутым.

Реактор может работать как с естественной, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя по дополнительному внутреннему контуру, на котором установлен соответствующий циркуляционный насос 6.

Большим преимуществом одноконтурных АЭС является их простота и меньшая стоимость оборудования по сравнению с АЭС, выполненными по другим схемам, а недостатком – радиоактивность теплоносителя, что выдвигает дополнительные требования при проектировании и эксплуатации ПТУ АЭС.

В двухконтурной тепловой схеме АЭС (б) контуры теплоносителя и рабочего тела разделены. Контур теплоносителя, прокачиваемого через реактор 1 и парогенератор 7 циркуляционными насосом 6, называют первым или реакторным, а контур рабочего тела – вторым. Оба контура являются замкнутыми и обмен теплотой между теплоносителем и рабочим телом осуществляется в парогенераторе 7. Турбоустановка 2, входящая в состав второго контура, работает в условиях отсутствия радиационной активности, что упрощает ее эксплуатацию.

АЭС с двухконтурной тепловой схемой обычно выполняются с турбинами насыщенного пара. Однако имеются схемы, при которых пар на входе в турбину слабо перегрет.

Экономичность АЭС с двухконтурной тепловой схемой при прочих равных условиях всегда меньше, чем одноконтурной. Следует отметить, что стоимость второго контура и парогенератора соизмеримы со стоимостью биологической защиты в одноконтурной схеме. Поэтому стоимость одного кВт установленной мощности на АЭС одно- и двухконтурного типов примерно одинакова. На АЭС предполагается широкое использование в качестве теплоносителя жидкого металла, что позволит понизить давление в первом контуре, получить высокий коэффициент теплоотдачи и снизить расход теплоносителя. Обычно в качестве теплоносителя применяют жидкий натрий, температура плавления которого равна 98 ⁰С. Однако применение жидкого натрия вызывает ряд эксплуатационных трудностей. Особенно опасен его контакт с водой, приводящий к бурной химической реакции, что может создать опасность выноса радиоактивных веществ из первого контура в помещение. Во избежание этого создается дополнительный промежуточный контур с более высоким давлением, чем в первом, и тепловая схема такой АЭС называется трехконтурной (в). В первом контуре радиоактивный теплоноситель насосом 9 прокачивается через реактор 1 и промежуточный теплообменник 8, в котором он отдает теплоту также жидкометаллическому, но не радиоактивному теплоносителю, прокачиваемому по промежуточному контуру: теплообменник 8 - парогенератор 7. Контур рабочего тела аналогичен двухконтурной схеме АЭС (б).

Кроме приведенной классификации АЭС по числу контуров можно выделить отдельные типы АЭС в зависимости от следующих признаков: параметров и типов паровых турбин (например, АЭС на насыщенном или перегретом паре); способа перегрева пара (огневой или ядерный); параметров и типа теплоносителя; конструктивных особенностей и типа реактора и другое.